GALLIU: PROPRIETĂȚI, STRUCTURĂ, OBȚINERE, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Galiu este un element metalic , care este reprezentat prin simbolul Ga aparținând grupei 13 din tabelul periodic. Chimic seamănă cu aluminiu în amfotericismul său; cu toate acestea, ambele metale ajung să prezinte proprietăți care le fac diferențiate unele de altele.

De exemplu, aliajele de aluminiu pot fi lucrate pentru a le oferi tot felul de forme; în timp ce cele de galiu au puncte de topire foarte scăzute, constând practic din lichide argintii. De asemenea, punctul de topire al galiului este mai mic decât cel al aluminiului; primele se pot topi din căldura mâinii, în timp ce cele din urmă nu pot.

Cristale de galiu obținute prin depunerea unui fragment mic de galiu într-o soluție suprasaturată din acesta (galiu lichid). Sursa: Maxim Bilovitskiy

Asemănarea chimică dintre galiu și aluminiu le grupează geochimic; adică, minerale sau roci bogate în aluminiu, cum ar fi bauxite, au concentrații considerabile de galiu. În afară de această sursă mineralogică, există și altele de zinc, plumb și carbon, foarte difuzate pe toată scoarța terestră.

Gallium nu este în mod popular un metal bine-cunoscut. Simplul său nume poate evoca imaginea unui cocoș în minte. De fapt, reprezentările grafice și generale ale galiului se găsesc, de obicei, cu imaginea unui cocoș de argint; vopsit cu galiu lichid, o substanță extrem de umezită pe sticlă, ceramică și chiar mâna.

Experimentele în care bucățile de galiu metalic sunt topite cu mâinile sunt frecvente, precum și manipularea lichidului său și tendința sa de a colora tot ceea ce atinge.

Deși galiul nu este toxic, la fel ca și mercurul, este un agent distrugător al metalelor, deoarece le face fragile și inutile (în primul caz). Pe de altă parte, farmacologic intervine în procesele în care matricele biologice folosesc fierul.

Pentru cei din lumea optoelectronică și a semiconductorilor, galiul va fi păstrat cu stimă ridicată, comparabil cu și, poate, superior cu siliciu în sine. Pe de altă parte, cu galiu, au fost realizate termometre, oglinzi și obiecte pe baza aliajelor sale.

Chimic, acest metal mai are multe de oferit; poate în domeniul catalizei, al energiei nucleare, al dezvoltării de noi materiale semiconductoare sau „pur și simplu” în clarificarea structurii lor confuze și complexe.

Istorie

Preziceri ale existenței sale

În 1871, chimistul rus Dmitri Mendeleev a prezis deja existența unui element ale cărui proprietăți erau similare cu cele ale aluminiului; care, el a numit ekaluminio. Acest element trebuia amplasat chiar sub aluminiu. Mendeleev a prezis, de asemenea, proprietățile (densitatea, punctul de topire, formulele oxizilor săi etc.) de ekaluminium.

Descoperire și izolare

Surprinzător, patru ani mai târziu, chimistul francez Paul-Emili Lecoq de Boisbaudran, găsise un element nou într-un eșantion de sphalerită (zinc blende), din Pirinei. El a putut să o descopere datorită unei analize spectroscopice, în care a observat spectrul a două linii violete care nu coincideau cu cel al unui alt element.

După ce a descoperit un element nou, Lecoq a efectuat experimente pe 430 kg sphalerită, din care a putut izola 0,65 grame din acesta; iar după o serie de măsurători ale proprietăților sale fizice și chimice, a ajuns la concluzia că este vorba de ekaluminiul lui Mendeleev.

Pentru a-l izola, Lecoq a efectuat electroliza hidroxidului respectiv în hidroxid de potasiu; probabil aceeași cu care a dizolvat shalerita. După ce a certificat că era ekaluminium, fiind, de asemenea, descoperitorul său, i-a dat numele de „gallium” (galium în engleză). Acest nume derivă din denumirea „Gallia”, care în latină înseamnă Franța.

Cu toate acestea, numele prezintă o altă curiozitate: „Lecoq” în franceză înseamnă „cocoș”, iar în latină „gallus”. Fiind un metal, „gallus” a devenit „galiu”; deși în spaniolă conversia este mult mai directă. Astfel, nu este o coincidență să se gândească la un cocoș atunci când vorbim de galiu.

Proprietati fizice si chimice

Aspectul și caracteristicile fizice

Gallium este un metal argintiu, inodor, cu suprafață sticloasă, cu un gust astringent. Solidul său este moale și fragil, iar atunci când se fracturează face acest lucru conchoidal; adică piesele formate sunt curbate, asemănătoare cu scoicile de mare.

Când s-a topit, în funcție de unghiul în care este privit, poate arăta o strălucire albăstruie. Acest lichid argintiu nu este toxic la contact; cu toate acestea, „se agață” prea mult de suprafețe, mai ales dacă sunt ceramice sau din sticlă. De exemplu, o singură picătură de galiu poate pătrunde în interiorul unei cupe de sticlă pentru a-l înveli cu o oglindă argintie.

Dacă un fragment solid de galiu este depus în galiu lichid, acesta servește ca un nucleu în care cristalele de galiu strălucitoare se dezvoltă și cresc rapid.

Număr atomic (Z)

31 ( ₃₁ Ga)

Masă molară

69,723 g / mol

Punct de topire

29.7646 ° C. Această temperatură poate fi atinsă ținând strâns un pahar de galiu între două mâini până se topește.

Punct de fierbere

2400 ° C. Rețineți diferența mare dintre 29,7 ºC și 2400 ºC; adică, galiul lichid are o presiune de vapori foarte mică, iar acest fapt îl face unul dintre elementele cu cea mai mare diferență de temperatură între stările lichide și gazoase.

Densitate

Temperatura camerei -La: 5,91 g / cm ³

Punct de topire -la: 6.095 g / cm ³

Rețineți că același lucru se întâmplă și cu galiul ca și cu apa: densitatea lichidului său este mai mare decât cea a solidului său. Prin urmare, cristalele dvs. vor pluti pe galiu lichid (aisberguri cu galiu). De fapt, expansiunea în volum a solidului este atât de (de trei ori) încât este incomod să păstrezi galiu lichid în containere care nu sunt fabricate din materiale plastice.

Căldură de fuziune

5,59 kJ / mol

Căldură de vaporizare

256 kJ / mol

Capacitate termică molară

25,86 J / (mol K)

Presiunea de vapori

La 1037 ºC, numai lichidul său exercită o presiune de 1 Pa.

electronegativitate

1.81 pe scara Pauling

Energii de ionizare

-Primul: 578,8 kJ / mol (Ga ⁺ gaz)

-A doua: 1979.3 kJ / mol (Ga ²⁺ gazos)

-Tird: 2963 kJ / mol (Ga ³⁺ gazos)

Conductivitate termică

40,6 W / (m K)

Rezistență electrică

270 nΩ m la 20 ºC

Duritate Mohs

1.5

Viscozitate

1.819 cP la 32 ºC

Tensiune de suprafata

709 dyne / cm la 30 ºC

Amphotericism

Ca și aluminiu, galiul este amfoteric; reacționează atât cu acizi, cât și cu baze. De exemplu, acizii puternici îl pot dizolva pentru a forma săruri de galiu (III); dacă sunt H ₂ SO ₄ și HNO ₃ , _{se produc} Ga ₂ (SO ₄ ) ₃ și respectiv Ga (NO ₃ ) ₃ . Întrucât la reacția cu baze puternice, se produc săruri galate, cu ionul Ga (OH) ₄ ^- .

Rețineți asemănarea dintre Ga (OH) ₄ ^- și Al (OH) ₄ ^- (aluminat). Dacă la mediu se adaugă amoniac , se formează hidroxid de galiu (III), Ga (OH) ₃ , care este de asemenea amfoteric; când reacționează cu baze puternice, produce Ga (OH) ₄ ^{- din nou} , dar dacă reacționează cu acizi puternici eliberează complexul apos ³⁺ .

reactivitatea

Galiul metalic este relativ inert la temperatura camerei. Nu reacționează cu aerul, deoarece un strat subțire de oxid, Ga ₂ O ₃ , îl protejează de oxigen și sulf. Cu toate acestea, atunci când este încălzit, oxidarea metalului continuă, transformându-se complet în oxidul său. Și dacă sulful este prezent, la temperaturi ridicate reacționează formând Ga ₂ S ₃ .

Nu există numai oxizi de galiu și sulfuri, dar și fosfide (GaP), arsenide (GaAs), nitride (GaN) și antimonide (GaSb). Astfel de compuși pot provoca prin reacția directă a elementelor la temperaturi ridicate sau pe căi sintetice alternative.

De asemenea, galiul poate reacționa cu halogenii pentru a forma halogenele respective; cum ar fi Ga ₂ Cl ₆ , GAF ₃ și Ga ₂ I ₃ .

Acest metal, la fel ca aluminiul și congenerii săi (membri ai aceluiași grup 13), pot interacționa covalent cu atomii de carbon pentru a produce compuși organometalici. În cazul celor cu legături Ga-C, ele sunt numite organogaliuri.

Cel mai interesant lucru despre galiu nu este niciuna dintre caracteristicile sale chimice anterioare, ci ușurința enormă cu care poate fi aliat (similar cu mercurul și procesul de amalgamare). Atomii lui Ga „freacă rapid umerii” între cristale metalice, rezultând aliaje de galiu.

Structura și configurația electronică

Complexitate

Galiul nu este doar neobișnuit, deoarece este un metal care se topește cu căldura palmei mâinii, dar structura sa este complexă și incertă.

Pe de o parte, este cunoscut faptul că cristalele sale adoptă o structură ortorombică (Ga-I) în condiții normale; Cu toate acestea, aceasta este doar una dintre numeroasele faze posibile pentru acest metal, din care ordinea exactă a atomilor săi nu a fost specificată. Prin urmare, este o structură mai complexă decât ar putea să apară la prima vedere.

Se pare că rezultatele variază în funcție de unghiul sau direcția în care este analizată structura sa (anisotropie). De asemenea, aceste structuri sunt foarte susceptibile la cea mai mică schimbare de temperatură sau presiune, ceea ce înseamnă că galiul nu poate fi definit ca un singur tip de cristal în momentul interpretării datelor.

Dimerii

Atomii Ga interacționează între ei datorită legăturii metalice. Cu toate acestea, un anumit grad de covalence a fost găsită între doi atomi vecine, astfel existența Ga ₂ dimer (Ga-Ga) se presupune .

Teoretic, această legătură covalentă ar trebui să fie formată prin suprapunerea orbitalului 4p, cu singurul său electron în conformitate cu configurația electronică:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ¹

Acest amestec de interacțiuni covalente-metalice este atribuit punctului de topire scăzut al galiului; întrucât, deși pe de o parte poate exista o „mare de electroni” care ține atomii de Ga strâns împreună în cristal, pe de altă parte unitățile structurale constau din dimeri Ga ₂ , ale căror interacțiuni intermoleculare sunt slabe.

Faze sub presiune ridicată

Când presiunea crește de la 4 la 6 GPa, cristalele de galiu suferă tranziții de fază; de la ortorombică trece la cubul centrat pe corp (Ga-II), iar de aici trece în final la tetragonalul centrat pe corp (Ga-III). În domeniul presiunii, este posibil să se formeze un amestec de cristale, ceea ce face interpretarea structurilor și mai dificilă.

Numere de oxidare

Cei mai energici electroni sunt cei găsiți în orbitalele 4s și 4p; deoarece există trei dintre ele, se estimează că galiul le poate pierde atunci când este combinat cu elemente mai electronegative decât acesta.

Când se întâmplă acest lucru, se presupune existența cationului Ga ³⁺ și se spune că numărul sau starea de oxidare este +3 sau Ga (III). De fapt, acesta este cel mai frecvent dintre toate numerele sale de oxidare. Următorii compuși, de exemplu, posedă galiu ca +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 ) și Ga ₂ Te ₃ (Ga ₂³⁺ Te ₃ ^2- ).

Galliul poate fi, de asemenea, găsit cu numere de oxidare de +1 și +2; deși sunt mult mai puțin obișnuite decât +3 (similar cu cel din aluminiu). Exemple de astfel de compuși sunt GaCl (Ga ⁺ Cl ^- ), Ga ₂ O (Ga ₂ ⁺ O ² ) și GaS (Ga ²⁺ S ^2- ).

Rețineți că existența ionilor cu mărimi de încărcare identice cu numărul de oxidare considerat este întotdeauna asumat (corect sau nu).

Unde să găsești și să obții

O mostră de galită minerală, care este rară, dar singura cu o concentrație apreciabilă de galiu. Sursa: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Galliul se găsește în scoarța terestră, cu o abundență proporțională cu cea a metalelor cobalt, plumb și niobiu. Apare sub formă de sulfură sau oxid hidratat, răspândit pe scară largă ca impurități conținute în alte minerale.

Oxizii și sulfurile sale sunt slab solubile în apă, deci concentrația de galiu în mări și râuri este scăzută. Mai mult, singurul mineral „bogat” în galiu este gallita (CuGaS ₂ , imaginea de sus). Cu toate acestea, este imposibil să exploatezi găina pentru a obține acest metal. Mai puțin cunoscut este plumbogumitul mineral de galiu.

Prin urmare, nu există minereuri ideale pentru acest metal (cu o concentrație mai mare de 0,1% în masă).

În schimb, galiul este obținut ca produs secundar al tratamentului metalurgic al minereurilor altor metale. De exemplu, poate fi extras din bauxite, amestecătoare de zinc, alume, cărbuni, galena, pirite, germaniți, etc .; adică este de obicei asociat cu aluminiu, zinc, carbon, plumb, fier și germaniu în diferite corpuri minerale.

Cromatografie cu schimb de ioni și electroliză

Când materia primă minerală este digerată sau dizolvată, fie în mediu puternic acid sau bazic, se obține un amestec de ioni metalici solubilizați în apă. Deoarece galiul este un produs secundar, ionii săi Ga ³⁺ rămân dizolvați în amestec după ce metalele de interes au precipitat.

Astfel, se dorește separarea acestor Ga ³⁺ de ceilalți ioni, cu scopul unic de a crește concentrația lor și puritatea metalului rezultat.

Pentru aceasta, pe lângă tehnicile convenționale de precipitare, se folosește cromatografia cu schimb de ioni prin utilizarea unei rășini. Datorită acestei tehnici, este posibil să se separe (de exemplu) Ga ³⁺ de Ca ²⁺ sau Fe ³⁺ .

Odată obținută o soluție puternic concentrată de ioni Ga ³⁺ , aceasta este supusă electrolizei; adică Ga ³⁺ primește electroni pentru a se putea forma ca un metal.

izotopi

Galliul se găsește în natură în principal sub formă de doi izotopi: ⁶⁹ Ga, cu o abundență de 60,11%; și ⁷¹ Ga, cu o abundență de 39,89%. Din acest motiv, greutatea atomică a galiumului este de 69,723 u. Celelalte izotopi de galiu sunt sintetice și radioactive, cu mase atomice cuprinse între ⁵⁶ Ga și ⁸⁶ Ga.

riscuri

Mediu și fizic

Din punct de vedere al mediului, galiul metalic nu este foarte reactiv și solubil în apă, astfel încât vărsările sale în teorie nu reprezintă riscuri severe de contaminare. Mai mult, nu se știe ce rol biologic poate avea în organisme, majoritatea atomilor săi fiind excretați în urină, fără semne de acumulare în niciunul dintre țesuturile sale.

Spre deosebire de mercur, galiul poate fi manipulat cu mâinile goale. De fapt, experimentul încercării de a-l topi cu căldura mâinilor este destul de comun. O persoană poate atinge lichidul de argint rezultat fără teama de a-i deteriora sau răni pielea; deși lasă o pată de argint pe ea.

Cu toate acestea, ingerarea acestuia ar putea fi toxică, deoarece în teorie s-ar dizolva în stomac pentru a genera GaCl ₃ ; sare de galiu ale cărui efecte asupra organismului sunt independente de metal.

Deteriorarea metalelor

Galiul se caracterizează prin colorarea sau aderarea la suprafețe; iar dacă acestea sunt metalice, trece prin ele și formează aliaje instantaneu. Această caracteristică de a putea fi aliată cu aproape toate metalele face imposibilă vărsarea de galiu lichid pe orice obiect metalic.

Prin urmare, obiectele metalice prezintă riscul de rupere în bucăți în prezența de galiu. Acțiunea sa poate fi atât de lentă și neobservată încât aduce surprize nedorite; mai ales dacă a fost vărsat pe un scaun metalic, care s-ar putea prăbuși atunci când cineva stă pe el.

De aceea, cei care doresc să se ocupe de galiu nu ar trebui să-l pună niciodată în contact cu alte metale. De exemplu, lichidul său este capabil să dizolve folia de aluminiu, precum și să se strecoare în cristale de indiu, fier și staniu, pentru a le face fragile.

În termeni generali, în ciuda celor menționate anterior și a faptului că vaporii săi sunt aproape absenți la temperatura camerei, galiul este considerat în general un element sigur cu toxicitate zero.

Aplicații

termometre

Termometre din Galinstan. Sursa: Gelegenheitsautor

Galliul a înlocuit mercurul ca lichid pentru a citi temperaturile marcate de termometru. Cu toate acestea, punctul său de topire de 29,7 ºC este încă ridicat pentru această aplicație, motiv pentru care în starea sa metalică nu ar fi viabil să fie utilizat în termometre; în schimb, se folosește un aliaj numit Galinstan (Ga-In-Sn).

Aliajul Galinstan are un punct de topire în jurul valorii de -18ºC, iar adăugarea toxicității sale zero îl face o substanță ideală pentru proiectarea termometrelor medicale independente de mercur. În acest fel, dacă s-ar sparge, ar fi în siguranță să curățați mizeria; deși ar murdări podeaua datorită capacității sale de a uda suprafețele.

Fabricarea oglinzilor

Din nou, se menționează umectabilitatea galiului și a aliajelor sale. Când atinge o suprafață de porțelan sau sticlă, se răspândește pe întreaga suprafață până când este acoperită complet într-o oglindă argintie.

Pe lângă oglinzi, aliajele de galiu au fost folosite pentru a crea obiecte de toate formele, deoarece, odată răcite, se solidifică. Acest lucru ar putea avea un potențial nanotehnologic mare: să construiască obiecte de dimensiuni foarte mici, care să funcționeze logic la temperaturi scăzute și să arate proprietăți unice bazate pe galiu.

calculatoare

Paste termice utilizate în procesoarele computerizate au fost realizate din aliaje de galiu.

Droguri

Ionii Ga ^{3+ au} o asemănare cu Fe ³⁺ în modul în care intervin în procesele metabolice. Prin urmare, dacă există o funcție, parazit sau bacterii care necesită fier pentru a efectua, acestea pot fi oprite prin confundarea cu galiu; este cazul bacteriilor pseudomonas.

Așadar, aici apar medicamente cu galiu, care pot consta pur și simplu din sărurile sale anorganice sau organogaliumele. Ganita, denumirea comercială a nitratului de galiu, Ga (NO ₃ ) ₃ , este utilizată pentru a regla concentrațiile mari de calciu (hipercalcemie) asociate cu cancerul osos.

Tehnologic

Arsenidul și nitrura de galiu se caracterizează prin a fi semiconductori, care au ajuns să înlocuiască siliciu în anumite aplicații optoelectronice. Cu acestea, au fost fabricate tranzistoare, diode laser și diode emisoare de lumină (albastru și violet), cipuri, celule solare etc. De exemplu, datorită laserelor GaN, discurile Blu-Ray pot fi citite.

catalizatori

Oxizii de galiu au fost folosiți pentru a studia cataliza lor în diferite reacții organice de mare interes industrial. Unul dintre catalizatorii de galiu mai noi constă din propriul său lichid, peste care sunt dispersați atomi ai altor metale care funcționează ca centre sau site-uri active.

De exemplu, catalizatorul de galiu-paladiu a fost studiat în reacția de deshidrogenare a butanului; adică transformarea butanului în specii nesaturate mai reactive, necesare pentru alte procese industriale. Acest catalizator este format din galiu lichid care acționează ca suport pentru atomii de paladiu.

Referințe

1. Sella Andrea. (23 septembrie 2009). Galiu. Lumea chimiei. Recuperat de la: chemistryworld.com
2. Wikipedia. (2019). Galiu. Recuperat de la: en.wikipedia.org
3. Li, R., Wang, L., Li, L., Yu, T., Zhao, H., Chapman, KW Liu, H. (2017). Structura locală a galiului lichid sub presiune. Rapoarte științifice, 7 (1), 5666. doi: 10.1038 / s41598-017-05985-8
4. Brahama D. Sharma și Jerry Donohue. (1962). O rafinare a structurii cristaline de galiu. Zeitschrift fiir Kristallographie, Bd. 117, S. 293-300.
5. Wang, W., Qin, Y., Liu, X. și colab. (2011). Distribuția, apariția și îmbogățirea cauzelor de galiu în cărbuni din Jungar Coalfield, Mongolia Interioară Sci. China Earth Sci. 54: 1053. doi.org/10.1007/s11430-010-4147-0
6. Marques Miguel. (Sf). Galiu. Recuperat din: nautilus.fis.uc.pt
7. Redactorii Encyclopaedia Britannica. (5 aprilie 2018). Galiu. Encyclopædia Britannica. Recuperat de la: britannica.com
8. Înflorește Josh. (3 aprilie 2017). Gallium: se topește în gura ta, nu mâinile tale! Consiliul American pentru Știință și Sănătate. Recuperat de la: acsh.org
9. Dr. Doug Stewart. (2019). Fapte cu element de galiu. Chemicool. Recuperat de la: chemicool.com
10. Centrul Național de Informații Biotehnologice. (2019). Galiu. Baza de date PubChem. CID = 5360835. Recuperat din: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov