Среди различных видов металлов особый интерес вызывает элемент, который называется галлий. Он представляет собой компонент, который достаточно легко режется. Сделать это можно даже обычным ножом, а температура плавления одна из самых низких. Процесс запускается уже при 34 градусах, что указывает на возможность плавления, когда металл находится в руке. Нужно внимательно изучить химические и физические свойства рассматриваемого компонента, чтобы правильно определить сферу и направление применения. Тогда металл покажет себя с лучшей стороны и станет полезным компонентом в составе.
Содержание:
Описание металла
Галлий представляет собой легкий и одновременно хрупкий металл. Он имеет серебристо-белый цвет с синеватым оттенком. Рассматриваемый элемент периодической системы Менделеева был открыт в 1875 году. Нужно отметить, что он относится к группе рассеянных компонентов. Это означает, что содержание в земной коре составляет 19 г на тонну породы. По содержанию в рудах его можно сравнить с такими элементами, как литий или олово. В 90% случаев металл можно обнаружить в минералах:
- Полевой шпат
- Гранат
- Турмалин
- Серицит
Крупные месторождения расположены на территории РФ и в странах Юго-Западной Африки. Металл можно найти в чистом виде или в составе алюминиевых, цинковых или германиевых руд. Также в их составе можно найти такие компоненты, как бокситы или германит. Если проводить сравнение с алюминием, то станет понятно, что галлий является менее химически активным элементом. Выражается это в том, что под воздействием воздуха на поверхности металла образуется оксидная пленка. Ее основная задача заключается в том, чтобы обеспечивать надежную защиту поверхность металла, то есть, не допускать начала процессов окисления.
Галлий активно взаимодействует с различными минеральными кислотами. В результате прохождения реакции выделяется большое количество соли и водорода. Благодаря своим свойствам, галлий является одним из самых востребованных и одновременно дорогих металлов в мире. Стоимость 1 тонны элемента превышает показатель в 1.5 млн долларов. Высокие цены можно объяснить тем, что извлекать из породы этот компонент достаточно сложно. Также его залежи не слишком распространены.
Обозначение элемента в периодической таблице Менделеева – Ga. Там его можно найти под атомным номером 31. Металл находится в 4-м периоде и является третьим элементом 3-й основной группы или группы бора. Еще один интересный момент, который нужно указать, касается того, что этот металл легко превращается в жидкость. Галлий кристаллизуется не в одной из кристаллических структур, а в его наиболее стабильной модификации в орторомбической структуре с димерами галлия. Эту особенность нужно учитывать, например, на производствах или во время проведения исследований. Дополнительный момент, который следует учитывать, касается того, что сегодня ученым известны 6 модификаций этого элемента, которые образуются в особых условиях кристаллизации. Также они могут появляться и под воздействием высокого давления.
Также важно понимать, что по своим химическим свойствам металл очень похож на алюминий.
В природе галлий встречается в основном в виде примеси в алюминиевых, цинковых или германиевых рудах, что оказывает влияние на стоимость. Также его также получают как побочный продукт в процессе производстве алюминия или цинка. 90% галлия перерабатывается затем в полупроводниковый арсенид галлия. Он используется для изготовления светодиодов.
Еще немного информации по запасам галлия. В мире всего можно найти 1,6 · 106 тонн в бокситах.
Физические свойства
Физические свойства рассматриваемого металла необходимо знать, чтобы правильно применять его в различных сферах деятельности. Основные показатели следующие:
- Температура плавления – 29,79 градусов
- Температура кипения – 2205 градусов
- Показатель твердости по шкале Мооса – 1,5-2
- Относительная атомная масса - 69,723
- Плотность - 5,91 г/см3.
Металл является достаточно мягким. Его особенность заключается в том, что уже при комнатной температуре можно произвести процедуру прокатки в тонкие листы. Этот момент делает обработку удобной и легкой. Для создания полноценного производственного цеха не потребуется установка дополнительного оборудования, которое используется для нагревания металла перед прокатом. Одновременно нужно учитывать, что во время резки этот металл демонстрирует повышенную хрупкость. Он достаточно легко ломается по линии разреза. Галлий обладает уникальной структурой кристаллической решетки. Причина в том, что металл кристаллизуется в ортогональной сингонии. Нужно обратить внимание на тот момент, что структура галлия похожа на кристаллический йод и состоит из так называемых псевдомолекул Ga2. Также нужно указать, рассматривая физические свойства элемента, что расстояние между атомами равняется 2,44. Каждый атом в псевдомолекуле окружен 6 атомами, расположенными попарно. Они немного удалены от основного. В расплавленном состоянии молекулы Ga2 сохраняются. Структура жидкого галлия гексагональная плотноупакованная. Одновременно с этим нужно учитывать, что в парах галлий одноатомный.
Благодаря молекулярной кристаллической решетке металл входит в группу легкоплавких. По этому показателю он уступает только ртути и цезию. Нужно помнить, что показатели температуры кипения относятся к высоким. В результате температурный интервал существования жидкой фазы элемента достаточно широкий.
Подробнее нужно разобраться и с показателями плотности. У жидкого металла она будет выше, чем у того, который находится в твердой форме. В результате при кристаллизации показатель его объема возрастает. Также нужно понимать, что это один из немногих металлов, который в жидком состоянии хорошо смачивающий многие материалы, например, стекло. Элемент демонстрирует склонность к переохлаждению. Когда металл расплавлен и затем вновь охлажден, он может сохраняться при комнатной или низкой температуре, не получая при этом повреждений. При кристаллизации сильно переохлажденного металла вместо обычной модификации могут образоваться кристаллы неустойчивой формы. В результате температура плавления составит всего 16,3 градуса. В этом состоянии атомы образуют зигзагообразные цепочки. Дополнительно к этому получены еще 3 неустойчивые модификации галлия. Их температуры плавления ниже указанной. Под воздействием высокого давления рассматриваемый металл переходит в галлий (2),имеющий структуру индия. Затем он может преобразоваться в галлий (3). Все эти особенности нужно знать и учитывать во время работы с металлом или использованием его в качестве элемента, который требуется для исследований и аналитических действий.
Химические свойства
Нужно начать с того, что галлий, является амфотерным металлом. В этом он похож на алюминий.
Минеральные кислоты растворяют его медленно на холоде. Быстрее процесс протекает при нагревании. Металл растворяется в щелочах, в результате чего происходит процесс образования гидроксогаллатов. Рассматриваемый элемент легко реагирует с галогенами. Процесс протекает при небольшом нагревании. Если же повысить температуру, то реакция будет происходить уже с серой. С водородом и азотом металл непосредственно не соединяется. При нагревании в атмосфере аммиака до температуры, которая превышает показатель в 900 градусов, образует соединение, которое называется нитрид GaN. При высокой температуре металл обладает сильными коррозионными свойствами, он разъедает материалы сильнее, чем любой другой расплавленный металл. Этот момент нужно учитывать в работе с элементом.
Если создать обычные условия, то на поверхности этого металла будет образовываться тонкая оксидная пленка. Она является защитной, так как предотвращает дальнейшее окисление элемента, которое происходит под влиянием кислорода. Нужно обратить внимание на тот факт, что, когда воздух влажный галлий окисляется быстрее. На его поверхности можно наблюдать образование метагидроксида.
Если температура воздуха обычная, то элемент демонстрирует стойкость. Процесс окисления в сухом кислороде начинается, когда температура повышается до 260 градусов. В серной и соляной кислотах элемент растворяется медленно. Одновременно с этим в плавиковой кислоте процесс идет быстро, в азотной кислоте на холоде металл устойчив. В горячих растворах щелочей он растворяется медленно. Хлор и бром реагируют с ним на холоде, тогда как йод - при нагревании. Расплавленный металл при температуре, которая будет выше 300 градусов, взаимодействует со всеми металлами и сплавами. Нужно обратить внимание на тот факт, что наибольшую устойчивость демонстрируют трехвалентные соединения галлия. Одно- и двухвалентные соединения также активно вступают в реакции. Высший оксид галлия Gа2О3 представляет собой вещество белого цвета. Оно не растворяется в воде. Гидрооксид же осаждается из растворов солей этого металла в виде белого студенистого осадка. Она имеет ярко выраженный амфотерный характер. Если происходит растворение в щелочах, то после прохождения реакции образуются галлаты. При растворении в кислотах будут образовываться уже разнообразные соли галлия. Кислотные свойства у гидрооксида галлия выражены сильнее, чем у гидрооксида алюминия, несмотря на схожесть этих компонентов, что нужно учитывать. Так, например, гидрооксид галлия растворяется не только в сильных щелочах, но и в растворах аммиака. Когда производится кипячение, то из аммиачного раствора повторно выпадает гидрооксид галлия. Этот момент также нужно учитывать в процессе работы с металлом.
Если рассматривать только соли галлия, то станет понятно, что наибольшее значение имеют хлорид галлия и сульфат галлия. В последнем случае с сульфатами щелочных металлов и аммония образует двойные соли, такие как квасцы. Еще один момент касается того, что галлий образует малорастворимый в воде и разбавленных кислотах ферроцианид галлия. Эта реакция применяется, когда требуется отделить рассматриваемый металл от алюминия.
Стоимость галлия
Поскольку этот металл относится к редким, его тяжело и долго добывать, то и цена является одной из самых больших. Так за 1 т этого элемента установлена стоимость в 1,5 млн долларов. Именно по этой причине все компоненты, в которых содержится этот металл, также имеют высокую цену.
Где применяется
Так как рассматриваемый металл демонстрирует уникальные свойства, как химические, так и физические, его активно применяют в различных производственных и технических сферах. Интересно, что без использования этого элемента не существовало бы таких привычных сегодня любому человеку технологий, как Wi-Fi, Bluetooth. Не работала бы и мобильная связь. Причина в том, что чипы, произведенные с использованием галлия, используются в беспроводных сетях. Компоненты же, произведенные из нитрида галлия, успешно применяются в зарядных устройствах, а также в электромобилях.
Основной сферой, в которой используется галлий, является производство микропроцессорной электроники. В этом направлении применяется более 90% от всего количества металла. Нужно указать, что арсенид галлия - полупроводник, такой же как и кремний. Отличие состоит в том, что при работе на сверхвысоких частотах он обеспечивает более качественную связь и одновременно снижает количество и выраженность шумов.
Нужно учитывать, что электроны галлия движутся в несколько раз быстрее, чем у кремния. Этот момент позволяет повысить скорость передачи сигналов. Раньше из этого материала производились исключительно уникальные детали - солнечные элементы для космических станций. После того как появились стандарты связи 3G и 4G потребность в рассматриваемом металле возросла более чем в 10 раз. Причина в том, что чипы также содержат этот компонент.
Еще одной сферой применения галлия является изготовление светодиодов. Соединения редкого металла с другими элементами позволяет получить элементы с различным цветовым спектром, способные при этом светиться лучисто и ярко. Так, для инфракрасного излучения используют арсенид галлия или его сплав с алюминием. Если требуется произвести компоненты для зеленого цвета, то применяется фосфид галлия с алюминием и индием, для фиолетового же такой сплав, как индия-галлия нитрид.
Нитрид галлия применяется при изготовлении таких компонентов и элементов, как:
- Жидкокристаллические дисплеи
- Компоненты для электрических распределительных устройств
- Промышленные систем управления
- Источники микроволнового излучения
- Базовые станции для беспроводных сетей
Нужно учитывать, что производственная сфера этого сегмента постоянно развивается. Сегодня галлий применяется еще и при создании тонкопленочных фотоэлектрических элементов. Они, например, используются для поглощения солнечного излучения. Существует и еще одна отрасль, в которой галлий пользуется повышенным спросом – носимая электроника. В нее входят устройства, способные создавать единое целое с человеческим телом, например, чипы, различные сенсоры. Для того чтобы произвести подобные элементы, необходимы жидкие провода. Они не только сохранят свою электропроводность, но и не будут препятствовать проникновению света, тепла или влаги. Нужно понимать, что достигнуть необходимых показателей по водо- и светопроницаемости достаточно просто, требуется применить прозрачную полимерную основу, но, чтобы достигнуть желаемого рассеивания тепла необходим исключительно этот металл. Для этой цели галлий помещается в эластичную оболочку, изготовленную из полимеров. Важно учитывать, что устройства с жидкими проводами не используются массово, но являются перспективными элементами производственного процесса, так как могут применяться, например, в медицине. Также эти компоненты применяются для создания элементов систем виртуальной реальности, а также используется для передачи информации о тактильных ощущениях.