Galio -eigenschappen, structuur, verkrijgen, gebruik

Hij gallium Het is een metalen element dat wordt weergegeven door het GA -symbool en dat behoort tot groep 13 van het periodiek systeem. Chemisch gezien lijkt het op aluminium in zijn amfoterisme; Beide metalen vertonen echter eigenschappen die ze voor elkaar kunnen onderscheiden.

Aluminiumlegeringen kunnen bijvoorbeeld werken om ze allerlei cijfers te geven; terwijl die van de gallium zeer lage smeltpunten hebben, bestaande uit zilveren vloeistoffen. Evenzo is het smeltpunt van het gallium lager dan dat van aluminium; De eerste kan smelten door de hitte van de hand, terwijl de tweede dat niet doet.

Galliumkristallen verkregen door afzetting. Bron: Maxim Bilovitskiy [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/4.0)]

De chemische gelijkenis tussen Gallië en aluminium groepeert ze ook geochemisch; dat wil zeggen, mineralen of rijk aluminium, zoals bauxieten, hebben schattende galliumconcentraties. Afgezien van deze mineralogische bron zijn er andere zink, lood en koolstof, wijd verspreid over de aardkorst.

Gallium is in de volksmond geen bekend metaal. Alleen zijn naam kan het beeld oproepen van een haan in gedachten. In feite worden grafische en algemene representaties van het gallium meestal gevonden met het beeld van een zilveren haan; Geschilderd met vloeibaar gallium, substantie van grote bevochtiging over glas, keramiek en dezelfde hand.

De experimenten waarin stukken metaalgallium worden gesmolten, zijn frequent, evenals de manipulatie van zijn vloeistof en de neiging om alles te bevlekken wat het aanraakt.

Hoewel het gallium niet giftig is, zoals kwik, is het een metalen destructief middel, omdat ze ze bros en onbruikbaar maken (in eerste instantie). Aan de andere kant komt farmacologisch tussenbeide in de processen waar biologische matrices ijzer gebruiken.

Voor degenen die zich in de wereld van optolectronica en halfgeleiders bevinden, hebben ze het gallium in hoog waardering, vergelijkbaar en, misschien, superieur aan hetzelfde silicium. Aan de andere kant zijn thermometers, spiegels en objecten op basis van hun legeringen vervaardigd met de Gallic.

Chemisch gezien heeft dit metaal nog veel te bieden; Misschien op het gebied van katalyse, van kernenergie, bij de ontwikkeling van nieuwe halfgeleidermaterialen, of "eenvoudig" in de verduidelijking van de verwarrende en complexe structuur.

[TOC]

Geschiedenis

Voorspellingen van zijn bestaan

In 1871 had de Russische chemicus Dmitri Mendeleev het bestaan ​​al voorspeld van een element waarvan de eigenschappen leken op die van aluminium; Waarop hij Ekaluminio noemde. Dit element moet zich net onder aluminium bevinden. Mendeleev voorspelde ook de eigenschappen (dichtheid, smeltpunt, formules van zijn oxiden, enz.) van de Ekaluminio.

Ontdekking en isolatie

Verrassend genoeg had vier jaar later de Franse chemicus Paul-Emili Lecoq van Boisbaudran een nieuw element gevonden in een steekproef van sphaleriet (zink Blenda), van de Pyreneeën. Hij kon het ontdekken dankzij een spectroscopische analyse, waarin hij het spectrum van twee violette lijnen waarnam die niet samenviel met dat van een ander element.

Na een nieuw element te hebben ontdekt, voerde LECOQ experimenten uit op 430 kg sphaleriet, waaruit hij in staat was om 0,65 gram hiervan te isoleren; En na een reeks metingen van zijn fysische en chemische eigenschappen, kwam het tot de conclusie dat het de ekalumino's van Mendeleev waren.

Om het te isoleren, voerde LECOQ de elektrolyse van zijn respectieve hydroxide in kaliumhydroxide uit; waarschijnlijk hetzelfde waarmee hij de spheny oploste. Door te verklaren dat het de Ekaluminio was, en omdat hij ook de ontdekker was, gaf hij hem de naam 'Galio' (galium in het Engels). Deze naam is afgeleid van de naam 'Gallia', die in het Latijn Frankrijk betekent.

De naam presenteert echter een andere nieuwsgierigheid: 'Lecoq' in het Frans betekent 'Gallo' en in het Latijnse 'Gallus'. Als metaal werd 'Gallus' 'gallium'; Hoewel in het Spaans de conversie veel directer is. Het is dus geen toeval dat je aan een haan denkt wanneer je over de Gallic praat.

Fysische en chemische eigenschappen

Uiterlijk en fysieke kenmerken

Gallium is een zilveren metaal van glazig oppervlak, toilet, met een samentrekkende smaak. Zijn vaste stof is zacht en bros, en wanneer breuken het op een concoze manier doet; dat wil zeggen, de gevormde stukken zijn gebogen, vergelijkbaar met de zeeschelpen.

Wanneer hij smelt, afhankelijk van de hoek waarmee hij heeft geobserveerd, kan hij een blauwachtige helderheid tonen. Deze zilveren vloeistof is niet giftig voor contact; Het "houdt" het echter te veel vast aan oppervlakken, vooral als ze keramiek of glas zijn. Een enkele druppel gallium kan bijvoorbeeld de binnenkant van een glazen glas doordringen om het van een zilveren spiegel te bedekken.

Als een vast fragment ervan wordt afgezet in vloeistof, dient het als een kern waarbij routilerende galliumkristallen zich ontwikkelen en groeien.

Atoomnummer (z)

31 (₃₁Ga)

Molaire massa

69,723 g/mol

Smeltpunt

29,7646 ºC. Deze temperatuur kan worden bereikt als een galliumglas tussen beide handen wordt bewaard om te smelten.

Het kan u van dienst zijn: benzimidazole (C7H6N2): Geschiedenis, structuur, voordelen, nadelen

Kookpunt

2400 ºC. Let op de grote kloof tussen 29,7 ºC en 2400 ° C; Dat wil zeggen, het vloeibare gallium heeft een zeer lage stoomdruk, en dit wordt gemaakt door een van de elementen met het grootste temperatuurverschil tussen de vloeistof- en gasvormige toestand.

Dikte

-Bij kamertemperatuur: 5,91 g/cm³

-Op het smeltpunt: 6.095 g/cm³

Merk op dat hetzelfde gebeurt met de gallium als bij het water: de dichtheid van zijn vloeistof is groter dan die van zijn vaste stof. Daarom zullen hun kristallen over vloeibaar gallium drijven (galliumijsberg). In feite is de uitbreiding van het vaste volume (drie keer) zodanig, wat onhandig is om vloeistofgallium op te slaan in containers die geen kunststoffen zijn.

Fusiewarmte

5,59 kJ/mol

Verdampingswarmte

256 kJ/mol

Molaire warmtecapaciteit

25.86 J/(mol · k)

Dampdruk

Bij 1037 ºC oefent alleen uw vloeistof een druk uit van 1 PA.

Elektronegativiteit

1.81 op de Pauling -schaal

Ionisatie -energieën

-Eerst: 578,8 kJ/mol (GA⁺ gasvormig)

-Ten tweede: 1979.3 kJ/mol (GA²⁺ gasvormig)

-Derde: 2963 kJ/mol (GA³⁺ gasvormig)

Warmtegeleiding

40,6 w/(m · k)

Elektrische weerstand

270 nω · m bij 20 ºC

Mohs hardheid

1.5

Smurrie

1.819 CP bij 32 ºC

Oppervlaktespanning

709 DIN/cm A 30 ºC

Anfoterisme

Net als aluminium is gallium amfoterisch; reageert met zowel zuren als basen. Sterke zuren kunnen het bijvoorbeeld oplossen om Gallul Sales (III) te vormen; Als ze h zijn₂SW₄ en HNO₃, Ze produceren GA₂(SW₄))₃ en gewonnen₃))₃, respectievelijk. Terwijl bij het reageren met sterke bases er galate zouten zijn, met het Ga ion (oh)₄^-.

Let op de gelijkenis tussen de GA (OH)₄^- En de (oh)₄^- (Aluminaat). Als de galliumhydroxide (III), GA (OH) wordt toegevoegd aan de omgeving, wordt gevormd₃, die ook amfoterisch is; Bij het reageren met sterke bases produceert GA (OH) opnieuw₄^-, Maar als het reageert met sterke zuren, brengt het de complexe ACU uit₂))₆]³⁺.

Reactiviteit

Het metalen gallium is relatief inert bij kamertemperatuur. Het reageert niet met de lucht, omdat een dunne laag oxide₂OF₃, beschermt het tegen zuurstof en zwavel. Wanneer de oxidatie van het metaal echter doorgaat, is het volledig transformeren in zijn oxide. En als er zwavel aanwezig is, reageren bij hoge temperaturen om de GA te vormen₂S₃.

Er zijn niet alleen galliumoxiden en sulfiden, maar ook fosfiden (GAP), arseniuros (GaAs), nitro (GAN) en antimoniuros (GASB). Dergelijke verbindingen kunnen ontstaan ​​door directe reactie van de elementen bij hoge temperaturen, of door alternatieve synthetische routes.

Evenzo kan gallium reageren met halogenen om hun respectieve haluros te vormen; zoals GA₂Klet₆, GAF₃ en GA₂Je₃.

Dit metaal, zoals aluminium en zijn congeneren (leden van dezelfde groep 13), kan covalent interageren met koolstofatomen om organometallische verbindingen te veroorzaken. In het geval van die met GA-C-links worden ze organogalen genoemd.

Het meest interessante gallium is geen van zijn eerdere chemische kenmerken, maar het enorme gemak waarmee het kan worden verhoogd (vergelijkbaar met dat van kwik en zijn amalgatieproces). Hun GA -atomen zijn snel "code" tussen metalen kristallen, die aanleiding geven tot galliumlegeringen.

Elektronische structuur en configuratie

Complexiteit

Gallium is niet alleen ongebruikelijk over het feit dat het een metaal is dat de hitte van de palm van de hand opricht, maar ook de structuur ervan is complex en onzeker.

Aan de ene kant is het bekend dat hun kristallen een ortorrombische structuur (GA-I) onder normale omstandigheden aannemen; Dit is echter slechts een van de vele mogelijke fasen voor dit metaal, dat niet is gespecificeerd wat de bestelling van zijn atomen nauwkeurig is. Het is daarom een ​​complexere structuur dan met het blote oog zou kunnen verschijnen.

Het lijkt erop dat de resultaten variëren afhankelijk van de hoek of richting waarin de structuur (anisotropie) wordt geanalyseerd (anisotropie). Evenzo zijn deze structuren zeer gevoelig voor de minste verandering in temperatuur of druk, waardoor gallium niet wordt gedefinieerd als een enkel type kristal op het moment van interpretatie van de gegevens.

Dimmen

GA -atomen interageren met elkaar dankzij de metalen link. Er is echter een zekere mate van covalentie gevonden tussen twee aangrenzende atomen, dus het bestaan ​​van het GA -dimeer wordt aangenomen₂ (Gaga).

In theorie moet deze covalente binding worden gevormd door de overlapping van het 4P -orbitaal, met zijn enige elektron volgens de elektronische configuratie:

[AR] 3D¹⁰ 4S² 4P¹

Dit mengsel van covalente-metalen interacties wordt toegeschreven aan het lage smeltpunt van het gallium; Omdat, hoewel er enerzijds een "zee van elektronen" kan zijn die de GA -atomen in het glas sterk onderhoudt, anderzijds₂, waarvan de intermoleculaire interacties zwak zijn.

Kan u van dienst zijn: verdunning: concept, hoe het wordt gedaan, voorbeelden, oefeningen

Fasen onder hoge druk

Wanneer de druk toeneemt van 4 tot 6 GPa, lijden galliumkristallen fase -overgangen; Van de ortorrombic gaat het over naar de kubieke gecentreerde op het lichaam (GA-II), en hieruit gaat het uiteindelijk over naar het tetragonaal gecentreerd op het lichaam (GA-III). In het persinterval vormt zich mogelijk een mengsel van kristallen, wat de interpretatie van structuren nog moeilijker maakt.

Oxidatienummers

De meeste energie -elektronen zijn die gevonden in 4S en 4p orbitalen; Met drie van hen wordt daarom verwacht dat het gallium ze kan verliezen in combinatie met meer elektronegatieve elementen dan hij.

Wanneer dit gebeurt, wordt het bestaan ​​van het Ga -kation verondersteld³⁺, En er wordt gezegd dat het aantal of de oxidatiestatus +3 of GA (III) is. In feite is dit de meest voorkomende van al zijn oxidatienummers. De volgende verbindingen hebben bijvoorbeeld Gallium als +3: GA₂OF₃ (GA₂³⁺OF₃^2-), GA₂BR₆ (GA₂³⁺BR₆^-), Li₃Gan₂ (Li₃⁺GA³⁺N₂^3-) en GA₂Thee₃ (GA₂³⁺Thee₃^2-)).

Het gallium kan ook oxidatienummers van +1 en +2 vinden; Hoewel ze veel minder gebruikelijk zijn dan +3 (vergelijkbaar als het gebeurt met aluminium). Voorbeelden van dergelijke verbindingen zijn de GACL (GA⁺Klet^-), GA₂Of (ga₂⁺OF^2-) en het gas (GA²⁺S^2-)).

Merk op dat het bestaan ​​van ionen met belastingen identiek aan het oxidatienummer dat wordt overwogen.

Waar is het en verkrijgt

Een monster van minerale gallita, wat zeldzaam is, maar de enige is met een merkbare concentratie gallium. Bron: Rob Lavinsky, irocks.com-cc-by-sa-3.0 [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/3.0)]

Gallium wordt gevonden in de korst van de aarde met een overvloed aan evenredig met die van kobalt-, lood- en niobiummetalen. Het wordt gepresenteerd als een gehydrateerd sulfide of oxide, wijd verspreid als onzuiverheden in andere mineralen.

De oxiden en sulfiden zijn weinig oplosbaar water, dus de concentratie van het gallium in de zeeën en rivieren is laag. Bovendien is het enige "rijke" mineraal de kip (cugas₂, bovenste afbeelding). Het is echter onpraktisch om de kip te exploiteren om dit metaal te verkrijgen. Minder bekend is nog steeds het Gallium Plumbogumita Mineral.

Daarom zijn er geen ideale winden voor dit metaal (met een concentratie groter dan 0,1% in massa).

In plaats daarvan wordt gallium verkregen als een secundair product van metaalbehandeling van andere metalen. Het kan bijvoorbeeld worden geëxtraheerd uit de bauxieten, zinkblendas, stieren, kolen, gallen, pyrieten, germanitas, enz.; Dat wil zeggen, het wordt meestal geassocieerd met aluminium, zink, koolstof, lood, ijzer en germanio in verschillende minerale lichamen.

Ion- en elektrolyse -uitwisselingschromatografie

Wanneer de minerale grondstof wordt verteerd of opgelost, hetzij in sterk zuur of basismiddelen, wordt een mengsel van metaalionen die in water worden opgelost, verkregen. Zijnde Gallium een ​​secundair product, zijn Ga -ionen³⁺ Ze blijven opgelost in het mengsel zodra de interesse metalen zijn neergeslagen.

Dus je wilt deze GA scheiden³⁺ van de andere ionen, met als enig doel de concentratie en zuiverheid van het resulterende metaal te vergroten.

Om dit te doen, wordt naast conventionele neerslagtechnieken gebruikt door ionenuitwisselingchromatografie met behulp van een hars. Dankzij deze techniek is de GA (bijvoorbeeld) gescheiden³⁺ van CA²⁺ of geloof³⁺.

Zodra een sterk geconcentreerde oplossing van Ga -ionen is verkregen³⁺, Het wordt onderworpen aan elektrolyse; dat wil zeggen de ga³⁺ Ontvang elektronen om zich als metaal te kunnen vormen.

Isotopen

Gallium is voornamelijk van aard als twee isotopen: de ⁶⁹GA, met een overvloed van 60,11 %; en de ⁷¹GA, met een overvloed van 39,89 %. Het is om deze reden dat het atoomgewicht van het gallium 69.723 u is. De andere galliumisotopen zijn synthetisch en radioactief, waarbij atomaire massa's oscilleren tussen ⁵⁶Ga a ⁸⁶GA.

Risico's

Milieu en fysiek

Vanuit het oogpunt van het milieu is het metalen gallium niet erg reactief en oplosbaar in water, dus hun morsen in theorie vertegenwoordigen geen ernstige verontreinigingsrisico's. Bovendien is het onbekend wat biologische rol kan spelen in organismen, zijn de meeste van zijn atomen uitgescheiden door urine, zonder tekenen dat ze zich in een van zijn weefsels kunnen verzamelen.

In tegenstelling tot Mercurius kan Gallic worden gemanipuleerd met kale handen. In feite is het experiment om het te proberen te smelten met de hitte van de handen vrij gebruikelijk. Een persoon kan de resulterende zilveren vloeistof aanraken zonder angst om zijn huid te beschadigen of pijn te doen; Hoewel het er wel een zilveren vlek op laat.

Kan u van dienst zijn: zwaveldioxide (SO2): structuur, eigenschappen, gebruik, risico's

Nu kan het innemen dat het giftig is, omdat het in theorie in de maag zou oplossen om GACL te genereren₃; Gallisch zout waarvan de lichaamseffecten onafhankelijk zijn van metaal.

Schade aan metalen

Gallium wordt gekenmerkt door vlekken of hechten aan oppervlakken; En als deze metaalachtig zijn, kruist het hen en vormt het onmiddellijk legeringen. Dit kenmerk van het kunnen vermelden van bijna alle metalen maakt het niet geschikt om vloeistofgalio op een metaalobject te morsen.

Daarom lopen metalen objecten het risico in stukken in stukken in aanwezigheid van gallium. De actie ervan kan zo traag en onopgemerkt zijn, dat het ongewenste verrassingen oplevert; Vooral als het op een metalen stoel is gemorst, die zou kunnen vallen als iemand erin zit.

Dat is de reden waarom degenen die Gallië willen manipuleren, het nooit in contact moeten brengen met andere metalen. De vloeistof is bijvoorbeeld in staat om de aluminiumfolie op te lossen, evenals sluipen in de Indiase, ijzer- en tinkristallen, om ze bros te maken.

In het algemeen, ondanks de nieuw genoemde.

Toepassingen

Thermometers

Galinstan thermometers. Bron: Gelegenheitsauter [Pub Pubblish]

Het gallium heeft kwik vervangen als vloeistof om de temperaturen te lezen die door het thermometer zijn gemarkeerd. Het fusiepunt van 29,7 ºC is echter nog steeds hoog voor deze toepassing, daarom zou het in zijn metalen toestand niet haalbaar zijn om het in de thermometers te gebruiken; In plaats daarvan wordt een legering genaamd Galinstan (GA-in-SN) gebruikt.

De legering van Galinstan heeft een smeltpunt rond -18 ºC en voegde eraan toe dat de nultoxiciteit het een ideale stof maakt voor het ontwerp van onafhankelijke medische thermometers van kwik. Op deze manier, als je breekt, zou het veilig zijn om de ramp schoon te maken; Hoewel het de vloer vuil zou maken vanwege het vermogen om de oppervlakken nat te maken.

Vervaardiging van spiegels

Nogmaals, vermelding is gemaakt van de natheid van het gallium en zijn legeringen. Bij het aanraken van een porseleinen oppervlak of een glas, verspreidt het zich over het oppervlak om het volledig in een zilveren spiegel te bedekken.

Naast spiegels zijn de legeringen van Gallium gebruikt om objecten in alle vormen te maken, want als ze eenmaal afkoelen, stollen ze. Dit kan een groot nanotechnologisch potentieel hebben: objecten van zeer kleine dimensies bouwen, die logisch zouden werken bij lage temperaturen, en unieke eigenschappen zou vertonen op basis van de gallium.

Computers

Van galliumlegeringen is thermische pasta gebruikt in computerprocessors ontwikkeld.

Drugs

Verloop³⁺ Ze houden een zekere gelijkenis met geloof³⁺ In hoe ze ingrijpen in metabole processen. Daarom, als er een functie is, parasiet of bacteriën die ijzer vereisen om te presteren, kunnen ze stoppen door het te verwarren door het gallium; Dat is het geval van pseudomonas -bacteriën.

Dus dit is waar galliumdrugs verschijnen, die eenvoudig kunnen bestaan ​​uit hun anorganische zouten of organogaal. La Ganita, commerciële naam voor galliumnitraat, GA (nee₃))₃, Het wordt gebruikt om hoge calciumconcentraties (hypercalciëmie) geassocieerd met botkanker te reguleren.

Technologisch

Gallium arseniuro en nituro. Met hen zijn transistors, lasers en lichtemitters (blauw en violet), chips, zonnecellen, enz. Vervaardigd. Dankzij de lasers van de GAN kunt u bijvoorbeeld de Blu-ray-schijven lezen.

Katalysatoren

Galliumoxiden zijn gebruikt om hun katalyse te bestuderen in verschillende organische reacties van grote industriële interesse. Een van de meest recente Gallische katalysatoren bestaat uit zijn eigen vloeistof, waarop atomen van andere metalen die functioneren zoals actieve centra of locaties zijn verspreid.

De Galio-Paladio-katalysator is bijvoorbeeld onderzocht bij de reactie van de butaandehygenatie; dat wil zeggen, maak butane. Deze katalysator bestaat uit vloeibaar gallium dat fungeert als steun voor paladiumatomen.

Referenties

1. Sella Andrea. (23 september 2009). Gallium. Wereldchemie. Hersteld van: chemieworld.com
2. Wikipedia. (2019). Gallium. Opgehaald uit: in.Wikipedia.borg
3. Li, r., Wang, L., Li, l., Yu, T., Zhao, h., Chapman, K. W. Liu, h. (2017). Lokale structuur van vloeibaar gallium onder druk. Wetenschappelijke rapporten, 7 (1), 5666. Doi: 10.1038/S41598-017-05985-8
4. Brahama D. Sharma & Jerry Donohue. (1962). Een verfijning van de kristalstructuur van gallium. Zeitschrift Fiir Kristallógraphie, BD. 117, s. 293-300.
5. Wang, W., Qin, en., Liu, x. et al. (2011). Distributie, gebeurtenis en verrijking oorzaken van gallium in kolen uit de Jungar Coalfield, Inner Mongolië. Sci. China Earth Sci. 54: 1053. doen.org/10.1007/S11430-010-4147-0
6. Marques Miguel. (S.F.)). Gallium. Hersteld van: nautilus.Fis.UC.PT
7. De redacteuren van Enyclopaedia Britannica. (5 april 2018). Gallium. Encyclopædia Britannica. Hersteld van: Britannica.com
8. Bloom Josh. (3 april 2017). Gallium: smelt in je mond, niet je handen! De American Council on Science and Health. Hersteld van: acsh.borg
9. Dr. Doug Stewart. (2019). Gallium -elementenfeiten. Chemicool. Hersteld van: chemicool.com
10. Nationaal centrum voor biotechnologie -informatie. (2019). Gallium. PubChem -database. CID = 5360835. Hersteld van: pubchem.NCBI.NLM.NIH.Gov