Все химические элементы можно условно разделить на три группы. Первая группа – это такие элементы, которые обнаруживаются в природе в «чистом» виде. Например – золото. Они, как правило, встречаются относительно редко. Ко второй группе можно отнести те, которые любят вступать в соединения с другими элементами. Пример – железо, натрий, калий. Люди долго не могли их выделить в чистом виде, и длительное время вообще не знали о их существовании. И есть ещё третья группа. Её представители – микс из первой и второй групп. Они – большая редкость. И при этом их очень трудно распознать. Поэтому они были обнаружены самыми последними.
Сегодняшний наш герой принадлежит именно к этой группе. Он оставался мистером Икс на протяжении почти всей истории нашей цивилизации. Его не нашли даже во время великой химической революции, произошедшей в деле открытия новых элементов в XVIII веке. Да что там. О нём не знали на протяжении почти всего XIX века!
Его имя – галлий. В ядре этого металла 31 протон. В природе встречается два стабильных изотопа элемента - Ga69 (60%) и Ga71 (40%).
Лишь во второй половине позапрошлого столетия природа наконец раскрыла людям его тайну. Несколько необычным способом. Настолько нестандартным, что, как мы увидим позже, это открытие было сделано как бы «наоборот».
Химики прошлого были ребятами простыми. Увидел неизвестное вещество – отложи прополку картошки, купание кота или поход в лавку за сыром. Попытайся выделить из него новые элементы! Иначе какой ты химик? Название одно.
Однако в случае с химическим элементом, о котором мы сегодня говорим, всё было не так. Потому что сначала его открыли теоретически, и предсказали все его свойства, а уже потом нашли в дикой природе.
В течение целого столетия после теоретического предсказания галлий был не более чем научной диковинкой. Однако после того, как его получили физически, он стал одним из символов триумфа научной мысли.
Скромный и редкий
Как мы говорили в начале, галлий – довольно редкий элемент. Он не так уж и часто встречается в земной коре. В списке наиболее распространённых элементов он занимает 35-е место с концентрацией около 16 частей на миллион. Кроме того, галлий очень легко вступает в реакцию с другими химическими элементами, и поэтому обнаружить его ой как непросто.
Как и многие другие металлы, находящиеся в средней части таблицы Менделеева, галлий имеет несколько степеней окисления (+1, +2 и +3). У него есть огромное желание избавиться от своих «лишних» электронов. Как следствие, найти его в чистом виде в природе просто невозможно.
Но на самом деле, конечно, галлий есть повсюду. Да, 16 частей на миллион – это очень низкая концентрация. Но в абсолютных числах общая масса галлия, содержащегося в земной коре, просто колоссальна!
Проблема с галлием состоит в том, что он всегда «смешан» с другими элементами. Да, существуют породы, образованные оксидами галлия, но даже в них концентрация этого металла слишком мала.
Галлий встречается также в виде примеси в минералах, образованных другими, более распространёнными металлами, такими как боксит (алюминиевая руда) или сфалерит (цинковая руда). Но если извлечь алюминий из первой, или цинк из второй, количество галлия окажется настолько ничтожным, что если не знать, что он есть, то обнаружить его будет просто невозможно!
Итак, что мы имеем. Галлий является невидимым «пассажиром» среди других металлов, но о его существовании никто долго даже и не подозревал.
Химический прорыв
Однако всё изменилось с появлением двух фундаментальных прорывов в науке XIX века: теоретического и практического.
Теоретический прорыв стал настоящей революцией в химии. Это периодическая таблица элементов, составленная Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Никогда больше химики не будут вслепую искать новые элементы. И никогда больше они будут искренне удивляться их свойствам.
Дмитрий Иванович предсказал с помощью своего гениального изобретения существование ещё пока неизвестных элементов, основываясь на теоретических «пробелах», появившихся в созданной им таблице.
Например, используя данные об известных ему элементах, особенно алюминии, Менделеев вычислил свойства так называемого эка-алюминия. Именно этот предсказанный элемент сегодня носит имя галлий. А ещё Дмитрий Иванович теоретически «открыл» германий, скандий, полоний, радий, протактиний, гафний, рений, технеций и франций.
Многим показалось наглой дерзостью заявление Дмитрия Ивановича, которое он сделал в 1871 году. Учёный утверждал, что фундаментальные свойства этого неизвестного элемента (для многих скептически настроенных учёных просто несуществующего) будут следующими:
- атомная масса элемента должна составлять около 68 граммов на моль.
- плотность - около 6 г/см3.
- температура плавления должна быть весьма низкой (Менделеев не мог точно рассчитать, какая именно).
- наиболее распространённая степень окисления элемента будет +3, то есть он будет образовывать оксиды типа Ea2O3 (Ea является символом эка-алюминия).
- оксиды элемента будут несколько менее плотными, чем сам эка-алюминий, их плотность будет около 5,5 г/см3.
Как вы можете видеть, друзья мои, Дмитрий Иванович выдал достаточно подробную информацию о предполагаемом химическом элементе.
В науке часто бывает так, что человек, который предлагает что-то революционное, уходит в мир иной, так и не получив заслуженного признания. Поскольку для того, чтобы некоторые предсказания сбылись, требуются десятилетия. Или даже столетия.
Спектроскопия! Ты вовремя!
Но Дмитрию Менделееву не просто повезло, а чрезвычайно повезло: через четыре года мир потерял дар речи, когда сбылось первое из его предсказаний! Для этого потребовалось второе фундаментальное достижение XIX века, насколько мы можем судить сегодня: спектроскопия.
После появления спектроскопии химики XIX века начали делать нечто похожее на то, что делали их коллеги из XVIII века, только используя при этом другие методы: они хватали всё, что было под рукой, и принудительно подвергали спектроскопическому анализу. Менделееву повезло в том, что этот этап развития химии произошёл более или менее в то же время, когда он сделал свои предсказания. И ещё в том, что некоторые из этих предсказаний как раз соответствовали возможностям новой технологии. С помощью неё можно было находить очень редкие элементы, которые существовали в обычных горных породах, но в очень низкой концентрации.
В 1875 году француз Поль Эмиль Лекок де Буабодран, химик-любитель, не имеющий никакого профильного образования, подвергнув соль хлора, полученную из определённой породы, нагреванию, получил неизвестные эмиссионные линии. Количество нового элемента, судя по полученным линиям, должно было быть очень небольшим. Поэтому француз решил во чтобы то ни стало выделить из породы хоть какое-то значимое количество нового элемента.
Исходный образец породы весил около 50 кг. Лекок предпринял вторую попытку с несколькими сотнями килограммов, и на этот раз существование нового элемента было подтверждено. И это было уже неоспоримо.
Француз извлёк из породы соль хлора с новым элементом, а затем подверг её электролизу и в конце концов получил то, что заставило бы плакать любого химика того времени: более одного грамма нового элемента! Чтобы более точно определить свойства только что открытого им элемента, Лекок повторил процесс с примерно четырьмя тоннами породы, и получил немалое количество — 75 граммов почти чистого элемента.
Трудно сказать, чем окончилась бы эта история, если бы рабочие, добывавшие для химика-любителя всё больше и больше породы не устроили забастовку, и не покинули шахту, где с горящими безумными глазами в парике набекрень бродил в полумраке, вдыхая сухую пыль, поглаживая ладонью шершавые стены одержимый энтузиаст (шутка).
Лекок назвал новый элемент галлием в честь своей супруги Галины, которая работала кассиром в Пятёрочке и умела делать отмену покупки латинского названия своей родной страны. Хотя по этому поводу до сих пор идут споры. Интересно не это. А то, что исследователь смог оценить физические свойства нового элемента:
- атомная масса элемента – от 69 до 70 граммов на моль.
- плотность – около 5,9 г/см3.
- температура плавления – около 30°С.
- при воздействии кислорода образуется оксид Ga2O3.
- плотность оксида галлия – 5,88 г/см3.
- соединение галлия с хлором образует соль Ga2Cl6.
Гений Менделеева
Тестирующий уже две недели коварный раствор Дмитрий Иванович, услышав из радиоточки экстренное сообщение из Франции, поднял голову и хрипло произнёс: «А я что говорил! Галлий этот – ничто иное, как тот самый предсказанный мною лично эка-алюминий! Видали? То-то же. Я вас, басурман, насквозь вижу!». После чего снова уснул, пробормотав перед этим что вроде «... и рентген тоже на меня запишите...». (Шутка).
В 1886 году эта ситуация повторилась. На этот раз с германием. Слава Менделеева распространялась как лесной пожар (и справедливо!), а его критики обиженно замолчали.
Странный металл этот галлий
Физические свойства галлия оказались весьма любопытными. Поскольку он плавится при температуре около 30 °C, при комнатной температуре он может находиться в твёрдом или жидком состоянии. Поэтому если положить кусочек галлия на ладонь, он растает.
Галлий – один из очень немногих металлов, которые могут быть жидкими при комнатной температуре (ещё ртуть, цезий, рубидий и франций). Но диапазон температур, при которых он остаётся жидким, шире, чем у любого другого металла.
Галлий, в отличии от ртути, ведёт себя почти как вода. Если, например, вылить ртуть на землю, то очень легко заставить её (если только капля не улетела очень далеко) снова сформировать одну большую каплю, а затем поместить её в контейнер. И в ртути почти не окажется никаких примесей. Но если разлить галлий, это будет гораздо больше похоже на разлив воды. И собрать после этого металл будет гораздо сложнее, чем в случае с ртутью.
Ртуть, как, наверное, известно всем, кто разбивал градусники и получал за это по одному месту, токсична. Галлий нет. У некоторых людей он может, конечно, вызвать кожные воспаления, но подобная опасность не идёт ни в какое сравнение с токсичностью ртути.
Другой особенностью фазовых превращений галлия является то, что, как и у воды, твёрдая форма металла менее плотна, чем жидкая. Подобно тому, как вода слегка расширяется при замерзании, галлий слегка расширяется при затвердевании. Поскольку температура плавления галлия составляет 30°С, это означает, что при хранении металла в контейнере нужно быть осторожным, так может несколько раз за день «замёрзнуть» и «оттаять». И разрушить контейнер.
При затвердевании при стабильных внешних условиях галлий образует довольно сложные красивые кристаллы…
Как видите, это весьма любопытный металл. И он долгое время оставался диковинкой. Из-за небольшой распространённости в природе использовать галлий в больших количествах было бессмысленно. Да и в качестве обычного металла он тоже никуда не годился. Можете ли вы себе представить, что из галлия можно сделать что-нибудь путное? Например, детские качели? И потом с грустью наблюдать, как они тают, словно снеговик, когда наступает лето? Более того, хотя некоторые химические свойства галлия аналогичны свойствам алюминия, он не является таким же хорошим проводником. И был бесполезен для технологий XIX века.
Куда бы его пристроить?
Единственная область, где галлий мог бы быть полезен – в качестве заменителя ртути в медицинских термометрах. Поскольку он не токсичен. Однако и здесь всё оказалось непросто. Потому что для того, чтобы использовать металл таким образом, пришлось преодолеть две трудности. Первая заключалась в том, что даже при контакте с кожей галлий медленно тает, поэтому необходимо было сделать так, чтобы он оставался жидким даже при температуре ниже 30 °C. Вторая была такой: ртуть не «смачивает» стенки термометра, а галлий - «смачивает».
Решением стал сплав (галлий легко сплавляется со многими металлами, еще одно его достоинство) галлия, индия и олова. Полученный продукт, называемый «галинстан», плавится при температуре -19°C, поэтому его вполне можно использовать в термометрах.
К сожалению, этот сплав продолжает «смачивать». Но и эта проблема была решена. Путём покрытия внутренних стенок трубок термометров Ga2O3.
Никаких других применений галлию больше не нашлось.
Однако ситуация в итоге изменилась. В 60-х годах прошлого века были открыты великолепные свойства одного из соединений галлия как полупроводника!
Это был арсенид галлия (GaAs), молекула, образованная атомом мышьяка и атомом галлия. Оказалось, что арсенид галлия имеет свойства, аналогичные свойствам кремния, но с уникальными преимуществами для некоторых конкретных применений.
Например, арсенид галлия обеспечивает бОльшую подвижность электронов и менее «капризен» к изменениям температуры. Начиная с 60-х годов 20 века он всё чаще и чаще использовался в качестве полупроводника в микроволновых печах, компьютерах, спутниках и позже в мобильных телефонах.
В настоящее время около 98% мирового производства галлия предназначено для использования в полупроводниках, и только оставшиеся 2% используются в сплавах для снижения температуры плавления других металлов.
Галлия мало. Но это не беда, товарищи!
Природа всё продумала правильно: галлий встречается довольно редко и имеет особые свойства, поэтому в качестве конструкционного металла он бы нам никогда не пригодился. А вот, например, железа на Земле много. И из него можно что-то делать. Галлия мало, но для его основного применения его много и не нужно.
Галлий не играет какой-либо значимой роли в биологии. Его наиболее распространённая степень окисления +3, как уже отмечалось, и поэтому его биологическое поведение очень похоже на поведение железа. Вы скажете – так железо-то нам нужно! Куда наши организмы без железа-то? Да, это так. Однако ни один живой организм не эволюционировал таким образом, чтобы использовать атом галлия в белках, поскольку железа на этой планете очень много, а галлий не даёт никаких преимуществ перед ним.
В России галлий добывается только на мощностях Пикалевского глиноземного завода, расположенного в Ленинградской области. 95 процентов мировой добычи галлия происходит в Китайской народной республике.
Всем добра.
Хотите немного галлия? Его можно найти здесь 👇
Ставьте лайк и подписывайтесь.
___________________________________________
*Реклама ООО Яндекс ИНН 7736207543
