Plik gal Jest to pierwiastek metaliczny reprezentowany przez symbol Ga i należący do grupy 13 układu okresowego. Chemicznie przypomina aluminium w swojej amfoteryce; Jednak oba metale w końcu wykazują właściwości, które sprawiają, że można je od siebie odróżnić..
Na przykład stopy aluminium można obrabiać, aby nadać im różne kształty; podczas gdy te z galu mają bardzo niskie temperatury topnienia, składające się praktycznie ze srebrzystych cieczy. Ponadto temperatura topnienia galu jest niższa niż aluminium; ten pierwszy może stopić się pod wpływem ciepła dłoni, podczas gdy drugi nie może.
Podobieństwo chemiczne między galem i glinem również grupuje je pod względem geochemicznym; to znaczy, że minerały lub skały bogate w glin, takie jak boksyty, mają szacunkowe stężenie galu. Oprócz tego mineralogicznego źródła istnieją inne cynk, ołów i węgiel, szeroko rozpowszechnione w skorupie ziemskiej..
Gal nie jest powszechnie znanym metalem. Już sama nazwa może przywołać w pamięci obraz koguta. W rzeczywistości graficzne i ogólne przedstawienia galu są zwykle spotykane z wizerunkiem srebrnego koguta; pomalowany płynnym galem, silnie zwilżalną substancją na szkle, ceramice, a nawet dłoni.
Częste są eksperymenty polegające na stopieniu kawałków metalicznego galu rękami, a także manipulowanie jego cieczą i skłonność do plamienia wszystkiego, czego dotknie.
Chociaż gal nie jest toksyczny, podobnie jak rtęć, jest środkiem niszczącym metale, ponieważ sprawia, że są kruche i bezużyteczne (w pierwszej kolejności). Z drugiej strony interweniuje farmakologicznie w procesach, w których matryce biologiczne wykorzystują żelazo.
W świecie optoelektroniki i półprzewodników gal będzie bardzo ceniony, porównywalny z samym krzemem, a może nawet lepszy od niego. Z drugiej strony przy użyciu termometrów galu wyprodukowano lustra i przedmioty na bazie jego stopów.
Pod względem chemicznym ten metal wciąż ma wiele do zaoferowania; być może w dziedzinie katalizy, energii jądrowej, w opracowywaniu nowych materiałów półprzewodnikowych lub „po prostu” w wyjaśnianiu ich zagmatwanej i złożonej struktury.
Indeks artykułów
W 1871 r. Rosyjski chemik Dmitrij Mendelejew przewidział już istnienie pierwiastka o właściwościach zbliżonych do aluminium; które nazwał ekaluminium. Ten element musiał znajdować się tuż pod aluminium. Mendelejew przewidział również właściwości (gęstość, temperatura topnienia, wzory jego tlenków itp.) Ekaluminium.
Co zaskakujące, cztery lata później francuski chemik Paul-Emili Lecoq de Boisbaudran znalazł nowy pierwiastek w próbce sfalerytu (mieszanki cynku) z Pirenejów. Udało mu się to odkryć dzięki analizie spektroskopowej, w której zaobserwował widmo dwóch fioletowych linii, które nie pokrywały się z widmem innego pierwiastka..
Po odkryciu nowego pierwiastka Lecoq przeprowadził eksperymenty na 430 kg sfalerytu, z którego był w stanie wyodrębnić 0,65 grama; a po serii pomiarów jego właściwości fizycznych i chemicznych doszedł do wniosku, że jest to ekaluminium Mendelejewa.
Aby go wyodrębnić, Lecoq przeprowadził elektrolizę odpowiedniego wodorotlenku w wodorotlenku potasu; prawdopodobnie ten sam, za pomocą którego rozpuścił sfaleryt. Oświadczając, że jest to ekaluminium, a także będąc jego odkrywcą, nadał mu nazwę „gallium” (po angielsku galium). Ta nazwa pochodzi od nazwy „Gallia”, która po łacinie oznacza Francję.
Jednak nazwa przedstawia inną ciekawostkę: „Lecoq” po francusku oznacza „koguta”, a po łacinie „gallus”. Będąc metalem, „gallus” stał się „galem”; chociaż w języku hiszpańskim konwersja jest znacznie bardziej bezpośrednia. Dlatego nie jest przypadkiem, że kiedy mówi się o galu, myśli się o kogucie..
Gal jest bezwonnym metalem srebrnym o szklistej powierzchni i cierpkim smaku. Jego ciało stałe jest miękkie i kruche, a kiedy pęka, robi to muszlowo; to znaczy uformowane kawałki są zakrzywione, podobnie jak muszle.
Po stopieniu, w zależności od kąta patrzenia, może wykazywać niebieskawą poświatę. Ta srebrzysta ciecz nie jest toksyczna w kontakcie; jednakże zbyt mocno „przylega” do powierzchni, zwłaszcza jeśli są one ceramiczne lub szklane. Na przykład pojedyncza kropla galu może przeniknąć do wnętrza szklanego kubka i pokryć go srebrnym lustrem..
Jeśli stały fragment galu osadzi się w ciekłym galu, służy jako jądro, w którym błyszczące kryształy galu szybko się rozwijają i rosną..
31 (31Ga)
69,723 g / mol
29,7646 ° C. Tę temperaturę można osiągnąć, trzymając mocno kieliszek galu między obiema rękami, aż się rozpuści..
2400 ° C Zwróć uwagę na dużą różnicę między 29,7 ° C a 2400 ° C; to znaczy ciekły gal ma bardzo niską prężność par, co czyni go jednym z pierwiastków o największej różnicy temperatur pomiędzy stanem ciekłym i gazowym..
-W temperaturze pokojowej: 5,91 g / cm3
-W temperaturze topnienia: 6,095 g / cm3
Zauważ, że to samo dzieje się z galem, co z wodą: gęstość cieczy jest większa niż ciała stałego. Dlatego twoje kryształy będą unosić się na ciekłym galu (góry lodowe galu). W rzeczywistości rozszerzenie objętości ciała stałego jest takie (trzykrotne), że niewygodne jest przechowywanie ciekłego galu w pojemnikach, które nie są wykonane z tworzyw sztucznych..
5,59 kJ / mol
256 kJ / mol
25,86 J / (mol K)
W temperaturze 1037 ºC tylko jego ciecz wywiera ciśnienie 1 Pa.
1,81 w skali Paulinga
-Pierwsza: 578,8 kJ / mol (Ga+ gazowy)
-Druga: 1979,3 kJ / mol (Gadwa+ gazowy)
-Po trzecie: 2963 kJ / mol (Ga3+ gazowy)
40,6 W / (m · K)
270 nΩ · m przy 20 ºC
1.5
1819 cP w 32 ° C
709 dyn / cm przy 30 ºC
Podobnie jak aluminium, gal jest amfoteryczny; reaguje zarówno z kwasami, jak i zasadami. Na przykład mocne kwasy mogą go rozpuścić, tworząc sole galu (III); jeśli chodzi o H.dwapołudniowy zachód4 i HNO3, są produkowane Gadwa(POŁUDNIOWY ZACHÓD4)3 i wygrał3)3, odpowiednio. Podczas reakcji z mocnymi zasadami powstają sole galusanowe z jonem Ga (OH)4-.
Zwróć uwagę na podobieństwo między Ga (OH)4- i Al (OH)4- (glinian). Po dodaniu amoniaku do pożywki powstaje wodorotlenek galu (III), Ga (OH)3, który jest również amfoteryczny; reagując z mocnymi zasadami, ponownie wytwarza Ga (OH)4-, ale jeśli reaguje z mocnymi kwasami, uwalnia kompleks wodny [Ga (OHdwa)6]3+.
Gal metaliczny jest stosunkowo obojętny w temperaturze pokojowej. Nie reaguje z powietrzem jako cienka warstwa tlenku GadwaLUB3, chroni go przed tlenem i siarką. Jednak po podgrzaniu utlenianie metalu trwa nadal, całkowicie przekształcając się w jego tlenek. A jeśli obecna jest siarka, w wysokich temperaturach reaguje, tworząc GadwaS3.
Istnieją nie tylko tlenki i siarczki galu, ale także fosforki (GaP), arsenki (GaAs), azotki (GaN) i antymony (GaSb). Takie związki mogą powstawać w wyniku bezpośredniej reakcji pierwiastków w podwyższonych temperaturach lub alternatywnymi drogami syntezy..
Podobnie gal może reagować z halogenami, tworząc odpowiednie halogenki; takie jak GadwaCl6, GaF3 i Gadwaja3.
Metal ten, podobnie jak aluminium i jego kongenery (należące do tej samej grupy 13), może oddziaływać kowalencyjnie z atomami węgla, tworząc związki metaloorganiczne. W przypadku tych z wiązaniami Ga-C nazywane są organogalium.
Najciekawsze w przypadku galu nie jest żadna z jego poprzednich właściwości chemicznych, ale ogromna łatwość, z jaką można go stapiać (podobnie jak rtęć i jej proces amalgamacji). Atomy Ga szybko „ocierają się o ramiona” pomiędzy metalowymi kryształami, w wyniku czego powstają stopy galu..
Gal jest nie tylko niezwykły, ponieważ jest metalem, który topi się pod wpływem ciepła dłoni, ale jego struktura jest złożona i niepewna..
Z jednej strony wiadomo, że jego kryształy przyjmują strukturę rombową (Ga-I) w normalnych warunkach; Jest to jednak tylko jedna z wielu możliwych faz tego metalu, w przypadku których dokładna kolejność jego atomów nie została określona. Jest to zatem bardziej złożona konstrukcja, niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka..
Wydaje się, że wyniki różnią się w zależności od kąta lub kierunku, w którym analizowana jest jego struktura (anizotropia). Podobnie struktury te są bardzo podatne na najmniejsze zmiany temperatury lub ciśnienia, co oznacza, że galu nie można zdefiniować jako jednego rodzaju kryształu w momencie interpretacji danych..
Atomy Ga oddziałują ze sobą dzięki metalicznemu wiązaniu. Jednakże stwierdzono pewien stopień kowalencji między dwoma sąsiednimi atomami, więc zakłada się istnienie dimeru Ga.dwa (Zramolały).
Teoretycznie to wiązanie kowalencyjne powinno być utworzone przez nakładanie się orbitalu 4p, z jego jedynym elektronem zgodnie z konfiguracją elektronową:
[Ar] 3d10 4sdwa 4p1
Tej mieszaninie oddziaływań kowalencyjno-metalicznych przypisuje się niską temperaturę topnienia galu; ponieważ, chociaż z jednej strony może istnieć „morze elektronów”, które ściśle trzyma atomy Ga w krysztale, z drugiej strony jednostki strukturalne składają się z dimerów Ga.dwa, których interakcje międzycząsteczkowe są słabe.
Gdy ciśnienie wzrasta od 4 do 6 GPa, kryształy galu przechodzą przemiany fazowe; z rombowego przechodzi do sześciennego środka w ciele (Ga-II), a stamtąd ostatecznie przechodzi do czworoboku wyśrodkowanego w ciele (Ga-III). W zakresie ciśnień prawdopodobnie tworzy się mieszanina kryształów, co jeszcze bardziej utrudnia interpretację struktur..
Najbardziej energetyczne elektrony znajdują się na orbitali 4s i 4p; Ponieważ jest ich trzy, oczekuje się, że gal może je stracić w połączeniu z pierwiastkami bardziej elektroujemnymi niż on.
Kiedy to nastąpi, zakłada się istnienie kationu Ga.3+, a jego stopień utlenienia lub stan utlenienia to +3 lub Ga (III). W rzeczywistości jest to najczęstsza ze wszystkich jego stopni utlenienia. Na przykład następujące związki posiadają gal jako +3: GadwaLUB3 (Gadwa3+LUB3dwa-), GadwaBr6 (Gadwa3+Br6-), Li3GaNdwa (Li3+Ga3+Ndwa3-) i GadwaHerbata3 (Gadwa3+Herbata3dwa-).
Gal można również znaleźć ze stopniami utlenienia +1 i +2; chociaż są znacznie mniej powszechne niż +3 (podobnie jak w przypadku aluminium). Przykładami takich związków są GaCl (Ga+Cl-), GadwaO (Gadwa+LUBdwa-) i GaS (Gadwa+Sdwa-).
Należy zauważyć, że zawsze zakłada się istnienie jonów o ładunkach identycznych z rozważanym stopniem utlenienia (poprawnie lub nie)..
Gal znajduje się w skorupie ziemskiej w ilości proporcjonalnej do ilości metali kobaltu, ołowiu i niobu. Występuje jako uwodniony siarczek lub tlenek, szeroko rozpowszechniony jako zanieczyszczenia zawarte w innych minerałach.
Jego tlenki i siarczki są słabo rozpuszczalne w wodzie, więc stężenie galu w morzach i rzekach jest niskie. Ponadto jedynym minerałem „bogatym” w gal jest gallita (CuGaSdwa, zdjęcie powyżej). Jednak wykorzystanie kurczaka w celu uzyskania tego metalu jest niepraktyczne. Mniej znany jest mineralny plumbogumit galu.
Dlatego nie ma idealnych rud dla tego metalu (o stężeniu większym niż 0,1% masowego)..
Zamiast tego gal uzyskuje się jako produkt uboczny metalurgicznej obróbki rud innych metali. Na przykład można go ekstrahować z boksytów, blenderów cynkowych, ałunów, węgli, galen, pirytów, germanitów itp.; to znaczy, jest zwykle związany z aluminium, cynkiem, węglem, ołowiem, żelazem i germanem w różnych ciałach mineralnych.
Gdy surowiec mineralny jest trawiony lub rozpuszczany w środowisku silnie kwaśnym lub zasadowym, otrzymuje się mieszaninę jonów metali rozpuszczonych w wodzie. Ponieważ gal jest produktem ubocznym, jego jony Ga3+ pozostają rozpuszczone w mieszaninie po wytrąceniu się interesujących metali.
Dlatego chcesz oddzielić te Ga3+ innych jonów, wyłącznie w celu zwiększenia ich stężenia i czystości powstałego metalu.
W tym celu, oprócz konwencjonalnych technik strącania, stosuje się chromatografię jonowymienną z użyciem żywicy. Dzięki tej technice możliwe jest oddzielenie (na przykład) Ga3+ of Cadwa+ o Wiara3+.
Po uzyskaniu silnie stężonego roztworu jonów Ga3+, jest poddawany elektrolizie; to znaczy Ga3+ otrzymuje elektrony, aby móc uformować się jako metal.
Gal występuje w naturze głównie w postaci dwóch izotopów: 69Ga, z obfitością 60,11%; i 71Ga, z obfitością 39,89%. Z tego powodu masa atomowa galu wynosi 69,723 jednostek. Pozostałe izotopy galu są syntetyczne i radioaktywne, a ich masy atomowe wahają się od 56Ga a 86Ga.
Z punktu widzenia środowiska metaliczny gal nie jest bardzo reaktywny i rozpuszczalny w wodzie, więc teoretycznie jego wycieki nie stanowią poważnego ryzyka zanieczyszczenia. Ponadto nie wiadomo, jaką biologiczną rolę może odgrywać w organizmach, ponieważ większość atomów jest wydalana z moczem, bez oznak gromadzenia się w żadnej z jego tkanek..
W przeciwieństwie do rtęci, gal można obsługiwać gołymi rękami. W rzeczywistości eksperyment polegający na próbie stopienia go ciepłem dłoni jest dość powszechny. Osoba może dotknąć powstałego srebrnego płynu bez obawy o uszkodzenie lub zranienie skóry; chociaż pozostawia na nim srebrną plamę.
Jednak jego spożycie może być toksyczne, ponieważ teoretycznie rozpuściłby się w żołądku, generując GaCl3; sól galu, której działanie na organizm jest niezależne od metalu.
Gal charakteryzuje się silnym zabarwieniem lub przywieraniem do powierzchni; a jeśli są one metalowe, to przechodzi przez nie i natychmiast tworzy stopy. Ta cecha polegająca na możliwości stopowania prawie wszystkich metali sprawia, że rozlewanie ciekłego galu na dowolny metalowy przedmiot jest niewłaściwe..
Dlatego metalowe przedmioty mogą rozpaść się na kawałki w obecności galu. Jej działanie może być tak powolne i niezauważalne, że przynosi niepożądane niespodzianki; zwłaszcza jeśli został rozlany na metalowe krzesło, które może się przewrócić, gdy ktoś na nim usiądzie.
Dlatego ci, którzy chcą mieć do czynienia z galem, nie powinni nigdy stykać go z innymi metalami. Na przykład jego ciecz jest w stanie rozpuścić folię aluminiową, a także przedostać się do kryształów indu, żelaza i cyny, aby uczynić je kruchymi..
Ogólnie rzecz biorąc, pomimo powyższego i faktu, że jego opary są prawie nieobecne w temperaturze pokojowej, gal jest zwykle uważany za bezpieczny pierwiastek o zerowej toksyczności..
Gal zastąpił rtęć jako ciecz do odczytywania temperatur wskazywanych przez termometr. Jednak jego temperatura topnienia 29,7 ° C jest nadal wysoka dla tego zastosowania, dlatego w jego metalicznym stanie nie byłoby możliwe użycie go w termometrach; zamiast tego używany jest stop o nazwie Galinstan (Ga-In-Sn).
Stop Galinstan ma temperaturę topnienia około -18 ºC, a dodana jego zerowa toksyczność czyni go idealną substancją do projektowania niezależnych od rtęci termometrów medycznych. W ten sposób, gdyby się zepsuł, posprzątanie bałaganu byłoby bezpieczne; chociaż zabrudziłby podłogę ze względu na jej zdolność do zwilżania powierzchni.
Ponownie wspomina się o zwilżalności galu i jego stopów. Dotykając porcelanowej powierzchni lub szkła, rozprowadza się po całej powierzchni, aż zostanie całkowicie pokryty srebrnym lustrem.
Oprócz luster do tworzenia przedmiotów o różnych kształtach używano stopów galu, ponieważ po ostygnięciu krzepną. Może to mieć duży potencjał nanotechnologiczny: budowanie obiektów o bardzo małych wymiarach, które logicznie działają w niskich temperaturach i wykazują wyjątkowe właściwości oparte na galu..
Pasty termiczne stosowane w procesorach komputerowych zostały wykonane ze stopów galu.
Jony Ga3+ mają pewne podobieństwo do Fe3+ w sposobie, w jaki interweniują w procesy metaboliczne. Dlatego też, jeśli istnieje funkcja, pasożyt lub bakteria, które wymagają żelaza do wykonania, można je zatrzymać, myląc je z galem; tak jest w przypadku bakterii Pseudomonas.
Tak więc tutaj pojawiają się leki galu, które mogą po prostu składać się z jego soli nieorganicznych lub organogalu. La Ganita, nazwa handlowa azotanu galu, Ga (NO3)3, stosowany do regulacji wysokiego poziomu wapnia (hiperkalcemii) związanego z rakiem kości.
Arsenek i azotek galu charakteryzują się tym, że są półprzewodnikami, które zastąpiły krzem w niektórych zastosowaniach optoelektronicznych. Z ich pomocą wyprodukowano tranzystory, diody laserowe i diody elektroluminescencyjne (niebieskie i fioletowe), chipy, ogniwa słoneczne itp. Na przykład dzięki laserom GaN można odczytać płyty Blu-Ray.
Tlenki galu były wykorzystywane do badania ich katalizy w różnych reakcjach organicznych o dużym znaczeniu przemysłowym. Jeden z nowszych katalizatorów galowych składa się z własnej cieczy, w której rozproszone są atomy innych metali, które działają jako aktywne centra lub miejsca..
Na przykład katalizator galowo-palladowy badano w reakcji odwodornienia butanu; to znaczy, aby przekształcić butan w bardziej reaktywne nienasycone formy, niezbędne w innych procesach przemysłowych. Ten katalizator składa się z ciekłego galu działającego jako nośnik dla atomów palladu..
Jeszcze bez komentarzy