Галијум

Галијум

Општа својства
Име, симбол	галијум, Ga
Изглед	сребрнасто плав
У периодноме систему
Водоник Хелијум Литијум Берилијум Бор Угљеник Азот Кисеоник Флуор Неон Натријум Магнезијум Алуминијум Силицијум Фосфор Сумпор Хлор Аргон Калијум Калцијум Скандијум Титанијум Ванадијум Хром Манган Гвожђе Кобалт Никл Бакар Цинк Галијум Германијум Арсен Селен Бром Криптон Рубидијум Стронцијум Итријум Цирконијум Ниобијум Молибден Технецијум Рутенијум Родијум Паладијум Сребро Кадмијум Индијум Калај Антимон Телур Јод Ксенон Цезијум Баријум Лантан Церијум Празеодијум Неодијум Прометијум Самаријум Европијум Гадолинијум Тербијум Диспрозијум Холмијум Ербијум Тулијум Итербијум Лутецијум Хафнијум Тантал Волфрам Ренијум Осмијум Иридијум Платина Злато Жива Талијум Олово Бизмут Полонијум Астат Радон Францијум Радијум Актинијум Торијум Протактинијум Уранијум Нептунијум Плутонијум Америцијум Киријум Берклијум Калифорнијум Ајнштајнијум Фермијум Мендељевијум Нобелијум Лоренцијум Радерфордијум Дубнијум Сиборгијум Боријум Хасијум Мајтнеријум Дармштатијум Рендгенијум Коперницијум Нихонијум Флеровијум Московијум Ливерморијум Тенесин Оганесон Al ↑ Ga ↓ In цинк ← галијум → германијум ‍
Атомски број (Z)	31
Група, периода	група 13 (борова група), периода 4
Блок	p-блок
Категорија	постпрелазни метал
Рел. ат. маса (Ar)	69,723(1)[1]
Ел. конфигурација
по љускама	2, 8, 18, 3
Физичка својства
Тачка топљења	302,9146 K ​(29,7646 °‍C, ​85,5763 °F)
Тачка кључања	2673 K ​(2400 °‍C, ​4352 °F)[2]
Густина при с.т.	5,91 g/cm3
течно ст., на т.т.	6,095 g/cm3
Топлота фузије	5,59 kJ/mol
Топлота испаравања	256 kJ/mol[2]
Мол. топл. капацитет	25,86 J/(mol·K)
Напон паре P (Pa) 100 101 102 на T (K) 1310 1448 1620 P (Pa) 103 104 105 на T (K) 1838 2125 2518
Атомска својства
Електронегативност	1,81
Енергије јонизације	1: 578,8 kJ/mol 2: 1979,3 kJ/mol 3: 2963 kJ/mol (остале)
Атомски радијус	135 pm
Ковалентни радијус	122±3 pm
Валсов радијус	187 pm
Спектралне линије
Остало
Кристална структура	​орторомбична
Брзина звука танак штап	2740 m/s (на 20 °‍C)
Топл. ширење	18 µm/(m·K) (на 25 °‍C)
Топл. водљивост	40,6 W/(m·K)
Електроотпорност	270 nΩ·m (на 20 °‍C)
Магнетни распоред	дијамагнетичан
Магнетна сусцептибилност (χmol)	−21,6·10−6 cm3/mol (на 290 K)[3]
Јангов модул	9,8 GPa
Поасонов коефицијент	0,47
Мосова тврдоћа	1,5
Бринелова тврдоћа	56,8–68,7 MPa
CAS број	7440-55-3
Историја
Именовање	по лат. Gallia-и (латински за: Француска), постојбини овог открића
Предвиђање	Дмитриј Мендељејев (1871)
Откриће и прва изолација	Пол Емил Лекок де Буабодран (1875)
Главни изотопи
изотоп расп. пж. (t1/2) ТР ПР 66Ga syn 9,5 h β+ 66Zn 67Ga syn 3,3 d ε 67Zn 68Ga syn 1,2 h β+ 68Zn 69Ga 60,11% стабилни 70Ga syn 21 min β− 70Ge ε 70Zn 71Ga 39,89% стабилни 72Ga syn 14,1 h β− 72Ge 73Ga syn 4,9 h β− 73Ge
референце • Википодаци

Галијум (Ga, лат. gallium) метал је IIIA групе. Има 4 изотопа од којих су постојани 69 i 71.^[4][5] Заступљен је у земљиној кори у количини од 18 ppm као пратилац руда бакра и цинка. Чисти галијум је сребрнасто сјајни метал, који не реагује са водом и кисеоником. Једињења галијума боје пламен у љубичасто. Пол Емил Лекок де Буабодран га је открио 1875.

Галијум се не кристализира у неку од обичних кристалних структура како је то уобичајено код метала, већ у своју најстабилнију модификацију, једну орторомпску структуру са галијумовим димерима. Поред тога, познато је још шест модификација, које се јављају у посебним условима кристализације или под великим притиском. По хемијским особинама, галијум је сличан алуминијуму. У природи, може се наћи само у ограниченим количинама, углавном у смеси са алуминијевим, цинковим или германијумовим рудама. Галијумови минерали су врло ретки. Због тога, он се добија искључиво као споредни производ у производњи алуминијума или цинка. Највећи део галијума се користи у виду галијум арсенида, као полупроводник за производњу светлећих диода.

Флуориди и фосфорити галијума имају особине полупроводника и они се додају силицијуму који се користи у електроиндустрији. Слојеви галијум-арсеника се користе за израду ултрабрзих процесора. Метални галијум се користи за пуњење термометара који мере високе температуре. Овај елемент нема познатог биолошког значаја.

Постојање елемента који би одговарао галијуму је предсказао Дмитриј Иванович Мендељејев 1871. године. Он је предвидео, након усавршавања свог периодног система елемената, нови елемент ека-алуминијум, којем је предвидео сличне особине са алуминијумом (атомску масу, специфичну тежину, тачку топљења, врсту соли које гради и слично).^[6]

Француски хемичар Пол Емил Лекок де Буабодран, који није био упознат са Мендељејевљевим предвиђањима, пронашао је да у следу линија линијског спектра важе одређене законитости, те је покушао да то потврди за алуминијум и сличне елементе. При томе је открио да између алуминијума и индијума мора стајати још један непознати елемент. Напокон 1875. године он је успео да открије две љубичасте спектралне линије, након што је растворио цинкове минерале у киселини.^[7]

На крају, Лекок де Буабодран је успео да из неколико стотина килограма минерала цинка издвоји релативно знатну количину галијум хидроксида. Из њега је путем растварања у раствор калијум карбоната и електролизе први пут добио елементарни галијум.^[7]

О пореклу имена галијум постоје две теорије. По првој, Буабодран је дао име елементу по Галији, латинском имену његове домовине Француске. По другој теорији, из латинске речи gallus (кокош) као извору имена, што одговара француској речи Le Coq. По тој теорији, Пол Емил Лекок де Буабодран је дао име елементу по свом имену.^[8]

Након што су измерене и откривене особине новог елемента, Мендељејев је врло брзо схватио, да се ради о ека-алуминијуму чије је постојање он предвидео. Многе особине је веома тачно израчунао. Тако је на пример Мендељејев израчунао да би ека-алуминијум требао да има густину од 5,9 што је веома мало одступање од доказане вредности 5,94.^[7]

Галијум је сребрено-сјајни, меки метал (по Мосовој скали 1,5^[9]). Он има, за метале неуобичајену, веома ниску тачку топљења која износи 29,76 °C. По томе је, после живе и цезијума, метал са најнижом тачком топљења, далеко нижом у односу на суседне елементе у периодном систему: алуминијум и индијум. Сматра се да је за овако ниску тачку топљења одговорна неуобичајена кристална структура, која нема строге симетрије те стога није ни стабилна за разлику од већине других метала.^[10] Пошто тачка кључања галијума износи 2204 °C, температурно подручје у којем је галијум у течном стању је изузетно широко. Галијум поседује особину аномалије густине, попут силицијума, неких других елемената и воде, његова густина у течном стању је за 3,2%^[11] већа него у чврстом стању. Ова особина је карактеристична за материјале који имају молекуларне везе у чврстом стању.^[12]

Галијум у чврстом стању је дијамагнетичан, међутим када пређе у течно стање постаје парамагнетичан ${\displaystyle \chi _{m}}$ = 2,4 · 10⁻⁶ на температури од 40 °C.^[13]

Карактеристично за његове структуре је стварање веза галијум-галијум. Познате су различите модификације, које се формирају под различитим условима кристализације (познате су четири модификације под нормалним притиском од α- до δ-галијума, док се под притиском формирају три модификације Ga-II, Ga-III, Ga-IV). На собној температури најстабилнија модификација је α-галијум који се кристализује у орторомпској слојевитој структури. При томе два атома цезијума чине димер тако што се вежу један с другим путем ковалентне везе. Сваки атом галијума граничи са додатних шест атома других димера. Између појединих димера владају металне везе. Димери галијума су толико стабилни, да су повезани један с другим чак и при топљењу, а може се доказати њихово постојање и у гасовитом стању.^[14]

Остале модификације се стварају при кристализацији потхлађеног, течног галијума. На температури од −16,3 °C ствара се β-галијум који има моноклинску кристалну структуру. У тој структури галијумови атоми су наизменично поређани паралелно у цик-цак формацији. Ако се кристализација одвија на температури од −19,4 °C, формира се тригонални δ-галијум, у којем се, попут α-бора, формирају икосаедри од дванаест атома. Они су повезани један с другим преко појединачних атома галијума. На температури од −35,6 °C формира се γ-галијум. У овој орторомпској модификацији формирају се цеви од међусобно повезаних Ga₇ прстенова у чијој средини се налази праволинијски ланац галијумових атома.^[14]

Уколико се галијум изложи високом притиску на собној температури, стварају се различите модификације. На 30 kbar^[14] стабилна је кубна модификација галијум-II, код које се сваки атом окружује са додатих осам атома. Ако се притисак повећа на 140 kbar, метал се кристализује као тетрагонални галијум-III, у структуру која одговара индијуму.^[15] Даље, ако се притисак повећа на око 1200 kbar, формира се кубична површинско центрирана структура галијума-IV.^[15]

Модификација	α-Ga[16]	β-Ga[17]	γ-Ga[18]	δ-Ga[19]	галијум-II[20]	галијум-III[20]	галијум-IV[15]
Структура
Кристални систем	орторомпски	моноклински	орторомпски	тригонални	кубни	тетрагонални	кубни
Координациони број	1+6	8 (2+2+2+2)	3, 6–9	6–10	8	4+8	12
Просторна група	${\displaystyle Cmca\,}$	${\displaystyle C2/c\,}$	${\displaystyle Cmcm\,}$	${\displaystyle R{\bar {3}}m}$	${\displaystyle I{\bar {4}}3d}$	${\displaystyle I4/mmm\,}$	${\displaystyle Fm{\bar {3}}m}$
Параметар решетке	a = 452,0 pm b = 766,3 pm c = 452,6 pm	a = 276,6 pm b = 805,3 pm c = 333,2 pm β = 92°	a = 1060 pm b = 1356 m c = 519 pm	a = 907,8 pm c = 1702 pm	a = 459,51 pm	a = 280,13 pm c = 445,2 pm	a = 408 pm
Атома по елементарној ћелији	8	8	40	66	12	3	4

Хемијске особине галијума сличне су особинама алуминијума. Попут њега, галијум је пасивизиран када је изложен ваздуху, стварањем густог слоја оксида на површини метала, те не реагује. Тек при високом притиску и у контакту са чистим кисеоником, метал сагорева светлим пламеном стварајући оксид. Слично, не реагује ни са водом, јер се штити нерастворљивим слојем галијум-хидроксида. Али ако се галијум легира са алуминијумом, те се тако снизи тачка топљења и на собној температури постаје течан, врло бурно реагује с водом. Са халогеним елементима галијум реагује брзо стварајући одговарајућу со GaX₃.

Галијум је амфотеран и растворљив је и у киселинама и у базама истискујући из њих водоник. У базама, аналогно са алуминијумовим солима, граде се Ga³⁺-јони, а у базама галати у облику [Ga(OH)₄]⁻. У разблаженим киселинама полако се раствара, а у царској води и концентрованој соди много брже. Деловањем азотне киселине галијум се пасивизира.

${\displaystyle \mathrm {2\ NaOH+2\ Ga+6\ H_{2}O\rightarrow 2\ Na[Ga(OH)_{4}]+3\ H_{2}\uparrow } }$

Reakcija galijuma sa sodom

Течни галијум напада већину метала, тако да се он може чувати само у посудама од кварца, стакла, графита, алуминијум оксида, волфрама до 800 °C и тантала до 450 °C.^[21]

Постоји укупно 30 изотопа галијума између ⁵⁶Ga и ⁸⁶Ga и додатних седам нуклеарних изомера. Од њих су два стабилна: ⁶⁹Ga и ⁷¹Ga и јављају се у природи. У природној смеши изотопа преовладава ⁶⁹Ga са уделом од 60,12% док остатак од 39,88% отпада на ⁷¹Ga. Међу нестабилним изотопима ⁶⁷Ga има најдуже време полураспада од 3,26 дана, док код осталих изотопа време полураспада се креће од неколико секунди до највише 14,1 сати код изотопа ⁷²Ga.^[22]

Два изотопа галијума, ⁶⁷Ga и краткоживећи ⁶⁸Ga са временом полураспада од 67,71 минута се користе у нуклеарној медицини као трејсери за томографију емисијом позитрона. Изотоп ⁶⁷Ga се за ту сврху производи у циклотрону док за производњу изотопа ⁶⁸Ga није потребан циклотрон. Уместо тога добија се озрачивањем ⁶⁹Ga путем дугоживућег изотопа германијума ⁶⁸Ge уз емисију протона. Он се даље распада на ⁶⁸Ga из чега се даље ⁶⁸Ga екстрактује помоћу посебног генератора. За потребе испитивања галијум је, по правилу, везан у једном комплексу са јаким желатинозним лигандом као што је 1,4,7,10-тетраазациклододекан-1,4,7,10-тетра ацетатна киселина (ДОТА).^[23]

Галијум на Викимедијиној остави.

Викизворник има текст из Енциклопедије Британике (1911), чланак Gallium.

• Gallium at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
• Safety data sheet at acialloys.com
• High-resolution photographs of molten gallium, gallium crystals and gallium ingots under Creative Commons licence
• – textbook information regarding gallium
• Environmental effects of gallium
• [httpd://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/460798.pdf Price development of gallium 1959–1998]
• Gallium: A Smart Metal United States Geological Survey
• Technology produces hydrogen by adding water to an alloy of aluminum and gallium
• Thermal conductivity
• Physical and thermodynamical properties of liquid gallium