Ga · Элемент 31 · Постпереходный металл
Металл, плавящийся у вас в руке при 29,8 градуса C и составляющий основу синих светодиодов и радиосвязи 5G.
Строение
Это не диаграмма 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 химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение галлий среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 135 pm — это 0,135 нм, поэтому около 3,7 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Галлий находится в жидком состоянии в диапазоне 2370 K — от 303 K до 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 при удерживании в руке превращается в блестящую лужицу жидкого металла. Но самое необычное вот что: достаточно чистый жидкий галлий может оставаться жидким 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 Буободраном, галлий был фактически предсказан Дмитрием Менделеевым в 1871 году и назван им «эка-алюминием». Когда Лекок обнаружил этот элемент, 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, позволяющих передавать данные с огромной скоростью. Галлий обладает и другими поразительными свойствами. Это одно из немногих веществ, которые расширяются при затвердевании (подобно воде, превращающейся в лёд), поэтому твёрдый галлий плавает на жидком галлии. Он также может смачивать стекло и другие материалы, создавая зеркальное покрытие, которое исследуется для применения в гибкой электронике и жидкометаллических антеннах. Есть ещё один невероятный факт: галлий исследуется для лечения рака. Соединения галлия могут нарушать обмен железа в раковых клетках, потенциально лишая опухоли железа, необходимого им для роста. Кроме того, галлий-67 используется в медицинской визуализации, поскольку накапливается в очагах инфекции и воспаления.
История открытия галлия увлекательна: она охватывает несколько десятилетий и связана с работой нескольких учёных, начиная с выдающегося предсказания Дмитрия Менделеева и заканчивая фактическим выделением элемента Полем-Эмилем Лекоком де Буободраном. 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 окажутся похожими на соединения алюминия; впоследствии эти свойства подтвердились с удивительной точностью. Фактическое открытие произошло в 1875 году, когда французский химик Поль-Эмиль Лекок де Буободран проводил спектроскопический анализ цинковой руды из Пиренейских гор. Исследуя спектр, он заметил две необычные фиолетовые линии, не соответствовавшие ни одному известному элементу, что указывало на присутствие нового элемента. Лекок де Буободран назвал элемент «галлием» в честь Gallia — латинского названия Франции, хотя некоторые источники предполагают, что это также была игра с его собственной фамилией: Lecoq означает «петух» по-французски, а gallus — «петух» по-латыни. В течение нескольких месяцев после спектроскопического открытия Лекок де Буободран 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. Тщательная работа Лекока де Буободрана по выделению и изучению галлия позволила установить многие его основные свойства и особенности химического поведения, которые остаются актуальными и сегодня.
Применение
Галлий стал важным элементом современных технологий, особенно в полупроводниковой и электронной промышленности. Его основное применение — производство полупроводников из арсенида галлия (GaAs) и нитрида галлия (GaN), которые необходимы для высокочастотных устройств, светодиодного освещения, лазерных диодов и солнечных элементов. Эти полупроводники превосходят традиционные компоненты на основе кремния, особенно в устройствах большой мощности и высокой частоты. Галлий широко применяется в 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 специальных применениях, например в качестве альтернативы стоматологической амальгаме и в низкоплавких сплавах. В медицине соединения галлия используются в радиофармацевтических препаратах для сканирования костей и выявления рака. Цитрат галлия-67 особенно важен в ядерной медицине для обнаружения воспалений и инфекций. Элемент также применяется в термометрах для измерения высоких температур, зеркалах и специальных видах стекла. Недавние разработки связаны с использованием галлия в современных фотоэлектрических элементах, где слои фосфида галлия-индия повышают эффективность солнечных элементов. Аэрокосмическая промышленность использует сплавы галлия в специальных компонентах, которым нужны материалы с определёнными тепловыми свойствами. Продолжаются исследования возможного применения галлия в квантовых вычислениях: квантовые точки из арсенида галлия перспективны для обработки квантовой информации. Электронная промышленность широко использует галлий для производства транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT), применяемых в спутниковой связи, радиолокационных системах и беспроводных базовых станциях.
Наиболее распространённое применение галлия — производство полупроводников, где он образует основу 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. Солнечные панели всё чаще используют соединения галлия для повышения эффективности, особенно в концентраторных фотоэлектрических системах крупных солнечных установок. В медицинских учреждениях галлий-67 применяют для сканирования костей и выявления инфекций, поэтому он стал обычным элементом медицинской практики. Высокотемпературные термометры в промышленности часто содержат галлий благодаря его широкому диапазону жидкого состояния и нетоксичности по сравнению с ртутью. Аэрокосмическая промышленность использует сплавы галлия в специальных зеркалах и оптических компонентах спутников и космических телескопов. Потребительская электроника использует свойства галлия в усилителях мощности для базовых станций сотовой связи и WiFi-маршрутизаторов. В автомобилях полупроводники на основе галлия применяются в системах зарядки электромобилей и светодиодных фарах. Научно-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 для космических систем, где эффективность имеет первостепенное значение. Военные и оборонные отрасли используют арсенид галлия в радиолокационных системах, оборудовании радиоэлектронной борьбы и защищённых средствах связи. Даже повседневные устройства, такие как сканеры штрихкодов и DVD-плееры, работают благодаря лазерным диодам из арсенида галлия.
Откуда он происходит
19 мг/кг земной коры · более распространён, чем 71% элементов
Галлий — один из самых редких стабильных элементов на Земле: его среднее содержание в земной коре составляет всего 19 частей на миллион. Он встречается реже свинца, но распространённее золота. В отличие от многих металлов, галлий не существует в природе в свободном виде из-за высокой реакционной способности. Вместо этого он присутствует как микроэлемент в различных минералах, главным образом в бокситах (алюминиевой руде), цинковых рудах и угле. Обычно элемент замещает алюминий в таких минералах, как диаспор и бемит, 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, что создаёт альтернативный источник добычи. Некоторые редкоземельные минералы, например лопарит и монацит, содержат следовые количества галлия. Элемент также присутствует в небольших количествах в железных и марганцевых рудах. Германит, минерал сульфида меди, содержит значительные концентрации галлия и служит ещё одним источником его извлечения. В морской воде концентрация галлия чрезвычайно мала — около 0.03 частей 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 занимает доминирующее положение в мировом производстве. Редкость элемента и зависимость от производства других металлов делают его стратегически важным для технологической промышленности.
Обращение
Металлический галлий обычно считается безопасным при обращении с соблюдением базовых лабораторных мер предосторожности, однако необходимо учитывать несколько важных факторов безопасности. Чистый металл представляет минимальный риск острой токсичности и при нормальном обращении не классифицируется как опасное вещество. Однако галлий обладает необычным свойством прочно прилипать к стеклу и другим материалам, что может привести к необратимому окрашиванию или повреждению поверхностей лабораторного оборудования. 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 плавится в тёплых руках и может вызвать ожоги, если его нагреть выше температуры тела. Соединения галлия опаснее чистого металла: соли галлия умеренно токсичны при проглатывании 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 с полупроводниковыми свойствами, особенно арсенид галлия, требуют специальных процедур обращения из-за присутствия токсичного мышьяка. Работники полупроводникового производства должны строго соблюдать протоколы, 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 долгосрочного воздействия показывают, что накопление галлия в организме возможно, хотя острая токсичность встречается редко. Беременным женщинам и детям следует соблюдать особую осторожность рядом с соединениями галлия. При контакте с кожей необходимо немедленно промыть её водой с мылом, а при случайном проглатывании большого количества — обратиться за медицинской помощью.
Краткие ответы
Галлий (символ Ga) — элемент 31 в периодической таблице, представитель семейства Постпереходный металл в 4 периоде, 13 группе. Металл, плавящийся у вас в руке при 29,8 градуса C и составляющий основу синих светодиодов и радиосвязи 5G. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p¹; она включает 4 занятые электронные оболочки с распределением 2, 8, 18, 3. На внешней оболочке находится 3 электрона, что определяет характер химических связей.Галлий плавится при 302.9 K (29.8 °C) и кипит при 2673 K (2399.9 °C).
Стандартная атомная масса Галлий составляет 69.723 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Галлий составляет 5.91 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Галлий примерно в 5.9× тяжелее.
Электроотрицательность Галлий по шкале Полинга составляет 1.81. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Галлий был открыт в 1875 году Lecoq de Boisbaudran. Назван в честь латинское Gallia, Франция.
На долю Галлий приходится около 19 мг/кг земной коры — он встречается нечасто, но не является редким.