GAL: WŁAŚCIWOŚCI, STRUKTURA, OTRZYMYWANIE, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Galu jest elementem metalowym, który jest reprezentowany przez symbol Ga należący do grupy 13 układu okresowego pierwiastków. Chemicznie przypomina aluminium w swojej amfoteryce; jednak oba metale ostatecznie 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. Również temperatura topnienia galu jest niższa niż aluminium; pierwszy może stopić się pod wpływem ciepła dłoni, a drugi nie.

Kryształy galu otrzymane poprzez osadzenie niewielkiego fragmentu galu w jego przesyconym roztworze (ciekły gal). Źródło: Maxim Bilovitskiy

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 znaczne 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 wywołać w umyśle obraz koguta. W rzeczywistości graficzne i ogólne reprezentacje 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, jak również 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 z galu wykonano termometry, lustra i przedmioty na bazie jego stopów.

Pod względem chemicznym ten metal wciąż ma wiele do zaoferowania; być może w dziedzinie katalizy, energii jądrowej, przy opracowywaniu nowych materiałów półprzewodnikowych lub „po prostu” w wyjaśnianiu ich zagmatwanej i złożonej struktury.

Historia

Prognozy jego istnienia

W 1871 r. Rosyjski chemik Dmitrij Mendelejew przewidział już istnienie pierwiastka o właściwościach zbliżonych do aluminium; który nazwał ekaluminio. Ten element musiał znajdować się tuż pod aluminium. Mendelejew przewidział również właściwości ekaluminium (gęstość, temperatura topnienia, wzory jego tlenków itp.).

Odkrycie i izolacja

Co zaskakujące, cztery lata później francuski chemik Paul-Emili Lecoq de Boisbaudran znalazł nowy pierwiastek w próbce sfalerytu (mieszanki cynku) z Pirenejów. Był w stanie to odkryć dzięki analizie spektroskopowej, w której obserwował 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 wyizolować, Lecoq przeprowadził elektrolizę odpowiedniego wodorotlenku w wodorotlenku potasu; prawdopodobnie ten sam, za pomocą którego rozpuścił sfaleryt. Po potwierdzeniu, że jest to ekaluminium, a także będąc jego odkrywcą, nadał mu nazwę „gallium” (po angielsku galium). Ta nazwa pochodzi od imienia „Gallia”, co 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 mowa o galu, myśli się o kogucie.

Fizyczne i chemiczne właściwości

Wygląd i cechy fizyczne

Gal to bezwonny, srebrzysty metal o szklistej powierzchni o cierpkim smaku. Jego ciało stałe jest miękkie i kruche, a kiedy pęka, robi to muszlowo; to znaczy uformowane kawałki są zakrzywione, podobnie jak muszle morskie.

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.

Liczba atomowa (Z)

31 ( ₃₁ Ga)

Masa cząsteczkowa

69,723 g / mol

Temperatura topnienia

29,7646 ° C. Tę temperaturę można osiągnąć, trzymając mocno szklankę galu w dwóch dłoniach, aż się rozpuści.

Temperatura wrzenia

2400 ° C Zwróć uwagę na dużą różnicę między 29,7 ° C a 2400 ° C; Oznacza to, że ciekły gal ma bardzo niską prężność pary, co czyni go jednym z pierwiastków o największej różnicy temperatur między stanem ciekłym i gazowym.

Gęstość

-W temperaturze pokojowej: 5,91 g / cm ³

-Temperatura topnienia: 6,095 g / cm ³

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.

Ciepło topnienia

5,59 kJ / mol

Ciepło parowania

256 kJ / mol

Molowa pojemność cieplna

25,86 J / (mol K)

Ciśnienie pary

W 1037 ºC tylko jego ciecz wywiera ciśnienie 1 Pa.

Elektroujemność

1,81 w skali Paulinga

Energie jonizacji

-Pierwszy: 578,8 kJ / mol (Ga ⁺ gaz)

-Druga: 1979,3 kJ / mol ( gazowy Ga ²⁺ )

-Trzeci: 2963 kJ / mol ( gazowy Ga ³⁺ )

Przewodność cieplna

40,6 W / (m · K)

Rezystancja

270 nΩ m przy 20 ºC

Twardość Mohsa

1.5

Lepkość

1819 cP w 32 ° C

Napięcie powierzchniowe

709 dyn / cm w 30 ºC

Amfoterycyzm

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 są to H ₂ SO ₄ i HNO ₃ , _{wytwarzane są} odpowiednio Ga ₂ (SO ₄ ) ₃ i Ga (NO ₃ ) ₃ . Z kolei 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). Jeśli do pożywki dodaje się amoniak, tworzy się wodorotlenek galu (III), Ga (OH) ₃ , który również jest amfoteryczny; reagując z mocnymi zasadami, ponownie wytwarza Ga (OH) ₄ ^- , ale reagując z mocnymi kwasami uwalnia kompleks wodny ³⁺ .

Reaktywność

Gal metaliczny jest stosunkowo obojętny w temperaturze pokojowej. Nie reaguje z powietrzem, gdyż cienka warstwa tlenku Ga ₂ O ₃ chroni je 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 Ga ₂ S ₃ .

Istnieją nie tylko tlenki i siarczki galu, ale także fosforki (GaP), arsenki (GaAs), azotki (GaN) i antymony (GaSb). Takie związki mogą powstać w wyniku bezpośredniej reakcji pierwiastków w podwyższonych temperaturach lub alternatywnymi drogami syntezy.

Podobnie gal może reagować z halogenami, tworząc odpowiednie halogenki; takie jak Ga ₂ Cl ₆ , GaF ₃ i Ga ₂ I ₃ .

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.

Najciekawszą rzeczą w galu nie jest żadna z jego wcześniejszych właściwości chemicznych, ale ogromna łatwość, z jaką można go stapiać (podobnie jak rtęć i jej proces amalgamacji). Atomy Ga szybko „ocierają się” o metaliczne kryształy, w wyniku czego powstają stopy galu.

Struktura i konfiguracja elektroniczna

Złożoność

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, którego dokładna kolejność 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.

Dimery

Atomy Ga oddziałują ze sobą dzięki metalicznemu wiązaniu. Jednakże stwierdzono pewien stopień kowalencji między dwoma sąsiednimi atomami, więc zakłada się istnienie dimeru Ga ₂ (Ga-Ga).

Teoretycznie to wiązanie kowalencyjne powinno być utworzone przez nałożenie się orbitalu 4p, z jego jedynym elektronem zgodnie z konfiguracją elektronową:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ¹

Tej mieszaninie oddziaływań kowalencyjno-metalicznych przypisuje się niską temperaturę topnienia galu; ponieważ, chociaż z jednej strony może istnieć „morze elektronów”, które utrzymuje atomy Ga ściśle razem w krysztale, z drugiej strony jednostki strukturalne składają się z dimerów Ga ₂ , których interakcje międzycząsteczkowe są słabe.

Fazy ​​pod wysokim ciśnieniem

Kiedy ciśnienie wzrasta od 4 do 6 GPa, kryształy galu przechodzą przemiany fazowe; od rombowego przechodzi do sześciennego wyśrodkowanego na ciele (Ga-II), a stamtąd ostatecznie przechodzi do czworoboku wyśrodkowanego na ciele (Ga-III). W zakresie ciśnień prawdopodobnie tworzy się mieszanina kryształów, co jeszcze bardziej utrudnia interpretację struktur.

Liczby utleniania

Najbardziej energetyczne elektrony znajdują się na orbitali 4s i 4p; Ponieważ jest ich trzy, oczekuje się, że gal może je utracić w połączeniu z pierwiastkami bardziej elektroujemnymi niż on.

Kiedy to nastąpi, zakłada się istnienie kationu Ga ³⁺ , a jego liczbę lub stopień utlenienia określa się jako +3 lub Ga (III). W rzeczywistości jest to najczęstsza ze wszystkich jego stopni utlenienia. Na przykład następujące związki posiadają gal jako +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- ).

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 ^- ), Ga ₂ O (Ga ₂ ⁺ O ^2- ) i GaS (Ga ²⁺ S ^2- ).

Należy zauważyć, że zawsze zakłada się istnienie jonów o ładunkach identycznych z rozważanym stopniem utlenienia (poprawnie lub nie).

Gdzie znaleźć i uzyskać

Próbka minerału galitowego, który jest rzadki, ale jedyny o znacznym stężeniu galu. Źródło: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

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 (CuGaS ₂ , górne zdjęcie). Jednak wykorzystanie kury 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, węgla, galeny, pirytu, germanu itp.; to znaczy, jest zwykle związany z aluminium, cynkiem, węglem, ołowiem, żelazem i germanem w różnych ciałach mineralnych.

Chromatografia jonowymienna i elektroliza

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 Ga ³⁺ pozostają rozpuszczone w mieszaninie po wytrąceniu się interesujących metali.

Dlatego pożądane jest oddzielenie tych Ga ³⁺ od innych jonów, wyłącznie w celu zwiększenia ich stężenia i czystości otrzymanego metalu.

W tym celu, oprócz konwencjonalnych technik strącania, stosuje się chromatografię jonowymienną z użyciem żywicy. Dzięki tej technice możliwe jest oddzielenie (np.) Ga ³⁺ od Ca ²⁺ czy Fe ³⁺ .

Po uzyskaniu silnie stężonego roztworu jonów Ga ³⁺ poddaje się go elektrolizie; to znaczy, Ga ³⁺ otrzymuje elektrony, aby móc uformować się jako metal.

Izotopy

Gal występuje w przyrodzie głównie w postaci dwóch izotopów: ⁶⁹ Ga, w ilości 60,11%; i ⁷¹ Ga, z obfitością 39,89%. Z tego powodu masa atomowa galu wynosi 69,723 u. Pozostałe izotopy galu są syntetyczne i radioaktywne, a ich masa atomowa waha się od ⁵⁶ Ga do ⁸⁶ Ga.

Ryzyka

Środowiskowe i fizyczne

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, tworząc GaCl ₃ ; sól galu, której działanie na organizm jest niezależne od metalu.

Uszkodzenie metali

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, nigdy nie powinni 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, ogólnie gal jest uważany za bezpieczny pierwiastek o zerowej toksyczności.

Aplikacje

Termometry

Termometry Galinstan. Źródło: Gelegenheitsautor

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 opłacalne stosowanie go w termometrach; zamiast tego używany jest stop o nazwie Galinstan (Ga-In-Sn).

Stop Galinstan ma temperaturę topnienia około -18 ° C, a dodana jego zerowa toksyczność czyni go idealną substancją do projektowania niezależnych od rtęci termometrów medycznych. W ten sposób, gdyby miał się zepsuć, posprzątanie bałaganu byłoby bezpieczne; chociaż zabrudziłby podłogę ze względu na jej zdolność do zwilżania powierzchni.

Produkcja luster

Ponownie wspomina się o zwilżalności galu i jego stopów. Kiedy dotyka porcelanowej powierzchni lub szkła, rozprzestrzenia się po całej powierzchni, aż zostanie całkowicie pokryty srebrnym lustrem.

Oprócz luster, stopy galu były używane do tworzenia przedmiotów o różnych kształtach, ponieważ po ostygnięciu krzepną. Mogłoby to mieć ogromny potencjał nanotechnologiczny: budować obiekty o bardzo małych wymiarach, które logicznie działałyby w niskich temperaturach i wykazywałyby unikalne właściwości oparte na galu.

Komputery

Pasty termiczne stosowane w procesorach komputerowych zostały wykonane ze stopów galu.

Leki

Jony Ga ³⁺ wykazują pewne podobieństwo do Fe ³⁺ 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.

Więc to tutaj pojawiają się leki na gal, które mogą po prostu składać się z jego soli nieorganicznych lub organogalu. Ganita, nazwa handlowa azotanu galu, Ga (NO ₃ ) ₃ , jest używana do regulacji wysokich stężeń wapnia (hiperkalcemii) związanych z rakiem kości.

Techniczny

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.

Katalizatory

Tlenki galu wykorzystano 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 przekształcanie butanu w bardziej reaktywne nienasycone formy, niezbędne w innych procesach przemysłowych. Ten katalizator składa się z ciekłego galu działającego jako nośnik dla atomów palladu.

Bibliografia

1. Sella Andrea. (23 września 2009). Gal. Świat chemii. Źródło: chemistryworld.com
2. Wikipedia. (2019). Gal. Odzyskane z: en.wikipedia.org
3. Li, R., Wang, L., Li, L., Yu, T., Zhao, H., Chapman, KW Liu, H. (2017). Lokalna struktura ciekłego galu pod ciśnieniem. Raporty naukowe, 7 (1), 5666. doi: 10.1038 / s41598-017-05985-8
4. Brahama D. Sharma i Jerry Donohue. (1962). Udoskonalenie struktury krystalicznej galu. Zeitschrift fiir Kristallographie, Bd. 117, S. 293-300.
5. Wang, W., Qin, Y., Liu, X. i wsp. (2011). Przyczyny dystrybucji, występowania i wzbogacania galu w węgiel z Jungar Coalfield, Mongolia Wewnętrzna. Sci. China Earth Sci. 54: 1053. doi.org/10.1007/s11430-010-4147-0
6. Marques Miguel. (sf). Gal. Odzyskany z: nautilus.fis.uc.pt
7. Redaktorzy Encyclopaedia Britannica. (5 kwietnia 2018). Gal. Encyclopædia Britannica. Odzyskany z: britannica.com
8. Bloom Josh. (3 kwietnia 2017). Gal: rozpływa się w ustach, a nie w rękach! American Council on Science and Health. Odzyskany z: acsh.org
9. Dr Doug Stewart. (2019). Fakty dotyczące pierwiastka galu. Chemicool. Źródło: chemicool.com
10. Narodowe Centrum Informacji Biotechnologicznej. (2019). Gal. Baza danych PubChem. CID = 5360835. Odzyskany z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov