Aatomnumbriga 31 elemendi kohta mäletab enamik lugejaid vaid seda, et see on üks kolmest elemendist, mille ennustas ja kirjeldas kõige üksikasjalikumalt D.I. Mendelejev ja et gallium on väga sulav metall: peopesa kuumusest piisab, et see vedelaks muutuda.
Kuid gallium ei ole metallidest kõige sulavam (isegi kui te elavhõbedat ei arvesta). Selle sulamistemperatuur on 29,75 °C ja tseesium sulab temperatuuril 28,5 °C; ainult tseesiumi, nagu iga leelismetalli, ei saa teie kätesse võtta, seega on galliumi peopesas sulatada loomulikult lihtsam kui tseesiumi.
Alustasime teadlikult oma lugu elemendist 31, mainides midagi, mida peaaegu kõik teavad. Sest see "teada" nõuab selgitust. Kõik teavad, et galliumi ennustas Mendelejev ja avastas Lecoq de Boisbaudran, kuid mitte kõik ei tea, kuidas avastus juhtus. Peaaegu kõik teavad, et gallium on sulav, kuid peaaegu keegi ei oska vastata küsimusele, miks see on sulav.
Kuidas gallium avastati?
Prantsuse keemik Paul Emile Lecoq de Boisbaudran läks ajalukku kolme uue elemendi: galliumi (1875), samariumi (1879) ja düsproosiumi (1886) avastajana. Esimene neist avastustest tõi talle kuulsuse.
Sel ajal oli ta väljaspool Prantsusmaad vähe tuntud. Ta oli 38-aastane ja tegeles peamiselt spektroskoopiliste uuringutega. Lecoq de Boisbaudran oli hea spektroskoop ja see viis lõpuks eduni: ta avastas kõik kolm oma elementi spektraalanalüüsi abil.
1875. aastal uuris Lecoq de Boisbaudran Pierrefitte'st (Püreneed) toodud tsingi segu spektrit. Selles spektris avastati uus violetne joon (lainepikkus 4170 Å). Uus liin näitas tundmatu elemendi olemasolu mineraalis ja täiesti loomulikult tegi Lecoq de Boisbaudran kõik endast oleneva selle elemendi eraldamiseks. See osutus raskesti teostatavaks: uue elemendi sisaldus maagis oli alla 0,1% ja paljuski sarnanes see tsingiga*. Pärast pikki katseid õnnestus teadlasel saada uus element, kuid väga väikeses koguses. Nii väike (alla 0,1 g), et Lecoq de Boisbaudrap ei suutnud selle füüsikalisi ja keemilisi omadusi täielikult uurida.
* Allpool kirjeldatakse, kuidas tsingisegust galliumi saadakse.
Galliumi avastus – nii nimetati uut elementi Prantsusmaa auks (Gallia on selle ladinakeelne nimi) – ilmus Pariisi Teaduste Akadeemia aruannetes.
Seda sõnumit luges D.I. Mendelejev ja tundis galliumis ära eka-alumiiniumi, mida ta oli ennustanud viis aastat varem. Mendelejev kirjutas kohe Pariisi. "Avastamis- ja isoleerimismeetod ning vähesed kirjeldatud omadused panevad meid uskuma, et uus metall pole keegi muu kui eka-alumiinium," seisis tema kirjas. Seejärel kordas ta sellele elemendile ennustatud omadusi. Veelgi enam, ilma galliumi terakesi käes hoidmata ja seda isiklikult nägemata väitis vene keemik, et elemendi avastaja eksis, et uue metalli tihedus ei saa olla võrdne 4,7-ga, nagu kirjutas Lecoq de Boisbaudran. - see peab olema suurem, ligikaudu 5,9...6,0 g/cm 3!
Nii kummaline kui see ka ei tundu, said esimesed tema jaatavatest, “tugevdavatest” perioodilise seaduse olemasolust teada alles sellest kirjast. Ta eraldas ja puhastas hoolikalt galliumi terad, et kontrollida esimeste katsete tulemusi. Mõned teadusajaloolased usuvad, et seda tehti enesekindla vene "ennustaja" häbistamise eesmärgil. Kuid kogemus näitas vastupidist: avastaja eksis. Hiljem kirjutas ta: "Ma arvan, et pole vaja välja tuua erakordset tähtsust, mis uue elemendi tihedusel on Mendelejevi teoreetiliste seisukohtade kinnitamisel."
Mendelejevi ennustatud elemendi nr 31 muud omadused langesid peaaegu täpselt kokku katseandmetega. "Mendelejevi ennustused läksid täide väikeste kõrvalekalletega: eka-alumiinium muutus galliumiks." Nii iseloomustab Engels seda sündmust raamatus "Looduse dialektika".
Ütlematagi selge, et Mendelejevi ennustatud elementide esimese avastamine tugevdas oluliselt perioodilise seaduse positsiooni.
Miks on gallium sulav?
Galliumi omadusi ennustades arvas Mendelejev, et see metall peaks olema sulav, kuna selle rühma analoogid - alumiinium ja indium - ei ole samuti tulekindlad.
Kuid galliumi sulamistemperatuur on ebatavaliselt madal, viis korda madalam kui indiumil. Seda seletatakse galliumi kristallide ebatavalise struktuuriga. Selle kristallvõre ei moodusta üksikud aatomid (nagu "tavalistes" metallides), vaid kaheaatomilised molekulid. Ga 2 molekulid on väga stabiilsed; need säilivad isegi siis, kui gallium viiakse vedelasse olekusse. Kuid neid molekule ühendavad üksteisega ainult nõrgad van der Waalsi jõud ja nende sideme hävitamiseks on vaja väga vähe energiat.
Mõned teised elemendi nr 31 omadused on seotud molekulide kaheaatomilisusega. Vedelas olekus on gallium tihedam ja raskem kui tahkes olekus. Ka vedela galliumi elektrijuhtivus on suurem kui tahkel galliumil.
Väliselt meenutab see rohkem tina: hõbevalge pehme metall, õhu käes see ei oksüdeeru ega tuhmu.
Ja enamiku keemiliste omaduste poolest on gallium alumiiniumile lähedane. Sarnaselt alumiiniumiga on galliumi aatomi välisorbiidil kolm elektroni. Nagu alumiinium, reageerib gallium kergesti isegi külmas halogeenidega (va jood). Mõlemad metallid lahustuvad kergesti väävel- ja vesinikkloriidhappes ning mõlemad reageerivad leelistega ja annavad amfoteersed hüdroksiidid. Reaktsiooni dissotsiatsioonikonstandid
Ga(OH) 3 → Ga 3+ + 3OH –
H 3 GaO 3 → 3H + + GaO 3–3
– sama tellimuse kogused.
Galliumi ja alumiiniumi keemilistes omadustes on siiski erinevusi.
Kuiv hapnik oksüdeerib galliumi märgatavalt ainult temperatuuril üle 260 °C ja alumiiniumi oksüdeerub hapnik väga kiiresti, kui sellel puudub kaitsev oksiidkile.
Vesinikuga moodustab gallium boorhüdriididega sarnaseid hüdriide. Alumiinium suudab ainult vesinikku lahustada, kuid mitte sellega reageerida.
Gallium sarnaneb ka grafiidi, kvartsi ja veega.
Grafiidil – sest see jätab paberile halli jälje.
Kvartsile – elektriline ja termiline anisotroopia.
Galliumkristallide elektritakistuse suurus sõltub sellest, millist telge mööda vool liigub. Maksimaalne ja minimaalne suhe on 7, rohkem kui ükski teine metall. Sama kehtib ka soojuspaisumisteguri kohta.
Selle väärtused kolme kristallograafilise telje suunas (galliumi kristallid on rombikujulised) on vahekorras 31:16:11.
Ja gallium sarnaneb veega selle poolest, et kõvenedes paisub. Mahu kasv on märgatav – 3,2%.
Ainuüksi nende vastuoluliste sarnasuste kombinatsioon räägib elemendi nr 31 ainulaadsest individuaalsusest.
Lisaks on sellel omadusi, mida üheski teises elemendis ei leidu. Kui see on sulanud, võib see sulamistemperatuurist madalamal temperatuuril mitu kuud ülejahutatud olekus püsida. See on ainus metall, mis jääb vedelikuks tohutul temperatuuril vahemikus 30–2230 °C ja selle aurude lenduvus on minimaalne. Isegi sügavas vaakumis aurustub see märgatavalt alles 1000°C juures. Galliumi aur, erinevalt tahketest ja vedelatest metallidest, on üheaatomiline. Ga 2 → 2Ga üleminek nõuab suuri energiakoguseid; See seletab galliumi aurustumise keerukust.
Vedela oleku suur temperatuurivahemik on elemendi nr 31 ühe peamise tehnilise rakenduse aluseks.
Milleks gallium hea on?
Galliumtermomeetrid võivad põhimõtteliselt mõõta temperatuure vahemikus 30 kuni 2230 °C. Nüüd on saadaval galliumtermomeetrid temperatuuridele kuni 1200 °C.
Elementi nr 31 kasutatakse signalisatsiooniseadmetes kasutatavate madala sulamistemperatuuriga sulamite tootmiseks. Gallium-indium sulam sulab juba 16°C juures. See on kõigist teadaolevatest sulamitest kõige sulavam.
III rühma elemendina, mis suurendab pooljuhtide „augu“ juhtivust, kasutatakse galliumi (puhtusastmega vähemalt 99,999%) germaaniumi ja räni lisandina.
Galliumi intermetallilised ühendid V rühma elementidega - antimoni ja arseeniga - omavad ise pooljuhtomadusi.
Galliumi lisamine klaasimassile võimaldab saada suure valguskiirte murdumisnäitajaga klaase ning Ga 2 O 3 baasil valmistatud klaasid lasevad infrapunakiiri hästi läbi.
Vedel gallium peegeldab 88% sellele langevast valgusest, tahke gallium veidi vähem. Seetõttu valmistavad nad galliumpeegleid, mida on väga lihtne valmistada – galliumkatte saab peale kanda isegi pintsliga.
Mõnikord kasutatakse galliumi võimet tahkeid pindu hästi niisutada, asendades elavhõbeda difusioonvaakumpumpades. Sellised pumbad hoiavad vaakumit paremini kui elavhõbedapumbad.
Galliumi on küll püütud tuumareaktorites kasutada, kuid vaevalt saab nende katsete tulemusi edukaks lugeda. Gallium mitte ainult ei püüa üsna aktiivselt neutroneid (püüdab ristlõiget 2,71 barni), vaid reageerib kõrgel temperatuuril ka enamiku metallidega.
Gallium ei muutunud aatomimaterjaliks. Tõsi, selle kunstlikku radioaktiivset isotoopi 72 Ga (poolväärtusajaga 14,2 tundi) kasutatakse luuvähi diagnoosimiseks. Kasvaja adsorbeerib gallium-72 kloriidi ja nitraati ning tuvastades sellele isotoobile iseloomuliku kiirguse, määravad arstid peaaegu täpselt võõraste moodustiste suuruse.
Nagu näete, on elemendi nr 31 praktilised võimalused üsna laiad. Täielikult ei ole neid saanud veel kasutada galliumi kättesaamise raskuse tõttu - üsna haruldane element (1,5 10 -3% maakoore massist) ja väga hajutatud. Looduslikke galliummineraale on teada vähe. Selle esimene ja kuulsaim mineraal, galliit CuGaS 2, avastati alles aastal 1956. Hiljem leiti veel kaks, juba väga haruldast mineraali.
Tavaliselt leidub galliumi väikese lisandina tsingis, alumiiniumis, rauamaakides, aga ka kivisöes. Ja mis on iseloomulik: mida suurem on see lisand, seda keerulisem on seda eraldada, sest nende metallide (alumiinium, tsink) maakides on rohkem galliumi, mis on sellega omadustelt sarnased. Suurem osa maapealsest galliumist sisaldub alumiiniumi mineraalides.
Galliumi ekstraheerimine on kallis "rõõm". Seetõttu kasutatakse elementi nr 31 väiksemates kogustes kui ühtegi selle naabrit perioodilisuse tabelis.
Muidugi on võimalik, et teadus avastab lähitulevikus galliumist midagi, mis muudab selle absoluutselt vajalikuks ja asendamatuks, nagu juhtus teise Mendelejevi ennustatud elemendi – germaaniumiga. Vaid 30 aastat tagasi kasutati seda isegi vähem kui galliumi ja siis algas "pooljuhtide ajastu"...
Mustrite leidmine
Galliumi omadusi ennustas D.I. Mendelejev viis aastat enne selle elemendi avastamist. Geniaalne vene keemik rajas oma ennustused perioodilise süsteemi rühmade omaduste muutuste mustritele. Kuid Lecoq de Boisbaudrani jaoks ei olnud galliumi avastamine õnnelik õnnetus. Andekas spektroskoop avastas 1863. aastal sarnaste omadustega elementide spektrite muutustes mustrid. Indiumi ja alumiiniumi spektreid võrreldes jõudis ta järeldusele, et neil elementidel võib olla “vend”, kelle jooned täidaksid tühimiku spektri lühilainelises osas. Just seda puuduvat joont otsis ja leidis ta Pierrefiti tsinksegu spektrist.
Võrdluseks esitame D.I. ennustatud peamiste omaduste tabeli. Mendelejevi eka-alumiinium ja gallium, mille avastas Lecoq de Boisbaudran.
| Ekaaalumiinium | Gallium |
| Aatommass umbes 68 | Aatommass 69,72 |
| Peab olema madala sulamistemperatuuriga | Sulamistemperatuur 29,75 °C |
| Erikaal 6,0 lähedal | Tihedus 5,9 (tahke aine) ja 6,095 (vedelik) |
| Aatomi maht 11,5 | Aatomi maht 11,8 |
| Ei tohiks õhu käes oksüdeeruda | Kergelt oksüdeerub ainult piirituspunase kuumuse juures |
| Kõrgel temperatuuril peaks see vett lagundama | Kõrgel temperatuuril lagundab vett |
| Liitvalemid: EaCl 3 Ea 2 O 3, Ea 2 (SO 4) 3 | Liitvalemid: GaCl 3, Ga 3 O 3, Ga 2 (SO 4) 3 |
| Peaks moodustama maarja Ea 2 (SO 4) 3 Me 2 SO 4 24H 2 O, kuid raskem kui alumiinium | Moodustab maarja koostisega (NH 4) Ga(SO 4) 2 12H 2 O |
| Oksiid Ea 2 O 3 peaks olema kergesti redutseeritav ja tekitama Al-st lenduvama metalli ning seetõttu võime eeldada, et ekaalumiinium avastatakse spektraalanalüüsiga | Gallium on oksiidist kergesti redutseeritav vesinikuvoolus kaltsineerimise teel, mis avastati spektraalanalüüsi abil |
Sõnamäng?
Mõned teadusajaloolased näevad elemendi nr 31 nimetuses mitte ainult patriotismi, vaid ka selle avastaja tagasihoidlikkust. On üldtunnustatud, et sõna "gallium" pärineb ladinakeelsest sõnast Gallia (Prantsusmaa). Aga soovi korral võib samas sõnas näha vihjet sõnale “kukk”! Ladina keeles "kukk" on gallus ja prantsuse keeles le coq. Lecoq de Boisbaudran?
Olenevalt vanusest
Mineraalides on gallium sageli alumiiniumiga kaasas. Huvitav on see, et nende elementide suhe mineraalis oleneb mineraali moodustumise ajast. Päevakivides on iga 120 tuhande alumiiniumi aatomi kohta üks galliumi aatom. Nefeliinidel, mis tekkisid palju hiljem, on see suhe juba 1:6000 ja veelgi “nooremas” kivistunud puidus vaid 1:13.
Esimene patent
Esimene patent galliumi kasutamiseks võeti vastu 60 aastat tagasi. Elektrikaarlampides sooviti kasutada elementi nr 31.
Vähendab väävlit, kaitseb end väävliga
Tekib huvitav koostoime galliumi ja väävelhappe vahel. Sellega kaasneb elementaarse väävli vabanemine. Sel juhul ümbritseb väävel metalli pinda ja takistab selle edasist lahustumist. Kui pesete metalli kuuma veega, jätkub reaktsioon ja see jätkub seni, kuni galliumile kasvab uus väävli "nahk".
Halb mõju
Vedel gallium reageerib enamiku metallidega, moodustades üsna madalate mehaaniliste omadustega sulameid ja intermetallilisi ühendeid. Seetõttu kaotab kokkupuude galliumiga paljude konstruktsioonimaterjalide tugevuse. Berüllium on galliumi suhtes kõige vastupidavam: temperatuuril kuni 1000°C peab ta edukalt vastu elemendi nr 31 agressiivsusele.
Ja oksiid ka!
Väikesed galliumoksiidi lisandid mõjutavad oluliselt paljude metallide oksiidide omadusi. Seega vähendab Ga 2 O 3 lisamine tsinkoksiidile oluliselt selle paagutamisvõimet. Kuid tsingi lahustuvus sellises oksiidis on palju suurem kui puhtas tsingis. Ja Ga 2 O 3 lisamisel langeb titaandioksiidi elektrijuhtivus järsult.
Kuidas saada galliumi
Maailmas ei ole leitud galliumi maakide tööstuslikke maardlaid. Seetõttu tuleb galliumi ekstraheerida tsingi- ja alumiiniumimaakidest, mis on selles väga vaesed. Kuna maakide koostis ja galliumi sisaldus neis ei ole samad, on elemendi nr 31 saamise meetodid üsna mitmekesised. Räägime teile näiteks, kuidas gallium ekstraheeritakse tsingi segust, mineraalist, milles see element esmakordselt avastati.
Kõigepealt põletatakse tsingisegu ZnS ja saadud oksiidid leostatakse väävelhappega. Koos paljude teiste metallidega lahustub gallium. Selles lahuses domineerib tsinksulfaat - peamine toode, mis tuleb puhastada lisanditest, sealhulgas galliumist. Puhastamise esimene etapp on nn raudmuda sadestamine. Happelise lahuse järkjärgulise neutraliseerimisega see muda sadestub. See sisaldab umbes 10% alumiiniumi, 15% rauda ja (mis on praegu meie jaoks kõige olulisem) 0,05...0,1% galliumi. Galliumi ekstraheerimiseks leostatakse muda happe või naatriumhüdroksiidiga – galliumhüdroksiid on amfoteerne. Leeliseline meetod on mugavam, kuna sel juhul saab seadmeid valmistada odavamatest materjalidest.
Leelise mõjul lahustuvad alumiiniumi ja galliumi ühendid. Kui see lahus hoolikalt neutraliseeritakse, sadestub galliumhüdroksiid. Kuid osa alumiiniumist sadestub ka. Seetõttu lahustatakse sade uuesti, seekord vesinikkloriidhappes. Tulemuseks on galliumkloriidi lahus, mis on saastunud peamiselt alumiiniumkloriidiga. Neid aineid saab eraldada ekstraheerimisega. Lisatakse eetrit ja erinevalt AlCl3-st läheb GaCl3 peaaegu täielikult orgaanilisse lahustisse. Kihid eraldatakse, eeter destilleeritakse välja ja saadud galliumkloriidi töödeldakse veel kord kontsentreeritud seebikiviga, et sadestada ja eraldada raualisandi galliumist. Sellest leelislahusest saadakse galliummetall. Saadakse elektrolüüsi teel pingel 5,5 V. Gallium sadestatakse vaskkatoodile.
Galium ja hambad
Pikka aega peeti galliumi mürgiseks. Alles viimastel aastakümnetel on see eksiarvamus ümber lükatud. Madalsulav gallium on huvitanud hambaarste. 1930. aastal tehti esmakordselt ettepanek asendada gallium elavhõbedaga hambatäidiste koostistes. Edasised uuringud nii siin kui välismaal kinnitasid sellise asendamise väljavaateid. Elavhõbedavabad metalltäidised (elavhõbe asendatakse galliumiga) on juba kasutusel hambaravis.
Keemilist elementi galium vabal kujul looduses praktiliselt ei leidu. See esineb mineraalsetes lisandites, millest on üsna raske eraldada. Galliumi peetakse haruldaseks aineks, selle mõningaid omadusi pole täielikult uuritud. Küll aga kasutatakse seda meditsiinis ja elektroonikas. Mis see element on? Millised omadused sellel on?
Kas gallium on metall või mittemetall?
Element kuulub neljanda perioodi kolmeteistkümnendasse rühma. See on nime saanud ajaloolise Gallia piirkonna järgi, mille osaks oli elemendi avastaja kodumaa Prantsusmaa. Selle tähistamiseks kasutatakse sümbolit Ga.
Galium kuulub kergmetallide rühma koos alumiiniumi, indiumi, germaaniumi, tina, antimoni ja muude elementidega. Lihtsa ainena on see rabe ja pehme ning hõbevalge värvusega, kergelt sinaka varjundiga.
Avastamise ajalugu
Mendelejev "ennustas" galliumi, jättes talle koha perioodilisuse tabeli kolmandas rühmas (vananenud süsteemi järgi). Ta nimetas ligikaudu selle aatommassi ja isegi ennustas, et element avastatakse spektroskoopiliselt.
Mõni aasta hiljem avastas metalli prantslane Paul Emile Lecoq. 1875. aasta augustis uuris teadlane Püreneede maardla spektrit ja märkas uusi violetseid jooni. Element sai nimeks galium. Selle sisaldus mineraalis oli äärmiselt väike ja Lecoqil õnnestus eraldada vaid 0,1 grammi. Metalli avastamine oli üks kinnitusi Mendelejevi ennustuse õigsusele.
Füüsikalised omadused
Galliummetall on väga plastiline ja sulav. Madalatel temperatuuridel jääb see tahkeks. Vedelikuks muutmiseks piisab temperatuurist 29,76 kraadi Celsiuse järgi või 302,93 Calvini. Sulatada saad seda käes hoides või kuuma vedeliku sisse kastes. Liiga kõrge temperatuur muudab selle väga agressiivseks: temperatuuril 500 kraadi Celsiuse järgi on see võimeline korrodeerima teisi metalle.
Galiumi kristallvõre moodustavad kaheaatomilised molekulid. Need on väga stabiilsed, kuid omavahel nõrgalt ühendatud. Nende ühenduse katkestamiseks on vaja väga väikest kogust energiat, mistõttu gallium muutub kergesti vedelaks. See on viis korda sulavam kui indium.
Vedelas olekus on metall tihedam ja raskem kui tahkes olekus. Lisaks juhib see paremini elektrit. Normaaltingimustes on selle tihedus 5,91 g/cm³. Metall keeb -2230 kraadi Celsiuse järgi. Kõvenemisel paisub see ligikaudu 3,2%.
Keemilised omadused
Paljude keemiliste omaduste poolest sarnaneb gallium alumiiniumiga, kuid on vähem aktiivne ja reaktsioonid sellega on aeglasemad. See ei reageeri õhuga, moodustades koheselt oksiidkile, mis takistab selle oksüdeerumist. See ei reageeri vesiniku, boori, räni, lämmastiku ja süsinikuga.
Metall suhtleb hästi peaaegu kõigi halogeenidega. Reageerib joodiga ainult kuumutamisel, kloori ja broomiga reageerib isegi toatemperatuuril. Kuumas vees hakkab see vesinikku välja tõrjuma, moodustab mineraalhapetega sooli ja vabastab ka vesinikku.
Galium võib moodustada amalgaame teiste metallidega. Kui vedel gallium tilgutatakse tahkele alumiiniumitükile, hakkab see sellesse tungima. Alumiiniumi kristallvõresse tungides muudab vedel aine selle hapraks. Juba mõne päeva pärast saab tugeva metallploki ilma suurema vaevata käsitsi purustada.
Rakendus
Meditsiinis kasutatakse galiummetalli kasvajate ja hüperkaltseemia vastu võitlemiseks ning sobib ka luuvähi radioisotoopdiagnostikaks. Seda ainet sisaldavad ravimid võivad aga põhjustada kõrvaltoimeid, nagu iiveldus ja oksendamine.
Galliummetalli kasutatakse ka mikrolaineelektroonikas. Seda kasutatakse pooljuhtide ja LED-ide tootmiseks piesomaterjalina. Metalli liimid saadakse skandiumi või nikliga galliumi sulamist. Plutooniumiga legeerituna mängib see stabilisaatori rolli ja seda kasutatakse tuumapommides.
Selle metalliga klaasil on kõrge murdumisnäitaja ja selle oksiid Ga 2 O 3 võimaldab klaasil infrapunakiiri edastada. Puhast galliumi saab kasutada lihtsate peeglite valmistamiseks, sest see peegeldab hästi valgust.
Galiumi arvukus ja ladestused
Kust saada galliumi? Metalli saab hõlpsasti Internetist tellida. Selle maksumus jääb vahemikku 115–360 dollarit kilogrammi kohta. Metalli peetakse haruldaseks, see on maakoores väga hajutatud ja praktiliselt ei moodusta oma mineraale. Alates 1956. aastast on kõik kolm leitud.
Galliumi leidub sageli tsingis ja rauas, selle lisandeid leidub kivisöes, berüülis, granaadis, magnetiidis, turmaliinis, päevakivis, kloritides ja muudes mineraalides. Keskmiselt on selle sisaldus looduses umbes 19 g/t.
Enamik galiumit leidub ainetes, mis on koostiselt sellele lähedased. Seetõttu on raske ja kulukas seda neist välja tõmmata. Metalli enda mineraali nimetatakse galliidiks valemiga CuGaS 2 . See sisaldab ka vaske ja väävlit.
Mõju inimestele
Vähe on teada metalli bioloogilisest rollist ja selle mõjust inimkehale. Perioodilises tabelis asub see meie jaoks elutähtsate elementide (alumiinium, raud, tsink, kroom) kõrval. Arvatakse, et gallium kui ultramikroelement on osa verest, kiirendades selle voolu ja takistades verehüüvete teket.
Ühel või teisel viisil sisaldub inimkehas väike kogus ainet (10 -6 - 10 -5%). Galium siseneb sinna koos vee ja põllumajandustoodetega. See säilib luukoes ja maksas.
Galliummetalli peetakse vähetoksiliseks või tinglikult mürgiseks. Kokkupuutel nahaga jäävad sellele väikesed osakesed. See näeb välja nagu hall määrdunud plekk, mida saab kergesti veega eemaldada. Aine ei jäta põletushaavu, kuid mõnel juhul võib see põhjustada dermatiiti. Teatavasti põhjustab kõrge galiumi sisaldus organismis häireid maksas, neerudes ja närvisüsteemis, kuid selleks on vaja väga suurt kogust metalli.
Ta sõnastas oma perioodilisuse seaduse ja koostas perioodilisuse tabeli; paljud metallid polnud teadusele veel teada.
See aga ei takistanud keemikut oma perioodilist süsteemi üles ehitamast, jättes tühjad rakud veel avastamata elementide jaoks. Need "tühjad kohad" said peagi täidetud. Ühte neist Mendelejevi ennustatud elementidest arutatakse täna.
Tutvuge galliumiga, tabelis 31. Kolmas rühm on madala sulamistemperatuuriga metall, mis on omadustelt sarnane alumiiniumile ja ränile. Mendelejev mitte ainult ei kirjeldanud piisavalt üksikasjalikult selle metalli omadusi, vaid näitas ka selle aatommassi peaaegu sajaprotsendilise täpsusega.
Nime avastamine ja päritolu
Galliumi avastas ja eraldas lihtsa ainena prantsuse keemik Paul Emile Lecoq de Boisbaudran. See juhtus 1875. aastal, kui teadlane uuris Püreneedest toodud tsingisegu proove. Uuring viidi läbi spektroskoopiat kasutades ja teadlane märkas maagi spektris lillat joont, mis viitab tundmatu elemendi olemasolule mineraalis.
Elemendi eraldamine puhtal kujul nõudis palju tööd, kuna selle sisaldus maagis oli alla 0,1%. Lõpuks õnnestus Lecoq de Boisbaudranil saada vähem kui 0,1 grammi puhast ainet ja seda uurida. Prantslase avastatud element osutus omadustelt väga sarnaseks tsingiga.
Järgmisel Pariisi Teaduste Akadeemia koosolekul, mis toimus 20. septembril 1875, loeti ette Lecoq de Boisbaudrani kiri, kus teatati uue elemendi avastamisest ja selle omaduste uurimisest. Keemik teatas ka, et nimetas äsja avastatud elemendi Prantsusmaa auks vastavalt selle ladinakeelsele nimele - Gallia.
Kui Mendelejev luges selle avastuse kohta avaldatud aruannet, märkis ta, et uue elemendi omaduste kirjeldus langeb peaaegu täpselt kokku tema varem ennustatud eka-alumiiniumi kirjeldusega. Mendelejev ei viitsinud sellest Lecoq de Boisbaudrani teavitada, viidates, et uue metalli tihedus määrati valesti ja see peaks olema 5,9-6,0, mitte 4,7 g/cm3. Põhjalik kontroll näitas, et Mendelejevil oli õigus.
Galliumi kaevandamine
Looduses ei moodusta gallium suuri ladestusi. Mõned mineraalid sisaldavad galliumi suhteliselt suurtes kogustes (selle metalli puhul): granaat, sfaleriit, turmaliin, berüül, päevakivi, nefeliin.
Galliumi rikkaim allikas on mineraal germaniit, vasksulfiidist koosnev maak, mis võib sisaldada 0,5–0,7% galliumi. Lisaks saadakse galliumi boksiidi ja nefeliini töötlemisel. Seda metalli võib saada ka polümetallimaakide ja kivisöe töötlemisel.
Saastunud galliumi pestakse veega, seejärel filtreeritakse läbi poorsete plaatide ja kuumutatakse lenduvate lisandite eemaldamiseks vaakumis. Kõrge puhtusastmega galliumi saamiseks kasutatakse keemilisi (sooladevahelised reaktsioonid), elektrokeemilisi (lahuste elektrolüüs) ja füüsikalisi (lagundamine) meetodeid.
Maardlad, kus galliumi kaevandatakse, asuvad peamiselt Edela-Aafrikas, samuti Venemaal ja mõnes SRÜ riigis.
Galliumi omadused
Gallium on pehme, plastiline, hõbedase värvi metall. Madalatel temperatuuridel on see tahkes olekus, kuid sulab veidi üle toatemperatuuri (29,8°C).
Üldiselt on selle metalli vedela oleku lai temperatuurivahemik (30–2230 °C) üks galliumi tunnuseid. Galliumi keemilised omadused on lähedased alumiiniumi omadele. Madala sulatavuse tõttu transporditakse galliumi kilekottides.
Enne pooljuhtide tulekut kasutati galliumi madala sulamistemperatuuriga sulamite loomiseks. Tänapäeval kasutatakse galliumi peamiselt mikroelektroonikas pooljuhtide osana. Galliumnitriidi kasutatakse pooljuhtlaserite ja LED-ide loomisel sinise ja ultraviolettkiirguse vahemikus.
Gallium on suurepärane määrdeaine. Praktilises mõttes väga olulised metalliliimid on loodud galliumi ja nikli, galliumi ja skandiumi baasil. Galliummetalli kasutatakse ka kõrgete temperatuuride mõõtmiseks mõeldud kvartstermomeetrite täitmiseks, asendades elavhõbeda selle metalliga. See on tingitud asjaolust, et galliumil on elavhõbedaga võrreldes oluliselt kõrgem keemispunkt.
Gallium on üks kallimaid metalle. Nii maksis 2005. aastal maailmaturul tonn galliumi 1,2 miljonit USA dollarit. Selle metalli kõrge hinna ja suure vajaduse tõttu on alumiiniumi tootmisel ja söe töötlemisel vedelkütuseks väga oluline luua selle täielik kaevandamine.
GALLIUM on metall, mis sulab sinu kätes.
Metallist GALLIUM
Gallium on D. I. Mendelejevi keemiliste elementide perioodilise süsteemi neljanda perioodi kolmanda rühma peamise alarühma element aatomnumbriga 31. Seda tähistatakse sümboliga Ga (lat. Gallium). Kuulub kergmetallide rühma. Lihtaine gallium (CAS number: 7440-55-3) on sinaka varjundiga hõbevalge (teistel andmetel helehall) pehme plastiline metall.
Metallist GALLIUM
Gallium: sulamistemperatuur 29,76 °C
Madal mürgisus, saate selle üles korjata ja sulatada!
Materjal pooljuhtelektroonika jaoks
Galliumarseniid GaAs
Paljutõotav materjal pooljuhtelektroonika jaoks.
Galliumnitriid
kasutatakse pooljuhtlaserite ja LED-ide loomisel sinise ja ultraviolettkiirguse vahemikus. Galliumnitriidil on suurepärased keemilised ja mehaanilised omadused, mis on tüüpilised kõikidele nitriidiühenditele.
Gallium-71 isotoop
on neutriinode tuvastamise kõige olulisem materjal ja sellega seoses seisab tehnoloogia ees väga pakiline ülesanne eraldada see isotoop looduslikust segust, et tõsta neutriinodetektorite tundlikkust. Kuna 71Ga sisaldus looduslikus isotoopide segus on umbes 39,9%, võib puhta isotoobi eraldamine ja selle kasutamine neutriinodetektorina suurendada tuvastamise tundlikkust 2,5 korda.
Keemilised omadused
Gallium on kallis, 2005. aastal maksis tonn galliumi maailmaturul 1,2 miljonit USA dollarit ning selle metalli kõrge hinna ja samas suure vajaduse tõttu on väga oluline rajada selle täielik kaevandamine aastal. alumiiniumi tootmine ja kivisöe töötlemine vedelkütuses.
Galliumil on mitmeid sulameid, mis on toatemperatuuril vedelad ja ühe selle sulami sulamistemperatuur on 3 °C (In-Ga-Sn eutektiline), kuid teisest küljest on gallium (vähemal määral sulamid) väga agressiivne enamiku konstruktsioonimaterjalide suhtes (sulamite pragunemine ja erosioon kõrgel temperatuuril). Näiteks alumiiniumi ja selle sulamite puhul on gallium võimas tugevuse vähendaja (vt adsorptsiooni tugevuse vähenemine, Rehbinderi efekt). Seda galliumi omadust demonstreerisid ja uurisid üksikasjalikumalt P. A. Rebinder ja E. D. Shchukin alumiiniumi kokkupuutel galliumi või selle eutektiliste sulamitega (vedelmetalli haprus). Jahutusvedelikuna on gallium ebaefektiivne ja sageli lihtsalt vastuvõetamatu.
Gallium on suurepärane määrdeaine
Praktilises mõttes väga olulised metalliliimid on loodud galliumi ja nikli, galliumi ja skandiumi baasil.
Galliummetalli kasutatakse ka kvartstermomeetrite täitmiseks (elavhõbeda asemel), et mõõta kõrgeid temperatuure. See on tingitud asjaolust, et galliumil on elavhõbedaga võrreldes oluliselt kõrgem keemispunkt.
Galliumoksiid on osa paljudest granaadirühma strateegiliselt olulistest lasermaterjalidest - GSGG, YAG, ISGG jne.
Aatomnumbriga 31 elemendi kohta mäletab enamik lugejaid vaid seda, et see on üks kolmest elemendist, mille ennustas ja kirjeldas kõige üksikasjalikumalt D.I. Mendelejev ja et tegemist on väga sulava metalliga: peopesa kuumusest piisab, et see vedelaks muutuda.
Alustasime teadlikult oma lugu elemendist nr 31, mainides midagi, mis on peaaegu kõigile teada. Sest see "teada" nõuab selgitust. Kõik teavad, et galliumi ennustas Mendelejev ja avastas Lecoq de Boisbaudran, kuid mitte kõik ei tea, kuidas avastus juhtus. Peaaegu kõik teavad, et gallium on sulav, kuid peaaegu keegi ei oska vastata küsimusele, miks see on sulav.
Kuidas gallium avastati?
Prantsuse keemik Paul Emile Lecoq de Boisbaudran läks ajalukku kolme uue elemendi: galliumi (1875), samariumi (1879) ja düsproosiumi (1886) avastajana. Esimene neist avastustest tõi talle kuulsuse.
Sel ajal oli ta väljaspool Prantsusmaad vähe tuntud. Ta oli 38-aastane ja tegeles peamiselt spektroskoopiliste uuringutega. Lecoq de Boisbaudran oli hea spektroskoop ja see viis lõpuks eduni: ta avastas kõik kolm oma elementi spektraalanalüüsi abil.
1875. aastal uuris Lecoq de Boisbaudran Pierrefitte'st (Püreneed) toodud tsingi segu spektrit. Selles spektris avastati uus violetne joon (lainepikkus 4170A). Uus liin näitas tundmatu elemendi olemasolu mineraalis ja täiesti loomulikult tegi Lecoq de Boisbaudran kõik endast oleneva selle elemendi eraldamiseks. Seda osutus keeruliseks teha: uue elemendi sisaldus maagis oli alla 0,1% ja paljuski sarnanes see tsingiga. Pärast pikki katseid õnnestus teadlasel saada uus element, kuid väga väikeses koguses. Nii väike (alla 0,1 g), et Lecoq de Boisbaudran ei suutnud selle füüsikalisi ja keemilisi omadusi täielikult uurida.
Galliumi avastus – nii nimetati uut elementi Prantsusmaa auks (Gallia on selle ladinakeelne nimi) – ilmus Pariisi Teaduste Akadeemia aruannetes.
D.I. Mendelejev luges seda sõnumit ja tunnistas galliumi eka-alumiiniumiks, mida ta viis aastat varem ennustas. Mendelejev kirjutas kohe Pariisi. "Avastamis- ja isoleerimismeetod ning vähesed kirjeldatud omadused panevad meid oletama, et uus metall pole midagi muud kui eka-alumiinium," seisis tema kirjas. Seejärel kordas ta sellele elemendile ennustatud omadusi. Pealegi väitis vene keemik, et ta ei hoidnud kunagi käes galliumi terakesi, ilma seda isiklikult nägemata, et elemendi avastaja eksis ja et uue metalli tihedus ei saa olla võrdne 4,7-ga, nagu kirjutas Lecoq de Boisbaudran. peaks olema suurem, ligikaudu 5,9-6,0 g/cm3.
Kummalisel kombel, kuid perioodilisuse olemasoluEsimesed selle kinnitajad, "tugevdajad", õppisid seadust alles sellest kirjast. Ta rõhutas veel kord ja hoolikaltpuhastatud galliumi terad, et kontrollida esimeste katsete tulemusi. Mõned teadusajaloolased usuvad, et seda tehti eesmärgiga häbistada enesekindlat venelast"ennustaja". Kuid kogemus näitas vastupidist: avastaja eksis. Hiljem kirjutas ta: "Ma arvan, et pole vaja välja tuua erakordset tähtsust, mis uue elemendi tihedusel on Mendelejevi teoreetiliste seisukohtade kinnitamisel."
Ka teised Mendelejevi ennustatud elemendi nr 31 omadused langesid peaaegu täpselt kokku katseandmetega.“Mendelejevi ennustused olid põhjendatud väikeste kõrvalekalletega: eka-alumiinium muutus galliumiks. Nii iseloomustab Engels seda sündmust raamatus "Looduse dialektika".
Ütlematagi selge, et Mendelejevi ennustatud elementide esimese avastamine tugevnes oluliseltperioodilise seaduse seisukohad.
Loed artiklit galliumi ajaloo teemal
