Galliummetall oder. Galliummetall

Was das Element mit der Ordnungszahl 31 betrifft, erinnern sich die meisten Leser nur daran, dass es eines der drei Elemente ist, die von D.I. vorhergesagt und am ausführlichsten beschrieben wurden. Mendelejew, und dass es ein sehr schmelzbares Metall ist: Die Hitze der Handfläche reicht aus, um es in Flüssigkeit zu verwandeln.

Wir haben unsere Geschichte über Element Nr. 31 bewusst mit der Erwähnung von etwas begonnen, das fast jeder kennt. Denn dieses „Wissen“ bedarf einer Erklärung. Jeder weiß, dass Gallium von Mendelejew vorhergesagt und von Lecoq de Boisbaudran entdeckt wurde, aber nicht jeder weiß, wie es zu dieser Entdeckung kam. Fast jeder weiß, dass Gallium schmelzbar ist, aber fast niemand kann die Frage beantworten, warum es schmelzbar ist.

Wie wurde Gallium entdeckt?

Der französische Chemiker Paul Emile Lecoq de Boisbaudran ging als Entdecker dreier neuer Elemente in die Geschichte ein: Gallium (1875), Samarium (1879) und Dysprosium (1886). Die erste dieser Entdeckungen machte ihn berühmt.

Zu dieser Zeit war er außerhalb Frankreichs wenig bekannt. Er war 38 Jahre alt und beschäftigte sich hauptsächlich mit spektroskopischer Forschung. Lecoq de Boisbaudran war ein guter Spektroskopiker, und das führte letztendlich zum Erfolg: Er entdeckte alle drei seiner Elemente durch Spektralanalyse.

Im Jahr 1875 untersuchte Lecoq de Boisbaudran das Spektrum der aus Pierrefitte (Pyrenäen) mitgebrachten Zinkblende. In diesem Spektrum wurde eine neue violette Linie (Wellenlänge 4170A) entdeckt. Die neue Linie deutete auf das Vorhandensein eines unbekannten Elements in dem Mineral hin, und ganz natürlich unternahm Lecoq de Boisbaudran alle Anstrengungen, dieses Element zu isolieren. Dies erwies sich als schwierig: Der Gehalt des neuen Elements im Erz betrug weniger als 0,1 % und ähnelte in vielerlei Hinsicht Zink. Nach langwierigen Experimenten gelang es dem Wissenschaftler, ein neues Element zu gewinnen, allerdings in sehr geringer Menge. So klein (weniger als 0,1 g), dass Lecoq de Boisbaudran seine physikalischen und chemischen Eigenschaften nicht vollständig untersuchen konnte.

Die Entdeckung von Gallium – so wurde das neue Element zu Ehren Frankreichs benannt (Gallia ist sein lateinischer Name) – erschien in den Berichten der Pariser Akademie der Wissenschaften.

D. I. Mendeleev las diese Nachricht und erkannte Gallium als Eka-Aluminium, was er fünf Jahre zuvor vorhergesagt hatte. Mendelejew schrieb sofort nach Paris. „Die Entdeckungs- und Isolierungsmethode sowie die wenigen beschriebenen Eigenschaften lassen uns vermuten, dass es sich bei dem neuen Metall um nichts anderes als Eka-Aluminium handelt“, heißt es in seinem Brief. Anschließend wiederholte er die für dieses Element vorhergesagten Eigenschaften. Darüber hinaus argumentierte der russische Chemiker, der niemals Galliumkörner in den Händen hielt, ohne es persönlich gesehen zu haben, dass der Entdecker des Elements sich geirrt habe, dass die Dichte des neuen Metalls nicht 4,7 betragen könne, wie Lecoq de Boisbaudran es schrieb sollte größer sein, etwa 5,9–6,0 g/cm3.

Seltsamerweise, aber die Existenz von periodischenDer erste seiner Befürworter, „Stärker“, lernte das Gesetz erst aus diesem Brief. Er hob noch einmal hervor und sorgfältiggereinigte Galliumkörner, um die Ergebnisse der ersten Experimente zu überprüfen. Einige Wissenschaftshistoriker glauben, dass dies mit dem Ziel geschah, den selbstbewussten Russen zu blamieren"Anzeichen". Doch die Erfahrung zeigte das Gegenteil: Der Entdecker täuschte sich. Später schrieb er: „Es besteht meiner Meinung nach keine Notwendigkeit, auf die außergewöhnliche Bedeutung hinzuweisen, die die Dichte eines neuen Elements im Zusammenhang mit der Bestätigung von Mendelejews theoretischen Ansichten hat.“

Auch andere von Mendelejew vorhergesagte Eigenschaften des Elements Nr. 31 stimmten fast genau mit den experimentellen Daten überein. „Mendelejews Vorhersagen wurden mit geringfügigen Abweichungen gerechtfertigt: Eka-Aluminium verwandelte sich in Gallium.“ So charakterisiert Engels dieses Ereignis in „Dialektik der Natur“.

Es erübrigt sich zu erwähnen, dass die Entdeckung des ersten der von Mendelejew vorhergesagten Elemente eine deutliche Verstärkung darstelltePositionen des Periodengesetzes.

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Was das Element mit der Ordnungszahl 31 betrifft, erinnern sich die meisten Leser nur daran, dass es eines der drei Elemente ist, die von D.I. vorhergesagt und am ausführlichsten beschrieben wurden. Mendelejew, und dass Gallium ein sehr schmelzbares Metall ist: Die Hitze der Handfläche reicht aus, um es in Flüssigkeit zu verwandeln.

Allerdings ist Gallium nicht das schmelzbarste Metall (auch wenn man Quecksilber nicht mitzählt). Sein Schmelzpunkt liegt bei 29,75 °C und Cäsium schmilzt bei 28,5 °C; Nur Cäsium kann wie jedes Alkalimetall nicht in die Hände genommen werden, daher ist es natürlich einfacher, Gallium in der Handfläche zu schmelzen als Cäsium.

Wir haben unsere Geschichte über Element 31 bewusst mit der Erwähnung von etwas begonnen, das fast jeder weiß. Denn dieses „Wissen“ bedarf einer Erklärung. Jeder weiß, dass Gallium von Mendelejew vorhergesagt und von Lecoq de Boisbaudran entdeckt wurde, aber nicht jeder weiß, wie es zu dieser Entdeckung kam. Fast jeder weiß, dass Gallium schmelzbar ist, aber fast niemand kann die Frage beantworten, warum es schmelzbar ist.

Wie wurde Gallium entdeckt?

Im Jahr 1875 untersuchte Lecoq de Boisbaudran das Spektrum der aus Pierrefitte (Pyrenäen) mitgebrachten Zinkblende. In diesem Spektrum wurde eine neue violette Linie (Wellenlänge 4170 Å) entdeckt. Die neue Linie deutete auf das Vorhandensein eines unbekannten Elements in dem Mineral hin, und ganz natürlich unternahm Lecoq de Boisbaudran alle Anstrengungen, dieses Element zu isolieren. Dies erwies sich als schwierig: Der Gehalt des neuen Elements im Erz betrug weniger als 0,1 % und ähnelte in vielerlei Hinsicht Zink*. Nach langwierigen Experimenten gelang es dem Wissenschaftler, ein neues Element zu gewinnen, allerdings in sehr geringer Menge. So klein (weniger als 0,1 g), dass Lecoq de Boisbaudrap seine physikalischen und chemischen Eigenschaften nicht vollständig untersuchen konnte.

* Wie Gallium aus Zinkblende gewonnen wird, wird im Folgenden beschrieben.

Die Entdeckung von Gallium – so wurde das neue Element zu Ehren Frankreichs benannt (Gallia ist sein lateinischer Name) – erschien in den Berichten der Pariser Akademie der Wissenschaften.

Diese Nachricht wurde von D.I. gelesen. Mendeleev erkannte in Gallium Eka-Aluminium, das er fünf Jahre zuvor vorhergesagt hatte. Mendelejew schrieb sofort nach Paris. „Die Methode der Entdeckung und Isolierung sowie die wenigen beschriebenen Eigenschaften lassen uns glauben, dass es sich bei dem neuen Metall um kein anderes als Eka-Aluminium handelt“, heißt es in seinem Brief. Anschließend wiederholte er die für dieses Element vorhergesagten Eigenschaften. Darüber hinaus argumentierte der russische Chemiker, ohne jemals Galliumkörner in den Händen zu halten, ohne es persönlich zu sehen, dass der Entdecker des Elements sich geirrt habe, dass die Dichte des neuen Metalls nicht 4,7 betragen könne, wie Lecoq de Boisbaudran schrieb: - es muss größer sein, etwa 5,9...6,0 g/cm 3!

So seltsam es auch erscheinen mag, der erste seiner bejahenden, „stärkenden“ Sätze erfuhr erst aus diesem Brief von der Existenz des periodischen Gesetzes. Um die Ergebnisse der ersten Experimente zu überprüfen, isolierte und reinigte er erneut Galliumkörner. Einige Wissenschaftshistoriker glauben, dass dies mit dem Ziel geschah, den selbstbewussten russischen „Prädiktor“ zu blamieren. Doch die Erfahrung zeigte das Gegenteil: Der Entdecker täuschte sich. Später schrieb er: „Es besteht meiner Meinung nach keine Notwendigkeit, auf die außergewöhnliche Bedeutung hinzuweisen, die die Dichte eines neuen Elements im Zusammenhang mit der Bestätigung von Mendelejews theoretischen Ansichten hat.“

Andere von Mendelejew vorhergesagte Eigenschaften des Elements Nr. 31 stimmten fast genau mit den experimentellen Daten überein. „Mendelejews Vorhersagen haben sich mit geringfügigen Abweichungen bewahrheitet: Eka-Aluminium verwandelte sich in Gallium.“ So charakterisiert Engels dieses Ereignis in „Dialektik der Natur“.

Es erübrigt sich zu erwähnen, dass die Entdeckung des ersten von Mendelejew vorhergesagten Elements die Position des periodischen Gesetzes erheblich stärkte.

Warum ist Gallium schmelzbar?

Mendeleev sagte die Eigenschaften von Gallium voraus und glaubte, dass dieses Metall schmelzbar sein sollte, da seine Analoga in der Gruppe – Aluminium und Indium – ebenfalls nicht feuerfest sind.

Doch der Schmelzpunkt von Gallium ist ungewöhnlich niedrig, fünfmal niedriger als der von Indium. Dies wird durch die ungewöhnliche Struktur von Galliumkristallen erklärt. Sein Kristallgitter besteht nicht aus einzelnen Atomen (wie bei „normalen“ Metallen), sondern aus zweiatomigen Molekülen. Ga 2 -Moleküle sind sehr stabil; sie bleiben auch dann erhalten, wenn Gallium in einen flüssigen Zustand überführt wird. Diese Moleküle sind jedoch nur durch schwache Van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden, und es ist nur sehr wenig Energie erforderlich, um ihre Bindung zu zerstören.

Einige andere Eigenschaften des Elements Nr. 31 hängen mit der Diatomizität von Molekülen zusammen. Im flüssigen Zustand ist Gallium dichter und schwerer als im festen Zustand. Auch die elektrische Leitfähigkeit von flüssigem Gallium ist höher als die von festem Gallium.

Äußerlich sieht es eher wie Zinn aus: ein silbrig-weißes weiches Metall, das an der Luft weder oxidiert noch anläuft.

Und in den meisten chemischen Eigenschaften ähnelt Gallium Aluminium. Das Galliumatom verfügt wie Aluminium über drei Elektronen in seiner äußeren Umlaufbahn. Wie Aluminium reagiert Gallium auch in der Kälte leicht mit Halogenen (außer Jod). Beide Metalle lösen sich leicht in Schwefel- und Salzsäure und reagieren beide mit Alkalien zu amphoteren Hydroxiden. Reaktionsdissoziationskonstanten

Ga(OH) 3 → Ga 3+ + 3OH –

H 3 GaO 3 → 3H + + GaO 3– 3

– Mengen der gleichen Bestellung.

Allerdings gibt es Unterschiede in den chemischen Eigenschaften von Gallium und Aluminium.

Gallium wird durch trockenen Sauerstoff erst bei Temperaturen über 260 °C merklich oxidiert, und Aluminium wird, wenn ihm sein schützender Oxidfilm entzogen wird, sehr schnell durch Sauerstoff oxidiert.

Gallium bildet mit Wasserstoff Hydride ähnlich den Borhydriden. Aluminium kann Wasserstoff nur lösen, aber nicht damit reagieren.

Gallium ähnelt auch Graphit, Quarz und Wasser.

Auf Graphit – weil es einen grauen Fleck auf dem Papier hinterlässt.

Für Quarz – elektrische und thermische Anisotropie.

Die Größe des elektrischen Widerstands von Galliumkristallen hängt davon ab, entlang welcher Achse der Strom fließt. Das Verhältnis von Maximum zu Minimum beträgt 7, mehr als bei jedem anderen Metall. Das Gleiche gilt für den Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Seine Werte in Richtung der drei kristallographischen Achsen (Galliumkristalle sind rhombisch) stehen im Verhältnis 31:16:11.

Und Gallium ähnelt Wasser darin, dass es sich beim Aushärten ausdehnt. Der Volumenanstieg ist spürbar – 3,2 %.

Allein die Kombination dieser widersprüchlichen Ähnlichkeiten spricht für die einzigartige Individualität des Elements Nr. 31.

Darüber hinaus verfügt es über Eigenschaften, die in keinem anderen Element zu finden sind. Sobald es geschmolzen ist, kann es viele Monate lang in einem unterkühlten Zustand bei einer Temperatur unterhalb seines Schmelzpunkts bleiben. Dies ist das einzige Metall, das in einem großen Temperaturbereich von 30 bis 2230 °C flüssig bleibt und die Flüchtigkeit seiner Dämpfe minimal ist. Selbst im tiefen Vakuum verdampft es erst bei 1000°C merklich. Galliumdampf ist im Gegensatz zu festen und flüssigen Metallen einatomig. Der Ga 2 → 2Ga-Übergang erfordert große Energiemengen; Dies erklärt die Schwierigkeit der Galliumverdampfung.

Der große Temperaturbereich des flüssigen Zustands ist die Grundlage einer der wichtigsten technischen Anwendungen des Elements Nr. 31.

Wofür ist Gallium gut?

Gallium-Thermometer können grundsätzlich Temperaturen von 30 bis 2230 °C messen. Gallium-Thermometer sind mittlerweile für Temperaturen bis 1200°C erhältlich.

Element Nr. 31 wird zur Herstellung niedrig schmelzender Legierungen für Signalgeräte verwendet. Die Gallium-Indium-Legierung schmilzt bereits bei 16°C. Dies ist die schmelzbarste aller bekannten Legierungen.

Als Element der Gruppe III, das die „Loch“-Leitfähigkeit in einem Halbleiter erhöht, wird Gallium (mit einer Reinheit von mindestens 99,999 %) als Zusatz zu Germanium und Silizium verwendet.

Intermetallische Verbindungen von Gallium mit Elementen der Gruppe V – Antimon und Arsen – haben selbst Halbleitereigenschaften.

Durch die Zugabe von Gallium zur Glasmasse können Gläser mit einem hohen Brechungsindex der Lichtstrahlen erhalten werden, und Gläser auf Basis von Ga 2 O 3 lassen Infrarotstrahlen gut durch.

Flüssiges Gallium reflektiert 88 % des einfallenden Lichts, festes Gallium etwas weniger. Daher stellen sie Galliumspiegel her, die sehr einfach herzustellen sind – die Galliumbeschichtung kann sogar mit einem Pinsel aufgetragen werden.

Manchmal wird die Fähigkeit von Gallium genutzt, feste Oberflächen gut zu benetzen, um Quecksilber in Diffusionsvakuumpumpen zu ersetzen. Solche Pumpen „halten“ das Vakuum besser als Quecksilberpumpen.

Es wurden Versuche unternommen, Gallium in Kernreaktoren einzusetzen, aber die Ergebnisse dieser Versuche können kaum als erfolgreich angesehen werden. Gallium fängt nicht nur recht aktiv Neutronen ein (Einfangquerschnitt 2,71 Scheunen), es reagiert auch bei erhöhten Temperaturen mit den meisten Metallen.

Gallium wurde kein atomares Material. Zwar wird sein künstliches radioaktives Isotop 72 Ga (mit einer Halbwertszeit von 14,2 Stunden) zur Diagnose von Knochenkrebs verwendet. Gallium-72-Chlorid und -Nitrat werden vom Tumor adsorbiert, und durch den Nachweis der Strahlungscharakteristik dieses Isotops können Ärzte die Größe fremder Formationen nahezu genau bestimmen.

Wie Sie sehen, sind die praktischen Möglichkeiten des Elements Nr. 31 recht groß. Aufgrund der schwierigen Gewinnung von Gallium – einem eher seltenen Element (1,5 · 10 -3 % des Gewichts der Erdkruste) und sehr verstreut – ist es bisher nicht möglich, sie vollständig zu nutzen. Es sind nur wenige native Galliummineralien bekannt. Sein erstes und berühmtestes Mineral, Gallit CuGaS 2, wurde erst 1956 entdeckt. Später wurden zwei weitere, bereits sehr seltene Mineralien gefunden.

Typischerweise kommt Gallium in Zink, Aluminium, Eisenerzen sowie in Kohle vor – als geringfügige Verunreinigung. Und was charakteristisch ist: Je größer diese Verunreinigung ist, desto schwieriger ist es, sie zu extrahieren, da in den Erzen derjenigen Metalle (Aluminium, Zink), die ihm in seinen Eigenschaften ähneln, mehr Gallium enthalten ist. Der Großteil des terrestrischen Galliums ist in Aluminiummineralien enthalten.

Gallium zu gewinnen ist ein teures „Vergnügen“. Daher wird Element Nr. 31 in geringeren Mengen verwendet als alle seine Nachbarn im Periodensystem.

Es ist natürlich möglich, dass die Wissenschaft in naher Zukunft etwas in Gallium entdeckt, das es absolut notwendig und unersetzlich macht, wie es bei einem anderen von Mendelejew vorhergesagten Element geschehen ist – Germanium. Noch vor 30 Jahren wurde es noch weniger verwendet als Gallium, und dann begann das „Zeitalter der Halbleiter“ ...

Muster finden

Die Eigenschaften von Gallium wurden von D.I. vorhergesagt. Mendeleev fünf Jahre vor der Entdeckung dieses Elements. Der brillante russische Chemiker stützte seine Vorhersagen auf die Muster der Eigenschaftsänderungen über Gruppen des Periodensystems hinweg. Doch für Lecoq de Boisbaudran war die Entdeckung von Gallium kein glücklicher Zufall. Als talentierter Spektroskopiker entdeckte er bereits 1863 Muster in den Veränderungen der Spektren von Elementen mit ähnlichen Eigenschaften. Beim Vergleich der Spektren von Indium und Aluminium kam er zu dem Schluss, dass diese Elemente möglicherweise einen „Bruder“ haben, dessen Linien die Lücke im kurzwelligen Teil des Spektrums füllen würden. Genau diese fehlende Linie suchte und fand er im Spektrum der Zinkblende von Pierrefit.

Zum Vergleich präsentieren wir eine Tabelle der wichtigsten von D.I. vorhergesagten Eigenschaften. Mendelejews Eka-Aluminium und Gallium wurden von Lecoq de Boisbaudran entdeckt.

Ekaaluminium	Gallium
Atomgewicht etwa 68	Atomgewicht 69,72
Muss niedrigschmelzend sein	Schmelzpunkt 29,75°C
Spezifisches Gewicht nahe 6,0	Spezifisches Gewicht 5,9 (fest) und 6,095 (flüssig)
Atomvolumen 11,5	Atomvolumen 11.8
Sollte an der Luft nicht oxidieren	Oxidiert nur leicht bei alkoholroter Hitze
Bei hohen Temperaturen sollte es Wasser zersetzen	Bei hohen Temperaturen zersetzt es Wasser
Zusammengesetzte Formeln: EaCl 3 Ea 2 O 3, Ea 2 (SO 4) 3	Zusammengesetzte Formeln: GaCl 3, Ga 3 O 3, Ga 2 (SO 4) 3
Sollte Alaun Ea 2 (SO 4) 3 Me 2 SO 4 · 24H 2 O bilden, aber schwieriger als Aluminium	Bildet Alaun mit der Zusammensetzung (NH 4) Ga(SO 4) 2 · 12H 2 O
Das Oxid Ea 2 O 3 sollte sich leicht reduzieren lassen und ein flüchtigeres Metall als Al erzeugen, und daher können wir davon ausgehen, dass Ekaaluminium durch Spektralanalyse entdeckt wird	Gallium lässt sich durch Kalzinierung in einem Wasserstoffstrom leicht aus seinem Oxid reduzieren, was mithilfe einer Spektralanalyse entdeckt wurde

Ein Wortspiel?

Einige Wissenschaftshistoriker sehen im Namen des Elements Nr. 31 nicht nur Patriotismus, sondern auch die Unbescheidenheit seines Entdeckers. Es ist allgemein anerkannt, dass das Wort „Gallium“ vom lateinischen Gallia (Frankreich) stammt. Aber wenn Sie möchten, können Sie im selben Wort einen Hinweis auf das Wort „Hahn“ sehen! Das lateinische Wort für „Hahn“ ist gallus und das französische Wort „le coq“. Lecoq de Boisbaudran?

Je nach Alter

In Mineralien wird Gallium häufig mit Aluminium begleitet. Interessanterweise hängt das Verhältnis dieser Elemente in einem Mineral vom Zeitpunkt der Entstehung des Minerals ab. Im Feldspat kommt auf 120.000 Aluminiumatome ein Galliumatom. Bei Nephelinen, die viel später entstanden sind, beträgt dieses Verhältnis bereits 1:6000, bei noch „jüngerem“ versteinertem Holz beträgt es nur 1:13.

Erstes Patent

Das erste Patent für die Verwendung von Gallium wurde vor 60 Jahren angemeldet. Sie wollten das Element Nr. 31 in elektrischen Bogenlampen verwenden.

Unterdrückt Schwefel, wehrt sich mit Schwefel

Es kommt zu einer interessanten Wechselwirkung zwischen Gallium und Schwefelsäure. Damit einher geht die Freisetzung von elementarem Schwefel. In diesem Fall umhüllt Schwefel die Oberfläche des Metalls und verhindert dessen weitere Auflösung. Wenn Sie das Metall mit heißem Wasser abwaschen, wird die Reaktion fortgesetzt und fortgesetzt, bis eine neue „Haut“ aus Schwefel auf dem Gallium wächst.

Schlechter Einfluss

Flüssiges Gallium reagiert mit den meisten Metallen und bildet Legierungen und intermetallische Verbindungen mit eher geringen mechanischen Eigenschaften. Aus diesem Grund führt der Kontakt mit Gallium dazu, dass viele Strukturmaterialien an Festigkeit verlieren. Beryllium ist am beständigsten gegenüber Gallium: Bei Temperaturen bis zu 1000 °C widersteht es erfolgreich der Aggressivität des Elements Nr. 31.

Und auch Oxid!

Geringe Zusätze von Galliumoxid beeinflussen die Eigenschaften der Oxide vieler Metalle erheblich. Somit verringert die Beimischung von Ga 2 O 3 zu Zinkoxid dessen Sinterfähigkeit erheblich. Allerdings ist die Löslichkeit von Zink in einem solchen Oxid viel größer als in reinem Zink. Und die elektrische Leitfähigkeit von Titandioxid sinkt stark, wenn Ga 2 O 3 hinzugefügt wird.

So erhalten Sie Gallium

Weltweit wurden keine industriellen Vorkommen von Galliumerzen gefunden. Daher muss Gallium aus sehr armen Zink- und Aluminiumerzen gewonnen werden. Da die Zusammensetzung der Erze und der Galliumgehalt in ihnen nicht gleich sind, sind die Methoden zur Gewinnung des Elements Nr. 31 sehr unterschiedlich. Erzählen wir Ihnen als Beispiel, wie Gallium aus Zinkblende gewonnen wird, dem Mineral, in dem dieses Element erstmals entdeckt wurde.

Zunächst wird die Zinkblende ZnS gebrannt und die entstehenden Oxide mit Schwefelsäure ausgelaugt. Gallium geht zusammen mit vielen anderen Metallen in Lösung. In dieser Lösung überwiegt Zinksulfat – das Hauptprodukt, das von Verunreinigungen, einschließlich Gallium, gereinigt werden muss. Die erste Reinigungsstufe ist die Ausfällung des sogenannten Eisenschlamms. Mit der allmählichen Neutralisierung der sauren Lösung fällt dieser Schlamm aus. Es enthält etwa 10 % Aluminium, 15 % Eisen und (was für uns jetzt am wichtigsten ist) 0,05...0,1 % Gallium. Um Gallium zu extrahieren, wird der Schlamm mit Säure oder Natriumhydroxid ausgelaugt – Galliumhydroxid ist amphoter. Die alkalische Methode ist bequemer, da in diesem Fall die Ausrüstung aus kostengünstigeren Materialien hergestellt werden kann.

Unter dem Einfluss von Alkali gehen Aluminium- und Galliumverbindungen in Lösung. Wenn diese Lösung sorgfältig neutralisiert wird, fällt Galliumhydroxid aus. Aber auch ein Teil des Aluminiums fällt aus. Daher wird der Niederschlag erneut gelöst, diesmal in Salzsäure. Es entsteht eine Galliumchloridlösung, die überwiegend mit Aluminiumchlorid verunreinigt ist. Diese Stoffe können durch Extraktion abgetrennt werden. Ether wird zugegeben und im Gegensatz zu AlCl 3 geht GaCl 3 fast vollständig in das organische Lösungsmittel über. Die Schichten werden getrennt, der Ether wird abdestilliert und das resultierende Galliumchlorid wird erneut mit konzentrierter Natronlauge behandelt, um die Eisenverunreinigung auszufällen und vom Gallium zu trennen. Aus dieser alkalischen Lösung wird Galliummetall gewonnen. Erhalten durch Elektrolyse bei einer Spannung von 5,5 V. Gallium wird auf einer Kupferkathode abgeschieden.

Galium und Zähne

Gallium galt lange Zeit als giftig. Erst in den letzten Jahrzehnten konnte dieses Missverständnis widerlegt werden. Niedrig schmelzendes Gallium hat für Zahnärzte großes Interesse geweckt. Bereits 1930 wurde erstmals vorgeschlagen, Gallium in Zusammensetzungen für Zahnfüllungen durch Quecksilber zu ersetzen. Weitere Untersuchungen im In- und Ausland bestätigten die Aussichten auf einen solchen Ersatz. In der Zahnheilkunde werden bereits quecksilberfreie Metallfüllungen (Quecksilber durch Gallium ersetzt) verwendet.

Gallium ist ein Element der Hauptuntergruppe der dritten Gruppe der vierten Periode des Periodensystems der chemischen Elemente von D. I. Mendeleev mit der Ordnungszahl 31. Gekennzeichnet durch das Symbol Ga (lat. Gallium). Gehört zur Gruppe der Leichtmetalle. Der einfache Stoff Gallium ist ein weiches, duktiles Metall von silbrig-weißer Farbe mit einer bläulichen Tönung.

Ordnungszahl - 31

Atommasse - 69,723

Dichte, kg/m³ - 5910

Schmelzpunkt, °C - 29,8

Wärmekapazität, kJ/(kg °C) – 0,331

Elektronegativität - 1,8

Kovalenter Radius, Å - 1,26

1. Ionisierung Potenzial, eV - 6,00

Geschichte der Entdeckung von Gallium

Im Jahr 1875 untersuchte Lecoq de Boisbaudran das Spektrum der aus Pierrefitte (Pyrenäen) mitgebrachten Zinkblende. In diesem Spektrum wurde eine neue violette Linie entdeckt. Die neue Linie deutete auf das Vorhandensein eines unbekannten Elements in dem Mineral hin, und ganz natürlich unternahm Lecoq de Boisbaudran alle Anstrengungen, dieses Element zu isolieren. Dies erwies sich als schwierig: Der Gehalt des neuen Elements im Erz betrug weniger als 0,1 % und ähnelte in vielerlei Hinsicht Zink*. Nach langwierigen Experimenten gelang es dem Wissenschaftler, ein neues Element zu gewinnen, allerdings in sehr geringer Menge. So klein (weniger als 0,1 g), dass Lecoq de Boisbaudran seine physikalischen und chemischen Eigenschaften nicht vollständig untersuchen konnte.

Die Entdeckung von Gallium – so wurde das neue Element zu Ehren Frankreichs benannt (Gallia ist sein lateinischer Name) – erschien in den Berichten der Pariser Akademie der Wissenschaften.

Finden Gallienin der Natur

Der durchschnittliche Galliumgehalt in der Erdkruste beträgt 19 g/t. Gallium ist ein typisches Spurenelement mit doppelter geochemischer Natur. Galliums einziges Mineral, Gallit CuGaS 2, ist sehr selten. Die Geochemie von Gallium ist eng mit der Geochemie von Aluminium verbunden, was auf die Ähnlichkeit ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften zurückzuführen ist. Der Hauptteil des Galliums in der Lithosphäre ist in Aluminiummineralien enthalten. Aufgrund der Ähnlichkeit seiner kristallchemischen Eigenschaften mit den wichtigsten gesteinsbildenden Elementen (Al, Fe usw.) und der großen Möglichkeit einer Isomorphie mit diesen bildet Gallium trotz des erheblichen Clarke-Wertes keine großen Ansammlungen. Folgende Mineralien mit hohem Galliumgehalt werden unterschieden: Sphalerit (0 – 0,1 %), Magnetit (0 – 0,003 %), Kassiterit (0 – 0,005 %), Granat (0 – 0,003 %), Beryll (0 – 0,003 %). , Turmalin (0 – 0,01 %), Spodumen (0,001 – 0,07 %), Phlogopit (0,001 – 0,005 %), Biotit (0 – 0,1 %), Muskovit (0 – 0,01 %), Serizit (0 – 0,005 %), Lepidolit (0,001 – 0,03 %), Chlorit (0 – 0,001 %), Feldspäte (0 – 0,01 %), Nephelin (0 – 0,1 %), Hekmanit (0,01 – 0,07 %), Natrolith (0 – 0,1 %).

Physikalische Eigenschaften Gallien

Die vielleicht berühmteste Eigenschaft von Gallium ist sein Schmelzpunkt, der bei 29,76 °C liegt. Es ist das zweitschmelzbarste Metall im Periodensystem (nach Quecksilber). Dadurch können Sie Metall schmelzen, während Sie es in der Hand halten. Gallium ist eines der wenigen Metalle, die sich beim Erstarren der Schmelze ausdehnen (die anderen sind Bi, Ge).

Kristallines Gallium hat mehrere polymorphe Modifikationen, aber nur eine (I) ist thermodynamisch stabil und hat ein orthorhombisches (pseudotetragonales) Gitter mit den Parametern a = 4,5186 Å, b = 7,6570 Å, c = 4,5256 Å. Andere Modifikationen von Gallium (β, γ, δ, ε) kristallisieren aus unterkühltem dispergiertem Metall und sind instabil. Bei erhöhtem Druck wurden zwei weitere polymorphe Strukturen von Gallium II und III mit kubischen bzw. tetragonalen Gittern beobachtet.

Die Dichte von Gallium im festen Zustand beträgt bei einer Temperatur von T=20 °C 5,904 g/cm³.

Eines der Merkmale von Gallium ist der breite Temperaturbereich des flüssigen Zustands (von 30 bis 2230 °C), während es bei Temperaturen bis zu 1100–1200 °C einen niedrigen Dampfdruck aufweist. Die spezifische Wärmekapazität von festem Gallium beträgt im Temperaturbereich T=0-24 °C 376,7 J/kg K (0,09 cal/g Grad), im flüssigen Zustand bei T=29-100 °C - 410 J/kg K (0,098 cal/g Grad).

Der elektrische Widerstand im festen und flüssigen Zustand beträgt 53,4·10−6 Ohm·cm (bei T=0 °C) bzw. 27,2·10−6 Ohm·cm (bei T=30 °C). Die Viskosität von flüssigem Gallium beträgt bei verschiedenen Temperaturen 1,612 Poise bei T=98 °C und 0,578 Poise bei T=1100 °C. Die bei 30 °C in einer Wasserstoffatmosphäre gemessene Oberflächenspannung beträgt 0,735 n/m. Die Reflexionsgrade für die Wellenlängen 4360 Å und 5890 Å betragen 75,6 % bzw. 71,3 %.

Natürliches Gallium besteht aus den beiden Isotopen 69 Ga (61,2 %) und 71 Ga (38,8 %). Der Einfangquerschnitt für thermische Neutronen beträgt für sie 2,1·10−28 m² bzw. 5,1·10−28 m².

Gallium ist ein wenig toxisches Element. Aufgrund der niedrigen Schmelztemperatur empfiehlt es sich, Galliumbarren in Polyethylenbeuteln zu transportieren, die von geschmolzenem Gallium nur schlecht benetzt werden. Früher wurde das Metall sogar zur Herstellung von Füllungen (anstelle von Amalgamfüllungen) verwendet. Diese Anwendung basiert auf der Tatsache, dass beim Mischen von Kupferpulver mit geschmolzenem Gallium eine Paste entsteht, die nach einigen Stunden aushärtet (durch die Bildung einer intermetallischen Verbindung) und dann einer Erwärmung bis zu 600 Grad standhält, ohne zu schmelzen.

Gallium ist bei hohen Temperaturen ein sehr aggressiver Stoff. Bei Temperaturen über 500 °C korrodiert es fast alle Metalle außer Wolfram und viele andere Materialien. Quarz ist gegenüber geschmolzenem Gallium bis zu 1100 °C beständig, es kann jedoch zu Problemen kommen, da Quarz (und die meisten anderen Gläser) von diesem Metall stark benetzt werden. Das heißt, Gallium bleibt einfach an den Wänden des Quarzes haften.

Chemische Eigenschaften Gallien

Die chemischen Eigenschaften von Gallium ähneln denen von Aluminium. Der an der Luft auf der Oberfläche des Metalls gebildete Oxidfilm schützt Gallium vor weiterer Oxidation. Beim Erhitzen unter Druck reagiert Gallium mit Wasser und bildet die Verbindung GaOOH gemäß der Reaktion:

2Ga + 4H 2 O = 2GaOOH + 3H 2.

Gallium reagiert mit Mineralsäuren unter Freisetzung von Wasserstoff und Bildung von Salzen, und die Reaktion findet bereits unterhalb der Raumtemperatur statt:

2Ga + 6HCl = 2GaCl3 + 3H2

Die Reaktionsprodukte mit Alkalien und Kalium- und Natriumcarbonaten sind Hydroxogallate, die Ga(OH) 4 - und möglicherweise Ga(OH) 6 3 - und Ga(OH) 2 - Ionen enthalten:

2Ga + 6H 2 O + 2NaOH = 2Na + 3H 2

Gallium reagiert mit Halogenen: Die Reaktion mit Chlor und Fluor erfolgt bei Raumtemperatur, mit Brom – bereits bei −35 °C (ca. 20 °C – bei Zündung), beginnt die Wechselwirkung mit Jod beim Erhitzen.

Gallium interagiert nicht mit Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Silizium und Bor.

Gallium ist bei hohen Temperaturen in der Lage, verschiedene Materialien zu zerstören und seine Wirkung ist stärker als die Schmelze jedes anderen Metalls. So sind Graphit und Wolfram gegen Galliumschmelze bis 800 °C beständig, Alundum und Berylliumoxid BeO bis 1000 °C, Tantal, Molybdän und Niob bis 400–450 °C.

Mit den meisten Metallen bildet Gallium Gallide, mit Ausnahme von Wismut sowie Metallen der Untergruppen Zink, Scandium und Titan. Eines der V 3 Ga-Galliden hat eine ziemlich hohe Übergangstemperatur in den supraleitenden Zustand von 16,8 K.

Gallium bildet Polymerhydride:

4LiH + GaCl 3 = Li + 3LiCl.

Die Stabilität von Ionen nimmt in der Reihe BH 4 - → AlH 4 - → GaH 4 - ab. Das BH 4 -Ion ist in wässriger Lösung stabil, AlH 4 und GaH 4 werden schnell hydrolysiert:

GaH 4 - + 4H 2 O = Ga(OH) 3 + OH - + 4H 2 -

Wenn Ga(OH) 3 und Ga 2 O 3 in Säuren gelöst werden, entstehen Aquakomplexe 3+, daher werden Galliumsalze aus wässrigen Lösungen in Form von kristallinen Hydraten isoliert, beispielsweise Galliumchlorid GaCl 3 * 6H 2 O, Galliumkaliumalaun KGa(SO 4) 2 * 12H2O.

Grundlegende Verbindungen Gallien

Ga2H6- flüchtige Flüssigkeit, Schmelzpunkt −21,4 °C, Siedepunkt 139 °C. In einer ätherischen Suspension mit Lithium- oder Thalliumhydrat bildet es die Verbindungen LiGaH 4 und TlGaH 4 . Entstanden durch Behandlung von Tetramethyldigallan mit Triethylamin. Es gibt Bananenbindungen, wie beim Diboran

Ga2O3- weißes oder gelbes Pulver, Schmelzpunkt 1795 °C. Existiert in Form von zwei Modifikationen. α- Ga 2 O 3 – farblose trigonale Kristalle mit einer Dichte von 6,48 g/cm³, schwer löslich in Wasser, löslich in Säuren. β- Ga 2 O 3 – farblose monokline Kristalle mit einer Dichte von 5,88 g/cm³, schwer löslich in Wasser, Säuren und Laugen. Es wird durch Erhitzen von Galliummetall an der Luft auf 260 °C oder in einer Sauerstoffatmosphäre oder durch Kalzinieren von Galliumnitrat oder -sulfat gewonnen. ΔH° 298 (Probe) −1089,10 kJ/mol; ΔG° 298 (Probe) −998,24 kJ/mol; S° 298 84,98 J/mol*K. Sie weisen amphotere Eigenschaften auf, obwohl die Grundeigenschaften im Vergleich zu Aluminium verbessert sind:

Ga 2 O 3 + 6HCl = 2GaCl 2 Ga 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na Ga 2 O 3 + Na 2 CO 3 = 2NaGaO 2 + CO 2

Ga(OH)3- Fällt bei der Behandlung von Lösungen dreiwertiger Galliumsalze mit Hydroxiden und Carbonaten von Alkalimetallen (pH 9,7) in Form eines geleeartigen Niederschlags aus. Löst sich in konzentriertem Ammoniak und konzentrierter Ammoniumcarbonatlösung und fällt beim Kochen aus. Durch Erhitzen kann Galliumhydroxid in GaOOH, dann in Ga 2 O 3 *H 2 O und schließlich in Ga 2 O 3 umgewandelt werden. Kann durch Hydrolyse dreiwertiger Galliumsalze gewonnen werden.

GaF 3- Weißes Puder. t schmilzt >1000 °C, t siedet 950 °C, Dichte - 4,47 g/cm³. In Wasser schwer löslich. Bekannt ist das kristalline Hydrat GaF 3 ·3H 2 O. Es wird durch Erhitzen von Galliumoxid in einer Fluoratmosphäre erhalten.

GaCl3- farblose hygroskopische Kristalle. t schmilzt bei 78 °C, siedet bei 215 °C, Dichte - 2,47 g/cm³. Lassen Sie uns gut in Wasser auflösen. Hydrolysiert in wässrigen Lösungen. Direkt aus den Elementen gewonnen. Wird als Katalysator in organischen Synthesen verwendet.

GaBr 3- farblose hygroskopische Kristalle. t schmilzt bei 122 °C, t siedet bei 279 °C, Dichte - 3,69 g/cm³. Löst sich in Wasser auf. Hydrolysiert in wässrigen Lösungen. Schwer löslich in Ammoniak. Direkt aus den Elementen gewonnen.

GaI 3- hygroskopische hellgelbe Nadeln. t schmilzt bei 212 °C, t siedet bei 346 °C, Dichte - 4,15 g/cm³. Hydrolysiert mit warmem Wasser. Direkt aus den Elementen gewonnen.

GaS 3- gelbe Kristalle oder weißes amorphes Pulver mit einem Schmelzpunkt von 1250 °C und einer Dichte von 3,65 g/cm³. Es interagiert mit Wasser und wird vollständig hydrolysiert. Es wird durch die Reaktion von Gallium mit Schwefel oder Schwefelwasserstoff gewonnen.

Ga 2 (SO 4) 3 18H 2 O- farblose, gut wasserlösliche Substanz. Es wird durch Reaktion von Gallium, seinen Oxiden und Hydroxiden mit Schwefelsäure gewonnen. Es bildet leicht Alaun mit Sulfaten von Alkalimetallen und Ammonium, zum Beispiel KGa(SO 4) 2 · 12H 2 O.

Ga(NO 3) 3 8H 2 O- farblose Kristalle, löslich in Wasser und Ethanol. Beim Erhitzen zerfällt es unter Bildung von Gallium(III)-oxid. Es wird durch Einwirkung von Salpetersäure auf Galliumhydroxid gewonnen.

Gallium gewinnen

Die Hauptgewinnungsquelle für Gallium ist die Aluminiumproduktion. Bei der Verarbeitung von Bauxit nach der Bayer-Methode wird Gallium nach der Abtrennung von Al(OH) 3 in zirkulierenden Mutterlaugen konzentriert. Gallium wird aus solchen Lösungen durch Elektrolyse an einer Quecksilberkathode isoliert. Aus der alkalischen Lösung, die nach der Behandlung des Amalgams mit Wasser entsteht, wird Ga(OH) 3 ausgefällt, das in Alkali gelöst wird und Gallium durch Elektrolyse isoliert wird.

Bei der Natronkalk-Methode zur Verarbeitung von Bauxit oder Nephelin-Erz wird Gallium in den letzten Sedimentfraktionen konzentriert, die während des Karbonisierungsprozesses freigesetzt werden. Zur zusätzlichen Anreicherung wird der Hydroxidniederschlag mit Kalkmilch behandelt. In diesem Fall verbleibt der größte Teil des Al im Sediment und Gallium geht in Lösung, aus der durch Durchleiten von CO 2 Galliumkonzentrat (6-8 % Ga 2 O 3) isoliert wird; Letzteres wird in Alkali gelöst und Gallium elektrolytisch isoliert.

Die Galliumquelle kann auch die Restanodenlegierung aus dem Al-Raffinierungsprozess mittels der Dreischicht-Elektrolyse-Methode sein. Bei der Zinkproduktion sind die Galliumquellen Sublimate (Welz-Oxide), die bei der Verarbeitung von Zinkschlacke-Laugungsrückständen entstehen.

Flüssiges Gallium, das durch Elektrolyse einer alkalischen Lösung gewonnen und mit Wasser und Säuren (HCl, HNO 3) gewaschen wird, enthält 99,9–99,95 % Ga. Ein reineres Metall wird durch Vakuumschmelzen, Zonenschmelzen oder durch Ziehen eines Einkristalls aus der Schmelze erhalten.

Anwendungen von Gallium

Galliumarsenid GaAs ist ein vielversprechendes Material für die Halbleiterelektronik.

Galliumnitrid wird bei der Herstellung von Halbleiterlasern und LEDs im blauen und ultravioletten Bereich verwendet. Galliumnitrid verfügt über hervorragende chemische und mechanische Eigenschaften, die für alle Nitridverbindungen typisch sind.

Als Element der Gruppe III, das die „Loch“-Leitfähigkeit in einem Halbleiter erhöht, wird Gallium (mit einer Reinheit von mindestens 99,999 %) als Zusatz zu Germanium und Silizium verwendet. Intermetallische Verbindungen von Gallium mit Elementen der Gruppe V – Antimon und Arsen – haben selbst Halbleitereigenschaften.

Das Gallium-71-Isotop ist das wichtigste Material zum Nachweis von Neutrinos, und in dieser Hinsicht steht die Technik vor der dringenden Aufgabe, dieses Isotop aus einem natürlichen Gemisch zu isolieren, um die Empfindlichkeit von Neutrinodetektoren zu erhöhen. Da der Gehalt an 71 Ga in einem natürlichen Isotopengemisch etwa 39,9 % beträgt, kann die Isolierung eines reinen Isotops und seine Verwendung als Neutrinodetektor die Nachweisempfindlichkeit um das 2,5-fache erhöhen.

Durch die Zugabe von Gallium zur Glasmasse können Gläser mit einem hohen Brechungsindex der Lichtstrahlen erhalten werden, und Gläser auf Basis von Ga 2 O 3 lassen Infrarotstrahlen gut durch.

Gallium ist teuer; im Jahr 2005 kostete eine Tonne Gallium auf dem Weltmarkt 1,2 Millionen US-Dollar, und aufgrund des hohen Preises und gleichzeitig des großen Bedarfs an diesem Metall ist es sehr wichtig, seine vollständige Gewinnung zu etablieren Aluminiumproduktion und Verarbeitung von Kohle in flüssigem Brennstoff.

Gallium hat eine Reihe von Legierungen, die bei Raumtemperatur flüssig sind, und eine seiner Legierungen hat einen Schmelzpunkt von 3 °C. Andererseits ist Gallium (Legierungen in geringerem Maße) gegenüber den meisten Strukturmaterialien recht aggressiv (Rissebildung). und Erosion von Legierungen bei hohen Temperaturen) und als Kühlmittel ist es unwirksam und oft einfach inakzeptabel.

Gallium ist ein ausgezeichnetes Schmiermittel. Fast sehr wichtige Metallklebstoffe wurden auf der Basis von Gallium und Nickel, Gallium und Scandium hergestellt.

Galliummetall wird auch zur Füllung von Quarzthermometern (anstelle von Quecksilber) zur Messung hoher Temperaturen verwendet. Dies liegt daran, dass Gallium im Vergleich zu Quecksilber einen deutlich höheren Siedepunkt hat.

Galliumoxid ist Bestandteil einer Reihe strategisch wichtiger Lasermaterialien.

Galliumproduktion in der Welt

Seine Weltproduktion übersteigt nicht zweihundert Tonnen pro Jahr. Mit Ausnahme von zwei kürzlich entdeckten Lagerstätten – 2001 in Gold Canyon, Nevada, USA und 2005 in der Inneren Mongolei, China – kommt Gallium nirgendwo auf der Welt in industriellen Konzentrationen vor. (In der letztgenannten Lagerstätte wurde das Vorhandensein von 958.000 Tonnen Gallium in Kohle festgestellt – das ist eine Verdoppelung der weltweiten Galliumressourcen).

Allein die weltweiten Galliumressourcen in Bauxit werden auf über 1 Million Tonnen geschätzt, und die erwähnte Lagerstätte in China enthält 958.000 Tonnen Gallium in Kohle – das ist das Doppelte der weltweiten Galliumressourcen.

Es gibt nicht viele Galliumproduzenten. Einer der Marktführer auf dem Galliummarkt ist GEO Gallium. Seine Hauptkapazitäten bestanden bis 2006 aus einem Werk in Stade (Deutschland), wo etwa 33 Tonnen pro Jahr abgebaut werden, einem Werk in Salindres mit einer Verarbeitung von 20 Tonnen/Jahr (Frankreich) und in Pinjarra (Westaustralien) – Potenzial (aber nicht vorgestellt). in den Bau) Kapazität bis zu 50 Tonnen/Jahr.

Im Jahr 2006 schwächte sich die Position des Herstellers Nr. 1 ab – das Stade-Unternehmen wurde von der englischen MCP und der amerikanischen Recapture Metals aufgekauft.

Das japanische Unternehmen Dowa Mining ist der weltweit einzige Produzent von Primärgallium aus Zinkkonzentraten als Nebenprodukt der Zinkproduktion. Die volle Kapazität für Primärmaterial von Dowa Mining wird auf bis zu 20 Tonnen/Jahr geschätzt. In Kasachstan verfügt das Unternehmen Aluminium of Kazakhstan in Pawlodar über eine volle Kapazität von bis zu 20 Tonnen/Jahr.

China ist zu einem sehr ernstzunehmenden Galliumlieferanten geworden. Es gibt drei große Produzenten von Primärgallium in China – Geatwall Aluminium Co. (bis zu 15 Tonnen/Jahr), Shandong Aluminium Plant (ca. 6 Tonnen/Jahr) und Guizhou Aluminium Plant (bis zu 6 Tonnen/Jahr). Es gibt auch eine Reihe von Koproduktionen. Sumitomo Chemical hat in China Joint Ventures mit einer Kapazität von bis zu 40 Tonnen/Jahr gegründet. Das amerikanische Unternehmen AXT hat ein Joint Venture Beijing JiYa Semiconductor Material Co. mit dem größten chinesischen Aluminiumunternehmen Shanxi Aluminium Factory gegründet. mit einer Produktivität von bis zu 20 Tonnen/Jahr.

Galliumproduktion in Russland

In Russland wird die Struktur der Galliumproduktion durch die Entstehung der Aluminiumindustrie bestimmt. Die beiden führenden Konzerne Russian Aluminium und SUAL, die den Zusammenschluss angekündigt haben, sind Eigentümer von Galliumstandorten, die in Aluminiumoxidraffinerien errichtet wurden.

„Russisches Aluminium“: Nikolaevsky Alumina Refinery in der Ukraine (klassische hydrochemische Bayer-Methode zur Verarbeitung von tropischem Bauxit, Standortkapazität - bis zu 12 Tonnen Gallium / Jahr) und Achinsk Alumina Refinery in Russland (Verarbeitung durch Sintern von Nephelin-Rohstoffen - Urtiten der Kiya-Shaltyrskoye-Lagerstätte, Region Krasnojarsk, Standortkapazität – 1,5 Tonnen Gallium/Jahr).

„SUAL“: Kapazitäten in Kamensk-Uralsky (Bayer-Sintertechnologie für Bauxit der Bauxiterzregion Nordural, Standortkapazität - bis zu 2 Tonnen Gallium / Jahr), in der Aluminiumoxidraffinerie Boksitogorsk (verarbeitet Bauxit der Region Leningrad durch Sintermethode, Kapazität - 5 Tonnen Gallium / Jahr, derzeit eingemottet) und "Pikalevsky Alumina" (verarbeitet Nephelinkonzentrate aus Apatit-Nephelin-Erzen der Region Murmansk durch Sintern, Standortkapazität - 9 Tonnen Gallium / Jahr). Insgesamt können alle Unternehmen von Rusal und SUAL über 20 Tonnen/Jahr produzieren.

Die tatsächliche Produktion ist niedriger – im Jahr 2005 wurden beispielsweise 8,3 Tonnen Gallium aus Russland und 13,9 Tonnen Gallium aus der Nikolaev-Tonerderaffinerie aus der Ukraine exportiert.

Bei der Erstellung des Materials wurden Informationen der Firma Kvar verwendet.

Die Existenz von Gallium („Eka-Aluminium“) und seine grundlegenden Eigenschaften wurden 1870 von D. I. Mendelejew vorhergesagt. Das Element wurde durch Spektralanalyse in Pyrenäen-Zinkblende entdeckt und 1875 vom französischen Chemiker P. E. Lecoq de Boisbaudran isoliert; benannt nach Frankreich (lat. Gallia). Die genaue Übereinstimmung der Eigenschaften von Gallium mit den vorhergesagten war der erste Triumph des Periodensystems.

In der Natur sein und empfangen:

Besteht aus zwei stabilen Isotopen mit den Massenzahlen 69 (60,5 %) und 71 (39,5 %). Der durchschnittliche Galliumgehalt in der Erdkruste ist mit 1,5·10 -3 Massen-% relativ hoch, was dem Gehalt an Blei und Molybdän entspricht. Gallium ist ein typisches Spurenelement. Das einzige Galliummineral, Gallit CuGaS 2, ist sehr selten. Die Geochemie von Gallium ist eng mit der Geochemie von Aluminium verbunden, was auf die Ähnlichkeit ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften zurückzuführen ist. Der Großteil des Galliums in der Lithosphäre ist in Aluminiummineralien enthalten. Der Galliumgehalt in Bauxit und Nephelin liegt zwischen 0,002 und 0,01 %. Erhöhte Konzentrationen von Gallium werden auch in Sphaleriten (0,01–0,02 %), in Steinkohlen (zusammen mit Germanium) sowie in einigen Eisenerzen beobachtet. China, die USA, Russland, die Ukraine und Kasachstan verfügen über bedeutende Galliumreserven.
Die Hauptquelle für Gallium ist die Aluminiumproduktion. Bei der Verarbeitung von Bauxit wird Gallium nach der Abtrennung von Al(OH) 3 in Mutterlaugen konzentriert. Gallium wird aus solchen Lösungen durch Elektrolyse an einer Quecksilberkathode isoliert. Aus der nach der Behandlung des Amalgams mit Wasser erhaltenen alkalischen Lösung wird Ga(OH) 3 ausgefällt, das in Alkali gelöst und Gallium durch Elektrolyse isoliert wird.
Flüssiges Gallium, das durch Elektrolyse einer alkalischen Lösung gewonnen und mit Wasser und Säuren (HCl, HNO 3) gewaschen wird, enthält 99,9–99,95 % Ga. Ein reineres Metall wird durch Vakuumschmelzen, Zonenschmelzen oder durch Ziehen eines Einkristalls aus der Schmelze gewonnen.

Physikalische Eigenschaften:

Das Metall ist silberweiß, weich, schwer. Ein charakteristisches Merkmal von Gallium ist ein großer Bereich des flüssigen Zustands (Schmelzpunkt 29,8 °C, Siedepunkt 2230 °C) und ein niedriger Dampfdruck bei Temperaturen von bis zu 1100–1200 °C. Die Dichte des festen Metalls beträgt 5,904 g/cm 3 (20 °C) und ist damit niedriger als die des flüssigen Metalls, sodass kristallisierendes Gallium wie Eis eine Glasampulle zerbrechen kann. Die spezifische Wärmekapazität von festem Gallium beträgt 376,7 J/(kg K).

Chemische Eigenschaften:

In der Luft ist Gallium bei normalen Temperaturen stabil. Oberhalb von 260 °C findet in trockenem Sauerstoff eine langsame Oxidation statt (der Oxidfilm schützt das Metall). Chlor und Brom reagieren mit Gallium in der Kälte, Jod – beim Erhitzen. Geschmolzenes Gallium interagiert bei Temperaturen über 300 °C mit allen Strukturmetallen und Legierungen (außer W) und bildet intermetallische Verbindungen.
Beim Erhitzen unter Druck reagiert Gallium mit Wasser: 2Ga + 4H 2 O = 2GaOOH + 3H 2
Ga reagiert langsam mit Mineralsäuren unter Freisetzung von Wasserstoff: 2Ga + 6HCl = 2GaCl 3 + 3H 2
Gleichzeitig löst sich Gallium in Schwefel- und Salzsäure langsam, in Flusssäure schnell und in Salpetersäure ist Gallium in der Kälte stabil.
Gallium löst sich in heißen Alkalilösungen langsam auf. 2Ga + 6H 2 O + 2NaOH = 2Na + 3H 2

Die wichtigsten Verbindungen:

Galliumoxid, Ga 2 O 3 – weißes oder gelbes Pulver, Schmelzpunkt 1795 °C. Es wird durch Erhitzen von Galliummetall an der Luft auf 260 °C oder in einer Sauerstoffatmosphäre oder durch Kalzinieren von Galliumnitrat oder -sulfat gewonnen. Existiert in Form von zwei Modifikationen. Reagiert langsam mit Säuren und Laugen in Lösung und weist amphotere Eigenschaften auf:
Galliumhydroxid, Ga(OH) 3 – fällt bei der Behandlung von Lösungen dreiwertiger Galliumsalze mit Alkalimetallhydroxiden und -carbonaten (pH 9,7) in Form eines geleeartigen Niederschlags aus. Kann durch Hydrolyse dreiwertiger Galliumsalze gewonnen werden.
Es weist amphotere, mit überwiegend sauren Eigenschaften auf; wenn es in Alkalien gelöst wird, bildet es sich Gallate(zB Na). Löst sich in konzentriertem Ammoniak und konzentrierter Ammoniumcarbonatlösung und fällt beim Kochen aus. Durch Erhitzen kann Galliumhydroxid in GaOOH, dann in Ga 2 O 3 *H 2 O und schließlich in Ga 2 O 3 umgewandelt werden.
Galliumsalze. GaCl 3 – farblose hygroskopische Kristalle. Schmelzpunkt 78 °C, Siedepunkt 215 °C Ga 2 (SO 4) 3 *18H 2 O – eine farblose Substanz, gut wasserlöslich, bildet Doppelsalze wie Alaun. Ga(NO 3) 3 * 8H 2 O – farblose Kristalle, löslich in Wasser und Ethanol
Galliumsulfid, Ga 2 S 3 – gelbe Kristalle oder weißes amorphes Pulver mit einem Schmelzpunkt von 1250 °C, zersetzt sich mit Wasser.
Galliumhydride gewonnen aus Organogalliumverbindungen. Ähnlich wie Bor- und Aluminiumhydride: Ga 2 H 6 – Digallan, flüchtige Flüssigkeit, Schmelzpunkt – 21,4 °C, Siedepunkt 139 °C. x – Polygallan, weißer Feststoff. Hydride sind instabil und zersetzen sich unter Freisetzung von Wasserstoff.
Lithiumgalanat, Li wird in ätherischer Lösung durch die Reaktion 4LiH + GaCl 3 = Li + 3LiCl erhalten
Farblose Kristalle, instabil, hydrolysiert mit Wasser unter Freisetzung von Wasserstoff.

Anwendung:

Aus Gallium lassen sich optische Spiegel mit hoher Reflektivität herstellen.
Gallium ist ein ausgezeichnetes Schmiermittel. Fast sehr wichtige Metallklebstoffe wurden auf der Basis von Gallium und Nickel, Gallium und Scandium hergestellt.
Galliumarsenid GaAs sowie GaP, GaSb, die Halbleitereigenschaften haben, sind vielversprechende Materialien für die Halbleiterelektronik. Sie können in Hochtemperaturgleichrichtern und -transistoren, Solarzellen und Infrarotstrahlungsempfängern eingesetzt werden.
Galliumoxid ist Bestandteil wichtiger Lasermaterialien der Granatgruppe – GSGG, YAG, ISGG usw.
Gallium ist teuer; im Jahr 2005 kostete eine Tonne Gallium auf dem Weltmarkt 1,2 Millionen US-Dollar, und aufgrund des hohen Preises und gleichzeitig des großen Bedarfs an diesem Metall ist es sehr wichtig, seine vollständige Gewinnung zu etablieren Aluminiumproduktion und Verarbeitung von Kohle in flüssigem Brennstoff.

Ivanov Alexey
HF Staatliche Universität Tjumen, 561 Gruppe.

GALLIUM ist ein Metall, das in Ihren Händen schmilzt.

Metall-GALLIUM

Gallium ist ein Element der Hauptuntergruppe der dritten Gruppe der vierten Periode des Periodensystems der chemischen Elemente von D. I. Mendelejew mit der Ordnungszahl 31. Es wird mit dem Symbol Ga (lat. Gallium) bezeichnet. Gehört zur Gruppe der Leichtmetalle. Der einfache Stoff Gallium (CAS-Nummer: 7440-55-3) ist ein weiches, duktiles Metall von silberweißer (nach anderen Quellen hellgrauer) Farbe mit einer bläulichen Tönung.

Metall-GALLIUM

Gallium: Schmelzpunkt 29,76 °C

Geringe Toxizität, Sie können es aufheben und schmelzen!

Material für die Halbleiterelektronik

Galliumarsenid GaAs

Ein vielversprechendes Material für die Halbleiterelektronik.

Galliumnitrid

Wird bei der Herstellung von Halbleiterlasern und LEDs im blauen und ultravioletten Bereich verwendet. Galliumnitrid verfügt über hervorragende chemische und mechanische Eigenschaften, die für alle Nitridverbindungen typisch sind.

Gallium-71-Isotop

ist das wichtigste Material zum Nachweis von Neutrinos und in diesem Zusammenhang steht die Technik vor der dringenden Aufgabe, dieses Isotop aus einem natürlichen Gemisch zu isolieren, um die Empfindlichkeit von Neutrinodetektoren zu erhöhen. Da der Gehalt an 71Ga in einem natürlichen Isotopengemisch etwa 39,9 % beträgt, kann die Isolierung eines reinen Isotops und seine Verwendung als Neutrinodetektor die Nachweisempfindlichkeit um das 2,5-fache erhöhen.

Chemische Eigenschaften

Gallium hat eine Reihe von Legierungen, die bei Raumtemperatur flüssig sind, und eine seiner Legierungen hat einen Schmelzpunkt von 3 °C (In-Ga-Sn-Eutektikum), Gallium hingegen (Legierungen in geringerem Maße) ist sehr aggressiv gegenüber den meisten Strukturmaterialien (Risse und Erosion von Legierungen bei hohen Temperaturen). Beispielsweise ist Gallium im Verhältnis zu Aluminium und seinen Legierungen ein starker Festigkeitsreduzierer (siehe Adsorptionsminderung der Festigkeit, Rehbinder-Effekt). Diese Eigenschaft von Gallium wurde am deutlichsten von P. A. Rebinder und E. D. Shchukin beim Kontakt von Aluminium mit Gallium oder seinen eutektischen Legierungen (Flüssigmetallversprödung) nachgewiesen und im Detail untersucht. Als Kühlmittel ist Gallium wirkungslos und oft einfach inakzeptabel.

Gallium ist ein ausgezeichnetes Schmiermittel

Auf Basis von Gallium und Nickel, Gallium und Scandium sind praxisrelevante Metallklebstoffe entstanden.

Galliumoxid ist Teil einer Reihe strategisch wichtiger Lasermaterialien der Granatgruppe – GSGG, YAG, ISGG usw.