Галій – користь, особливості та небезпека металу

Цей метал не стосується рідкісних, але на світових біржах за нього розплачуються мільйонами. Галій – матеріал номер один для нового тисячоліття.

Що являє собою

• Галій – це хімічний елемент, що займає комірку №31 таблиці Менделєєва.
• Належить до легких металів.
• Чистий галій – це м'який, сріблясто-сірого із синюватістю кольору, тендітний метал.
• За складом - конгломерат двох ізотопів (обидва стабільні). Синтезовано три десятки радіоактивних одиниць.

Як було відкрито

Існування речовини передбачив Дмитро Менделєєв (1869):

• Заповнюючи свою таблицю, він знав, що мають з'явитися нові хімічні елементи, які заповнять комірки, що пустують.
• Одне назвав екаалюмінієм, передбачив основні властивості: питому вагу, легкоплавкость.

За шість років усе підтвердилося. Французький хімік Еміль де Буабодран виділив із цинкової руди, здобутої в Піренеях, просту речовину, що описав його властивості.

Про новизну просигналізувала фіолетовість ліній у спектрі елемента.

Вчений запропонував назвати елемент галієм – за латинізованою назвою Франції (Галія). Так він і увійшов до історії.

Знаходження у природі

Галій як метал у природі відсутній, мікродози його сполук містять цинкові руди та боксити. Розсіяний елемент, що не формує мегаскопувань.

Галлієм багаті два десятки мінералів, серед яких напівдорогоцінні самоцвіти гранат, берил, турмалін, сподумен.

Елемент не дуже рідкісний - тонна земної кори містить 19 г галію, літр морської води - 3 мкг.

Фізико-хімічні властивості

Ще Менделєєв встановив схожість хімічних властивостей галію з алюмінієм.Але «галієві» реакції йдуть поволі, спокійно.

Метал наділений небанальними характеристиками:

• Структура кристалічної решітки змінюється в залежності від температури та тиску.
• Затвердівши, речовина розширюється. Такий феномен рідкість, їм наділені лише кілька елементів, включаючи кремній та воду.
• Особливість галію - рідка форма в температурному діапазоні 2200 одиниць (починає плавитися при 25 ° C). Недарма отримав репутацію «рідкого металу».

Розплавлюваність при кімнатній температурі - ознака, за якою галій легко відрізнити від інших металів.

• На повітрі обзаводиться плівкою-оксидом.
• Чи не взаємодіє з кремнієм, бором, газами (азотом, вугле-, воднем).
• З більшістю металів утворює галіди.

Нагрітий галій руйнує матеріали сильніше за будь-який розплавлений метал.

Особливо небезпечний галій для алюмінію та міді. Він просочує їх наскрізь, проникаючи в кристалічну структуру. Алюміній окислюється, потім розсипається.

Галій тримають подалі від електроніки, алюмінієвих радіаторів, конденсаторів, ноутбуків із корпусом із алюмінієвого сплаву, інших деталей.

Технологія виробництва

Основою виробництва металевого галію часто є мінерал галліт (формула CuGaS2), а також вугілля, нефеліни, боксити.

Традиційний спосіб отримання продукту – із глиноземів, виділених переробкою бокситів:

• Рідкі луги (напівфабрикат під час переробки бокситів) піддають електролізу чи спікають. Насиченість галієм розчину (на літр) сягає 110-140 чи 52-63 мг.
• Карбонізацією отримують алюміній, отримуючи насичений осад.
• Осад вапнують, отримуючи галієвий розчин.
• З розчину майже готовий метал "дістають" електролізом.
• З метою нейтралізації летких домішок продукт обгортають водою, фільтрують, підігрівають у вакуумній печі.

Особливо чистий матеріал (домішок трохи більше 0,0001%) отримують рафінуванням чи відновленням воднем.

За кілограм галію на світовому ринку викладають $1200-1400. Така вартість актуалізує проблему налагодження 100% вилучення галію з бокситів або рідкого палива з кам'яного вугілля.

Де використовується

До цифрової епохи галій використовувався як компонент легкоплавких сплавів. На сьогодні головна сфера застосування металу (96,7%) – мікроелектроніка.

М'який, крихкий метал сріблясто-білого кольору із синюватим відтінком — галій

Промисловість

На практиці експлуатуються корисні властивості галію:

• Метал - "дублер" отруйної ртуті у вакуумних апаратах, термометрах, що працюють при високих температурах.
• Мастило при з'єднанні деталей з кераміки, кварцу, скла.
• Сплав металу з Індією – паливо атомних установок.
• Зовнішній шар дзеркал спеціального призначення.
• Оксид, арсенід, нітрид галію – компонент лазерної апаратури синього та ультрафіолетового діапазону, електроніки, що працює на надвисоких частотах.
• Природний ізотоп-71 упізнає наявність нейтрино.

Метал – температурний стабілізатор, щит від корозії для плутонію як компонента атомних бомб. (Таку скинули на Нагасакі).

Легкоплавкість – не завжди гідність. Вона ускладнює зберігання, переміщення речовини та продукції з неї. Для усунення цього недоліку шматочки галію пакують у поліетилен, на який галій не впливає.

Медицина

Елемент знайшов застосування у медицині:

ГАЛІЙ

ГАЛІЙ (Gallium) Ga, хімічний елемент 13 (IIIa) групи періодичної системи, атомний номер 31, атомна маса 69,72. Конфігурація зовнішньої електронної оболонки 4s 2 4p 1 . Відомо 29 ізотопів галію з 56 Ga по 84 Ga. Серед них два стабільні – 69 Ga та 71 Ga. Природний галій складається лише із стабільних ізотопів – 69 Ga(60,108%) та 71 Ga(39,892%). Найбільш стійкий ступінь окислення у сполуках: +3.

Історія відкриття елемента.

Можна сміливо сказати, що відкриття галію відбувалося двічі. Вперше це була гра світлого розуму та дивовижної інтуїції, а другий – наслідок цілеспрямованості та завзятості, що дали свої плоди через п'ятнадцять років безперервного пошуку. У трійці рідкісних елементів 13-ї групи галій є найпоширенішим – у земній корі його зміст набагато більше, ніж талію, і два порядка більше, ніж индия. Однак, за іронією долі, передбачено, а потім відкрито він був на десять років пізніше, ніж його менш поширені сусіди.Індій та талій були відкриті випадково – у 1861 Крукс шукав селен і знайшов талій, а у 1863 Рейх та Ріхтер шукали талій, а знайшли індій. Галій передбачили, а потім цілеспрямовано шукали… лише п'ятнадцять років.

Все почалося в 1859, коли Поль Еміль (Франсуа) Лекок де Буабодран (1838-1912), використовуючи вдосконалений ним спектроскоп Кірхгоффа, почав досліджувати мінерали, щоб виявити.

У 1863 він помітив певну закономірність у зміні спектральних смуг тривалентних елементів при переході від одного елемента до іншого, однак між алюмінієм та індиєм існувала прогалина, тому було зроблено припущення, що має бути ще один елемент, спектральні емісійні лінії якого повинні зайняти проміжне положення. У тому ж році, завдяки фінансовій підтримці сім'ї, у нього з'явилася своя лабораторія і він продовжив пошуки, підкріплені власною концепцією залежності смуг в емісійних спектрах атомних ваг елементів. Тривалий час пошуки були безуспішними, оскільки, за його словами, він оперував невеликими кількостями речовини. У 1868 до лабораторії Буабодрана надійшла велика кількість цинкової обманки (сфалериту), привезеної з П'єрефітської копальні, розташованої в Піренеях.

Тим часом, в 1869 р. у Петербурзі Д. І. Менделєєв представив Російському хімічному суспільству доповідь про співвідношення фізико-хімічних властивостей елемента з його атомною вагою. Шостого березня М.А.Меншуткин зачитав доповідь від імені Менделєєва, у якому, зокрема, говорилося, що «…можна очікувати відкриття багатьох невідомих простих тіл, наприклад, подібних з алюмінієм і кремнієм елементів з паєм 65-75».7 січня 1871 року на засіданні Російського хімічного товариства було внесено доповнення щодо того, що «III групі парних рядів бракує з 3-го ряду елемента, що йде за цинком, а тому має атомну вагу 68». Цей елемент був названий екаалюмінієм, внаслідок схожості його гаданих хімічних властивостей із властивостями алюмінію.

У лютому 1874 року Буабодран почав переробку п'ятдесяти двох кілограмів сфалериту і 27 серпня 1875 року отримав білу речовину при контакті концентрату після переробки сфалериту з цинковою фольгою. Осад був розчинений у соляній кислоті, а потім знову обложений з розчину надлишком аміачної води, а отриманий фільтрат упарено. «Амонійна сіль», що вийшла, далі була розчинена в киплячій царській горілці. Отриманий таким чином розчин Буабодран вніс у полум'я бунзенівського пальника, але не виявив у спектрі нових ліній. Ймовірно, у нього так нічого б і не вийшло, якби він не здогадався використовувати для випаровування речовини киснево-водневе полум'я та електричну дугу. Він побачив у оглядовому вікні приладу слабку фіолетову лінію з довжиною хвилі 4172Å, і не було жодного сумніву в тому, що ця лінія належала невідомому раніше елементу. У наступному експерименті Буабодран сконцентрував елемент за допомогою багаторазового осадження сульфідів сірководнем і після обробки їх соляною кислотою вніс отриманий розчин в електричну дугу. У оглядовому вікні тепер чітко виявлялася лінія 4172Å та інша, більш слабка і раніше ніким не спостерігалася, фіолетова лінія з довжиною хвилі 4033Å.

Буабодран назвав елемент галієм на честь своєї батьківщини Франції (лат. Gallia). Є й інша, швидше за анекдотична, версія назви елемента. Справа в тому, що латинськеgallusозначає те ж, що і французькеle coq», а саме півень. Оскільки Lecoq було частиною дворянської прізвища Буабодранов, можна припустити, новий елемент було названо на честь сім'ї.

Буабодран оцінив приблизну кількість галію, що міститься в досліджуваній краплі розчину, яка дорівнювала 0,01 мг. Приблизно за два тижні йому вдалося сконцентрувати 2-3 мг хлориду галію, змішаного з хлоридом цинку. Наприкінці вересня 1875 р. він приймав вітання в Парижі у зв'язку з відкриттям нового елемента. Перед доповіддю в Паризькій Академії наук він мав зробити серію дослідів щодо отримання металевого галію та визначення його властивостей. Лабораторія Шарля Адольфа Вюрца була найоснащенішою з усіх, що є на той час у Парижі (будівля збереглася і донині). Саме там, у листопаді 1875 р. Буабодрану вдалося вперше отримати невелику кількість металевого галію електролізом розчину його аміачного комплексу. У грудні 1875 року він продемонстрував 3,4 мг металу паризькій вченій еліті і незабаром зробив доповідь в Академії наук. В опублікованій роботі вказувалися деякі властивості галію: атомна вага, щільність (неправильно визначена), температура плавлення та деякі інші.

Через деякий час у Петербурзі з повідомленням про відкриття галію ознайомився Д.І.Менделєєв і 15 листопада 1875 року направив повідомлення в «Записки Французької Академії наук», що відкритий елемент є раніше передбаченим ним екаалюмінієм і що його питома вага має бути близько 6, а не 4,7, як установив Буабодран. Менделєєв тріумфував, адже французький вчений був першим, хто відкрив один із передбачених ним елементів, і довів тим самим правильність періодичного закону.

У 1876 р. Буабодрану вдалося отримати 650 мг чистого галію після переробки 435 кг руди. Справді виявилося, що спочатку певна їм щільність металу була заниженою, оскільки досліджувана кількість галію було мало, та й сам метал був забруднений домішками. У статті Про новий метал – галії, опублікованій в 1877 році в «Annales de Chimie» (Vol. 10 (1877) p.100–141) Буабодран писав: «Нарешті, я об'єднав шість спочатку отриманих мною зразків чистого галію в один, однорідний, злиток. Його питома вага становила 5,935. Пророцтво Менделєєва точно підтвердилося. Серед кількох гіпотетичних елементів, передбачених за допомогою його оригінальної класифікації, є, здається, один, що відповідає галію... Маю зізнатися, що я навіть не підозрював про опис, даний Менделєєвим для його гіпотетичного елемента. Я навіть додав би, що моє незнання, можливо, сприяло мені в тому сенсі, що я відчував би затримки, якби почав шукати галій в осаді від дії аміаку, а не в розчині ... і без того містить мало галію. Низька температура плавлення також узгоджується з тим, що дозволяє передбачити теорія. Таким чином, незважаючи на незаперечну гідність гіпотези Менделєєва, деякі реакції та властивості нового металу досить відрізняються від передбачуваних теорією… Тому мені здається, що ні розрахунки Менделєєва, ні моя власна гіпотеза не привели б до знання про галію ще довгий час, якби не мій особливий експериментальний спосіб, якому слідував». Дійсно, у своєму посланні до Менделєєва Буабодран чемно, але в той же час твердо дав зрозуміти, що саме його спектральний метод, а не пророцтво російського вченого, призвів до відкриття галію.Віддаючи належне Буабодрану, слід зазначити, що він справді довів експериментальне оформлення методу до найвищого, на той час, рівня і разом з Кірхгоффом та Бунзеном справедливо вважається засновником спектрального аналізу. Його заслуги були відзначені «Орденом почесного легіону» – найвищою нагородою Франції та медаллю Деві Лондонського хімічного товариства. Разом з тим треба визнати, що французький дослідник так і не захотів належним чином оцінити заслуги російського вченого, який зовсім і не претендував на пріоритет відкриття галію, і велике узагальнення якого було подією незрівнянно більшого масштабу і значення, ніж відкриття окремого хімічного елемента. Нижче наводиться таблиця зіставлення розрахунків Менделєєва та даних Буабодрана для простої речовини.

Знаходження у природі.

Галій – типовий розсіяний елемент, іноді його також відносять до рідкісних. Кларк (числова оцінка середнього вмісту у земній корі) галію в земній корі досить великий і становить 1,5 · 10 -3% (мас.). Таким чином, його зміст більше, ніж молібдену, вісмуту, вольфраму, ртуті та деяких інших елементів, які зазвичай не відносяться до рідкісних.Галій має халькофільні та літофільні властивості, тому зустрічається в родовищах різного характеру. Галій не зустрічається в скільки-небудь значних концентраціях, і середній вміст його в мінералах-носіях не перевищує сотих часток відсотка. До середини 20 в. вважалося, що своїх мінералів галій не утворює, і лише 1956 Рамдорф повідомив, що у рудах родовищ поблизу міст Цумеб (Намібія) і Кіпуші (Республіка Заїр) знайшли власний мінерал галію. Склад цього надзвичайно рідкісного мінералу було встановлено Штрунцем, Гейєром та Зелінгером. Це виявився змішаний сульфід міді та галію – CuGaS₂, названий галітом. Він зустрічається разом із сфалеритом, халькопіритом, германітом та деякими іншими сульфідними мінералами. Галліт має сірий металевий блиск і добре полірується. У природі галій, в основному, тяжіє до своїх найближчих сусідів за періодичною системою – алюмінію, цинку та Німеччину. Галій є постійним супутником алюмінію, завдяки близькості хімічних властивостей, іонних радіусів та потенціалів іонізації. Подібність атомних радіусів цинку і галію зумовлює можливість їхнього взаємного заміщення у природі. Особливо багаті на галій сфалерити з флюорито-сульфідних родовищ (0,01–0,1% Ga). Основним джерелом галію є боксити (гідратований оксид алюмінію). Цікаво, що бокситові руди незалежно від їхнього місцезнаходження та особливостей походження характеризуються постійно-рівномірним розподілом у них галію – 0,002–0,006%. Нефеліни з апатито-нефелінових руд Хібінських гір містять галії у значних кількостях (0,01–0,04%). Галій зустрічається і в багатьох інших мінералах (наведено середній вміст): сфалерит (ZnS) - 0,001%, піріт (FeS₂) – 0,001%, германіті (Cu₃GeS₄) – 1,85%, цирконі (ZrSiO₄) – 0,001–0,005%, спогадене (LiAlSi₂O₆) - 0,001-0,07% і т.д. Крім того, підвищений вміст галію виявлено в деяких вугіллі (особливо в Англії). У колошникових пилах від спалювання такого вугілля міститься до 1,5% галію.

Основні світові резерви галію пов'язують із родовищами бокситів, запаси яких настільки великі, що не будуть виснажені протягом багатьох десятиліть. Однак більшість галію, що міститься в боксіті, залишається недоступною внаслідок нестачі виробничих потужностей, обсяг яких диктується економічними причинами. Реальні запаси галію важко оцінюються. На думку спеціалістів U.S. Geological Surveys світові ресурси галію, пов'язані з родовищами бокситів, становлять 1 млн. тонн. Значними запасами галію мають Китай, США, Росія, Україна, Казахстан.

Зміст галію у Всесвіті оцінюється в 10 -6 % (мас.) або 2 · 10 -7 % (ат.), Сонце 4 · 10 -6 % (мас.) або 6 · 10 -7 % (ат.), у вуглецевих метеоритах 7,8 · 10 -4% (мас.), Морській воді 3 · 10 -9% (мас.)

Виробництво та ринок галію.

Галій – розсіяний елемент, що є постійним супутником алюмінію та цинку, тому його виробництво завжди прив'язане до переробки алюмінієвих або сульфідних поліметалічних (особливо цинкових) руд. Зазвичай вилучення галію з цинкових концентратів пов'язані з багатьма труднощами, що зумовлюють високу вартість металу, упродовж кількох десятиліть основним джерелом (95%) отримання галію є відходи алюмінієвої промисловості, але в частку т.зв. комплексної переробки відходів (попутно із вилученням цинку, індія, германія) припадає близько 5% виробничих потужностей.Крім того, існують технології вилучення галію з колошникового пилу та золи від спалювання вугілля, а також відходів їх коксування.

Методики вилучення галію, що є побічним продуктом, підбираються таким чином, щоб не порушувати технологічні схеми отримання алюмінію. Є два способи переробки алюмінієвих руд - спосіб Байєра, що полягає в автоклавному вилученні алюмінію оборотними (тобто повертаються в рецикл) лужними розчинами, і метод спікання бокситової або нефелінової руди з содою з наступним вилуговуванням водою. В обох способах обробки галій веде себе аналогічно алюмінію і при вилуговуванні переходить в розчин у вигляді розчинного гідроксокомплексу.

Другою стадією обох процесів є розкладання алюмінатного розчину, при цьому галій розподіляється між осадом, що випав, і розчином. Відомі три основні способи розкладання алюмінієвих розчинів – перемішування із затравкою гідроксиду алюмінію (спонтанне розкладання), пропускання вуглекислого газу (карбонізація), дія оксиду кальцію (вапняний спосіб). Константа кислотності гідроксиду галію дещо більша така для гідроксиду алюмінію, тому при використанні методів карбонізації та спонтанного осадження більша частина галію залишається в розчині. В умовах карбонізації в початковий період осад випадає тільки Al(OH)₃. Розчин, що залишився, упарюється і знову повертається на вилуговування.

У міру того, як лужний розчин використовується для вилучення алюмінію, в ньому накопичується галій. Зворотний розчин, що містить галій, застосовують для вилуговування до тих пір, поки гідроксид галію не починає у значних кількостях співсаджуватися з Al(OH)₃. Часто застосовується метод фракційної карбонізації, коли на початкових етапах пропускання CO₂ осаджується чистий Al(OH)₃а на останніх – осад алюмокарбонату натрію, збагачений галокарбонатом NaGa(OH)₂CO₃·H₂O. Цей осад зазвичай розглядається як первинний галієвий концентрат (містить 0,2–0,5% Ga₂O₃), який далі розчиняється у водній лугу з наступним електролізом розчину, що утворився. Спосіб карбонізації зазвичай застосовується на заводах, що працюють за методикою спікання, він небажаний у процесі Байєра, тому що при цьому змінюється склад оборотних розчинів.

Зараз на заводах, що працюють за байєрівським способом, застосовується амальгамний спосіб виділення металевого галію з алюмінієвих розчинів з використанням ртутного катода, що обертається. Після накопичення галію (1%) у матеріалі катода, що утворила амальгама надходить на розкладання гарячим розчином гідроксиду натрію. З одержаного розчину галій виділяється електролізом.

Галій, одержуваний за такими методиками, містить як помітні домішки (іноді до 5%) багато елементів, таких як алюміній, цинк, ртуть, магній, залізо, олово, свинець та інші. При виготовленні напівпровідникових матеріалів використовується лише високочистий метал (99,9999% і вище), тому розроблені спеціальні методи глибокого очищення.

Найбільш простим способом очищення є фільтрування через пористу перегородку, засноване на тому, що при температурі, близької до точки плавлення галію, більшість домішок в ньому знаходиться в мікрозваженому стані і затримується на фільтрі (зміст Zn, Si, Cu знижується до 0,0001-0,001 %). Від свинцю і цинку в такий спосіб позбутися не можна.

Іншим методом очищення є кислотно-лужна обробка, яка заснована на повільній розчинності галію в кислотах і лугах при низькій температурі, при якій частина домішок (Al, Mg, Zn – при обробці HCl та Сu, Fe, Ni та ін. – при дії HNO₃, при дії лугу - Zn, Ti, Pb) розчиняється. За допомогою кислотно-лужної обробки виходить галій чистотою 99,99%.

Амальгамний метод очищення ґрунтується на розчиненні галію в ртуті при 300°С. При подальшому охолодженні галій відшаровується, а багато домішок спливають на його поверхню у вигляді мікрокристалів (потім відфільтровуються) або залишаються в ртуті.

Очищення галію від летких домішок (Zn, Hg, Cd та розчинених газів) досягається термічною обробкою у вакуумі при 900-1300°С.

Практично повністю позбутися свинцю, міді та частково заліза вдається при електролітичному рафінуванні. Для цього галій, що пройшов попереднє очищення, розчиняється в чистому розчині гідроксиду натрію, а отриманий лужний розчин піддається електролізу (катод – чистий галіл розплавлений). В результаті виходить метал із чистотою 99,999%.

Для глибокого очищення галію застосовуються кристалофізичні методи – зонна плавка, витягування з розплаву Чохральським і дробова кристалізація. Останній спосіб привабливий своєю простотою: у розплавлений під шаром розведеної соляної кислоти метал вноситься затравка, і кристалізація ведеться до тих пір, поки в рідкому стані не залишиться 10% від вихідної кількості металу. При цьому майже всі домішки концентруються в рідині, що залишилася. Після 5-10 циклів виходить метал чистотою 99,9999%. Зазвичай цьому способу очищення піддають 99,999% метал.

Дані з виробництва первинного галію на різних заводах часто засекречені, тому щорічні обсяги виробництва важко піддаються оцінці. За оцінками спеціалістів U.S. Geological Surveys у 2004 було отримано 69 тонн первинного галію, так само як і у 2003. Основними виробниками первинного галію є Китай, Німеччина, Японія, Казахстан та Україна. Найменші, але все ж таки значні, кількості галію виробляються в Росії, Угорщині та Словаччині. У первинний метал не виробляється. Світове виробництво високочистого галію у 2004 становило 86 тонн. Ця цифра включає вторинний галій. Лідерами у виробництві високочистого галію є Франція, Японія, США та Великобританія. Промислові потужності з виробництва первинного галію в 2004 році оцінювалися в 165 тонн, високочистого галію – 140 тонн, вторинного галію – 68 тонн.

Основними споживачами рафінованого галію є США та Японія. Ринок галію нестабільний. У 2004 в США ціни на 99,99% метал лежали в межах 250-325 доларів / кг, на 99,9999% - 350 доларів / кг, на 99,99999% - 550 доларів / кг.

Властивості простої речовини.

Галій – сріблясто-білий метал, що покривається на повітрі тонкою плівкою оксиду. Щільність 5907 кг/м 3 (20 ° С), розплавлений галій важчий - 6095 кг/м 3 (29,80 ° С). Галій – один з легкоплавких металів (після ртуті та цезію), його температура плавлення 29,76° C, проте вона істотно залежить від тиску – при 12 000 атмосфер лише 2,55° C. Чистий галій схильний до переохолодження і може зберігатися в розплавленому стані тривалий час при 0° C, а іноді (наприклад, при диспергуванні спиртовому розчині олеату натрію) і при -40 ° C. При внесенні затравки відбувається швидка кристалізація.Температура кипіння галію (2204° C) вище, ніж у більшості легких металів, тому він має надзвичайно широку сферу існування рідкої фази, з усіх металів тільки у олова спостерігається таке явище. Галій дуже м'який, його твердість за шкалою Моос дорівнює 1,5, тому він залишає темно-сірий колір на папері при терті і легко дряпається нігтем. При кімнатній температурі досить пластичний. Галій, на відміну від ртуті, добре змочує скло та багато інших матеріалів, за винятком поліетилену, тому для його зберігання та транспортування використовується поліетиленовий посуд. При високих температурах рідкий галій дуже агресивний і багато матеріалів роз'їдає сильніше, ніж будь-який інший розплавлений метал. Наприклад, стійке хімічне скло «Пірекс» роз'їдається ним вже при 500 ° C, графіт при 800 ° C, алунд при 1000 ° C. Серед металів найбільш стійкі до дії галію вольфрам (до 300 ° C), молібден і ніобій (до 400 ° C) C), тантал (до 450 ° C), берилій (до 1000 ° C).

Галій має унікальну структуру. Він кристалізується в ортогональній сингонії (від грец. sýn - разом і gõdnia - кут - класифікація кристалів за симетрією їх елементарних осередків). Структура галію схожа на структуру кристалічного йоду і складається із псевдомолекул Ga₂. Відстань між атомами галію в них дорівнює 2,44Å, і кожен атом в псевдомолекулі оточений шістьма віддаленими атомами, розташованими (попарно) на відстанях 2,70Å, 2,73Å і 2,79Å. У розплавленому стані молекули Ga₂ зберігаються. Структура рідкого галію гексагональна щільноупакована, проте в ній виявлені і малоупорядковані області ланцюгового характеру. У газоподібному стані галій, переважно, складається з атомів.

У звичайних умовах на повітрі галій, подібно до алюмінію, тьмяніє – покривається тонкою плівкою оксиду, що запобігає його подальшому окисленню. При нагріванні до червоного жару в кисні або на повітрі він трохи окислюється. У вологому повітрі окислення проходить швидше. Вода, що не містить кисню, не діє на галій навіть за температури кипіння. Однак у присутності кисню, особливо в умовах автоклавної обробки при 300 ° C галій помітно окислюється:

Галій повільно розчиняється у розведених мінеральних кислотах за невисоких температур. У концентрованих кислотах або за підвищеної температури процес розчинення набагато швидше:

У гарячих розчинах лугів галій розчиняється з виділенням водню та утворенням гідроксокомплексів:

Галогени, за винятком йоду, легко взаємодіють із галієм вже на холоді:

При нагріванні галій з'єднується із сіркою:

Галій не реагує з воднем та азотом, при нагріванні в атмосфері аміаку вище 900° C дає нітрид:

Арсенід галію та його застосування.

Майже весь (95%) галій переводиться в арсенід.

Арсенід галію GaAs – темно-сіра кристалічна речовина з фіолетовим відтінком. Арсенід галію, як і більшість сполук типу A III B V ізоструктурний сфалериту ZnS, стійкий до дії води, лугів та повітря і важко розкладається сірчаною та соляною кислотою.

Кристалічний арсенід галію був вперше синтезований у 1954 році, і відразу ж було виявлено, що він є напівпровідником. Легуючи його різними добавками, можна отримувати кристали з електронною та дірковою провідністю (про зонну теорію будови напівпровідників та про їх легування см.також ФІЗИКА ТВЕРДОГО ТІЛА, ТРАНЗИСТОР, НАПІВПРОВІДНИКОВІ ЕЛЕКТРОННІ ПРИЛАДИ).Величина забороненої зони арсеніду галію становить 1,43 еВ (для порівняння – кремнію 1,17 еВ), тобто він є типовим напівпровідником. Як і кремній, арсенід галію застосовується для створення різних напівпровідникових приладів. На інтегральні схеми на основі арсеніду галію витрачається до 40% галію. GaAs-мікросхеми приблизно на порядок дорожчі, ніж кремнієві (це пов'язано зі складністю отримання монокристалів), але мають набагато більшу продуктивність. У швидкодіючих інтегральних схемах зараз немає альтернатив арсеніду, тоді як в інших областях він може бути замінений іншими матеріалами. Зараз розробляються технології створення змішаних Si-GaAs чіпів, які дозволять досягти високої швидкості роботи у поєднанні з відносною дешевизною.

Через деякий час після синтезу арсеніду галію виявилося, що ця сполука має інші цікаві та важливі властивості, які іноді ставлять її поза конкуренцією з іншими напівпровідниковими матеріалами. Ширина його забороненої зони близька до величини 1,5 еВ, яка вважається оптимальною для перетворення сонячної енергії на електричну. Коефіцієнт корисної дії арсенід-галієвих фотоелементів (сонячних батарей) досягає 24%, що значно перевищує результати кращих кремнієвих фотоелектричних перетворювачів.

Широке застосування отримали напівпровідникові перетворювачі електричної енергії електромагнітне випромінювання. В арсеніді галію вперше для напівпровідників було відкрито явище випромінювання світла під впливом електричного струму, що призвело у 1962 до створення напівпровідникового лазера. Принцип дії лазера цього типу заснований на рекомбінації електронів провідності та дірок.В арсеніді галію (на відміну кремнію) при кожному акті рекомбінації відбувається випромінювання кванта світла. При малій швидкості генерації електрон-діркових пар (накачуванні) випромінювальна рекомбінація відбувається спонтанно, цей ефект використовується у напівпровідникових джерелах світла – світлодіодах (light-emitting diodes, LEDs).

У 1963 у арсеніду галію виникла нова сфера застосування. Американський фізик Джон Ганн (John Gunn, р. 1928) встановив, що постійна електрична напруга певної величини, прикладена до кристала арсеніду галію, викликає в ньому генерацію високочастотних коливань електричного струму. Цей ефект пов'язаний з тим, що у вольтамперної характеристики арсеніду галію є спадна ділянка, на якій диференціальний опір негативно. Прилади на основі ефекту Ганна служать для генерування та посилення електромагнітних коливань потужністю близько кількох кВт у імпульсному режимі та сотень мВт у безперервному режимі на частотах від 100 МГц до 100 ГГц, а також для створення швидкодіючих елементів електронних пристроїв.

Зараз монокристали високочистого арсеніду галію отримують традиційними способами вирощування кристалів (за Чохральським). Для отримання монокристалічних шарів легованого арсеніду галію застосовують епітаксійні методи. Епітаксія - це орієнтоване наростання одного кристала на іншому. Особливо широкого поширення напівпровідникової нанотехнології отримали метод молекулярно-променевої епітаксії (molecular-beam epitaxy, MBE) і осадження плівок з металоорганічних з'єднань (metalorganic vapor phase epitaxy, MOVPE). Синтез арсеніду галію методом MOVPE проводиться у газовій фазі взаємодією триметилгалію та арсину в атмосфері водню:

Молекулярно-променева епітаксия – це вирощування кристалів у надвисокому вакуумі за допомогою пучків атомів і молекул, що є компонентами зростаючої сполуки. створення нових напівпровідникових елементів нормальної (мікросхеми) та квантової (квантові ями, нитки та точки) електроніки.

Біологічна роль галію.

Про роль галію в життєдіяльності людини і тварин практично нічого не відомо. AspergillusКрім того, галій має істотне значення в життєдіяльності невеликої болотної рослини. Lemna minor.

Іванова Р.В. Хімія та технологія галію. М., "Металургія", 1973
Хімія та технологія рідкісних та розсіяних елементів, Т.1.
Федоров П.І., Мохосоєв М.В., Алексєєв Ф.П. Хімія галію, індія та талію. Новосибірськ: "Наука", 1977
Популярна бібліотека хімічних елементів.Під. ред.
Білявський В.І. Фізичні засади напівпровідникової нанотехнології. СОЖ, № 10, 1998
U.S. Geological Survey. – 2003
U.S. Geological Survey., January 2005