Галлий

Природный галлий состоит из двух изотопов ⁶⁹Ga (61, 2% по массе) и ⁷¹Ga (38, 8%). Конфигурация внешнего электронного слоя 4s²p¹. Степень окисления +3, +1 (валентности I, III).

Расположен в группе IIIА периодической системы элементов, в 4-м периоде.

Радиус атома 0, 1245 нм, радиус иона Ga³⁺0, 062 нм. Энергии последовательной ионизации 5, 998, 20, 514, 30, 71, 64, 2 и 89, 8 эВ. Электроотрицательность по Полингу 1, 6.

Впервые существование этого элемента предсказано Д. И. Менделеевым в 1871 на основании открытого им периодического закона. Он назвал его экаалюминий. В 1875 П. Э. Лекок де Буабодран выделил галлий из цинковых руд.

Де Буабодран определил плотность галлия — 4, 7 г/см³, что не соответствовало предсказанному Д. И. Менделеевым значению 5, 9 г/см³. Уточненное значение плотности галлия (5, 904 г/см³) совпало с предсказанием Менделеева.

Содержание в земной коре 1, 8·10^–3% по массе. Галлий относится к рассеянным элементам. В природе встречается в виде очень редких минералов: зенгеита Ga(OH)₃, галлита CuGaS₂и других. Является спутником алюминия, цинка, германия, железа; содержится в сфалеритах, нефелине, натролите, бокситах, германите, в углях и железных рудах некоторых месторождений.

Основной источник галлия — алюминатные растворы, получаемые при переработке глинозема. После удаления большей части Al и многократного концентрирования образуется щелочной раствор, содержащий Ga и Al. Галлий выделяют электролизом этого раствора.

Галлий — легкоплавкий светло-серый металл с синеватым оттенком. Расплав Ga может находиться в жидком состоянии при температуре ниже температуры плавления (29, 75 °C). Температура кипения 2200 °C, это объясняется тем, что в жидком галлии плотная упаковка атомов с координационным числом 12. Для ее разрушения надо затратить много энергии.

Кристаллическая решетка устойчивой α-модификации образована двухатомными молекулами Ga₂, связанными между собой ван-дер-ваальсовыми силами, длина связи 0, 244 нм.

Стандартный электродный потенциал пары Ga³⁺/Ga равен –0, 53В, Ga находится в электрохимическом ряду до водорода.

По химическим свойствам галлий сходен с алюминием.

На воздухе Ga покрывается оксидной пленкой, предохраняющей от дальнейшего окисления. С мышьяком, фосфором, сурьмой образует арсенид, фосфид и антимонид галлия, с серой, селеном, теллуром — халькогениды. При нагревании Ga реагирует с кислородом. С хлором и бромом галлий взаимодействует при комнатной температуре, с иодом — при нагревании. Галогениды галлия, образуют димеры Ge₂X₆.

Галлий образует полимерные гидриды:

4LiH + GaCl₃ = Li[GaH₄] + 3LiCl.

Устойчивость ионов падает в ряду BH₄^– — AlH₄^– — GaH₄^–. Ион BH₄^– устойчив в водном растворе, AlH₄^– и GaH₄^– быстро гидролизуются:

GaH₄^– + 4H₂O = Ga(OH)₃ + OH^– + 4H₂

При нагревании под давлением Ga реагирует с водой:

2Ga + 4H₂O = 2GaOOH + 3H₂

С минеральными кислотами Ga медленно реагирует с выделением водорода:

2Ga + 6HCl = 2GaCl₃ + 3H₂

Галлий растворяется в щелочах с образованием гидроксогаллатов:

2Ga + 6H₂O + 2NaOH = 2Na[Ga(OH)₄] + 3H₂

Оксид и гидроксид галлия проявляют амфотерные свойства, хотя основные свойства у них по сравнению с Al усилены:

Ga₂O₃ + 6HCl = 2GaCl₂,

Ga₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Ge(OH)₄]

Ga₂O₃ + Na₂CO₃ = 2NaGaO₂ + CO₂

При подщелачивании раствора какой-либо соли галлия выделяется гидроксид галлия переменного состава Ge₂O₃·xH₂O:

Ga(NO₃)₂ + 3NaOH = Ga(OH)₃Ї + 3NaNO₃

При растворении Ga(OH)₃ и Ga₂O₃ в кислотах образуются аквакомплексы [Ga(H₂O)₆]³⁺, поэтому из водных растворов соли галлия выделяются в виде кристаллогидратов, например, хлорид галлия GaCl₃·6H₂O, галлийкалиевые квасцы KGa(SO₄)₂·12H₂O. Аквакомплексы галлия в растворах бесцветны.

Около 97% получаемого промышленностью галлия используется для получения соединений с полупроводниковыми свойствами, например, арсенида галлия GaAs. Металлический галлий применяют в радиоэлектронике для «холодной пайки» керамических и металлических деталей, для легирования Ge и Si, получения оптических зеркал. Ga может заменять Hg в выпрямителях электрического тока. Эвтектический сплав галлия с индием используют в радиационных контурах реакторов.

Галлий — малотоксичный элемент. Из-за низкой температуры плавления слитки Ga рекомендуется транспортировать в пакетах из полиэтилена, который плохо смачивается жидким галлием.

Авторы: С.С. Бердоносов, П.С. Бердоносов