GALYUM: ÖZELLIKLER, YAPI, ELDE ETME, KULLANIMLAR - KIMYA - 2025

Galyum periyodik sistemin İnci grubunun 13 ait sembol Ga tarafından temsil edilen bir metalik elemandır. Kimyasal olarak amfoterizmi açısından alüminyuma benzer; ancak her iki metal de onları birbirinden ayırt edilebilir kılan özellikler sergilemektedir.

Örneğin, alüminyum alaşımları onlara her türlü şekli vermek için çalışılabilir; galyumunkiler ise, pratik olarak gümüşi sıvılardan oluşan çok düşük erime noktalarına sahiptir. Ayrıca galyumun erime noktası alüminyumunkinden daha düşüktür; birincisi elin ısısıyla eriyebilir, ikincisi ise yapamaz.

Galyum kristalleri, küçük bir galyum parçasının aşırı doymuş bir çözeltisine (sıvı galyum) bırakılmasıyla elde edilir. Kaynak: Maxim Bilovitskiy

Galyum ve alüminyum arasındaki kimyasal benzerlik de onları jeokimyasal olarak gruplandırır; yani, boksit gibi alüminyum açısından zengin mineraller veya kayaçlar, önemli galyum konsantrasyonlarına sahiptir. Bu mineralojik kaynağın dışında, yer kabuğuna geniş çapta yayılan çinko, kurşun ve karbondan başka kaynaklar da vardır.

Galyum, popüler olarak iyi bilinen bir metal değildir. Sadece adı, zihninde bir horoz imajını uyandırabilir. Aslında, galyumun grafik ve genel temsilleri genellikle gümüş bir horoz görüntüsüyle bulunur; sıvı galyum ile boyanmış, cam, seramik ve hatta elde oldukça ıslanabilir bir madde.

Ellerle metalik galyum parçalarının eritildiği deneyler, sıvısının manipülasyonu ve dokunduğu her şeyi lekeleme eğilimi sıktır.

Galyum, cıva gibi toksik olmamasına rağmen, metalleri kırılgan ve işe yaramaz hale getirdiği için (ilk aşamada) metalleri yok eden bir maddedir. Öte yandan biyolojik matrislerin demir kullandığı süreçlere farmakolojik olarak müdahale eder.

Optoelektronik ve yarı iletkenler dünyasındakiler için galyum, silikonun kendisiyle karşılaştırılabilir ve belki de ondan daha yüksek saygınlığa sahip olacak. Öte yandan galyum ile alaşımlarına dayanan termometreler, aynalar ve nesneler yapılmıştır.

Kimyasal olarak, bu metalin sunabileceği çok şey var; belki kataliz alanında, nükleer enerji alanında, yeni yarı iletken malzemelerin geliştirilmesinde veya "basitçe" bunların karışık ve karmaşık yapılarının açıklığa kavuşturulmasında.

Tarih

Varlığının tahminleri

1871'de Rus kimyager Dimitri Mendeleev, alüminyumunkilere benzer özellikleri olan bir elementin varlığını önceden tahmin etmişti; buna ekaluminio adını verdi. Bu elemanın alüminyumun hemen altına yerleştirilmesi gerekiyordu. Mendeleev ayrıca ekaluminyumun özelliklerini (yoğunluk, erime noktası, oksitlerinin formülleri, vb.)

Keşif ve izolasyon

Şaşırtıcı bir şekilde, dört yıl sonra Fransız kimyager Paul-Emili Lecoq de Boisbaudran, Pyrenees'ten bir sfalerit (çinko blende) numunesinde yeni bir element bulmuştu. Bunu, başka bir elementinki ile çakışmayan iki mor çizginin spektrumunu gözlemlediği spektroskopik bir analiz sayesinde keşfedebildi.

Yeni bir element keşfeden Lecoq, 0.65 gramını izole edebildiği 430 kg sfalerit üzerinde deneyler yaptı; ve fiziksel ve kimyasal özelliklerinin bir dizi ölçümünden sonra, Mendeleev'in ekalüminyum olduğu sonucuna vardı.

Bunu izole etmek için Lecoq, potasyum hidroksit içinde kendi hidroksitinin elektrolizini gerçekleştirdi; Muhtemelen sfaleritini çözdüğü ile aynı. Ekaluminyum olduğunu ve aynı zamanda keşfi olduğunu onayladıktan sonra, ona 'galyum' (İngilizce galyum) adını verdi. Bu isim, Latince'de Fransa anlamına gelen 'Gallia' isminden türemiştir.

Bununla birlikte, isim başka bir merak uyandırıyor: Fransızcada 'Lecoq', 'horoz' ve Latince'de 'gallus' anlamına geliyor. Bir metal olan "gallus", "galyum" oldu; İspanyolcada dönüşüm çok daha doğrudandır. Bu nedenle, galyum hakkında konuşurken bir horozun düşünülmesi tesadüf değildir.

Fiziksel ve kimyasal özellikler

Görünüm ve fiziksel özellikler

Galyum, büzücü bir tada sahip, kokusuz, camsı yüzeyli simli bir metaldir. Katı yumuşak ve kırılgandır ve kırıldığında konkoidaldir; yani oluşan parçalar deniz kabuklarına benzer şekilde kavislidir.

Eridiğinde, görüntülendiği açıya bağlı olarak mavimsi bir parıltı gösterebilir. Bu gümüşi sıvı temas halinde toksik değildir; ancak, özellikle seramik veya cam iseler yüzeylere çok fazla "yapışır". Örneğin, tek bir damla galyum bir cam bardağın içine nüfuz ederek onu gümüş bir aynayla kaplayabilir.

Katı bir galyum parçası sıvı galyumda birikirse, parıldayan galyum kristallerinin hızla gelişip büyüdüğü bir çekirdek görevi görür.

Atom numarası (Z)

31 ( ₃₁ Ga)

Molar kütle

69.723 g / mol

Erime noktası

29.7646 ° C Bu sıcaklığa, bir galyum bardağı eriyene kadar iki el arasında sıkıca tutarak ulaşılabilir.

Kaynama noktası

2400 ° C 29,7 ºC ile 2400 ºC arasındaki büyük boşluğa dikkat edin; yani sıvı galyum çok düşük bir buhar basıncına sahiptir ve bu gerçek onu sıvı ve gaz halleri arasında en büyük sıcaklık farkına sahip elementlerden biri yapar.

Yoğunluk

- Oda sıcaklığında: 5,91 g / cm ³

-Erime noktasında: 6.095 g / cm ³

Suda olduğu gibi galyumda da aynı şeyin olduğuna dikkat edin: sıvısının yoğunluğu, katısınınkinden daha büyüktür. Bu nedenle, kristalleriniz sıvı galyum (galyum buzdağları) üzerinde yüzecektir. Gerçekte, katının hacim genleşmesi öylesine (üç kez) ki, sıvı galyumu plastikten yapılmamış kaplarda saklamak sakıncalıdır.

Füzyon ısısı

5.59 kJ / mol

Buharlaşma ısısı

256 kJ / mol

Molar ısı kapasitesi

25,86 J / (mol K)

Buhar basıncı

1037 ºC'de sadece sıvısı 1 Pa'lık bir basınç uygular.

Elektronegativite

Pauling ölçeğinde 1.81

İyonlaşma enerjileri

-İlk: 578.8 kJ / mol (Ga ⁺ gaz)

-İkinci: 1979.3 kJ / mol (Ga ²⁺ gaz)

Üçüncü: 2963 kJ / mol (Ga ³⁺ gaz)

Termal iletkenlik

40,6 W / (m · K)

Elektriksel direnç

20ºC'de 270 nΩ m

Mohs sertliği

1.5

viskozite

32ºC'de 1.819 cP

Yüzey gerilimi

30ºC'de 709 din / cm

Amphotericism

Alüminyum gibi galyum da amfoteriktir; hem asitlerle hem de bazlarla reaksiyona girer. Örneğin, güçlü asitler galyum (III) tuzları oluşturmak için onu çözebilir; bunlar, H ise ₂ SO ₄ ve HNO ₃ , Ga ₂ (SO ₄ ) ₃ ve Ga (NO ₃ ) _{3 üretilmektedir} sırasıyla. Oysa güçlü bazlarla reaksiyona girdiğinde, iyon Ga (OH) ₄ ^- ile gallat tuzları üretilir .

Ga (OH) ₄ ^- ve Al (OH) ₄ ^- (alüminat) arasındaki benzerliğe dikkat edin . Ortama amonyak eklenirse , yine amfoterik olan galyum (III) hidroksit, Ga (OH) ₃ oluşur; Güçlü bazlar ile reaksiyona sokulması, bunun Ga (OH) üretir ₄ ^{- yine} , ancak güçlü asitler ile reaksiyona girmesi bu kompleks, sulu açığa ³⁺ .

Reaktivite

Metalik galyum, oda sıcaklığında nispeten inerttir. İnce bir oksit tabakası olan Ga ₂ O ₃ hava ile reaksiyona girmez , onu oksijen ve kükürtten korur. Ancak ısıtıldığında metalin oksidasyonu devam ederek tamamen oksitine dönüşür. Ve eğer kükürt varsa, yüksek sıcaklıklarda Ga ₂ S ₃ oluşturmak üzere reaksiyona girer .

Sadece galyum oksitler ve sülfitler değil, aynı zamanda fosfitler (GaP), arsenitler (GaAs), nitritler (GaN) ve antimonitler (GaSb) vardır. Bu tür bileşikler, elementlerin yüksek sıcaklıklarda doğrudan reaksiyonundan veya alternatif sentetik yollardan kaynaklanabilir.

Benzer şekilde galyum, kendi halojenürlerini oluşturmak için halojenlerle reaksiyona girebilir; Ga ₂ Cl ₆ , GaF ₃ ve Ga ₂ I _{3 gibi} .

Alüminyum ve benzerleri (aynı grup 13'ün üyeleri) gibi bu metal, organometalik bileşikler üretmek için karbon atomlarıyla kovalent olarak etkileşime girebilir. Ga-C bağlarına sahip olanlar ise organogalium olarak adlandırılır.

Galyum ile ilgili en ilginç şey, önceki kimyasal özelliklerinden herhangi biri değil, alaşımlanabilmesinin muazzam kolaylığıdır (cıva ve onun birleştirme işlemine benzer şekilde). Ga atomları, metalik kristaller arasında hızla "omuzları ovalar" ve galyum alaşımları ile sonuçlanır.

Yapı ve elektronik konfigürasyon

karmaşa

Galyum, avucunuzun ısısıyla eriyen bir metal olması nedeniyle alışılmadık bir şey değildir, aynı zamanda yapısı karmaşık ve belirsizdir.

Bir yandan, kristallerinin normal koşullar altında ortorombik bir yapıya (Ga-I) sahip olduğu bilinmektedir; Bununla birlikte, bu, atomlarının tam sırası belirlenmemiş olan bu metal için birçok olası fazdan sadece biridir. Bu nedenle ilk bakışta göründüğünden daha karmaşık bir yapıdır.

Sonuçların, yapısının analiz edildiği açı veya yöne göre (anizotropi) değiştiği görülmektedir. Benzer şekilde, bu yapılar sıcaklık veya basınçtaki en küçük değişikliğe karşı çok hassastır, bu da galyumun veri yorumlama sırasında tek bir kristal türü olarak tanımlanamayacağı anlamına gelir.

dimerleri

Ga atomları metalik bağ sayesinde birbirleriyle etkileşime girer. Bununla birlikte, iki komşu atom arasında belirli bir derecede kovalans bulunmuştur, bu nedenle Ga ₂ dimerinin (Ga-Ga) varlığı varsayılır .

Teorik olarak, bu kovalent bağ, elektronik konfigürasyona göre tek elektronuyla 4p yörüngesinin üst üste binmesi ile oluşturulmalıdır:

3b ¹⁰ 4s ² 4p ¹

Kovalent-metalik etkileşimlerin bu karışımı, galyumun düşük erime noktasına atfedilir; bir yandan diğer yapısal birim Ga oluşur, kristal sıkıca birbirine Ga atomuna sahip bir "elektron deniz" olabilir, ancak, bu yana ₂ dimerler olan moleküller arası etkileşimlerin zayıftır.

Yüksek basınç altındaki fazlar

Basınç 4 GPa'dan 6 GPa'ya çıktığında, galyum kristalleri faz geçişlerine maruz kalır; ortorombikten vücut merkezli kübik (Ga-II) geçer ve buradan nihayet vücut merkezli tetragonale (Ga-III) geçer. Basınç aralığında, muhtemelen bir kristal karışımı oluşur, bu da yapıların yorumlanmasını daha da zorlaştırır.

Oksidasyon numaraları

En enerjik elektronlar 4s ve 4p orbitallerinde bulunanlardır; Üç tane olduğu için, galyumun kendisinden daha elektronegatif elementlerle birleştiğinde onları kaybedebileceği beklenmektedir.

Bu gerçekleştiğinde, Ga ³⁺ katyonunun varlığı varsayılır ve sayısının veya oksidasyon durumunun +3 veya Ga (III) olduğu söylenir. Aslında, bu, tüm oksidasyon sayıları arasında en yaygın olanıdır. Aşağıdaki bileşikler, örneğin, galyuma +3 olarak sahiptir: Ga ₂ O ₃ (Ga ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ), Ga ₂ Br ₆ (Ga ₂ ³⁺ Br ₆ ^- ), Li ₃ GaN ₂ (Li ₃ ⁺ Ga ³⁺ N ₂ ^3- ) ve Ga ₂ Te ₃ (Ga ₂³⁺ Te ₃ ^2- ).

Galyum ayrıca +1 ve +2 oksidasyon sayılarıyla da bulunabilir; +3'den çok daha az yaygın olmalarına rağmen (alüminyum ile benzer). Bu bileşiklerin örnekleri gacl (Ga olan ⁺ CI ^- , Ga) ₂ O (Ga ₂ ⁺ O ^2- ) ve gaz (Ga ²⁺ S ^2- ).

Dikkate alınan oksidasyon sayısı ile özdeş yük büyüklüklerine sahip iyonların varlığının her zaman varsayıldığına dikkat edin (doğru veya değil).

Nerede bulunur ve elde edilir

Nadir olan ancak kayda değer bir galyum konsantrasyonuna sahip tek mineral gallita örneği. Kaynak: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Galyum, yer kabuğunda kobalt, kurşun ve niyobyum metalleriyle orantılı bir bollukla bulunur. Diğer minerallerde bulunan safsızlıklar olarak geniş çapta yayılan hidratlanmış bir sülfit veya oksit olarak görünür.

Oksitleri ve sülfitleri suda çok az çözünür, bu nedenle denizlerde ve nehirlerde galyum konsantrasyonu düşüktür. Ayrıca, galyum açısından "zengin" tek mineral gallittir (CuGaS ₂ , üstteki resim). Ancak, bu metali elde etmek için tavuğu kullanmak pratik değildir. Daha az bilinen mineral galyum plumbogumittir.

Bu nedenle, bu metal için ideal cevher yoktur (kütlece% 0.1'den daha büyük bir konsantrasyona sahip).

Bunun yerine galyum, diğer metallerin cevherlerinin metalürjik işleminin bir yan ürünü olarak elde edilir. Örneğin, boksitlerden, çinko karıştırıcılardan, şaplardan, kömürlerden, galenalardan, piritlerden, germanitlerden vb. Çıkarılabilir; yani farklı mineral yapılarda genellikle alüminyum, çinko, karbon, kurşun, demir ve germanyum ile ilişkilidir.

İyon değişim kromatografisi ve elektroliz

Mineral hammadde, kuvvetli asidik veya bazik ortamda sindirildiğinde veya çözündüğünde, suda çözündürülmüş metal iyonlarının bir karışımı elde edilir. Galyum ikincil bir ürün olduğundan, Ga ³⁺ iyonları , ilgilenilen metaller çökeldiğinde karışımda çözünmüş olarak kalır.

Bu nedenle, yalnızca konsantrasyonlarını ve elde edilen metalin saflığını artırmak amacıyla bu Ga ^{3 +} 'yi diğer iyonlardan ayırmak istenir .

Bunun için geleneksel çökeltme tekniklerine ek olarak, bir reçine kullanılarak iyon değişim kromatografisi kullanılır. Bu teknik sayesinde (örneğin) Ga ³⁺ 'yi Ca ²⁺ veya Fe ^3+' den ayırmak mümkündür .

Ga ³⁺ iyonlarının oldukça konsantre bir çözeltisi elde edildiğinde , elektrolize tabi tutulur; yani Ga ³⁺ , metal olarak oluşabilmek için elektron alır.

izotopları

Galyum, doğada esas olarak iki izotop olarak bulunur: % 60.11 bollukta ⁶⁹ Ga; ve % 39.89 bolluk ile ⁷¹ Ga. Bu nedenle galyumun atom ağırlığı 69.723 u'dur. Galyumun diğer izotopları sentetik ve radyoaktiftir, atomik kütleleri ⁵⁶ Ga ile ⁸⁶ Ga arasındadır.

Riskler

Çevresel ve fiziksel

Çevresel bir bakış açısından, metalik galyum suda çok reaktif ve çözünür değildir, bu nedenle teoride dökülmeleri ciddi kirlenme risklerini temsil etmez. Ek olarak, atomlarının çoğu idrarla atıldığı ve dokularında birikme belirtisi göstermeyen organizmalarda biyolojik rolünün ne olabileceği bilinmemektedir.

Cıvanın aksine galyum çıplak elle kullanılabilir. Aslında ellerin ısısıyla eritmeye çalışma deneyi oldukça yaygındır. Bir kişi, cildine zarar verme veya yaralama korkusu olmadan ortaya çıkan gümüş sıvıya dokunabilir; üzerinde gümüş bir leke bırakmasına rağmen.

Teoride bu gacl üretmek için midede erimesi olacağından Ancak bunu sindirerek, toksik olabilir ₃ ; vücut üzerindeki etkileri metalden bağımsız olan galyum tuzu.

Metallerde hasar

Galyum, yüzeylere yüksek oranda lekelenme veya yapışma ile karakterizedir; ve bunlar metalik ise, içlerinden geçer ve anında alaşımlar oluşturur. Hemen hemen tüm metallerle alaşımlanabilme özelliği, sıvı galyumun herhangi bir metal nesneye dökülmesini uygunsuz kılar.

Bu nedenle, metalik nesneler galyum varlığında parçalanma riski taşır. Eylemi o kadar yavaş ve fark edilmeden ki istenmeyen sürprizler getirebilir; özellikle metal bir sandalyeye dökülürse ve üzerine birisi oturduğunda çökebilir.

Bu nedenle galyumla uğraşmak isteyenler onu asla diğer metallerle temas ettirmemelidir. Örneğin, sıvısı alüminyum folyoyu çözebilir ve ayrıca indiyum, demir ve kalay kristallerine sızarak kırılgan hale getirebilir.

Genel anlamda, yukarıda belirtilenlere ve oda sıcaklığında buharlarının neredeyse hiç bulunmadığı gerçeğine rağmen, galyum genellikle sıfır toksisiteye sahip güvenli bir element olarak kabul edilir.

Uygulamalar

Termometreler

Galinstan termometreleri. Kaynak: Gelegenheitsautor

Galyum, termometrenin işaretlediği sıcaklıkları okumak için sıvı olarak civanın yerini almıştır. Ancak, 29,7 ºC'lik erime noktası bu uygulama için hala yüksektir, bu nedenle metalik durumunda termometrelerde kullanmak uygun olmayacaktır; bunun yerine Galinstan (Ga-In-Sn) adlı bir alaşım kullanılır.

Galinstan alaşımı -18 ºC civarında bir erime noktasına sahiptir ve sıfır toksisitesini ekleyerek cıva bağımsız tıbbi termometrelerin tasarımı için ideal bir madde olmasını sağlar. Bu şekilde, eğer kırılırsa, pisliği temizlemek güvenli olur; yüzeyleri ıslatma özelliğinden dolayı zemini kirletmesine rağmen.

Ayna imalatı

Yine, galyum ve alaşımlarının ıslatılabilirliğinden bahsedilmektedir. Porselen bir yüzeye veya cama dokunduğunda, gümüş bir aynayla tamamen kaplanıncaya kadar tüm yüzeye yayılır.

Aynalara ek olarak, galyum alaşımları, soğuduklarında katılaştıkları için tüm şekillerde nesneler oluşturmak için kullanılmıştır. Bunun büyük nanoteknolojik potansiyeli olabilir: mantıksal olarak düşük sıcaklıklarda çalışacak ve galyuma dayalı benzersiz özellikler gösterecek çok küçük boyutlarda nesneler inşa etmek.

Bilgisayarlar

Bilgisayar işlemcilerinde kullanılan termal macunlar galyum alaşımlarından yapılmıştır.

İlaçlar

Ga ³⁺ iyonları , metabolik süreçlere müdahale etme şekillerinde Fe ^{3+ ile} biraz benzerlik gösterir . Bu nedenle, demirin gerçekleştirilmesi gereken bir işlev, parazit veya bakteri varsa, galyum ile karıştırılarak durdurulabilir; psödomonas bakterileri için durum böyledir.

Yani, basitçe inorganik tuzlarından veya organogaliumlarından oluşan galyum ilaçlarının ortaya çıktığı yer burasıdır. Galyum nitratın ticari adı olan La Ganita, Ga (NO ₃ ) ₃ , kemik kanseri ile ilişkili yüksek kalsiyum konsantrasyonlarını (hiperkalsemi) düzenlemek için kullanılır.

Teknolojik

Galyum arsenit ve nitrür, bazı optoelektronik uygulamalarda silikonun yerini alan yarı iletkenler olarak karakterize edilir. Bunlarla birlikte transistörler, lazer diyotlar ve ışık yayan diyotlar (mavi ve mor), cips, güneş pilleri vb. Üretilmiştir. Örneğin GaN lazerleri sayesinde Blu-Ray diskler okunabilir.

Katalizörler

Galyum oksitler, endüstriyel açıdan büyük ilgi gören farklı organik reaksiyonlarda katalizlerini incelemek için kullanılmıştır. Yeni galyum katalizörlerinden biri, üzerinde aktif merkezler veya alanlar olarak işlev gören diğer metallerin atomlarının dağıldığı kendi sıvısından oluşur.

Örneğin galyum-paladyum katalizörü, bütanın dehidrojenasyon reaksiyonunda incelenmiştir; yani, bütan diğer endüstriyel işlemler için gerekli olan daha reaktif doymamış türlere dönüştürülür. Bu katalizör, paladyum atomları için bir destek görevi gören sıvı galyumdan oluşur.

Referanslar

1. Sella Andrea. (23 Eylül 2009). Galyum. Kimya Dünyası. Chemistryworld.com'dan kurtarıldı
2. Vikipedi. (2019). Galyum. En.wikipedia.org adresinden kurtarıldı
3. Li, R., Wang, L., Li, L., Yu, T., Zhao, H., Chapman, KW Liu, H. (2017). Basınç altındaki sıvı galyumun yerel yapısı. Bilimsel raporlar, 7 (1), 5666. doi: 10.1038 / s41598-017-05985-8
4. Brahama D. Sharma ve Jerry Donohue. (1962). Galyumun kristal yapısının iyileştirilmesi. Zeitschrift fiir Kristallographie, Bd. 117, S. 293-300.
5. Wang, W., Qin, Y., Liu, X. vd. (2011). İç Moğolistan'daki Jungar Kömür Sahası'ndaki kömürlerde galyumun dağılımı, oluşumu ve zenginleşme nedenleri. Sci. China Earth Sci.54: 1053. doi.org/10.1007/s11430-010-4147-0
6. Marques Miguel. (Sf). Galyum. Kurtarıldı: nautilus.fis.uc.pt
7. Encyclopaedia Britannica'nın Editörleri. (5 Nisan 2018). Galyum. Encyclopædia Britannica. Britannica.com'dan kurtarıldı
8. Bloom Josh. (3 Nisan 2017). Galyum: Ağzınızda Eriyor, Elinizde Değil! Amerikan Bilim ve Sağlık Konseyi. Acsh.org'dan kurtarıldı
9. Doug Stewart. (2019). Galyum Öğesi Gerçekleri. Chemicool. Chemicool.com'dan kurtarıldı
10. Ulusal Biyoteknoloji Bilgi Merkezi. (2019). Galyum. PubChem Veritabanı. CID = 5360835. Kaynak: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov