Populyarnaya biblioteka himicheskih elementov

---

---

<< Cink | Oglavlenie | Germanii >>

Gallii

Izdatel'stvo "Nauka", 1977

Elektronnaya versiya: "Nauka i Tehnika", 2002

Ob elemente s atomnym nomerom 31 bol'shinstvo chitatelei pomnyat tol'ko, chto eto odin iz treh elementov, predskazannyh i naibolee podrobno opisannyh D.I.Mendeleevym, i chto gallii - ves'ma legkoplavkii metall: chtoby prevratit' ego v zhidkost', dostatochno tepla ladoni.

Vprochem, gallii - ne samyi legkoplavkii iz metallov (dazhe esli ne schitat' rtut'). Ego temperatura plavleniya 29,75^oC, a cezii plavitsya pri 28,5^oC; tol'ko cezii, kak i vsyakii shelochnoi metall, v ruki ne voz'mesh', poetomu na ladoni, estestvenno, gallii rasplavit' legche, chem cezii.

Spoi rasskaz ob elemente N 31 my umyshlenno nachali s upominaniya o tom, chto izvestno pochti vsem. Potomu chto eto "izvestnoe" trebuet poyasnenii. Vse znayut, chto gallii predskazan Mendeleevym, a otkryt Lekokom de Buabodranom, no daleko ne vsem izvestno, kak proizoshlo otkrytie. Pochti vse znayut, chto gallii legkoplavok, no pochti nikto ne mozhet otvetit' na vopros, pochemu on legkoplavok.

Kak byl otkryt gallii

Francuzskii himik Pol' Emil' Lekok de Buabodran voshel v istoriyu kak otkryvatel' treh novyh elementov: galliya (1875), samariya (1879) i disproziya (1886). Pervoe iz etih otkrytii prineslo emu slavu.

V to vremya za predelami Francii on byl malo izvesten. Emu bylo 38 let, zanimalsya on preimushestvenno spektroskopicheskimi issledovaniyami. Spektroskopistom Lekok de Buabodran byl horoshim, i eto, v konechnom schete, privelo k uspehu: vse tri svoi elementa on otkryl metodom spektral'nogo analiza.

V 1875 g. Lekok de Buabodran issledoval spektr cinkovoi obmanki, privezennoi iz P'errfita (Pirenei). V etom spektre i byla obnaruzhena novaya fioletovaya liniya (dlina volny 4170). Novaya liniya svidetel'stvovala o prisutstvii v minerale neizvestnogo elementa, i, vpolne estestvenno, Lekok de Buabodran prilozhil maksimum usilii, chtoby etot element vydelit'. Sdelat' eto okazalos' neprosto: soderzhanie novogo elementa v rude bylo men'she 0,1%, i vo mnogom on byl podoben cinku ^*). Posle dlitel'nyh opytov uchenomu udalos'-taki poluchit' novyi element, no v ochen' nebol'shom kolichestve. Nastol'ko nebol'shom (men'she 0,1g), chto izuchit' ego fizicheskie i himicheskie svoistva Lekok de Buabodrap smog daleko ne polno.

[ ^* O tom, kak poluchayut gallii iz cinkovoi obmanki, rasskazano nizhe. ]

Soobshenie ob otkrytii galliya - tak v chest' Francii (Galliya - ee latinskoe nazvanie) byl nazvan novyi element - poyavilos' v dokladah Parizhskoi akademii nauk.

Eto soobshenie prochel D.I.Mendeleev i uznal v gallii predskazannyi im pyat'yu godami ran'she ekaalyuminii. Mendeleev tut zhe napisal v Parizh. "Sposob otkrytiya i vydeleniya, a takzhe nemnogie opisannye svoistva zastavlyayut predpolagat', chto novyi metall ne chto inoe, kak ekaalyuminii", - govorilos' v ego pis'me. Zatem on povtoryal predskazannye dlya etogo elementa svoistva. Bolee togo, nikogda ne derzha v rukah krupinki galliya, ne vidya ego v glaza, russkii himik utverzhdal, chto pervootkryvatel' elementa oshibsya, chto plotnost' novogo metalla ne mozhet byt' ravna 4,7, kak pisal Lekok de Buabodran, - ona dolzhna byt' bol'she, primerno 5,9...6,0g/sm³!

Kak eto ni stranno, no o sushestvovanii periodicheskogo zakona pervyi iz ego utverditelen, "ukrepitelen", uznal lish' iz etogo pis'ma. On eshe raz vydelil i tshatel'no ochistil krupicy galliya, chtoby proverit' rezul'taty pervyh opytov. Nekotorye istoriki nauki schitayut, chto delalos' eto s cel'yu posramit' samouverennogo russkogo "predskazatelya". No opyt pokazal obratnoe: oshibsya pervootkryvatel'. Pozzhe on pisal: "Ne nuzhno, ya dumayu, ukazyvat' na isklyuchitel'noe znachenie, kotoroe imeet plotnost' novogo elementa v otnoshenii podtverzhdeniya teoreticheskih vzglyadov Mendeleeva".

Pochti tochno sovpali s dannymi opyta i drugie predskazannye Mendeleevym svoistva elementa N 31. "Predskazaniya Mendeleeva opravdalis' s neznachitel'nymi otkloneniyami: ekaalyuminii prevratilsya v gallii". Tak harakterizuet eto sobytie Engel's v "Dialektike prirody".

Nuzhno li govorit', chto otkrytie pervogo iz predskazannyh Mendeleevym elementov znachitel'no ukrepilo pozicii periodicheskogo zakona.

Pochemu gallii legkoplavok?

Predskazyvaya svoistva galliya, Mendeleev schital, chto etot metall dolzhen byt' legkoplavkim, poskol'ku ego analogi po gruppe - alyuminii i indii - tozhe tugoplavkost'yu ne otlichayutsya.

No temperatura plavleniya galliya neobychno nizkaya, v pyat' raz nizhe, chem u indiya. Ob'yasnyaetsya eto neobychnym stroeniem kristallov galliya. Ego kristallicheskaya reshetka obrazovana ne otdel'nymi atomami (kak u "normal'nyh" metallov), a dvuhatomnymi molekulami. Molekuly Ga₂ ochen' ustoichivy, oni sohranyayutsya dazhe pri perevode galliya v zhidkoe sostoyanie. No mezhdu soboi eti molekuly svyazany lish' slabymi vandervaal'sovymi silami, i dlya razrusheniya ih svyazi nuzhno sovsem nemnogo energii.

S dvuhatomnost'yu molekul svyazany eshe nekotorye svoistva elementa N 31. V zhidkom sostoyanii gallii plotnee i tyazhelee, chem v tverdom. Elektroprovodnost' zhidkogo galliya takzhe bol'she, chem tverdogo.

Na chto gallii pohozh?

Vneshne - bol'she vsego na olovo: serebristo-belyi myagkii metall, na vozduhe on ne okislyaetsya i ne tuskneet.

A po bol'shinstvu himicheskih svoistv gallii blizok k alyuminiyu. Kak i u alyuminiya, na vneshnei orbite atoma galliya tri elektrona. Kak i alyuminii, gallii legko, dazhe na holodu, vzaimodeistvuet s galogenami (krome ioda). Oba metalla legko rastvoryayutsya v sernoi i solyanoi kislotah, oba reagiruyut so shelochami i dayut amfoternye gidrookisi. Konstanty dissociacii reakcii

Ga(OH)₃ Ga³⁺+3OH^-

N₃GaO₃ 3N⁺+GaO^3-₃

- velichiny odnogo poryadka.

Est', odnako, i otlichiya v himicheskih svoistvah galliya i alyuminiya.

Suhim kislorodom gallii zametno okislyaetsya lish' pri temperature vyshe 260^oC, a alyuminii, esli lishit' ego zashitnoi okisnoi plenki, okislyaetsya kislorodom ochen' bystro.

S vodorodom gallii obrazuet gidridy, podobnye gidridam bora. Alyuminii zhe sposoben tol'ko rastvoryat' vodorod, no ne vstupat' s nim v reakciyu.

A eshe gallii pohozh na grafit, na kvarc, na vodu.

Na grafit - tem, chto ostavlyaet seryi sled na bumage.

Na kvarc - elektricheskoi i teplovoi anizotropnost'yu.

Velichina elektricheskogo soprotivleniya kristallov galliya zavisit ot togo, vdol' kakoi osi prohodit tok. Otnoshenie maksimuma k minimumu ravno 7 - bol'she, chem u lyubogo drugogo metalla. To zhe i s koefficientom teplovogo rasshireniya.

Velichiny ego v napravlenii treh kristallograficheskih osei (kristally galliya rombicheskie) otnosyatsya kak 31:16:11.

A na vodu gallii pohozh tem, chto, zatverdevaya, on rasshiryaetsya. Prirost ob'ema zametnyi - 3,2%.

Uzhe odno sochetanie etih protivorechivyh shodstv govorit o nepovtorimoi individual'nosti elementa N 31.

Krome togo, u nego est' svoistva, ne prisushie ni odnomu elementu. Rasplavlennyi, on mozhet mnogie mesyacy ostavat'sya v pereohlazhdennom sostoyanii pri temperature nizhe tochki plavleniya. Eto edinstvennyi iz metallov, kotoryi ostaetsya zhidkost'yu v ogromnom intervale temperatur ot 30 do 2230^oC, prichem letuchest' ego parov minimal'na. Dazhe v glubokom vakuume on zametno isparyaetsya lish' pri 1000^oC. Pary galliya v otlichie ot tverdogo i zhidkogo metalla odnoatomny. Perehod Ga²2Ga trebuet bol'shih zatrat energii; etim i ob'yasnyaetsya trudnost' ispareniya galliya.

Bol'shoi temperaturnyi interval zhidkogo sostoyaniya - osnova odnogo iz glavnyh tehnicheskih primenenii elementa N 31.

Na chto gallii goden?

Gallievye termometry pozvolyayut v principe izmerit' temperaturu ot 30 do 2230^oC. Seichas vypuskayutsya gallievye termometry dlya temperatur do 1200^oC.

Element N 31 idet na proizvodstvo legkoplavkih splavov, ispol'zuemyh v signal'nyh ustroistvah. Splav galliya s indiem plavitsya uzhe pri 16^oC. Eto samyi legkoplavkii iz vseh izvestnyh splavov.

Kak element III gruppy, sposobstvuyushii usileniyu v poluprovodnike "dyrochnoi" provodimosti, gallii (chistotoi ne men'she 99,999%) primenyayut kak prisadku k germaniyu i kremniyu.

Intermetallicheskie soedineniya galliya s elementami V gruppy - sur'moi i mysh'yakom - sami obladayut poluprovodnikovymi svoistvami.

Dobavka galliya v steklyannuyu massu pozvolyaet poluchit' stekla s vysokim koefficientom prelomleniya svetovyh luchei, a stekla na osnove Ga₂O₃ horosho propuskayut infrakrasnye luchi.

Zhidkii gallii otrazhaet 88% padayushego na nego sveta, tverdyi - nemnogim men'she. Poetomu delayut ochen' prostye v izgotovlenii gallievye zerkala - gallievoe pokrytie mozhno nanosit' dazhe kist'yu.

Inogda ispol'zuyut sposobnost' galliya horosho smachivat' tverdye poverhnosti, zamenyaya im rtut' v diffuzionnyh vakkumnyh nasosah. Takie nasosy luchshe "derzhat" vakuum, chem rtutnye.

Predprinimalis' popytki primenit' gallii v atomnyh reaktorah, no vryad li rezul'taty etih popytok mozhno schitat' uspeshnymi. Malo togo, chto gallii dovol'no aktivno zahvatyvaet neitrony (sechenie zahvata 2,71 barna), on eshe reagiruet pri povyshennyh temperaturah s bol'shinstvom metallov.

Gallii ne stal atomnym materialom. Pravda, ego iskusstvennyi radioaktivnyi izotop ⁷²Ga (s periodom poluraspada 14,2 chasa) primenyayut dlya diagnostiki raka kostei. Hlorid i nitrat galliya-72 adsorbiruyutsya opuhol'yu, i, fiksiruya harakternoe dlya etogo izotopa izluchenie, mediki pochti tochno opredelyayut razmery inorodnyh obrazovanii.

Kak vidite, prakticheskie vozmozhnosti elementa N 31 dostatochno shiroki. Ispol'zovat' ih polnost'yu poka ne udaetsya iz-za trudnosti polucheniya galliya - elementa dovol'no redkogo (1,5 10^-3% vesa zemnoi kory) i ochen' rasseyannogo. Sobstvennyh mineralov galliya izvestno nemnogo. Pervyi i samyi izvestnyi ego mineral, gallit CuGaS₂ obnaruzhen lish' v 1956 g. Pozzhe byli naideny eshe dva minerala, sovsem uzhe redkih.

Obychno zhe gallii nahodyat v cinkovyh, alyuminievyh, zheleznyh rudah, a takzhe v kamennom ugle - kak neznachitel'nuyu primes'. I chto harakterno: chem bol'she eta primes', tem trudnee ee izvlech', potomu chto galliya bol'she v rudah teh metallov (alyuminii, cink), kotorye blizki emu po svoistvam. Osnovnaya chast' zemnogo galliya zaklyuchena v mineralah alyuminiya.

Izvlechenie galliya - "udovol'stvie" dorogoe. Poetomu element N 31 ispol'zuetsya v men'shih kolichestvah, chem lyuboi ego sosed po periodicheskoi sisteme.

Ne isklyucheno, konechno, chto nauka blizhaishego budushego otkroet v gallii nechto takoe, chto on stanet sovershenno neobhodimym i nezamenimym, kak eto sluchilos' s drugim elementom, predskazannym Mendeleevym, - germaniem. Vsego 30 let nazad ego primenyali eshe men'she, chem gallii, a potom nachalas' "era poluprovodnikov"...

Poiski zakonomernostei

Svoistva galliya predskazany D.I.Mendeleevym za pyat' let do otkrytiya etogo elementa. Genial'nyi russkii himik stroil svoi predskazaniya na zakonomernostyah izmeneniya svoistv po gruppam periodicheskoi sistemy. No i dlya Lekoka deBuabodrana otkrytie galliya ne bylo schastlivoi sluchainost'yu. Talantlivyi spektroskopist, on eshe v 1863 g. obnaruzhil zakonomernosti v izmenenii spektrov blizkih po svoistvam elementov. Sravnivaya spektry indiya i alyuminiya, on prishel k vyvodu, chto u etih elementov mozhet byt' "sobrat", linii kotorogo zapolnili by probel v korotkovolnovoi chasti spektra. Imenno takuyu nedostayushuyu liniyu on iskal i nashel v spektre cinkovoi obmanki iz P'errfita.

Privodim dlya sravneniya tablicu osnovnyh svoistv, predskazannogo D.I.Mendeleevym ekaalyuminiya i otkrytogo Lekokom deBuabodranom galliya.

Igra slov?

Nekotorye istoriki nauki vidyat v nazvanii elementa N 31 ne tol'ko patriotizm, no i neskromnost' ego pervootkryvatelya. Prinyato schitat', chto slovo "gallii" proishodit ot latinskogo Gallia (Franciya). No pri zhelanii v tom zhe slove mozhno usmotret' namek na slovo "petuh"! Po-latyni "petuh" - gallus, po-francuzski - le coq. Lekok de Buabodran?

V zavisimosti ot vozrasta

V mineralah gallii chasto soputstvuet alyuminiyu. Interesno, chto sootnoshenie etih elementov v minerale zavisit ot vremeni obrazovaniya minerala. V polevyh shpatah odin atom galliya prihoditsya na 120tys. atomov alyuminiya. V nefelinah, obrazovavshihsya namnogo pozzhe, eto sootnoshenie uzhe 1:6000, a v eshe bolee "molodoi" okamenevshei drevesine - vsego 1:13.

Pervyi patent

Pervyi patent na primenenie galliya vzyat 60 let nazad. Element N 31 hoteli ispol'zovat' v dugovyh elektricheskih lampah.

Seru vytesnyaet, seroi zashishaetsya

Interesno proishodit vzaimodeistvie galliya s sernoi kislotoi. Ono soprovozhdaetsya vydeleniem elementarnoi sery. Pri etom sera obvolakivaet poverhnost' metalla i prepyatstvuet ego dal'neishemu rastvoreniyu. Esli zhe obmyt' metall goryachei vodoi, reakciya vozobnovitsya, i budet idti do teh por, poka na gallii ne narastet novaya "shkura" iz sery.

Vrednoe vliyanie

Zhidkii gallii vzaimodeistvuet s bol'shinstvom metallov, obrazuya splavy i intermetallicheskie soedineniya s dovol'no nizkimi mehanicheskimi svoistvami. Imenno poetomu soprikosnovenie s galliem privodit mnogie konstrukcionnye materialy k potere prochnosti. Naibolee ustoichiv k deistviyu galliya berillii: pri temperature do 1000^oC on uspeshno protivostoit agressivnosti elementa N 31.

I okis' tozhe!

Neznachitel'nye dobavki okisi galliya zametno vliyayut na svoistva okisei mnogih metallov. Tak, primes' Ga₂O₃ k okisi cinka znachitel'no umen'shaet ee spekaemost'. Zato rastvorimost' cinka v takom okisle namnogo bol'she, chem v chistom. A u dvuokisi titana pri dobavlenii Ga₂O₃ rezko padaet elektroprovodnost'.

Kak poluchayut gallii

Promyshlennyh mestorozhdenii gallievyh rud v mire ne naideno. Poetomu gallii prihoditsya izvlekat' iz ochen' nebogatyh im cinkovyh i alyuminievyh rud. Poskol'ku sostav rud i soderzhanie v nih galliya neodinakovy, sposoby polucheniya elementa N 31 dovol'no raznoobrazny. Rasskazhem dlya primera, kak izvlekayut gallii iz cinkovoi obmanki - minerala, v kotorom etot element byl obnaruzhen vpervye.

Prezhde vsego, cinkovuyu obmanku ZnS obzhigayut, a obrazovavshiesya okisly vyshelachivayut sernoi kislotoi. Vmeste s mnogimi drugimi metallami gallii perehodit v rastvor. Preobladaet v etom rastvore sul'fat cinka - osnovnoi produkt, kotoryi nado ochistit' ot primesei, v tom chisle i ot galliya. Pervaya stadiya ochistki - osazhdenie tak nazyvaemogo zheleznogo shlama. Pri postepennoi neitralizacii kislogo rastvora etot shlam vypadaet v osadok. V nem okazyvaetsya okolo 10% alyuminiya, 15% zheleza i (chto dlya nas seichas naibolee vazhno) 0,05...0,1% galliya. Dlya izvlecheniya galliya shlam vyshelachivayut kislotoi ili edkim natrom - gidrookis' galliya amfoterna. Shelochnoi sposob udobnee, poskol'ku v etom sluchae mozhno delat' apparaturu iz menee dorogih materialov.

Pod deistviem shelochi soedineniya alyuminiya i galliya perehodyat v rastvor. Kogda etot rastvor ostorozhno neitralizuyut, gidrookis' galliya vypadaet v osadok. No v osadok perehodit i chast' alyuminiya. Poetomu osadok rastvoryayut eshe raz, teper' uzhe v solyanoi kislote. Poluchaetsya rastvor hloristogo galliya, zagryaznennyi preimushestvenno hloristym alyuminiem. Razdelit' eti veshestva udaetsya ekstrakciei. Prilivayut efir i, v otlichie ot AlSl₃, GaSl₃ pochti polnost'yu perehodit v organicheskii rastvoritel'. Sloi razdelyayut, otgonyayut efir, a poluchennyi hlorid galliya eshe raz obrabatyvayut koncentrirovannym edkim natrom, chtoby perevesti v osadok i otdelit' ot galliya primes' zheleza. Iz etogo shelochnogo rastvora i poluchayut metallicheskii gallii. Poluchayut elektrolizom pri napryazhenii 5,5v. Osazhdayut gallii na mednom katode.

Galii i zuby

Dolgoe vremya schitalos', chto gallii toksichen. Lish' v poslednie desyatiletiya eto nepravil'noe mnenie oprovergnuto. Legkoplavkii gallii zainteresoval stomatologov. Eshe v 1930 g. bylo vpervye predlozheno zamenit' galliem rtut' v kompoziciyah dlya plombirovaniya zubov. Dal'neishie issledovaniya i u nas, i za rubezhom podtverdili perspektivnost' takoi zameny. Bezrtutnye metallicheskie plomby (rtut' zamenena galliem) uzhe primenyayutsya v stomatologii.

---

<< Cink | Oglavlenie | Germanii >>

Publikacii s klyuchevymi slovami: himicheskie elementy - atomy - periodicheskaya tablica Mendeleeva Publikacii so slovami: himicheskie elementy - atomy - periodicheskaya tablica Mendeleeva
Sm. takzhe: Proishozhdenie himicheskih elementov Konferenciya v chest' 150-letiya tablicy Mendeleeva Otkuda poyavilis' himicheskie elementy? Otkuda proizoshli himicheskie elementy? Stepeni desyatki Ostatok sverhnovoi Kassiopeya A v rentgenovskih luchah Tumannost' Rozetka v svete atomov vodoroda, kisloroda, sery Vse publikacii na tu zhe temu >>