Gallium - cena, výskyt, těžba, použití gália

Obvykle

Gallium je zřídka se vyskytující chemický prvek se symbolem prvku Ga a atomovým číslem 31. V periodické tabulce je ve 4. období a je třetím prvkem 3. hlavní skupiny (skupina 13) nebo skupiny boru. Je to stříbro-bílý kov, který se snadno zkapalňuje. Gallium nekrystalizuje v jedné z krystalových struktur, které se jinak často nacházejí v kovech, ale ve své nejstabilnější modifikaci v ortorombické struktuře s galiemi dimery. Kromě toho je známo dalších šest modifikací, které se tvoří za zvláštních krystalizačních podmínek nebo za vysokého tlaku. Z hlediska svých chemických vlastností je kov velmi podobný hliníku.

V přírodě se galium vyskytuje pouze v malé míře a většinou jako příměs v hliníkových, zinkových nebo germániových rudách; Galium minerály jsou velmi vzácné. Proto se také získává jako vedlejší produkt při výrobě hliníku nebo zinku. Většina gália se zpracovává na polovodičový arsenid gália, který se používá hlavně pro světelné diody.

výskyt 

Gallium je vzácný prvek na Zemi, s obsahem 19 ppm v kontinentální kůře, jeho množství je srovnatelné s množstvím lithia a olova. Nevyskytuje se v elementární formě, ale pouze ve vázané formě, zejména v rudách hliníku, zinku nebo germania. Rudy nejbohatší na Gallium zahrnují bauxit, rudy se zinkovou směsí a germanit.

Obsah gália je většinou nízký, bauxit nacházející se v Surinamu s nejvyšším známým obsahem obsahuje pouze 0,008% gália. Celosvětové zásoby gália v bauxitu jsou 1,6 · 10⁶ Odhaduje se tun. U germanitu se vyskytuje vyšší obsah až 1% gália. Pouze v dole Apex v americkém státě Utah jsou rudy nalezeny tak vysoko, že došlo k pokusu o těžbu gália. To však po krátké době selhalo z důvodů ziskovosti.

Je známo pouze několik minerálů gália, mezi nimi je galit (CuGaS) nacházející se hlavně v Tsumeb v Namibii₂), Söhngeit (Ga (OH)₃) a tsumgalit (GaO (OH)).

Extrakce a prezentace 

Gallium se získává jako vedlejší produkt při výrobě hliníku z bauxitu v Bayerově procesu. Jako výchozí produkt se použije směs hlinitanu sodného a galátu sodného rozpuštěného v hydroxidu sodném. Gallium lze oddělit od hliníku různými způsoby. Jednou z možností je frakční krystalizace pomocí oxidu uhličitého, přičemž nejprve se přednostně vysráží hydroxid hlinitý, zatímco rozpustnější gallát sodný se hromadí v roztoku hydroxidu sodného. Hydroxid gália se vysráží až po dalších procesních krocích a smísí se s hydroxidem hlinitým. Směs se poté rozpustí v roztoku hydroxidu sodného a gallium se získá elektrolýzou. Jelikož je tento proces energeticky a pracovně náročný, používá se pouze v zemích s nízkými náklady, jako je například Čínská lidová republika.

Gallium lze také získat přímo z roztoku hydroxidu sodného elektrolýzou. K tomuto účelu se používají rtuťové katody, přičemž během elektrolýzy vzniká amalgám gália. K roztoku je také možné přidat amalgam sodný.

Pomocí speciálních hydroxychinolinů jako chelatačních ligandů je možné extrahovat gallium z hydroxidu sodného petrolejem a oddělit ho tak od hliníku. Další prvky, které se také extrahují, lze oddělit zředěnými kyselinami. Zbývající sloučenina gália se poté rozpustí v koncentrované kyselině chlorovodíkové nebo sírové a elektrolyticky se redukuje na kov.

Pro mnoho technických aplikací je vyžadováno velmi čisté gallium; například pro polovodiče může obsahovat pouze stotinu milionu cizích látek. Možné metody čištění jsou vakuová destilace, frakční krystalizace nebo tavení v zónách.

Množství vyrobeného gália je malé, v roce 2008 byla světová prvovýroba 95 tun. Dalším důležitým zdrojem je recyklace odpadu obsahujícího galium, ze kterého bylo v roce 2008 vytěženo dalších 135 tun gália. Hlavními producentskými zeměmi jsou Čínská lidová republika, Německo, Kazachstán a Ukrajina, pro recyklaci gália také USA, Japonsko a Spojené království.

V laboratorním měřítku lze gallium vyrábět elektrolýzou roztoku hydroxidu gália v roztoku hydroxidu sodného na platinových nebo wolframových elektrodách.

• Výroba ultračistého gallia 99,99999%

Eigenschaften 

Fyzikální vlastnosti

Gallium je stříbřitě bílý, měkký kov (Mohsova tvrdost: 1,5). Má neobvykle nízkou teplotu tání kovů, která je 29,76 ° C. Po rtuti a cesiu je to kov s nejnižší teplotou tání, který je také výrazně nižší než u sousedních prvků hliníku a india. To je pravděpodobně způsobeno neobvyklou krystalovou strukturou, která na rozdíl od struktur jiných kovů nemá vysoký stupeň symetrie, a proto není příliš stabilní. Vzhledem k tomu, že bod varu je poměrně vysoký při 2204 ° C, má gallium neobvykle velkou plochu, ve které je kapalné. Kvůli obtížné krystalizaci lze kapalné galium snadno ochladit pod teplotu tání (podchlazení) a při tvorbě krystalizačních jader náhle krystalizuje.

Stejně jako křemík, některé další prvky a voda má gallium anomálii hustoty; jeho hustota v kapalném stavu je přibližně o 3,2% vyšší než v pevné formě. To je typické pro látky, které mají molekulární vazby v pevném stavu.

Gallium je v pevném stavu diamagnetické, ale v kapalném stavu se stává paramagnetickým ( = 2,4 10^-6 při 40 ° C)

Vytváření vazeb gália a gália je charakteristické pro jeho struktury. Jsou známy různé modifikace, které se tvoří za různých krystalizačních podmínek (čtyři známé modifikace, a- až XNUMX-gallium, za normálního tlaku) a pod tlakem (celkem tři další vysokotlaké modifikace, Ga-II, Ga-III, Ga-IV). Nejstabilnější modifikací při pokojové teplotě je α-gallium, které krystalizuje ve struktuře ortorombické vrstvy. V každém případě dva atomy navzájem vázané kovalentní vazbou tvoří dimer. Každý atom galia sousedí také se šesti dalšími atomy jiných dimerů. Mezi jednotlivými dimery existují kovové vazby. Galiové dimery jsou tak stabilní, že jsou zpočátku zadrženy, i když se taví, a lze je detekovat také v plynné fázi.

Další modifikace se tvoří během krystalizace podchlazeného kapalného gália. Při -16,3 ° C se tvoří β-gallium, které má monoklinickou krystalovou strukturu. Ve struktuře jsou paralelní klikaté řetězce atomů gália. Pokud dojde ke krystalizaci při teplotě -19,4 ° C, vytvoří se trigonální δ-gallium, ve kterém, srovnatelně s α-bórem, existují zkreslené dvacetistěny tvořené dvanácti atomy galia. Ty jsou navzájem spojeny prostřednictvím jednotlivých atomů gália. Při -35,6 ° C se nakonec vytvoří y-galium. V této ortorombické modifikaci jsou trubice vytvořeny ze vzájemně propojeného Ga₇Prsteny uprostřed lineárního řetězce dalších atomů gallia.

Pokud je gallium vystaveno vysokému tlaku při pokojové teplotě, vytvářejí se postupně různé vysokotlaké modifikace, když se tlak zvyšuje. Modifikace kubického gália-II je stabilní nad 30 kbar, ve kterém je každý atom obklopen dalšími osmi. Pokud se tlak zvýší na 140 kbar, kov nyní krystalizuje jako tetragonální gallium-III ve struktuře, která odpovídá struktuře india. Pokud se tlak dále zvýší na přibližně 1200 XNUMX kbar, nakonec se vytvoří kubická struktura galia IV se středem tváře.

Chemické vlastnosti

Chemické vlastnosti gália jsou podobné jako u hliníku. Takto je gallium pasivováno tvorbou husté vrstvy oxidu ve vzduchu a nereaguje. Pouze v čistém kyslíku pod vysokým tlakem kov hoří jasným plamenem za vzniku oxidu. Stejně tak nereaguje ani s vodou, protože se zde tvoří nerozpustný hydroxid gália. Pokud je naopak gallium legováno hliníkem a je kapalné při pokojové teplotě kvůli snížení bodu tání, reaguje velmi prudce s vodou. Gallium také rychle reaguje s halogeny za vzniku odpovídajících solí GaX₃.

Gallium je amfoterní a rozpustné v kyselinách i zásadách s vývojem vodíku. V kyselinách, jako je hliník, se tvoří soli s Ga³⁺Ionty, v zásadách galláty ve formě [Ga (OH)₄]^-. Rozpouští se pomalu ve zředěných kyselinách a rychle v aqua regia a koncentrované hydroxidu sodném. Gallium je pasivováno kyselinou dusičnou.

Reakce gallia s hydroxidem sodným

Většina kovů je napadena tekutým gáliem, takže jej lze skladovat pouze v nádobách z křemene, skla, grafitu, oxidu hlinitého, wolframu do 800 ° C a tantalu do 450 ° C.

izotop 

Existuje celkem 30 izotopů gália ⁵⁶Ga a ⁸⁶Jsou známy Ga a dalších sedm hlavních izomerů. Z nich jsou dva ⁶⁹Ga a ⁷¹Ga stabilní a také se vyskytují v přírodě. V přirozené izotopické kompozici převládá ⁶⁹Ga s 60,12%, 39,88% je ⁷¹Ga. Nestabilních izotopů ⁶⁷Ga s 3,26 dnem, nejdelším poločasem, ostatní poločasy se pohybují od sekund do maxima 14,1 hodin ⁷²Ga.

Dva izotopy gallia, ⁶⁷Ga a krátkodobý s poločasem 67,71 minuty ⁶⁸Ga se používají v nukleární medicíně jako stopovací látky pro pozitronovou emisní tomografii. ⁶⁷Ga se vyrábí v cyklotronu, zatímco při výrobě ⁶⁸Není potřeba žádný cyklotron. Místo toho izotop germania s delší životností ⁶⁸Ge ozářením ⁶⁹Ga generované protony. To se rozpadá ⁶⁸Ga, výsledný ⁶⁸Ga lze extrahovat v generátoru galia 68. Pro studie je galium obvykle vázáno v komplexu se silně chelatujícím ligandem, jako je kyselina 1,4,7,10-tetraazacyklododekan-1,4,7,10-tetraoctová (DOTA).

Verwendung 

Vzhledem ke vzácnosti prvku se gallium používá pouze v omezené míře. Z většiny vyrobeného gália se vyrábějí různé sloučeniny gália. Ekonomicky nejdůležitější jsou ty s prvky 5. hlavní skupiny, především arsenid galia, který je mimo jiné potřebný pro solární články a světelné diody. V roce 2003 bylo pro tento účel použito 95% vyrobeného gália. Slouží také jako materiál pro dopování křemíku (p-doping).

Pro konstrukci teploměrů se používá velký teplotní rozsah, ve kterém je prvek kapalný, a současně nízký tlak par. Galiové teploměry lze používat až do teplot 1200 ° C. Tekuté gallium lze použít jako bariérovou kapalinu pro měření objemu plynů při vyšších teplotách a jako kapalný elektrodový materiál při extrakci ultravysokých kovů, jako je indium.

Gallium má vysokou smáčivost a dobrou odrazivost, a proto se používá jako vrstva pro zrcadla. Používá se také v tavených slitinách, pro výměníky tepla v jaderných reaktorech a jako náhrada za rtuť ve výbojkách.

Slitiny gália s jinými kovy mají různá použití. Magnetické materiály jsou vytvářeny legováním s gadoliniem, železem, yttriem, lithiem a hořčíkem. Slitina s vanadem ve složení V₃Ga je supravodič s poměrně vysokou přechodovou teplotou 16,8 K. V jaderných zbraních je legován plutoniem, aby se zabránilo fázovým změnám. Mnoho slitin gália, jako je Galinstan, je při pokojové teplotě kapalných a mohou nahradit toxickou rtuť nebo velmi reaktivní slitiny sodíku a draslíku.

důkaz 

Gallium lze kvalitativně detekovat různými typickými barevnými reakcemi. Patří mezi ně reakce s rhodaminem B v benzenu, který po přidání gália fluoreskuje oranžově žlutě až červenofialově, morin, který vykazuje zelenou fluorescenci jako při reakci s hliníkem, a hexakyanidoferát draselný (III), s gáliem bílá sraženina hexakyanidoferátu gália (III) ) formuláře. Kromě toho je možná spektroskopická detekce prostřednictvím charakteristických fialových spektrálních čar při 417,1 a 403,1 nm.

Kvantitativní důkaz lze poskytnout komplexometrickými titracemi, například s kyselinou ethylendiamintetraoctovou nebo atomovou absorpční spektrometrií.

Toxikologie a biologický význam 

O kovu gália neexistují toxikologické údaje; je však korozivní pro kůži a sliznice. Sloučeniny dusičnanu galia (III) Ga (NO₃)₃ a oxid gália (III) Ga₂O₃ mají orální LD₅₀Hodnoty v rozmezí gramů: 4,360 10 g / kg pro dusičnany a XNUMX g / kg pro oxid. Gallium je proto považováno za málo toxické a pokud je známo, nehraje u lidí žádnou roli jako stopový prvek.

Připojení 

Ve sloučeninách se galium vyskytuje téměř výlučně v +3 oxidačním stavu. Kromě toho jsou známé vzácné a obvykle velmi nestabilní sloučeniny gália (I) a také sloučeniny, které obsahují jak mono-, tak i trojmocné galium (formálně sloučeniny gália (II)).

Sloučeniny s prvky dusíkové skupiny

Technicky nejdůležitější sloučeniny gália jsou sloučeniny s prvky dusíkové skupiny. Nitrid galia, fosfid galia, arsenid galia a antimonid galia jsou typické polovodiče (polovodiče III-V) a používají se pro tranzistory, diody a další součásti v elektronice. Zejména světelné diody různých barev se vyrábějí jako sloučeniny skupin gália a dusíku. Barva, která závisí na mezeře pásma, může být upravena odlišným poměrem aniontů nebo nahrazením gália hliníkem nebo indiem. Gallium arsenid se také používá pro solární články. Používají se zejména v satelitech, protože arsenid galia je odolnější vůči ionizujícímu záření než křemík.

halogenidy

Galliové halogenidy ve formě GaX₃ jsou v mnoha vlastnostech podobné odpovídajícím sloučeninám hliníku. S výjimkou fluoridu gália se vyskytují jako dimery ve struktuře bromidu hlinitého. Chlorid galličný je jediný halogenid malého ekonomického významu. Používá se jako Lewisova kyselina při Friedel-Craftsových reakcích.

Další spojení

Stejně jako oxid hlinitý je oxid galium (III) bezbarvá pevná látka s vysokou teplotou tání. Vyskytuje se v pěti různých modifikacích, z nichž kubická β modifikace je nejstabilnější.

Organické sloučeniny gália existují jako Gallane GAR₃, Gallylene GAR a jako vyšší gallanskteré obsahují vazby gália a gália. Stejně jako mnoho jiných organokovových sloučenin jsou nestabilní vůči vzduchu a hydrolýze. Jednou z mála organických sloučenin gália ekonomického významu je trimethylgallium, které se používá jako dopingové činidlo a pro výrobu tenkých vrstev arsenidu gália a nitridu gália v organokovové epitaxi v plynné fázi.

Obvykle
Jméno, symbol, atomové číslo	Gallium, Ga, 31
Serie	kovy
Skupina, období, blok	13, 4, s
vzhled	stříbřitě bílá
číslo CAS	7440-55-3
Hmotnostní zlomek zemského pláště	14 ppm
jaderný
atomová hmotnost	69,723 u
Atomový poloměr (vypočítaný)	130 (136) hodin
Kovalentní poloměr	122 pm
Van der Waals poloměr	187 pm
elektronová konfigurace	[Ar] 3d10 4s2 4p1
1. ionizace	578,8 kJ / mol
2. ionizace	1979,3 kJ / mol
3. ionizace	2963 kJ / mol
fyzicky
fyzický stav	fest
modifikace	sieben
hustota	5,904 g / cm3
tvrdost Mohs	1,5
magnetismus	diamagnetický ( = -2,3 10-5)
bod tání	302,91 K (29,76 ° C)
bod varu	2477 K (2204 ° C)
Molární objem	11,80 · 10-6 m3/ mol
Výparné teplo	256 kJ / mol
skupenské teplo tání	5,59 kJ / mol
Rychlost zvuku	2740 m / s při 293,15 K
Měrná tepelná kapacita	371 J / (kg K)
Elektrická vodivost	o 7,14 · 106 A / (V · m)
tepelná vodivost	29 W / (m K)
chemický
oxidační stavy	3
normální potenciál	-0,53 V (Ga3+ + 3 e- → Ga)
electronegativity	1,81 (Paulingova stupnice)
izotop
izotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 67Ga {Syn.} 3,2612 d ε 1,00 67Zn 68Ga {Syn.} 67,629 min β+, ε 2,921 68Zn 69Ga 60,1% stabilní 70Ga {Syn.} 21,14 min β- 1,656 70Ge 71Ga 39,9% stabilní 72Ga {Syn.} 14,10 h β- 4,001 72Ge 73Ga {Syn.} 4,86 h β- 1,593 73Ge
bezpečnost
GHS označování nebezpečných látek

Ceny gallia, grafy, cena

Graf Gallium 2001-2011

Ceny galia -> Ceny galia za ceny strategických kovů