Was das Element mit der Ordnungszahl 31 betrifft, erinnern sich die meisten Leser nur daran, dass es eines der drei Elemente ist, die von D.I. vorhergesagt und am ausführlichsten beschrieben wurden. Mendelejew, und dass Gallium ein sehr schmelzbares Metall ist: Die Hitze der Handfläche reicht aus, um es in Flüssigkeit zu verwandeln.
Allerdings ist Gallium nicht das schmelzbarste Metall (auch wenn man Quecksilber nicht mitzählt). Sein Schmelzpunkt liegt bei 29,75 °C und Cäsium schmilzt bei 28,5 °C; Nur Cäsium kann wie jedes Alkalimetall nicht in die Hände genommen werden, daher ist es natürlich einfacher, Gallium in der Handfläche zu schmelzen als Cäsium.
Wir haben unsere Geschichte über Element 31 bewusst mit der Erwähnung von etwas begonnen, das fast jeder weiß. Denn dieses „Wissen“ bedarf einer Erklärung. Jeder weiß, dass Gallium von Mendelejew vorhergesagt und von Lecoq de Boisbaudran entdeckt wurde, aber nicht jeder weiß, wie es zu dieser Entdeckung kam. Fast jeder weiß, dass Gallium schmelzbar ist, aber fast niemand kann die Frage beantworten, warum es schmelzbar ist.
Wie wurde Gallium entdeckt?
Der französische Chemiker Paul Emile Lecoq de Boisbaudran ging als Entdecker dreier neuer Elemente in die Geschichte ein: Gallium (1875), Samarium (1879) und Dysprosium (1886). Die erste dieser Entdeckungen machte ihn berühmt.
Zu dieser Zeit war er außerhalb Frankreichs wenig bekannt. Er war 38 Jahre alt und beschäftigte sich hauptsächlich mit spektroskopischer Forschung. Lecoq de Boisbaudran war ein guter Spektroskopiker, und das führte letztendlich zum Erfolg: Er entdeckte alle drei seiner Elemente durch Spektralanalyse.
Im Jahr 1875 untersuchte Lecoq de Boisbaudran das Spektrum der aus Pierrefitte (Pyrenäen) mitgebrachten Zinkblende. In diesem Spektrum wurde eine neue violette Linie (Wellenlänge 4170 Å) entdeckt. Die neue Linie deutete auf das Vorhandensein eines unbekannten Elements in dem Mineral hin, und ganz natürlich unternahm Lecoq de Boisbaudran alle Anstrengungen, dieses Element zu isolieren. Dies erwies sich als schwierig: Der Gehalt des neuen Elements im Erz betrug weniger als 0,1 % und ähnelte in vielerlei Hinsicht Zink*. Nach langwierigen Experimenten gelang es dem Wissenschaftler, ein neues Element zu gewinnen, allerdings in sehr geringer Menge. So klein (weniger als 0,1 g), dass Lecoq de Boisbaudrap seine physikalischen und chemischen Eigenschaften nicht vollständig untersuchen konnte.
* Wie Gallium aus Zinkblende gewonnen wird, wird im Folgenden beschrieben.
Die Entdeckung von Gallium – so wurde das neue Element zu Ehren Frankreichs benannt (Gallia ist sein lateinischer Name) – erschien in den Berichten der Pariser Akademie der Wissenschaften.
Diese Nachricht wurde von D.I. gelesen. Mendeleev erkannte in Gallium Eka-Aluminium, das er fünf Jahre zuvor vorhergesagt hatte. Mendelejew schrieb sofort nach Paris. „Die Methode der Entdeckung und Isolierung sowie die wenigen beschriebenen Eigenschaften lassen uns glauben, dass es sich bei dem neuen Metall um kein anderes als Eka-Aluminium handelt“, heißt es in seinem Brief. Anschließend wiederholte er die für dieses Element vorhergesagten Eigenschaften. Darüber hinaus argumentierte der russische Chemiker, ohne jemals Galliumkörner in den Händen zu halten, ohne es persönlich zu sehen, dass der Entdecker des Elements sich geirrt habe, dass die Dichte des neuen Metalls nicht 4,7 betragen könne, wie Lecoq de Boisbaudran schrieb: - es muss größer sein, etwa 5,9...6,0 g/cm 3!
So seltsam es auch erscheinen mag, der erste seiner bejahenden, „stärkenden“ Sätze erfuhr erst aus diesem Brief von der Existenz des periodischen Gesetzes. Um die Ergebnisse der ersten Experimente zu überprüfen, isolierte und reinigte er erneut Galliumkörner. Einige Wissenschaftshistoriker glauben, dass dies mit dem Ziel geschah, den selbstbewussten russischen „Prädiktor“ zu blamieren. Doch die Erfahrung zeigte das Gegenteil: Der Entdecker täuschte sich. Später schrieb er: „Es besteht meiner Meinung nach keine Notwendigkeit, auf die außergewöhnliche Bedeutung hinzuweisen, die die Dichte eines neuen Elements im Zusammenhang mit der Bestätigung von Mendelejews theoretischen Ansichten hat.“
Andere von Mendelejew vorhergesagte Eigenschaften des Elements Nr. 31 stimmten fast genau mit den experimentellen Daten überein. „Mendelejews Vorhersagen haben sich mit geringfügigen Abweichungen bewahrheitet: Eka-Aluminium verwandelte sich in Gallium.“ So charakterisiert Engels dieses Ereignis in „Dialektik der Natur“.
Es erübrigt sich zu erwähnen, dass die Entdeckung des ersten von Mendelejew vorhergesagten Elements die Position des periodischen Gesetzes erheblich stärkte.
Warum ist Gallium schmelzbar?
Mendeleev sagte die Eigenschaften von Gallium voraus und glaubte, dass dieses Metall schmelzbar sein sollte, da seine Analoga in der Gruppe – Aluminium und Indium – ebenfalls nicht feuerfest sind.
Doch der Schmelzpunkt von Gallium ist ungewöhnlich niedrig, fünfmal niedriger als der von Indium. Dies wird durch die ungewöhnliche Struktur von Galliumkristallen erklärt. Sein Kristallgitter besteht nicht aus einzelnen Atomen (wie bei „normalen“ Metallen), sondern aus zweiatomigen Molekülen. Ga 2 -Moleküle sind sehr stabil; sie bleiben auch dann erhalten, wenn Gallium in einen flüssigen Zustand überführt wird. Diese Moleküle sind jedoch nur durch schwache Van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden, und es ist nur sehr wenig Energie erforderlich, um ihre Bindung zu zerstören.
Einige andere Eigenschaften des Elements Nr. 31 hängen mit der Diatomizität von Molekülen zusammen. Im flüssigen Zustand ist Gallium dichter und schwerer als im festen Zustand. Auch die elektrische Leitfähigkeit von flüssigem Gallium ist höher als die von festem Gallium.
Äußerlich sieht es eher wie Zinn aus: ein silbrig-weißes weiches Metall, das an der Luft weder oxidiert noch anläuft.
Und in den meisten chemischen Eigenschaften ähnelt Gallium Aluminium. Das Galliumatom verfügt wie Aluminium über drei Elektronen in seiner äußeren Umlaufbahn. Wie Aluminium reagiert Gallium auch in der Kälte leicht mit Halogenen (außer Jod). Beide Metalle lösen sich leicht in Schwefel- und Salzsäure und reagieren beide mit Alkalien zu amphoteren Hydroxiden. Reaktionsdissoziationskonstanten
Ga(OH) 3 → Ga 3+ + 3OH –
H 3 GaO 3 → 3H + + GaO 3– 3
– Mengen der gleichen Bestellung.
Allerdings gibt es Unterschiede in den chemischen Eigenschaften von Gallium und Aluminium.
Gallium wird durch trockenen Sauerstoff erst bei Temperaturen über 260 °C merklich oxidiert, und Aluminium wird, wenn ihm sein schützender Oxidfilm entzogen wird, sehr schnell durch Sauerstoff oxidiert.
Gallium bildet mit Wasserstoff Hydride ähnlich den Borhydriden. Aluminium kann Wasserstoff nur lösen, aber nicht damit reagieren.
Gallium ähnelt auch Graphit, Quarz und Wasser.
Auf Graphit – weil es einen grauen Fleck auf dem Papier hinterlässt.
Für Quarz – elektrische und thermische Anisotropie.
Die Größe des elektrischen Widerstands von Galliumkristallen hängt davon ab, entlang welcher Achse der Strom fließt. Das Verhältnis von Maximum zu Minimum beträgt 7, mehr als bei jedem anderen Metall. Das Gleiche gilt für den Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Seine Werte in Richtung der drei kristallographischen Achsen (Galliumkristalle sind rhombisch) stehen im Verhältnis 31:16:11.
Und Gallium ähnelt Wasser darin, dass es sich beim Aushärten ausdehnt. Der Volumenanstieg ist spürbar – 3,2 %.
Allein die Kombination dieser widersprüchlichen Ähnlichkeiten spricht für die einzigartige Individualität des Elements Nr. 31.
Darüber hinaus verfügt es über Eigenschaften, die in keinem anderen Element zu finden sind. Sobald es geschmolzen ist, kann es viele Monate lang in einem unterkühlten Zustand bei einer Temperatur unterhalb seines Schmelzpunkts bleiben. Dies ist das einzige Metall, das in einem großen Temperaturbereich von 30 bis 2230 °C flüssig bleibt und die Flüchtigkeit seiner Dämpfe minimal ist. Selbst im tiefen Vakuum verdampft es erst bei 1000°C merklich. Galliumdampf ist im Gegensatz zu festen und flüssigen Metallen einatomig. Der Ga 2 → 2Ga-Übergang erfordert große Energiemengen; Dies erklärt die Schwierigkeit der Galliumverdampfung.
Der große Temperaturbereich des flüssigen Zustands ist die Grundlage einer der wichtigsten technischen Anwendungen des Elements Nr. 31.
Wofür ist Gallium gut?
Gallium-Thermometer können grundsätzlich Temperaturen von 30 bis 2230 °C messen. Gallium-Thermometer sind mittlerweile für Temperaturen bis 1200°C erhältlich.
Element Nr. 31 wird zur Herstellung niedrig schmelzender Legierungen für Signalgeräte verwendet. Die Gallium-Indium-Legierung schmilzt bereits bei 16°C. Dies ist die schmelzbarste aller bekannten Legierungen.
Als Element der Gruppe III, das die „Loch“-Leitfähigkeit in einem Halbleiter erhöht, wird Gallium (mit einer Reinheit von mindestens 99,999 %) als Zusatz zu Germanium und Silizium verwendet.
Intermetallische Verbindungen von Gallium mit Elementen der Gruppe V – Antimon und Arsen – haben selbst Halbleitereigenschaften.
Durch die Zugabe von Gallium zur Glasmasse können Gläser mit einem hohen Brechungsindex der Lichtstrahlen erhalten werden, und Gläser auf Basis von Ga 2 O 3 lassen Infrarotstrahlen gut durch.
Flüssiges Gallium reflektiert 88 % des einfallenden Lichts, festes Gallium etwas weniger. Daher stellen sie Galliumspiegel her, die sehr einfach herzustellen sind – die Galliumbeschichtung kann sogar mit einem Pinsel aufgetragen werden.
Manchmal wird die Fähigkeit von Gallium genutzt, feste Oberflächen gut zu benetzen, um Quecksilber in Diffusionsvakuumpumpen zu ersetzen. Solche Pumpen „halten“ das Vakuum besser als Quecksilberpumpen.
Es wurden Versuche unternommen, Gallium in Kernreaktoren einzusetzen, aber die Ergebnisse dieser Versuche können kaum als erfolgreich angesehen werden. Gallium fängt nicht nur recht aktiv Neutronen ein (Einfangquerschnitt 2,71 Scheunen), es reagiert auch bei erhöhten Temperaturen mit den meisten Metallen.
Gallium wurde kein atomares Material. Zwar wird sein künstliches radioaktives Isotop 72 Ga (mit einer Halbwertszeit von 14,2 Stunden) zur Diagnose von Knochenkrebs verwendet. Gallium-72-Chlorid und -Nitrat werden vom Tumor adsorbiert, und durch den Nachweis der Strahlungscharakteristik dieses Isotops können Ärzte die Größe fremder Formationen nahezu genau bestimmen.
Wie Sie sehen, sind die praktischen Möglichkeiten des Elements Nr. 31 recht groß. Aufgrund der schwierigen Gewinnung von Gallium – einem eher seltenen Element (1,5 · 10 -3 % des Gewichts der Erdkruste) und sehr verstreut – ist es bisher nicht möglich, sie vollständig zu nutzen. Es sind nur wenige native Galliummineralien bekannt. Sein erstes und berühmtestes Mineral, Gallit CuGaS 2, wurde erst 1956 entdeckt. Später wurden zwei weitere, bereits sehr seltene Mineralien gefunden.
Typischerweise kommt Gallium in Zink, Aluminium, Eisenerzen sowie in Kohle vor – als geringfügige Verunreinigung. Und was charakteristisch ist: Je größer diese Verunreinigung ist, desto schwieriger ist es, sie zu extrahieren, da in den Erzen derjenigen Metalle (Aluminium, Zink), die ihm in seinen Eigenschaften ähneln, mehr Gallium enthalten ist. Der Großteil des terrestrischen Galliums ist in Aluminiummineralien enthalten.
Gallium zu gewinnen ist ein teures „Vergnügen“. Daher wird Element Nr. 31 in geringeren Mengen verwendet als alle seine Nachbarn im Periodensystem.
Es ist natürlich möglich, dass die Wissenschaft in naher Zukunft etwas in Gallium entdeckt, das es absolut notwendig und unersetzlich macht, wie es bei einem anderen von Mendelejew vorhergesagten Element geschehen ist – Germanium. Noch vor 30 Jahren wurde es noch weniger verwendet als Gallium, und dann begann das „Zeitalter der Halbleiter“ ...
Muster finden
Die Eigenschaften von Gallium wurden von D.I. vorhergesagt. Mendeleev fünf Jahre vor der Entdeckung dieses Elements. Der brillante russische Chemiker stützte seine Vorhersagen auf die Muster der Eigenschaftsänderungen über Gruppen des Periodensystems hinweg. Doch für Lecoq de Boisbaudran war die Entdeckung von Gallium kein glücklicher Zufall. Als talentierter Spektroskopiker entdeckte er bereits 1863 Muster in den Veränderungen der Spektren von Elementen mit ähnlichen Eigenschaften. Beim Vergleich der Spektren von Indium und Aluminium kam er zu dem Schluss, dass diese Elemente möglicherweise einen „Bruder“ haben, dessen Linien die Lücke im kurzwelligen Teil des Spektrums füllen würden. Genau diese fehlende Linie suchte und fand er im Spektrum der Zinkblende von Pierrefit.
Zum Vergleich präsentieren wir eine Tabelle der wichtigsten von D.I. vorhergesagten Eigenschaften. Mendelejews Eka-Aluminium und Gallium wurden von Lecoq de Boisbaudran entdeckt.
| Ekaaluminium | Gallium |
| Atomgewicht etwa 68 | Atomgewicht 69,72 |
| Muss niedrigschmelzend sein | Schmelzpunkt 29,75°C |
| Spezifisches Gewicht nahe 6,0 | Spezifisches Gewicht 5,9 (fest) und 6,095 (flüssig) |
| Atomvolumen 11,5 | Atomvolumen 11.8 |
| Sollte an der Luft nicht oxidieren | Oxidiert nur leicht bei alkoholroter Hitze |
| Bei hohen Temperaturen sollte es Wasser zersetzen | Bei hohen Temperaturen zersetzt es Wasser |
| Zusammengesetzte Formeln: EaCl 3 Ea 2 O 3, Ea 2 (SO 4) 3 | Zusammengesetzte Formeln: GaCl 3, Ga 3 O 3, Ga 2 (SO 4) 3 |
| Sollte Alaun Ea 2 (SO 4) 3 Me 2 SO 4 · 24H 2 O bilden, aber schwieriger als Aluminium | Bildet Alaun mit der Zusammensetzung (NH 4) Ga(SO 4) 2 · 12H 2 O |
| Das Oxid Ea 2 O 3 sollte sich leicht reduzieren lassen und ein flüchtigeres Metall als Al erzeugen, und daher können wir davon ausgehen, dass Ekaaluminium durch Spektralanalyse entdeckt wird | Gallium lässt sich durch Kalzinierung in einem Wasserstoffstrom leicht aus seinem Oxid reduzieren, was mithilfe einer Spektralanalyse entdeckt wurde |
Ein Wortspiel?
Einige Wissenschaftshistoriker sehen im Namen des Elements Nr. 31 nicht nur Patriotismus, sondern auch die Unbescheidenheit seines Entdeckers. Es ist allgemein anerkannt, dass das Wort „Gallium“ vom lateinischen Gallia (Frankreich) stammt. Aber wenn Sie möchten, können Sie im selben Wort einen Hinweis auf das Wort „Hahn“ sehen! Das lateinische Wort für „Hahn“ ist gallus und das französische Wort „le coq“. Lecoq de Boisbaudran?
Je nach Alter
In Mineralien wird Gallium häufig mit Aluminium begleitet. Interessanterweise hängt das Verhältnis dieser Elemente in einem Mineral vom Zeitpunkt der Entstehung des Minerals ab. Im Feldspat kommt auf 120.000 Aluminiumatome ein Galliumatom. Bei Nephelinen, die viel später entstanden sind, beträgt dieses Verhältnis bereits 1:6000, bei noch „jüngerem“ versteinertem Holz beträgt es nur 1:13.
Erstes Patent
Das erste Patent für die Verwendung von Gallium wurde vor 60 Jahren angemeldet. Sie wollten das Element Nr. 31 in elektrischen Bogenlampen verwenden.
Unterdrückt Schwefel, wehrt sich mit Schwefel
Es kommt zu einer interessanten Wechselwirkung zwischen Gallium und Schwefelsäure. Damit einher geht die Freisetzung von elementarem Schwefel. In diesem Fall umhüllt Schwefel die Oberfläche des Metalls und verhindert dessen weitere Auflösung. Wenn Sie das Metall mit heißem Wasser abwaschen, wird die Reaktion fortgesetzt und fortgesetzt, bis eine neue „Haut“ aus Schwefel auf dem Gallium wächst.
Schlechter Einfluss
Flüssiges Gallium reagiert mit den meisten Metallen und bildet Legierungen und intermetallische Verbindungen mit eher geringen mechanischen Eigenschaften. Aus diesem Grund führt der Kontakt mit Gallium dazu, dass viele Strukturmaterialien an Festigkeit verlieren. Beryllium ist am beständigsten gegenüber Gallium: Bei Temperaturen bis zu 1000 °C widersteht es erfolgreich der Aggressivität des Elements Nr. 31.
Und auch Oxid!
Geringe Zusätze von Galliumoxid beeinflussen die Eigenschaften der Oxide vieler Metalle erheblich. Somit verringert die Beimischung von Ga 2 O 3 zu Zinkoxid dessen Sinterfähigkeit erheblich. Allerdings ist die Löslichkeit von Zink in einem solchen Oxid viel größer als in reinem Zink. Und die elektrische Leitfähigkeit von Titandioxid sinkt stark, wenn Ga 2 O 3 hinzugefügt wird.
So erhalten Sie Gallium
Weltweit wurden keine industriellen Vorkommen von Galliumerzen gefunden. Daher muss Gallium aus sehr armen Zink- und Aluminiumerzen gewonnen werden. Da die Zusammensetzung der Erze und der Galliumgehalt in ihnen nicht gleich sind, sind die Methoden zur Gewinnung des Elements Nr. 31 sehr unterschiedlich. Erzählen wir Ihnen als Beispiel, wie Gallium aus Zinkblende gewonnen wird, dem Mineral, in dem dieses Element erstmals entdeckt wurde.
Zunächst wird die Zinkblende ZnS gebrannt und die entstehenden Oxide mit Schwefelsäure ausgelaugt. Gallium geht zusammen mit vielen anderen Metallen in Lösung. In dieser Lösung überwiegt Zinksulfat – das Hauptprodukt, das von Verunreinigungen, einschließlich Gallium, gereinigt werden muss. Die erste Reinigungsstufe ist die Ausfällung des sogenannten Eisenschlamms. Mit der allmählichen Neutralisierung der sauren Lösung fällt dieser Schlamm aus. Es enthält etwa 10 % Aluminium, 15 % Eisen und (was für uns jetzt am wichtigsten ist) 0,05...0,1 % Gallium. Um Gallium zu extrahieren, wird der Schlamm mit Säure oder Natriumhydroxid ausgelaugt – Galliumhydroxid ist amphoter. Die alkalische Methode ist bequemer, da in diesem Fall die Ausrüstung aus kostengünstigeren Materialien hergestellt werden kann.
Unter dem Einfluss von Alkali gehen Aluminium- und Galliumverbindungen in Lösung. Wenn diese Lösung sorgfältig neutralisiert wird, fällt Galliumhydroxid aus. Aber auch ein Teil des Aluminiums fällt aus. Daher wird der Niederschlag erneut gelöst, diesmal in Salzsäure. Es entsteht eine Galliumchloridlösung, die überwiegend mit Aluminiumchlorid verunreinigt ist. Diese Stoffe können durch Extraktion abgetrennt werden. Ether wird zugegeben und im Gegensatz zu AlCl 3 geht GaCl 3 fast vollständig in das organische Lösungsmittel über. Die Schichten werden getrennt, der Ether wird abdestilliert und das resultierende Galliumchlorid wird erneut mit konzentrierter Natronlauge behandelt, um die Eisenverunreinigung auszufällen und vom Gallium zu trennen. Aus dieser alkalischen Lösung wird Galliummetall gewonnen. Erhalten durch Elektrolyse bei einer Spannung von 5,5 V. Gallium wird auf einer Kupferkathode abgeschieden.
Galium und Zähne
Gallium galt lange Zeit als giftig. Erst in den letzten Jahrzehnten konnte dieses Missverständnis widerlegt werden. Niedrig schmelzendes Gallium hat für Zahnärzte großes Interesse geweckt. Bereits 1930 wurde erstmals vorgeschlagen, Gallium in Zusammensetzungen für Zahnfüllungen durch Quecksilber zu ersetzen. Weitere Untersuchungen im In- und Ausland bestätigten die Aussichten auf einen solchen Ersatz. In der Zahnheilkunde werden bereits quecksilberfreie Metallfüllungen (Quecksilber durch Gallium ersetzt) verwendet.
Das chemische Element Galium kommt in der Natur praktisch nie in freier Form vor. Es liegt in mineralischen Verunreinigungen vor, von denen es nur schwer zu trennen ist. Gallium gilt als seltene Substanz, einige seiner Eigenschaften sind noch nicht vollständig erforscht. Es wird jedoch in der Medizin und Elektronik eingesetzt. Was ist dieses Element? Welche Eigenschaften hat es?
Ist Gallium ein Metall oder ein Nichtmetall?
Das Element gehört zur dreizehnten Gruppe der vierten Periode. Es ist nach der historischen Region Gallien benannt, zu der Frankreich, die Heimat des Entdeckers des Elements, gehörte. Zur Bezeichnung wird das Symbol Ga verwendet.
Galium gehört zusammen mit Aluminium, Indium, Germanium, Zinn, Antimon und anderen Elementen zur Gruppe der Leichtmetalle. Als einfacher Stoff ist es spröde und weich und hat eine silbrig-weiße Farbe mit einer leichten bläulichen Tönung.
Geschichte der Entdeckung
Mendelejew „sagte“ Gallium voraus und ließ ihm einen Platz in der dritten Gruppe des Periodensystems (nach dem veralteten System). Er benannte ungefähr die Atommasse und sagte sogar voraus, dass das Element spektroskopisch entdeckt werden würde.
Einige Jahre später wurde das Metall vom Franzosen Paul Emile Lecoq entdeckt. Im August 1875 untersuchte ein Wissenschaftler das Spektrum einer Lagerstätte in den Pyrenäen und bemerkte neue violette Linien. Das Element wurde Galium genannt. Sein Gehalt im Mineral war äußerst gering und Lecoq gelang es, nur 0,1 Gramm zu isolieren. Die Entdeckung des Metalls war eine der Bestätigungen für die Richtigkeit von Mendelejews Vorhersage.
Physikalische Eigenschaften
Galliummetall ist sehr duktil und schmelzbar. Bei niedrigen Temperaturen bleibt es in einem festen Zustand. Um es flüssig zu machen, reicht eine Temperatur von 29,76 Grad Celsius oder 302,93 Calvin. Sie können es schmelzen, indem Sie es in der Hand halten oder in eine heiße Flüssigkeit tauchen. Zu hohe Temperaturen machen es sehr aggressiv: Ab 500 Grad Celsius ist es in der Lage, andere Metalle anzugreifen.
Das Kristallgitter von Galium wird durch zweiatomige Moleküle gebildet. Sie sind sehr stabil, aber nur schwach miteinander verbunden. Um ihre Verbindung zu lösen, ist eine sehr geringe Energiemenge erforderlich, sodass Gallium leicht flüssig wird. Es ist fünfmal schmelzbarer als Indium.
Im flüssigen Zustand ist das Metall dichter und schwerer als im festen Zustand. Außerdem leitet es den Strom besser. Unter normalen Bedingungen beträgt seine Dichte 5,91 g/cm³. Metall siedet bei -2230 Grad Celsius. Beim Aushärten dehnt es sich um ca. 3,2 % aus.
Chemische Eigenschaften
In vielen chemischen Eigenschaften ähnelt Gallium dem Aluminium, ist jedoch weniger aktiv und die Reaktionen damit verlaufen langsamer. Es reagiert nicht mit Luft und bildet sofort einen Oxidfilm, der seine Oxidation verhindert. Es reagiert nicht auf Wasserstoff, Bor, Silizium, Stickstoff und Kohlenstoff.
Das Metall interagiert gut mit fast allen Halogenen. Mit Jod reagiert es nur beim Erhitzen; mit Chlor und Brom reagiert es bereits bei Raumtemperatur. In heißem Wasser beginnt es Wasserstoff zu verdrängen, bildet mit Mineralsäuren Salze und setzt auch Wasserstoff frei.
Galium kann mit anderen Metallen Amalgame bilden. Wenn flüssiges Gallium auf ein festes Stück Aluminium getropft wird, beginnt es darin einzudringen. Durch das Eindringen der flüssigen Substanz in das Kristallgitter von Aluminium wird es spröde. Bereits nach wenigen Tagen lässt sich ein massiver Metallblock ohne großen Kraftaufwand per Hand zerkleinern.
Anwendung
In der Medizin wird Galiummetall zur Bekämpfung von Tumoren und Hyperkalzämie eingesetzt und eignet sich auch zur Radioisotopendiagnose von Knochenkrebs. Allerdings können Medikamente, die den Stoff enthalten, Nebenwirkungen wie Übelkeit und Erbrechen verursachen.
Galliummetall wird auch in der Mikrowellenelektronik verwendet. Es wird als Piezomaterial zur Herstellung von Halbleitern und LEDs verwendet. Metallklebstoffe werden aus einer Legierung von Gallium mit Scandium oder Nickel gewonnen. Wenn es mit Plutonium legiert wird, übernimmt es die Rolle eines Stabilisators und wird in Atombomben verwendet.
Glas mit diesem Metall hat einen hohen Brechungsindex und sein Oxid Ga 2 O 3 ermöglicht es dem Glas, Infrarotstrahlen durchzulassen. Reines Gallium kann zur Herstellung einfacher Spiegel verwendet werden, da es Licht gut reflektiert.
Häufigkeit und Vorkommen von Galium
Wo bekomme ich Gallium? Metall kann ganz einfach online bestellt werden. Die Kosten liegen zwischen 115 und 360 Dollar pro Kilogramm. Das Metall gilt als selten, es ist in der Erdkruste stark verteilt und bildet praktisch keine eigenen Mineralien. Seit 1956 wurden alle drei gefunden.
Gallium kommt häufig in Zink und Eisen vor. Seine Verunreinigungen finden sich in Kohle, Beryll, Granat, Magnetit, Turmalin, Feldspat, Chloriten und anderen Mineralien. Im Durchschnitt beträgt sein Gehalt in der Natur etwa 19 g/t.
Das meiste Galium kommt in Substanzen vor, deren Zusammensetzung ihm nahe kommt. Aus diesem Grund ist es schwierig und teuer, es aus ihnen zu extrahieren. Das metalleigene Mineral heißt Gallit mit der Formel CuGaS 2 . Es enthält auch Kupfer und Schwefel.
Auswirkungen auf den Menschen
Über die biologische Rolle des Metalls und seine Auswirkungen auf den menschlichen Körper ist wenig bekannt. Im Periodensystem steht es neben den für uns lebenswichtigen Elementen (Aluminium, Eisen, Zink, Chrom). Es gibt die Meinung, dass Gallium als Ultramikroelement Teil des Blutes ist, dessen Fluss beschleunigt und die Bildung von Blutgerinnseln verhindert.
Auf die eine oder andere Weise ist eine kleine Menge der Substanz im menschlichen Körper enthalten (10 -6 - 10 -5 %). Galium gelangt zusammen mit Wasser und landwirtschaftlichen Nahrungsmitteln hinein. Es bleibt im Knochengewebe und in der Leber erhalten.
Galliummetall gilt als wenig toxisch oder bedingt toxisch. Bei Hautkontakt bleiben kleine Partikel darauf zurück. Es sieht aus wie ein grauer Schmutzfleck, der sich leicht mit Wasser entfernen lässt. Der Stoff hinterlässt keine Verbrennungen, kann aber in manchen Fällen zu Dermatitis führen. Es ist bekannt, dass ein hoher Galiumspiegel im Körper zu Störungen der Leber, der Nieren und des Nervensystems führt, dafür ist jedoch eine sehr große Menge des Metalls erforderlich.
Er formulierte sein Periodengesetz und erstellte das Periodensystem; viele Metalle waren der Wissenschaft noch nicht bekannt.
Dies hielt den Chemiker jedoch nicht davon ab, sein Periodensystem aufzubauen und leere Zellen für noch nicht entdeckte Elemente zu hinterlassen. Diese „weißen Flecken“ wurden bald gefüllt. Eines dieser von Mendelejew vorhergesagten Elemente wird heute diskutiert.
Lernen Sie Gallium kennen, Nummer 31 in der Tabelle. Die dritte Gruppe ist ein niedrig schmelzendes Metall, dessen Eigenschaften Aluminium und Silizium ähneln. Mendeleev beschrieb nicht nur die Eigenschaften dieses Metalls ausreichend detailliert, sondern gab auch sein Atomgewicht mit nahezu hundertprozentiger Genauigkeit an.
Entdeckung und Herkunft des Namens
Gallium wurde als einfache Substanz vom französischen Chemiker Paul Emile Lecoq de Boisbaudran entdeckt und isoliert. Dies geschah im Jahr 1875, als der Wissenschaftler Proben von Zinkblende untersuchte, die aus den Pyrenäen mitgebracht wurden. Die Forschung wurde mittels Spektroskopie durchgeführt und der Wissenschaftler bemerkte eine violette Linie im Spektrum des Erzes, die auf das Vorhandensein eines unbekannten Elements im Mineral hinweist.
Die Isolierung des Elements in seiner reinen Form erforderte viel Arbeit, da sein Gehalt im Erz weniger als 0,1 % betrug. Letzten Endes gelang es Lecoq de Boisbaudran, weniger als 0,1 Gramm reine Substanz zu erhalten und diese zu untersuchen. Es stellte sich heraus, dass das vom Franzosen entdeckte Element in seinen Eigenschaften Zink sehr ähnlich war.
Auf der nächsten Sitzung der Pariser Akademie der Wissenschaften am 20. September 1875 wurde ein Brief von Lecoq de Boisbaudran verlesen, in dem von der Entdeckung eines neuen Elements und der Untersuchung seiner Eigenschaften berichtet wurde. Der Chemiker berichtete auch, dass er das neu entdeckte Element zu Ehren Frankreichs benannt habe, nach seinem lateinischen Namen – Gallia.
Als Mendeleev den veröffentlichten Bericht über diese Entdeckung las, stellte er fest, dass die Beschreibung der Eigenschaften des neuen Elements fast genau mit der Beschreibung von Eka-Aluminium übereinstimmt, die er zuvor vorhergesagt hatte. Mendeleev zögerte nicht, Lecoq de Boisbaudran darüber zu informieren und wies darauf hin, dass die Dichte des neuen Metalls falsch bestimmt worden sei und 5,9–6,0 und nicht 4,7 g/cm3 betragen sollte. Eine gründliche Überprüfung ergab, dass Mendelejew Recht hatte.
Galliumabbau
In der Natur bildet Gallium keine großen Vorkommen. Einige Mineralien enthalten Gallium in relativ großen Mengen (für dieses Metall): Granat, Sphalerit, Turmalin, Beryll, Feldspat, Nephelin.
Die reichste Galliumquelle ist das Mineral Germanit, ein Erz aus Kupfersulfid, das 0,5–0,7 % Gallium enthalten kann. Darüber hinaus wird Gallium aus der Verarbeitung von Bauxit und Nephelin gewonnen. Dieses Metall kann auch durch die Verarbeitung polymetallischer Erze und Kohle gewonnen werden.
Kontaminiertes Gallium wird mit Wasser gewaschen, dann durch poröse Platten filtriert und im Vakuum erhitzt, um flüchtige Verunreinigungen zu entfernen. Um hochreines Gallium zu gewinnen, werden chemische (Reaktionen zwischen Salzen), elektrochemische (Elektrolyse von Lösungen) und physikalische (Zersetzung) Methoden eingesetzt.
Die Lagerstätten, in denen Gallium abgebaut wird, befinden sich hauptsächlich in Südwestafrika sowie in Russland und einigen GUS-Staaten.
Eigenschaften von Gallium
Gallium ist ein weiches, duktiles, silberfarbenes Metall. Bei niedrigen Temperaturen liegt es in einem festen Zustand vor, schmilzt jedoch bei einer Temperatur etwas über Raumtemperatur (29,8 °C).
Im Allgemeinen ist der große Temperaturbereich des flüssigen Zustands dieses Metalls (von 30 bis 2230 °C) eines der Merkmale von Gallium. Die chemischen Eigenschaften von Gallium ähneln denen von Aluminium. Aufgrund seiner geringen Schmelzbarkeit wird Gallium in Plastiktüten transportiert.
Vor dem Aufkommen der Halbleiter wurde Gallium zur Herstellung niedrig schmelzender Legierungen verwendet. Gallium wird heute vor allem in der Mikroelektronik als Bestandteil von Halbleitern verwendet. Galliumnitrid wird bei der Herstellung von Halbleiterlasern und LEDs im blauen und ultravioletten Bereich verwendet.
Gallium ist ein ausgezeichnetes Schmiermittel. Auf Basis von Gallium und Nickel, Gallium und Scandium sind praxisrelevante Metallklebstoffe entstanden. Galliummetall wird auch zur Füllung von Quarzthermometern zur Messung hoher Temperaturen verwendet und ersetzt Quecksilber durch dieses Metall. Dies liegt daran, dass Gallium im Vergleich zu Quecksilber einen deutlich höheren Siedepunkt hat.
Gallium ist eines der teuersten Metalle. So kostete eine Tonne Gallium im Jahr 2005 auf dem Weltmarkt 1,2 Millionen US-Dollar. Aufgrund seiner hohen Kosten und des großen Bedarfs an diesem Metall ist es sehr wichtig, seine vollständige Gewinnung in der Aluminiumproduktion und der Verarbeitung von Kohle zu flüssigem Brennstoff zu etablieren.
GALLIUM ist ein Metall, das in Ihren Händen schmilzt.
Metall-GALLIUM
Gallium ist ein Element der Hauptuntergruppe der dritten Gruppe der vierten Periode des Periodensystems der chemischen Elemente von D. I. Mendelejew mit der Ordnungszahl 31. Es wird mit dem Symbol Ga (lat. Gallium) bezeichnet. Gehört zur Gruppe der Leichtmetalle. Der einfache Stoff Gallium (CAS-Nummer: 7440-55-3) ist ein weiches, duktiles Metall von silberweißer (nach anderen Quellen hellgrauer) Farbe mit einer bläulichen Tönung.
Metall-GALLIUM
Gallium: Schmelzpunkt 29,76 °C
Geringe Toxizität, Sie können es aufheben und schmelzen!
Material für die Halbleiterelektronik
Galliumarsenid GaAs
Ein vielversprechendes Material für die Halbleiterelektronik.
Galliumnitrid
Wird bei der Herstellung von Halbleiterlasern und LEDs im blauen und ultravioletten Bereich verwendet. Galliumnitrid verfügt über hervorragende chemische und mechanische Eigenschaften, die für alle Nitridverbindungen typisch sind.
Gallium-71-Isotop
ist das wichtigste Material zum Nachweis von Neutrinos und in diesem Zusammenhang steht die Technik vor der dringenden Aufgabe, dieses Isotop aus einem natürlichen Gemisch zu isolieren, um die Empfindlichkeit von Neutrinodetektoren zu erhöhen. Da der Gehalt an 71Ga in einem natürlichen Isotopengemisch etwa 39,9 % beträgt, kann die Isolierung eines reinen Isotops und seine Verwendung als Neutrinodetektor die Nachweisempfindlichkeit um das 2,5-fache erhöhen.
Chemische Eigenschaften
Gallium ist teuer; im Jahr 2005 kostete eine Tonne Gallium auf dem Weltmarkt 1,2 Millionen US-Dollar, und aufgrund des hohen Preises und gleichzeitig des großen Bedarfs an diesem Metall ist es sehr wichtig, seine vollständige Gewinnung zu etablieren Aluminiumproduktion und Verarbeitung von Kohle in flüssigem Brennstoff.
Gallium hat eine Reihe von Legierungen, die bei Raumtemperatur flüssig sind, und eine seiner Legierungen hat einen Schmelzpunkt von 3 °C (In-Ga-Sn-Eutektikum), Gallium hingegen (Legierungen in geringerem Maße) ist sehr aggressiv gegenüber den meisten Strukturmaterialien (Risse und Erosion von Legierungen bei hohen Temperaturen). Beispielsweise ist Gallium im Verhältnis zu Aluminium und seinen Legierungen ein starker Festigkeitsreduzierer (siehe Adsorptionsminderung der Festigkeit, Rehbinder-Effekt). Diese Eigenschaft von Gallium wurde am deutlichsten von P. A. Rebinder und E. D. Shchukin beim Kontakt von Aluminium mit Gallium oder seinen eutektischen Legierungen (Flüssigmetallversprödung) nachgewiesen und im Detail untersucht. Als Kühlmittel ist Gallium wirkungslos und oft einfach inakzeptabel.
Gallium ist ein ausgezeichnetes Schmiermittel
Auf Basis von Gallium und Nickel, Gallium und Scandium sind praxisrelevante Metallklebstoffe entstanden.
Galliummetall wird auch zur Füllung von Quarzthermometern (anstelle von Quecksilber) zur Messung hoher Temperaturen verwendet. Dies liegt daran, dass Gallium im Vergleich zu Quecksilber einen deutlich höheren Siedepunkt hat.
Galliumoxid ist Teil einer Reihe strategisch wichtiger Lasermaterialien der Granatgruppe – GSGG, YAG, ISGG usw.
Was das Element mit der Ordnungszahl 31 betrifft, erinnern sich die meisten Leser nur daran, dass es eines der drei Elemente ist, die von D.I. vorhergesagt und am ausführlichsten beschrieben wurden. Mendelejew, und dass es ein sehr schmelzbares Metall ist: Die Hitze der Handfläche reicht aus, um es in Flüssigkeit zu verwandeln.
Wir haben unsere Geschichte über Element Nr. 31 bewusst mit der Erwähnung von etwas begonnen, das fast jeder kennt. Denn dieses „Wissen“ bedarf einer Erklärung. Jeder weiß, dass Gallium von Mendelejew vorhergesagt und von Lecoq de Boisbaudran entdeckt wurde, aber nicht jeder weiß, wie es zu dieser Entdeckung kam. Fast jeder weiß, dass Gallium schmelzbar ist, aber fast niemand kann die Frage beantworten, warum es schmelzbar ist.
Wie wurde Gallium entdeckt?
Der französische Chemiker Paul Emile Lecoq de Boisbaudran ging als Entdecker dreier neuer Elemente in die Geschichte ein: Gallium (1875), Samarium (1879) und Dysprosium (1886). Die erste dieser Entdeckungen machte ihn berühmt.
Zu dieser Zeit war er außerhalb Frankreichs wenig bekannt. Er war 38 Jahre alt und beschäftigte sich hauptsächlich mit spektroskopischer Forschung. Lecoq de Boisbaudran war ein guter Spektroskopiker, und das führte letztendlich zum Erfolg: Er entdeckte alle drei seiner Elemente durch Spektralanalyse.
Im Jahr 1875 untersuchte Lecoq de Boisbaudran das Spektrum der aus Pierrefitte (Pyrenäen) mitgebrachten Zinkblende. In diesem Spektrum wurde eine neue violette Linie (Wellenlänge 4170A) entdeckt. Die neue Linie deutete auf das Vorhandensein eines unbekannten Elements in dem Mineral hin, und ganz natürlich unternahm Lecoq de Boisbaudran alle Anstrengungen, dieses Element zu isolieren. Dies erwies sich als schwierig: Der Gehalt des neuen Elements im Erz betrug weniger als 0,1 % und ähnelte in vielerlei Hinsicht Zink. Nach langwierigen Experimenten gelang es dem Wissenschaftler, ein neues Element zu gewinnen, allerdings in sehr geringer Menge. So klein (weniger als 0,1 g), dass Lecoq de Boisbaudran seine physikalischen und chemischen Eigenschaften nicht vollständig untersuchen konnte.
Die Entdeckung von Gallium – so wurde das neue Element zu Ehren Frankreichs benannt (Gallia ist sein lateinischer Name) – erschien in den Berichten der Pariser Akademie der Wissenschaften.
D. I. Mendeleev las diese Nachricht und erkannte Gallium als Eka-Aluminium, was er fünf Jahre zuvor vorhergesagt hatte. Mendelejew schrieb sofort nach Paris. „Die Entdeckungs- und Isolierungsmethode sowie die wenigen beschriebenen Eigenschaften lassen uns vermuten, dass es sich bei dem neuen Metall um nichts anderes als Eka-Aluminium handelt“, heißt es in seinem Brief. Anschließend wiederholte er die für dieses Element vorhergesagten Eigenschaften. Darüber hinaus argumentierte der russische Chemiker, der niemals Galliumkörner in den Händen hielt, ohne es persönlich gesehen zu haben, dass der Entdecker des Elements sich geirrt habe, dass die Dichte des neuen Metalls nicht 4,7 betragen könne, wie Lecoq de Boisbaudran es schrieb sollte größer sein, etwa 5,9–6,0 g/cm3.
Seltsamerweise, aber die Existenz von periodischenDer erste seiner Befürworter, „Stärker“, lernte das Gesetz erst aus diesem Brief. Er hob noch einmal hervor und sorgfältiggereinigte Galliumkörner, um die Ergebnisse der ersten Experimente zu überprüfen. Einige Wissenschaftshistoriker glauben, dass dies mit dem Ziel geschah, den selbstbewussten Russen zu blamieren"Anzeichen". Doch die Erfahrung zeigte das Gegenteil: Der Entdecker täuschte sich. Später schrieb er: „Es besteht meiner Meinung nach keine Notwendigkeit, auf die außergewöhnliche Bedeutung hinzuweisen, die die Dichte eines neuen Elements im Zusammenhang mit der Bestätigung von Mendelejews theoretischen Ansichten hat.“
Auch andere von Mendelejew vorhergesagte Eigenschaften des Elements Nr. 31 stimmten fast genau mit den experimentellen Daten überein. „Mendelejews Vorhersagen wurden mit geringfügigen Abweichungen gerechtfertigt: Eka-Aluminium verwandelte sich in Gallium.“ So charakterisiert Engels dieses Ereignis in „Dialektik der Natur“.
Es erübrigt sich zu erwähnen, dass die Entdeckung des ersten der von Mendelejew vorhergesagten Elemente eine deutliche Verstärkung darstelltePositionen des Periodengesetzes.
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