Строение
Это не схема из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место галлий занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 135 pm — that is 0.135 nm, so about 3704 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
Галлий is liquid over a 2370 K window, from 303 K to 2673 K.
История
Галлий — удивительный металл, который плавится в руке, но выдерживает экстремальный холод. Этот серебристо-синий постпереходный металл обладает одним из самых необычных свойств в периодической таблице: он плавится уже при 29.8°C (85.6°F), то есть превращается в блестящую лужицу жидкого металла, когда вы держите его в руке. Но самое необычное вот что: достаточно чистый жидкий галлий может оставаться жидким при температуре до -120°C, что делает его одним из немногих металлов с настолько широким диапазоном жидкого состояния. Открытый в 1875 году французским химиком Полем-Эмилем Лекоком де Буабодраном, галлий на самом деле был предсказан Дмитрием Менделеевым в 1871 году и назван «эка-алюминием». Когда Лекок обнаружил его, свойства почти идеально совпали с предсказаниями Менделеева, что стало впечатляющим доказательством реальности периодической таблицы. Название происходит от «Gallia» — латинского названия Франции. По-настоящему революционная роль галлия связана с современной электроникой. Полупроводники из арсенида галлия (GaAs) быстрее и эффективнее кремниевых, поэтому они необходимы для высокочастотных применений, таких как усилители мобильных телефонов, спутниковая связь и светодиодные лампы. Ваш смартфон, вероятно, содержит несколько соединений галлия, которые позволяют ему передавать данные с огромной скоростью. Галлий также обладает свойствами, которые трудно представить. Это одно из немногих веществ, расширяющихся при затвердевании, подобно воде, образующей лёд, поэтому твёрдый галлий плавает в жидком галлии. Он также может смачивать стекло и другие материалы, создавая зеркалоподобное покрытие, которое исследуют для гибкой электроники и антенн из жидкого металла. Вот ещё один удивительный факт: галлий исследуют для лечения рака. Соединения галлия могут нарушать обмен железа в раковых клетках, потенциально лишая опухоли железа, необходимого им для роста. Галлий-67 также используют в медицинской визуализации: он накапливается в очагах инфекции и воспаления.
История открытия галлия охватывает несколько десятилетий и связана с несколькими учёными: она началась с замечательного предсказания Дмитрия Менделеева и завершилась фактическим выделением элемента Полем-Эмилем Лекоком де Буабодраном. В 1871 году Менделеев предсказал существование неизвестного элемента, который назвал «эка-алюминием», основываясь на пробелах в своей периодической таблице. Он с необычайной точностью предсказал его атомную массу, плотность и химические свойства. Менделеев предположил, что атомная масса этого элемента составит около 68, температура плавления будет низкой, а соединения будут подобны соединениям алюминия. Позднее эти свойства оказались удивительно точными. Фактическое открытие произошло в 1875 году, когда французский химик Поль-Эмиль Лекок де Буабодран проводил спектроскопический анализ цинковой руды из Пиренейских гор. Исследуя спектр, он заметил две необычные фиолетовые линии, которые не соответствовали ни одному известному элементу и указывали на присутствие нового элемента. Лекок де Буабодран назвал элемент «галлием» в честь Gallia — латинского названия Франции, хотя некоторые источники предполагают, что название также было игрой с его собственной фамилией: Lecoq означает «петух» по-французски, а gallus — «петух» по-латыни. Через несколько месяцев после спектроскопического открытия Лекок де Буабодран успешно выделил небольшой образец металлического галлия электролизом, подтвердив его физические свойства. Соответствие между предсказаниями Менделеева и фактическими свойствами галлия стало впечатляющим подтверждением периодического закона и периодической таблицы Менделеева. Это открытие стало одним из самых известных примеров научного предсказания в химии и продемонстрировало предсказательную силу периодической системы. Скрупулёзная работа Лекока де Буабодрана по выделению и изучению галлия позволила установить многие его основные свойства и особенности химического поведения, которые остаются верными и сегодня.
Применение
Галлий стал важным элементом современных технологий, особенно в полупроводниковой и электронной промышленности. Главная область его применения — производство полупроводников из арсенида галлия (GaAs) и нитрида галлия (GaN), которые необходимы для высокочастотных применений, светодиодного освещения, лазерных диодов и солнечных элементов. Эти полупроводники обеспечивают более высокие характеристики по сравнению с традиционными компонентами на основе кремния, особенно в мощных и высокочастотных устройствах. Галлий широко используют при производстве синих и белых светодиодов, которые произвели революцию в энергосберегающих системах освещения по всему миру. Уникальное свойство металла расширяться при затвердевании делает его ценным в специализированных применениях, например в альтернативах стоматологической амальгаме и сплавах с низкой температурой плавления. В медицине соединения галлия используют в радиофармпрепаратах для сканирования костей и выявления рака. Цитрат галлия-67 особенно важен в ядерной медицине для обнаружения воспалений и инфекций. Элемент также применяют в термометрах для высокотемпературных измерений, зеркалах и специальных составах стекла. Недавние разработки предусматривают использование галлия в современных фотоэлектрических элементах, где слои фосфида галлия-индия повышают эффективность солнечных элементов. Аэрокосмическая промышленность использует сплавы галлия в специализированных компонентах, которым требуются материалы с определёнными тепловыми свойствами. Продолжаются исследования возможного применения галлия в квантовых вычислениях: квантовые точки из арсенида галлия демонстрируют перспективность для обработки квантовой информации. Электронная промышленность в значительной степени зависит от галлия при производстве транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT), используемых в спутниковой связи, радиолокационных системах и беспроводных базовых станциях.
Наиболее распространённое применение галлия — производство полупроводников, где он служит основой микросхем из арсенида галлия (GaAs), используемых в смартфонах, планшетах и устройствах беспроводной связи. Каждая современная светодиодная лампа содержит нитрид галлия, что делает его одним из наиболее широко распространённых элементов в потребительских товарах сегодня. В солнечные панели всё чаще добавляют соединения галлия для повышения эффективности, особенно в концентраторных фотоэлектрических системах крупных солнечных установок. Медицинские учреждения используют галлий-67 для сканирования костей и выявления инфекций, поэтому он стал обычным элементом медицинской диагностики. Высокотемпературные термометры в промышленности часто содержат галлий благодаря широкому диапазону жидкого состояния и нетоксичности по сравнению с ртутью. Аэрокосмическая промышленность использует сплавы галлия в специализированных зеркалах и оптических компонентах спутников и космических телескопов. Потребительская электроника использует свойства галлия в усилителях мощности для базовых станций сотовой связи и маршрутизаторов Wi‑Fi. В автомобилестроении применяют полупроводники на основе галлия в системах зарядки электромобилей и светодиодных фарах. Исследовательские лаборатории по всему миру используют подложки из арсенида галлия для экспериментальных электронных устройств и квантовых исследований. Сектор возобновляемой энергетики применяет галлий в современных конструкциях солнечных элементов, особенно в космических системах, где эффективность имеет первостепенное значение. Военные и оборонные системы используют арсенид галлия в радиолокационных комплексах, оборудовании радиоэлектронной борьбы и защищённых устройствах связи. Даже в повседневных устройствах, таких как сканеры штрихкодов и DVD-проигрыватели, для работы применяются лазерные диоды из арсенида галлия.
Откуда он берётся
19 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 71% of elements
Галлий — один из самых редких стабильных элементов на Земле: его средняя концентрация в земной коре составляет всего 19 частей на миллион. Поэтому он встречается реже свинца, но чаще золота. В отличие от многих металлов, галлий не существует в природе в виде свободного элемента из-за высокой реакционной способности. Вместо этого он присутствует как примесь в различных минералах, чаще всего в бокситах, цинковых рудах и угле. Обычно элемент замещает алюминий в таких минералах, как диаспор и бёмит, содержащихся в месторождениях бокситов. Сфалерит, основная цинковая руда, содержит от 10 до 300 частей галлия на миллион, поэтому переработка цинка является главным источником производства галлия. В угольных месторождениях также содержится галлий; при сжигании угля он концентрируется в золе-уносе, создавая альтернативный источник добычи. Некоторые редкоземельные минералы, например лопарит и монацит, содержат следовые количества галлия. Элемент также встречается в небольших количествах в железных и марганцевых рудах. Германит, минерал — сульфид меди, содержит значительные концентрации галлия и служит ещё одним источником его извлечения. В морской воде концентрация галлия чрезвычайно мала и составляет около 0.03 части на миллиард, поэтому извлечение из морской воды экономически нецелесообразно. Большую часть промышленного галлия получают как побочный продукт производства алюминия и цинка, а не добывают напрямую. Байеровский процесс очистки алюминия из бокситов концентрирует галлий в растворе алюмината натрия, из которого его можно извлечь. Основными производителями галлия являются Китай, Германия, Казахстан и Украина, причём Китай доминирует в мировом производстве. Редкость элемента и зависимость его получения от производства других металлов делают галлий стратегически важным для технологических отраслей.
Обращение
Металлический галлий обычно считается безопасным при обращении с соблюдением основных лабораторных мер предосторожности, однако необходимо учитывать несколько важных факторов безопасности. Чистый металл представляет минимальный риск острой токсичности и при обычных условиях обращения не классифицируется как опасное вещество. Однако галлий обладает необычным свойством прочно прилипать к стеклу и другим материалам, что может привести к стойким пятнам или повреждению поверхности лабораторного оборудования и рабочих поверхностей. Следует избегать прямого контакта металлического галлия с кожей, поскольку он может вызвать раздражение и оставить стойкие пятна, которые трудно удалить. Металл имеет очень низкую температуру плавления (29.8°C), поэтому он плавится в тёплой руке и может вызвать ожоги, если его нагреть выше температуры тела. Соединения галлия представляют большую опасность, чем чистый металл: соли галлия умеренно токсичны при попадании внутрь в больших количествах и могут вызвать раздражение желудочно-кишечного тракта. Следует предотвращать вдыхание пыли или паров галлия с помощью надлежащей вентиляции и, при необходимости, средств защиты органов дыхания. Соединения элемента в полупроводниках, особенно арсенид галлия, требуют специальных процедур обращения из-за присутствия токсичного мышьяка. Работники полупроводникового производства должны соблюдать строгие правила, предотвращающие воздействие пыли или паров арсенида галлия. Утилизация материалов, содержащих галлий, должна соответствовать местным правилам обращения с опасными отходами, особенно в отношении электронных компонентов и промышленных остатков. Исследования длительного воздействия показывают, что накопление галлия в организме возможно, хотя острая токсичность встречается редко. Беременным женщинам и детям следует соблюдать дополнительные меры предосторожности при контакте с соединениями галлия. В экстренной ситуации при контакте с кожей следует немедленно промыть её водой с мылом, а при случайном проглатывании большого количества вещества обратиться за медицинской помощью.
Краткие ответы
Галлий (symbol Ga) is element 31 on the periodic table, a постпереходный металл in period 4, group 13. A metal that melts in your hand at 29.8 degrees C and is the foundation of blue LEDs and 5G radios. At room temperature it is a solid.
[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p¹, giving 4 occupied shells holding 2, 8, 18, 3 electrons respectively. Its outer shell holds 3 electrons, which is what sets its bonding behaviour.Галлий melts at 302.9 K (29.8 °C) and boils at 2673 K (2399.9 °C).
The standard atomic weight of Галлий is 69.723 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Галлий has a density of 5.91 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of галлий is about 5.9× heavier.
Галлий has a Pauling electronegativity of 1.81. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
Галлий was discovered in 1875 by Lecoq de Boisbaudran. It is named after latin Gallia, France.
Галлий makes up about 19 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.