Propriedades do Galio, estrutura, obtenção, usa

Ele gálio É um elemento metálico representado pelo símbolo GA e pertence ao grupo 13 da tabela periódica. Quimicamente, parece alumínio em seu anfoterismo; No entanto, ambos os metais acabam exibindo propriedades que os tornam diferenciáveis ​​um do outro.

Por exemplo, as ligas de alumínio podem trabalhar para dar a eles todos os tipos de figuras; Enquanto os do gálio têm pontos de fusão muito baixos, consistindo em líquidos de prata. Da mesma forma, o ponto de fusão do gálio é menor que o de alumínio; O primeiro pode derreter pelo calor da mão, enquanto o segundo não.

Cristais de gálio obtidos por depósito. Fonte: Maxim Bilovitskiy [CC BY-SA 4.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/4.0)]

A similaridade química entre a Gália e o alumínio também os agrupa geoquimicamente; isto é, minerais ou alumínio rico, como bauxitas, têm concentrações estimadas de gálio. Além dessa fonte mineralógica, há outro zinco, chumbo e carbono, amplamente disseminado por toda a crosta da Terra.

Gálio popularmente não é um metal bem conhecido. Seu mero nome pode evocar a imagem de um galo em mente. De fato, representações gráficas e gerais do gálio são geralmente encontradas com a imagem de um galo de prata; Pintado com gálio líquido, substância de grande umedecimento sobre vidro, cerâmica e a mesma mão.

Os experimentos em que os pedaços de gálio metálico são derretidos são frequentes, bem como a manipulação de seu líquido e sua tendência a manchar tudo o que toca.

Embora o gálio não seja tóxico, como Mercúrio, é um agente destrutivo metal, porque os tornam quebradiços e inutilizáveis ​​(em primeira instância). Por outro lado, intervém farmacologicamente nos processos onde matrizes biológicas usam ferro.

Para aqueles que estão no mundo da optoletrônica e semicondutores, eles terão o gálio em alta estima, comparável e, talvez, superior ao mesmo silício. Por outro lado, termômetros, espelhos e objetos baseados em suas ligas foram fabricados com o Gallic.

Quimicamente, esse metal ainda tem muito a oferecer; Talvez no campo da catálise, da energia nuclear, no desenvolvimento de novos materiais semicondutores, ou "simplesmente" no esclarecimento de sua estrutura confusa e complexa.

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História

Previsões de sua existência

Em 1871, o químico russo Dmitri Mendeleev já havia previsto a existência de um elemento cujas propriedades se assemelhavam às de alumínio; para o qual ele chamou Ekaluminio. Este elemento deve estar localizado logo abaixo do alumínio. Mendeleev também previu as propriedades (densidade, ponto de fusão, fórmulas de seus óxidos, etc.) do Ekaluminio.

Descoberta e isolamento

Surpreendentemente, quatro anos depois, o químico francês Paul-Emili LeCoq, de Boisbaudran, havia encontrado um novo elemento em uma amostra de esfalerita (zinco Blenda), dos Pyrenees. Ele poderia descobrir graças a uma análise espectroscópica, na qual observou o espectro de duas linhas violeta que não coincidiram com o de outro elemento.

Tendo descoberto um novo elemento, Lecoq conduziu experimentos em 430 kg de esfalerita, dos quais ele foi capaz de isolar 0,65 gramas disso; E depois de uma série de medições de suas propriedades físicas e químicas, chegou à conclusão de que foram os ekaluminos de Mendeleev.

Para isolá -lo, o LECOQ realizou a eletrólise de seu respectivo hidróxido no hidróxido de potássio; Provavelmente o mesmo com o qual ele dissolveu o Spheny. Ao certificar que era o Ekaluminio e, por ser também seu descobridor, ele lhe deu o nome de 'Galio' (Galium em inglês). Este nome derivado do nome 'Gallia', que em latim significa França.

No entanto, o nome apresenta outra curiosidade: 'lecoq' em francês significa 'gallo' e em latim 'gallus'. Ser um metal, 'Gallus' tornou -se 'gálio'; Embora em espanhol a conversão seja muito mais direta. Portanto, não é coincidência que você pense em um galo ao falar sobre o gálico.

Propriedades físicas e químicas

Aparência e características físicas

O gálio é um metal prateado de superfície vítrea, vaso sanitário, com um sabor adstringente. Seu sólido é macio e quebradiço, e quando fraturas, ele faz isso de maneira concidal; Ou seja, as peças formadas são curvas, semelhantes às conchas do mar.

Quando ele derrete, dependendo do ângulo com o qual ele observou, ele pode mostrar um brilho azulado. Este líquido de prata não é tóxico para entrar em contato; No entanto, ele "se agarra" demais às superfícies, especialmente se forem cerâmica ou vidro. Por exemplo, uma única gota de gálio pode permear o interior de um copo para cobri -lo de um espelho de prata.

Se um fragmento sólido é depositado em fluido, ele serve como um núcleo onde os cristais de gálio rotilizados se desenvolvem e crescem.

Número atômico (Z)

31 (₃₁Ga)

Massa molar

69.723 g/mol

Ponto de fusão

29.7646 ºC. Esta temperatura pode ser alcançada se um vidro de gálio for mantido entre as duas mãos para derreter.

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Ponto de ebulição

2400 ºC. Observe a grande lacuna entre 29,7 ºC e 2400 ° C; Ou seja, o gálio do fluido tem uma pressão de vapor muito baixa, e isso é feito por um dos elementos com a maior diferença de temperatura entre o estado líquido e gasoso.

Densidade

-À temperatura ambiente: 5,91 g/cm³

-No ponto de fusão: 6.095 g/cm³

Observe que o mesmo acontece com o gálio que com a água: a densidade de seu líquido é maior que a de seu sólido. Portanto, seus cristais flutuam sobre o gálio líquido (icebergs de gálio). De fato, a expansão do volume sólido (três vezes) é esse, o que é inconveniente para armazenar gálio de fluido em recipientes que não são plásticos.

Calor de fusão

5,59 kJ/mol

Calor de vaporização

256 kJ/mol

Capacidade de calor molar

25,86 J/(mol · k)

Pressão de vapor

A 1037 ºC, seu líquido exerce uma pressão de 1 pa.

Eletro-negatividade

1.81 na escala Pauling

Energias de ionização

-Primeiro: 578,8 KJ/mol (GA⁺ gasoso)

-Segundo: 1979.3 KJ/mol (GA²⁺ gasoso)

-Terceiro: 2963 KJ/mol (GA³⁺ gasoso)

Condutividade térmica

40,6 com (M · k)

Resistividade elétrica

270 nω · m a 20 ºC

Dureza mohs

1.5

Gosma

1.819 cp a 32 ºC

Tensão superficial

709 Dins/cm A 30 ºC

Anfoterismo

Como o alumínio, o gálio é anfotérico; reage com ácidos e bases. Por exemplo, ácidos fortes podem dissolvê -lo para formar vendas da GAUL (III); Se eles são H₂SW₄ e hno₃, Eles produzem GA₂(SW₄)₃ E ganhou₃)₃, respectivamente. Enquanto ao reagir com bases fortes, existem sais de galato, com o íon ga (oh)₄^-.

Observe a semelhança entre o GA (OH)₄^- E o (oh)₄^- (Aluminato). Se o hidróxido de gálio (III), GA (OH) for adicionado ao ambiente, for formado₃, que também é anfotérico; Ao reagir com bases fortes, GA (OH) produz novamente₄^-, Mas se reagir com ácidos fortes, libera a ACU complexa₂)₆]³⁺.

Reatividade

O gálio metálico é relativamente inerte à temperatura ambiente. Não reage com o ar, já que uma fina camada de óxido₂QUALQUER₃, protege -o de oxigênio e enxofre. No entanto, quando a oxidação do metal continua, se transformando completamente em seu óxido. E se houver enxofre presente, em altas temperaturas reagem para formar o GA₂S₃.

Não existem apenas óxidos e sulfetos de gálio, mas também fosfídios (gap), arseniuros (GAAs), nitro (GaN) e antimoniuros (GASB). Tais compostos podem se originar por reação direta dos elementos em altas temperaturas ou por rotas sintéticas alternativas.

Da mesma forma, o gálio pode reagir com halogênios para formar seus respectivos haluros; como ga₂Cl₆, GAF₃ e ga₂Yo₃.

Este metal, como o alumínio e seus congêneres (membros do mesmo grupo 13), pode interagir covalentemente com átomos de carbono para causar compostos organometálicos. No caso daqueles com links de GA-C, eles são chamados de organogais.

O mais interessante do gálio não é de suas características químicas anteriores, mas sua enorme facilidade com que pode ser levantada (semelhante à de Mercúrio e seu processo de fusão). Seus átomos de GA são "código" rapidamente entre os cristais de metal, o que dá origem a ligas de gálio.

Estrutura e configuração eletrônica

Complexidade

O gálio não é apenas incomum sobre o fato de ser um metal que funda o calor da palma da mão, mas também sua estrutura é complexa e incerta.

Por um lado, sabe-se que seus cristais adotam uma estrutura ortorrômbica (GA-I) em condições normais; No entanto, esta é apenas uma das muitas fases possíveis para este metal, que não é especificado qual a ordem de seus átomos é precisa. É, portanto, uma estrutura mais complexa do que poderia aparecer a olho nu.

Parece que os resultados variam de acordo com o ângulo ou direção em que sua estrutura (anisotropia) é analisada (anisotropia). Da mesma forma, essas estruturas são muito suscetíveis à menor mudança de temperatura ou pressão, o que faz com que o gálio não seja definido como um único tipo de cristal no momento da interpretação dos dados.

Dímeros

Os átomos de GA interagem entre si graças ao link metálico. No entanto, foi encontrado um certo grau de covalência entre dois átomos vizinhos, de modo que a existência do dímero GA é assumida₂ (Gagá).

Em teoria, essa ligação covalente deve ser formada pela sobreposição do orbital 4P, com seu único elétron de acordo com a configuração eletrônica:

[AR] 3D¹⁰ 4s² 4p¹

Essa mistura de interações covalentes-metálicas é atribuída ao baixo ponto de fusão do gálio; Como, embora, por um lado₂, cujas interações intermoleculares são fracas.

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Fases sob altas pressões

Quando a pressão aumenta de 4 a 6 GPa, os cristais de gálio sofrem transições de fase; Do ortorrômbico, passa para o cúbico centrado no corpo (GA-II), e a partir disso finalmente passa para o tetragonal centrado no corpo (GA-III). No intervalo da imprensa, uma mistura de cristais está possivelmente se formando, o que torna a interpretação das estruturas ainda mais difícil.

Números de oxidação

Os mais elétrons de energia são os encontrados nos orbitais 4s e 4p; Tendo três deles, portanto, espera -se que o gálio possa perdê -los quando combinado com mais elementos eletronegativos do que ele.

Quando isso ocorre, a existência do Ga cátion é assumida³⁺, E diz -se que seu número ou status de oxidação é +3 ​​ou ga (iii). De fato, este é o mais comum de todos os seus números de oxidação. Os seguintes compostos, por exemplo, possuem gálio como +3: GA₂QUALQUER₃ (GA₂³⁺QUALQUER₃^2-), GA₂Br₆ (GA₂³⁺Br₆^-), Li₃Gan₂ (Li₃⁺Ga³⁺N₂^3-) e GA₂Chá₃ (GA₂³⁺Chá₃^2-).

O gálio também pode encontrar números de oxidação de +1 e +2; Embora sejam muito menos comuns que +3 (semelhante ao que acontece com o alumínio). Exemplos de tais compostos são o GACL (GA⁺Cl^-), GA₂Ou (GA₂⁺QUALQUER^2-) e o gás (GA²⁺S^2-).

Observe que a existência de íons com magnitudes de carga idêntica ao número de oxidação que é considerado.

Onde está e obtenha

Uma amostra de galita mineral, que é rara, mas é a única com uma concentração apreciável de gálio. Fonte: Rob Lavinsky, Irocks.COM-CC-BY-SA-3.0 [CC BY-SA 3.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/3.0)]

O gálio é encontrado na crosta terrestre com uma abundância proporcional à dos metais de cobalto, chumbo e nióbio. É apresentado como um sulfeto ou óxido hidratado, amplamente disseminado como impurezas contidas em outros minerais.

Seus óxidos e sulfetos são poucos solúveis em água, portanto a concentração do gálio nos mares e rios é baixa. Além disso, o único mineral "rico" é o frango (Cugas₂, imagem superior). No entanto, é impraticável explorar o frango para obter este metal. Menos conhecido ainda é o mineral do gálio plumbogumita.

Portanto, não há ventos ideais para este metal (com uma concentração superior a 0,1% em massa).

Em vez disso, o gálio é obtido como um produto secundário do tratamento metálico de metal de outros metais. Por exemplo, pode ser extraído dos bauxitas, misturas de zinco, touros, brasas, galões, pirites, germanitas etc.; Isto é, geralmente está associado a alumínio, zinco, carbono, chumbo, ferro e germanio em diferentes corpos minerais.

Cromatografia de troca de íons e eletrólise

Quando a matéria -prima mineral é digerida ou dissolvida, em meios fortemente ácidos ou básicos, é obtida uma mistura de íons metálicos solubilizados em água. Sendo o gálio um produto secundário, seus íons Ga³⁺ Eles permanecem dissolvidos na mistura depois que os metais de interesse terem precipitado.

Assim, você quer separar esses Ga³⁺ dos outros íons, com o único objetivo de aumentar sua concentração e pureza do metal resultante.

Para fazer isso, além das técnicas convencionais de precipitação, a cromatografia de troca iônica é usada usando uma resina. Graças a esta técnica, o GA está separado (por exemplo)³⁺ de ca²⁺ ou fé³⁺.

Uma vez que uma solução altamente concentrada de íons GA foi obtida³⁺, É submetido a eletrólise; isto é, o ga³⁺ Receber elétrons para poder se formar como um metal.

Isótopos

Gálio está na natureza principalmente como dois isótopos: o ⁶⁹GA, com uma abundância de 60,11 %; e ele ⁷¹GA, com uma abundância de 39,89 %. É por esse motivo que o peso atômico do gálio é 69.723 u. Os outros isótopos de gálio são sintéticos e radioativos, com massas atômicas oscilando entre ⁵⁶Ga a ⁸⁶Ga.

Riscos

Ambiental e físico

Do ponto de vista ambiental, o gálio metálico não é muito reativo e solúvel em água; portanto, seus derramamentos em teoria não representam riscos graves de contaminação. Além disso, não se sabe o que o papel biológico pode ter nos organismos, sendo a maioria de seus átomos excretados pela urina, sem sinais de poder se acumular em qualquer um de seus tecidos.

Ao contrário de Mercúrio, o Gallic pode ser manipulado com as mãos nuas. De fato, o experimento para tentar derreter com o calor das mãos é bastante comum. Uma pessoa pode tocar o líquido prateado resultante sem medo de danificar ou machucar sua pele; Embora deixe um ponto de prata nele.

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Agora, ingeri -lo pode ser tóxico, pois, em teoria₃; Saltales cujos efeitos corporais são independentes do metal.

Danos aos metais

O gálio é caracterizado por manchas ou aderência às superfícies; E se estes forem metálicos, ele os atravessa e formar ligas instantaneamente. Essa característica de ser capaz de alegar com quase todos os metais faz com que não seja apropriado derramar o galo fluido em qualquer objeto de metal.

Portanto, objetos metálicos correm o risco de quebrar em pedaços na presença de gálio. Sua ação pode ser tão lenta e despercebida, que traz surpresas indesejadas; Especialmente, se derramou em uma cadeira de metal, que pode cair quando alguém se senta nela.

É por isso que aqueles que desejam manipular a Gália nunca devem colocar em contato com outros metais. Por exemplo, seu líquido é capaz de dissolver a folha de alumínio, bem como se esgueirar nos cristais indiano, de ferro e estanho, para torná -los quebradiços.

Em termos gerais, apesar do recém -mencionado.

Formulários

Termômetros

Termômetros de Galinstan. Fonte: Gelegenheitsauter [Pub Pubblish]

O gálio substituiu Mercúrio como líquido para ler as temperaturas marcadas pelo termômetro. No entanto, seu ponto de fusão de 29,7 ºC ainda é alto para essa aplicação, e é por isso que, em seu estado metálico, não seria viável usá -lo nos termômetros; Em vez.

A liga Galinstan tem um ponto de fusão em torno de -18 ºC e adicionou sua toxicidade zero a torna uma substância ideal para o design de termômetros médicos independentes de mercúrio. Dessa forma, se você quebrar, seria seguro limpar o desastre; Embora fosse sujo no chão devido à sua capacidade de molhar as superfícies.

Fabricação de espelhos

Novamente, é uma menção à umidade do gálio e de suas ligas. Ao tocar em uma superfície de porcelana, ou um vidro, ele se espalha por toda a superfície para cobri -lo completamente em um espelho de prata.

Além dos espelhos, as ligas de Gallium foram usadas para criar objetos de todas. Isso pode ter um grande potencial nanotecnológico: construir objetos de dimensões muito pequenas, que operariam logicamente em baixas temperaturas, e mostraria propriedades únicas com base no gálio.

Computadores

De ligas de gálio, massas térmicas usadas em processadores de computador foram desenvolvidas.

Drogas

Íons Ga³⁺ Eles mantêm uma certa semelhança com a fé³⁺ Na maneira como eles intervêm em processos metabólicos. Portanto, se houver uma função, parasita ou bactérias que requerem ferro para executar, eles podem parar confundindo -o pelo gálio; É o caso das bactérias Pseudomonas.

Então, é aqui que aparecem drogas de gálio, que podem simplesmente consistir em seus sais inorgânicos ou organogais. La Ganita, nome comercial para nitrato de gálio, GA (não₃)₃, É usado para regular as altas concentrações de cálcio (hipercalcemia) associadas ao câncer ósseo.

Tecnológica

Gálio Arseniuro e Nituro. Com eles, transistores, lasers e emissores de luz (azul e violeta), chips, células solares etc. foram fabricadas. Por exemplo, graças aos lasers do gan, você pode ler os discos Blu-ray.

Catalisadores

Os óxidos de gálio têm sido usados ​​para estudar sua catálise em diferentes reações orgânicas de grande interesse industrial. Um dos catalisadores galíticos mais recentes consiste em seu próprio líquido, no qual átomos de outros metais que funcionam como centros ou sites ativos são dispersos.

Por exemplo, o catalisador de Galio-Paladio foi estudado na reação da deshigenação de butano; isto é, faça butano. Este catalisador consiste em gálio líquido atuando como suporte para átomos de paládio.

Referências

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