С двухатомностью молекул связаны еще некоторые свойства элемента № 31. В жидком состоянии галлий плотнее и тяжелее, чем в твердом. Электропроводность жидкого галлия также больше, чем твердого.
На что галлий похож?
Внешне — больше всего на олово: серебристо-белый мягкий металл, на воздухе он не окисляется и не тускнеет.
А по большинству химических свойств галлий близок к алюминию. Как и у алюминия, на внешней орбите атома галлия три электрона. Как и алюминий, галлий легко, даже на холоду, взаимодействует с галогенами (кроме иода). Оба металла легко растворяются в серной и соляной кислотах, оба реагируют со щелочами и дают амфотерные гидроокиси. Константы диссоциации реакций
Ga(OH)3 → Ga3+ + 3ОН-
и
H3GaO3 → 3Н+ + GaO3-3
— величины одного порядка.
Есть, однако, и отличия в химических свойствах галлия и алюминия.
Сухим кислородом галлий заметно окисляется лишь при температуре выше 260°С, а алюминий, если лишить его защитной окисной пленки, окисляется кислородом очень быстро.
С водородом галлий образует гидриды, подобные гидридам бора. Алюминий же способен только растворять водород, но не вступать с ним в реакцию.
А еще галлий похож на графит, на кварц, на воду.
На графит — тем, что оставляет серый след на бумаге.
На кварц — электрической и тепловой анизотропностью.
Величина электрического сопротивления кристаллов галлия зависит от того, вдоль какой осп проходит ток. Отношение максимума к минимуму равно 7 — больше, чем у любого другого металла. То же и с коэффициентом теплового расширения.
Величины его в направлении трех кристаллографических осей (кристаллы галлия ромбические) относятся как 31: 16: 11.
А на воду галлий похож тем, что, затвердевая, он расширяется. Прирост объема заметный — 3,2%.
Уже одно сочетание этих противоречивых сходств говорит о неповторимой индивидуальности элемента № 31.
Кроме того, у него есть свойства, не присущие ни одному элементу. Расплавленный, он может многие месяцы оставаться в переохлажденном состоянии при температуре ниже точки плавления. Это единственный из металлов, который остается жидкостью в огромном интервале температур от 30 до 2230°С, причем летучесть его паров минимальна. Даже в глубоком вакууме он заметно испаряется лишь при 1000°С. Пары галлия в отличие от твердого и жидкого металла одноатомны. Превращение двухатомного комплекса Ga2 в два одиночных атома требует больших затрат энергии; этим и объясняется трудность испарения галлия.
Большой температурный интервал жидкого состояния — основа одного из главных технических применений элемента № 31.
На что галлий годен?
Галлиевые термометры позволяют в принципе измерить температуру от 30 до 2230°С. Сейчас выпускаются галлиевые термометры для температур до 1200°С.
Элемент № 31 идет на производство легкоплавких сплавов, используемых в сигнальных устройствах. Сплав галлия с индием плавится уже при 16°С. Это самый легкоплавкий из всех известных сплавов.
Как элемент III группы, способствующий усилению в полупроводнике «дырочной» проводимости, галлий (чистотой не меньше 99,999%) применяют как присадку к германию и кремнию.
Интерметаллические соединения галлия с элементами V группы — сурьмой и мышьяком — сами обладают полупроводниковыми свойствами.
Добавка галлия в стеклянную массу позволяет получить стекла с высоким коэффициентом преломления световых лучей, а стекла на основе Ga2O3 хорошо пропускают инфракрасные лучи.
Жидкий галлий отражает 88% падающего на него света, твердый — немногим меньше. Поэтому делают очень простые в изготовлении галлиевые зеркала — галлиевое покрытие можно наносить даже кистью.
Иногда используют способность галлия хорошо смачивать твердые поверхности, заменяя им ртуть в диффузионных вакуумных насосах. Такие насосы лучше «держат» вакуум, чем ртутные.
Предпринимались попытки применить галлий в атомных реакторах, но вряд ли результаты этих попыток можно считать успешными. Мало того, что галлий довольно активно захватывает нейтроны (сечение захвата 2,71 барна), он еще реагирует при повышенных температурах с большинством металлов.
Галлий не стал атомным материалом. Правда, его искусственный радиоактивный изотоп 72Ga (с периодом полураспада 14,2 часа) применяют для диагностики рака костей. Хлорид и нитрат галлия-72 адсорбируются опухолью, и, фиксируя характерное для этого изотопа излучение, медики почти точно определяют размеры инородных образований.
Как видите, практические возможности элемента № 31 достаточно широки. Использовать их полностью пока не удается из-за трудности получения галлия — элемента довольно редкого (1,5–10-3% веса земной коры) и очень рассеянного.
Собственных минералов галлия известно немного. Первый и самый известный его минерал, галлит CuGaS2, обнаружен лишь в 1956 г. Позже были найдены еще два минерала, совсем уже редких.
Обычно же галлий находят в цинковых, алюминиевых, железных рудах, а также в каменном угле — как незначительную примесь. И что характерно: чем больше эта примесь, тем труднее ее извлечь, потому что галлия больше в рудах тех металлов (алюминий, цинк), которые близки ему по свойствам. Основная часть земного галлия заключена в минералах алюминия.
Извлечение галлия — «удовольствие» дорогое. Поэтому элемент № 31 используется в меньших количествах, чем любой его сосед по периодической системе.
Не исключено, конечно, что наука ближайшего будущего откроет в галлии нечто такое, что он станет совершенно необходимым и незаменимым, как это случилось с другим элементом, предсказанным Менделеевым, — германием. Всего 30 лет назад его применяли еще меньше, чем галлий, а потом началась «эра полупроводников».
ПОИСКИ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ. Свойства галлия предсказаны Д. И. Менделеевым за пять лет до открытия этого элемента. Гениальный русский химик строил свои предсказания на закономерностях изменения свойств по группам периодической системы. Но и для Лекока де Буабодрана открытие галлия не было счастливой случайностью. Талантливый спектроскопист, он еще в 1863 г. обнаружил закономерности в изменении спектров близких по свойствам элементов. Сравнивая спектры индия и алюминия, он пришел в выводу, что у этих элементов может быть «собрат», линии которого заполнили бы пробел в коротковолновой части спектра. Именно такую недостающую линию он искал и нашел в спектре цинковой обманки из Иьеррфита.
Приводим для сравнения таблицу основных свойств предсказанного Д. И. Менделеевым экаалюминия и открытого Лекоком де Буабодраном галлия.
Экаалюминий
Атомный вес около 68
Должен быть низкоплавким
Удельный вес близок к 6,0
Атомный объем 11,5
Не должен окисляться на воздухе
При высокой температуре должен разлагать воду
Формулы соединений: EaCl3, Ea2O3, Ea2(SO4)3
Должен образовывать квасцы Ea2(SO4)3Me2SO4·24H2O, но труднее, чем алюминий
Окись Ea2O3 должна легко восстанавливаться и давать металл более летучий, чем Al, а потому можно ожидать, что экаалюминий будет открыт путем спектрального анализа
Галлий
Атомный вес 69,72
Температура плавления 29,75°С
Удельный вес 5,9 (в твердом состоянии) и 6,095 (в жидком)
Атомный объем 11,8
Слегка окисляется только при красном калении
При высокой температуре разлагает воду
Формулы соединений: GaCl3, Ga2O3, Ga2(SO4)3
Образует квасцы состава (NH4)Ga (SO4)2∙12Н2O
Галлий легко восстанавливается из окиси прокаливанием в токе водорода, открыт при помощи спектрального анализа
ИГРА СЛОВ? Некоторые историки науки видят в названии элемента № 31 не только патриотизм, но и нескромность его первооткрывателя. Принято считать, что слово «галлий» происходит от латинского Gallia (Франция). Но при желании в том же слове можно усмотреть намек на слово «петух»! По-латыни «петух» — gallus, по-французски — le coq. Лекок де Буабодран?
В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВОЗРАСТА. В минералах галлий часто сопутствует алюминию. Интересно, что соотношение этих элементов в минерале зависит от времени образования минерала. В полевых шпатах один атом галлия приходится на 120 тыс. атомов алюминия. В нефелинах, образовавшихся намного позже, это соотношение уже 1 : 6000, а в еще более «молодой» окаменевшей древесине — всего 1 : 13.
ПЕРВЫЙ ПАТЕНТ. Первый патент на применение галлия взят еще в самом начале XX в. Элемент № 31 хотели использовать в дуговых электрических лампах.
СЕРУ ВЫТЕСНЯЕТ, СЕРОЙ ЗАЩИЩАЕТСЯ. Интересно происходит взаимодействие галлия с серной кислотой. Оно сопровождается выделением элементной серы. При этом сера обволакивает поверхность металла и препятствует его дальнейшему растворению. Если же обмыть металл горячей водой, реакция возобновится и будет идти до тех пор, пока на галлии не нарастет новая «шкура» из серы.
