Galio -egenskaper, struktur, erhållning, användning

han gallium Det är ett metalliskt element som representeras av GA -symbolen och som tillhör grupp 13 i det periodiska tabellen. Kemiskt ser det ut som aluminium i sin amfoterism; Men båda metallerna slutar uppvisa egenskaper som gör dem differentierbara än varandra.

Till exempel kan aluminiumlegeringar arbeta för att ge dem alla slags figurer; Medan de i gallium har mycket låga smältpunkter, bestående av silvervätskor. På samma sätt är galliumsmältpunkten lägre än aluminium; Den första kan smälta av handens värme, medan den andra inte gör det.

Galliumkristaller erhållna genom insättning. Källa: Maxim Bilovitskiy [CC BY-SA 4.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenser/BY-SA/4.0)]

Den kemiska likheten mellan Gallien och aluminium grupperar dem också geokemiskt; Det vill säga mineraler eller rik aluminium, såsom bauxiter, har uppskattade galliumkoncentrationer. Bortsett från denna mineralogiska källa finns det andra zink, bly och kol, spridd över hela jordskorpan.

Populärt Gallium är inte en välkänd metall. Hans bara namn kan framkalla bilden av en tupp i åtanke. Faktum är att grafiska och allmänna representationer av galliet vanligtvis finns med bilden av en silverstruta; Målad med flytande gallium, substans av stor vätning över glas, keramik och samma hand.

Experimenten där bitar av metallgallium smälter är ofta, liksom manipulationen av dess vätska och dess tendens att färga allt den berör.

Medan galliet inte är giftigt, till exempel kvicksilver, är det ett metallförstörande medel, eftersom de gör dem spröda och oanvändbara (i första hand). Å andra sidan ingriper farmakologiskt i de processer där biologiska matriser använder järn.

För dem som är i världen av optolektronik och halvledare kommer de att ha gallium med hög uppskattning, jämförbar och kanske överlägsen samma kisel. Å andra sidan har termometrar, speglar och föremål baserade på deras legeringar tillverkats med de galliska.

Kemiskt har denna metall fortfarande mycket att erbjuda; Kanske inom katalysområdet, av kärnkraft, i utvecklingen av nya halvledarmaterial, eller "helt enkelt" i förtydligandet av dess förvirrande och komplexa struktur.

[TOC]

Historia

Förutsägelser om dess existens

1871 hade den ryska kemisten Dmitri Mendeleev redan förutspått förekomsten av ett element vars egenskaper liknade aluminiumens aluminium; som han kallade Ekaluminio. Detta element bör vara beläget strax under aluminium. Mendeleev förutspådde också egenskaperna (densitet, smältpunkt, formler för dess oxider etc.) av Ekaluminio.

Upptäckt och isolering

Överraskande, fyra år senare hade den franska kemisten Paul-Emili Lecoq i Boisbaudran hittat ett nytt element i ett prov av Sphalerite (Zinc Blenda), från Pyrenéerna. Han kunde upptäcka det tack vare en spektroskopisk analys, där han observerade spektrumet för två violetta linjer som inte sammanfallde med det för ett annat element.

Efter att ha upptäckt ett nytt element genomförde LECOQ experiment på 430 kg sphalerit, från vilken han kunde isolera 0,65 gram av detta; Och efter en serie mätningar av dess fysiska och kemiska egenskaper kom det till slutsatsen att det var Ekaluminos från Mendeleev.

För att isolera det utförde Lecoq elektrolysen av dess respektive hydroxid i kaliumhydroxid; förmodligen samma sak som han upplöst sfiny. Genom att certifiera att det var Ekaluminio, och för att också vara dess upptäckare, gav han honom namnet 'Galio' (Galium på engelska). Detta namn härstammar från namnet 'Gallia', som på latin betyder Frankrike.

Namnet presenterar emellertid en annan nyfikenhet: 'Lecoq' på franska betyder 'Gallo' och i Latin 'Gallus'. Som en metall blev 'Gallus' 'gallium'; Även på spanska är konverteringen mycket mer direkt. Således är det ingen slump att du tänker på en tupp när du pratar om det galliska.

Fysiska och kemiska egenskaper

Utseende och fysiska egenskaper

Gallium är en silvermetall av glasögon, toalett, med en sammandragande smak. Hans fasta är mjukt och sprött, och när frakturer gör han det på ett konkoidalt sätt; det vill säga de bildade bitarna är böjda, liknande havsskalarna.

När han smälter, beroende på vinkeln som han observerade, kan han visa en blåaktig ljusstyrka. Denna silvervätska är inte giftig för kontakt; Men det "klamrar sig" för mycket för ytor, särskilt om de är keramik eller glas. Till exempel kan en enda droppe gallium genomsyra insidan av ett glasglas för att täcka det från en silverspegel.

Om ett fast fragment av det deponeras i vätska, fungerar det som en kärna där rutilerande galliumkristaller utvecklas och växer.

Atomantal (z)

31 (₃₁Ga)

Molmassa

69,723 g/mol

Smältpunkt

29,7646 ºC. Denna temperatur kan nås om ett galliumglas hålls mellan båda händerna för att smälta.

Det kan tjäna dig: Benzimidazol (C7H6N2): Historia, struktur, fördelar, nackdelar

Kokpunkt

2400 ºC. Notera det stora gapet mellan 29,7 ºC och 2400 ° C; Det vill säga, vätskegalliet har ett mycket lågt ångtryck, och detta görs av ett av elementen med den största temperaturskillnaden mellan vätskan och gasformigt tillstånd.

Densitet

-Vid rumstemperatur: 5,91 g/cm³

-Vid smältpunkten: 6 095 g/cm³

Observera att samma sak händer med gallium som med vattnet: vätskans densitet är större än den för dess fasta. Därför kommer deras kristaller att flyta över flytande gallium (Gallium Icebergs). I själva verket är utvidgningen av den fasta volymen (tre gånger) sådan, vilket är obekvämt att lagra vätskegallium i containrar som inte är plast.

Fusionsvärme

5,59 kJ/mol

Förångningsvärme

256 kJ/mol

Molvärmekapacitet

25,86 J/(mol · k)

Ångtryck

Vid 1037 ºC bara din vätska utövar ett tryck på 1 PA.

Elektronnegativitet

1.81 på Pauling -skalan

Joniseringsenergier

-Först: 578,8 kJ/mol (GA⁺ gasformig)

-Andra: 1979.3 kJ/mol (GA²⁺ gasformig)

-Tredje: 2963 kJ/mol (GA³⁺ gasformig)

Värmeledningsförmåga

40,6 W/(M · K)

Elektrisk resistans

270 nΩ · m vid 20 ºC

Mohs hårdhet

1.5

Gegga

1 819 CP vid 32 ºC

Ytspänning

709 DINS/CM A 30 ºC

Anoterism

Liksom aluminium är gallium amfoteriskt; reagerar med både syror och baser. Till exempel kan starka syror lösa upp det för att bilda Gallien Sales (III); Om de är h₂Sw₄ och hno₃, De producerar GA₂(SW₄)₃ och vann₃)₃, respektive. Medan när de reagerar med starka baser finns det galatsalter, med gajonen (OH)₄^-.

Notera likheten mellan GA (OH)₄^- Och (OH)₄^- (ALUMINATE). Om galliumhydroxiden (III), läggs GA (OH) till miljön, bildas₃, vilket också är amfoteriskt; När du reagerar med starka baser producerar GA (OH) igen₄^-, Men om den reagerar med starka syror släpper det komplexet ACU₂)₆]³⁺.

Reaktivitet

Det metalliska galliet är relativt inert vid rumstemperatur. Det reagerar inte med luften, eftersom ett tunt skikt av oxid₂ANTINGEN₃, skyddar det från syre och svavel. Men när oxidationen av metallen fortsätter och förvandlas helt till sin oxid. Och om det finns svavel, reagerar vid höga temperaturer för att bilda GA₂S₃.

Det finns inte bara galliumoxider och sulfider, utan också fosfider (GAP), arseniuros (GaAs), nitro (GaN) och antimoniuros (GASB). Sådana föreningar kan komma från direkt reaktion av elementen vid höga temperaturer, eller genom alternativa syntetiska rutter.

På samma sätt kan Gallium reagera med halogener för att bilda sina respektive haluro; som GA₂Kli₆, Gaff₃ och ga₂Yo₃.

Denna metall, som aluminium och dess kongener (medlemmar i samma grupp 13), kan kovalent interagera med kolatomer för att orsaka organometalliska föreningar. När det gäller de med GA-C-länkar kallas de organogaler.

Det mest intressanta av galliet är ingen av dess tidigare kemiska egenskaper, men dess enorma lätthet med vilken den kan höjas (liknande den för kvicksilver och dess sammanslagningsprocess). Deras GA -atomer är "kod" snabbt bland metallkristaller, vilket ger upphov till galliumlegeringar.

Elektronisk struktur och konfiguration

Komplexitet

Gallium är inte bara ovanligt om det faktum att det är en metall som grundar handens värme, utan också dess struktur är komplex och osäker.

Å ena sidan är det känt att deras kristaller antar en ortorrombisk struktur (GA-I) under normala förhållanden; Detta är emellertid bara en av de många möjliga faserna för denna metall, som inte anges vad beställningen av dess atomer är korrekt. Det är därför en mer komplex struktur än vad som kan se ut med blotta ögat.

Det verkar som om resultaten varierar beroende på vinkeln eller riktningen i vilken dess struktur (anisotropi) analyseras (anisotropi). På samma sätt är dessa strukturer mycket mottagliga för den minsta förändringen i temperatur eller tryck, vilket gör att gallium inte definieras som en enda typ av kristall vid tidpunkten för tolkningen av uppgifterna.

Dimers

GA -atomer interagerar med varandra tack vare den metalliska länken. En viss grad av kovalens har emellertid hittats mellan två angränsande atomer, så förekomsten av GA -dimeren antas₂ (Gaggig).

I teorin bör denna kovalenta bindning bildas genom överlappningen av 4P -orbitalet, med dess enda elektron enligt den elektroniska konfigurationen:

[AR] 3D¹⁰ 4S² 4p¹

Denna blandning av kovalenta metalliska interaktioner tillskrivs galliumens låga smältpunkt; Eftersom det å ena sidan kan finnas ett "hav av elektroner" som starkt upprätthåller GA -atomerna i glaset, å andra sidan₂, vars intermolekylära interaktioner är svaga.

Kan tjäna dig: utspädning: koncept, hur det görs, exempel, övningar

Faser under högt tryck

När trycket ökar från 4 till 6 GPa lider galliumkristaller fasövergångar; Från den ortorrombiska passerar den till kubikcentrerad på kroppen (GA-II), och från detta passerar den äntligen till det tetragonala centrerade på kroppen (GA-III). I pressintervallet bildas en blandning av kristaller möjligen, vilket gör tolkningen av strukturer ännu svårare.

Oxidationsnummer

De mest energielektronerna är de som finns i 4S- och 4P -orbitaler; Med tre av dem förväntas det därför att gallium kan förlora dem när de kombineras med mer elektronegativa element än honom.

När detta inträffar antas förekomsten av Ga -katjonen³⁺, Och det sägs att dess antal eller oxidationsstatus är +3 eller GA (III). I själva verket är detta det vanligaste av alla dess oxidationsnummer. Följande föreningar har till exempel gallium som +3: GA₂ANTINGEN₃ (Ga₂³⁺ANTINGEN₃^2-), GA₂Bras₆ (Ga₂³⁺Bras₆^-), Li₃Gan₂ (Li₃⁺Ga³⁺N₂^3-) och GA₂Te₃ (Ga₂³⁺Te₃^2-).

Galliet kan också hitta oxidationsnummer +1 och +2; Även om de är mycket mindre vanliga än +3 (liknande som det händer med aluminium). Exempel på sådana föreningar är GaCl (GA⁺Kli^-), GA₂Eller (GA₂⁺ANTINGEN^2-) och gasen (GA²⁺S^2-).

Observera att förekomsten av joner med belastningsstorlekar identiska med oxidationsnumret som beaktas.

Var är det och få

Ett urval av mineralgallita, vilket är sällsynt men är den enda med en märkbar koncentration av gallium. Källa: Rob Lavinsky, irocks.com-cc-by-sa-3.0 [CC BY-SA 3.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenser/BY-SA/3.0)]

Gallium finns i jordskorpan med ett överflöd som är proportionellt mot kobolt-, bly- och niobmetallerna. Det presenteras som en hydratiserad sulfid eller oxid, spridd som föroreningar i andra mineraler.

Dess oxider och sulfider är få vattenlösliga, så koncentrationen av gallium i havet och floderna är låg. Dessutom är det enda "rika" mineralet kycklingen (Cugas₂, övre bild). Det är emellertid opraktiskt att utnyttja kycklingen för att få denna metall. Mindre känd är fortfarande Gallium plumbogumita mineral.

Därför finns det inga idealiska vindar för denna metall (med en koncentration större än 0,1% i massa).

Istället erhålls Gallium som en sekundär produkt av metallmetallbehandling av andra metaller. Till exempel kan det extraheras från bauxiterna, zinkblendor, tjurar, kol, gallens, pyriter, germanitas, etc.; Det vill säga det är vanligtvis associerat med aluminium, zink, kol, bly, järn och germanio i olika mineralorgan.

Jon- och elektrolysutbyteskromatografi

När mineralens råmaterial smälts eller upplösts, antingen på starkt syra eller grundläggande medel, erhålls en blandning av metalljoner som solubiliseras i vatten. Att vara gallium en sekundär produkt, dess gajoner³⁺ De förblir upplösta i blandningen när metallerna av intresse har utfallit.

Således vill du separera dessa GA³⁺ av de andra jonerna, med det enda syftet att öka dess koncentration och renhet av den resulterande metallen.

För att göra detta, förutom konventionella utfällningstekniker, används jonbytarkromatografi med hjälp av ett harts. Tack vare denna teknik är GA separerad (till exempel)³⁺ ca²⁺ eller tro³⁺.

När en mycket koncentrerad lösning av Ga -joner har erhållits³⁺, Det utsätts för elektrolys; det vill säga GA³⁺ Ta emot elektroner för att kunna bildas som en metall.

Isotoper

Gallium är i naturen främst som två isotoper: ⁶⁹GA, med ett överflöd på 60,11 %; och den ⁷¹GA, med ett överflöd på 39,89 %. Det är av denna anledning som atomvikten i gallium är 69 723 U. De andra galliumisotoperna är syntetiska och radioaktiva, med atommassor som svänger mellan ⁵⁶Ga a ⁸⁶Ga.

Risker

Miljö och fysisk

Ur miljökraften är det metalliska gallium inte särskilt reaktivt och lösligt i vatten, så deras spill i teorin representerar inte allvarliga föroreningsrisker. Dessutom är det okänt vilken biologisk roll som kan ha i organismer, som är de flesta av dess atomer som utsöndras av urin, utan tecken på att kunna samlas i någon av dess vävnader.

Till skillnad från Merkurius kan Gallic manipuleras med bara händer. Faktum är att experimentet för att försöka smälta det med händerna är ganska vanligt. En person kan röra vid den resulterande silvervätskan utan rädsla för att skada eller skada hans hud; Även om den lämnar en silverplats på den.

Kan tjäna dig: svaveldioxid (SO2): struktur, egenskaper, användningar, risker

Nu kan intag av att det kan vara giftigt, eftersom det i teorin skulle lösa sig i magen för att generera GaCl₃; Gallician salt vars kroppseffekter är oberoende av metall.

Metallskador

Gallium kännetecknas av färgning eller vidhäftning till ytor; Och om dessa är metalliska, korsar det dem och bildar legeringar direkt. Detta kännetecken för att kunna anpassa till nästan alla metaller gör det inte lämpligt att spilla vätska Galio på något metallobjekt.

Därför riskerar metalliska föremål i stycken i närvaro av gallium. Dess handling kan vara så långsam och obemärkt att det ger oönskade överraskningar; Särskilt om det har spillt på en metallstol, som kan falla ner när någon sitter i den.

Det är därför de som vill manipulera Gallien ska aldrig sätta det i kontakt med andra metaller. Till exempel kan dess vätska lösa upp aluminiumfolien, samt smyga in i indiska, järn- och tennkristaller, för att göra dem spröda.

I allmänna termer, trots de nyligen nämnda.

Ansökningar

Termometrar

Galinstan termometrar. Källa: Gelegenheitsauter [Pub Pubblish]

Gallium har ersatt kvicksilver som vätska för att läsa temperaturen som markeras av termometern. Emellertid är dess fusionspunkt på 29,7 ºC fortfarande hög för denna applikation, varför den i sitt metalliska tillstånd inte skulle vara livskraftigt att använda den i termometrarna; Istället används en legering som heter Galinstan (GA-in-SN).

Galinstan -legeringen har en smältpunkt runt -18 ºC och tillsatte dess noll toxicitet gör det till ett idealiskt ämne för utformningen av oberoende medicinska termometrar av kvicksilver. På detta sätt, om du bryter skulle det vara säkert att rengöra katastrofen; Även om det skulle smutsiga golvet på grund av dess förmåga att våta ytorna.

Tillverkning av speglar

Återigen nämns nämnda våtheten i gallium och dess legeringar. När du rör vid en porslinyta eller ett glas sprids det över ytan för att täcka det helt i en silverspegel.

Förutom speglar har Galliums legeringar använts för att skapa föremål i alla former, för när de väl kyler stelnar de. Detta kan ha stor nanoteknologisk potential: att bygga föremål med mycket små dimensioner, som logiskt skulle fungera vid låga temperaturer och skulle visa unika egenskaper baserade på gallium.

Datorer

Från galliumlegeringar har termisk pasta som används i datorprocessorer utvecklats.

Läkemedel

GA -joner³⁺ De håller en viss likhet med tro³⁺ I hur de ingriper i metaboliska processer. Därför, om det finns en funktion, parasit eller bakterier som kräver att järn ska utföra, kan de stanna genom att förvirra den av gallium; Sådan är fallet med Pseudomonas -bakterier.

Så det är här galliumläkemedel dyker upp, som helt enkelt kan bestå av deras oorganiska salter, eller organogal. La Ganita, kommersiellt namn för galliumnitrat, GA (nej₃)₃, Det används för att reglera höga kalciumkoncentrationer (hyperkalcemi) associerade med bencancer.

Teknologisk

Gallium arseniuro och nituro. Med dem har transistorer, lasrar och ljusutsläpp (blå och violetta), chips, solceller etc. tillverkats. Till exempel, tack vare Lasers of the GaN kan du läsa Blu-ray-skivorna.

Katalysatorer

Galliumoxider har använts för att studera sin katalys i olika organiska reaktioner av stort industriellt intresse. En av de senaste galliska katalysatorerna består av sin egen vätska, på vilka atomer av andra metaller som fungerar såsom aktiva centra eller platser sprids.

Till exempel har Galio-Paladio-katalysatorn studerats i reaktionen av butandehygenationen; det vill säga Make Butane. Denna katalysator består av flytande gallium som fungerar som stöd för paladiumatomer.

Referenser

1. Sella Andrea. (23 september 2009). Gallium. Kemivärld. Återhämtat sig från: Chemistryworld.com
2. Wikipedia. (2019). Gallium. Hämtad från: i.Wikipedia.org
3. Li, r., Wang, l., Li, l., Yu, t., Zhao, h., Chapman, K. W. Liu, h. (2017). Lokal struktur av flytande gallium under tryck. Vetenskapliga rapporter, 7 (1), 5666. Doi: 10.1038/s41598-017-05985-8
4. Brahama D. Sharma & Jerry Donohue. (1962). En förfining av kristallstrukturen i gallium. Zeitschrift fiir Kristallógraphie, BD. 117, s. 293-300.
5. Wang, w., Qin och., Liu, x. et al. (2011). Distribution, förekomst och berikningsorsaker till gallium i kol från Jungar Coalfield, Inner Mongoliet. Sci. China Earth Sci. 54: 1053. doi.org/10.1007/S11430-010-4147-0
6. Marques Miguel. (s.F.). Gallium. Återhämtat sig från: nautilus.Fis.Uc.Pt
7. Redaktörerna för Enyclopaedia Britannica. (5 april 2018). Gallium. Encyclopædia Britannica. Återhämtat sig från: Britannica.com
8. Bloom Josh. (3 april 2017). Gallium: smälter i munnen, inte dina händer! American Council on Science and Health. Återhämtat sig från: ACSH.org
9. Doktor. Doug Stewart. (2019). Galliumelement fakta. Kemikkolis. Återhämtat sig från: Chemicool.com
10. Nationellt centrum för bioteknikinformation. (2019). Gallium. Pubchemdatabas. CID = 5360835. Återhämtat sig från: pubchem.Ncbi.Nlm.Nih.Gov