GALIJ: SVOJSTVA, STRUKTURA, DOBIVANJE, UPORABE - KEMIJA - 2025

Galija je metalni element koji je predstavljen simbolom Ga pripadaju skupini 13 periodičkog sustava. Kemijski je u amfoterici sličan aluminijumu; međutim oba metala pokazuju svojstva zbog kojih se mogu razlikovati jedan od drugog.

Na primjer, aluminijske legure mogu se raditi da bi im se donijele sve vrste oblika; dok one od galija imaju vrlo niske talište, koje se sastoje praktički od srebrnastih tekućina. Također je talište galija manje od onog aluminija; prvi se može rastopiti od vrućine ruke, dok drugi ne može.

Kristali galija dobiveni taloženjem malog fragmenta galija u presušenoj otopini (tekući galij). Izvor: Maxim Bilovitskiy

Kemijska sličnost galija i aluminija ih također geohemički grupira; to jest, minerali ili stijene bogate aluminijom, poput boksita, imaju znatnu koncentraciju galija. Osim ovog mineraloškog izvora, postoje još i cink, olovo i ugljik, široko rasprostranjeni po zemljinoj kori.

Gallium nije popularno poznati metal. Samo puko ime može evocirati sliku pijetla u umu. U stvari, grafički i opći prikazi galija obično se nalaze uz sliku srebrnog pijetla; oslikana tekućim galijem, visoko mokrućom tvari na staklu, keramici, pa čak i ruci.

Eksperimenti u kojima se komadići metalnog galija tope rukama, česti su, kao i manipulacija njegovom tekućinom i sklonost mrljama svega što dodirne.

Iako galij nije toksičan, kao ni živa, on uništava metale, jer ih čini krhkim i neupotrebljivim (u prvom stupnju). S druge strane, farmakološki intervenira u procesima u kojima biološke matrice koriste željezo.

Za one u svijetu optoelektronike i poluvodiča, galij će biti cijenjen, usporediv i, možda, superiorniji od samog silicija. S druge strane, od galija su izrađeni termometri, ogledala i predmeti na temelju njegovih legura.

Kemijski ovaj metal ima još mnogo toga za ponuditi; možda u području katalize, nuklearne energije, u razvoju novih poluvodičkih materijala ili "jednostavno" u pojašnjenju njihove zbunjujuće i složene strukture.

Povijest

Predviđanja njegovog postojanja

1871. ruski kemičar Dmitri Mendeleev već je predvidio postojanje elementa čija su svojstva slična onima aluminija; koju je nazvao ekaluminio. Taj se element morao nalaziti odmah ispod aluminija. Mendeleev je također predvidio svojstva (gustoća, talište, formule njegovih oksida itd.) Ekaluminija.

Otkriće i izolacija

Iznenađujuće, četiri godine kasnije, francuski kemičar Paul-Emili Lecoq de Boisbaudran, pronašao je novi element u uzorku sfalerita (mješavina cinka) s Pirineja. Bio je u stanju otkriti zahvaljujući spektroskopskoj analizi, u kojoj je promatrao spektar dviju ljubičastih linija koje se ne poklapaju s onim drugog elementa.

Otkrivši novi element, Lecoq je izveo eksperimente na 430 kg shalerita iz kojeg je uspio izdvojiti 0,65 grama; i nakon niza mjerenja njegovih fizikalnih i kemijskih svojstava zaključio je da je riječ o Mendeleevu ekaluminijumu.

Da bi ga izolirao, Lecoq je izvršio elektrolizu odgovarajućeg hidroksida u kalijev hidroksid; vjerojatno isti onaj s kojim je otopio sfalerit. Potvrdivši da je u pitanju ekaluminij, a ujedno je i njegov otkrivač, dao mu je ime "galium" (galium na engleskom). To je ime izvedeno iz imena 'Gallia', što na latinskom znači Francuska.

No, naziv predstavlja i drugu znatiželju: „Lecoq“ na francuskom znači „pijetao“, a na latinskom „gallus“. Budući da je metal, 'gallus' je postao 'galium'; iako je na španjolskom pretvorba mnogo direktnija. Stoga nije slučajno što se pijetao misli kada se govori o galiju.

Fizička i kemijska svojstva

Izgled i fizičke karakteristike

Gallium je srebrnast metal sa mirisom staklastog mirisa koji ima mirisni okus. Čvrsta je supstanca meka i krhka, a kada se lomi čini tako konkoidno; to jest, formirani komadi su zakrivljeni, slični morskim školjkama.

Kad se rastopi, ovisno o kutu pod kojim se gleda, može pokazati plavkast sjaj. Ova srebrnasta tekućina nije toksična pri kontaktu; međutim, previše se "prianja" za površine, pogotovo ako su keramičke ili staklene. Na primjer, jedna kap kalija može probiti unutrašnjost staklene šalice i premazati je srebrnim ogledalom.

Ako se kruti fragment galija taloži u tekućem galiju, on služi kao jezgra u kojoj se blistavi kristali galija brzo razvijaju i rastu.

Atomski broj (Z)

31 (₃₁ Ga)

Molekulska masa

69.723 g / mol

Talište

29.7646 ° C. Ovu temperaturu možete postići ako čvrsto držite čašu od galija između dviju ruku dok se ne rastopi.

Vrelište

2400 ° C. Imajte na umu veliki razmak između 29,7 ° C i 2400 ° C; to jest, tekući galij ima vrlo nizak tlak pare, a ta činjenica ga čini jednim od elemenata s najvećom razlikom temperature između tekućeg i plinovitog stanja.

Gustoća

-U sobna temperatura: 5.91 g / cm ³

-U Talište: 6,095 g / cm ³

Imajte na umu da se ista stvar događa s galijem kao i s vodom: gustoća njegove tekućine veća je od njegove čvrste tvari. Stoga će vaši kristali lebdjeti na tekućem galiju (gallium icebergs). Zapravo, volumno širenje krute tvari je takvo (tri puta) da je nezgodno skladištiti tekući galij u spremnike koji nisu izrađeni od plastike.

Toplina fuzije

5,59 kJ / mol

Toplina isparavanja

256 kJ / mol

Molarni toplinski kapacitet

25,86 J / (mol K)

Tlak pare

Pri 1037 ° C samo njegova tekućina stvara pritisak od 1 Pa.

Elektronegativnost

1,81 na Paulingovoj skali

Ionizirajuće energije

-Prvo: 578,8 kJ / mol (Ga ⁺ plin)

-Sekunda: 1979,3 kJ / mol (Ga ²⁺ plinoviti)

-Treće: 2963 kJ / mol (Ga ³⁺ plinoviti)

Toplinska vodljivost

40,6 W / (m K)

Električni otpor

270 nΩ m na 20 ºC

Mohsova tvrdoća

1.5

Viskoznost

1,819 cP na 32 ° C

Površinska napetost

709 dyna / cm pri 30 ºC

Amphotericism

Poput aluminija, i galij je amfoterni; reagira s kiselinama i bazama. Na primjer, jake kiseline mogu ga otopiti u obliku galijevih (III) soli; ako su H ₂ SO ₄ i HNO ₃, Ga ₂ (SO ₄) ₃ i Ga (NO ₃) _{3 su proizvedeni}, redom. Dok pri reakciji s jakim bazama nastaju galatne soli, s ionom Ga (OH) ₄ ^-.

Uočite sličnost između Ga (OH) ₄ ^- i Al (OH) ₄ ^- (aluminat). Ako se medijumu doda amonijak, nastaje galij (III) hidroksid, Ga (OH) ₃, koji je također amfoterni; kada reagira s jakim bazama, stvara Ga (OH) ₄ ^{- opet}, ali ako reagira s jakim kiselinama, oslobađa složeni vodeni ³⁺.

Reaktivnost

Metalni galij je relativno inertan na sobnoj temperaturi. Ne reagira sa zrakom, jer ga tanki sloj oksida, Ga ₂ O ₃, štiti od kisika i sumpora. Međutim, zagrijavanjem se oksidacija metala nastavlja, potpuno pretvarajući se u njegov oksid. I ako je sumpor prisutan, na visokoj temperaturi kako bi se dobilo reagira Ga ₂ S ₃.

Ne postoje samo galijevi oksidi i sulfidi, već i fosfidi (GaP), arsenidi (GaAs), nitridi (GaN) i antimonidi (GaSb). Takvi spojevi mogu nastati izravnom reakcijom elemenata na povišenim temperaturama ili alternativnim načinima sinteze.

Isto tako, galij može reagirati s halogenima da tvore svoje halogene; kao Ga ₂ Cl ₆, GAF ₃ i Ga ₂ I ₃.

Ovaj metal, poput aluminija i njegovih kongenera (pripadnici iste skupine 13), može kovalentno komunicirati s ugljikovim atomima da bi se stvorili organometalni spojevi. U slučaju onih s Ga-C vezama, nazivaju se organogalijima.

Najzanimljivije u vezi s galijem nisu njegove prethodne kemijske karakteristike, već njegova ogromna lakoća s kojom se može legirati (slično kao kod žive i njegovog procesa spajanja). Njegovi Ga atomi brzo "trljaju ramena" između metalnih kristala, što rezultira legijom galija.

Struktura i elektronička konfiguracija

Složenost

Galij nije samo neobičan po tome što je to metal koji se topi s toplinom dlana, ali njegova je struktura složena i neizvjesna.

S jedne strane, poznato je da njegovi kristali u normalnim uvjetima prihvaćaju ortorombičnu strukturu (Ga-I); Međutim, ovo je samo jedna od mnogih mogućih faza ovog metala, od kojih nije preciziran točan redoslijed njegovih atoma. To je, dakle, složenija struktura nego što se može činiti na prvi pogled.

Čini se da se rezultati razlikuju ovisno o kutu ili smjeru u kojem se analizira njegova struktura (anizotropija). Isto tako, ove su strukture vrlo osjetljive na najmanje promjene temperature ili tlaka, što znači da se galij ne može definirati kao jedna vrsta kristala u vrijeme interpretacije podataka.

dimeri

Atomi Ga međusobno djeluju zahvaljujući metalnoj vezi. Međutim, određeni stupanj covalence utvrđeno je između dva susjedna atoma, tako da postojanje GA ₂ dimera (Ga-Ga) se pretpostavlja.

Teoretski, ova kovalentna veza trebala bi se stvoriti preklapanjem 4p orbitale, s njezinim jedinim elektronom prema elektroničkoj konfiguraciji:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ¹

Ova mješavina kovalentno-metalnih interakcija pripisuje se niskom talištu galija; jer, iako s jedne strane mogu biti „more elektrona”, koji drži GA atoma čvrsto zajedno u kristalu, as druge strukturne jedinice se sastoje od GA ₂ dimera, čiji intermolekulska interakcije su slabi.

Faze pod visokim tlakom

Kada se tlak poveća s 4 na 6 GPa, kristali galija prolaze fazni prijelaz; od orthorhombike prelazi u kubni centriran na tijelu (Ga-II), a odatle konačno prelazi u tetragonalni centriran na tijelu (Ga-III). U rasponu tlaka može se stvoriti mješavina kristala, što otežava tumačenje struktura.

Oksidacijski brojevi

Najenergičniji elektroni su oni koji se nalaze u 4s i 4p orbitali; budući da ih ima tri, očekuje se da će galij izgubiti ako se kombinira s elementima koji su više negativni od njega.

Kad se to dogodi, pretpostavlja se postojanje Ga ³⁺ kationa, a kaže se da je njegov broj ili oksidacijsko stanje +3 ili Ga (III). Zapravo, ovo je najčešće od svih njegovih oksidacijskih brojeva. Sljedeći spojevi, na primjer, sadrže galij kao +3: 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) i Ga ₂ te ₃ (Ga ₂³⁺ Te ₃ ^2-).

Galij se može naći i s oksidacijskim brojevima +1 i +2; iako su puno rjeđe od +3 (slično kao kod aluminija). Primjeri takvih spojeva su GaCl (Ga ⁺ Cl ^-), Ga ₂ O (Ga ₂ ⁺ O ²) i plina (Ga ²⁺ S ²).

Imajte na umu da se uvijek pretpostavlja (ispravno ili ne) postojanje iona s veličinom naboja identičnom oksidacijskom broju.

Gdje pronaći i nabaviti

Uzorak minerala gallita koji je rijedak, ali jedini sa značajnom koncentracijom galija. Izvor: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Galij se nalazi u zemljinoj kori s obiljem proporcionalnim količinama metala kobalta, olova i niobija. Čini se kao hidratizirani sulfid ili oksid, široko rasprostranjen kao nečistoće sadržane u drugim mineralima.

Njegovi oksidi i sulfidi slabo su topljivi u vodi, pa je koncentracija galija u morima i rijekama niska. Nadalje, jedini mineral “bogat” galijem je gallita (CuGaS ₂, gornja slika). Međutim, neprimjereno je iskorištavati kokoš da biste dobili ovaj metal. Manje poznat je mineral plutbogumit galija.

Stoga ne postoje idealne rude za ovaj metal (s koncentracijom većom od 0,1% mase).

Umjesto toga, galij se dobiva kao nusproizvod metalurške obrade ruda drugih metala. Na primjer, može se izvući iz boksita, cinkovih miješalica, aluma, ugljena, galena, pirita, germanita itd.; to jest, obično se povezuje s aluminijom, cinkom, ugljikom, olovom, željezom i germanijom u različitim mineralnim tijelima.

Ionska izmjena kromatografija i elektroliza

Kada se mineralna sirovina digestira ili otopi, bilo u jako kiselom ili bazičnom mediju, dobiva se smjesa metalnih iona solubiliziranih u vodi. Kako je galij sekundarni proizvod, njegovi ioni Ga ³⁺ ostaju otopljeni u smjesi nakon što se talože metali koji se zanimaju.

Stoga je poželjno odvojiti ove Ga ³⁺ od ostalih iona, s jedinom svrhom povećavanja njihove koncentracije i čistoće dobivenog metala.

Za to se, uz uobičajene tehnike taloženja, koristi ionska izmjena kromatografija pomoću smole. Zahvaljujući ovoj tehnici, moguće je odvojiti (na primjer) Ga ³⁺ od Ca ²⁺ ili Fe ³⁺.

Nakon dobivanja visoko koncentrirane otopine iona Ga ³⁺, ona se podvrgava elektrolizi; to jest, Ga ³⁺ prima elektrone da bi se mogao formirati kao metal.

izotopi

Galij se u prirodi nalazi uglavnom kao dva izotopa: ⁶⁹ Ga, s obiljem 60,11%; i ⁷¹ Ga, s obiljem od 39,89%. Iz tog razloga atomska masa galija iznosi 69.723 u. Ostali izotopi galija sintetički su i radioaktivni, s atomskom masom u rasponu od ⁵⁶ Ga do ⁸⁶ Ga.

rizici

Okolišni i fizički

S gledišta zaštite okoliša, metalni galij nije jako reaktivan i topiv u vodi, tako da njegovo izlijevanje u teoriji ne predstavlja ozbiljan rizik od onečišćenja. Pored toga, nije poznato kakvu biološku ulogu može imati u organizmima, pri čemu se većina njegovih atoma izlučuje u urinu, bez znakova nakupljanja u bilo kojem od njegovih tkiva.

Za razliku od žive, s galijem se može rukovati golim rukama. Zapravo je eksperiment pokušaja topljenja ruku prilično uobičajen. Osoba može dodirnuti dobivenu srebrnu tekućinu bez straha da će oštetiti ili ozlijediti svoju kožu; iako na njemu ostavlja srebrnu mrlju.

Međutim, gutanje bi moglo biti toksično, jer bi se u teoriji rastvaralo u želucu da bi se stvorio GaCl ₃; galijeva sol čiji utjecaji na tijelo nisu ovisni o metalu.

Oštećenja metala

Galij karakterizira visoko obojenje ili prijanjanje na površine; i ako su metalni, to prolazi kroz njih i odmah formira legure. Ovo svojstvo mogućnosti legiranja s gotovo svim metalima čini neprimjerenim izlijevanje tekućeg galija na bilo koji metalni predmet.

Zbog toga metalni predmeti riskiraju da se razbiju na komade u prisutnosti galija. Njegovo djelovanje može biti tako sporo i nezapaženo da donosi nepoželjna iznenađenja; pogotovo ako je prosuta na metalnoj stolici, koja bi se mogla srušiti kad netko sjedi na njoj.

Zato oni koji se žele baviti galijem nikada ga ne smiju dovoditi u kontakt s drugim metalima. Na primjer, njegova tekućina može otapati aluminijsku foliju, kao i prodirati u kristale indija, željeza i kositra, kako bi ih učinila krhkim.

Općenito govoreći, unatoč gore spomenutom i činjenici da njegove pare gotovo nemaju na sobnoj temperaturi, galij se općenito smatra sigurnim elementom s nultom toksičnošću.

Prijave

Termometri

Galinstanski termometri. Izvor: Gelegenheitsautor

Galij je zamijenio živu kao tekućinu za očitavanje temperatura koje su označene termometrom. Međutim, talište od 29,7 ° C i dalje je visoko za ovu primjenu, zbog čega u svom metalnom stanju ne bi bilo izvedivo koristiti ga u termometrima; umjesto toga koristi se legura nazvana Galinstan (Ga-In-Sn).

Galinstanova legura ima talište oko -18 ° C, a dodatak nulte toksičnosti čini je idealnom tvari za dizajn medicinskih termometra neovisnih o živoj. Na ovaj način, ako se razbije, sigurno bi očistili nered; iako bi podu umazao zbog svoje sposobnosti vlaženja površina.

Izrada ogledala

Opet se spominje vlažnost galija i njegovih legura. Kada dodirne porculansku površinu ili staklo, širi se po cijeloj površini dok nije u potpunosti prekrivena srebrnim zrcalom.

Pored ogledala, legure galija koriste se za stvaranje predmeta svih oblika, nakon što se ohlade, očvrsnu. To bi moglo imati veliki nanotehnološki potencijal: graditi objekte vrlo malih dimenzija, koji bi logično djelovali na niskim temperaturama i pokazali bi jedinstvena svojstva na temelju galija.

računala

Toplinske paste koje se koriste u računalnim procesorima izrađene su od legura galija.

lijekovi

Ioni Ga ³⁺ imaju neku sličnost s Fe ³⁺ u načinu na koji interveniraju u metaboličkim procesima. Stoga, ako postoji funkcija, parazit ili bakterije za koje je potrebno željezo da se izvrše, mogu se zaustaviti pogreškom, smatrajući galijem; takav je slučaj s pseudomonas bakterijama.

Ovdje se pojavljuju lijekovi od galija koji se jednostavno mogu sastojati od anorganskih soli ili organogalija. La Ganita, trgovački naziv za galij nitrat, Ga (NO ₃) ₃, koristi se za regulaciju visokih koncentracija kalcija (hiperkalcemije) povezanih s karcinomom kostiju.

tehnološki

Galijev arsenid i nitrid karakteriziraju se poluvodičima, koji su zamijenili silicij u određenim optoelektronskim primjenama. Uz njih su proizvedeni tranzistori, laserske diode i diode koje emitiraju svjetlost (plava i ljubičasta), čipovi, solarne ćelije itd. Na primjer, zahvaljujući GaN laserima, Blu-Ray diskovi se mogu čitati.

katalizatori

Galijevi oksidi korišteni su za proučavanje njihove katalize u različitim organskim reakcijama od velikog industrijskog interesa. Jedan od novijih galijevih katalizatora sastoji se od vlastite tekućine, preko koje se raspršuju atomi drugih metala koji djeluju kao aktivni centri ili mjesta.

Na primjer, katalizator galij-paladij proučavan je u reakciji dehidriranja butana; to jest pretvaranje butana u reaktivnije nezasićene vrste, neophodne za ostale industrijske procese. Ovaj se katalizator sastoji od tekućeg galija koji djeluje kao potpora atomima paladija.

Reference

1. Sella Andrea. (23. rujna 2009.). Galij. Svijet kemije. Oporavilo od: chemistryworld.com
2. Wikipedia. (2019). Galij. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
3. Li, R., Wang, L., Li, L., Yu, T., Zhao, H., Chapman, KW Liu, H. (2017). Lokalna struktura tekućeg galija pod pritiskom. Znanstvena izvješća, 7 (1), 5666. doi: 10.1038 / s41598-017-05985-8
4. Brahama D. Sharma i Jerry Donohue. (1962). Poboljšanje kristalne strukture galija. Zeitschrift fiir Kristallographie, Bd. 117, S. 293-300.
5. Wang, W., Qin, Y., Liu, X. i sur. (2011). Uzroci distribucije, pojave i obogaćivanja galija u uglju iz ugljena polja Jungar, Unutrašnja Mongolija. Sci. Kina Zemlja Sci 54: 1053. doi.org/10.1007/s11430-010-4147-0
6. Marques Miguel. (SF). Galij. Oporavak od: nautilus.fis.uc.pt
7. Urednici Encyclopaedia Britannica. (5. travnja 2018.). Galij. Encyclopædia Britannica. Oporavilo od: britannica.com
8. Bloom Josh. (3. travnja 2017.). Galij: topi se u ustima, a ne u vašim rukama! Američko vijeće za znanost i zdravlje. Oporavilo sa: acsh.org
9. Dr. Doug Stewart. (2019). Činjenice o elementu galija. Chemicool. Oporavilo od: chemicool.com
10. Nacionalni centar za biotehnološke informacije. (2019). Galij. PubChem baza podataka. CID = 5360835. Oporavak od: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov