گالیم چگونه تولید می شود؟ گالیم یک فلز مایع است

میانگین محتوای گالیوم در پوسته زمین 19 گرم در تن است. گالیم یک عنصر کمیاب معمولی با ماهیت ژئوشیمیایی دوگانه است. گالیم به دلیل نزدیکی ویژگی‌های شیمیایی کریستالی خود با عناصر اصلی سنگ‌ساز (Al، Fe و غیره) و احتمال زیاد هم‌شکلی با آن‌ها، علی‌رغم ارزش کلارک قابل‌توجهی، تجمعات زیادی تشکیل نمی‌دهد. مواد معدنی زیر با محتوای بالای گالیوم متمایز می شوند: اسفالریت (0 - 0.1٪)، مگنتیت (0 - 0.003٪)، کاسیتریت (0 - 0.005٪)، گارنت (0 - 0.003٪)، بریل (0 - 0.003٪). تورمالین (0.01-0%)، اسپودومن (0.001-0.07%)، فلوگوپیت (0.001-0.005%)، بیوتیت (0-0.1%)، مسکویت (0-0.01%)، سریسیت (0.005-0%)، لپیدولیت (0.001 - 0.03٪)، کلریت (0 - 0.001٪)، فلدسپات (0 - 0.01٪)، نفلین (0 - 0.1٪)، هکمانیت (0.01 - 0.07٪)، ناترولیت (0 - 0.1٪). غلظت گالیم در آب دریا 3·10-5 میلی گرم در لیتر است.

محل تولد

ذخایر گالیوم در جنوب غربی آفریقا، کشورهای CIS شناخته شده است

به دست آوردن گالیوم

برای گالیم، یک گالیت معدنی کمیاب CuGaS2 (مخلوط مس و سولفید گالیم) شناخته شده است. آثار آن به طور مداوم با اسفالریت، کالکوپیریت و ژرمانیت یافت می شود. مقادیر قابل توجهی بزرگتر (تا 1.5٪) در خاکستر برخی از زغال سنگ قیر یافت شد. با این حال، منبع اصلی به دست آوردن گالیوم محلول های تولید آلومینا در طی فرآوری بوکسیت (معمولاً حاوی ناخالصی های جزئی (تا 0.1٪) و نفلین است. گالیوم را می توان با فرآوری سنگ معدن های چند فلزی، زغال سنگ نیز به دست آورد. این ماده با الکترولیز مایعات قلیایی که محصول واسطه ای از فرآوری بوکسیت طبیعی به آلومینا تجاری هستند، استخراج می شود. غلظت گالیم در محلول آلومینات قلیایی پس از تجزیه در فرآیند بایر: 100-150 میلی گرم در لیتر، طبق روش پخت: 50-65 میلی گرم در لیتر. بر اساس این روش‌ها، گالیم با کربن‌سازی از بیشتر آلومینیوم جدا می‌شود و در آخرین بخش رسوبی متمرکز می‌شود. سپس رسوب غنی شده با آهک تصفیه می شود، گالیم به محلول می رود و از آنجا فلز خام با الکترولیز آزاد می شود. 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. به شکل بسیار خالص (99.999%)، با پالایش الکترولیتی و همچنین کاهش هیدروژن GaCl3 با دقت خالص شده به دست آمد.

مشخصات فیزیکی

گالیم کریستالی دارای چندین اصلاح چند شکلی است، با این حال، تنها یک (I) از نظر ترمودینامیکی پایدار است که دارای یک شبکه متعامد (شبه تتراگونال) با پارامترهای a = 4.5186 Å، b = 7.6570 Å، c = 4.5256 Å است. سایر تغییرات گالیم (β، γ، δ، ε) از فلز پراکنده فوق سرد متبلور می شوند و ناپایدار هستند. در فشار بالا، دو ساختار چندشکلی دیگر از گالیم II و III مشاهده شد که به ترتیب دارای شبکه‌های مکعبی و چهارضلعی بودند.

چگالی گالیم در حالت جامد در دمای 20 درجه سانتیگراد 5.904 گرم در سانتی متر مکعب است، گالیم مایع (ذوب = 29.8 درجه سانتیگراد) دارای چگالی 6.095 گرم در سانتی متر مکعب است، یعنی در هنگام انجماد، حجم گالیم افزایش می یابد. . گالیم در 2230 درجه سانتیگراد می جوشد. یکی از ویژگی‌های گالیم، دامنه دمایی وسیع برای وجود حالت مایع (از 30 تا 2230 درجه سانتی‌گراد) است، در حالی که فشار بخار پایینی در دماهای 1100 تا 1200 درجه سانتی‌گراد دارد. ظرفیت گرمایی ویژه گالیم جامد در محدوده دمایی T=0-24°C 376.7 J/kg K (0.09 cal/g deg.) و در حالت مایع در T=29-100°C 410 J/kg است. کیلوگرم پتاسیم (0.098 کالری در گرم درجه).

مقاومت الکتریکی در حالت جامد و مایع به ترتیب 53.4 · 10-6 اهم · سانتی متر (در T = 0 درجه سانتی گراد) و 27.2 · 10-6 اهم · سانتی متر (در T = 30 درجه سانتی گراد) است. ویسکوزیته گالیم مایع در دماهای مختلف 1.612 پویز در T=98 درجه سانتی گراد و 0.578 پویز در T=1100 درجه سانتی گراد است. کشش سطحی اندازه گیری شده در 30 درجه سانتی گراد در اتمسفر هیدروژن 0.735 نیوتن بر متر است. ضرایب بازتاب برای طول موج های 4360 Å و 5890 Å به ترتیب 75.6٪ و 71.3٪ است.

گالیم طبیعی از دو ایزوتوپ 69Ga (61.2%) و 71Ga (38.8%) تشکیل شده است. سطح مقطع جذب نوترون حرارتی به ترتیب 2.1 · 10-28 m2 و 5.1 · 10-28 m2 است.

استفاده از گالیوم

گالیم آرسنید GaAs یک ماده امیدوارکننده برای الکترونیک نیمه هادی است.
نیترید گالیوم در ساخت لیزرهای نیمه هادی و ال ای دی 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، این تکنیک با یک کار بسیار ضروری برای جداسازی این 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.

گالیم گران است، در سال 2005 یک تن گالیوم در بازار جهانی 1.2 میلیون دلار قیمت داشت و با توجه به قیمت بالا و در عین حال نیاز شدید به این فلز، استقرار استخراج کامل آن در تولید آلومینیوم و فرآوری 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. علاوه بر این، خیس کردن آلومینیوم با لایه ای از گالیم مایع باعث اکسیداسیون سریع آن می شود، مشابه آنچه در آلومینیوم آمیخته شده با جیوه اتفاق می افتد. گالیم در نقطه ذوب حدود 1% آلومینیوم را حل می کند که به سطح خارجی فیلم می رسد و در آنجا فوراً توسط هوا اکسید می شود. فیلم اکسید روی سطح مایع ناپایدار است و در برابر اکسیداسیون بیشتر محافظت نمی کند. در نتیجه، آلیاژ گالیوم مایع به عنوان رابط حرارتی بین یک جزء مولد گرما (به عنوان مثال، واحد پردازش مرکزی کامپیوتر) و یک هیت سینک آلومینیومی استفاده نمی شود.

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

نقش بیولوژیکی و ویژگی های گردش خون گالیوم

نقش بیولوژیکی ندارد.

تماس پوست با گالیوم منجر به این واقعیت می شود که ذرات بسیار ریز پراکنده فلز روی آن باقی می مانند. از نظر ظاهری مانند یک لکه خاکستری به نظر می رسد.
تصویر بالینی مسمومیت حاد: هیجان کوتاه مدت، سپس بی حالی، اختلال در هماهنگی حرکات، بی نظمی، آرفلکسی، کند شدن تنفس، اختلال در ریتم آن. در برابر این پس زمینه، فلج اندام تحتانی، سپس کما، مرگ مشاهده می شود. قرار گرفتن در معرض استنشاق آئروسل حاوی گالیوم با غلظت 50 mg/m³ باعث آسیب کلیه در انسان و همچنین تجویز داخل وریدی mg/kg 10-25 نمک گالیم می شود. پروتئینوری، آزوتمی، اختلال در پاکسازی اوره مشاهده می شود.
به دلیل نقطه ذوب پایین، شمش‌های گالیوم توصیه می‌شود در کیسه‌های پلی اتیلن حمل شوند که توسط گالیم مایع ضعیف خیس می‌شوند.

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.

ما عمداً داستان خود را در مورد عنصر شماره 31 با ذکر آنچه تقریباً برای همه شناخته شده است آغاز 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 Ǻ) 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.

گالیم چه شکلی 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.

گالیوم

گالیومیک عنصر شیمیایی با عدد اتمی 31 است. این عنصر از گروه فلزات سبک است و با علامت "Ga" نشان داده می شود. گالیوم به صورت خالص در طبیعت یافت نمی شود، اما ترکیبات آن به مقدار ناچیزی در سنگ معدن بوکسیت و روی یافت می شود. گالیم فلزی نرم، انعطاف پذیر و نقره ای است. در دماهای پایین، در حالت جامد است، اما در حال حاضر در دمایی نه چندان بالاتر از دمای اتاق (29.8 درجه سانتیگراد) ذوب می شود. در ویدئوی زیر نحوه ذوب شدن یک قاشق گالیوم در یک فنجان چای داغ را مشاهده می کنید.

1. از زمان کشف عنصر در سال 1875 تا ظهور عصر نیمه هادی ها، گالیوم عمدتاً برای ایجاد آلیاژهای کم ذوب استفاده می شد.

2. در حال حاضر، تمام گالیوم در میکروالکترونیک استفاده می شود.

3. آرسنید گالیم، ترکیب اصلی عنصر مورد استفاده، در مدارهای مایکروویو و کاربردهای مادون قرمز استفاده می شود.

4. نیترید گالیوم کمتر در ایجاد لیزرهای نیمه هادی و ال ای دی در محدوده آبی و فرابنفش استفاده می شود.

5. گالیم هیچ نقش بیولوژیکی شناخته شده ای برای علم ندارد. اما، از آنجایی که ترکیبات گالیوم و نمک‌های آهن در سیستم‌های بیولوژیکی مشابه رفتار می‌کنند، یون‌های گالیوم اغلب جایگزین یون‌های آهن در کاربردهای پزشکی می‌شوند.

6. داروها و رادیوداروهای حاوی گالیوم در حال حاضر توسعه یافته اند.

شاید معروف ترین خاصیت گالیم نقطه ذوب آن باشد که 29.76 درجه سانتیگراد است. این فلز دومین فلز قابل ذوب در جدول تناوبی (پس از جیوه) است. ذوب پذیری و همچنین سمیت کم گالیم فلزی، امکان گرفتن این عکس را فراهم کرده است. به هر حال، گالیم یکی از معدود فلزاتی است که با جامد شدن مذاب منبسط می شود (سایر فلزات Bi، Ge).

گالودنتی، یوتکتیک گالیم با قلع
فلز گالیوم سمیت کمی دارد، در یک زمان حتی از آن برای پر کردن (به جای پر کردن آمالگام) استفاده می شد. این کاربرد بر این اساس است که وقتی پودر مس با گالیم مذاب مخلوط می شود، خمیری به دست می آید که پس از چند ساعت (به دلیل تشکیل ترکیب بین فلزی) سفت می شود و سپس می تواند حرارت را تا 600 درجه بدون ذوب شدن تحمل کند. گالیم بسیار شکننده است (می تواند مانند شیشه شکسته شود).

بلورهای بزرگ گالیم
یکی دیگر از ویژگی های جالب گالیم، توانایی مذاب آن در فوق سرد شدن است. گالیم مذاب را می توان حدود 10-30 درجه زیر نقطه ذوب خود خنک کرد و مایع باقی می ماند، اما اگر یک تکه گالیم جامد یا یخ خشک را در چنین مذابی بیندازید، بلورهای بزرگ فوراً از آن شروع به رشد می کنند. در عکس - شمش جامد کننده گالیم. عکس به وضوح نشان می دهد که تبلور از سه مکان شروع شد و در همان زمان سه تک کریستال بزرگ شروع به رشد کردند که سپس به هم رسیدند و یک شمش تشکیل دادند (این اتفاق حدود دو ساعت پس از تیراندازی رخ داد).

قاشق گالیوم
قاشق گالیمی خانگی. ویدئوی ذوب شدن این قاشق:

دماسنج گالیمی با دمای بالا دماسنج گالیمی کوارتز دماسنج گالیمی گالیوم در دماسنج
و در اینجا استفاده دیگری از گالیوم است.
گالیم در یک حالت مایع در محدوده دمایی بسیار وسیع قرار دارد و از نظر تئوری، دماسنج‌های گالیومی می‌توانند تا 2000 درجه دما را اندازه‌گیری کنند. برای اولین بار، استفاده از گالیوم به عنوان مایع دماسنجی مدت ها پیش پیشنهاد شد. دماسنج‌های گالیومی در حال حاضر دما را تا 1200 درجه اندازه‌گیری می‌کنند، اما اغلب برای یک فرد عادی امکان دیدن این دماسنج‌ها به صورت زنده در آزمایشگاه وجود ندارد.
چنین دماسنج هایی به دلایل مختلف به طور گسترده مورد استفاده قرار نمی گیرند. اول اینکه، در دماهای بالا، گالیوم یک ماده بسیار تهاجمی است. در دماهای بالاتر از 500 درجه سانتی گراد، تقریباً تمام فلزات به جز تنگستن و همچنین بسیاری از مواد دیگر را خورده می کند. کوارتز در برابر گالیم مذاب تا دمای 1100 درجه سانتیگراد مقاوم است، اما ممکن است مشکلی ایجاد شود زیرا کوارتز (و همچنین بسیاری از شیشه های دیگر) به شدت توسط این فلز خیس می شود. یعنی گالیم به سادگی از داخل به دیواره های دماسنج می چسبد و تشخیص دما غیرممکن خواهد بود. زمانی که دماسنج زیر 28 درجه خنک شود، مشکل دیگری ممکن است ایجاد شود. هنگامی که گالیم جامد می شود، مانند آب رفتار می کند - منبسط می شود و به سادگی می تواند دماسنج را از داخل بشکند. خوب، آخرین دلیلی که اکنون به ندرت دماسنج گالیومی با دمای بالا پیدا می شود، توسعه فناوری و الکترونیک است. بر کسی پوشیده نیست که استفاده از دماسنج دیجیتال بسیار راحت تر از یک دماسنج مایع است. کنترل‌کننده‌های دما مدرن، به‌عنوان مثال، با ترموکوپل‌های پلاتین-پلاتین-رودیوم، اندازه‌گیری دما را در محدوده 200- تا 1600+ درجه سانتی‌گراد با دقتی غیرقابل دستیابی برای دماسنج‌های مایع ممکن می‌سازند. علاوه بر این، ترموکوپل ممکن است در فاصله قابل توجهی از کنترل کننده قرار گیرد.

گالیم با بسیاری از فلزات آلیاژهای یوتکتیک کم ذوب را تشکیل می دهد و برخی از آنها حتی در دمای کمتر از دمای اتاق ذوب می شوند.
آلیاژی از گالیم و ایندیم در دمای 15.7 درجه سانتیگراد ذوب می شود ، یعنی در دمای اتاق مایع است. برای تهیه چنین آلیاژی، حتی لازم نیست میله فلزی را گرم کنید تا ذوب شود، فقط کافی است قطعات گالیوم و ایندیم را محکم فشار دهید. این ویدئو نشان می دهد که از نقطه تماس دو فلز (یک استوانه بزرگ گالیم است، یک استوانه کوچک ایندیم است)، آلیاژ یوتکتیک شروع به چکیدن می کند.

یک آزمایش جالب را می توان نه تنها با ذوب، بلکه با انجماد گالیم نیز انجام داد. اولاً، گالیم یکی از معدود موادی است که هنگام جامد شدن منبسط می شود (درست مانند آب) و ثانیاً رنگ فلز مذاب کاملاً با رنگ جامد متفاوت است.
مقدار کمی از گالیم مایع در یک ویال شیشه ای ریخته می شود و یک قطعه کوچک گالیم جامد در بالای آن قرار می گیرد (دانه برای تبلور، زیرا گالیم می تواند فوق العاده خنک شود). این ویدئو به وضوح نشان می‌دهد که چگونه کریستال‌های فلزی شروع به رشد می‌کنند (آنها بر خلاف مذاب سفید نقره‌ای، رنگ مایل به آبی دارند). پس از مدتی گالیم در حال انبساط حباب را می ترکاند.
قسمت میانی ویدیو (رشد کریستال های گالیوم) ده برابر سرعت داده شده تا ویدیو خیلی طولانی نباشد.

درست مانند جیوه، گالیم مذاب را می توان برای ساختن «قلب تپنده» استفاده کرد، اما به دلیل اینکه گالیم فلزی الکترومثبت تر از آهن است، برعکس عمل می کند. هنگامی که نوک ناخن با قطره ای از گالیم مذاب برخورد می کند، به دلیل کاهش کشش سطحی، "گسترش" می یابد. و به محض اینکه تماس با ناخن شکسته شود، کشش سطحی افزایش می یابد و قطره دوباره جمع می شود، تا زمانی که ناخن را لمس کند.

علاقه مندان می توانند دانلود کنند

تعریف

گالیومسی و یکمین عنصر جدول تناوبی است. نام گذاری - Ga از لاتین "گالیوم". واقع در دوره چهارم، گروه IIIA. به فلزات اشاره دارد. بار هسته ای 31 است.

گالیم یکی از عناصر کمیاب است و در طبیعت با غلظت قابل توجهی یافت نمی شود. عمدتاً از کنسانتره روی پس از ذوب روی از آنها به دست می آید.

در حالت آزاد، گالیم یک فلز نرم سفید مایل به نقره ای (شکل 1) با نقطه ذوب پایین است. در هوا، کاملاً پایدار است، آب را تجزیه نمی کند، اما به راحتی در اسیدها و قلیاها حل می شود.

برنج. 1. گالیم. ظاهر.

وزن اتمی و مولکولی گالیم

جرم مولکولی نسبی یک ماده (M r) عددی است که نشان می دهد چند برابر جرم یک مولکول معین از 1/12 جرم یک اتم کربن و جرم اتمی نسبی یک عنصر (Ar r) بیشتر است. چند برابر جرم متوسط ​​اتم های یک عنصر شیمیایی بیشتر از 1/12 جرم اتم کربن است.

از آنجایی که گالیم در حالت آزاد به شکل مولکول های Ga تک اتمی وجود دارد، مقادیر جرم اتمی و مولکولی آن بر هم منطبق است. آنها برابر با 69.723 هستند.

ایزوتوپ های گالیوم

مشخص شده است که در طبیعت گالیوم را می توان به شکل دو ایزوتوپ پایدار 69 Ga (11/60 درصد) و 71 گالیم (89/39 درصد) یافت. اعداد جرمی آنها به ترتیب 69 و 71 است. هسته اتم ایزوتوپ گالیم 69 Ga حاوی سی و یک پروتون و سی و هشت نوترون است و ایزوتوپ 71 Ga حاوی همان تعداد پروتون و چهل نوترون است.

ایزوتوپ های رادیواکتیو مصنوعی ناپایدار گالیم با اعداد جرمی از 56 تا 86 و همچنین سه حالت ایزومری هسته وجود دارد که در میان آنها ایزوتوپ 67 Ga با نیمه عمر 3.26 روز بیشترین عمر را دارد.

یون های گالیوم

در سطح انرژی بیرونی اتم گالیوم، سه الکترون ظرفیتی وجود دارد:

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

در نتیجه برهمکنش شیمیایی، گالیم الکترون های ظرفیت خود را رها می کند، یعنی. اهدا کننده آنها است و به یک یون با بار مثبت تبدیل می شود:

Ga 0 -2e → Ga 2+;

Ga 0 -3e → Ga 3+.

مولکول و اتم گالیم

در حالت آزاد، گالیم به شکل مولکول های تک اتمی Ga وجود دارد. در اینجا برخی از خواصی است که اتم و مولکول گالیوم را مشخص می کند:

آلیاژهای گالیوم

با افزودن گالیم به آلومینیوم، آلیاژهایی به دست می‌آیند که برای کار گرم مناسب هستند. آلیاژهای گالیم-طلا در دندان مصنوعی و جواهرات استفاده می شود.

نمونه هایی از حل مسئله

مثال 1

مثال 2