- Történelem
- A létezés előrejelzései
- Felfedezés és elszigeteltség
- Fizikai és kémiai tulajdonságok
- Megjelenés és fizikai tulajdonságok
- Atomszám (Z)
- Moláris tömeg
- Olvadáspont
- Forráspont
- Sűrűség
- A fúziós hő
- A párolgás hője
- Moláris hőkapacitás
- Gőznyomás
- elektronegativitás
- Ionizációs energiák
- Hővezető
- Elektromos ellenállás
- Mohs keménysége
- Viszkozitás
- Felületi feszültség
- Amphotericism
- Reakcióképesség
- Felépítés és elektronikus konfiguráció
- Bonyolultság
- dimerek
- Fázisok nagy nyomás alatt
- Oxidációs számok
- Hol található és szerezhető be
- Ioncserélő kromatográfia és elektrolízis
- Izotóp
- kockázatok
- Környezeti és fizikai
- Fémek károsodása
- Alkalmazások
- hőmérők
- Tükör gyártás
- Számítógépek
- Kábítószer
- Technikai
- katalizátorok
- Irodalom
A gallium egy fém elem, amelyet a periódusos rendszer 13. csoportjába tartozó Ga szimbólum ábrázol. Kémiailag amfotericizmusban hasonlít az alumíniumra; azonban mindkét fémek olyan tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek megkülönböztethetővé teszik őket.
Például az alumíniumötvözetek megmunkálhatók, hogy mindenféle formát megkapjanak; míg a gallium olvadáspontja nagyon alacsony, gyakorlatilag ezüstös folyadékokból áll. A gallium olvadáspontja alacsonyabb, mint az alumíniumé; az előbbi megolvadhat a kéz hőjéből, míg az utóbbi nem.
Galliumkristályok, amelyek egy kis galliumrészlet túltelített oldatban (folyékony gallium) történő lerakásával nyernek. Forrás: Maxim Bilovitskiy
A gallium és az alumínium kémiai hasonlósága szintén geokémiailag csoportosítja őket; azaz az alumíniumban gazdag ásványok vagy kőzetek, például a bauxitok jelentős galliumkoncentrációval rendelkeznek. Ezen ásványtani forráson kívül vannak más cink, ólom és szén is, amelyek a földkéregben széles körben elterjedtek.
A gallium nem népszerű közismert fém. A puszta neve kiválthatja a kakas képét az elmében. Valójában a gallium grafikus és általános ábrázolása általában egy ezüst kakas képével található; festett folyékony galliummal, rendkívül nedvesíthető anyaggal üveg, kerámia és még a kéz számára is.
Gyakran előfordulnak azok a kísérletek, amelyekben a fém gallium darabjai megolvadnak a kezével, valamint folyadékának manipulálása és hajlamosságra festeni mindent, amit megérinti.
Noha a gallium nem mérgező, ugyanúgy, mint a higany, a fémek romboló hatása, mivel törékenyé és haszontalanná teszik (elsősorban). Másrészt, farmakológiai szempontból beavatkozik azokba a folyamatokba, amelyekben a biológiai mátrixok vasat használnak.
Az optoelektronika és a félvezetők világában a gallium nagyra becsülhető, összehasonlítható és valószínűleg jobb is, mint maga a szilícium. Másrészt, galliummal, hőmérőket, tükröket és tárgyakat készültek ötvözeteik alapján.
Kémiai szempontból ennek a fémnek még mindig sok van a kínálatában; talán a katalízis, az atomenergia területén, az új félvezető anyagok kifejlesztésében, vagy "egyszerűen" a zavaró és összetett szerkezetük tisztázásában.
Történelem
A létezés előrejelzései
Dmitrij Mendelejev orosz kémikus 1871-ben már 1871-ben előre jelezte egy elem létezését, amelynek tulajdonságai hasonlóak az alumínium tulajdonságaihoz; amelyet ekaluminio-nak nevezett. Ezt az elemet közvetlenül az alumínium alatt kellett elhelyezni. Mendelejev megjósolta az ekaluminium tulajdonságait (sűrűsége, olvadáspontja, oxidjainak képlete stb.).
Felfedezés és elszigeteltség
Meglepő módon, négy évvel később, a francia kémikus, Paul-Emili Lecoq de Boisbaudran, új elemet talált a Pireneusokból származó sphalerite (cinkkeverék) mintájában. A spektroszkópos elemzésnek köszönhetően képes volt rá felfedezni, amelyben megfigyelt két ibolya vonal spektrumát, amely nem esett egybe egy másik elem spektrumával.
Új elem felfedezése után Lecoq 430 kg szfaleritszel végzett kísérleteket végzett, amelyekből 0,65 grammot tudott elkülöníteni; és fizikai és kémiai tulajdonságainak egy sor mérése után arra a következtetésre jutott, hogy Mendelejev ekaluminiumja.
Az izoláláshoz a Lecoq elvégezte a megfelelő hidroxid kálium-hidroxidban elektrolízisét; valószínűleg ugyanaz, amellyel feloldotta a sphaleritet. Miután igazolta, hogy ekaluminium, és felfedezője is, „gallium” (angl. Galium) nevet adott neki. Ez a név a „Gallia” névből származik, amely latinul Franciaországot jelent.
A név azonban újabb kíváncsiságot mutat: a „Lecoq” francia nyelven „kakas”, latinul pedig „gallus”. Fémként a „gallus” „gallium” lett; bár spanyolul az átalakulás sokkal közvetlenebb. Így nem véletlen, hogy egy kakasra gondolunk, ha galliumról beszélünk.
Fizikai és kémiai tulajdonságok
Megjelenés és fizikai tulajdonságok
A gallium egy szagtalan, üveges felületű ezüstös fém, amely összehúzó ízű. Szilárd anyag puha és törékeny, törés közben pedig ehhez hasonló; vagyis a képződött darabok ívesek, hasonlóan a tengeri kagylóhoz.
Megolvasztásakor - attól a szögtől függően, amelyen nézünk - kékes ragyogást mutathat. Ez az ezüstös folyadék érintkezéskor nem mérgező; azonban túl sokra tapad a felülethez, különösen, ha kerámia vagy üveg. Például egyetlen csepp gallium áthatolhat az üvegpohár belsejében, és ezüst tükörré teheti.
Ha a gallium szilárd fragmense lerakódik a folyékony galliumban, akkor ez magként szolgál, ahol a csillogó galliumkristályok gyorsan fejlődnek és növekednek.
Atomszám (Z)
31 (31 Ga)
Moláris tömeg
69,723 g / mol
Olvadáspont
29,7646 ° C. Ez a hőmérséklet úgy érhető el, ha a galliumpoharat szorosan két kéz között tartják, amíg meg nem olvad.
Forráspont
2400 ° C Vegye figyelembe a 29,7 ºC és 2400 ºC közötti nagy különbséget; vagyis a folyékony gallium gőznyomása nagyon alacsony, és ez a tény teszi az egyik elemet a legnagyobb hőmérsékleti különbséggel a folyékony és a gáznemű állapotok között.
Sűrűség
-A szobahőmérsékleten: 5,91 g / cm 3
-A Olvadáspont: 6,095 g / cm 3
Vegye figyelembe, hogy ugyanaz történik a galliummal, mint a vízzel: folyadékának sűrűsége nagyobb, mint szilárd anyagén. Ezért kristályaid folyékony galliumon (gallium jéghegyek) úsznak. Valójában a szilárd anyag térfogatnövelése olyan (háromszor), hogy kényelmetlen a folyékony gallium tárolása olyan edényekben, amelyek nem műanyagból készültek.
A fúziós hő
5,59 kJ / mol
A párolgás hője
256 kJ / mol
Moláris hőkapacitás
25,86 J / (mol K)
Gőznyomás
1037 ºC-nál csak folyadékának 1 Pa nyomása van.
elektronegativitás
1,81 a Pauling skálán
Ionizációs energiák
-Első: 578,8 kJ / mol (Ga + gáz)
-Második: 1979,3 kJ / mol (Ga 2+ gáznemű)
-Harmadik: 2963 kJ / mol (Ga 3+ gáznemű)
Hővezető
40,6 W / (mK)
Elektromos ellenállás
270 nΩm 20 ° C-on
Mohs keménysége
1.5
Viszkozitás
1,819 cP 32 ° C-on
Felületi feszültség
709 dyne / cm 30 ° C-on
Amphotericism
Az alumíniumhoz hasonlóan a gallium amfoter; reagál mind savakkal, mind bázisokkal. Például az erős savak feloldhatják azt, hogy gallium (III) sókat képezzenek; ha azok H 2 SO 4, és HNO 3, Ga 2 (SO 4) 3 -ból és Ga (NO 3) 3 állítanak elő, ill. Mivel amikor reagáltatjuk erős bázisokkal, gallát képződnek sók, az ionnal Ga (OH) 4 -.
Vegye figyelembe a Ga (OH) 4 - és Al (OH) 4 - (aluminát) hasonlóságát. Ha a tápközeghez ammóniát adnak, akkor gallium (III) -hidroxidot (Ga (OH) 3) képeznek, amely szintén amfoter; Erõs bázisokkal reagálva ismét Ga (OH) 4-et termel, de ha erõs savakkal reagál, felszabadítja a komplex vizes 3+ -ot.
Reakcióképesség
A fém gallium szobahőmérsékleten viszonylag inert. Nem reagál a levegővel, mivel egy vékony oxidréteg, a Ga 2 O 3, megvédi az oxigént és a ként. Melegítés közben azonban a fém oxidációja folytatódik, teljesen oxidjává alakulva. És ha kén van jelen, akkor magas hőmérsékleten reagál, és Ga 2 S 3 képződik.
Nemcsak a gallium-oxidok és -szulfidok, hanem a foszfidek (GaP), az arzenidek (GaAs), a nitridek (GaN) és az antimonidok (GaSb) is. Az ilyen vegyületek származhatnak az elemek közvetlen reakciójával magasabb hőmérsékleten, vagy alternatív szintetikus úton.
Hasonlóképpen, a gallium reagálhat a halogénekkel, hogy megfelelő halogenideket képezzen; mint például a Ga 2 Cl 6, GAF 3 és Ga 2 I 3.
Ez a fém, akárcsak az alumínium és rokonai (ugyanazon 13. csoport tagjai), kovalensen kölcsönhatásba léphetnek szénatomokkal, és így fémorganikus vegyületeket képeznek. A Ga-C kötéssel rendelkezők esetében organogaliumoknak nevezzük őket.
A gallium esetében a legérdekesebb a korábbi kémiai tulajdonságainak egyike, hanem annak rendkívüli könnyűsége, amellyel ötvözni lehet (hasonlóan a higanyhoz és az összeolvadási folyamathoz). Ga-atomjai gyorsan "dörzsölik a vállakat" a fémkristályok között, galliumötvözeteket eredményezve.
Felépítés és elektronikus konfiguráció
Bonyolultság
A gallium nem csak szokatlan, hogy egy fém, amely megolvad a tenyerével, hanem szerkezete összetett és bizonytalan.
Egyrészt ismert, hogy kristályai normál körülmények között ortorombás szerkezetet (Ga-I) fogadnak el; Ez azonban csak egy a sok lehetséges fázis közül ennek a fémnek, amelynek atomjainak pontos sorrendjét még nem határozták meg. Ezért összetettebb felépítésű, mint az első pillantásra tűnhet.
Úgy tűnik, hogy az eredmények a szerkezet elemzésének szögétől vagy irányától függően változnak (anizotropia). Hasonlóképpen, ezek a struktúrák nagyon érzékenyek a hőmérséklet vagy a nyomás legkisebb változására, ami azt jelenti, hogy a gallium az adatok értelmezésekor nem határozható meg egyetlen kristálytípusként.
dimerek
A Ga atomok kölcsönhatásba lépnek a fémkötésnek köszönhetően. Azonban, bizonyos fokú covalence találtuk két szomszédos atomok, így a létezését a Ga 2 dimer (Ga-Ga) feltételezik.
Elméletileg ezt a kovalens kötést a 4p-es orbitál átfedésével kell kialakítani, az egyetlen elektronjával az elektronikus konfiguráció szerint:
3d 10 4s 2 4p 1
A kovalens-fém kölcsönhatások ezen keverékének tulajdonítják a gallium alacsony olvadáspontját; mivel bár egyrészt lehet egy "elektronok tengere", amely szorosan összetartja a Ga atomokat a kristályban, másrészt a szerkezeti egységek Ga 2 dimerből állnak, amelyek közötti intermolekuláris kölcsönhatások gyenge.
Fázisok nagy nyomás alatt
Amikor a nyomás 4-6 GPa-ra növekszik, a galliumkristályok fázisátmenetekon mennek keresztül; az ortorombás anyagból átkerül a test közepén lévő köbméterbe (Ga-II), és ebből végül átjut a test középpontjában lévő tetragonálhoz (Ga-III). A nyomástartományban valószínűleg kristályok keveréke képződik, ami még nehezebbé teszi a szerkezetek értelmezését.
Oxidációs számok
A legintenzívebb elektronok a 4s és a 4p körüli pályákon találhatók; mivel ezek közül három van, ezért várható, hogy a gallium elveszítheti őket, ha az elektrolitívebb elemekkel kombinálják.
Amikor ez megtörténik, feltételezzük, hogy létezik a Ga 3+ kation, és annak számát vagy oxidációs állapotát +3 vagy Ga (III) -nak mondják. Valójában ez a leggyakoribb az összes oxidációs száma közül. A következő vegyületek például galliumot tartalmaznak +3-ként: Ga 2 O 3 (Ga 2 3+ O 3 2), Ga 2 Br 6 (Ga 2 3+ Br 6 -), Li 3 GaN 2 (Li 3 + Ga 3+ N 2 3-) és Ga 2 Te 3 (Ga 23+ Te 3 2-).
A gallium is megtalálható +1 és +2 oxidációs számmal; bár ezek sokkal ritkábbak, mint a +3 (hasonlóan az alumíniumhoz). Példák az ilyen vegyületek GaCl (Ga + Cl -), Ga 2 O (Ga 2 + O 2-) és a gáz (Ga 2+ S 2-).
Vegye figyelembe, hogy a figyelembe vett oxidációs számmal megegyező töltésű ionok létezését mindig feltételezik (helyes vagy nem).
Hol található és szerezhető be
Az ásványi gallita mintája, amely ritka, de az egyetlen, amelyben a gallium koncentrációja észlelhető. Forrás: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0
A gallium megtalálható a földkéregben, a bőség, a kobalt, az ólom és a niobium arányában. Hidratált szulfid vagy oxid formájában jelenik meg, széles körben elterjedt más ásványi anyagok szennyeződéseként.
Oxidjai és szulfidjai vízben rosszul oldódnak, tehát a gallium koncentrációja a tengerekben és a folyókban alacsony. Ezenkívül az egyetlen ásványi anyag, amely „gazdag” galliumban, a gallita (CuGaS 2, felső kép). Ugyanakkor nem praktikus a tyúk kiaknázása ennek a fémnek az előállítása céljából. Kevésbé ismert az ásványi gallium-plumbogumit.
Ezért ennek a fémnek nincsenek ideális ércek (0,1 tömegszázalékot meghaladó koncentrációval).
Ehelyett a galliumot nyerik más fémek ércének kohászati kezelésénél. Például nyerhető bauxitokból, cinkkeverékekből, alumákból, szénből, galenából, piritákból, germanitokból stb.; vagyis általában különféle ásványi testekben van társítva alumíniummal, cinkkel, szén, ólom, vas és germániummal.
Ioncserélő kromatográfia és elektrolízis
Amikor az ásványi nyersanyagot erősen savas vagy bázikus közegben emésztjük vagy feloldjuk, a vízben szolubilizált fémionok keverékét kapjuk. Mivel a gallium másodlagos termék, Ga 3+ -ionjai továbbra is feloldódnak a keverékben, miután a kérdéses fémek kicsapódtak.
Ezért kívánatos ezeket a Ga 3+ -ot elválasztani a többi iontól, azzal a kizárólagos céllal, hogy növeljék koncentrációjukat és a kapott fém tisztaságát.
Ehhez a szokásos kicsapási technikák mellett ioncserélő kromatográfiát alkalmaznak gyanta alkalmazásával. Ennek a technikának köszönhetően elválasztható (például) a Ga 3+ és a Ca 2+ vagy a Fe 3+.
Miután erősen koncentrált Ga 3+ -ionok oldatát kapták, elektrolízisnek vetették alá; vagyis a Ga 3+ elektronokat vesz, hogy fémként képesek legyenek.
Izotóp
A gallium elsősorban két izotópként található meg a természetben: 69 Ga, 60,11% -os bőséggel; és 71 Ga, 39,89% -os bőséggel. Ez az oka annak, hogy a gallium atomtömege 69,723 u. A gallium többi izotópja szintetikus és radioaktív, atomtömegük 56 Ga és 86 Ga között van.
kockázatok
Környezeti és fizikai
Környezetvédelmi szempontból a fémgallium nem nagyon reaktív és oldódik vízben, tehát kiömlése elméletileg nem jelent komoly szennyeződés-kockázatot. Ezenkívül nem ismert, hogy milyen biológiai szerepet tölthet be a szervezetekben; atomjai többségét a vizelettel választják el, anélkül, hogy bármelyik szövetében felhalmozódnának.
A higanytól eltérően a gallium csupasz kézzel kezelhető. Valójában a kísérlet, amely megpróbálja megolvasztani azt a kéz hőjével, nagyon gyakori. Egy személy megérinti a keletkező ezüst folyadékot, anélkül, hogy attól tart, hogy megsérti vagy megsérül a bőrük; bár ezüst foltot hagy rajta.
A lenyelés azonban mérgező lehet, mivel elméletileg a gyomorban oldódik, és így GaCl 3 képződik; gallium-só, amelynek a testre gyakorolt hatása független a fémetől.
Fémek károsodása
A galliumra jellemző, hogy erősen foltos vagy tapad a felületekhez; és ha ezek fémek, akkor átmegy rajta és azonnal ötvözeteket képez. Ez a tulajdonság, hogy szinte minden fémmel ötvözni lehet, alkalmatlanná teheti folyékony galliumot bármilyen fémtárgyra.
Ezért a fém tárgyak darabokra szakadnak, ha gallium jelenlétében vannak. Tevékenysége olyan lassú és észrevétlen lehet, hogy nemkívánatos meglepetéseket hoz; különösen, ha egy fémszékre ömlött, amely összeomlik, ha valaki rá ül.
Ezért azok, akik kezelni akarják a galliumot, soha ne érintkeztessék más fémekkel. Például folyadéka képes alumíniumfólia feloldására, valamint az indium-, vas- és ónkristályokba való becsapódására, hogy törékenyé váljanak.
Általánosságban, a fentiek ellenére és annak a ténynek ellenére, hogy gőzök szobahőmérsékleten szinte hiányoznak, a gallium általában biztonságos elem, amelynek nincsen toxikus hatása.
Alkalmazások
hőmérők
Galinstan hőmérők. Forrás: Gelegenheitsautor
A gallium helyettesítette a higanyt folyadékként a hőmérővel megjelölt hőmérsékletek leolvasására. Az olvadáspontja (29,7 ° C) azonban ezen alkalmazásnál továbbra is magas, ezért fémes állapotában nem lenne életképes hőmérőkben történő felhasználásra; ehelyett a Galinstan (Ga-In-Sn) nevű ötvözetet használják.
A galinsztáni ötvözet olvadáspontja -18 ºC körüli, és hozzáadott nulla toxicitása ideális anyagá teszi a higanyfüggetlen orvosi hőmérők tervezéséhez. Ilyen módon, ha eltörne, biztonságos lehet a rendetlenség megtisztítása; bár szennyezi a padlót nedves felületek képessége miatt.
Tükör gyártás
Ismét megemlítjük a gallium és ötvözetei nedvesíthetőségét. Amikor megérinti a porcelán felületét vagy az üveget, akkor az egész felületre eloszlik, amíg az teljesen ezüst tükörbe nem kerül.
A tükrök mellett galliumötvözeteket is használtak minden alakú tárgyak készítéséhez, mivel miután lehűltek, megszilárdulnak. Ennek nagy nanotechnológiai lehetőségei lehetnek: nagyon kis méretű tárgyak építése, amelyek logikusan alacsony hőmérsékleten működnek, és galliumon alapuló egyedi tulajdonságokkal rendelkeznek.
Számítógépek
A számítógépes processzorokban alkalmazott hőpaszták galliumötvözetekből készültek.
Kábítószer
A Ga 3+ -ionok bizonyos hasonlóságot mutatnak a Fe 3+ -mal, azáltal, hogy beavatkoznak az anyagcserébe. Ezért, ha van olyan funkció, parazita vagy baktérium, amelyhez vas működtetéséhez van szükség, akkor megállíthatók, ha összetévesztik a galliummal; ilyen a pszeudomonas baktériumok esete.
Tehát itt jelennek meg a gallium-gyógyszerek, amelyek egyszerűen csak szervetlen sóikból vagy organogallumokból állhatnak. A La Ganita, a gallium-nitrát Ga (NO 3) 3 védjegye a csontdaganatokkal járó magas kalciumkoncentráció (hiperkalcémia) szabályozására szolgál.
Technikai
A gallium-arzenidre és a nitridre jellemző, hogy félvezetők, amelyek bizonyos optoelektronikai alkalmazásokban helyettesítik a szilíciumot. Ezekkel tranzisztorok, lézerdiódák és fénykibocsátó diódák (kék és ibolya), chipek, napelemek stb. Készültek. Például a GaN lézereknek köszönhetően a Blu-Ray lemezek olvashatók.
katalizátorok
A gallium-oxidokat alkalmazták katalizálásuk tanulmányozására különféle, ipari szempontból nagy jelentőségű szerves reakciókban. Az egyik újabb gallium-katalizátor saját folyadékából áll, amelyen más fémek atomjai diszpergálódnak, és amelyek aktív centrumokként vagy helyekként működnek.
Például a gallium-palládium katalizátort vizsgálták a bután dehidrogénezési reakciójában; vagyis a butánt reakcióképes telítetlen anyaggá alakítják, amely más ipari folyamatokhoz szükséges. Ez a katalizátor folyékony galliumból áll, amely hordozóként szolgál a palládium atomjaihoz.
Irodalom
- Sella Andrea. (2009. szeptember 23). Gallium. Kémia Világ. Helyreállítva: chemistryworld.com
- Wikipedia. (2019). Gallium. Helyreállítva: en.wikipedia.org
- Li, R., Wang, L., Li, L., Yu, T., Zhao, H., Chapman, KW Liu, H. (2017). A folyékony gallium helyi szerkezete nyomás alatt. Tudományos jelentések, 7 (1), 5666. doi: 10.1038 / s41598-017-05985-8
- Brahama D. Sharma és Jerry Donohue. (1962). A gallium kristályszerkezetének finomítása. Zeitschrift fiir Kristallographie, Bd. 117, S. 293-300.
- Wang, W., Qin, Y., Liu, X. és mtsai. (2011). A gallium eloszlásának, előfordulásának és gazdagodásának okai a belső mongóliai Jungar szénmezőtől származó szénben. Sci. China Earth, Sci. 54: 1053. doi.org/10.1007/s11430-010-4147-0
- Marques Miguel. (Sf). Gallium. Helyreállítva: nautilus.fis.uc.pt
- Az Encyclopaedia Britannica szerkesztői. (2018. április 5.) Gallium. Encyclopædia Britannica. Helyreállítva: britannica.com
- Bloom Josh. (2017. április 3.) Gallium: A szádban olvad, nem a kezed! Az Amerikai Tudományos és Egészségügyi Tanács. Helyreállítva: acsh.org
- Dr. Doug Stewart. (2019). Gallium elem tények. Chemicool. Helyreállítva: chemicool.com
- Országos Biotechnológiai Információs Központ. (2019). Gallium. PubChem adatbázis. CID = 5360835. Helyreállítva: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov