فلز گالیوم. گالیم فلزی است که در دست ها ذوب می شود

از عنصری با عدد اتمی 31، اکثر خوانندگان فقط به یاد دارند که یکی از سه عنصری است که توسط D.I با جزئیات بیشتر پیش بینی و توصیف شده است. مندلیف، و آن گالیم یک فلز بسیار قابل ذوب است: برای تبدیل آن به مایع، حرارت کف دست کافی است.

با این حال، گالیم گداز پذیرترین فلز نیست (حتی اگر جیوه را در نظر نگیرید). نقطه ذوب آن 29.75 درجه سانتیگراد است، در حالی که سزیم در 28.5 درجه سانتیگراد ذوب می شود. فقط سزیم را، مانند هر فلز قلیایی، نمی توانید در دست بگیرید، بنابراین، در کف دست، به طور طبیعی، ذوب گالیوم آسان تر از سزیم است.

داستانی درباره عنصر #31 بخوانید، ما عمداً با ذکر چیزی که تقریباً برای همه شناخته شده است شروع کردیم. زیرا این «معلوم» نیاز به توضیح دارد. همه می‌دانند که گالیوم توسط مندلیف پیش‌بینی و توسط Lecoq de Boisbaudran کشف شد، اما همه نمی‌دانند که چگونه این کشف اتفاق افتاد. تقریباً همه می دانند که گالیم گداخت پذیر است، اما تقریباً هیچ کس نمی تواند به این سؤال پاسخ دهد که چرا گداخت پذیر است.

گالیم چگونه کشف شد؟

شیمیدان فرانسوی پل امیل لکوک دو بویزبودران به عنوان کاشف سه عنصر جدید در تاریخ ثبت شد: گالیم (1875)، ساماریوم (1879) و دیسپروزیم (1886). اولین مورد از این اکتشافات او را به شهرت رساند.

در آن زمان، در خارج از فرانسه، او کمتر شناخته شده بود. او 38 سال داشت و عمدتاً به تحقیقات طیف سنجی مشغول بود. Lecoq de Boisbaudran یک طیف‌نگار خوب بود و این در نهایت به موفقیت منجر شد: او هر سه عنصر خود را با تجزیه و تحلیل طیفی کشف کرد.

در سال 1875، Lecoq de Boisbaudran طیف ترکیب روی آورده شده از Pierrefitte (Pyrenees) را بررسی کرد. در این طیف بود که یک خط بنفش جدید (طول موج 4170 Å) کشف شد. خط جدید نشان دهنده وجود یک عنصر ناشناخته در کانی بود و به طور طبیعی، Lecoq de Boisbaudran تمام تلاش خود را برای جداسازی این عنصر انجام داد. انجام این کار آسان نبود: محتوای عنصر جدید در سنگ معدن کمتر از 0.1٪ بود و از بسیاری جهات شبیه روی * بود. پس از آزمایش های طولانی، دانشمند موفق شد عنصر جدیدی را به دست آورد، اما به مقدار بسیار کم. آنقدر کوچک (کمتر از 0.1 گرم) که Lecoq de Boisbaudrap نتوانست خواص فیزیکی و شیمیایی آن را به طور کامل مطالعه کند.

* نحوه بدست آوردن گالیم از مخلوط روی در زیر توضیح داده شده است.

اعلام کشف گالیوم - بنابراین به افتخار فرانسه (Gallia - نام لاتین آن) عنصر جدیدی نامگذاری شد - در گزارش های آکادمی علوم پاریس ظاهر شد.

این پیام توسط D.I. مندلیف اکالومینیم را که پنج سال قبل پیش‌بینی کرده بود، در گالیم تشخیص داد. مندلیف بلافاصله به پاریس نامه نوشت. در نامه او آمده است: "روش کشف و جداسازی، و همچنین خواص معدود توصیف شده، نشان می دهد که فلز جدید چیزی جز اکالومینیم نیست." سپس ویژگی های پیش بینی شده برای آن عنصر را تکرار کرد. علاوه بر این، شیمی‌دان روسی که هرگز دانه‌ای از گالیوم را در دستان خود نگرفت، بدون اینکه آن را در چشمان خود ببیند، ادعا کرد که کاشف عنصر اشتباه کرده است، همانطور که Lecoq de Boisbaudran نوشت، چگالی فلز جدید نمی‌تواند برابر با 4.7 باشد. ، - باید بیشتر از 5.9 ... 6.0 g/cm3 باشد!

ممکن است عجیب به نظر برسد، اما اولین نفر از موافقان و "تقویت کننده" او وجود قانون تناوبی را فقط از این نامه دریافتند. او دوباره دانه های گالیوم را جدا و با دقت خالص کرد تا نتایج آزمایش های اول را تأیید کند. برخی از مورخان علم معتقدند که این کار به منظور شرمساری "پیش بینی" روسی با اعتماد به نفس انجام شده است. اما تجربه خلاف این را نشان داده است: کاشف اشتباه کرده است. بعداً نوشت: «به نظر من لازم نیست به اهمیت استثنایی که چگالی عنصر جدید در رابطه با تأیید دیدگاه‌های نظری مندلیف دارد اشاره کنیم».

سایر خصوصیات عنصر شماره 31 که توسط مندلیف پیش بینی شده بود تقریباً دقیقاً با داده های تجربی مطابقت داشت. "پیش بینی مندلیف با انحرافات جزئی به حقیقت پیوست: اکالومینیم به گالیوم تبدیل شد." انگلس این رویداد را در دیالکتیک طبیعت اینگونه توصیف می کند.

نیازی به گفتن نیست که کشف اولین عنصر پیش بینی شده توسط مندلیف موقعیت قانون تناوبی را به طور قابل توجهی تقویت کرد.

چرا گالیم گداز پذیر است؟

مندلیف با پیش بینی ویژگی های گالیم معتقد بود که این فلز باید ذوب شود، زیرا آنالوگ های آن در گروه - آلومینیوم و ایندیم - نیز از نظر نسوز تفاوتی ندارند.

اما نقطه ذوب گالیوم به طور غیرعادی پایین است، پنج برابر کمتر از ایندیم. این با ساختار غیرمعمول کریستال های گالیوم توضیح داده می شود. شبکه کریستالی آن نه توسط اتم های منفرد (مانند فلزات "عادی")، بلکه توسط مولکول های دو اتمی تشکیل می شود. مولکول های Ga 2 بسیار پایدار هستند، حتی زمانی که گالیم به حالت مایع تبدیل می شود، حفظ می شوند. اما این مولکول ها تنها توسط نیروهای ضعیف واندروالسی به یکدیگر متصل می شوند و انرژی بسیار کمی برای قطع اتصال آنها مورد نیاز است.

برخی از خواص بیشتر عنصر شماره 31 با دو اتمی بودن مولکول ها مرتبط است. در حالت مایع، گالیم متراکم تر و سنگین تر از حالت جامد است. رسانایی الکتریکی گالیم مایع نیز بیشتر از گالیم جامد است.

از نظر ظاهری - بیشتر از همه روی قلع: یک فلز نرم سفید مایل به نقره ای است که اکسید نمی شود و در هوا کدر نمی شود.

و در بیشتر خواص شیمیایی، گالیم نزدیک به آلومینیوم است. مانند آلومینیوم، سه الکترون در مدار بیرونی اتم گالیم وجود دارد. مانند آلومینیوم، گالیم به راحتی، حتی در سرما، با هالوژن ها (به جز ید) تعامل دارد. هر دو فلز به آسانی در اسیدهای سولفوریک و هیدروکلریک حل می شوند، هر دو با مواد قلیایی واکنش می دهند و هیدروکسیدهای آمفوتریک می دهند. ثابت های تفکیک واکنش ها

Ga(OH) 3 → Ga 3+ + 3OH -

H 3 GaO 3 → 3H + + GaO 3- 3

مقادیری با همان ترتیب هستند.

با این حال، تفاوت هایی در خواص شیمیایی گالیم و آلومینیوم وجود دارد.

با اکسیژن خشک، گالیم فقط در دمای بالاتر از 260 درجه سانتیگراد به طور قابل توجهی اکسید می شود و آلومینیوم، اگر از فیلم اکسید محافظ خود محروم شود، بسیار سریع توسط اکسیژن اکسید می شود.

با هیدروژن، گالیم هیدریدهایی شبیه هیدریدهای بور تشکیل می دهد. از طرف دیگر، آلومینیوم فقط می تواند هیدروژن را حل کند، اما با آن واکنش نشان نمی دهد.

و گالیم شبیه گرافیت، کوارتز، آب است.

روی گرافیت - آن چیزی که یک علامت خاکستری روی کاغذ می گذارد.

در کوارتز - ناهمسانگردی الکتریکی و حرارتی.

مقاومت الکتریکی کریستال های گالیوم به این بستگی دارد که جریان در امتداد کدام محور جریان دارد. نسبت حداکثر به حداقل 7 است - بیشتر از هر فلز دیگری. همین امر در مورد ضریب انبساط حرارتی نیز صادق است.

مقادیر آن در جهت سه محور کریستالوگرافی (بلورهای گالیم لوزی) به صورت 31:16:11 مرتبط است.

و گالیم از این جهت شبیه آب است که با سخت شدن منبسط می شود. افزایش حجم قابل توجه است - 3.2٪.

در حال حاضر یک ترکیب از این شباهت های متضاد از فردیت منحصر به فرد عنصر شماره 31 صحبت می کند.

علاوه بر این، دارای ویژگی هایی است که ذاتی هیچ عنصری نیست. مذاب، می تواند ماه ها زیر نقطه ذوب خود فوق العاده خنک بماند. این تنها فلزی است که در محدوده دمایی وسیعی از 30 تا 2230 درجه سانتیگراد مایع باقی می ماند و فراریت بخار آن حداقل است. حتی در خلاء زیاد، فقط در دمای 1000 درجه سانتیگراد تبخیر می شود. بخارات گالیم، بر خلاف فلزات جامد و مایع، تک اتمی هستند. انتقال Ga 2 → 2Ga به انرژی زیادی نیاز دارد. این مشکل تبخیر گالیوم را توضیح می دهد.

محدوده دمایی زیاد حالت مایع اساس یکی از اصلی ترین کاربردهای فنی عنصر شماره 31 است.

گالیم برای چیست؟

دماسنج های گالیومی در اصل امکان اندازه گیری دما را از 30 تا 2230 درجه سانتی گراد می دهند. اکنون دماسنج های گالیومی برای دماهای تا 1200 درجه سانتی گراد در دسترس هستند.

عنصر شماره 31 به تولید آلیاژهای کم ذوب مورد استفاده در دستگاه های سیگنالینگ می رود. آلیاژی از گالیوم و ایندیم در دمای 16 درجه سانتی گراد ذوب می شود. این آلیاژ از همه آلیاژهای شناخته شده گداخت پذیرترین است.

به عنوان یک عنصر از گروه III، که به افزایش رسانایی "سوراخ" در یک نیمه هادی کمک می کند، گالیم (با خلوص حداقل 99.999٪) به عنوان افزودنی به ژرمانیوم و سیلیکون استفاده می شود.

ترکیبات بین فلزی گالیم با عناصر گروه V - آنتیموان و آرسنیک - خود دارای خواص نیمه هادی هستند.

افزودن گالیوم به جرم شیشه باعث می شود تا شیشه هایی با ضریب شکست پرتوهای نور بالا به دست آید و شیشه های مبتنی بر Ga 2 O 3 به خوبی پرتوهای مادون قرمز را منتقل می کنند.

گالیم مایع 88 درصد از نوری که روی آن می افتد را منعکس می کند، جامد - کمی کمتر. بنابراین، ساخت آینه های گالیوم بسیار آسان است - پوشش گالیوم را می توان حتی با یک قلم مو اعمال کرد.

گاهی اوقات از توانایی گالیم برای خیس کردن سطوح جامد به خوبی استفاده می شود و جایگزین جیوه در پمپ های خلاء انتشار می شود. چنین پمپ هایی خلاء را بهتر از پمپ های جیوه ای حفظ می کنند.

تلاش‌هایی برای استفاده از گالیوم در راکتورهای هسته‌ای انجام شده است، اما نتایج این تلاش‌ها را به سختی می‌توان موفقیت‌آمیز دانست. گالیوم نه تنها به طور کاملاً فعال نوترون ها را جذب می کند (مقطع 2.71 انبار را می گیرد، بلکه در دماهای بالا با اکثر فلزات واکنش نشان می دهد.

گالیم به یک ماده اتمی تبدیل نشد. درست است، ایزوتوپ رادیواکتیو مصنوعی 72 Ga (با نیمه عمر 14.2 ساعت) برای تشخیص سرطان استخوان استفاده می شود. کلرید و نیترات گالیم 72 توسط تومور جذب می شوند و با تثبیت مشخصه تشعشع این ایزوتوپ، پزشکان تقریباً به دقت اندازه تشکیلات خارجی را تعیین می کنند.

همانطور که می بینید، امکانات عملی عنصر شماره 31 بسیار گسترده است. به دلیل دشواری به دست آوردن گالیوم، عنصر نسبتا کمیاب (1.5 10-3٪ وزن پوسته زمین) و بسیار پراکنده، هنوز امکان استفاده کامل از آنها وجود ندارد. تعداد کمی از کانی های بومی گالیوم شناخته شده است. اولین و مشهورترین ماده معدنی آن، گالیت CuGaS 2، تنها در سال 1956 کشف شد. بعداً، دو ماده معدنی دیگر یافت شد که قبلاً بسیار نادر بودند.

معمولاً گالیم در روی، آلومینیوم، سنگ آهن و همچنین در زغال سنگ یافت می شود - به عنوان یک ناخالصی ناچیز. و آنچه مشخص است: هر چه این ناخالصی بیشتر باشد، استخراج آن دشوارتر می شود، زیرا در سنگ معدن آن فلزات (آلومینیوم، روی) که از نظر خواص نزدیک به آن هستند، گالیوم بیشتری وجود دارد. بخش اصلی گالیم زمینی در مواد معدنی آلومینیوم محصور شده است.

استخراج گالیوم یک "لذت" گران قیمت است. بنابراین، عنصر #31 در مقادیر کمتر از هر یک از همسایگان خود در جدول تناوبی استفاده می شود.

البته ممکن است علم در آینده نزدیک چیزی را در گالیوم کشف کند که آن را کاملا ضروری و غیرقابل جایگزین کند، همانطور که در مورد عنصر دیگری که مندلیف پیش بینی کرد، ژرمانیوم اتفاق افتاد. فقط 30 سال پیش، از آن حتی کمتر از گالیم استفاده می شد، و سپس "عصر نیمه هادی ها" آغاز شد ...

جستجو برای الگوها

خواص گالیم توسط D.I. مندلیف پنج سال قبل از کشف این عنصر. شیمیدان مبتکر روسی پیش بینی های خود را بر اساس الگوهای تغییرات خواص توسط گروه های سیستم تناوبی بنا کرد. اما برای Lecoq de Boisbaudran، کشف گالیوم نیز اتفاق خوشایندی نبود. یک طیف‌نگار با استعداد، در اوایل سال 1863 قوانینی را در تغییر در طیف عناصر با ویژگی‌های مشابه کشف کرد. او با مقایسه طیف های ایندیم و آلومینیوم به این نتیجه رسید که این عناصر ممکن است "برادر" داشته باشند که خطوط آن شکاف در طول موج کوتاه طیف را پر می کند. این خط گمشده ای بود که او به دنبال آن بود و در طیف ترکیب روی از Pierrfit یافت.

برای مقایسه، جدولی از ویژگی های اصلی پیش بینی شده توسط D.I ارائه می کنیم. کاآلومینیم و گالیم مندلیف توسط Lecoq de Boisbaudran کشف شد.

اکالومینیم	گالیوم
وزن اتمی حدود 68	وزن اتمی 69.72
باید ذوب کم باشد	نقطه ذوب 29.75 درجه سانتیگراد
وزن مخصوص نزدیک به 6.0	وزن مخصوص 5.9 (جامد) و 6.095 (مایع)
حجم اتمی 11.5	حجم اتمی 11.8
نباید در هوا اکسید شود	فقط در حرارت قرمز روح کمی اکسید می شود
باید آب را در دمای بالا تجزیه کند	آب را در دمای بالا تجزیه می کند
فرمول های ترکیبی: EaCl 3 Ea 2 O 3، Ea 2 (SO 4) 3	فرمول های ترکیبی: GaCl 3، Ga 3 O 3، Ga 2 (SO 4) 3
باید زاج Ea 2 (SO 4) 3 Me 2 SO 4 24H 2 O تشکیل شود، اما دشوارتر از آلومینیوم	ترکیب زاج (NH 4) Ga (SO 4) 2 12H 2 O را تشکیل می دهد
اکسید Ea 2 O 3 باید به راحتی احیا شود و فلزی فرارتر از Al بدهد و بنابراین می توان انتظار داشت که آلومینیوم eka با تجزیه و تحلیل طیفی کشف شود.	گالیم با تکلیس در جریانی از هیدروژن که با استفاده از تجزیه و تحلیل طیفی کشف شد به راحتی از اکسید احیا می شود.

بازی با کلمات؟

برخی از مورخان علم به نام عنصر شماره 31 نه تنها میهن پرستی، بلکه بی احتیاطی کاشف آن را نیز می بینند. به طور کلی پذیرفته شده است که کلمه "گالیوم" از لاتین Gallia (فرانسه) آمده است. اما در صورت تمایل در همان کلمه می توانید اشاره ای به کلمه خروس ببینید! در لاتین، "خروس" gallus است، در فرانسوی - le coq. لکوک دی بویزباودران؟

بسته به سن

در مواد معدنی، گالیم اغلب همراه با آلومینیوم است. جالب اینجاست که نسبت این عناصر در کانی به زمان تشکیل کانی بستگی دارد. در فلدسپات ها، یک اتم گالیم روی 120 هزار اتم آلومینیوم می افتد. در نفلین‌هایی که خیلی دیرتر تشکیل شده‌اند، این نسبت قبلاً 1:6000 است و در چوب‌های سنگ‌شده حتی "جوانتر" فقط 1:13 است.

ثبت اختراع اول

اولین ثبت اختراع برای استفاده از گالیوم 60 سال پیش گرفته شد. عنصر شماره 31 می خواست در لامپ های قوس الکتریکی استفاده شود.

گوگرد را جابجا می کند، با گوگرد از خود دفاع می کند

برهمکنش گالیم با اسید سولفوریک جالب است. با آزاد شدن گوگرد عنصری همراه است. در این حالت گوگرد سطح فلز را می پوشاند و از انحلال بیشتر آن جلوگیری می کند. با این حال، اگر فلز با آب داغ شسته شود، واکنش از سر گرفته می‌شود و تا زمانی ادامه می‌یابد که «پوست» جدیدی از گوگرد روی گالیوم رشد کند.

نفوذ بد

گالیم مایع با اکثر فلزات برهمکنش می کند و آلیاژها و ترکیبات بین فلزی با خواص مکانیکی نسبتاً پایین را تشکیل می دهد. به همین دلیل است که تماس با گالیوم منجر به کاهش استحکام بسیاری از مواد ساختاری می شود. بریلیم در برابر عمل گالیوم مقاوم ترین است: در دمای تا 1000 درجه سانتیگراد، با موفقیت در برابر تهاجمی عنصر شماره 31 مقاومت می کند.

و همچنین اکسید!

افزودن ناچیز اکسید گالیوم به طور قابل توجهی بر خواص اکسیدهای بسیاری از فلزات تأثیر می گذارد. بنابراین، اختلاط Ga 2 O 3 به اکسید روی به طور قابل توجهی پخت آن را کاهش می دهد. اما حلالیت روی در چنین اکسیدی بسیار بیشتر از خالص است. و در دی اکسید تیتانیوم، وقتی Ga 2 O 3 اضافه می شود، هدایت الکتریکی به شدت کاهش می یابد.

گالیم چگونه به دست می آید

ذخایر صنعتی سنگ معدن گالیوم در جهان یافت نشده است. بنابراین، گالیم باید از سنگ معدن روی و آلومینیوم استخراج شود که در آن بسیار ضعیف هستند. از آنجایی که ترکیب سنگ معدن ها و محتوای گالیم موجود در آنها یکسان نیست، روش های بدست آوردن عنصر شماره 31 کاملاً متنوع است. به عنوان مثال، ما به شما خواهیم گفت که چگونه گالیوم از مخلوط روی استخراج می شود، ماده معدنی که برای اولین بار این عنصر در آن کشف شد.

ابتدا مخلوط روی ZnS پخته می شود و اکسیدهای حاصل با اسید سولفوریک شسته می شوند. گالیم همراه با بسیاری از فلزات دیگر به محلول تبدیل می شود. سولفات روی در این محلول غالب است - محصول اصلی که باید از ناخالصی ها از جمله گالیوم پاک شود. اولین مرحله تصفیه، رسوب به اصطلاح لجن آهن است. با خنثی شدن تدریجی محلول اسید، این لجن رسوب می کند. حاوی حدود 10٪ آلومینیوم، 15٪ آهن و (که اکنون برای ما مهمتر است) 0.05 ... 0.1٪ گالیم است. برای استخراج گالیوم، لجن را با اسید یا سود سوزآور - هیدروکسید گالیوم آمفوتریک شسته می شود. روش قلیایی راحت تر است، زیرا در این حالت می توان تجهیزات را از مواد ارزان تر ساخت.

تحت تأثیر قلیایی، ترکیبات آلومینیوم و گالیم وارد محلول می شوند. هنگامی که این محلول به دقت خنثی می شود، هیدروکسید گالیم رسوب می کند. اما بخشی از آلومینیوم نیز رسوب می کند. بنابراین، رسوب دوباره در اسید هیدروکلریک حل می شود. به نظر می رسد محلولی از کلرید گالیم است که عمدتاً با کلرید آلومینیوم آلوده است. این مواد را می توان با استخراج جدا کرد. اتر درون آن ریخته می شود و بر خلاف AlCl 3، GaCl 3 تقریباً به طور کامل به حلال آلی عبور می کند. لایه‌ها جدا می‌شوند، اتر تقطیر می‌شود و کلرید گالیم به‌دست‌آمده یک بار دیگر با سود سوزآور غلیظ تصفیه می‌شود تا ناخالصی آهن را از گالیم رسوب داده و جدا کند. از این محلول قلیایی، گالیم فلزی به دست می آید. با الکترولیز در ولتاژ 5.5 ولت به دست می آید. گالیم بر روی کاتد مس رسوب می کند.

گالیوم و دندان

برای مدت طولانی تصور می شد که گالیم سمی است. تنها در دهه های اخیر این تصور غلط رد شده است. دندانپزشکان علاقه مند به گالیم کم ذوب. در سال 1930، برای اولین بار پیشنهاد شد که جیوه با گالیم در ترکیبات پرکننده دندان جایگزین شود. مطالعات بیشتر چه در اینجا و چه در خارج از کشور، وعده چنین جایگزینی را تایید کرد. پرکردگی های فلزی بدون جیوه (جیوه جایگزین گالیوم) در حال حاضر در دندانپزشکی استفاده می شود.

عنصر شیمیایی گالیوم عملاً به صورت آزاد در طبیعت یافت نمی شود. در ناخالصی های مواد معدنی وجود دارد که جدا کردن آن از آنها دشوار است. گالیوم یک ماده کمیاب در نظر گرفته می شود، برخی از خواص آن به طور کامل شناخته نشده است. اما در پزشکی و الکترونیک کاربرد دارد. این عنصر چیست؟ چه خواصی دارد؟

گالیوم - فلزی یا غیرفلزی؟

عنصر متعلق به گروه سیزدهم دوره چهارم است. این منطقه به نام منطقه تاریخی - گل که فرانسه بخشی از آن بود - زادگاه کاشف عنصر نامگذاری شده است. برای نشان دادن آن از علامت Ga استفاده می شود.

گالیم به همراه آلومینیوم، ایندیم، ژرمانیوم، قلع، آنتیموان و سایر عناصر در گروه فلزات سبک قرار می گیرد. به عنوان یک ماده ساده، شکننده و نرم است، دارای رنگ سفید مایل به نقره ای با ته مایل به آبی است.

تاریخچه کشف

مندلیف گالیوم را «پیش‌بینی» کرد و جایی برای آن در گروه سوم جدول تناوبی (طبق سیستم قدیمی) باقی گذاشت. او تقریباً جرم اتمی آن را نام برد و حتی پیش بینی کرد که این عنصر از طریق طیف سنجی کشف خواهد شد.

چند سال بعد، این فلز توسط پل امیل لکوک فرانسوی کشف شد. در آگوست 1875، دانشمندی در حال مطالعه طیفی از ذخایر پیرنه بود و متوجه خطوط بنفش جدیدی شد. این عنصر گالیم نام داشت. محتوای آن در ماده معدنی بسیار کم بود و Lecoq تنها 0.1 گرم را جدا کرد. کشف این فلز یکی از تاییدیه های صحت پیش بینی مندلیف بود.

مشخصات فیزیکی

فلز گالیوم بسیار انعطاف پذیر و قابل ذوب است. در دماهای پایین در حالت جامد است. برای تبدیل آن به مایع، دمای 29.76 درجه سانتیگراد یا 302.93 کالوین کافی است. می توانید آن را با نگه داشتن آن در دست یا انداختن آن در مایع داغ ذوب کنید. دمای بیش از حد بالا آن را بسیار تهاجمی می کند: در دمای 500 درجه سانتیگراد و بالاتر، می تواند فلزات دیگر را خورده کند.

شبکه کریستالی گالیم توسط مولکول های دو اتمی تشکیل شده است. آنها بسیار پایدار هستند، اما ضعیف به هم مرتبط هستند. انرژی بسیار کمی برای شکستن پیوند آنها لازم است، بنابراین گالیم بدون مشکل به مایع تبدیل می شود. این ماده پنج برابر بیشتر از ایندیوم گداز پذیر است.

در حالت مایع، فلز چگال تر و سنگین تر از حالت جامد است. علاوه بر این، الکتریسیته را بهتر هدایت می کند. در شرایط عادی، چگالی آن 5.91 g/cm³ است. این فلز در -2230 درجه سانتیگراد به جوش می آید. هنگامی که جامد می شود، تقریباً 3.2٪ منبسط می شود.

خواص شیمیایی

در بسیاری از خواص شیمیایی، گالیم شبیه آلومینیوم است، اما فعالیت کمتری از خود نشان می‌دهد و واکنش‌ها با آن کندتر است. با هوا واکنش نشان نمی دهد و فورا یک لایه اکسیدی تشکیل می دهد که از اکسید شدن آن جلوگیری می کند. به هیدروژن، بور، سیلیکون، نیتروژن و کربن واکنش نشان نمی دهد.

این فلز تقریباً با هر هالوژنی تعامل خوبی دارد. با ید تنها زمانی که حرارت داده می شود واکنش نشان می دهد؛ حتی در دمای اتاق با کلر و برم واکنش می دهد. در آب گرم، شروع به جابجایی هیدروژن می کند، با اسیدهای معدنی نمک تشکیل می دهد و همچنین هیدروژن آزاد می کند.

با فلزات دیگر، گالیوم قادر به تشکیل آمالگام است. اگر گالیم مایع روی یک قطعه جامد آلومینیومی ریخته شود، شروع به نفوذ به داخل آن خواهد کرد. با حمله به شبکه کریستالی آلومینیوم، ماده مایع آن را شکننده می کند. پس از چند روز، یک میله فلزی جامد را می توان بدون تلاش زیاد با دست خرد کرد.

کاربرد

در پزشکی از فلز گالیوم برای مبارزه با تومورها و هیپرکلسمی استفاده می شود، همچنین برای تشخیص رادیوایزوتوپ سرطان استخوان مناسب است. با این حال، آماده سازی حاوی این ماده ممکن است عوارض جانبی مانند حالت تهوع و استفراغ ایجاد کند.

از فلز گالیوم در الکترونیک مایکروویو نیز استفاده می شود. برای ساخت نیمه هادی ها و ال ای دی ها به عنوان ماده پیزو استفاده می شود. چسب های فلزی از آلیاژ گالیم با اسکاندیم یا نیکل به دست می آیند. در آلیاژی با پلوتونیوم نقش تثبیت کننده را ایفا می کند و در بمب های هسته ای استفاده می شود.

شیشه های دارای این فلز ضریب شکست بالایی دارند و اکسید آن Ga 2 O 3 به شیشه اجازه می دهد تا اشعه مادون قرمز را منتقل کند. از گالیوم خالص می توان برای ساخت آینه های ساده استفاده کرد، زیرا نور را به خوبی منعکس می کند.

توزیع و ذخایر گالیوم

گالیوم را از کجا تهیه کنیم؟ فلز را می توان به راحتی آنلاین سفارش داد. قیمت آن از 115 تا 360 دلار در هر کیلوگرم متغیر است. این فلز کمیاب در نظر گرفته می شود، در پوسته زمین بسیار پراکنده است و عملاً مواد معدنی خود را تشکیل نمی دهد. از سال 1956، هر سه پیدا شده اند.

گالیم اغلب در ترکیب روی، آهن یافت می شود، ناخالصی های آن در زغال سنگ، بریل، گارنت، مگنتیت، تورمالین، فلدسپات، کلریت ها و سایر مواد معدنی یافت می شود. به طور متوسط ​​محتوای آن در طبیعت حدود 19 گرم در تن است.

بیشتر گالیم در موادی یافت می شود که از نظر ترکیب به آن نزدیک هستند. به همین دلیل استخراج از آنها دشوار و پرهزینه است. کانی خود این فلز گالیت با فرمول CuGaS 2 نامیده می شود. همچنین حاوی مس و گوگرد است.

تاثیر بر یک فرد

اطلاعات کمی در مورد نقش بیولوژیکی فلز و اثرات آن بر بدن انسان وجود دارد. در جدول تناوبی، در کنار عناصری است که برای ما حیاتی هستند (آلومینیوم، آهن، روی، کروم). عقیده ای وجود دارد که گالیوم به عنوان یک عنصر اولترا میکروالن بخشی از خون است و جریان آن را تسریع می کند و از تشکیل لخته های خون جلوگیری می کند.

به هر حال، مقدار کمی از این ماده در بدن انسان وجود دارد (10 -6 - 10 -5٪). گالیم همراه با آب و غذای کشاورزی وارد آن می شود. در بافت استخوانی و کبد باقی می ماند.

فلز گالیوم کم سمیت یا مشروط سمی در نظر گرفته می شود. در تماس با پوست، ذرات ریز روی آن باقی می مانند. به نظر می رسد یک نقطه کثیف خاکستری است که به راحتی با آب پاک می شود. این ماده سوختگی بر جای نمی گذارد، اما در برخی موارد می تواند باعث درماتیت شود. مشخص است که مقدار زیاد گالیوم در بدن باعث اختلال در کبد، کلیه ها و سیستم عصبی می شود، اما این نیاز به مقدار بسیار زیادی فلز دارد.

او قانون تناوبی خود را تدوین کرد و جدول تناوبی را تهیه کرد، بسیاری از فلزات هنوز برای علم شناخته نشده بودند.

با این حال، این مانع شیمیدان نشد که جدول تناوبی خود را بسازد و سلول های خالی برای عناصری که هنوز کشف نشده اند باقی بماند. این "نقاط خالی" به زودی پر شد. یکی از این عناصر پیش بینی شده توسط مندلیف امروز مورد بحث قرار خواهد گرفت.

ملاقات: گالیم، شماره 31 در جدول. گروه سوم فلزی با ذوب کم است که از نظر خواص مشابه آلومینیوم و سیلیکون است. مندلیف نه تنها خواص این فلز را با جزئیات کافی توصیف کرد، بلکه وزن اتمی آن را نیز با دقت تقریباً 100 درصد نشان داد.

کشف و پیدایش نام

گالیم به عنوان یک ماده ساده توسط شیمیدان فرانسوی پل امیل لکوک د بویزباودران کشف و جداسازی شد. این در سال 1875 اتفاق افتاد، زمانی که دانشمند نمونه هایی از مخلوط روی که از پیرنه آورده شده بود را مطالعه کرد. مطالعات با استفاده از طیف سنجی انجام شد و دانشمند متوجه یک خط ارغوانی در طیف سنگ معدن شد که نشان دهنده وجود یک عنصر ناشناخته در این کانی است.

جداسازی عنصر به شکل خالص نیاز به کار زیادی داشت، زیرا محتوای آن در سنگ معدن کمتر از 0.1٪ بود. در نهایت Lecoq de Boisbaudran موفق به بدست آوردن کمتر از 0.1 گرم ماده خالص و مطالعه آن شد. عنصر کشف شده توسط فرانسوی معلوم شد که از بسیاری جهات از نظر خواص مشابه روی است.

در جلسه بعدی آکادمی علوم پاریس که در 20 سپتامبر 1875 برگزار شد، نامه ای از Lecoq de Boisbaudran قرائت شد که در آن از کشف یک عنصر جدید و بررسی خواص آن خبر می داد. شیمیدان همچنین گزارش داد که عنصر تازه کشف شده را به افتخار فرانسه، با توجه به نام لاتین آن - Gallia (Gallia) نامگذاری کرده است.

زمانی که مندلیف گزارش منتشر شده در مورد این کشف را خواند، خاطرنشان کرد که توصیف ویژگی‌های عنصر جدید تقریباً دقیقاً با توصیف اکالومینیم که قبلاً پیش‌بینی کرده بود مطابقت دارد. مندلیف در گزارش این موضوع به Lecoq de Boisbaudran تاخیر نداشت و اشاره کرد که چگالی فلز جدید به اشتباه تعیین شده است و باید 5.9-6.0 باشد، نه 4.7 g/cm3. بررسی دقیق نشان داد که مندلیف درست می گفت.

استخراج گالیوم

در طبیعت، گالیوم رسوبات بزرگی تشکیل نمی دهد. در برخی از مواد معدنی، گالیم در مقادیر نسبتاً بزرگ (برای این فلز) موجود است: گارنت، اسفالریت، تورمالین، بریل، فلدسپات، نفلین.

غنی ترین منبع گالیوم معدنی ژرمانیت است، سنگ معدنی متشکل از سولفید مس که می تواند حاوی 0.5-0.7 درصد گالیوم باشد. علاوه بر این، گالیوم در طی فرآوری بوکسیت و نفلین به دست می آید. همچنین این فلز را می توان با فرآوری سنگ معدن های چند فلزی، زغال سنگ به دست آورد.

گالیم آلوده با آب شسته می شود، سپس از طریق صفحات متخلخل فیلتر شده و در خلاء حرارت داده می شود تا ناخالصی های فرار حذف شود. برای به دست آوردن گالیوم با خلوص بالا از روش های شیمیایی (واکنش بین نمک ها)، الکتروشیمیایی (الکترولیز محلول ها) و فیزیکی (تجزیه) استفاده می شود.

ذخایری که گالیم در آنها استخراج می شود عمدتاً در جنوب غربی آفریقا و همچنین در روسیه و در برخی از کشورهای مستقل مشترک المنافع قرار دارند.

خواص گالیم

گالیم فلزی نرم، انعطاف پذیر و نقره ای است. در دمای پایین، در حالت جامد است، اما در حال حاضر در دمای کمی بالاتر از دمای اتاق (29.8 درجه سانتیگراد) ذوب می شود.

به طور کلی محدوده دمایی وسیع برای وجود حالت مایع این فلز (از 30 تا 2230 درجه سانتی گراد) از ویژگی های گالیم است. خواص شیمیایی گالیم نزدیک به آلومینیوم است. به دلیل قابلیت گداختگی، انتقال گالیم در کیسه های پلاستیکی انجام می شود.

قبل از ظهور نیمه هادی ها، گالیوم برای ایجاد آلیاژهای با ذوب کم استفاده می شد. امروزه گالیوم عمدتاً در میکروالکترونیک به عنوان بخشی از نیمه هادی ها استفاده می شود. نیترید گالیوم در ساخت لیزرهای نیمه هادی و ال ای دی در محدوده آبی و فرابنفش استفاده می شود.

گالیوم یک روان کننده عالی است. بر پایه گالیم و نیکل، گالیم و اسکاندیم، چسب های فلزی ساخته شده است که از نظر عملی بسیار مهم هستند. همچنین از فلز گالیوم برای پر کردن دماسنج های کوارتز برای اندازه گیری دماهای بالا استفاده می شود و این فلز جایگزین جیوه می شود. این به این دلیل است که گالیم نقطه جوش بسیار بالاتری نسبت به جیوه دارد.

گالیم یکی از گران ترین فلزات است. بنابراین در سال 2005، یک تن گالیم 1.2 میلیون دلار آمریکا در بازار جهانی هزینه داشت. با توجه به هزینه بالای آن و نیاز زیاد به این فلز، استقرار استخراج کامل آن در تولید آلومینیوم و فرآوری زغال سنگ برای سوخت مایع بسیار مهم است.

فلز گالیوم که در دست ها ذوب می شود.

فلز گالیوم

گالیم عنصری از زیر گروه اصلی گروه سوم دوره چهارم سیستم تناوبی عناصر شیمیایی D.I. مندلیف با عدد اتمی 31 است. با نماد Ga (lat. Gallium) مشخص شده است. متعلق به گروه فلزات سبک است. ماده ساده گالیوم (شماره CAS: 7440-55-3) یک فلز نرم نرم به رنگ سفید نقره ای (طبق منابع دیگر، خاکستری روشن) با رنگ مایل به آبی است.

فلز گالیوم

گالیم: نقطه ذوب 29.76 درجه سانتی گراد

سمیت کم، می توانید بردارید و ذوب کنید!

مواد برای الکترونیک نیمه هادی

گالیم آرسنید GaAs

یک ماده امیدوارکننده برای الکترونیک نیمه هادی.

نیترید گالیوم

در ایجاد لیزرهای نیمه هادی و LED در محدوده آبی و فرابنفش استفاده می شود. نیترید گالیم دارای خواص شیمیایی و مکانیکی عالی است که در تمام ترکیبات نیترید معمولی است.

ایزوتوپ گالیوم-71

مهمترین ماده برای تشخیص نوترینوها است و در ارتباط با این موضوع، فناوری با یک وظیفه بسیار ضروری جداسازی ایزوتوپ از مخلوط طبیعی به منظور افزایش حساسیت آشکارسازهای نوترینو مواجه است. از آنجایی که محتوای 71Ga در مخلوط طبیعی ایزوتوپ ها حدود 39.9 درصد است، جداسازی یک ایزوتوپ خالص و استفاده از آن به عنوان آشکارساز نوترینو می تواند حساسیت تشخیص را 2.5 برابر افزایش دهد.

خواص شیمیایی

گالیم گران است، در سال 2005 یک تن گالیوم در بازار جهانی 1.2 میلیون دلار آمریکا قیمت داشت و به دلیل قیمت بالا و در عین حال تقاضای زیاد برای این فلز، استقرار استخراج کامل آن در تولید آلومینیوم بسیار مهم است. و پردازش زغال سنگ در سوخت مایع.

گالیم دارای تعدادی آلیاژ است که در دمای اتاق مایع هستند و یکی از آلیاژهای آن دارای نقطه ذوب 3 درجه سانتیگراد (In-Ga-Sn یوتکتیک) است، اما از طرف دیگر، گالیم (آلیاژها به میزان کمتر) بسیار تهاجمی به اکثر مواد ساختاری (ترک خوردن و فرسایش آلیاژها در دمای بالا). به عنوان مثال، در رابطه با آلومینیوم و آلیاژهای آن، گالیم یک کاهش دهنده قدرت قوی است (به کاهش قدرت جذب، اثر Rehbinder مراجعه کنید). این ویژگی گالیوم به وضوح توسط P. A. Rebinder و E. D. Shchukin در طول تماس آلومینیوم با گالیم یا آلیاژهای یوتکتیک آن (تردی فلز مایع) به وضوح نشان داده و مورد مطالعه قرار گرفت. به عنوان یک خنک کننده، گالیم بی اثر است و اغلب به سادگی غیرقابل قبول است.

گالیوم یک روان کننده عالی است

بر پایه گالیم و نیکل، گالیم و اسکاندیم، چسب های فلزی ساخته شده است که از نظر عملی بسیار مهم هستند.

فلز گالیوم نیز برای اندازه گیری دماهای بالا در دماسنج های کوارتز (به جای جیوه) پر می شود. این به این دلیل است که گالیم نقطه جوش بسیار بالاتری نسبت به جیوه دارد.

اکسید گالیوم بخشی از تعدادی از مواد لیزری مهم استراتژیک گروه گارنت - GSHG، YAG، ISGG و غیره است.

از عنصری با عدد اتمی 31، اکثر خوانندگان فقط به یاد دارند که یکی از سه عنصری است که توسط D.I با جزئیات بیشتر پیش بینی و توصیف شده است. مندلیف، و اینکه فلزی بسیار قابل ذوب است: برای تبدیل آن به مایع، حرارت کف دست کافی است.

ما عمداً داستان خود را در مورد عنصر شماره 31 با ذکر چیزی که تقریباً برای همه شناخته شده است شروع کردیم. زیرا این «معلوم» نیاز به توضیح دارد. همه می‌دانند که گالیوم توسط مندلیف پیش‌بینی و توسط Lecoq de Boisbaudran کشف شد، اما همه نمی‌دانند که چگونه این کشف اتفاق افتاد. تقریباً همه می دانند که گالیم گداخت پذیر است، اما تقریباً هیچ کس نمی تواند به این سؤال پاسخ دهد که چرا گداخت پذیر است.

گالیم چگونه کشف شد؟

شیمیدان فرانسوی پل امیل لکوک دو بویزبودران به عنوان کاشف سه عنصر جدید در تاریخ ثبت شد: گالیم (1875)، ساماریوم (1879) و دیسپروزیم (1886). اولین مورد از این اکتشافات او را به شهرت رساند.

در آن زمان در خارج از فرانسه، او کمتر شناخته شده بود. او 38 سال داشت و عمدتاً به تحقیقات طیف سنجی مشغول بود. Lecoq de Boisbaudran یک طیف‌نگار خوب بود و این در نهایت به موفقیت منجر شد: او هر سه عنصر خود را با تجزیه و تحلیل طیفی کشف کرد.

در سال 1875، Lecoq de Boisbaudran طیف ترکیب روی آورده شده از Pierrefitte (Pyrenees) را بررسی کرد. در این طیف بود که یک خط بنفش جدید (طول موج 4170A) کشف شد. خط جدید نشان دهنده وجود یک عنصر ناشناخته در کانی بود و به طور طبیعی، Lecoq de Boisbaudran تمام تلاش خود را برای جداسازی این عنصر انجام داد. انجام این کار آسان نبود: محتوای عنصر جدید در سنگ معدن کمتر از 0.1٪ بود و از بسیاری جهات شبیه روی بود. پس از آزمایش های طولانی، دانشمند موفق شد عنصر جدیدی را به دست آورد، اما به مقدار بسیار کم. آنقدر کوچک (کمتر از 0.1 گرم) که Lecoq de Boisbaudran نتوانست خواص فیزیکی و شیمیایی آن را به طور کامل مطالعه کند.

پیام کشف گالیوم - بنابراین به افتخار فرانسه (Gallia - نام لاتین آن) عنصر جدیدی نامگذاری شد - در گزارش های آکادمی علوم پاریس ظاهر شد.

D.I. مندلیف این پیام را خواند و در گالیم کا-آلومینیومی را که پنج سال قبل پیش‌بینی کرده بود، تشخیص داد. مندلیف بلافاصله به پاریس نامه نوشت. در نامه او آمده است: «روش کشف و جداسازی، و همچنین خواص معدودی که شرح داده شد، نشان می دهد که فلز جدید چیزی جز اکالومینیم نیست. سپس ویژگی های پیش بینی شده برای آن عنصر را تکرار کرد. علاوه بر این، شیمیدان روسی که هرگز دانه ای از گالیوم را در دستان خود نگرفته و آن را در چشمان خود نمی بیند، ادعا کرد که کاشف عنصر اشتباه کرده است، همانطور که Lecoq de Boisbaudran نوشته است، چگالی فلز جدید نمی تواند برابر با 4.7 باشد. ، باید بیشتر باشد، تقریباً 5.9-6.0 g/cm3.

به اندازه کافی عجیب، اما در مورد وجود دوره ایقانون، اولین نفر از تصویب کنندگان آن، "تقویت کنندگان"، تنها از این نامه آموختند. او جدا و با دقتدانه‌های گالیم را برای بررسی نتایج آزمایش‌های اول خالص کرد. برخی از مورخان علم معتقدند که این کار به منظور شرمساری روسی با اعتماد به نفس انجام شده است"پیشگو". اما تجربه خلاف این را نشان داده است: کاشف اشتباه کرده است. بعداً نوشت: «به نظر من لازم نیست به اهمیت استثنایی که چگالی عنصر جدید در رابطه با تأیید دیدگاه‌های نظری مندلیف دارد اشاره کنیم».

سایر خواص عنصر شماره 31 که توسط مندلیف پیش‌بینی شده بود تقریباً دقیقاً با داده‌های تجربی مطابقت داشت. انگلس این رویداد را در دیالکتیک طبیعت اینگونه توصیف می کند.

نیازی به گفتن نیست که کشف اولین عنصر پیش بینی شده توسط مندلیف به طور قابل توجهی تقویت شدجایگاه قانون تناوبی

شما در حال خواندن مقاله ای با موضوع تاریخچه گالیوم هستید