П.4.Химические свойства

Относительная атомная масса - 69,723

П.3.Общая характеристика и физические свойства.

Тпл = 29,79 °С

Ткип = 2205 °С

Твёрдость по шкале Мооса – 1,5-2

Плотность - 5,91 г/см³

Галлий – элемент IV периода III группы главной подгруппы. Его порядковый номер – 31, в группе он следует за бором и алюминием.

Это светло-серый металл с синеватым оттенком (Рис.2). Довольно мягок при комнатной температуре и может быть прокатан в тонкие листы, но при резке довольно хрупок и ломается по линии разреза. Галлий обладает уникальной структурой. Он кристаллизуется в ортогональной сингонии. Структура галлия похожа на структуру кристаллического йода и состоит из псевдомолекул Ga₂. Расстояние между атомами галлия в них равняется 2,44Å, и каждый атом в псевдомолекуле окружен шестью более удаленными атомами, расположенными (попарно) на расстояниях 2,70Å, 2,73Å и 2,79Å. В расплавленном состоянии молекулы Ga₂ сохраняются. Структура жидкого галлия гексагональная плотноупакованная; в парах же галлий почти исключительно одноатомен.

Благодаря молекулярной кристаллической решётке галлий – исключительно легкоплавкий металл, в этом отношении он уступает только ртути и цезию. Однако же температура кипения его является довольно высокой для легкоплавких металлов, вследствие чего температурный интервал существования жидкой фазы элемента очень широк. Плотность жидкого металла выше, чем твёрдого, вследствие чего при кристаллизации объём его возрастает. Один из немногих металлов, в жидком состоянии хорошо смачивающих многие материалы, в т.ч. и стекло. Очень склонен к переохлаждению - будучи расплавлен и вновь охлаждён, может месяцами сохраняться при комнатной и даже более низкой температуре. При кристаллизации сильно переохлаждённого металла вместо обычной α -модификации могут образоваться кристаллы неустойчивой β -модификации с температурой плавления – 16,3 °С, в структуре которой атомы образуют зигзагообразные цепочки. Кроме неё, получены ещё три неустойчивые модификации галлия с ещё более низкими температурами плавления. При высоком давлении металл претерпевает обратимое полиморфное превращение в галлий (II),имеющий структуру индия, а затем в галлий (III).

Подобно алюминию, галлий является типичным амфотерным металлом. Минеральные кислоты растворяют его медленно на холоду и быстро при нагревании.

2Ga + 6HCl = 2GaCl₃ + 3H₂↑

Растворяется в щелочах, образуя гидроксогаллаты.

2Ga + 6H₂O + 2NaOH = 2Na[Ga(OH)₄] + 3H₂↑

Легко реагирует с галогенами при небольшом нагревании,

2Ga + 3Br₂ = 2GaBr₃

при более значительном – с серой. С водородом и азотом непосредственно не соединяется. При нагревании в атмосфере аммиака до температуры выше 900 °С образует нитрид GaN. При высокой температуре обладает сильными коррозионными свойствами, и разъедает материалы сильнее, чем любой другой расплавленный металл.

В обычных условиях на поверхности металла образуется тонкая плёнка оксида, предотвращающая металл от дальнейшего окисления кислородом воздуха. Во влажном воздухе, особенно в расплавленном состоянии галлий гораздо более склонен к окислению, на его поверхности образуется метагидроксид (GaO)OH.

§ 2.Обзор важнейших соединений

Гидрид Ga₂H₆ — летучая жидкость, Т_пл = −21,4 °C, Т_кип = 139 °C. В эфирной суспензии с гидридом лития или таллия образует соединения LiGaH₄ и TlGaH₄. Образуется в результате обработки тетраметилдигаллана триэтиламином. Имеются «банановые» электрон-дефицитные связи, как и в диборане.

Оксид Ga₂O₃ — белый или жёлтый тугоплавкий порошок. Существует в виде двух модификаций. α- Ga₂О₃ — бесцветные тригональные кристаллы, малорастворимые в воде, но растворимые в кислотах. β- Ga₂О₃ — бесцветные моноклинные кристаллы, 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. Проявляет амфотерные свойства, хотя основные свойства, по сравнению с алюминием, усилены.

Гидроксид 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. При нагревании гидроксид галлия претерпевает ряд префращений:

Ga(OH)₃ → GaOOH → Ga₂O₃·H₂O → Ga₂O₃.

Можно получить гидролизом солей трёхвалентного галлия.

Сульфат Ga₂(SO₄)₃·18H₂O — бесцветное, хорошо растворимое в воде вещество. Получается при взаимодействии галлия, его оксида и гидроксида с серной кислотой. По некоторым химическим свойствам напоминает сульфат алюминия, сульфатами щелочных металлов и аммония легко образует квасцы, например, KGa(SO₄)₂·12Н₂О.

Нитрат Ga(NO₃)₃·8H₂O — бесцветные, растворимые в воде и этаноле кристаллы. При нагревании разлагается с образованием оксида галлия (III). Получается действием азотной кислоты на гидроксид галлия.

Арсенид GaAs — тёмно-серые кубические кристаллы,нерастворимые в воде. Замечателен своими полупроводниковыми свойствами, что делает его одним из перспективных материалов в радиоэлектронике и нанотехнологии (Рис.3). Получается прямым синтезом из элементов.

Рис.3.Арсенид галлия высокой чистоты.

Нитрид GaN — белый или желтоватый порошок, отличающийся большой химической стойкостью. Ни вода, ни концентрированные минеральные кислоты нa него не действуют, очень слабо действуют разбавленные кислоты. Из паров нитрида (испаряется он преимущественно и виде димерных молекул) удается вырастить мелкие монокристаллы в виде прозрачных игл. Получается нагреванием до 1200 °С металлического галлия в токе аммиака. Является важным полупроводником.

Рис.4.Сверхчистый нитрид галлия: слева обычные кристаллы, справа крупный монокристалл.

Фосфид GaP — оранжево-желтые или зеленовато-желтые кристаллы. Устойчив на воздухе, плохо растворяется в концентрированных и разбавленных серной и соляной кислотах, но легко растворяется при нагревании в азотной кислоте. С растворами щелочей при нагревании он реагирует с выделением фосфина. Используется в люменисцентных приборах.

Галлаты различных металлов, имеющие разнообразный состав и свойства. Известно три наиболее распространённых типа этих соединений: галлаты I группы (МеGaО₂ или Ме₅GaО₄), галлаты II группы (МеGa₂О₄, Ме₂Ga₂О₅ и Ме₃Ga₂О₆) и различные галлаты редкоземельных металлов Ln_nGa_mО_k, которые могут кристаллизоваться в искажённой решётке перовскита или граната. [1] Галлаты находят широкое применение в различных отраслях науки и техники. Они применяются в производстве полупроводников, в качестве оптического материала для люминесцентного покрытия, электронных изоляторов и т. д.

§ 3.Трихлорид галлия, его строение, физические и химические свойства.

п.1.Общая характеристика.

Трихлорид галлия (химическая формула GaCl₃) – в чистом виде прозрачное, бесцветное, похожее на лёд крайне гигроскопичное вещество, кристаллизующееся в виде игольчатых кристаллов. Дымит на воздухе, сильно гигроскопичен. Хорошо растворяется в воде, при этом сильно гидролизуется.

Дата добавления: 2015-06-27