Химический элемент галий практически не встречается в природе в свободном виде. Он существует в примесях минералов, от которых его достаточно сложно отделить. Галий считается редким веществом, некоторые его свойства не изучены полностью. Тем не менее он применяется в медицине и электронике. Что это за элемент? Какими свойствами он обладает?
Галий - металл или неметалл?
В элемент относится к тринадцатой группе четвертого периода. Он назван в честь исторической области - Галлии, частью которой была Франция - родина первооткрывателя элемента. Для его обозначения используют символ Ga.
Галий входит в группу лёгких металлов вместе с алюминием, индием, германием, оловом, сурьмой и другими элементами. Как простое вещество он является хрупким и мягким, обладает серебристо-белым цветом с легким голубоватым оттенком.
История открытия
Менделеев "предсказал" галий, оставив для него место в третьей группе периодической таблицы (по устаревшей системе). Он приблизительно назвал его атомную массу и даже предугадал, что элемент будет открыт спектроскопически.
Уже через несколько лет металл был обнаружен французом Полем Эмилем Лекоком. В августе 1875 года учёный изучал спектр из месторождения в Пиренеях и заметил новые фиолетовые линии. Элемент был назван галием. Его содержание в минерале было крайне маленьким и Лекоку удалось выделить всего 0,1 грамма. Открытие металла стало одним из подтверждений правильности предсказания Менделеева.
Физические свойства
Металл галий очень пластичный и легкоплавкий. При низких температурах он пребывает в твёрдом состоянии. Для превращения его в жидкость достаточно температуры 29,76 градусов Цельсия или 302,93 по Кальвину. Расплавить его можно держа в руке или опустив в горячую жидкость. Слишком высокие температуры делают его очень агрессивным: при 500 градусах по Цельсию и выше он способен разъедать другие металлы.
Кристаллическая решетка галия образована двухатомными молекулами. Они очень устойчивы, но между собой связаны слабо. Чтобы нарушить их связь, необходимо совсем небольшое количество энергии, поэтому галий без труда становится жидким. По легкоплавкости он в пять раз превосходит индий.
В жидком состоянии металл более плотный и тяжёлый, чем в твёрдом. Кроме того, он лучше проводит электричество. При нормальных условиях его плотность составляет 5,91 г/см³. Закипает металл при -2230 градусах по Цельсию. При затвердевании он расширяется примерно 3,2%.
Химические свойства
По многим химическим свойствам галий похож на алюминий, но проявляет меньшую активность и реакции с ним проходят медленнее. Он не вступает в реакцию с воздухом, моментально образуя оксидную плёнку, которая предотвращает его окисление. Он не реагирует на водород, бор, кремний, азот и углерод.
Металл отлично взаимодействует практически с любыми галогенами. С йодом вступает в реакцию только при нагревании, с хлором и бромом реагирует даже при комнатной температуре. В горячей воде он начинает вытеснять водород, с минеральными кислотами образует соли и тоже высвобождает водород.
С другими металлами галий способен создавать амальгамы. Если жидкий галий капнуть на твёрдый кусок алюминия, он начнёт проникать в него. Вторгаясь в кристаллическую решетку алюминия, жидкое вещество сделает его хрупким. Уже через несколько дней твёрдый металлический брусок можно будет крошить руками, не прилагая особых усилий.
Применение
В медицине металл галий используют для борьбы с опухолями и гиперкальциемией, он также подходит для радиоизотопной диагностики рака костей. Однако препараты, содержащие вещество, могут вызывать побочные эффекты, например, тошноту и рвоту.
Применение металл галий находит и в сверхчастотной электронике. Его используют для изготовления полупроводников и светодиодов, в качестве пьезоматериала. Из сплава галия со скандием или никелем получаются металлические клеи. В сплаве с плутонием он играет роль стабилизатора и применяется в ядерных бомбах.
Стёкла с этим металлом обладают высоким коэффициентом преломления лучей, а его оксид Ga 2 O 3 позволяет стеклу пропускать инфракрасные лучи. Чистый галий может использоваться для изготовления простых зеркал, так как хорошо отражает свет.
Распространённость и месторождения галия
Где взять галий? Металл легко можно заказать в интернете. Его стоимость колеблется от 115 до 360 долларов за килограмм. Металл считается редким, он очень рассеян в земной коре и практически не образует собственных минералов. С 1956 году их было найдено все три.
Зачастую галий находят в составе цинковых, железных, Его примеси обнаруживают в каменном угле, берилле, гранате, магнетите, турмалине, полевом шпате, хлоритах и других минералах. В среднем его содержание в природе составляет около 19 г/т.
Больше всего галия содержится в веществах, которые близки к нему по составу. Из-за этого его сложно и дорого из них извлекать. Собственный минерал металла называется галлит с формулой CuGaS 2 . Он содержит также медь и серу.
Влияние на человека
О биологической роли металла и его воздействии на организм человека известно мало. В периодической таблице он находится рядом с элементами, которые нам жизненно необходимы (алюминий, железо, цинк, хром). Существует мнение, что в качестве ультрамикроэлемента галий входит в состав крови, ускоряя её ток и предотвращая образование тромбов.
Так или иначе, небольшое количество вещества содержится в организме человека (10 -6 - 10 -5 %). Галий поступает в него вместе с водой и сельскохозяйственными продуктами питания. Он задерживается в костной ткани и печени.
Металл галий считается малотоксичным или условно-токсичным. При контакте с кожей мелкие частички остаются на ней. Это выглядит как серое грязное пятно, которое легко убирается водой. Вещество не оставляет ожогов, но в отдельных случаях может вызвать дерматит. Известно, что высокое содержание галия в организме вызывает нарушения в печени, почках и нервной системе, но для этого нужно очень большое количество металла.
орторомбическая
(300 K) 28,1 Вт/(м·К)
Открытие галлия и последовавшие вскоре открытия германия и скандия укрепило позиции Периодического закона, ярко продемонстрировав его прогностический потенциал. Менделеев называл Лекока де Буабодрана одним из «укрепителей периодического закона».
Происхождение названия
Поль Эмиль Лекок де Буабодран назвал элемент в честь своей родины Франции, по её латинскому названию - Галлия (Gallia ).
Существует недокументированная легенда, что в названии элемента его первооткрыватель неявно увековечил и свою фамилию (Lecoq ). Латинское название элемента (Gallium ) созвучно gallus - «петух» (лат.). Примечательно, что именно петух le coq (франц.) является символом Франции.
Нахождение в природе
Среднее содержание галлия в земной коре - 19 г/т. Галлий - типичный рассеянный элемент, обладающий двойной геохимической природой. Ввиду близости его кристаллохимических свойств с главными породообразующими элементами (Al, Fe и др.) и широкой возможности изоморфизма с ними галлий не образует больших скоплений, несмотря на значительную величину кларка . Выделяются следующие минералы с повышенным содержанием галлия: сфалерит (0 - 0,1 %), магнетит (0 - 0,003 %), касситерит (0 - 0,005 %), гранат (0 - 0,003 %), берилл (0 - 0,003 %), турмалин (0 - 0,01 %), сподумен (0,001 - 0,07 %), флогопит (0,001 - 0,005 %), биотит (0 - 0,1 %), мусковит (0 - 0,01 %), серицит (0 - 0,005 %), лепидолит (0,001 - 0,03 %), хлорит (0 - 0,001 %), полевые шпаты (0 - 0,01 %), нефелин (0 - 0,1 %), гекманит (0,01 - 0,07 %), натролит (0 - 0,1 %). Концентрация галлия в морской воде 3·10 −5 мг/л .
Месторождения
Месторождения галлия известны в Юго-Западной Африке, России, странах СНГ .
Получение
Для галлия известен редкий минерал галлит CuGaS 2 (смешанный сульфид меди и галлия). Его следы постоянно встречаются со сфалеритом , халькопиритом и германитом . Значительно бо́льшие его количества (до 1,5 %) были обнаружены в золе некоторых каменных углей. Однако основным источником получения галлия служат растворы глинозёмного производства при переработке боксита (обычно содержащие незначительные его примеси (до 0,1 %)) и нефелина . Галлий также можно получить с помощью переработки полиметаллических руд, угля. Извлекается он электролизом щёлочных жидкостей, являющихся промежуточным продуктом переработки природных бокситов на технический глинозём. Концентрация галлия в щелочном алюминатном растворе после разложения в процессе Байера: 100-150 мг/л, по способу спекания: 50-65 мг/л. По этим способам галлий отделяют от большей части алюминия карбонизацией, концентрируя в последней фракции осадка. Затем обогащённый осадок обрабатывают известью, галлий переходит в раствор, откуда черновой металл выделяется электролизом . Загрязнённый галлий промывают водой, после этого фильтруют через пористые пластины и нагревают в вакууме для того, чтобы удалить летучие примеси. Для получения галлия высокой чистоты используют химический (реакции между солями), электрохимический (электролиз растворов) и физический (разложение) методы. В очень чистом виде (99,999 %) он был получен путём электролитического рафинирования, а также восстановлением водородом тщательно очищенного GaCl 3 .
Физические свойства
Кристаллический галлий имеет несколько полиморфных модификаций, однако термодинамически устойчивой является только одна (I), имеющая орторомбическую (псевдотетрагональную) решётку с параметрами а = 4,5186 , b = 7,6570 Å, c = 4,5256 Å . Другие модификации галлия (β, γ, δ, ε) кристаллизуются из переохлаждённого диспергированного металла и являются нестабильными. При повышенном давлении наблюдались ещё две полиморфные структуры галлия II и III, имеющие, соответственно, кубическую и тетрагональную решётки .
Помимо известно 29 искусственных радиоактивных изотопов галлия с массовыми числами от 56 Ga до 86 Ga и по крайней мере 3 изомерных состояний ядер .
Наиболее долгоживущие изотопы галлия это 67 Ga (период полураспада 3,26 суток) и 72 Ga (период полураспада 14,1 часов).
Химические свойства
Химические свойства галлия близки к свойствам алюминия , но реакции металлического галлия, как правило, идут гораздо медленнее из-за меньшей химической активности. Оксидная плёнка, образующаяся на поверхности металла на воздухе, предохраняет галлий от дальнейшего окисления.
Галлий медленно реагирует с горячей водой:
При реакции с перегретым паром (350 °C) образуется соединение GaOOH (гидрат оксида галлия или метагаллиевая кислота):
При высоких температурах галлий способен разрушать различные материалы и его действие сильнее расплава любого другого металла. Так, графит и вольфрам устойчивы к действию расплава галлия до 800 °C, алунд и оксид бериллия BeO - до 1000 °C, тантал , молибден и ниобий устойчивы до 400-450 °C.
С большинством металлов галлий образует галлиды, исключением являются висмут , а также металлы подгрупп цинка , скандия , титана . Один из галлидов V 3 Ga имеет довольно высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние 16,8 K.
Галлий образует гидридогаллаты:
Галлийорганические соединения представлены алкильными и арильными производными общей формулы GaR 3 и их галогеналкильными и галогенарильными аналогами GaHal 3-n R n . Галлийорганические соединения неустойчивы к воде и воздуху, однако реагируют не так бурно, как алюминийорганические соединения.
При растворении Ga(OH) 3 и Ga 2 O 3 в кислотах образуются аквакомплексы 3+ , поэтому из водных растворов соли галлия выделяются в виде кристаллогидратов , например, хлорид галлия GaCl 3 *6H 2 O, галлийкалиевые квасцы KGa(SO 4) 2 *12H 2 O. Аквакомплексы галлия в растворах бесцветны.
Основные соединения
- Ga 2 H 6 - летучая жидкость, t пл −21,4 °C, t кип 139 °C. В эфирной суспензии с гидридом лития или таллия образует соединения LiGaH 4 и TlGaH 4 . Образуется в результате обработки тетраметилдигаллана триэтиламином . Имеются банановые связи, как и в диборане .
- Ga 2 O 3 - белый или жёлтый порошок, t пл 1795 °C. Существует в виде двух модификаций. α- Ga 2 О 3 - бесцветные тригональные кристаллы с плотностью 6,48 г/см³, малорастворимые в воде, растворимые в кислотах. β- Ga 2 О 3 - бесцветные моноклинные кристаллы c плотностью 5,88 г/см³, малорастворимые в воде, кислотах и щёлочах. Получают нагреванием металлического галлия на воздухе при 260 °C или в атмосфере кислорода, или прокаливанием нитрата или сульфата галлия. ΔH° 298(обр) −1089,10 кДж/моль; ΔG° 298(обр) −998,24 кДж/моль; S° 298 84,98 Дж/моль·K. Проявляют амфотерные свойства, хотя основные свойства, по сравнению с алюминием, усилены:
- Ga(OH) 3 - выпадает в виде желеобразного осадка при обработке растворов солей трёхвалентного галлия гидроксидами и карбонатами щелочных металлов (pH 9,7). Растворяется в концентрированном аммиаке и концентрированном растворе карбоната аммония, при кипячении осаждается. Нагреванием гидроксид галлия можно перевести в GaOOH, затем в Ga 2 O 3 ·H 2 O, и, наконец, в Ga 2 O 3 . Можно получить гидролизом солей трёхвалентного галлия.
- GaF 3 - белый порошок. t пл >950 °C, t кип 1000 °C , плотность - 4,47 г/см³. Малорастворим в воде. Известен кристаллогидрат GaF 3 ·3Н 2 O. Получают нагреванием оксида галлия в атмосфере фтора.
- GaCl 3 - бесцветные гигроскопичные кристаллы. t пл 78 °C, t кип 215 °C, плотность - 2,47 г/см³. Хорошо растворим в воде. В водных растворах гидролизуется. Применяется в качестве катализатора в органических синтезах. Безводный GaCl 3 , подобно AlCl 3 , дымит на влажном воздухе.
- GaBr 3 - бесцветные гигроскопичные кристаллы. t пл 122 °C, t кип 279 °C плотность - 3,69 г/см³. Растворяется в воде. В водных растворах гидролизуется. В аммиаке малорастворим. Получают непосредственно из элементов.
- GaI 3 - гигроскопичные светло-жёлтые иглы. t пл 212 °C, t кип 346 °C, плотность - 4,15 г/см³. Гидролизуется тёплой водой. Получают непосредственно из элементов.
- Ga 2 S 3 - жёлтые кристаллы или белый аморфный порошок с t пл 1250 °C и плотностью 3,65 г/см³. Взаимодействует с водой, при этом полностью гидролизуется. Получают взаимодействием галлия с серой или сероводородом.
- Ga 2 (SO 4) 3 ·18H 2 O - бесцветное, хорошо растворимое в воде вещество. Получается при взаимодействии галлия, его оксида и гидроксида с серной кислотой. С сульфатами щелочных металлов и аммония легко образует квасцы, например, KGa(SO 4) 2 ·12Н 2 О.
- Ga(NO 3) 3 ·8H 2 O - бесцветные, растворимые в воде и этаноле кристаллы. При нагревании разлагается с образованием оксида галлия (III). Получается действием азотной кислоты на гидроксид галлия.
Применение
Галлий дорог, в 2005 году на мировом рынке тонна галлия стоила 1,2 млн долларов США , и в связи с высокой ценой и в то же время с большой потребностью в этом металле очень важно наладить его полное извлечение при алюминиевом производстве и переработке каменных углей на жидкое топливо.
Галлий имеет ряд сплавов, жидких при комнатной температуре, и один из его сплавов имеет температуру плавления 3 °C (эвтектика In-Ga-Sn), но с другой стороны галлий (сплавы в меньшей степени) весьма агрессивен к большинству конструкционных материалов (растрескивание и размывание сплавов при высокой температуре). Например, по отношению к алюминию и его сплавам галлий является мощным понизителем прочности, (см. адсорбционное понижение прочности, эффект Ребиндера). Это свойство галлия было ярчайше продемонстрировано и детально изучено П. А. Ребиндером и Е. Д. Щукиным при контакте алюминия с галлием или его эвтектическими сплавами (жидкометаллическое охрупчивание). Кроме того, смачивание алюминия пленкой жидкого галлия вызывает его стремительное окисление, подобно тому, как это происходит с алюминием, амальгамированным ртутью. Галлий растворяет при температуре плавления около 1 % алюминия, который достигает внешней поверхности плёнки, где мгновенно окисляется воздухом. Оксидная плёнка на жидкой поверхности неустойчива и не защищает от дальнейшего окисления. Вследствие этого жидкий галлиевый сплав в качестве термоинтерфейса между тепловыделяющим компонентом (например, центральным процессором компьютера) и алюминиевым радиатором не используют.
Как теплоноситель галлий малоэффективен, а зачастую просто неприемлем.
Галлий - превосходный смазочный материал. На основе галлия и никеля , галлия и скандия созданы очень важные в практическом плане металлические клеи .
Металлическим галлием также заполняют кварцевые термометры (вместо ) для измерения высоких температур. Это связано с тем, что галлий имеет значительно более высокую температуру кипения по сравнению со ртутью.
Оксид галлия входит в состав ряда стратегически важных лазерных материалов группы гранатов - ГСГГ, ИАГ, ИСГГ и др.
Биологическая роль и особенности обращения
Не играет биологической роли.
Контакт кожи с галлием приводит к тому, что сверхмалые дисперсные частицы металла остаются на ней. Внешне это выглядит как серое пятно.
Клиническая картина отравления: кратковременное возбуждение, затем заторможенность, нарушение координации движений, адинамия , арефлексия , замедление дыхания, нарушение его ритма. На этом фоне наблюдается паралич нижних конечностей, далее - кома , смерть . Ингаляционное воздействие галлий-содержащего аэрозоля в концентрации 50 мг/м³ вызывает у человека поражение почек, равно как и внутривенное введение 10-25 мг/кг солей галлия. Отмечается протеинурия , азотемия , нарушение клиренса мочевины .
Из-за низкой температуры плавления слитки галлия рекомендуется транспортировать в пакетах из полиэтилена , который плохо смачивается жидким галлием.
Напишите отзыв о статье "Галлий"
Примечания
Литература
- Шека И. А, Чаус И. С, Мнтюрева Т. Т., Галлий, К., 1963;
- Еремин Н. И., Галлий, М., 1964;
- Рустамов П. Г., Халькогениды галлия, Баку, 1967;
- Дымов А. М., Савостин А. П., Аналитическая химия галлия, М., 1968;
- Иванова Р. В., Химия и технология галлия, М., 1973;
- Коган Б. И., Вершковская О. В., Славиковская И. М., Галлий. Геология, применение, экономика, М., 1973;
- Яценко С. П., Галлий. Взаимодействие с металлами, М., 1974;
- Процессы экстракции и сорбции в химической технологии галлия, Алма-Ата, 1985;
- Химия и технология редких и рассеянных элементов, под ред. К. А. Большакова, 2 изд., т. 1, М., 1976, с. 223-44;
- Федоров П. И., Мохосоев М. В.. Алексеев Ф. П., Химия галлия, индия и таллия, Новосиб., 1977. П. И. Федоров.
Ссылки
| Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ga | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Uut | Uup | Uus | Uuo | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Uue | Ubn | Ubu | Ubb | Ubt | Ubq | Ubp | Ubh | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||
Отрывок, характеризующий Галлий
– Это такая бестия, везде пролезет! – отвечали Пьеру. – Ведь он разжалован. Теперь ему выскочить надо. Какие то проекты подавал и в цепь неприятельскую ночью лазил… но молодец!..Пьер, сняв шляпу, почтительно наклонился перед Кутузовым.
– Я решил, что, ежели я доложу вашей светлости, вы можете прогнать меня или сказать, что вам известно то, что я докладываю, и тогда меня не убудет… – говорил Долохов.
– Так, так.
– А ежели я прав, то я принесу пользу отечеству, для которого я готов умереть.
– Так… так…
– И ежели вашей светлости понадобится человек, который бы не жалел своей шкуры, то извольте вспомнить обо мне… Может быть, я пригожусь вашей светлости.
– Так… так… – повторил Кутузов, смеющимся, суживающимся глазом глядя на Пьера.
В это время Борис, с своей придворной ловкостью, выдвинулся рядом с Пьером в близость начальства и с самым естественным видом и не громко, как бы продолжая начатый разговор, сказал Пьеру:
– Ополченцы – те прямо надели чистые, белые рубахи, чтобы приготовиться к смерти. Какое геройство, граф!
Борис сказал это Пьеру, очевидно, для того, чтобы быть услышанным светлейшим. Он знал, что Кутузов обратит внимание на эти слова, и действительно светлейший обратился к нему:
– Ты что говоришь про ополченье? – сказал он Борису.
– Они, ваша светлость, готовясь к завтрашнему дню, к смерти, надели белые рубахи.
– А!.. Чудесный, бесподобный народ! – сказал Кутузов и, закрыв глаза, покачал головой. – Бесподобный народ! – повторил он со вздохом.
– Хотите пороху понюхать? – сказал он Пьеру. – Да, приятный запах. Имею честь быть обожателем супруги вашей, здорова она? Мой привал к вашим услугам. – И, как это часто бывает с старыми людьми, Кутузов стал рассеянно оглядываться, как будто забыв все, что ему нужно было сказать или сделать.
Очевидно, вспомнив то, что он искал, он подманил к себе Андрея Сергеича Кайсарова, брата своего адъютанта.
– Как, как, как стихи то Марина, как стихи, как? Что на Геракова написал: «Будешь в корпусе учитель… Скажи, скажи, – заговорил Кутузов, очевидно, собираясь посмеяться. Кайсаров прочел… Кутузов, улыбаясь, кивал головой в такт стихов.
Когда Пьер отошел от Кутузова, Долохов, подвинувшись к нему, взял его за руку.
– Очень рад встретить вас здесь, граф, – сказал он ему громко и не стесняясь присутствием посторонних, с особенной решительностью и торжественностью. – Накануне дня, в который бог знает кому из нас суждено остаться в живых, я рад случаю сказать вам, что я жалею о тех недоразумениях, которые были между нами, и желал бы, чтобы вы не имели против меня ничего. Прошу вас простить меня.
Пьер, улыбаясь, глядел на Долохова, не зная, что сказать ему. Долохов со слезами, выступившими ему на глаза, обнял и поцеловал Пьера.
Борис что то сказал своему генералу, и граф Бенигсен обратился к Пьеру и предложил ехать с собою вместе по линии.
– Вам это будет интересно, – сказал он.
– Да, очень интересно, – сказал Пьер.
Через полчаса Кутузов уехал в Татаринову, и Бенигсен со свитой, в числе которой был и Пьер, поехал по линии.
Бенигсен от Горок спустился по большой дороге к мосту, на который Пьеру указывал офицер с кургана как на центр позиции и у которого на берегу лежали ряды скошенной, пахнувшей сеном травы. Через мост они проехали в село Бородино, оттуда повернули влево и мимо огромного количества войск и пушек выехали к высокому кургану, на котором копали землю ополченцы. Это был редут, еще не имевший названия, потом получивший название редута Раевского, или курганной батареи.
Пьер не обратил особенного внимания на этот редут. Он не знал, что это место будет для него памятнее всех мест Бородинского поля. Потом они поехали через овраг к Семеновскому, в котором солдаты растаскивали последние бревна изб и овинов. Потом под гору и на гору они проехали вперед через поломанную, выбитую, как градом, рожь, по вновь проложенной артиллерией по колчам пашни дороге на флеши [род укрепления. (Примеч. Л.Н. Толстого.) ], тоже тогда еще копаемые.
Бенигсен остановился на флешах и стал смотреть вперед на (бывший еще вчера нашим) Шевардинский редут, на котором виднелось несколько всадников. Офицеры говорили, что там был Наполеон или Мюрат. И все жадно смотрели на эту кучку всадников. Пьер тоже смотрел туда, стараясь угадать, который из этих чуть видневшихся людей был Наполеон. Наконец всадники съехали с кургана и скрылись.
Бенигсен обратился к подошедшему к нему генералу и стал пояснять все положение наших войск. Пьер слушал слова Бенигсена, напрягая все свои умственные силы к тому, чтоб понять сущность предстоящего сражения, но с огорчением чувствовал, что умственные способности его для этого были недостаточны. Он ничего не понимал. Бенигсен перестал говорить, и заметив фигуру прислушивавшегося Пьера, сказал вдруг, обращаясь к нему:
– Вам, я думаю, неинтересно?
– Ах, напротив, очень интересно, – повторил Пьер не совсем правдиво.
С флеш они поехали еще левее дорогою, вьющеюся по частому, невысокому березовому лесу. В середине этого
леса выскочил перед ними на дорогу коричневый с белыми ногами заяц и, испуганный топотом большого количества лошадей, так растерялся, что долго прыгал по дороге впереди их, возбуждая общее внимание и смех, и, только когда в несколько голосов крикнули на него, бросился в сторону и скрылся в чаще. Проехав версты две по лесу, они выехали на поляну, на которой стояли войска корпуса Тучкова, долженствовавшего защищать левый фланг.
Здесь, на крайнем левом фланге, Бенигсен много и горячо говорил и сделал, как казалось Пьеру, важное в военном отношении распоряжение. Впереди расположения войск Тучкова находилось возвышение. Это возвышение не было занято войсками. Бенигсен громко критиковал эту ошибку, говоря, что было безумно оставить незанятою командующую местностью высоту и поставить войска под нею. Некоторые генералы выражали то же мнение. Один в особенности с воинской горячностью говорил о том, что их поставили тут на убой. Бенигсен приказал своим именем передвинуть войска на высоту.
Распоряжение это на левом фланге еще более заставило Пьера усумниться в его способности понять военное дело. Слушая Бенигсена и генералов, осуждавших положение войск под горою, Пьер вполне понимал их и разделял их мнение; но именно вследствие этого он не мог понять, каким образом мог тот, кто поставил их тут под горою, сделать такую очевидную и грубую ошибку.
Пьер не знал того, что войска эти были поставлены не для защиты позиции, как думал Бенигсен, а были поставлены в скрытое место для засады, то есть для того, чтобы быть незамеченными и вдруг ударить на подвигавшегося неприятеля. Бенигсен не знал этого и передвинул войска вперед по особенным соображениям, не сказав об этом главнокомандующему.
Князь Андрей в этот ясный августовский вечер 25 го числа лежал, облокотившись на руку, в разломанном сарае деревни Князькова, на краю расположения своего полка. В отверстие сломанной стены он смотрел на шедшую вдоль по забору полосу тридцатилетних берез с обрубленными нижними сучьями, на пашню с разбитыми на ней копнами овса и на кустарник, по которому виднелись дымы костров – солдатских кухонь.
Как ни тесна и никому не нужна и ни тяжка теперь казалась князю Андрею его жизнь, он так же, как и семь лет тому назад в Аустерлице накануне сражения, чувствовал себя взволнованным и раздраженным.
Приказания на завтрашнее сражение были отданы и получены им. Делать ему было больше нечего. Но мысли самые простые, ясные и потому страшные мысли не оставляли его в покое. Он знал, что завтрашнее сражение должно было быть самое страшное изо всех тех, в которых он участвовал, и возможность смерти в первый раз в его жизни, без всякого отношения к житейскому, без соображений о том, как она подействует на других, а только по отношению к нему самому, к его душе, с живостью, почти с достоверностью, просто и ужасно, представилась ему. И с высоты этого представления все, что прежде мучило и занимало его, вдруг осветилось холодным белым светом, без теней, без перспективы, без различия очертаний. Вся жизнь представилась ему волшебным фонарем, в который он долго смотрел сквозь стекло и при искусственном освещении. Теперь он увидал вдруг, без стекла, при ярком дневном свете, эти дурно намалеванные картины. «Да, да, вот они те волновавшие и восхищавшие и мучившие меня ложные образы, – говорил он себе, перебирая в своем воображении главные картины своего волшебного фонаря жизни, глядя теперь на них при этом холодном белом свете дня – ясной мысли о смерти. – Вот они, эти грубо намалеванные фигуры, которые представлялись чем то прекрасным и таинственным. Слава, общественное благо, любовь к женщине, самое отечество – как велики казались мне эти картины, какого глубокого смысла казались они исполненными! И все это так просто, бледно и грубо при холодном белом свете того утра, которое, я чувствую, поднимается для меня». Три главные горя его жизни в особенности останавливали его внимание. Его любовь к женщине, смерть его отца и французское нашествие, захватившее половину России. «Любовь!.. Эта девочка, мне казавшаяся преисполненною таинственных сил. Как же я любил ее! я делал поэтические планы о любви, о счастии с нею. О милый мальчик! – с злостью вслух проговорил он. – Как же! я верил в какую то идеальную любовь, которая должна была мне сохранить ее верность за целый год моего отсутствия! Как нежный голубок басни, она должна была зачахнуть в разлуке со мной. А все это гораздо проще… Все это ужасно просто, гадко!
Отец тоже строил в Лысых Горах и думал, что это его место, его земля, его воздух, его мужики; а пришел Наполеон и, не зная об его существовании, как щепку с дороги, столкнул его, и развалились его Лысые Горы и вся его жизнь. А княжна Марья говорит, что это испытание, посланное свыше. Для чего же испытание, когда его уже нет и не будет? никогда больше не будет! Его нет! Так кому же это испытание? Отечество, погибель Москвы! А завтра меня убьет – и не француз даже, а свой, как вчера разрядил солдат ружье около моего уха, и придут французы, возьмут меня за ноги и за голову и швырнут в яму, чтоб я не вонял им под носом, и сложатся новые условия жизни, которые будут также привычны для других, и я не буду знать про них, и меня не будет».
Он поглядел на полосу берез с их неподвижной желтизной, зеленью и белой корой, блестящих на солнце. «Умереть, чтобы меня убили завтра, чтобы меня не было… чтобы все это было, а меня бы не было». Он живо представил себе отсутствие себя в этой жизни. И эти березы с их светом и тенью, и эти курчавые облака, и этот дым костров – все вокруг преобразилось для него и показалось чем то страшным и угрожающим. Мороз пробежал по его спине. Быстро встав, он вышел из сарая и стал ходить.
За сараем послышались голоса.
– Кто там? – окликнул князь Андрей.
Красноносый капитан Тимохин, бывший ротный командир Долохова, теперь, за убылью офицеров, батальонный командир, робко вошел в сарай. За ним вошли адъютант и казначей полка.
Князь Андрей поспешно встал, выслушал то, что по службе имели передать ему офицеры, передал им еще некоторые приказания и сбирался отпустить их, когда из за сарая послышался знакомый, пришепетывающий голос.
– Que diable! [Черт возьми!] – сказал голос человека, стукнувшегося обо что то.
Князь Андрей, выглянув из сарая, увидал подходящего к нему Пьера, который споткнулся на лежавшую жердь и чуть не упал. Князю Андрею вообще неприятно было видеть людей из своего мира, в особенности же Пьера, который напоминал ему все те тяжелые минуты, которые он пережил в последний приезд в Москву.
– А, вот как! – сказал он. – Какими судьбами? Вот не ждал.
В то время как он говорил это, в глазах его и выражении всего лица было больше чем сухость – была враждебность, которую тотчас же заметил Пьер. Он подходил к сараю в самом оживленном состоянии духа, но, увидав выражение лица князя Андрея, он почувствовал себя стесненным и неловким.
– Я приехал… так… знаете… приехал… мне интересно, – сказал Пьер, уже столько раз в этот день бессмысленно повторявший это слово «интересно». – Я хотел видеть сражение.
– Да, да, а братья масоны что говорят о войне? Как предотвратить ее? – сказал князь Андрей насмешливо. – Ну что Москва? Что мои? Приехали ли наконец в Москву? – спросил он серьезно.
– Приехали. Жюли Друбецкая говорила мне. Я поехал к ним и не застал. Они уехали в подмосковную.
Офицеры хотели откланяться, но князь Андрей, как будто не желая оставаться с глазу на глаз с своим другом, предложил им посидеть и напиться чаю. Подали скамейки и чай. Офицеры не без удивления смотрели на толстую, громадную фигуру Пьера и слушали его рассказы о Москве и о расположении наших войск, которые ему удалось объездить. Князь Андрей молчал, и лицо его так было неприятно, что Пьер обращался более к добродушному батальонному командиру Тимохину, чем к Болконскому.
– Так ты понял все расположение войск? – перебил его князь Андрей.
– Да, то есть как? – сказал Пьер. – Как невоенный человек, я не могу сказать, чтобы вполне, но все таки понял общее расположение.
– Eh bien, vous etes plus avance que qui cela soit, [Ну, так ты больше знаешь, чем кто бы то ни было.] – сказал князь Андрей.
– A! – сказал Пьер с недоуменьем, через очки глядя на князя Андрея. – Ну, как вы скажете насчет назначения Кутузова? – сказал он.
– Я очень рад был этому назначению, вот все, что я знаю, – сказал князь Андрей.
– Ну, а скажите, какое ваше мнение насчет Барклая де Толли? В Москве бог знает что говорили про него. Как вы судите о нем?
– Спроси вот у них, – сказал князь Андрей, указывая на офицеров.
Пьер с снисходительно вопросительной улыбкой, с которой невольно все обращались к Тимохину, посмотрел на него.
– Свет увидали, ваше сиятельство, как светлейший поступил, – робко и беспрестанно оглядываясь на своего полкового командира, сказал Тимохин.
– Отчего же так? – спросил Пьер.
– Да вот хоть бы насчет дров или кормов, доложу вам. Ведь мы от Свенцян отступали, не смей хворостины тронуть, или сенца там, или что. Ведь мы уходим, ему достается, не так ли, ваше сиятельство? – обратился он к своему князю, – а ты не смей. В нашем полку под суд двух офицеров отдали за этакие дела. Ну, как светлейший поступил, так насчет этого просто стало. Свет увидали…
– Так отчего же он запрещал?
Тимохин сконфуженно оглядывался, не понимая, как и что отвечать на такой вопрос. Пьер с тем же вопросом обратился к князю Андрею.
– А чтобы не разорять край, который мы оставляли неприятелю, – злобно насмешливо сказал князь Андрей. – Это очень основательно; нельзя позволять грабить край и приучаться войскам к мародерству. Ну и в Смоленске он тоже правильно рассудил, что французы могут обойти нас и что у них больше сил. Но он не мог понять того, – вдруг как бы вырвавшимся тонким голосом закричал князь Андрей, – но он не мог понять, что мы в первый раз дрались там за русскую землю, что в войсках был такой дух, какого никогда я не видал, что мы два дня сряду отбивали французов и что этот успех удесятерял наши силы. Он велел отступать, и все усилия и потери пропали даром. Он не думал об измене, он старался все сделать как можно лучше, он все обдумал; но от этого то он и не годится. Он не годится теперь именно потому, что он все обдумывает очень основательно и аккуратно, как и следует всякому немцу. Как бы тебе сказать… Ну, у отца твоего немец лакей, и он прекрасный лакей и удовлетворит всем его нуждам лучше тебя, и пускай он служит; но ежели отец при смерти болен, ты прогонишь лакея и своими непривычными, неловкими руками станешь ходить за отцом и лучше успокоишь его, чем искусный, но чужой человек. Так и сделали с Барклаем. Пока Россия была здорова, ей мог служить чужой, и был прекрасный министр, но как только она в опасности; нужен свой, родной человек. А у вас в клубе выдумали, что он изменник! Тем, что его оклеветали изменником, сделают только то, что потом, устыдившись своего ложного нарекания, из изменников сделают вдруг героем или гением, что еще будет несправедливее. Он честный и очень аккуратный немец…
– Однако, говорят, он искусный полководец, – сказал Пьер.
– Я не понимаю, что такое значит искусный полководец, – с насмешкой сказал князь Андрей.
– Искусный полководец, – сказал Пьер, – ну, тот, который предвидел все случайности… ну, угадал мысли противника.
– Да это невозможно, – сказал князь Андрей, как будто про давно решенное дело.
Пьер с удивлением посмотрел на него.
– Однако, – сказал он, – ведь говорят же, что война подобна шахматной игре.
– Да, – сказал князь Андрей, – только с тою маленькою разницей, что в шахматах над каждым шагом ты можешь думать сколько угодно, что ты там вне условий времени, и еще с той разницей, что конь всегда сильнее пешки и две пешки всегда сильнее одной, a на войне один батальон иногда сильнее дивизии, а иногда слабее роты. Относительная сила войск никому не может быть известна. Поверь мне, – сказал он, – что ежели бы что зависело от распоряжений штабов, то я бы был там и делал бы распоряжения, а вместо того я имею честь служить здесь, в полку вот с этими господами, и считаю, что от нас действительно будет зависеть завтрашний день, а не от них… Успех никогда не зависел и не будет зависеть ни от позиции, ни от вооружения, ни даже от числа; а уж меньше всего от позиции.
– А от чего же?
– От того чувства, которое есть во мне, в нем, – он указал на Тимохина, – в каждом солдате.
Князь Андрей взглянул на Тимохина, который испуганно и недоумевая смотрел на своего командира. В противность своей прежней сдержанной молчаливости князь Андрей казался теперь взволнованным. Он, видимо, не мог удержаться от высказывания тех мыслей, которые неожиданно приходили ему.
– Сражение выиграет тот, кто твердо решил его выиграть. Отчего мы под Аустерлицем проиграли сражение? У нас потеря была почти равная с французами, но мы сказали себе очень рано, что мы проиграли сражение, – и проиграли. А сказали мы это потому, что нам там незачем было драться: поскорее хотелось уйти с поля сражения. «Проиграли – ну так бежать!» – мы и побежали. Ежели бы до вечера мы не говорили этого, бог знает что бы было. А завтра мы этого не скажем. Ты говоришь: наша позиция, левый фланг слаб, правый фланг растянут, – продолжал он, – все это вздор, ничего этого нет. А что нам предстоит завтра? Сто миллионов самых разнообразных случайностей, которые будут решаться мгновенно тем, что побежали или побегут они или наши, что убьют того, убьют другого; а то, что делается теперь, – все это забава. Дело в том, что те, с кем ты ездил по позиции, не только не содействуют общему ходу дел, но мешают ему. Они заняты только своими маленькими интересами.
– В такую минуту? – укоризненно сказал Пьер.
– В такую минуту, – повторил князь Андрей, – для них это только такая минута, в которую можно подкопаться под врага и получить лишний крестик или ленточку. Для меня на завтра вот что: стотысячное русское и стотысячное французское войска сошлись драться, и факт в том, что эти двести тысяч дерутся, и кто будет злей драться и себя меньше жалеть, тот победит. И хочешь, я тебе скажу, что, что бы там ни было, что бы ни путали там вверху, мы выиграем сражение завтра. Завтра, что бы там ни было, мы выиграем сражение!
– Вот, ваше сиятельство, правда, правда истинная, – проговорил Тимохин. – Что себя жалеть теперь! Солдаты в моем батальоне, поверите ли, не стали водку, пить: не такой день, говорят. – Все помолчали.
Офицеры поднялись. Князь Андрей вышел с ними за сарай, отдавая последние приказания адъютанту. Когда офицеры ушли, Пьер подошел к князю Андрею и только что хотел начать разговор, как по дороге недалеко от сарая застучали копыта трех лошадей, и, взглянув по этому направлению, князь Андрей узнал Вольцогена с Клаузевицем, сопутствуемых казаком. Они близко проехали, продолжая разговаривать, и Пьер с Андреем невольно услыхали следующие фразы:
– Der Krieg muss im Raum verlegt werden. Der Ansicht kann ich nicht genug Preis geben, [Война должна быть перенесена в пространство. Это воззрение я не могу достаточно восхвалить (нем.) ] – говорил один.
– O ja, – сказал другой голос, – da der Zweck ist nur den Feind zu schwachen, so kann man gewiss nicht den Verlust der Privatpersonen in Achtung nehmen. [О да, так как цель состоит в том, чтобы ослабить неприятеля, то нельзя принимать во внимание потери частных лиц (нем.) ]
– O ja, [О да (нем.) ] – подтвердил первый голос.
– Да, im Raum verlegen, [перенести в пространство (нем.) ] – повторил, злобно фыркая носом, князь Андрей, когда они проехали. – Im Raum то [В пространстве (нем.) ] у меня остался отец, и сын, и сестра в Лысых Горах. Ему это все равно. Вот оно то, что я тебе говорил, – эти господа немцы завтра не выиграют сражение, а только нагадят, сколько их сил будет, потому что в его немецкой голове только рассуждения, не стоящие выеденного яйца, а в сердце нет того, что одно только и нужно на завтра, – то, что есть в Тимохине. Они всю Европу отдали ему и приехали нас учить – славные учители! – опять взвизгнул его голос.
– Так вы думаете, что завтрашнее сражение будет выиграно? – сказал Пьер.
– Да, да, – рассеянно сказал князь Андрей. – Одно, что бы я сделал, ежели бы имел власть, – начал он опять, – я не брал бы пленных. Что такое пленные? Это рыцарство. Французы разорили мой дом и идут разорить Москву, и оскорбили и оскорбляют меня всякую секунду. Они враги мои, они преступники все, по моим понятиям. И так же думает Тимохин и вся армия. Надо их казнить. Ежели они враги мои, то не могут быть друзьями, как бы они там ни разговаривали в Тильзите.
Среднее содержание галлия в земной коре 19 г/т. Галлий типичный рассеянный элемент, обладающий двойной геохимической природой. Ввиду близости его кристаллохимических свойств с главными породообразующими элементами (Al, Fe и др.) и широкой возможности изоморфизма с ними, галлий не образует больших скоплений, несмотря на значительную величину кларка. Выделяются следующие минералы с повышенным содержанием галлия: сфалерит (0 — 0,1 %), магнетит (0 — 0,003 %), касситерит (0 — 0,005 %), гранат (0 — 0,003 %), берилл (0 — 0,003 %), турмалин (0 — 0,01 %), сподумен (0,001 — 0,07 %), флогопит (0,001 — 0,005 %), биотит (0 — 0,1 %), мусковит (0 — 0,01 %), серицит (0 — 0,005 %), лепидолит (0,001 — 0,03 %), хлорит (0 — 0,001 %), полевые шпаты (0 — 0,01 %), нефелин (0 — 0,1 %), гекманит (0,01 — 0,07 %), натролит (0 — 0,1 %). Концентрация галлия в морской воде 3·10−5 мг/л.
Месторождения
Месторождения галлия известны в Юго-Западной Африке, странах СНГ
Получение галлия
Для галлия известен редкий минерал галлит CuGaS2 (смешанный сульфид меди и галлия). Его следы постоянно встречаются со сфалеритом, халькопиритом и германитом. Значительно бо́льшие его количества (до 1,5 %) были обнаружены в золе некоторых каменных углей. Однако основным источником получения галлия служат растворы глинозёмного производства при переработке боксита (обычно содержащие незначительные его примеси (до 0,1 %)) и нефелина. Галлий также можно получить с помощью переработки полиметаллических руд, угля. Извлекается он электролизом щёлочных жидкостей, являющихся промежуточным продуктом переработки природных бокситов на технический глинозём. Концентрация галлия в щелочном алюминатном растворе после разложения в процессе Байера: 100—150 мг/л, по способу спекания: 50—65 мг/л. По этим способам галлий отделяют от большей части алюминия карбонизацией, концентрируя в последней фракции осадка. Затем обогащённый осадок обрабатывают известью, галлий переходит в раствор, откуда черновой металл выделяется электролизом. Загрязнённый галлий промывают водой, после этого фильтруют через пористые пластины и нагревают в вакууме для того, чтобы удалить летучие примеси. Для получения галлия высокой чистоты используют химический (реакции между солями), электрохимический (электролиз растворов) и физический (разложение) методы. В очень чистом виде (99,999 %) он был получен путём электролитического рафинирования, а также восстановлением водородом тщательно очищенного GaCl3.
Физические свойства
Кристаллический галлий имеет несколько полиморфных модификаций, однако термодинамически устойчивой является только одна (I), имеющая орторомбическую (псевдотетрагональную) решётку с параметрами а = 4,5186 Å, b = 7,6570 Å, c = 4,5256 Å. Другие модификации галлия (β, γ, δ, ε) кристаллизуются из переохлаждённого диспергированного металла и являются нестабильными. При повышенном давлении наблюдались ещё две полиморфные структуры галлия II и III, имеющие, соответственно, кубическую и тетрагональную решётки.
Плотность галлия в твёрдом состоянии при температуре 20 °C равна 5,904 г/см³, жидкий галлий (tпл.=29,8 °C) имеет плотность 6,095 г/см³, то есть при затвердевании объём галлия увеличивается. Кипит галлий при 2230 °C. Одной из особенностей галлия является широкий температурный интервал существования жидкого состояния (от 30 и до 2230 °C), при этом он имеет низкое давление пара при температурах до 1100—1200 °C. Удельная теплоёмкость твёрдого галлия в температурном интервале T=0—24 °C равна 376,7 Дж/кг·К (0,09 кал/г·град.), в жидком состоянии при T=29—100 °C — 410 Дж/кг·К (0,098 кал/г·град).
Удельное электрическое сопротивление в твёрдом и жидком состоянии равны, соответственно, 53,4·10−6 ом·см (при T=0 °C) и 27,2·10−6 ом·см (при T=30 °C). Вязкость жидкого галлия при разных температурах равна 1,612 пуаз при T=98 °C и 0,578 пуаз при T=1100 °C. Поверхностное натяжение, измеренное при 30 °C в атмосфере водорода равно 0,735 н/м. Коэффициенты отражения для длин волн 4360 Å и 5890 Å составляют 75,6 % и 71,3 %, соответственно.
Природный галлий состоит из двух изотопов 69Ga (61,2 %) и 71Ga (38,8 %). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов равно для них 2,1·10−28 м² и 5,1·10−28 м², соответственно.
Применение галлия
Арсенид галлия GaAs — перспективный материал для полупроводниковой электроники.
Нитрид галлия используется в создании полупроводниковых лазеров и светодиодов синего и ультрафиолетового диапазона. Нитрид галлия обладает превосходными химическими и механическими свойствами, типичными для всех нитридных соединений.
Изотоп галлий-71 является важнейшим материалом для регистрации нейтрино и в связи с этим перед техникой стоит весьма актуальная задача выделения этого изотопа из природной смеси в целях повышения чувствительности детекторов нейтрино. Так как содержание 71Ga составляет в природной смеси изотопов около 39,9 %, то выделение чистого изотопа и использование его в качестве детектора нейтрино способно повысить чувствительность регистрации в 2,5 раза.
Галлий дорог, в 2005 году на мировом рынке тонна галлия стоила 1,2 млн долларов США, и в связи с высокой ценой и в то же время с большой потребностью в этом металле очень важно наладить его полное извлечение при алюминиевом производстве и переработке каменных углей на жидкое топливо.
Галлий имеет ряд сплавов, жидких при комнатной температуре, и один из его сплавов имеет температуру плавления 3 °C (эвтектика In-Ga-Sn), но с другой стороны галлий (сплавы в меньшей степени) весьма агрессивен к большинству конструкционных материалов (растрескивание и размывание сплавов при высокой температуре). Например, по отношению к алюминию и его сплавам галлий является мощным понизителем прочности, (см. адсорбционное понижение прочности, эффект Ребиндера). Это свойство галлия было ярчайше продемонстрировано и детально изучено П. А. Ребиндером и Е. Д. Щукиным при контакте алюминия с галлием или его эвтектическими сплавами (жидкометаллическое охрупчивание). Кроме того, смачивание алюминия пленкой жидкого галлия вызывает его стремительное окисление, подобно тому, как это происходит с алюминием, амальгамированным ртутью. Галлий растворяет при температуре плавления около 1 % алюминия, который достигает внешней поверхности плёнки, где мгновенно окисляется воздухом. Оксидная плёнка на жидкой поверхности неустойчива и не защищает от дальнейшего окисления. Вследствие этого жидкий галлиевый сплав в качестве термоинтерфейса между тепловыделяющим компонентом (например, центральным процессором компьютера) и алюминиевым радиатором не используют.
Как теплоноситель галлий малоэффективен, а зачастую просто неприемлем.
Галлий — превосходный смазочный материал. На основе галлия и никеля, галлия и скандия созданы очень важные в практическом плане металлические клеи.
Металлическим галлием также заполняют кварцевые термометры (вместо ртути) для измерения высоких температур. Это связано с тем, что галлий имеет значительно более высокую температуру кипения по сравнению со ртутью.
Оксид галлия входит в состав ряда стратегически важных лазерных материалов группы гранатов — ГСГГ, ИАГ, ИСГГ и др.
Биологическая роль и особенности обращения галлия
Не играет биологической роли.
Контакт кожи с галлием приводит к тому, что сверхмалые дисперсные частицы металла остаются на ней. Внешне это выглядит как серое пятно.
Клиническая картина острого отравления: кратковременное возбуждение, затем заторможенность, нарушение координации движений, адинамия, арефлексия, замедление дыхания, нарушение его ритма. На этом фоне наблюдается паралич нижних конечностей, далее — кома, смерть. Ингаляционное воздействие галлий-содержащего аэрозоля в концентрации 50 мг/м³ вызывает у человека поражение почек, равно как и внутривенное введение 10-25 мг/кг солей галлия. Отмечается протеинурия, азотемия, нарушение клиренса мочевины.
Из-за низкой температуры плавления слитки галлия рекомендуется транспортировать в пакетах из полиэтилена, который плохо смачивается жидким галлием.
Галлий - элемент главной подгруппы третьей группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 31. Обозначается символом Ga (лат. Gallium). Относится к группе лёгких металлов. Простое вещество галлий - мягкий пластичный металл серебристо-белого (по другим данным светло-серого) цвета с синеватым оттенком.
Среднее содержание галлия в земной коре 19 г/т. Галлий типичный рассеянный элемент, обладающий двойной геохимической природой. Ввиду близости его кристаллохимических свойств с главными породообразующими элементами (Al, Fe и др.) и широкой возможности изоморфизма с ними, галлий не образует больших скоплений, несмотря на значительную величину кларка.
Месторождения галлия известны в Юго-Западной Африке, России, странах СНГ. Мировые ресурсы галлия в боксите оценены в более чем один миллиард килограммов. Кроме того, существенное количество галлия имеется в мировых запасах цинковых руд. Однако, только маленькая часть галлия в бокситах и цинковой руде экономически восстанавливаема.
Галлия может быть недостаточно, но назвать его редким нельзя. Он более распространен, чем многие известные металлы, такие как сурьма, молибден, серебро и вольфрам, но, в отличие от этих элементов, галлий редко, если вообще когда-либо, находится в экономических концентрациях в естественных полезных ископаемых. Два основных источника коммерческого галлия - его извлечение из бокситов при производстве глинозема и извлечение из остатков, являющихся результатом выщелачивания окиси цинка до электролиза.
Галлий не существует в земной коре в элементной форме, а встречается чаще всего в виде соли галлия (III). Производстводится прежде всего из бокситов. В 2010 году, при мировой производственной мощности 256-261 тонн, таким образом было произведено 78 тонн металла. Производство галлия в мире в целом в 2010 году, согласно оценкам, было приблизительно 201-212 тонн. Данное обстоятельство наглядно демонстрирует высокую степень вторичного восстановления металла, а также излишние мощности по производству/обработке в настоящее время. Потребление галлия в 2010 году было на уровне 280 тонн, что свидетельствовало о наличии дефицита на мировом рынке и частичном потреблении металла из запасов. В 2011 году потребление галлия снизилось до 218 тонн, в результате чего наоборот возник излишек металла на рынке (объем производства первичного галлия в мире составил 292 тонны).
Вторичное восстановление (переработка) галлия. Дефицит галлия получаемого из руды привел к существенным объемам его вторичного производства. В Японии приблизительно 90 тонн металлического галлия в 2010 году было произведено путем переработки из отходов, а еще 60 тонн галлия - потенциально содержащегося в пределах эпитаксии жидкой фазы производственная "петля", не сразу доступных для потребления или в форме годной к употреблению в других целях.
Вторичное восстановление галлия при производственных процессах полупроводников - также важный источник. Из-за многошаговой природы изготовления полупроводника и требования чрезвычайно высококачественного контроля на каждом этапе, требуется намного больший объем галлия, чем фактически содержится потом в полупроводниках. Министерство энергетики США сообщило, что в 2010 году мировые мощности вторичной переработки галлия составляли приблизительно 42% (частично результат вышеупомянутого производственного процесса изготовления полупроводников) всей мировой производственной мощности галлия.
Китай, как полагают, является ведущим производителем первичного галлия, далее следуют Германия, Казахстан, Украина, Южная Корея и Россия. Галлий также производится в Венгрии и Японии. Мировое производство рафинированного галлия, включая извлечение из отходов, оценивается в 378 тонн (2011 год).
Китай, Япония, Великобритания и США в 2010 году были основными производителями рафинированного галлия. Галлий производится при переработке отходов в Канаде, Германии, Япония, Великобритания и США. Нео Материал оценил, что 50% галлия, который потребили во всем мире в 2010 году прибыл из переработанных источников.
Основными производителями галлия в Китае являются Aluminium Corporation China Ltd, Пекин Цзя Semiconductor Material Co. Ltd, китайский кристалл Technologies Ltd, восток галлий Хоуп Миэнчи Industry Co. и Чжухай Фанюань. Общие производственные мощности Китая по производству галия в 2010 году оценивались в 141 тонну.
Большая часть мощностей по производству первичного галлия теперь расположена в Китае, Германии и Казахстане, после сокращения числа компаний, очищающих галлий в России и закрытия завода во Франции. Китай увеличил мощности производства первичного галлия с 141 тонн/год в 2010 году до 280 тонн/год к концу 2011 года.
Существенная доля галлия происходит от вторичного производства, особенно от переработки GaAs и отходов, являющихся результатом эпитаксии жидкой фазы. Главные центры вторичного производства - Япония и Северная Америка. В тоже время, нет достаточных данных об эффективной переработке содержащих галий отходов в Китае, несмотря на то, что страна становится одним из основных потребителей данного металла.
Галлий - основа электронной промышленности. Галлий является базой соединений, таких как Арсенид галлия (GaAs) и нитрид галлия (GaN), полупроводников, используемых в электронной промышленности. Он также используется при изготовлении ячеек памяти.
Оптикоэлектронные устройства, такие как LEDs, лазер диоды, фотодатчики и солнечные батареи, произведенные из GaAs, продолжают быть основной областью потребления галлия во всем мире. В ближайшем будущем, использование GaAs, как ожидают, увеличится, особенно на коммуникационных рынках. Рост применения средств сотовых коммуникаций и спутниковых навигационных приборов, как ожидается, приведет к увеличению спроса на галлий.
Галлий используется в виде GaN в лазерных диодах и светодиодах (LED). Новые GaN устройства используются для создания высокой плотности хранения данных (CD-проигрыватели и цифровые видеоплееры), высококачественной лазерной печати, средствах коммуникации и освещении. GaN транзисторы работают при высоких напряжениях и с более высокой плотностью энергии, чем GaAs устройства. Галлий используется в некоторых термометрах высокой температуры, а евтектический сплав галлия, индия и олова широко используется в таких термометрах, заменяя ртуть. Галлий также используется как компонент в легкоплавких сплавах и при создании блестящих зеркал. Соли галлия такие как галлиевая соль лимонной кислоты и нитрат галлия используются в медицине.
Мировой спрос на галлий в последние годы был самым сильным в оптикоэлектронной промышленности, особенно в светодиодах. Из-за лучших свойств, GaAs все больше используется вместо кремния в интегральных схемах многих защитных приложений. Рынок мобильных телефонов преимущественно был ответственным за рост потребления галлия за последние несколько лет.
Рынок галлия испытывал рост: в 2010 году спрос на металл был силен и в электронном и в оптикоэлектронном секторах. Увеличение потребления галлия было обусловлено растущим спросом на смартфоны и многополосные, многорежимные телефонные трубки, а также в результате увеличения использования LEDs в освещении и экранах дисплея. В Китае приблизительно половина идентифицированного потребления находитсятся в NdFeB магнитных материалах - образец, не повторенный в другом месте в мире, но у которого есть потенциал для роста в Японии.
Галлий может быть заменен при изготовлении полупроводников на индий, а в технологии производства тонкой пленки солнечной батареи - основанными на кремнии технологиями, некоторыми формами тонкой пленки селенид кадмия или медный индиевый селенид базировал фотогальванические клетки среди других. Развитие этих различных форм технологии производства солнечной батареи означает, что перспективы мирового рынка галлия остаются неясными. Преимущества галлия как компонента технологий производства солнечных батарей также не кажутся окончательно выигрышными по сравнению с конкурирующими материалами и составами.
Главное использование для галлия находится в производстве оптоэлектроники и полупроводников. Дальнейший спрос поскольку галлий прибывает из своего использования в качестве прозрачного анода в показах большой площади и освещении твердого состояния, транзисторы тонкой пленки, магниты неодимового железного бора и батареи, литиевые батареи и медно-индиевый селенид галлия фотогальванические клетки. В целом, использование галлия в некоторой электронике сдержано из-за его ограниченного количества. Металл заменяется как менее экономически важный, с полным мировым производством, составляющим только приблизительно одну десятую от производства из индия.
Потребление галлия в мире, тонн*
| год | 2008 | 2009 | 2010 | 2011 | 2012 |
| Япония | 122.3 | 111.3 | 116.0 | 114.0 | 110.0 |
| США | 28.7 | 24.9 | 33.5 | 35.3 | 35.0 |
| Прочие страны | 39.2 | 40.6 | 130.5 | 68.7 | 75.0 |
| Всего | 190.2 | 176.8 | 280.0 | 218.0 | 220.0 |
* Сводные данные
Цены на галлий (здесь и далее цены на галлий импортируемый в США, данные Геологической службы США) росли с 2004 по 2011 год, за исключением 2005, 2006 и 2009 года, что было обусловлено ростом рынка смартфонов, увеличенным использованием LEDs в освещении и спросе на оптикоэлектронные устройства (Blu-ray, DVD и т.д.). В период с 2003 по 2011 год цены на галлий на мировом рынке выросли более чем в 1,5 раза с примерно 411 долл./кг до 688 долл./кг. В 2012 году цены на галлий немного опустились - в среднем до 556 долл./кг, однако остались на очень высоком уровне.
Обладая обширными бокситными ресурсами, Индия имеет потенциал для того, чтобы увеличить производство глинозема ориентированными на экспорт заводами, что может способствовать росту поставок металла для внутреннего потребления и на мировой рынок. Спрос на галлий, вероятно, увеличится, в связи с ростом электронной промышленности в стране. Стратегическое значение имеет развитие местной технологии, а также сотрудничество с зарубежными странами для очистки и производства металла. Цинковые месторождения, как альтернативный источник, станут экономически целесообразными, когда легкодоступные источники галлия будут израсходованы.
По прогнозу, спрос на галлий будет расти в пределах 15% в год до 2015 года, и это увеличенное потребление будет питаться и от существующей избыточной мощности, особенно во вторичной очистке, и от новых основных мощностей, запланированных к вводу в Китае и, возможно, в Северной Америке. Неиспользованный запас вторичного материала накопится в Китае, в то время как переработка останется на низком уровне.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Галлий - тридцать первый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Ga от латинского «gallium». Расположен в четвертом периоде, IIIA группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 31.
Галлий принадлежит к числу редких элементов и в сколько-нибудь значительных концентрациях в природе не встречается. Его получают главным образом из цинковых концентратов после выплавки из них цинка.
В свободном состояние галлий представляет собой серебристо-белый (рис. 1) мягкий металл с низкой температурой плавления. На воздухе он довольно стоек, воду не разлагает, но легко растворяется в кислотах и щелочах.
Рис. 1. Галлий. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса галлия
Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии галлий существует в виде одноатомных молекул Ga, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 69,723.
Изотопы галлия
Известно, что в природе галлий может находиться в виде двух стабильных изотопов 69 Ga (60,11%) и 71 Ga (39,89%). Их массовые числа равны 69 и 71 соответственно. Ядро атома изотопа галлий 69 Ga содержит тридцать один протон и тридцать восемь нейтронов, а изотопа 71 Ga - столько же протонов и сорок нейтронов.
Существуют искусственные нестабильные радиоактивные изотопы галлия с массовыми числами от 56-ти до 86-ти, а также три изомерных состояния ядер, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 67 Ga с периодом полураспада равным 3,26 суток.
Ионы галлия
На внешнем энергетическом уровне атома галлий имеется три электрона, которые являются валентными:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 1 .
В результате химического взаимодействия галлий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Ga 0 -2e → Ga 2+ ;
Ga 0 -3e → Ga 3+ .
Молекула и атом галлия
В свободном состоянии галлий существует в виде одноатомных молекул Ga. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу галлия:
Сплавы галлия
Добавлением галлия к алюминию получают сплавы, хорошо поддающиеся горячей обработке; сплавы галлия с золотом применяются в зубопротезном и ювелирном деле.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Природный галлий имеет два изотопа. Содержание изотопа 71 Ga составляет 36%. Найти другой изотоп, если средняя относительная атомная масса элемента галлия равна 69,72. Определить число нейтронов в найденном изотопе. |
| Решение | Пусть массовое число второго изотопа галлия равно «х» — х Ga. Определим содержание второго изотопа галлия в природе:
w(х Ga) = 100% — w(71 Ga) = 100% — 36% = 64%. Средняя относительная атомная масса химического элемента рассчитывается как: Ar = / 100%; 69,72 = / 100%; 6972 = 2556 + 64х; Следовательно, второй изотоп галлия — 69 Ga. Порядковый номер галлия - 31, значит в ядре атома галлия содержит 31 протон и 31 электрон, а количество нейтронов равно: n 1 0 (69 Ga) = Ar(69 Ga) - N (номер элемента) = 69 - 31 = 38. |
| Ответ | Изотоп 69 Ga, содержащий 38 нейтронов и 31 протон. |
ПРИМЕР 2
| Задание | По своим химическим свойствам галлий схож с другим элементом - алюминием. Основываясь на этом сходстве запишите формулы оксидов и гидроксидов, в состав которых входит галлий, а также составьте уравнения реакций, характеризующих химические свойства этого элемента. |
| Ответ | Галлий, как и алюминий расположен в III группе главной подгруппе Периодической таблицы Д.И. Менделеева. В своих соединениях он подобно алюминию проявляет степень окисления (+3). Для галлия характерен один оксид (Ga 2 O 3) и один гидроксид (Ga(OH) 3), проявляющие амфотерные свойства.
Ga 2 O 3 + 3SiO 2 = Ga 2 (SiO 3) 3 ; |
