Gallijs (Ga) — 31. ķīmiskais elements: īpašības, pielietojums, drošība
Gallijs (ķīmiskais simbols: Ga) ir 31. ķīmiskais elements periodiskajā sistēmā. Tas pieder pie 13. grupas (boram līdzīgais jeb tā dēvētais “alumīnija” tips) un tam piemīt elektronu konfigurācija [Ar] 3d10 4s2 4p1. Atommasa ir aptuveni 69,72 u, un dabā gallijs parasti sastopams kā retāks elements vai kā blakusprodukts alumīnija un citu metālu ieguvē.
Gallijs ir metāls, taču tam piemīt vairākas neparastas un noderīgas īpašības. Tā kušanas temperatūra ir 29,76 °C (aptuveni 85,58 °F), tādēļ to var viegli izkausēt, turot rokā (teorētiski tas izkusīs uz siltas ādas). Uz ādas var palikt viegls spīduma vai traipa efekts; elementārais gallijs nav stipri toksisks pieskaroties, taču tas nav paredzēts lietošanai iekšķīgi. Daži gallija savienojumi var būt bīstami vai toksiski.
Fizikālās un ķīmiskās īpašības
- Izskats: tīrā formā gallijs ir spīdīgi sudraba līdz zilganpelēks metāls.
- Kušanas un cietība: gallijs ir mīksts metāls ar zemu kušanas temperatūru (ap 29,76 °C). Tas izplešas, kristalizējoties, un cietā veidā var būt trausls.
- Elektriskā vadītspēja: kā metāls gallijs labi vada elektrību, taču tā savienojumi — piemēram, arsenīda vai nitrīda savienojumi — veido pusvadītājus, kas ir pamatmateriāli modernajā mikroelektronikā un datoros.
- Ķīmija: gallija parasti izrāda oksidācijas pakāpi +3 (retāk +1). Tā oksīds Ga2O3 ir amfotērs (reaktē gan ar skābēm, gan bāzēm) un veido pasīvā plēvi, kas aizsargā metālu no tālākas oksidēšanās.
Izplatība un iegūšana
Gallijs nav sastopams brīvā formā Zemes garozā; to parasti iegūst kā blakusproduktu boksīta (alumīnija rūdas) vai cinka pārstrādes procesiem. Vidējais saturs Zemes garozā ir salīdzinoši zems (daži desmiti ppm), tomēr industriāli pietiekams, jo to koncentrē rūdu apstrādes blakusproduktos.
Izotopi
Dabā sastopami divi stabilie izotopi — 69Ga un 71Ga — ar aptuveni 60:40 attiecību. Ir arī daudzi radioaktīvie izotopi, no kuriem dažus izmanto medicīnā (piem., 67Ga un 68Ga diagnostikai un attēlveidošanai).
Pielietojumi
- Elektronika un optoelektronika: gallija savienojumi, īpaši GaAs (gallija arsenīds) un GaN (gallija nitrīds), ir būtiski materiāli LED, lāzerdiodēm, augstas frekvences un augstas veiktspējas mikroshēmām un ātrgaitas elektronikai.
- Saules šūnas un optiskās ierīces: GaAs un citi gallija fosfīda/sānu materiāli tiek lietoti arī fotovoltaikā un optoierīcēs.
- Sakausējumi: zema kušanas punkta sakausējumi, piemēram, galinstan (galvenokārt Ga–In–Sn), tiek izmantoti kā drošas dzīvsudraba alternatīvas termometros un kā siltuma vadītāji.
- Spoguļi un optiskais pārklājums: šķidrā gallija spīdums ļauj to izmantot īpašos spoguļu veidošanas un optikas procesos (spoguļu materiāls).
- Medicīna un radiofarmācija: radioaktīvie izotopi (piem., 67Ga, 68Ga) tiek izmantoti audu attēlveidošanai; dažus gallija savienojumus izmanto terapijā (piem., gallija nitrāts specifiskos medicīniskos nolūkos).
- Pētniecība: galliju lieto kristalogrāfijā, kodolfizikas pētījumos un citās specializētās nozaru nozarēs, kur nepieciešama specifiska kristāliskā vai elektroniskā īpašība.
Sakarības ar citiem elementiem
Gallijs ir radniecīgs alumīnijam, indijam un tālijam — visi šie elementi pieder pie 13. grupas un dalās vairākās ķīmiskajās īpašībās, taču katram ir savas specifikas un pielietojuma jomas.
Drošība un vides ietekme
- Elementārais gallijs parasti neuzrāda smagu toksicitāti pie īslaicīgas ādas saskares, tomēr to nevajadzētu norīt vai lietot pārtikā. Uzmanība jāievēro, strādājot ar šķidru galliju vai smalkiem putekļiem.
- Daži gallija savienojumi ir toksiski vai kancerogēni (piemēram, gallija arsenīds satur arseniku) — ar tiem jāstrādā speciālos apstākļos un aizsargājošā aprīkojumā.
- Tekuša gallija spēj ierasties un iekļūt citu metālu graudstruktūrā, izraisot metālu trauslumu (metalurģiska embrittlement). Tā dēļ neiesaka lietot galliju uz alumīnija traukiem vai struktūrām, kur nepieciešama metāla mehāniskā izturība.
- Vides ziņā gallijs parasti nav ļoti biolokāls, bet rūpnieciskās emisijas un savienojumu izmeši jāregulē, lai novērstu potenciālu piesārņojumu.
Kopumā gallijs ir svarīgs mūsdienu tehnoloģiju elements: no augstas veiktspējas pusvadītājiem un LED līdz speciāliem sakausējumiem un radiofarmaceitiskām lietojumprogrammām. Tomēr tā īpašības prasa uzmanīgu rīcību ar metālu un jo īpaši ar tā toksiskajiem savienojumiem.
Gallija kristāli, kas savienoti kopā
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir gallijs?
A: Gallijs ir metāls, kas periodiskajā sistēmā ir 31. ķīmiskais elements.
J: Kāda ir gallija neparastā īpašība?
A: Gallija kušanas temperatūra ir 85,58 Fārenheita grādi, tāpēc, ja gallijs tiek turēts cilvēka rokās, tas izkusīs.
J: Vai galliju ir droši turēt rokās?
A: Gallijs ir drošs turēšanai rokās, bet tas nav ēdams.
J: Vai galliju var izmantot datoros?
A: Jā, galliju var izmantot datoros, jo tas ir pusvadītājs.
J: Kāda ir tīrāk iegūtā gallija krāsa?
A: Tīrākais ekstrahētais gallijs ir spilgti sudraba krāsā.
J: Kāds ir gallija lietojums šķidrā veidā?
A: Gallijs ir ļoti spīdīgs, tāpēc šķidrā veidā to izmanto spoguļu izgatavošanai.
J: Ar ko gallijs ir saistīts?
A: Gallijs ir radniecīgs alumīnijam, tālijam un indijam.
