GALLIUM: SIFAT, STRUKTUR, MEMPEROLEH, PENGGUNAAN - KIMIA - 2025

The galium ialah unsur logam yang diwakili oleh simbol Ga yang dipunyai oleh kumpulan 13 dalam jadual berkala. Secara kimia ia menyerupai aluminium dalam amfoterisisme; namun, kedua-dua logam akhirnya mempamerkan sifat yang menjadikannya berbeza antara satu sama lain.

Contohnya, aloi aluminium boleh diusahakan untuk memberi mereka semua jenis bentuk; sementara galium mempunyai takat lebur yang sangat rendah, terdiri daripada cecair keperakan. Titik lebur gallium lebih rendah daripada aluminium; bekas boleh mencair dari panas tangan, sementara yang kedua tidak boleh.

Kristal Gallium diperoleh dengan mendepositkan serpihan kecil galium dalam larutan jenuh dari itu (cairan gallium). Sumber: Maxim Bilovitskiy

Kesamaan kimia antara gallium dan aluminium juga mengelompokkannya secara geokimia; iaitu mineral atau batuan yang kaya dengan aluminium, seperti bauksit, mempunyai kepekatan gallium yang cukup besar. Selain sumber mineralogi ini, terdapat zink, plumbum dan karbon yang lain, yang tersebar secara meluas di seluruh kerak bumi.

Gallium bukanlah logam yang terkenal. Namanya semata-mata dapat membangkitkan imej ayam jantan di dalam minda. Sebenarnya, gambaran grafik dan umum gali biasanya dijumpai dengan gambar ayam jantan perak; dicat dengan gallium cair, bahan yang sangat basah pada kaca, seramik dan juga tangan.

Percubaan di mana kepingan logam galium dicairkan dengan tangan adalah kerap, serta manipulasi cecair dan kecenderungannya untuk mengotorkan semua yang disentuhnya.

Walaupun gallium tidak beracun, seperti merkuri, ia adalah agen penghancur logam, kerana ia menjadikannya rapuh dan tidak berguna (pada mulanya). Sebaliknya, secara farmakologi campur tangan dalam proses di mana matriks biologi menggunakan besi.

Bagi mereka yang berada dalam dunia optoelektronik dan semikonduktor, gallium akan diadakan dengan harga tinggi, setanding dan, mungkin, lebih unggul daripada silikon itu sendiri. Sebaliknya, dengan galium, termometer, cermin dan objek berdasarkan paduannya telah dibuat.

Secara kimia, logam ini masih banyak yang ditawarkan; mungkin dalam bidang pemangkinan, tenaga nuklear, dalam pengembangan bahan semikonduktor baru, atau "sekadar" dalam penjelasan struktur mereka yang membingungkan dan kompleks.

Sejarah

Ramalan kewujudannya

Pada tahun 1871, ahli kimia Rusia Dmitri Mendeleev telah meramalkan adanya unsur yang sifatnya serupa dengan unsur aluminium; yang, dia namakan sebagai ekaluminio. Elemen ini mesti terletak tepat di bawah aluminium. Mendeleev juga meramalkan sifat (ketumpatan, takat lebur, formula oksida, dan lain-lain) dari ekaluminium.

Penemuan dan pengasingan

Anehnya, empat tahun kemudian ahli kimia Perancis Paul-Emili Lecoq de Boisbaudran, telah menemukan unsur baru dalam sampel sphalerite (zinc blende), dari Pyrenees. Dia dapat menemuinya berkat analisis spektroskopi, di mana dia memerhatikan spektrum dua garis ungu yang tidak bertepatan dengan elemen lain.

Setelah menemui unsur baru, Lecoq melakukan eksperimen pada 430 kg sphalerite, dari mana ia dapat mengasingkan 0,65 gram itu; dan setelah beberapa siri pengukuran sifat fizikal dan kimianya, dia menyimpulkan bahawa itu adalah ekaluminium Mendeleev.

Untuk mengasingkannya, Lecoq melakukan elektrolisis hidroksida masing-masing dalam kalium hidroksida; mungkin sama dengan yang dia larutkan sphalerit. Setelah mengesahkan bahawa ia adalah ekaluminium, dan juga menjadi penemuinya, dia memberinya nama 'gallium' (galium dalam bahasa Inggeris). Nama ini berasal dari nama 'Gallia', yang dalam bahasa Latin bermaksud Perancis.

Walau bagaimanapun, nama itu menimbulkan rasa ingin tahu yang lain: 'Lecoq' dalam bahasa Perancis bermaksud 'ayam jantan', dan dalam bahasa Latin 'gallus'. Menjadi logam, 'gallus' menjadi 'gallium'; walaupun dalam bahasa Sepanyol penukarannya jauh lebih langsung. Oleh itu, bukan kebetulan bahawa ayam jantan difikirkan ketika bercakap tentang gallium.

Sifat fizikal dan kimia

Rupa dan ciri fizikal

Gallium adalah logam keperakan permukaan berkaca tanpa bau dengan rasa astringen. Padatnya lembut dan rapuh, dan apabila patah, ia menjadi konkoid; iaitu, kepingan yang terbentuk melengkung, serupa dengan kerang laut.

Apabila cair, bergantung pada sudut di mana ia dilihat, ia dapat menunjukkan cahaya kebiruan. Cecair keperakan ini tidak beracun semasa bersentuhan; namun, ia "menempel" terlalu banyak ke permukaan, terutamanya jika ia adalah seramik atau kaca. Sebagai contoh, satu titisan gallium dapat meresap ke dalam cawan kaca untuk melapisi dengan cermin perak.

Sekiranya serpihan galium pepejal disimpan dalam galium cair, ia berfungsi sebagai nukleus di mana kristal galium yang berkilauan cepat berkembang dan tumbuh.

Nombor atom (Z)

31 ( ₃₁ Ga)

Jisim molar

69.723 g / mol

Takat lebur

29.7646 ° C. Suhu ini dapat dicapai dengan memegang gelas gallium dengan erat di antara dua tangan sehingga cair.

Takat didih

2400 ° C. Perhatikan jurang besar antara 29.7 ºC dan 2400 ºC; dengan kata lain, galium cecair mempunyai tekanan wap yang sangat rendah, dan fakta ini menjadikannya salah satu elemen dengan perbezaan suhu paling besar antara keadaan cecair dan gas.

Ketumpatan

-At suhu bilik: 5.91 g / cm ³

-Pada titik lebur: 6.095 g / cm ³

Perhatikan bahawa perkara yang sama berlaku dengan gallium seperti air: ketumpatan cecairnya lebih besar daripada pepejalnya. Oleh itu, kristal anda akan terapung di galium cair (gunung es gallium). Sebenarnya, pengembangan isipadu pepejal sedemikian (tiga kali) sehingga tidak selesa untuk menyimpan cecair galium dalam bekas yang tidak diperbuat daripada plastik.

Panas pelakuran

5.59 kJ / mol

Haba pengewapan

256 kJ / mol

Kapasiti haba molar

25.86 J / (mol K)

Tekanan wap

Pada suhu 1037 ºC, hanya cairannya yang memberikan tekanan 1 Pa.

Elektronegativiti

1.81 pada skala Pauling

Tenaga pengionan

-Pertama: 578.8 kJ / mol ( gas Ga ⁺ )

-Kedua: 1979.3 kJ / mol (Ga ²⁺ gas)

-Tiga: 2963 kJ / mol (Ga ³⁺ gas)

Kekonduksian terma

40.6 W / (m K)

Ketahanan elektrik

270 nΩ m pada 20 ºC

Mohs kekerasan

1.5

Kelikatan

1,819 cP pada 32 ºC

Ketegangan permukaan

709 dynes / cm pada 30 ºC

Amfoterisme

Seperti aluminium, gallium adalah amfoterik; bertindak balas dengan kedua-dua asid dan basa. Sebagai contoh, asid kuat dapat melarutkannya untuk membentuk garam gallium (III); jika mereka H ₂ SO ₄ dan HNO ₃ , Ga ₂ (SO ₄ ) ₃ dan Ga (NO ₃ ) ₃ masing-masing _dihasilkan . Manakala apabila bertindak balas dengan asas kuat, garam gallate dihasilkan, dengan ion Ga (OH) ₄ ^- .

Perhatikan persamaan antara Ga (OH) ₄ ^- dan Al (OH) ₄ ^- (aluminate). Sekiranya ammonia ditambahkan ke medium, gallium (III) hidroksida, Ga (OH) ₃ , terbentuk, yang juga amfoterik; apabila bertindak balas dengan asas kuat, ia menghasilkan Ga (OH) ₄ ^{- sekali lagi} , tetapi jika ia bertindak balas dengan asid kuat, ia akan membebaskan kompleks berair ³⁺ .

Kereaktifan

Gallium logam agak lengai pada suhu bilik. Ia tidak bertindak balas dengan udara, kerana lapisan oksida nipis, Ga ₂ O ₃ , melindunginya dari oksigen dan sulfur. Walau bagaimanapun, apabila dipanaskan pengoksidaan logam berterusan, berubah sepenuhnya menjadi oksida. Dan jika belerang hadir, pada suhu tinggi ia bertindak balas untuk membentuk Ga ₂ S ₃ .

Tidak hanya terdapat oksida galium dan sulfida, tetapi juga fosfida (GaP), arsenida (GaAs), nitrida (GaN), dan antimonida (GaSb). Sebatian seperti itu dapat ditimbulkan oleh reaksi langsung unsur-unsur pada suhu tinggi, atau melalui jalan sintetik alternatif.

Begitu juga, gallium dapat bertindak balas dengan halogen untuk membentuk halida masing-masing; seperti Ga ₂ Cl ₆ , GaF ₃ dan Ga ₂ I ₃ .

Logam ini, seperti aluminium dan kongenernya (anggota kumpulan yang sama 13), dapat berinteraksi secara kovalen dengan atom karbon untuk menghasilkan sebatian organometalik. Bagi mereka yang mempunyai ikatan Ga-C, mereka disebut organogalium.

Perkara yang paling menarik mengenai gallium bukanlah ciri kimianya yang sebelumnya, tetapi kemudahannya yang sangat tinggi yang boleh disatukan (serupa dengan merkuri dan proses penggabungannya). Atom Ga dengan cepat "menggosok bahu" antara kristal logam, menghasilkan aloi gallium.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Kerumitan

Gallium bukan sahaja tidak biasa kerana ia adalah logam yang mencair dengan panas tapak tangan anda, tetapi strukturnya kompleks dan tidak menentu.

Di satu pihak, diketahui bahawa kristalnya menggunakan struktur ortorhombik (Ga-I) dalam keadaan normal; Walau bagaimanapun, ini adalah salah satu daripada banyak kemungkinan fasa untuk logam ini, yang mana susunan atomnya tidak ditentukan. Oleh itu, ia adalah struktur yang lebih kompleks daripada yang kelihatan pada pandangan pertama.

Nampaknya hasilnya berbeza-beza mengikut sudut atau arah di mana strukturnya dianalisis (anisotropi). Begitu juga, struktur ini sangat rentan terhadap perubahan suhu atau tekanan terkecil, yang bermaksud bahawa galium tidak dapat didefinisikan sebagai satu jenis kristal pada masa tafsiran data.

Dimer

Atom Ga saling berinteraksi berkat ikatan logam. Walau bagaimanapun, tahap kovalen tertentu telah dijumpai di antara dua atom tetangga, sehingga keberadaan dimer Ga ₂ (Ga-Ga) diasumsikan .

Secara teori, ikatan kovalen ini harus dibentuk oleh pertindihan orbit 4p, dengan satu-satunya elektronnya mengikut konfigurasi elektronik:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ¹

Campuran interaksi kovalen-logam ini disebabkan oleh titik lebur rendah gallium; kerana, walaupun di satu sisi mungkin ada "lautan elektron" yang menahan atom Ga bersama-sama dengan erat di kristal, di sisi lain unit struktur terdiri dari dimer Ga ₂ , yang interaksi antar molekulnya lemah.

Fasa di bawah tekanan tinggi

Apabila tekanan meningkat dari 4 hingga 6 GPa, kristal gallium mengalami peralihan fasa; dari orthorhombic ia berlalu ke kubik yang berpusat pada badan (Ga-II), dan dari ini akhirnya melintasi ke tetragonal yang berpusat pada badan (Ga-III). Dalam julat tekanan, kemungkinan campuran kristal terbentuk, yang menjadikan penafsiran struktur menjadi lebih sukar.

Nombor pengoksidaan

Elektron yang paling bertenaga adalah elektron yang terdapat pada orbital 4s dan 4p; Oleh kerana terdapat tiga daripadanya, dijangkakan bahawa galium dapat kehilangannya apabila digabungkan dengan unsur-unsur yang lebih elektronegatif daripada itu.

Apabila ini berlaku, kewujudan kation Ga ³⁺ diasumsikan , dan bilangan atau keadaan pengoksidaannya dikatakan +3 atau Ga (III). Sebenarnya, ini adalah nombor pengoksidaan yang paling biasa. Contoh sebatian berikut, mempunyai gallium sebagai +3: 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- ) dan Ga ₂ Te ₃ (Ga ₂³⁺ Te ₃ ^2- ).

Gallium juga boleh didapati dengan nombor pengoksidaan +1 dan +2; walaupun ia lebih jarang daripada +3 (sama seperti aluminium). Contoh sebatian tersebut ialah GaCl (Ga ⁺ Cl ^- ), Ga ₂ O (Ga ₂ ⁺ O ^2- ) dan GaS (Ga ²⁺ S ^2- ).

Perhatikan bahawa kewujudan ion dengan magnitud muatan yang serupa dengan nombor pengoksidaan yang dipertimbangkan selalu dianggap (betul atau tidak).

Di mana mencari dan mendapatkan

Contoh galiita mineral, yang jarang tetapi satu-satunya dengan kepekatan gallium yang cukup tinggi. Sumber: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Gallium dijumpai di kerak bumi dengan banyaknya sebanding dengan logam kobalt, plumbum, dan niobium. Ia muncul sebagai sulfida terhidrat atau oksida, tersebar luas sebagai kekotoran yang terkandung dalam mineral lain.

Oksida dan sulfida kurang larut dalam air, jadi kepekatan gallium di laut dan sungai rendah. Tambahan pula, satu-satunya mineral yang kaya dengan gallium adalah gallita (CuGaS ₂ , gambar teratas). Walau bagaimanapun, tidak praktikal untuk memanfaatkan ayam betina untuk mendapatkan logam ini. Yang kurang terkenal adalah mineral gallium plumbogumite.

Oleh itu, tidak ada bijih yang sesuai untuk logam ini (dengan kepekatan yang melebihi 0.1% jisim).

Sebaliknya, galium diperoleh sebagai produk sampingan rawatan metalurgi bijih logam lain. Sebagai contoh, ia boleh diekstrak dari bauksit, pengisar zink, tawas, arang batu, galena, pirit, germanit, dan lain-lain; iaitu, biasanya dikaitkan dengan aluminium, zink, karbon, plumbum, besi, dan germanium dalam badan mineral yang berbeza.

Kromatografi pertukaran elektron dan elektrolisis

Apabila bahan mentah mineral dicerna atau dilarutkan, baik dalam media berasid atau asas, campuran ion logam yang larut dalam air akan diperoleh. Oleh kerana gallium adalah produk sekunder, ion-ion Ga ³⁺ nya tetap larut dalam campuran setelah logam-logam menarik telah memendap.

Oleh itu, adalah dikehendaki untuk memisahkan Ga ^{3+ ini} dari ion-ion lain, dengan satu-satunya tujuan untuk meningkatkan kepekatan mereka dan kemurnian logam yang dihasilkan.

Untuk ini, sebagai tambahan kepada teknik pemendakan konvensional, kromatografi pertukaran ion digunakan melalui penggunaan resin. Berkat teknik ini, mungkin untuk memisahkan (misalnya) Ga ³⁺ dari Ca ²⁺ atau Fe ³⁺ .

Setelah larutan ion Ga ³⁺ yang sangat pekat diperoleh , ia akan menjalani elektrolisis; iaitu, Ga ³⁺ menerima elektron untuk dapat membentuk sebagai logam.

Isotop

Gallium terdapat di alam semula jadi sebagai dua isotop: ⁶⁹ Ga, dengan kelimpahan 60.11%; dan ⁷¹ Ga, dengan kelimpahan 39.89%. Atas sebab inilah berat atom gallium adalah 69.723 u. Isotop gallium yang lain adalah sintetik dan radioaktif, dengan jisim atom berkisar antara ⁵⁶ Ga hingga ⁸⁶ Ga.

Risiko

Alam sekitar dan fizikal

Dari sudut pandang persekitaran, galium logam tidak terlalu reaktif dan larut dalam air, sehingga tumpahan secara teori tidak mewakili risiko pencemaran yang teruk. Selain itu, tidak diketahui peranan biologisnya dalam organisma, dengan sebahagian besar atomnya dikeluarkan dalam air kencing, tanpa tanda-tanda terkumpul di mana-mana tisu.

Tidak seperti merkuri, gallium dapat ditangani dengan tangan kosong. Sebenarnya, percubaan mencairkannya dengan panas tangan agak biasa. Seseorang boleh menyentuh cecair perak yang dihasilkan tanpa rasa takut merosakkan atau mencederakan kulit mereka; walaupun ia meninggalkan noda perak di atasnya.

Namun, pengambilannya boleh menjadi toksik, kerana secara teori ia akan larut dalam perut untuk menghasilkan GaCl ₃ ; garam gallium yang kesannya pada badan bebas daripada logam.

Kerosakan pada logam

Gallium dicirikan oleh pewarnaan yang tinggi atau melekat pada permukaan; dan jika ini bersifat logam, ia melaluinya dan membentuk aloi dengan serta-merta. Ciri ini kerana dapat disatukan dengan hampir semua logam menjadikannya tidak sesuai untuk menumpahkan galium cecair pada objek logam apa pun.

Oleh itu, objek logam berisiko pecah di hadapan gallium. Tindakannya boleh menjadi sangat perlahan dan tidak disedari sehingga membawa kejutan yang tidak diingini; terutamanya jika ia tertumpah di kerusi logam, yang boleh runtuh ketika seseorang duduk di atasnya.

Itulah sebabnya mereka yang ingin menangani gallium tidak boleh sesekali menghubunginya dengan logam lain. Sebagai contoh, cairannya mampu melarutkan kerajang aluminium, serta menyelinap ke kristal indium, besi dan timah, untuk membuatnya rapuh.

Secara umum, walaupun disebutkan di atas, dan fakta bahawa wapnya hampir tidak ada pada suhu bilik, gallium umumnya dianggap sebagai elemen selamat dengan ketoksikan sifar.

Permohonan

Termometer

Termometer Galinstan. Sumber: Gelegenheitsautor

Gallium telah menggantikan merkuri sebagai cecair untuk membaca suhu yang ditandai oleh termometer. Walau bagaimanapun, titik leburnya 29.7 ºC masih tinggi untuk aplikasi ini, sebab itulah dalam keadaan logamnya tidak dapat digunakan dalam termometer; sebaliknya, aloi yang dipanggil Galinstan (Ga-In-Sn) digunakan.

Aloi Galinstan mempunyai titik lebur sekitar -18 ºC, dan menambahkan ketoksikan sifar menjadikannya bahan yang ideal untuk reka bentuk termometer perubatan bebas merkuri. Dengan cara ini, jika hendak memecahkannya adalah selamat untuk membersihkan kekacauan; walaupun akan merosakkan lantai kerana kemampuannya membasahi permukaan.

Pembuatan cermin

Sekali lagi, sebutan dibuat mengenai kebasahan gallium dan aloi. Apabila menyentuh permukaan porselin, atau kaca, ia menyebar ke seluruh permukaan sehingga ditutup sepenuhnya dengan cermin perak.

Sebagai tambahan kepada cermin, aloi gallium telah digunakan untuk membuat objek dari semua bentuk, kerana setelah disejukkan ia padat. Ini mungkin mempunyai potensi nanoteknologi yang besar: untuk membina objek dengan dimensi yang sangat kecil, yang secara logik akan beroperasi pada suhu rendah, dan menunjukkan sifat unik berdasarkan gallium.

Komputer

Pasta termal yang digunakan dalam pemproses komputer telah dibuat dari aloi gallium.

Dadah

Ion Ga ³⁺ mempunyai kemiripan dengan Fe ³⁺ dalam cara mereka campur tangan dalam proses metabolik. Oleh itu, jika terdapat fungsi, parasit atau bakteria yang memerlukan zat besi untuk berfungsi, mereka dapat dihentikan dengan salah mengira bahawa ia menggunakan gallium; begitulah kes bakteria pseudomonas.

Jadi di sinilah ubat-ubatan gallium muncul, yang mungkin terdiri daripada garam-garam anorganiknya, atau organogalium. Ganita, nama dagang untuk gallium nitrat, Ga (NO ₃ ) ₃ , digunakan untuk mengatur kepekatan kalsium tinggi (hiperkalsemia) yang berkaitan dengan barah tulang.

Teknologi

Gallium arsenide dan nitrida dicirikan sebagai semikonduktor, yang telah menggantikan silikon dalam aplikasi optoelektronik tertentu. Dengan itu, transistor, dioda laser dan diod pemancar cahaya (biru dan ungu), cip, sel suria, dan lain-lain telah dihasilkan. Sebagai contoh, terima kasih kepada laser GaN, cakera Blu-Ray dapat dibaca.

Pemangkin

Gallium oksida telah digunakan untuk mengkaji pemangkinnya dalam tindak balas organik yang berlainan dengan minat industri yang besar. Salah satu pemangkin gallium yang lebih baru terdiri daripada cecairnya sendiri, di mana atom logam lain tersebar yang berfungsi sebagai pusat atau tapak aktif.

Sebagai contoh, pemangkin gallium-paladium telah dikaji dalam tindak balas dehidrogenasi butana; iaitu menukar butana menjadi spesies tak jenuh yang lebih reaktif, yang diperlukan untuk proses perindustrian lain. Pemangkin ini terdiri daripada galium cair yang bertindak sebagai sokongan bagi atom paladium.

Rujukan

1. Sella Andrea. (23 September 2009). Gallium. Dunia Kimia. Dipulihkan dari: chemistryworld.com
2. Wikipedia. (2019). Gallium. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
3. Li, R., Wang, L., Li, L., Yu, T., Zhao, H., Chapman, KW Liu, H. (2017). Struktur tempatan gallium cecair di bawah tekanan. Laporan ilmiah, 7 (1), 5666. doi: 10.1038 / s41598-017-05985-8
4. Brahama D. Sharma & Jerry Donohue. (1962). Penyempurnaan struktur kristal gallium. Zeitschrift fiir Kristallographie, Bd. 117, S. 293-300.
5. Wang, W., Qin, Y., Liu, X. et al. (2011). Penyebaran, kejadian dan pengayaan menyebabkan galium dalam arang batu dari Jungar Coalfield, Inner Mongolia. Sci. China Earth Sci. 54: 1053. doi.org/10.1007/s11430-010-4147-0
6. Marques Miguel. (sf). Gallium. Dipulihkan dari: nautilus.fis.uc.pt
7. Pengarang Ensiklopedia Britannica. (5 April 2018). Gallium. Encyclopædia Britannica. Dipulihkan dari: britannica.com
8. Mekar Josh. (3 April 2017). Gallium: Meleleh di Mulut Anda, Bukan Tangan Anda! Majlis Amerika mengenai Sains dan Kesihatan. Dipulihkan dari: acsh.org
9. Doug Stewart. (2019). Fakta Elemen Gallium. Chemicool. Dipulihkan dari: chemicool.com
10. Pusat Maklumat Nasional Bioteknologi. (2019). Gallium. Pangkalan Data PubChem. CID = 5360835. Dipulihkan dari: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov