갈륨 : 특성, 구조, 획득, 용도 - 화학 - 2025

갈륨은 주기율표의 13 족에 속하는 심볼의 Ga로 표시되는 금속 원소이다. 화학적으로 그것은 양쪽성에있어서 알루미늄과 유사하다. 그러나 두 금속은 결국 서로 구별 할 수있는 특성을 나타냅니다.

예를 들어, 알루미늄 합금은 모든 종류의 모양을 만들기 위해 가공 될 수 있습니다. 갈륨은 녹는 점이 매우 낮아 실질적으로 은색 액체로 구성됩니다. 또한 갈륨의 녹는 점은 알루미늄보다 낮습니다. 전자는 손의 열로 녹을 수 있지만 후자는 그렇지 않습니다.

갈륨의 과포화 용액 (액체 갈륨)에 작은 갈륨 조각을 침착시켜 얻은 갈륨 결정. 출처 : Maxim Bilovitskiy

갈륨과 알루미늄의 화학적 유사성은 또한 그것들을 지구 화학적으로 그룹화합니다. 즉, 보크 사이트와 같이 알루미늄이 풍부한 광물이나 암석은 상당한 갈륨 농도를 가지고 있습니다. 이 광물 학적 원천 외에 다른 아연, 납 및 탄소가 지각 전체에 널리 퍼져 있습니다.

갈륨은 널리 알려진 금속이 아닙니다. 그 단순한 이름은 마음에 수탉의 이미지를 연상시킬 수 있습니다. 사실, 갈륨의 그래픽 및 일반적인 표현은 일반적으로 은색 수탉의 이미지에서 발견됩니다. 액체 갈륨, 유리, 세라믹 및 손에 매우 습윤성이 높은 물질로 페인트합니다.

금속 갈륨 조각을 손으로 녹이는 실험은 빈번하며 액체의 조작과 접촉하는 모든 것을 얼룩지게하는 경향이 있습니다.

갈륨은 수은과 마찬가지로 독성이 없지만 금속을 파괴하고 부서지기 쉽고 쓸모 없게 만듭니다 (첫 번째 경우). 다른 한편으로 생물학적 매트릭스가 철을 사용하는 과정에 약리학 적으로 개입합니다.

광전자 공학 및 반도체 분야의 사람들에게 갈륨은 실리콘 자체에 필적 할 수 있고 아마도 그보다 우월 할 정도로 높은 평가를받을 것입니다. 다른 한편으로 갈륨, 온도계, 거울 및 합금을 기반으로 한 물체가 만들어졌습니다.

화학적으로이 금속은 여전히 ​​많은 것을 제공합니다. 촉매, 핵 에너지 분야, 새로운 반도체 재료 개발, 또는 혼동되고 복잡한 구조의 명확화에서 "간단히".

역사

그것의 존재에 대한 예측

1871 년 러시아의 화학자 Dmitri Mendeleev는 알루미늄과 비슷한 성질을 가진 원소의 존재를 이미 예측했습니다. 그는 ekaluminio로 명명되었습니다. 이 요소는 알루미늄 바로 아래에 있어야했습니다. Mendeleev는 또한 ekaluminium의 특성 (밀도, 융점, 산화물의 공식 등)을 예측했습니다.

발견과 격리

놀랍게도 4 년 후 프랑스의 화학자 Paul-Emili Lecoq de Boisbaudran은 피레네 산맥의 sphalerite (아연 혼합) 샘플에서 새로운 원소를 발견했습니다. 그는 다른 원소의 스펙트럼과 일치하지 않는 두 개의 보라색 선의 스펙트럼을 관찰 한 분광 분석 덕분에 그것을 발견 할 수있었습니다.

새로운 원소를 발견 한 Lecoq은 430kg의 sphalerite에 대한 실험을 수행하여 0.65g을 분리 할 수있었습니다. 일련의 물리적 및 화학적 특성을 측정 한 후 그는 그것이 Mendeleev의 ekaluminium이라고 결론지었습니다.

이를 분리하기 위해 Lecoq은 수산화 칼륨에서 각각의 수산화물을 전기 분해했습니다. 아마도 그가 sphalerite를 녹인 것과 같은 것입니다. 에칼 루미늄이라는 것을 증명하고 발견 자이기도 한 그는 '갈륨'(영어로 갈륨)이라는 이름을 붙였습니다. 이 이름은 라틴어로 프랑스를 의미하는 'Gallia'라는 이름에서 파생되었습니다.

그러나 이름은 또 다른 호기심을 나타냅니다. 프랑스어로 'Lecoq'는 '수탉'을 의미하고 라틴어로 'gallus'를 의미합니다. 금속이기 때문에 '갈루스'는 '갈륨'이되었습니다. 스페인어에서는 변환이 훨씬 더 직접적입니다. 따라서 갈륨에 대해 말할 때 수탉이 생각되는 것은 우연이 아닙니다.

물리 화학적 특성

외관 및 물리적 특성

갈륨은 떫은 맛이 나는 무취의 유리 표면의 은색 금속입니다. 그것의 고체는 부드럽고 부서지기 쉬우 며, 부서 질 때 너무 conchoidal합니다. 즉, 형성된 조각은 바다 조개와 유사하게 구부러져 있습니다.

녹 았을 때 보는 각도에 따라 푸른 빛을 발할 수 있습니다. 이 은색 액체는 접촉시 독성이 없습니다. 그러나 특히 세라믹이나 유리 인 경우 표면에 너무 많이 "고착"됩니다. 예를 들어, 갈륨 한 방울이 유리 컵 내부에 스며 들어 은색 거울로 코팅 할 수 있습니다.

갈륨의 고체 조각이 액체 갈륨에 침전되면 반짝이는 갈륨 결정이 빠르게 발달하고 자라는 핵 역할을합니다.

원자 번호 (Z)

31 ( _31가 )

몰 질량

69.723g / 몰

녹는 점

29.7646 ° C 이 온도는 갈륨 유리가 녹을 때까지 두 손으로 단단히 잡고 도달 할 수 있습니다.

비점

2400 ° C 29.7 ºC와 2400 ºC 사이의 큰 차이에 유의하십시오. 즉, 액체 갈륨은 증기압이 매우 낮기 때문에 액체 상태와 기체 상태 사이의 온도 차이가 가장 큰 원소 중 하나입니다.

밀도

ᆞ 상온 : 5.91g / cm ³

-융점 : 6.095g / cm ³

물과 마찬가지로 갈륨에서도 동일한 현상이 발생합니다. 액체의 밀도는 고체의 밀도보다 큽니다. 따라서 결정은 액체 갈륨 (갈륨 빙산)에 떠있게됩니다. 사실, 고체의 부피 팽창은 플라스틱으로 만들어지지 않은 용기에 액체 갈륨을 저장하는 것이 불편할 정도로 (3 배) 불편합니다.

융합 열

5.59 kJ / 몰

기화열

256 kJ / 몰

몰 열용량

25.86 J / (몰 K)

증기압

1037ºC에서는 액체 만 1Pa의 압력을가합니다.

전기 음성도

1.81 폴링 척도

이온화 에너지

-첫 번째 : 578.8 kJ / mol (Ga ⁺ 가스)

-두 번째 : 1979.3 kJ / mol (Ga ²⁺ 기체)

-3 번째 : 2963 kJ / mol (Ga ³⁺ 기체)

열 전도성

40.6W / (m · K)

전기 저항

20ºC에서 270nΩ m

모스 경도

1.5

점도

32ºC에서 1,819cP

표면 장력

30ºC에서 709 다인 / cm

양쪽 성

알루미늄과 마찬가지로 갈륨은 양쪽 성입니다. 산과 염기 모두와 반응합니다. 예를 들어, 강산은 그것을 용해시켜 갈륨 (III) 염을 형성 할 수 있습니다. H ₂ SO ₄ 와 HNO ₃ 이면 각각 Ga ₂ (SO ₄ ) ₃ 및 Ga (NO ₃ ) _{3이 생성} 됩니다. 강염기와 반응 할 때 반면, 몰식자산 염 이온의 Ga (OH)와 함께 일어난다 _네 ^- .

의 Ga (OH) 간의 유사성 주 ₄ ^- 와 Al (OH) ₄ ^- (알루미). 암모니아가 매질에 첨가되면, 갈륨 (III) 수산화물, Ga (OH) ₃ 가 형성되며, 이는 또한 양쪽 성입니다. 강염기와 반응하면 Ga (OH) _4- ^다시 생성 되지만 강산과 반응하면 복잡한 수성 ^3+를 방출합니다 .

반동

금속 갈륨은 실온에서 상대적으로 불활성입니다. 얇은 산화물 층인 Ga ₂ O ₃ 는 산소와 황으로부터 보호하므로 공기와 반응하지 않습니다 . 그러나 가열되면 금속의 산화가 계속되어 산화물로 완전히 변형됩니다. 황이 존재하면 고온에서 반응하여 Ga ₂ S ₃ 을 형성 합니다.

갈륨 산화물과 황화물뿐만 아니라 인화물 (GaP), 비화물 (GaAs), 질화물 (GaN) 및 안티몬화물 (GaSb)도 있습니다. 이러한 화합물은 고온에서 원소의 직접적인 반응 또는 대체 합성 경로에 의해 발생할 수 있습니다.

마찬가지로 갈륨은 할로겐과 반응하여 각각의 할로겐화물을 형성 할 수 있습니다. Ga ₂ Cl ₆ , GaF ₃ 및 Ga ₂ I _{3과 같은} .

이 금속은 알루미늄과 그 동종 (동일한 그룹 13의 구성원)과 같이 탄소 원자와 공유 적으로 상호 작용하여 유기 금속 화합물을 생성 할 수 있습니다. Ga-C 결합이있는 경우 유기 갈륨이라고합니다.

갈륨의 가장 흥미로운 점은 이전의 화학적 특성이 아니라 합금화가 매우 용이하다는 것입니다 (수은 및 그 융합 과정과 유사 함). 그것의 Ga 원자는 금속 결정 사이를 빠르게 "문지르고"갈륨 합금을 만든다.

구조 및 전자 구성

복잡성

갈륨은 손바닥의 열로 녹는 금속이라는 점에서 특이 할뿐만 아니라 그 구조가 복잡하고 불확실합니다.

한편, 그 결정은 정상 조건에서 사방 정계 구조 (Ga-I)를 채택하는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 이것은 원자의 정확한 순서가 지정되지 않은이 금속에 대해 가능한 많은 단계 중 하나 일뿐입니다. 따라서 이는 언뜻보기에 보이는 것보다 더 복잡한 구조입니다.

구조를 분석하는 각도 나 방향 (이방성)에 따라 결과가 달라지는 것 같습니다. 마찬가지로, 이러한 구조는 온도 또는 압력의 가장 작은 변화에 매우 민감합니다. 즉, 데이터 해석시 갈륨을 단일 유형의 결정으로 정의 할 수 없습니다.

이량 체

Ga 원자는 금속 결합 덕분에 서로 상호 작용합니다. 그러나 인접한 두 원자 사이에서 어느 정도의 공유가 발견되었으므로 Ga ₂ 이량 체 (Ga-Ga)의 존재 가 가정 됩니다.

이론적으로이 공유 결합은 전자 구성에 따라 유일한 전자와 함께 4p 궤도의 중첩에 의해 형성되어야합니다.

3d ¹⁰ 4s ² 4p ¹

공유-금속 상호 작용의이 혼합물은 갈륨의 낮은 융점에 기인합니다. 한편으로는 Ga 원자를 결정에 단단히 묶는 "전자 바다"가있을 수 있지만, 다른 한편으로 는 분자간 상호 작용이 약한 Ga ₂ 이량 체로 구성되는 구조 단위 가 있기 때문입니다.

고압 단계

압력이 4에서 6GPa로 증가하면 갈륨 결정이 상전이를 겪습니다. 사방 정계에서 몸을 중심으로 한 입방체 (Ga-II)로 지나가고, 이로부터 마침내 몸통을 중심으로하는 정 방면 (Ga-III)으로 전달됩니다. 압력 범위에서 아마도 결정의 혼합물이 형성되어 구조 해석이 더욱 어려워집니다.

산화 번호

가장 에너지가 많은 전자는 4s 및 4p 궤도에서 발견되는 전자입니다. 그들 중 세 개가 있기 때문에 갈륨은 전기 음성보다 더 많은 원소와 결합 될 때 갈륨을 잃을 수 있습니다.

이것이 발생하면 Ga ³⁺ 양이온의 존재를 가정 하고 그 수 또는 산화 상태를 +3 또는 Ga (III)라고합니다. 사실, 이것은 모든 산화수 중 가장 일반적입니다. 다음의 화합물은, 예를 들어, +3 갈륨을 갖는다 :의 Ga ₂ O ₃ (GA ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ), 조지아 ₂ 브롬 ₆ (GA ₂ ³⁺ 브롬 ₆ ^- ), 리튬 ₃ GaN으로 ₂ (리튬 ₃ ⁺ Ga ³⁺ N ₂ ^3- ) 및 Ga ₂ Te ₃ (Ga ₂³⁺ Te ₃ ^2- ).

갈륨은 또한 +1과 +2의 산화수를 가지고 있습니다. 그들은 +3보다 훨씬 덜 일반적이지만 (알루미늄과 유사). 이러한 화합물의 예는있는 GaCl (GA이다 ⁺ CL ^- , GA) ₂ O (GA ₂ ⁺ O ² ) 가스 (GA ²⁺ S ² ).

고려되는 산화 수와 동일한 전하 크기를 가진 이온의 존재는 항상 가정됩니다 (올바른지 여부).

찾아서 얻을 수있는 곳

희귀하지만 상당한 농도의 갈륨을 가진 유일한 광물 인 갈리 타 샘플. 출처 : Rob Lavinsky, iRocks.com-CC-BY-SA-3.0

갈륨은 지각에서 발견되며 금속 코발트, 납 및 니오븀에 비례하여 풍부합니다. 수화 된 황화물 또는 산화물로 나타나며 다른 미네랄에 포함 된 불순물로 널리 퍼집니다.

그 산화물과 황화물은 물에 잘 녹지 않기 때문에 바다와 강의 갈륨 농도가 낮습니다. 또한 갈륨에 "풍부한"미네랄은 갈리 타뿐입니다 (CuGaS ₂ , 상단 이미지). 그러나이 금속을 얻기 위해 암탉을 이용하는 것은 비현실적입니다. 덜 알려진 것은 미네랄 갈륨 plumbogumite입니다.

따라서이 금속에 이상적인 광석은 없습니다 (농도 0.1 질량 % 이상).

대신 갈륨은 다른 금속 광석의 야금 학적 처리의 부산물로 얻어집니다. 예를 들어 보크 사이트, 아연 블렌더, 명반, 석탄, 방연석, 황철광, 게르 마 나이트 등에서 추출 할 수 있습니다. 즉, 일반적으로 다른 광 물체의 알루미늄, 아연, 탄소, 납, 철 및 게르마늄과 관련이 있습니다.

이온 교환 크로마토 그래피 및 전기 분해

미네랄 원료가 강산성 또는 염기성 매체에서 소화되거나 용해되면 물에 용해 된 금속 이온 혼합물이 얻어진다. 갈륨은 2 차 생성물이므로 관심 금속이 침전되면 Ga ³⁺ 이온 이 혼합물에 용해 된 상태로 남아 있습니다.

따라서 이러한 Ga ³⁺ 를 다른 이온과 분리하는 것이 바람직하며 , 그 농도와 생성되는 금속의 순도를 높이기위한 목적으로 만 사용됩니다.

이를 위해 기존의 침전 기술 외에도 수지를 사용하여 이온 교환 크로마토 그래피가 사용됩니다. 이 기술 덕분에 (예를 들어) Ga ³⁺ 를 Ca ²⁺ 또는 Fe ³⁺ 에서 분리 할 수 ​​있습니다 .

Ga ³⁺ 이온의 고농축 용액이 얻어 지면 전기 분해됩니다. 즉, Ga ³⁺ 는 전자를 받아 금속으로 형성 할 수 있습니다.

동위 원소

갈륨은 자연에서 주로 두 개의 동위 원소로 발견됩니다 : ⁶⁹ Ga, 풍부한 60.11 %; 및 ⁷¹ Ga, 39.89 %. 이러한 이유로 갈륨의 원자량은 69.723u입니다. 갈륨의 다른 동위 원소에서부터 원자 질량으로 합성 방사성 ⁵⁶ 조지아에 ⁸⁶ 조지아.

위험

환경 및 물리적

환경 적 관점에서 금속 갈륨은 반응성이 높고 물에 용해되지 않으므로 이론상 유출은 심각한 오염 위험을 나타내지 않습니다. 또한, 대부분의 원자가 소변으로 배설되고 조직에 축적 된 흔적이없는 유기체에서 어떤 생물학적 역할을 할 수 있는지는 알려져 있지 않습니다.

수은과 달리 갈륨은 맨손으로 다룰 수 있습니다. 사실 손의 열기로 녹이는 실험은 아주 흔하다. 사람은 피부를 손상 시키거나 다칠 염려없이 결과물 인 은액을 만질 수 있습니다. 은색 얼룩이 남긴하지만

그러나 그것을 섭취하면 이론상 위에서 용해되어 GaCl ₃ 을 생성하기 때문에 독성이있을 수 있습니다 . 몸에 미치는 영향이 금속과 무관 한 갈륨 염.

금속 손상

갈륨은 표면에 얼룩이 많이 생기거나 달라 붙는 것이 특징입니다. 그리고 이것이 금속이라면, 그것들을 통과하여 즉시 합금을 형성합니다. 거의 모든 금속과 합금 할 수있는 이러한 특성으로 인해 금속 물체에 액체 갈륨을 흘리는 것은 부적절합니다.

따라서 금속 물체는 갈륨이있는 상태에서 조각으로 부서 질 위험이 있습니다. 그것의 행동은 너무 느리고 눈에 띄지 않아 바람직하지 않은 놀라움을 가져올 수 있습니다. 특히 금속 의자에 엎지른 경우 누군가가 앉으면 무너질 수 있습니다.

그렇기 때문에 갈륨을 취급하려는 사람들은 갈륨을 다른 금속과 접촉해서는 안됩니다. 예를 들어, 그 액체는 알루미늄 호일을 용해시킬 수있을뿐만 아니라 인듐, 철 및 주석 결정에 몰래 들어가서 부서지기 쉽습니다.

일반적으로 위에서 언급 한 것과 그 증기가 실온에서 거의 존재하지 않는다는 사실에도 불구하고 갈륨은 일반적으로 독성이없는 안전한 원소로 간주됩니다.

응용

온도계

갈린 스탄 온도계. 출처 : Gelegenheitsautor

갈륨은 온도계로 표시된 온도를 읽기 위해 액체로 수은을 대체했습니다. 그러나이 응용 분야에서는 녹는 점 29.7ºC가 여전히 높기 때문에 금속 상태에서는 온도계에서 사용할 수 없습니다. 대신 Galinstan (Ga-In-Sn)이라는 합금이 사용됩니다.

Galinstan 합금의 융점은 약 -18ºC이며 독성이 전혀 없어 수은에 독립적 인 의료용 온도계 설계에 이상적인 물질입니다. 이런 식으로 만약 그것이 깨질 경우 엉망진창을 치우는 것이 안전 할 것입니다. 표면을 젖게 할 수 있기 때문에 바닥을 더럽힐 수 있습니다.

거울 제조

다시 말하지만 갈륨과 그 합금의 습윤성이 언급됩니다. 도자기 표면이나 유리에 닿으면 은색 거울로 완전히 덮일 때까지 전체 표면에 퍼집니다.

거울 외에도 갈륨 합금은 일단 냉각되면 굳기 때문에 모든 모양의 물체를 만드는 데 사용되었습니다. 이것은 매우 작은 크기의 물체를 만드는 것, 즉 저온에서 논리적으로 작동하고 갈륨을 기반으로 한 고유 한 특성을 보여주는 매우 작은 크기의 물체를 만드는 것입니다.

컴퓨터

컴퓨터 프로세서에 사용되는 열 페이스트는 갈륨 합금으로 만들어졌습니다.

약제

Ga ³⁺ 이온 은 대사 과정에 개입하는 방식에서 Fe ³⁺ 와 약간 유사 합니다. 따라서 철이 기능을 수행하는 데 필요한 기능, 기생충 또는 박테리아가있는 경우 갈륨으로 착각하여 중단 할 수 있습니다. 이것이 슈도모나스 박테리아의 경우입니다.

그래서 이것은 단순히 무기 염 또는 유기 갈륨으로 구성 될 수있는 갈륨 약물이 나타나는 곳입니다. 질산 갈륨의 상품명 인 Ga (NO ₃ ) ₃ 는 골암과 관련된 높은 칼슘 농도 (고칼슘 혈증)를 조절하는 데 사용됩니다.

기술

갈륨 비소 및 질화물은 특정 광전자 응용 분야에서 실리콘을 대체하는 반도체라는 특징이 있습니다. 이를 통해 트랜지스터, 레이저 다이오드 및 발광 다이오드 (청색 및 보라색), 칩, 태양 전지 등이 제조되었습니다. 예를 들어 GaN 레이저 덕분에 Blu-Ray 디스크를 읽을 수 있습니다.

촉매

갈륨 산화물은 산업적 관심이 큰 다양한 유기 반응에서 촉매 작용을 연구하는 데 사용되었습니다. 새로운 갈륨 촉매 중 하나는 자체 액체로 구성되며, 그 위에 활성 중심 또는 부위로 기능하는 다른 금속의 원자가 분산되어 있습니다.

예를 들어, 갈륨-팔라듐 촉매는 부탄의 탈수 소화 반응에서 연구되었습니다. 즉, 부탄을 다른 산업 공정에 필요한 반응성이 더 높은 불포화 종으로 전환하는 것입니다. 이 촉매는 팔라듐 원자에 대한 지지체 역할을하는 액체 갈륨으로 구성됩니다.

참고 문헌

1. 셀라 안드레아. (2009 년 9 월 23 일). 갈륨. 화학 세계. 출처 : chemistryworld.com
2. Wikipedia. (2019). 갈륨. 출처 : en.wikipedia.org
3. Li, R., Wang, L., Li, L., Yu, T., Zhao, H., Chapman, KW Liu, H. (2017). 압력 하에서 액체 갈륨의 국소 구조. 과학 보고서, 7 (1), 5666. doi : 10.1038 / s41598-017-05985-8
4. 브라 하마 D. 샤르마 & 제리 도노 휴. (1962). 갈륨 결정 구조의 개선. Zeitschrift fiir Kristallographie, Bd. 117, S. 293-300.
5. Wang, W., Qin, Y., Liu, X. et al. (2011). 내몽골의 Jungar Coalfield 석탄에서 갈륨의 분포, 발생 및 농축 원인. 과학 중국 지구 과학 54 : 1053. doi.org/10.1007/s11430-010-4147-0
6. 마르케스 미구엘. (sf). 갈륨. 복구 위치 : nautilus.fis.uc.pt
7. 브리태니커 백과 사전 편집자. (2018 년 4 월 5 일). 갈륨. 브리태니커 백과 사전. 출처 : britannica.com
8. 블룸 조쉬. (2017 년 4 월 3 일). 갈륨 : 손이 아닌 입에서 녹습니다! 미국 과학 및 건강위원회. 출처 : acsh.org
9. 더그 스튜어트 박사. (2019). 갈륨 원소 사실. 케미 쿨. 출처 : chemicool.com
10. 국립 생명 공학 정보 센터. (2019). 갈륨. PubChem 데이터베이스. CID = 5360835. 출처 : pubchem.ncbi.nlm.nih.gov