Галлий – металл, который плавится в руках. Галий - металл или неметалл

10.10.2019

Среднее содержание галлия в земной коре 19 г/т. Галлий типичный рассеянный элемент, обладающий двойной геохимической природой. Ввиду близости его кристаллохимических свойств с главными породообразующими элементами (Al, Fe и др.) и широкой возможности изоморфизма с ними, галлий не образует больших скоплений, несмотря на значительную величину кларка. Выделяются следующие минералы с повышенным содержанием галлия: сфалерит (0 — 0,1 %), магнетит (0 — 0,003 %), касситерит (0 — 0,005 %), гранат (0 — 0,003 %), берилл (0 — 0,003 %), турмалин (0 — 0,01 %), сподумен (0,001 — 0,07 %), флогопит (0,001 — 0,005 %), биотит (0 — 0,1 %), мусковит (0 — 0,01 %), серицит (0 — 0,005 %), лепидолит (0,001 — 0,03 %), хлорит (0 — 0,001 %), полевые шпаты (0 — 0,01 %), нефелин (0 — 0,1 %), гекманит (0,01 — 0,07 %), натролит (0 — 0,1 %). Концентрация галлия в морской воде 3·10−5 мг/л.

Месторождения

Месторождения галлия известны в Юго-Западной Африке, странах СНГ

Получение галлия

Для галлия известен редкий минерал галлит CuGaS2 (смешанный сульфид меди и галлия). Его следы постоянно встречаются со сфалеритом, халькопиритом и германитом. Значительно бо́льшие его количества (до 1,5 %) были обнаружены в золе некоторых каменных углей. Однако основным источником получения галлия служат растворы глинозёмного производства при переработке боксита (обычно содержащие незначительные его примеси (до 0,1 %)) и нефелина. Галлий также можно получить с помощью переработки полиметаллических руд, угля. Извлекается он электролизом щёлочных жидкостей, являющихся промежуточным продуктом переработки природных бокситов на технический глинозём. Концентрация галлия в щелочном алюминатном растворе после разложения в процессе Байера: 100—150 мг/л, по способу спекания: 50—65 мг/л. По этим способам галлий отделяют от большей части алюминия карбонизацией, концентрируя в последней фракции осадка. Затем обогащённый осадок обрабатывают известью, галлий переходит в раствор, откуда черновой металл выделяется электролизом. Загрязнённый галлий промывают водой, после этого фильтруют через пористые пластины и нагревают в вакууме для того, чтобы удалить летучие примеси. Для получения галлия высокой чистоты используют химический (реакции между солями), электрохимический (электролиз растворов) и физический (разложение) методы. В очень чистом виде (99,999 %) он был получен путём электролитического рафинирования, а также восстановлением водородом тщательно очищенного GaCl3.

Физические свойства

Кристаллический галлий имеет несколько полиморфных модификаций, однако термодинамически устойчивой является только одна (I), имеющая орторомбическую (псевдотетрагональную) решётку с параметрами а = 4,5186 Å, b = 7,6570 Å, c = 4,5256 Å. Другие модификации галлия (β, γ, δ, ε) кристаллизуются из переохлаждённого диспергированного металла и являются нестабильными. При повышенном давлении наблюдались ещё две полиморфные структуры галлия II и III, имеющие, соответственно, кубическую и тетрагональную решётки.

Плотность галлия в твёрдом состоянии при температуре 20 °C равна 5,904 г/см³, жидкий галлий (tпл.=29,8 °C) имеет плотность 6,095 г/см³, то есть при затвердевании объём галлия увеличивается. Кипит галлий при 2230 °C. Одной из особенностей галлия является широкий температурный интервал существования жидкого состояния (от 30 и до 2230 °C), при этом он имеет низкое давление пара при температурах до 1100—1200 °C. Удельная теплоёмкость твёрдого галлия в температурном интервале T=0—24 °C равна 376,7 Дж/кг·К (0,09 кал/г·град.), в жидком состоянии при T=29—100 °C — 410 Дж/кг·К (0,098 кал/г·град).

Удельное электрическое сопротивление в твёрдом и жидком состоянии равны, соответственно, 53,4·10−6 ом·см (при T=0 °C) и 27,2·10−6 ом·см (при T=30 °C). Вязкость жидкого галлия при разных температурах равна 1,612 пуаз при T=98 °C и 0,578 пуаз при T=1100 °C. Поверхностное натяжение, измеренное при 30 °C в атмосфере водорода равно 0,735 н/м. Коэффициенты отражения для длин волн 4360 Å и 5890 Å составляют 75,6 % и 71,3 %, соответственно.

Природный галлий состоит из двух изотопов 69Ga (61,2 %) и 71Ga (38,8 %). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов равно для них 2,1·10−28 м² и 5,1·10−28 м², соответственно.

Применение галлия

Арсенид галлия GaAs — перспективный материал для полупроводниковой электроники.
Нитрид галлия используется в создании полупроводниковых лазеров и светодиодов синего и ультрафиолетового диапазона. Нитрид галлия обладает превосходными химическими и механическими свойствами, типичными для всех нитридных соединений.
Изотоп галлий-71 является важнейшим материалом для регистрации нейтрино и в связи с этим перед техникой стоит весьма актуальная задача выделения этого изотопа из природной смеси в целях повышения чувствительности детекторов нейтрино. Так как содержание 71Ga составляет в природной смеси изотопов около 39,9 %, то выделение чистого изотопа и использование его в качестве детектора нейтрино способно повысить чувствительность регистрации в 2,5 раза.

Галлий дорог, в 2005 году на мировом рынке тонна галлия стоила 1,2 млн долларов США, и в связи с высокой ценой и в то же время с большой потребностью в этом металле очень важно наладить его полное извлечение при алюминиевом производстве и переработке каменных углей на жидкое топливо.

Галлий имеет ряд сплавов, жидких при комнатной температуре, и один из его сплавов имеет температуру плавления 3 °C (эвтектика In-Ga-Sn), но с другой стороны галлий (сплавы в меньшей степени) весьма агрессивен к большинству конструкционных материалов (растрескивание и размывание сплавов при высокой температуре). Например, по отношению к алюминию и его сплавам галлий является мощным понизителем прочности, (см. адсорбционное понижение прочности, эффект Ребиндера). Это свойство галлия было ярчайше продемонстрировано и детально изучено П. А. Ребиндером и Е. Д. Щукиным при контакте алюминия с галлием или его эвтектическими сплавами (жидкометаллическое охрупчивание). Кроме того, смачивание алюминия пленкой жидкого галлия вызывает его стремительное окисление, подобно тому, как это происходит с алюминием, амальгамированным ртутью. Галлий растворяет при температуре плавления около 1 % алюминия, который достигает внешней поверхности плёнки, где мгновенно окисляется воздухом. Оксидная плёнка на жидкой поверхности неустойчива и не защищает от дальнейшего окисления. Вследствие этого жидкий галлиевый сплав в качестве термоинтерфейса между тепловыделяющим компонентом (например, центральным процессором компьютера) и алюминиевым радиатором не используют.

Как теплоноситель галлий малоэффективен, а зачастую просто неприемлем.
Галлий — превосходный смазочный материал. На основе галлия и никеля, галлия и скандия созданы очень важные в практическом плане металлические клеи.
Металлическим галлием также заполняют кварцевые термометры (вместо ртути) для измерения высоких температур. Это связано с тем, что галлий имеет значительно более высокую температуру кипения по сравнению со ртутью.
Оксид галлия входит в состав ряда стратегически важных лазерных материалов группы гранатов — ГСГГ, ИАГ, ИСГГ и др.

Биологическая роль и особенности обращения галлия

Не играет биологической роли.

Контакт кожи с галлием приводит к тому, что сверхмалые дисперсные частицы металла остаются на ней. Внешне это выглядит как серое пятно.
Клиническая картина острого отравления: кратковременное возбуждение, затем заторможенность, нарушение координации движений, адинамия, арефлексия, замедление дыхания, нарушение его ритма. На этом фоне наблюдается паралич нижних конечностей, далее — кома, смерть. Ингаляционное воздействие галлий-содержащего аэрозоля в концентрации 50 мг/м³ вызывает у человека поражение почек, равно как и внутривенное введение 10-25 мг/кг солей галлия. Отмечается протеинурия, азотемия, нарушение клиренса мочевины.
Из-за низкой температуры плавления слитки галлия рекомендуется транспортировать в пакетах из полиэтилена, который плохо смачивается жидким галлием.

Пожалуй, самое известное свойство галлия, это его температура плавления, она составляет 29.76 °C. Это второй по легкоплавкости металл в периодической системе (после ртути). Легкоплавкость, а также низкая токсичность металлического галлия позволили сделать эту фотографию. Кстати, галлий - один из немногих металлов, расширяющихся при затвердевании расплава (другие - Bi, Ge).

Галлодент, эвтектика галлия с оловом
Металлический галлий малотоксичен, одно время он даже применялся для изготовления пломб (вместо амальгамных). Это применение основано на том, что при смешивании порошка меди с расплавленным галлием получается паста, которая через несколько часов затвердевает (из-за образования интерметаллического соединения) и потом может выдержать нагрев до 600 градусов без плавления. Галлий очень хрупок (его можно расколоть как стекло).

Большие кристаллы галлия
Еще одна интересная особенность галлия - способность его расплава к переохлаждению. Расплавленный галлий можно охладить примерно на 10-30 градусов ниже точки плавления, и он останется жидким, но если бросить в такой расплав кусочек твердого галлия или сухого льда, из него мгновенно начнут расти крупные кристаллы. На фотографии - затвердевающий слиток галлия. На фото хорошо видно, что кристаллизация началась в трех местах, и одновременно начали расти три больших монокристалла, которые затем встретились и образовали слиток (это произошло примерно через два часа после съемки).

Галлиевая ложка
Самодельная ложка из галлия. Видео с плавлением этой ложки:

Высокотемпературный галлиевый термометр Кварцевый термометр с галлием Галлий в термометре
А вот еще одно применение галлия.
Галлий находится в жидком состоянии в очень большом интервале температур, и, по идее, галлиевыми термометрами можно было бы измерять температуру аж до 2000 градусов. Впервые применять галлий в качестве термометрической жидкости предложили довольно давно. Галлиевыми термометрами уже измеряют температуру до 1200 градусов, но обычному человеку, увидеть в лаборатории эти термометры в живую удается не часто.
Такие термометры слабо распространены по нескольким причинам. Во-первых, при высоких температурах галлий является очень агрессивным веществом. При температурах выше 500 °C, он разъедает практически все металлы, кроме вольфрама, а также многие другие материалы. Кварц устойчив к действию расплавленного галлия до 1100 °C, но проблема может возникнуть из-за того, что кварц (а также большинство других стекол) отлично смачивается этим металлом. То есть, галлий просто налипнет на стенки термометра изнутри, и узнать температуру будет невозможно. Еще одна проблема может возникнуть при охлаждении термометра ниже 28 градусов. При затвердевании галлий ведет себя подобно воде - он расширяется и может просто разорвать термомер изнутри. Ну и последняя причина, по которой сейчас высокотемпературный галлиевый термометр можно встретить очень редко, это развитие техники и электроники. Не секрет, что цифровым термометром пользоваться гораздо удобнее, чем жидкостным. Современные температурные контроллеры, в комплекте, например, с платино-платинородиевыми термопарами, позволяют измерять температуру в интервале от -200 до +1600°C с точностью, недостижимой для жидкостных термометров. К тому же, термопара может находиться на значительном расстоянии от контроллера.

Галлий образует легкоплавкие эвтектические сплавы со многими металлами, причем некоторые из них, плавятся уже при температуре ниже комнатной.
Сплав галлия с индием плавится при температуре 15.7°C, то есть при комнатной температуре это жидкость. Чтобы приготовить такой сплав, не обязательно даже нагревать ожин из металлов до плавления, достаточно просто плотно сжать кусочки галлия и индия. На видео видно, что из места соприкосновения двух металлов (большой цилиндрик - галлий, маленький - индий), начинает капать эвтектический сплав.

Интересный эксперимент можно провести не только с плавлением, но так же и с затвердеванием галлия. Во первых, галлий это одно из немногих веществ, которые расширяются при затвердевании (так же как и вода), а во вторых, цвет расплавленного металла довольно сильно отличается от цвета твердого.
Небольшое количество жидкого галлия, наливаем в стеклянный пузырек и сверху помещаем маленький кусочек твердого галлия (затравка для кристаллизации, так как галлий способен переохлаждаться). На видео хорошо видно как начинают расти кристаллы металла (они имеют синеватый оттенок, в отличие от серебристо-белого расплава). Через некоторое время, расширяющийся галлий разрывает пузырек.
Средняя часть видео (рост кристаллов галлия) ускорена в десять раз, чтобы видео было не очень длинным.

Так же как и из ртути, из расплавленного галлия можно сделать "бьющееся сердце", правда из-за того, что галлий более электроположительный металл чем железо, оно работает наоборот. При касании кончиком гвоздя, капли расплавленного галия, она "расплывается" из-за уменьшения поверхностного натяжения. А как только контакт с гвоздем прерывается, поверхностное натяжение увеличивается и капля снова собирается, до касания гвоздя.

Желающие могут скачать

Об элементе с атомным номером 31 большинство читателей помнят только, что это один из трех элементов, предсказанных и наиболее подробно описанных Д.И. Менделеевым, и что галлий – весьма легкоплавкий металл: чтобы превратить его в жидкость, достаточно тепла ладони.

Впрочем, галлий – не самый легкоплавкий из металлов (даже если не считать ртуть). Его температура плавления 29,75°C, а цезий плавится при 28,5°C; только цезий, как и всякий щелочной металл, в руки не возьмешь, поэтому на ладони, естественно, галлий расплавить легче, чем цезий.

Свой рассказ об элементе №31 мы умышленно начали с упоминания о том, что известно почти всем. Потому что это «известное» требует пояснений. Все знают, что галлий предсказан Менделеевым, а открыт Лекоком де Буабодраном, но далеко не всем известно, как произошло открытие. Почти все знают, что галлий легкоплавок, но почти никто не может ответить на вопрос, почему он легкоплавок.

Как был открыт галлий

Французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран вошел в историю как открыватель трех новых элементов: галлия (1875), самария (1879) и диспрозия (1886). Первое из этих открытий принесло ему славу.

В то время за пределами Франции он был мало известен. Ему было 38 лет, занимался он преимущественно спектроскопическими исследованиями. Спектроскопистом Лекок де Буабодран был хорошим, и это, в конечном счете, привело к успеху: все три свои элемента он открыл методом спектрального анализа.

В 1875 г. Лекок де Буабодран исследовал спектр цинковой обманки, привезенной из Пьеррфита (Пиренеи). В этом спектре и была обнаружена новая фиолетовая линия (длина волны 4170 Ǻ). Новая линия свидетельствовала о присутствии в минерале неизвестного элемента, и, вполне естественно, Лекок де Буабодран приложил максимум усилий, чтобы этот элемент выделить. Сделать это оказалось непросто: содержание нового элемента в руде было меньше 0,1%, и во многом он был подобен цинку*. После длительных опытов ученому удалось-таки получить новый элемент, но в очень небольшом количестве. Настолько небольшом (меньше 0,1 г), что изучить его физические и химические свойства Лекок де Буабодрап смог далеко не полно.

О том, как получают галлий из цинковой обманки, рассказано ниже.

Сообщение об открытии галлия – так в честь Франции (Галлия – ее латинское название) был назван новый элемент – появилось в докладах Парижской академии наук.

Это сообщение прочел Д.И. Менделеев и узнал в галлии предсказанный им пятью годами раньше экаалюминий. Менделеев тут же написал в Париж. «Способ открытия и выделения, а также немногие описанные свойства заставляют предполагать, что новый металл не что иное, как экаалюминий», – говорилось в его письме. Затем он повторял предсказанные для этого элемента свойства. Более того, никогда не держа в руках крупинки галлия, не видя его в глаза, русский химик утверждал, что первооткрыватель элемента ошибся, что плотность нового металла не может быть равна 4,7, как писал Лекок де Буабодран, – она должна быть больше, примерно 5,9...6,0 г/см 3 !

Как это ни странно, но о существовании периодического закона первый из его утвердителен, «укрепителен», узнал лишь из этого письма. Он еще раз выделил и тщательно очистил крупицы галлия, чтобы проверить результаты первых опытов. Некоторые историки науки считают, что делалось это с целью посрамить самоуверенного русского «предсказателя». Но опыт показал обратное: ошибся первооткрыватель. Позже он писал: «Не нужно, я думаю, указывать на исключительное значение, которое имеет плотность нового элемента в отношении подтверждения теоретических взглядов Менделеева».

Почти точно совпали с данными опыта и другие предсказанные Менделеевым свойства элемента №31. «Предсказания Менделеева оправдались с незначительными отклонениями: экаалюминий превратился в галлий». Так характеризует это событие Энгельс в «Диалектике природы».

Нужно ли говорить, что открытие первого из предсказанных Менделеевым элементов значительно укрепило позиции периодического закона.

Почему галлий легкоплавок?

Предсказывая свойства галлия, Менделеев считал, что этот металл должен быть легкоплавким, поскольку его аналоги по группе – алюминий и индий – тоже тугоплавкостью не отличаются.

Но температура плавления галлия необычно низкая, в пять раз ниже, чем у индия. Объясняется это необычным строением кристаллов галлия. Его кристаллическая решетка образована не отдельными атомами (как у «нормальных» металлов), а двухатомными молекулами. Молекулы Ga 2 очень устойчивы, они сохраняются даже при переводе галлия в жидкое состояние. Но между собой эти молекулы связаны лишь слабыми вандерваальсовыми силами, и для разрушения их связи нужно совсем немного энергии.

С двухатомностью молекул связаны еще некоторые свойства элемента №31. В жидком состоянии галлий плотнее и тяжелее, чем в твердом. Электропроводность жидкого галлия также больше, чем твердого.

На что галлий похож?

Внешне – больше всего на олово: серебристо-белый мягкий металл, на воздухе он не окисляется и не тускнеет.

А по большинству химических свойств галлий близок к алюминию. Как и у алюминия, на внешней орбите атома галлия три электрона. Как и алюминий, галлий легко, даже на холоду, взаимодействует с галогенами (кроме иода). Оба металла легко растворяются в серной и соляной кислотах, оба реагируют со щелочами и дают амфотерные гидроокиси. Константы диссоциации реакций

Ga(OH) 3 → Ga 3+ + 3OH –

Н 3 GаО 3 → 3Н + + GaO 3– 3

– величины одного порядка.

Есть, однако, и отличия в химических свойствах галлия и алюминия.

Сухим кислородом галлий заметно окисляется лишь при температуре выше 260°C, а алюминий, если лишить его защитной окисной пленки, окисляется кислородом очень быстро.

С водородом галлий образует гидриды, подобные гидридам бора. Алюминий же способен только растворять водород, но не вступать с ним в реакцию.

А еще галлий похож на графит, на кварц, на воду.

На графит – тем, что оставляет серый след на бумаге.

На кварц – электрической и тепловой анизотропностью.

Величина электрического сопротивления кристаллов галлия зависит от того, вдоль какой оси проходит ток. Отношение максимума к минимуму равно 7 – больше, чем у любого другого металла. То же и с коэффициентом теплового расширения.

Величины его в направлении трех кристаллографических осей (кристаллы галлия ромбические) относятся как 31:16:11.

А на воду галлий похож тем, что, затвердевая, он расширяется. Прирост объема заметный – 3,2%.

Уже одно сочетание этих противоречивых сходств говорит о неповторимой индивидуальности элемента №31.

Кроме того, у него есть свойства, не присущие ни одному элементу. Расплавленный, он может многие месяцы оставаться в переохлажденном состоянии при температуре ниже точки плавления. Это единственный из металлов, который остается жидкостью в огромном интервале температур от 30 до 2230°C, причем летучесть его паров минимальна. Даже в глубоком вакууме он заметно испаряется лишь при 1000°C. Пары галлия в отличие от твердого и жидкого металла одноатомны. Переход Ga 2 → 2Ga требует больших затрат энергии; этим и объясняется трудность испарения галлия.

Большой температурный интервал жидкого состояния – основа одного из главных технических применений элемента №31.

На что галлий годен?

Галлиевые термометры позволяют в принципе измерить температуру от 30 до 2230°C. Сейчас выпускаются галлиевые термометры для температур до 1200°C.

Элемент №31 идет на производство легкоплавких сплавов, используемых в сигнальных устройствах. Сплав галлия с индием плавится уже при 16°C. Это самый легкоплавкий из всех известных сплавов.

Как элемент III группы, способствующий усилению в полупроводнике «дырочной» проводимости, галлий (чистотой не меньше 99,999%) применяют как присадку к германию и кремнию.

Интерметаллические соединения галлия с элементами V группы – сурьмой и мышьяком – сами обладают полупроводниковыми свойствами.

Добавка галлия в стеклянную массу позволяет получить стекла с высоким коэффициентом преломления световых лучей, а стекла на основе Ga 2 O 3 хорошо пропускают инфракрасные лучи.

Жидкий галлий отражает 88% падающего на него света, твердый – немногим меньше. Поэтому делают очень простые в изготовлении галлиевые зеркала – галлиевое покрытие можно наносить даже кистью.

Иногда используют способность галлия хорошо смачивать твердые поверхности, заменяя им ртуть в диффузионных ваккумных насосах. Такие насосы лучше «держат» вакуум, чем ртутные.

Предпринимались попытки применить галлий в атомных реакторах, но вряд ли результаты этих попыток можно считать успешными. Мало того, что галлий довольно активно захватывает нейтроны (сечение захвата 2,71 барна), он еще реагирует при повышенных температурах с большинством металлов.

Галлий не стал атомным материалом. Правда, его искусственный радиоактивный изотоп 72 Ga (с периодом полураспада 14,2 часа) применяют для диагностики рака костей. Хлорид и нитрат галлия-72 адсорбируются опухолью, и, фиксируя характерное для этого изотопа излучение, медики почти точно определяют размеры инородных образований.

Как видите, практические возможности элемента №31 достаточно широки. Использовать их полностью пока не удается из-за трудности получения галлия – элемента довольно редкого (1,5 10 –3 % веса земной коры) и очень рассеянного. Собственных минералов галлия известно немного. Первый и самый известный его минерал, галлит CuGaS 2 обнаружен лишь в 1956 г. Позже были найдены еще два минерала, совсем уже редких.

Обычно же галлий находят в цинковых, алюминиевых, железных рудах, а также в каменном угле – как незначительную примесь. И что характерно: чем больше эта примесь, тем труднее ее извлечь, потому что галлия больше в рудах тех металлов (алюминий, цинк), которые близки ему по свойствам. Основная часть земного галлия заключена в минералах алюминия.

С точки зрения химика галлий (Ga, лат. Gallium) - элемент главной подгруппы третьей группы периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, имеющий атомный номер 31. По химическим свойствам галлий близок к алюминию, но в данном отношении каких-либо уникальных свойств, достойных упоминания, он не имеет.

Галлий как простое вещество в чистом виде представляет собой хрупкий серебристо-белый металл. Самая главная его особенность состоит в том, что плавится галлий при температуре 29,76° C, таким образом расплавить его можно в теплой воде, на батарее и даже в руке! Хотя по легкоплавкости галлий занимает лишь третье место в мире металлов, он является единственным металлом, который можно безопасно подержать жидким в ладони: ртуть (первое место, т.пл. -38,83 °C) очень ядовита, цезий (второе место, т.пл. 28,6 °C) настолько химически активен, что воспламеняется на воздухе.

Легкоплавкость, относительно низкая химическая активность и очень малая летучесть галлия с одной стороны и внешняя схожесть с другими металлами с другой стороны позволяют использовать галлий для фокусов. Кроме упомянутой выше способности металла плавится в руке очень эффектно можно использовать и его практически моментальное плавление в горячей воде: из галлия изготовляют чайную ложку и дают размешать ею горячий чай. Как нетрудно догадаться, ложка тает и стекает на дно стакана.

Другим интересным физическим свойством галлия является температура кипения 2204° C – это означает, что галлий находится в жидком виде в очень широком интервале температур, таким образом находя применение в высокотемпературных термометрах. При этом галлий практически не испаряется при комнатной температуре (да и при 100 градусах тоже): он в 4.520.000.000.000.000.000.000.000.000.000 раз менее летуч, чем вода и в 390.000.000.000.000.000.000.000.000 раз менее летуч, чем ртуть (для расчетов взяты давления паров при 30 °C)

Галлий – типичный рассеянный элемент, его также относят и к редким. Рассеянный означает, что он не имеет собственных минералов (за исключением редкого минерала галлита), а встречается в качестве примеси в различных рудах. Галлий является постоянным спутником алюминия и цинка, поэтому его производство всегда привязано к переработке алюминиевых или сульфидных полиметаллических (в особенности цинковых) руд. Обычно извлечение галлия из цинковых концентратов сопряжено со многими трудностями, обусловливающими высокую стоимость металла, поэтому на протяжении уже нескольких десятилетий основным источником (95%) получения галлия являются отходы алюминиевой промышленности. Среднее содержание галлия в земной коре составляет порядка 15-20 г на тонну. Для сравнения: в одной тонне земной коры железа – около 50 кг, алюминия – 80 кг, кальция – 34 кг. Таким образом, на каждую тонну добытого алюминия приходится не более 200 г галлия.

Галлий - элемент главной подгруппы третьей группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 31. Обозначается символом Ga (лат. Gallium ). Относится к группе лёгких металлов. Простое вещество галлий - мягкий пластичный металл серебристо-белого цвета с синеватым оттенком.

Атомный номер - 31

Атомная масса - 69,723

Плотность, кг/м³ - 5910

Температура плавления, °С - 29,8

Теплоемкость, кДж/(кг·°С) - 0,331

Электроотрицательность - 1,8

Ковалентный радиус, Å - 1,26

1-й ионизац. потенциал, эв - 6,00

История открытия галлия

В 1875 году Лекок де Буабодран исследовал спектр цинковой обманки, привезенной из Пьеррфита (Пиренеи). В этом спектре и была обнаружена новая фиолетовая линия. Новая линия свидетельствовала о присутствии в минерале неизвестного элемента, и, вполне естественно, Лекок де Буабодран приложил максимум усилий, чтобы этот элемент выделить. Сделать это оказалось непросто: содержание нового элемента в руде было меньше 0,1 %, и во многом он был подобен цинку*. После длительных опытов ученому удалось-таки получить новый элемент, но в очень небольшом количестве. Настолько небольшом (меньше 0,1 г), что изучить его физические и химические свойства Лекок де Буабодран смог далеко не полно.

Нахождение галлия в природе

Среднее содержание галлия в земной коре 19 г/т. Галлий типичный рассеянный элемент, обладающий двойной геохимической природой. Единственный минерал Галлия - галлит CuGaS 2 очень редок. Геохимия Галлия тесно связана с геохимией алюминия, что обусловлено сходством их физико-химических свойств. Основная часть Галлия в литосфере заключена в минералах алюминия. Ввиду близости его кристаллохимических свойств с главными породообразующими элементами (Al, Fe и др.) и широкой возможности изоморфизма с ними, галлий не образует больших скоплений, несмотря на значительную величину кларка. Выделяются следующие минералы с повышенным содержанием галлия: сфалерит (0 – 0,1%), магнетит (0 – 0,003%), касситерит (0 – 0,005%), гранат (0 – 0,003%), берилл (0 – 0,003%), турмалин (0 – 0,01%), сподумен (0,001 – 0,07%), флогопит (0,001 – 0,005%), биотит (0 – 0,1%), мусковит (0 – 0,01%), серицит (0 – 0,005%), лепидолит (0,001 – 0,03%), хлорит (0 – 0,001%), полевые шпаты (0 – 0,01%), нефелин (0 – 0,1%), гекманит (0,01 – 0,07%), натролит (0 – 0,1%).

Физические свойства галлия

Пожалуй, самое известное свойство галлия, это его температура плавления, она составляет 29.76 °C. Это второй по легкоплавкости металл в периодической системе (после ртути). Это позволяет плавить металл, держа его в руке. Галлий – один из немногих металлов, расширяющихся при затвердевании расплава (другие – Bi, Ge).

Кристаллический галлий имеет несколько полиморфных модификаций, однако термодинамически устойчивой является только одна (I), имеющая орторомбическую (псевдотетрагональную) решётку с параметрами а = 4,5186 Å, b = 7,6570 Å, c = 4,5256 Å . Другие модификации галлия (β, γ, δ, ε) кристаллизуются из переохлаждённого диспергированного металла и являются нестабильными. При повышенном давлении наблюдались ещё две полиморфные структуры галлия II и III, имеющие, соответственно, кубическую и тетрагональную решётки .

Плотность галлия в твёрдом состоянии при температуре T=20 °C равна 5,904 г/см³.

Одной из особенностей галлия является широкий температурный интервал существования жидкого состояния (от 30 и до 2230 °C), при этом он имеет низкое давление пара при температурах до 1100÷1200 °C. Удельная теплоёмкость твёрдого галлия в температурном интервале T=0÷24 °C равна 376,7 Дж/кг·К (0,09 кал/г·град.), в жидком состоянии при T=29÷100 °C - 410 Дж/кг·К (0,098 кал/г·град).

Удельное электрическое сопротивление в твёрдом и жидком состоянии равны, соответственно, 53,4·10 −6 ом·см (при T=0 °C) и 27,2·10 −6 ом·см (при T=30 °C). Вязкость жидкого галлия при разных температурах равна 1,612 пуаз при T=98 °C и 0,578 пуаз при T=1100 °C. Поверхностное натяжение, измеренное при 30 °C в атмосфере водорода равно 0,735 н/м. Коэффициенты отражения для длин волн 4360 Å и 5890 Å составляют 75,6 % и 71,3 %, соответственно.

Природный галлий состоит из двух изотопов 69 Ga (61,2 %) и 71 Ga (38,8 %). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов равно для них 2,1·10 −28 м² и 5,1·10 −28 м², соответственно.

Галлий-малотоксичный элемент. Из-за низкой т-ры плавления слитки галлия рекомендуется транспортировать в пакетах из полиэтилена, к-рый плохо смачивается расплавом галлия. Одно время металл даже применялся для изготовления пломб (вместо амальгамных). Это применение основано на том, что при смешивании порошка меди с расплавленным галлием получается паста, которая через несколько часов затвердевает (из-за образования интерметаллического соединения) и потом может выдержать нагрев до 600 градусов без плавления.

При высоких температурах галлий является очень агрессивным веществом. При температурах выше 500 °C, он разъедает практически все металлы, кроме вольфрама, а также многие другие материалы. Кварц устойчив к действию расплавленного галлия до 1100 °C, но проблема может возникнуть из-за того, что кварц (а также большинство других стекол) отлично смачивается этим металлом. То есть, галлий просто налипнет на стенки кварца.

Химические свойства галлия

Химические свойства галлия близки к свойствам алюминия. Оксидная плёнка, образующаяся на поверхности металла на воздухе, предохраняет галлий от дальнейшего окисления. При нагревании под давлением галлий реагирует с водой, образуя соединение GaOOH по реакции:

2Ga + 4H 2 O = 2GaOOH + 3H 2 .

Галлий взаимодействует с минеральными кислотами с выделением водорода и образованием солей, причём реакция протекает даже ниже комнатной температуры:

2Ga + 6HCl = 2GaCl 3 + 3H 2

Продуктами реакции с щелочами и карбонатами калия и натрия являются гидроксогаллаты, содержащие ионы Ga(OH) 4 - и, возможно, Ga(OH) 6 3- и Ga(OH) 2 - :

2Ga + 6H 2 O + 2NaOH = 2Na + 3H 2

Галлий реагирует с галогенами: реакция с хлором и фтором идёт при комнатной температуре, с бромом - уже при −35 °C (около 20 °C - с воспламенением), взаимодействие с иодом начинается при нагревании.

Галлий не взаимодействует с водородом, углеродом, азотом, кремнием и бором.

При высоких температурах галлий способен разрушать различные материалы и его действие сильнее расплава любого другого металла. Так, графит и вольфрам устойчивы к действию расплава галлия до 800 °C, алунд и оксид бериллия BeO - до 1000 °C, тантал, молибден и ниобий устойчивы до 400÷450 °C.

С большинством металлов галлий образует галлиды, исключением являются висмут, а также металлы подгрупп цинка, скандия, титана. Один из галлидов V 3 Ga имеет довольно высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние 16,8 K.

Галлий образует полимерные гидриды:

4LiH + GaCl 3 = Li + 3LiCl.

Устойчивость ионов падает в ряду BH 4 - → AlH 4 - → GaH 4 - . Ион BH 4 - устойчив в водном растворе, AlH 4 - и GaH 4 - быстро гидролизуются:

GaH 4 - + 4H 2 O = Ga(OH) 3 + OH - + 4H 2 -

При растворении Ga(OH) 3 и Ga 2 O 3 в кислотах образуются аквакомплексы 3+ , поэтому из водных растворов соли галлия выделяются в виде кристаллогидратов, например, хлорид галлия GaCl 3 *6H 2 O, галлийкалиевые квасцы KGa(SO 4) 2 *12H 2 O.

Интересно происходит взаимодействие галлия с серной кислотой. Оно сопровождается выделением элементарной серы. При этом сера обволакивает поверхность металла и препятствует его дальнейшему растворению. Если же обмыть металл горячей водой, реакция возобновится, и будет идти до тех пор, пока на галлии не нарастет новая «шкура» из серы.

Основные соединения галлия

Ga 2 H 6 - летучая жидкость, t пл −21,4 °C, t кип 139 °C. В эфирной суспензии с гидратом лития или таллия образует соединения LiGaH 4 и TlGaH 4 . Образуется в результате обработки тетраметилдигаллана триэтиламином. Имеются банановые связи, как и в диборане

Ga 2 O 3 - белый или жёлтый порошок, t пл 1795 °C. Существует в виде двух модификаций. α- Ga 2 О 3 - бесцветные тригональные кристаллы с плотностью 6,48 г/см³, малорастворимые в воде, растворимые в кислотах. β- Ga 2 О 3 - бесцветные моноклинные кристаллы c плотностью 5,88 г/см³, малорастворимые в воде, кислотах и щёлочах. Получают нагреванием металлического галлия на воздухе при 260 °C или в атмосфере кислорода, или прокаливанием нитрата или сульфата галлия. ΔH° 298(обр) −1089,10 кДж/моль; ΔG° 298(обр) −998,24 кДж/моль; S° 298 84,98 Дж/моль*K. Проявляют амфотерные свойства, хотя основные свойства, по сравнению с алюминием, усилены:

Ga 2 O 3 + 6HCl = 2GaCl 2 Ga 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na Ga 2 O 3 + Na 2 CO 3 = 2NaGaO 2 + CO 2

Ga(OH) 3 - выпадает в виде желеобразного осадка при обработке растворов солей трёхвалентного галлия гидроксидами и карбонатами щелочных металлов (pH 9,7). Растворяется в концентрированном аммиаке и концентрированном растворе карбоната аммония, при кипячении осаждается. Нагреванием гидроксид галлия можно перевести в GaOOH, затем в Ga 2 O 3 *H 2 O, и, наконец, в Ga 2 O 3 . Можно получить гидролизом солей трёхвалентного галлия.

GaF 3 - белый порошок. t пл >1000 °C, t кип 950 °C , плотность - 4,47 г/см³. Малорастворим в воде. Известен кристаллогидрат GaF 3 ·3Н 2 O. Получают нагреванием оксида галлия в атмосфере фтора.

GaCl 3 - бесцветные гигроскопичные кристаллы. t пл 78 °C, t кип 215 °C, плотность - 2,47 г/см³. Хорошо растворим в воде. В водных растворах гидролизуется. Получают непосредственно из элементов. Применяется в качестве катализатора в органических синтезах.

GaBr 3 - бесцветные гигроскопичные кристаллы. t пл 122 °C, t кип 279 °C плотность - 3,69 г/см³. Растворяется в воде. В водных растворах гидролизуется. В аммиаке малорастворим. Получают непосредственно из элементов.

GaI 3 - гигроскопичные светло-жёлтые иглы. t пл 212 °C, t кип 346 °C, плотность - 4,15 г/см³. Гидролизуется тёплой водой. Получают непосредственно из элементов.

GaS 3 - жёлтые кристаллы или белый аморфный порошок с t пл 1250 °C и плотностью 3,65 г/см³. Взаимодействует с водой, при этом полностью гидролизуется. Получают взаимодействием галлия с серой или сероводородом.

Ga 2 (SO 4) 3 ·18H 2 O - бесцветное, хорошо растворимое в воде вещество. Получается при взаимодействии галлия, его оксида и гидроксида с серной кислотой. С сульфатами щелочных металлов и аммония легко образует квасцы, например, KGa(SO 4) 2 ·12Н 2 О.

Ga(NO 3) 3 ·8H 2 O - бесцветные, растворимые в воде и этаноле кристаллы. При нагревании разлагается с образованием оксида галлия (III). Получается действием азотной кислоты на гидроксид галлия.

Получение галлия

Основной источник получения Галлия - алюминиевое производство. Галлий при переработке бокситов по способу Байера концентрируется в оборотных маточных растворах после выделения Аl(ОН) 3 . Из таких растворов Галлий выделяют электролизом на ртутном катоде. Из щелочного раствора, полученного после обработки амальгамы водой, осаждают Ga(OH) 3 , которую растворяют в щелочи и выделяют Галлий электролизом.

При содово-известковом способе переработки бокситовой или нефелиновой руды Галлий концентрируется в последних фракциях осадков, выделяемых в процессе карбонизации. Для дополнительного обогащения осадок гидрооксидов обрабатывают известковым молоком. При этом большая часть Al остается в осадке, а Галлий переходит в раствор, из которого пропусканием СО 2 выделяют галлиевый концентрат (6-8% Gа 2 О 3); последний растворяют в щелочи и выделяют Галлий электролитически.

Источником Галлия может служить также остаточный анодный сплав процесса рафинирования Al по методу трехслойного электролиза. В производстве цинка источниками Галлия являются возгоны (вельц-оксиды), образующиеся при переработке хвостов выщелачивания цинковых огарков.

Полученный электролизом щелочного раствора жидкий Галлий, промытый водой и кислотами (НСl, HNO 3), содержит 99,9-99,95% Ga. Более чистый металл получают плавкой в вакууме, зонной плавкой или вытягиванием монокристалла из расплава.

Применение галлия

Арсенид галлия GaAs - перспективный материал для полупроводниковой электроники.

Нитрид галлия используется в создании полупроводниковых лазеров и светодиодов синего и ультрафиолетового диапазона. Нитрид галлия обладает превосходными химическими и механическими свойствами, типичными для всех нитридных соединений.

Как элемент III группы, способствующий усилению в полупроводнике «дырочной» проводимости, галлий (чистотой не меньше 99,999%) применяют как присадку к германию и кремнию. Интерметаллические соединения галлия с элементами V группы – сурьмой и мышьяком – сами обладают полупроводниковыми свойствами.

Изотоп галлий-71 является важнейшим материалом для регистрации нейтрино, и в этой связи перед техникой стоит весьма актуальная задача выделения этого изотопа из природной смеси в целях повышения чувствительности детекторов нейтрино. Так как содержание 71 Ga составляет в природной смеси изотопов около 39,9 %, то выделение чистого изотопа и использование его в качестве детектора нейтрино способно повысить чувствительность регистрации в 2,5 раза.

Галлий имеет ряд сплавов, жидких при комнатной температуре, и один из его сплавов имеет температуру плавления 3 °C, но с другой стороны галлий (сплавы в меньшей степени) весьма агрессивен к большинству конструкционных материалов (растрескивание и размывание сплавов при высокой температуре), и как теплоноситель он малоэффективен, а зачастую просто неприемлем.

Галлий - превосходный смазочный материал. На основе галлия и никеля, галлия и скандия созданы практически очень важные металлические клеи.

Металлическим галлием также заполняют кварцевые термометры (вместо ртути) для измерения высоких температур. Это связано с тем, что галлий имеет значительно более высокую температуру кипения по сравнению с ртутью.

Оксид галлия входит в состав ряда стратегически важных лазерных материалов.

Производство галлия в мире

Его мировое производство не превышает двух сотен тонн в год. За исключением двух недавно обнаруженных месторождений - в 2001 г. в Gold Canion, Невада, США и в 2005 г. во Внутренней Монголии, Китай - нигде в мире галлий не встречается в промышленных концентрациях. (В последнем месторождении установлено наличие 958 тыс. тонн галлия в угле – это удвоение мировых ресурсов галлия).

Мировые ресурсы галлия только в бокситах, по оценкам, превышают 1 млн. тонн, и в упомянутое месторождение в Китае 958 тыс. тонн галлия в угле – удвоение мировых ресурсов галлия).

Производителей галлия не так много. Одним из лидеров на рынке галлия является фирма GEO Gallium. Ее основные мощности до 2006 г. складывались из предприятия в Stade (Германия), где добывается около 33 тонн в год, завода в Salindres, перерабатывающий 20 тонн/год (Франция) и в Pinjarra (Западная Австралия) – потенциальные (но не введенные в строй) мощности до 50 тонн/год.

В 2006 г. позиции производителя №1 ослабились - предприятие в Stade было куплено английским МСР и американским Recapture Metals.

Японская фирма Dowa Mining – единственный в мире производитель первичного галлия из цинковых концентратов попутно в производстве цинка. Полные мощности по первичному материалу Dowa Mining – оцениваются до 20 тонн/год, В Казахстане предприятие «Алюминий Казахстана» в Павлодаре – полные мощности до 20 тонн/год.

Очень серьезным поставщиком галлия стал Китай. В Китае есть 3 крупных производителя первичного галлия – Geatwall Aluminium Co. (до 15 тонн/год), Shandong Aluminium Plant (около 6 тонн/год) и Guizhou Aluminium Plant (до 6 тонн/год). Существует также ряд совместных производств. Sumitоmo Chemical создала в Китае совместное предприятия с производительностью до 40 тонн/год. Американская фирма АХТ создала с крупнейшим китайским алюминиевым предприятием Shanxi Aluminium Factory совместное предприятия Beijing JiYa semiconductor Material Co. с производительностью до 20 тонн/год.

Производство галлия в России

В России структура галлиевого производства определяется формированием алюминиевой отрасли. Две ведущие группы, объявившие о слиянии – «Русский Алюминий» и «СУАЛ» являются владельцами галлиевых участков, создававшихся при глиноземных заводах.

«Русский алюминий»: Николаевский глиноземный комбинат в Украине (классический гидрохимический метод Байера переработки тропических бокситов, мощность участка – до 12 тонн галлия/год) и Ачинский глиноземный комбинат в России (переработка методом спекания нефелинового сырья – уртитов Кия-Шалтырского месторождения Красноярского края, мощность участка – 1.5 тонн галлия/год).

«СУАЛ»: Мощности в Каменск-Уральском (технология Байер-спекания бокситов Северо-Уральского бокситорудного района, мощность участка – до 2 тонн галлия/год), на Бокситогорском глиноземном комбинате (перерабатывает бокситы Ленинградской области методом спекания, мощность – 5 тонн галлия/год, в настоящее время законсервирован) и «Пикалевском глиноземе» (перерабатывает методом спекания нефелиновые концентраты из апатит-нефелиновых руд Мурманской области, мощность участка – 9 тонн галлия/год). Суммарно все предприятия Русала и СУАЛа могут производить свыше 20 тонн/год.

Реальное производство ниже – например в 2005 г. из России было экспортировано 8.3 тонны галлия и 13.9 тонн галлия Николаевского глиноземного комбината из Украины.

При подготовке материала использована информация компании «Квар».