Галлий обозначение в таблице менделеева. Галлий – металл, который плавится в руках. В зависимости от возраста

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 - весьма легкоплавкий металл: чтобы превратить его в жидкость, достаточно тепла ладони.

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 Буабодра-ном, 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 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 4170А). 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.

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/см3.

Как это ни странно, но о существовании периодического закона первый из его утвердителей, «укрепителей», 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.

Вы читаете, статья на тему галлий история

Сформулировал свой периодических закон и составил периодическую же таблицу, многие металлы были науке ещё не известны.

Это, впрочем, не помешало химику выстроить свою периодическую систему, оставив пустые клетки для ещё не открытых элементов. Эти "белые пятна" вскорости были заполнены. Об одном из таких предсказанных Менделеевым элементов и пойдёт сегодня речь.

Знакомьтесь: галлий, 31 номер в таблице. Третья группа, легкоплавкий металл, близкий по свойствам к алюминию и кремнию. Менделеев не только достаточно подробно описал свойства этого металла, но и практически со стопроцентной точностью указал его атомный вес.

Открытие и происхождение названия

Галлий был открыт и выделен в виде просто вещества французским химиком Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном. Произошло это в 1875 году, года учёный исследовал образцы цинковой обманки, привезённые из Пиренеев. Исследования проводились методом спектроскопии и учёный заметил в спектре руды фиолетовую линию, свидетельствующую о присутствии в минерале неизвестного элемента.

Выделение элемента в чистом виде потребовало немало труда, так как содержание его в руде было меньше 0,1%. В конце концов, Лекоку де Буабодрану удалось получить менее 0,1 грамма чистого вещества и исследовать его. Обнаруженный французом элемент по свойствам оказался во многом сходен с цинком.

На очередном заседании Парижской академии наук, состоявшемся 20 сентября 1875 года, было зачитано письмо Лекока де Буабодрана, в котором сообщалось об открытии нового элемента и изучении его свойств. Также химик сообщал, что назвал новооткрытый элемент в честь Франции, по её латинскому названию - Галлия (Gallia).

Когда Менделеев прочёл опубликованный доклад, посвящённый этому открытию, он отметил, что описание свойств нового элемента почти в точности совпадает с описанием предсказанного им ранее экаалюминия. Менделеев не замедлил сообщить об этом Лекоку де Буабодрану, указав, что плотность нового металла определена неверно и должна быть 5,9-6,0 , а не 4,7 г/см3. Тщательная проверка показала правоту Менделеева.

Добыча галлия

В природе галлий крупных месторождений не образует. В некоторых минералах галлий содержится в относительно больших (для этого металла): гранат, сфалерит, турмалин, берилл, полевые шпаты, нефелин.

Самый богатый источник галлия - минерал германит, руда, состоящая из сульфида меди, которая может содержать 0,5-0,7% галлия. Кроме этого, галлий получают при переработке боксита и нефелина. Также этот металл можно получить с помощью переработки полиметаллических руд, угля.

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.

Месторождения, на которых ведётся добыча галлия, находятся, главным образом в Юго-Западной Африке , а также в России и в некоторых из стран СНГ.

Свойства галлия

Галлий – мягкий пластичный металл серебристого цвета. При низких температурах находится в твердом состоянии, но плавится уже при температуре, ненамного превышающей комнатную (29,8°C).

Вообще широкий температурный интервал существования жидкого состояния этого металла (от 30 и до 2230 °C) является одной из особенностей галлия. Химические свойства галлия близки к свойствам алюминия. В связи с легкоплавкостью, перевозка галлия осуществляется в полиэтиленовых пакетах.

До появления полупроводников, галлий использовался для создания легкоплавких сплавов. Сегодня же галлий используется, главным образом, в микроэлектронике в составе полупроводников. Нитрид галлия используется в создании полупроводниковых лазеров и светодиодов синего и ультрафиолетового диапазона.

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 для измерения высоких температур, заменяя этим металлом ртуть. Это связано с тем, что галлий имеет значительно более высокую температуру кипения по сравнению с ртутью.

Галлий - один из самых дорогих металлов. Так в 2005 году на мировом рынке тонна галлия стоила 1,2 млн долларов США. В связи с его высокой стоимостью и с большой потребностью в этом металле, очень важно наладить его полное извлечение при алюминиевом производстве и переработке каменных углей на жидкое топливо.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Галлий - тридцать первый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Ga от латинского «gallium». Расположен в четвертом периоде, IIIA группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 31.

Галлий принадлежит к числу редких элементов и в сколько-нибудь значительных концентрациях в природе не встречается. Его получают главным образом из цинковых концентратов после выплавки из них цинка.

В свободном состояние галлий представляет собой серебристо-белый (рис. 1) мягкий металл с низкой температурой плавления. На воздухе он довольно стоек, воду не разлагает, но легко растворяется в кислотах и щелочах.

Рис. 1. Галлий. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса галлия

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии галлий существует в виде одноатомных молекул Ga, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 69,723.

Изотопы галлия

Известно, что в природе галлий может находиться в виде двух стабильных изотопов 69 Ga (60,11%) и 71 Ga (39,89%). Их массовые числа равны 69 и 71 соответственно. Ядро атома изотопа галлий 69 Ga содержит тридцать один протон и тридцать восемь нейтронов, а изотопа 71 Ga - столько же протонов и сорок нейтронов.

Существуют искусственные нестабильные радиоактивные изотопы галлия с массовыми числами от 56-ти до 86-ти, а также три изомерных состояния ядер, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 67 Ga с периодом полураспада равным 3,26 суток.

Ионы галлия

На внешнем энергетическом уровне атома галлий имеется три электрона, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 1 .

В результате химического взаимодействия галлий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Ga 0 -2e → Ga 2+ ;

Ga 0 -3e → Ga 3+ .

Молекула и атом галлия

В свободном состоянии галлий существует в виде одноатомных молекул Ga. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу галлия:

Сплавы галлия

Добавлением галлия к алюминию получают сплавы, хорошо поддающиеся горячей обработке; сплавы галлия с золотом применяются в зубопротезном и ювелирном деле.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Природный галлий имеет два изотопа. Содержание изотопа 71 Ga составляет 36%. Найти другой изотоп, если средняя относительная атомная масса элемента галлия равна 69,72. Определить число нейтронов в найденном изотопе.
Решение	Пусть массовое число второго изотопа галлия равно «х» — х Ga. Определим содержание второго изотопа галлия в природе: w(х Ga) = 100% — w(71 Ga) = 100% — 36% = 64%. Средняя относительная атомная масса химического элемента рассчитывается как: Ar = / 100%; 69,72 = / 100%; 6972 = 2556 + 64х; Следовательно, второй изотоп галлия — 69 Ga. Порядковый номер галлия - 31, значит в ядре атома галлия содержит 31 протон и 31 электрон, а количество нейтронов равно: n 1 0 (69 Ga) = Ar(69 Ga) - N (номер элемента) = 69 - 31 = 38.
Ответ	Изотоп 69 Ga, содержащий 38 нейтронов и 31 протон.

ПРИМЕР 2

Задание	По своим химическим свойствам галлий схож с другим элементом - алюминием. Основываясь на этом сходстве запишите формулы оксидов и гидроксидов, в состав которых входит галлий, а также составьте уравнения реакций, характеризующих химические свойства этого элемента.
Ответ	Галлий, как и алюминий расположен в III группе главной подгруппе Периодической таблицы Д.И. Менделеева. В своих соединениях он подобно алюминию проявляет степень окисления (+3). Для галлия характерен один оксид (Ga 2 O 3) и один гидроксид (Ga(OH) 3), проявляющие амфотерные свойства. Ga 2 O 3 + 3SiO 2 = Ga 2 (SiO 3) 3 ;

А вот еще одно применение галлия. Правда, в таком виде оно для меня было довольно неожиданным.
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. Я, например, читал об этом в справочнике шестидесятых годов, а также много раз видел соответствующие упоминания в научно-популярных книгах по химии (в частности, в «Популярной библиотеке химических элементов»). Там говорилось, что галлиевыми термометрами уже измеряют температуру до 1200 градусов, но обычному человеку, увидеть в лаборатории эти термометры в живую удается не часто.
Я думаю, что 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.
Термометр на фото я нашел на немецком аукционе ebay после примерно полутора лет поисков.

Общие сведения и методы получения

Галлий (Ga) - металл серебристо-белого цвета с синеватым оттенком. Существование галлия было предсказано в 1871 г. Д И. Менделеевым, который назвал его экаалюминием. Открыл галлий в 1875 г. француз­ский химик Лекок де Буабодран спектральным анализом цинковой об-маикн. Элемент назван галлием в честь Франции.

Основной источник получения галлия в настоящее время - раство­ры глиноземного производства при переработке боксита и нефелина; кроме того, возможно извлечение галлия из отходов электролиза алю­миния, из угольной пены, из сульфидных полиметаллических руд и уг­лей при их переработке.

Концентрация галлия в алюминиевых растворах после разложения в процессе Байера 100-150 мг/л, по способу спекания 50-65 мг/л.

Этими двумя способами галлий отделяют от большей части алюми­ния карбонизацией, концентрируя галлий в виде Ga(OH) 3 в последней фракции осадка. Обогащенный раствор обрабатывают известью, полу­чая галлиевый концентрат, содержание Ga 2 0 3 в Котором достигает ~1%. Возможно также выделение галлия электролизом на ртутном катоде из оборотных растворов процесса Байера

Технический галлий получают электролизом или цементацией. Элек­тролит- раствор галлиевого концентрата в едком натре Температура электролиза 50-70°С при расходе энергии 100 Вт-ч/г Ga. Цементирую­щим металлом служит алюминий.

Получаемый электрохимическими методами галлий содержит значи­тельное количество примесей, зависящее от состава исходного электро­лита. Черновой галлий подвергают очистке несколькими способами:

1) промывка горячей водой и фильтрация через пористые фильтры (галлий чистотой 99,9 %);

2) промывка кислотами (содержание примесей снижается до 0,01 %);

3) вакуумная обработка (основана на различии в давлении паров при высокой температуре между галлием и ряДом примесей);

4) электролитическое рафинирование, т. е. растворение чернового галлия в щелочном электролите в катодное осаждение чистого металла"

5) физические методы очистки (направленная кристаллизация, зон­ная плавка).

Сочетание рассмотренных методов очистки чернового галлия, позво­ляет получать металл чистотой 99,9996 °/о, который используют для син­теза полупроводниковых соединений.

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 31, атомная масса 69,72 а. е. м. Природный галлий состоит из двух стабильных изотопов с массовыми числами 69 (61,2%) и 71 (38,8%).

Атомный объем 11,8*10- 6 м 3 /моль, атомный радиус 0,138 нм, ионный радиус (Ga 3 +) 0,062 нм, конфигурация внешней электронной оболочки галлия 4s 2 4p". Потенциалы ионизации атома / (эВ): 6,00, 20,51, 30,70. Число спектральных линий нейтрального атома 55. Электроотрицатель­ность 1,6

Химические свойства

Нормальный электродный потенциал реакции Ga-3e*±Ga 3 + q> 0 = =-0,52 В. В соединениях галлий проявляет степени окисления +1, +2 и +3. Электрохимический эквивалент оавен 0,24083 мг/Кл.

На воздухе на поверхности металлического галлия обычно образу­ется тонкая пленка оксида, так что дальнейшее окисление незначитель­но; заметнее процесс окисления идет при 500 °С; при более высоких тем­пературах металл сгорает до оксида. Галлий легко растворяется в азот­ной и серной кислотах, а реагируя с щелочами, образует амфотерный гидроксид. По отношению к воде галлий весьма устойчив, не разлагая ее даже при 100 С С. Галлий взаимодействует с галогенами (кроме иода), даже на холоду образуя галогениды; с иодом галлий взаимодействует только при нагревании.

Оксид галлия (III) Ga 2 0 3 получается при обезвоживании гидроксида. Это вещество белого цвета с температурой плавления 1740 "С и плот­ностью 6,480 Мг/м 3 . Оксид галлия (I) Ga 2 0 получается при нагревании металла в атмосфере оксида углерода или в результате восстановления оксида галлия (III). Это вещество с плотностью 4,770 Мг/м 3 сублимиру­ет выше 650 °С. При растворении гидроксида галлия в щелочах обра­зуются галлаты Me, Галла ты щелочных металлов хорошо растворимы, щелочноземельных - ограниченно растворимы. Известны многочисленные галлийоргаиические соединения, которые получаются действием соответствующих ртутьорганических соединений на галлий. Соли галлия, полученные от сильных кислот, растворимы в воде и склон­ны (в водных растворах) к гидролизу.

Жидкий галлий - очень агрессивный металл, при повышенной тем­пературе легко взаимодействует со всеми металлами. До температуры 600 "С галлий не взаимодействует только с вольфрамом, танталом, ре­нием и бериллием.

Металлы III и IV групп, а также висмут образуют с галлием диа­граммы состояния эвтектического типа или с ограниченной раствори­мостью в жидком состоянии (кадмий, ртуть, таллий, висмут и свинец)-Щелочные металлы дают с галлием высокотемпературные соединения. Для галлия характерна ограниченная растворимость в твердом состоя­нии со многими металлами.

Области применения

Широкое применение галлия началось лишь с 50-х годов нашего века, после того как было установлено, что его интерметаллические соеди­нения обладают полупроводниковыми свойствами. Соединения типа A IU B V (GaAs, GaP, GaSb) сохраняют полупроводниковые свойства да­же при повышенных температурах. Так, приборы, в которых использу­ется GaAs, работают при температуре до 450 °С, а приборы с GaP - до 1000 °С. Галлий - перспективный материал для использования в сол­нечных батареях: солнечные элементы из GaAs стойки к космической радиации. Арсенид галлия применяют также в качестве активной лазер­ной среды.

Галлий используют как акцепторную добавку для легирования гер­мания.

Легкоплавкие сплавы, которые галлий образует с рядом металлов (Sn, Pb, In, Т1 и др.), применяют в терморегуляторах, спринклериых устройствах, в качестве жидкости для высокотемпературных термомет­ров и манометров. Сплавы на основе галлия используют для «холод­ной пайки» различных материалов

В атомной технике галлий применяют в жидкометаллических радиа­ционных контурах как компонент рабочего низкотемпературного сплава.

Благодаря хорошей отражательной способности галлий широко ис­пользуется дли изготовления зеркал; в люминесцентных составах для ламп соединения галлия играют роль активаторов. Добавка галлия в

стеклянную массу позволяет получать стекла с высоким коэффициентом преломления. Имеются данные об использовании изотопа галлия (72 Ga) для диагностики заболеваний.