آشنایی با گالیوم

گالیوم به خوبی به عنوان فلزی شناخته می شود که نقطه ذوب آن درست بالاتر از دمای اتاق است، به این معنی که به معنای واقعی کلمه می تواند در دستت ذوب شود. در شکل عنصری، نسبتاً غیر سمی است، به این معنی که برخلاف جیوه، بدون هشدار قابل کنترل است.

اما فلز گالیوم اسرار شگفت انگیز بسیاری دارد. می تواند آلیاژهای باورنکردنی را با فلزات دیگر تشکیل دهد. این می تواند فلزاتی مانند آلومینیوم را از بین ببرد یا به آنها توانایی هایی بدهد که قبلاً از جهان پنهان بودند – همانطور که در زیر خواهید دید.

ده حقیقت شگفت انگیز در مورد گالیوم

1. گالیم زمانی که یخ می زند منبسط می شود، یکی از معدود موادی که این کار را انجام می دهد.
2. مقدار کمی گالیوم هر چیزی که از آلومینیوم ساخته شده است، از جمله قوطی های آلومینیومی را از بین می برد. همچنین به فولاد حمله می کند و آن را بسیار شکننده می کند.
3. اگرچه می تواند در دست شما ذوب شود، اما نمی جوشد مگر اینکه آن را تا 4000 درجه فارنهایت – بزرگترین محدوده از هر عنصر – گرم کنید.
4. این آلیاژ با ایندیم و قلع تشکیل می دهد که مایعی است که بسیار زیر دمای اتاق است.
5. کتابی بر اساس گالیوم وجود دارد به نام قاشق ناپدید شدن می توانید نحوه ساخت قاشق ناپدید شدن را تماشا کنید اینجا.
6. دیمیتری مندلیف، خالق جدول تناوبی، به دلیل پیش‌بینی وجود و ویژگی‌های عنصر گالیوم، چند سال قبل از کشف آن شهرت دارد.
7. مردم گاهی اوقات هنگام کار با فلز گالیوم دستکش می پوشند – نه به دلیل سمی بودن آن، بلکه برای جلوگیری از شستن “لکه های گالیوم”. شیشه را نیز لکه دار می کند.
8. مانند آلومینیوم، بیشتر ترکیبات گالیوم نسبتاً بی رنگ هستند.
9. مانند جیوه، لکه ای از گالیم مایع در آب می تواند یک “قلب تپنده” را در هنگام نوسان بین اکسیداسیون و کاهش در حضور هر دو عامل اکسید کننده و کاهش دهنده شبیه سازی کند.
10. گالیوم به دلیل نقطه جوش بالا و نقطه ذوب پایین در دماسنج های ویژه با دمای بالا استفاده می شود.

خواص شگفت انگیز و نه چندان شگفت انگیز گالیوم

نقطه ذوب

می دانیم که عنصر گالیوم نقطه ذوب پایینی دارد، 29.76 درجه سانتیگراد به طور دقیق. اگر آن را در دست بگیرید و سعی کنید آن را ذوب کنید، در نهایت آب می‌شود، اما کمی طول می‌کشد و باقیمانده‌ای چسبناک روی دستتان باقی می‌گذارد. تلاش برای ذوب گالیوم در دست خیلی چشمگیر نیست – اما نگه داشتن آن خطرناک نیست.

گالیوم و جدول تناوبی

گالیم دارای نماد اتمی Ga و عدد اتمی 31 است. در سمت راست روی و سمت چپ ژرمانیوم قرار دارد. گالیم در گروه 13 جدول تناوبی یعنی گروه بور قرار دارد و زیر آلومینیوم و بالای ایندیم قرار دارد. دارای خواص فیزیکی و شیمیایی مشابه آلومینیوم و ایندیم به ویژه ایندیم است.

گالیوم ساختار الکترونی 1 ثانیه است²2 ثانیه²2p⁶3s²3p⁶3 بعدی¹⁰4s²4p¹ . اتم گالیم دارای 3 الکترون ظرفیت است، به همین دلیل یون گالیوم +3 رایج ترین است. الکترونگاتیوی آن 1.81 است.

آلیاژ گالیم-آلومینیوم

چی است چشمگیر، زمانی است که گالیم با فلز آلومینیوم یا فویل آلیاژی تشکیل می دهد. اگر فویل آلومینیومی را به گالیم مایع اضافه کنید (به راحتی می توانید آن را در آب داغ ذوب کنید)، به نظر می رسد که آلومینیوم در گالیم حل می شود. این آلیاژ می تواند به سرعت با آب واکنش داده و مقادیر زیادی گاز هیدروژن تولید کند. ماهیت مایع این آلیاژ از ایجاد یک لایه اکسید آلومینیوم منسجم و چسبنده جلوگیری می کند که به طور معمول از واکنش آلومینیوم با آب جلوگیری می کند. گالیم در واقع در شبکه فلزی آلومینیوم پخش می شود.

این واکنش کاملاً چشمگیر است، اما آنقدر واکنش پذیر نیست که مجبور شوید نگران وجود ترکیبات عجیب و غریب در صورت شما باشید. سوپ خاکستری حاصل از آب، گالیوم و هیدروکسید آلومینیوم جذابیت خاصی ندارد – برای یک واکنش زیبا می توانید نحوه تولید رسوب یدید سرب را بررسی کنید.

برای واکنش انفجاری تر با آب، استخراج پتاسیم از موز را بررسی کنید.

گالیم چگونه آلومینیوم را از بین می برد؟

بسیاری از مردم تعجب می کنند، چرا گالیم آلومینیوم را از بین می برد؟ گالیوم اثرات متعددی بر روی آلومینیوم و سایر فلزات دارد. اول از همه، یک آمالگام، اساسا یک آلیاژ، با آلومینیوم تشکیل می دهد. گالیم در لایه غیرفعال سازی اکسید آلومینیوم که روی فلز آلومینیوم تشکیل می شود نفوذ می کند و با شبکه کریستالی آلومینیوم تداخل می کند و آن را شکننده می کند. این به عنوان شکست ساختاری ناشی از گالیوم شناخته می شود. جیوه همین اثر را روی آلومینیوم دارد، اما از آنجایی که جیوه سمی است، این آزمایش عموما انجام نمی شود.

به همین دلیل، حمل گالیوم در هواپیما به شدت محدود شده است.

آخرین، اما نه کم‌اهمیت، همانطور که قبلاً ذکر شد – آلیاژ آلومینیوم گالیوم حاصل دیگر از لایه غیرفعال‌سازی اکسید آلومینیوم دفاع نمی‌کند – تشکیل این لایه غیرفعال‌سازی مهار می‌شود. فوراً با آب واکنش نشان می دهد و گاز هیدروژن تولید می کند و واکنش پذیری “واقعی” آلومینیوم را نشان می دهد.

آیا گالیم یک فلز است؟

بله، گالیم 100٪ یک فلز است. هرگز به عنوان یک غیر فلز و نه فلزی طبقه بندی نمی شود. و یک فلز انتقالی نیست. – به آن فلز پس از انتقال می گویند.

بهترین راه برای مشاهده خواص فلزی آن زمانی است که در حالت مایع باشد، اما هیچ ماده خام اکسید شده روی آن نباشد.

آیا گالیوم سمی است؟

فلز گالیوم برای بازی و دست زدن ایمن در نظر گرفته می شود و در شکل عنصری آن غیر سمی در نظر گرفته می شود. ترکیبات گالیوم خفیف سمی هستند، خطرناک تلقی نمی شوند، اما نباید استنشاق یا بلعیده شوند. ما خوردن گالیوم عنصری را توصیه نمی کنیم، اما اگر مقادیر کم آن به طور تصادفی خورده شود، به احتمال زیاد مضر نخواهد بود.

کاربردهای گالیوم در دنیای امروز

رایج ترین استفاده از گالیم در الکترونیک، به عنوان آرسنید گالیم، GaAs، و در LED های آبی به عنوان نیترید گالیوم، GaN است. آرسنید گالیم معمولاً در نیمه هادی ها استفاده می شود، زیرا دارای خواصی برتر از سیلیکون است، به ویژه برای کاربردهای دفاعی و هوافضا. با این حال، به طور قابل توجهی گران تر از سیلیکون است. آرسنید گالیم اغلب به صورت یک شروع می شود بولهشمش تک کریستالی که از گالیم مذاب و آرسنیک رشد کرده است.

دوربین های SWIR دوربین های مادون قرمز موج کوتاه (SWIR) هستند که دارای سنسورهای InGaAs هستند. دوربین های SWIR تصاویر حرارتی ایجاد می کنند و می توانند از طریق شیشه تصویربرداری کنند. بازار این دوربین ها که برای بازرسی طیف گسترده ای از محصولات مانند سلول های خورشیدی یا تولیدات و دید در شب استفاده می شود، به سرعت در حال رشد است.

گروه ها همچنین استفاده از آلیاژهای آلومینیوم گالیوم را به عنوان یک مورد بررسی کرده اند منبع هیدروژن به عنوان یک انرژی های تجدید پذیر و پایدار – اما انجام این امر از نظر اقتصادی دشوار است.

تحقیقات روز مدرن با عنصر گالیوم

محققان دانشگاه به رهبری دکتر رادنی روف در مرکز مواد کربن چند بعدی در اولسان، کره جنوبی در حال انجام تحقیقات هیجان انگیز هستند. آنها گالیوم را با مواد غیر فلزی مانند الماس، گرافیت، گرافن، کاربید سیلیکون و بتونه سیلیکون تجاری ترکیب می کنند. ترکیب این “پرکننده ها” در گالیوم به آن اجازه می دهد تا خمیر یا بتونه تشکیل دهد. هرچه فیلر بیشتری را با آن مخلوط کنید، مواد بتونه مانند تر می شوند.

این خمیرها و بتونه ها دارای چندین ویژگی مفید از جمله افزایش رسانایی حرارتی (با الماس) هستند که می تواند به عنوان خمیر رابط حرارتی استفاده شود و محافظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی. آنها همچنین توانستند این پرکننده ها را با آلیاژهای گالیم-ایندیوم که در دمای اتاق مایع هستند ترکیب کنند.

مصاحبه با دکتر بنجامین کامینگ در مورد کاربردهای بالقوه تحقیقات آنها در مورد کامپوزیت های بتونه مانند فلز گالیوم.

تاریخچه گالیوم

گالیوم توسط مندلیف در سال 1871 پیش بینی شد که بسیاری از خواص آن را پیش بینی کرد. در سال 1875 توسط شیمیدان فرانسوی پل امیل لکوک دی بویزباودران با استفاده از طیف سنجی روی سنگ معدن روی کشف شد.

شایعات حاکی از آن است که یک ترفند قدیمی «سالن» این بود که یک قاشق از گالیوم درست می‌کردند، و اجازه می‌دادند یک مهمان ناآگاه از آن در چای داغ خود استفاده کند، در آن زمان قاشق آب می‌شد. کنار هم قرار دادن این «ترفند» زمان و منابع قابل‌توجهی را می‌طلبد، بنابراین مطمئن نیستیم که چند بار واقعاً رخ داده است.

شیمی گالیوم

گالیم یک فلز در گروه عناصر 3A به همراه بور، آلومینیوم، ایندیم و تالیم است. گالیوم یک فلز واسطه نیست و یک نیمه فلز نیست. شیمی آن شبیه به شیمی آلومینیوم است. گالیم با اسید کلریدریک بسیار آهسته، با اسید سولفوریک به آرامی و با اسید نیتریک سریعتر واکنش داده و نیترات گالیم (III) تولید می کند. گالیم با آب واکنش نمی دهد.

ترکیبات گالیوم و اعداد اکسیداسیون

در ترکیبات، معمولاً در حالت اکسیداسیون +3 است، اما می تواند حالت اکسیداسیون +1 را نیز نشان دهد. ترکیبات گالیوم (I) عوامل کاهنده قوی هستند.

گالیم به راحتی با اکثر اسیدهای قوی واکنش می دهد و ترکیبات گالیوم (III) تولید می کند. کلرید، نیترات و سولفات گالیم (III) همگی ترکیبات رایج گالیم (III) هستند. کلرید گالیم بسیار خورنده است.

واکنش گالیم با عنصر ید برای تولید یدید گالیم، یک ترکیب زرد رنگ که به عنوان دایمر Ga وجود دارد.₂من₆. می توان آن را با گالیم عنصری کاهش داد و GaI را تشکیل داد. GaI یک پودر سبز واکنش پذیر است که حاوی گالیم در حالت های اکسیداسیون صفر، 1+ و 3+ است.

گالیم در یک پایه گرم و غلیظ مانند هیدروکسید سدیم حل می شود و یون گالات، Ga(OH) را تشکیل می دهد.₄^–یک یون چند اتمی

گالیوم – خواص

• نماد – Ga
• نقطه ذوب – 29.7 درجه سانتیگراد
• نقطه جوش – 2400 درجه سانتیگراد
• چگالی در -20 درجه سانتیگراد – 5.91 گرم در سانتی متر³
• وزن اتمی – 69.723
• عدد اتمی – 31
• الکترونگاتیوی – 1.81
• طبقه بندی: فلز، گروه بور، گروه 13
• فراوانی طبیعی 0.00169% در پوسته زمین
• پیکربندی پوسته الکترونی – [Ar] 3 بعدی¹⁰ 4s² 4p¹
• ایزوتوپ ها – عنصر گالیوم دارای 31 ایزوتوپ است، گالیم-69 و گالیوم-71 به طور طبیعی وجود دارند.
• به طور طبیعی در ماده معدنی کمیاب گالیت (CuGaS) یافت می شود₂)، همچنین در سنگ معدن روی و آلومینیوم
• سمیت: گالیم عنصری غیر سمی در نظر گرفته می شود. LD50 کلرید گالیم 4700 میلی گرم بر کیلوگرم، در محدوده کلرید سدیم است

عنصر گالیوم را از کجا می توانم بخرم؟

فروش گالیوم محدود نیست، می توانید مقادیر کمی را در ebay، amazon یا در وب سایت های تخصصی خریداری کنید. این جستجو را امتحان کنید.

منتظر مقالات بعدی باشید، جایی که ما به شما نشان می دهیم که گالیوم چه کارهایی را می تواند انجام دهد – حتی شیمیدانان با تجربه نیز ممکن است شگفت زده شوند.