გალიუმი

გალიუმი წარმოადგენს ქიმიურ ელემენტს, რომლის სიმბოლოა Ga და ატომური ნომერი 31. ბუნებაში ელემენტური გალიუმი არ მოიპოვება, მაგრამ გალიუმ (III) მარილები კვალის სახით გვხვდება ბოქსიტებში და თუთიის საბადოებში. გალიუმი წარმოადგენს რბილ მოვერცხლისფრო-თეთრი ფერის მეტალს, დაბალი ლღობის ტემპერატურით 302.91K (29.76°C, 85.576°F), რომელიც ახლოსაა ოთახის ტემპერატურასთან. იგი შეიძლება ხელშიც კი გალღვეს. გალიუმი ერთადერთი მეტალია, რომლის კრისტალური მესერი შედგება ორატომიანი მოლეკულებისაგან (Ga₂), რომელიც  შენარჩუნებულია თხევად გალიუმშიც. მისი სიმკვრივე (6.1 გ/სმ³) მეტია მყარი მეტალის სიმკვრივეზე (ანალოგია წყალტან და ბისმუტთან და სხვა). თხევადი გალიუმი ჩვეულებრივ ტემპერატურაზე დიდხანს რჩება ”გადამეტცივებულ” მდგომარეობაში და დიდხანს არ მყარდება. გალიუმის ეს თვისება და მისი მაღალი დუღილის ტემპერატურა (2300°C) და გაცხელებისას საკმაოდ თანაბარი გაფართოება, მას ხდის ძვირფას მასალად მაღალი ტემპერატურების გასაზომად (500 – 1000°C-დან ზევით) თერმომეტრების დასამზადებლად (კვარცის თერმომეტრები).

ნახევარგამტარებში ძირითადად გამოიყენება გალიუმის არსენიდი (მიკროტალღურ წრებრუნვასა და ინფრაწითელ გამოსხივებაში). გალიუმის ნიტრიდი და ინდიუმ-გალიუმის ნიტრიდი (ნაკლებად გამოიყენებიან ნახევარგამტარებად) იძლევიან ლურჯი და იისფერი ნათების დიოდებს (LEDs) და ლაზერულ დიოდებს. არ არის ცნობილი, რომ ბიოლოგიაში გალიუმი აუცილებელ ელემენტს წარმოადგენს. მაგრამ გალიუმ (III) იონური მარილები, ისევე როგორც რკინა (III) მონაწილეობს ორგანიზმში მიმდინარე მრავალ პროცესში, მაგალითად ანთებები, რომელიც ბევრი დაავადების მარკერს წარმოადგენს. გალიუმის ზოგიერთი მარილი გამოიყენება, როგორც ფარმაცევტულ, ასევე რადიო ფარმაცევტულ მედიცინაში.

გალიუმი კარგად ეფინება (ასველებს) მინას, რის შედეგადაც შესაძლებელია სარკის მიღება, რომელიც ძლიერ ირეკლავს სხივს და უძლებს გაცხელებას მაღალ ტემპერატურაზე.

გავრცელება

 როგორც ზემოთ ავღნიშნეთ, გალიუმი ბუნებაში თავისუფალი სახით არ გვხვდება. დედამიწის ქერქში იგი უმნიშვნელო რაოდენობითაა (0.002%-ზე ნაკლები) კვალის სახით თუთიისა და ბოქსიტების საბადოებში. მიღებას ახდენენ ამ მადნებიდან ექსტრაქციის საშუალებით.  ასევე შესაძლებელია მიღება გალიუმის კოქსიდან და გერმანიტიდან, რომელშიც იგი შედარებით დიდი რაოდენობითაა (0.6 – 0.7%-მდე).

მიღება

 გალიუმი ალუმინისა და თუთიის მიღების დროს წარმოადგენს თანაურ პროდუქტს. მას ძირითადად გამოყოფენ ექსტრაქციით ნედლი ალუმინის ჰიდროქსიდის ხსნარიდან (ბაიერის პროცესი) ალუმინისა და ალუმინის ოქსიდის მიღების დროს. ასევე მიღება  შეიძლება ვერცხლისწყლის ამალგამის ელექტროლიზით და ჰიდროლიზით ნატრიუმის ჰიდროქსიდთან ერთად, რომლის დროსაც  წარმოიქმნება ჯერ ნატრიუმის გალატი, ხოლო  შემდგომი ელექტროლიზით კი - მეტალური გალიუმი.

ისტორია

 გალიუმი წარმოდგება ლათინური სიტყვისაგან ”Gallia”, რაც ნიშნავს საფრანგეთს. იგი აღმოჩენილ იქნა 1875 წელს პ.ე. ლეკოკ დე ბუასბოდრანის (Paul Emile Lecoq de Boisbaudran) მიერ. იგი წარმოშობით საფრანგეთიდან იყო. ბუასბოდრანი სწავლობდა პირენეის თუთიის  კრიალას დამახასიათებელ სპექტრს (ორი იისფერი ხაზი). ამ აღმოჩენამდე გალიუმის თვისებების უმეტესობა იწინასწარმეტყველა დ. მენდელეევმა, რომელსაც მან უწოდა ”ეკა ალუმინი”, პერიოდულ სისტემაში მისი ადგილმდებარეობის გამო. ლეკოკმა თავისუფალი მეტალი მიიღო გალიუმის ჰიდროქსიდის ელექტროლიზით კალიუმის ჰიდროქსიდში.

გამოყენება

 2007 წელს აშშ-ში გამოყენებული გალიუმის 98%-ს წარმოადგენდა გალიუმის არსენიდი (GaAs) და გალიუმის ნიტრიდი (GaN). აშშ-ში გალიუმის 66% გამოიყენება ინტეგრირებულ სქემებში (ძირითადად გალიუმის არსენიდი), რომელთა ბაზაზე მზადდება ულტრა მაღალი სიჩქარის ლოგიკური მიკროსქემები და MESFETs მეტალის ნახევარგამტარული ველის ეფექტის ტრანზისტორები, რომელთა ბაზაზეც მზადდება დაბალი ხმაურის მიკროტალღური გამაძლიერებლები ფიჭურ ტელეფონებში, ხოლო გალიუმის 20% გამოიყენება ოპთოელექტრონიკაში.

ალუმინ-გალიუმის არსენიდი (AlGaAs) გამოიყენება მაღალი სიმძლავრის ინფრაწითელ ლაზერულ დიოდებში. როგორც ნახევარგამტარი, ინდიუმ-გალიუმ ნიტრიდის და გალიუმის ნიტრიდის შემადგენელი კომპონენტი, გალიუმი გამოიყენება ლურჯი და იისფერი ოპტოელექტრონული მექანიზმების მისაღებად, უმეტესად ლაზერულ დიოდებში. მაგალითად, გალიუმ-ნიტრიდის 405ნმ ლაზერის დიოდი გამოიყენება, როგორც იისფერი ნათების წყარო დიდი მოცულობის კომპაქტ დისკების მონაცემების შესანახად ლურჯი სხივების დისკ სტანდარტებში.

გამოყენება ბიომედიცინაში

  გალიუმის ნიტრატი (განიტის სახელით ცნობილი) გამოიყენება, როგორც ინტრავენური ფარმაცევტული პრეპარატი ჰიპერკალციემიის სამკურნალოდ, რომელიც ძვლებში ასოცირდება სიმსივნესთან ერთად.

გალიუმის გალტონატი გალიუმ (III) იონის შემცველი აბის სახით გამოიყენება კლინიკურ და პრეკლინიკურ მკურნალობაში, როგორც სხვადასხვა სახის სიმსივნეების, ინფენქციური დაავადებებისა და ანთებითი დაავადებების პოტენციური სამკურნალო საშუალება.

გამოკვლევებმა უჩვენა, რომ გალიუმის იონი შეიძლება გამოყენებულ იქნას ადამიანებში ფიბროზული ცისტის ბაქტერიული ინფექციების საწინააღმდეგოდ. გალიუმი ზომით მსგავსია რკინის, რომელიც აუცილებელი მკვებავია სუნთქვის დროს. როდესაც ბაქტერია Pseudomonas -ი შეცდომით შეარჩევს გალიუმის იონს, მის მონაწილეობას სუნთქვაში ხელი ეშლება და ბაქტერია იღუპება. მექანიზმი მდგომარეობს იმაში, რომ რკინის ჟანგვა-აღდგენითი აქტივობა დიდია, რაც საშუალებას იძლევა სუნთქვის დროს ელექტრონების გადატანისა, მაშინ როცა გალიუმი არააქტიურია ჟანგვა-აღდგენითი პროცესების დროს.

რადიოგალიუმ მარილები

 გალიუმ-67 მარილები, როგორიცაა გალიუმ ციტრატი და გალიუმ ნიტრატი, გამოიყენება როგორც რადიოფარმაცევტული აგენტები ბირთვულ მედიცინაში.

გალიუმ-68 არის პოზიტრონების გამომყოფი, რომელთა ნახევარდაშლის პერიოდია 68 წუთი. იგი ამჟამად გამოიყენება, როგორც დიაგნოსტიკური რადიონუკლეიდი CT-PET-ში.

შენადნობები

 გალიუმი ალუმინთან გვაძლევს შენადნობს, რომელიც ადვილად ექვემდებარება ცხელ გადამუშავებას, ხოლო მისი ოქროსთან შენადნობი გამოიყენება საიუველირო და კბილის პროტეზირების საქმეში. შენადნობი გალისტანი (68.5% Ga, 21.5%In, 10%Sn) იყინება -19°C (-2.2°F). შემოთავაზებულ იქნა აგრეთვე, რომ შენადნობების ეს ოჯახი გამოყენებულ იქნეს წყლის ნაცვლად კომპიუტერული ჩიპების გასაცივებლად.

ალუმინი საკმაოდ აქტიურად ურთიერთქმედებს წყალთან წყალბადის გამოყოფით, მაგრამ რეაქციას ხელს უშლის მტკიცე, ძალიან თხელი (0.0001მმ სისქის) ოქსიდური აპკი, რომელიც იცავს ალუმინს შემდგომი დაჟანგვისაგან. გალისტანი გამოიყენება ალუმინის გასააქტიურებლად (აცილებს რა მას ოქსიდის ფენას) და ამგვარად ალუმინს შეუძლია წყალთან ურთიერთქმედება წყალბადის გამოყოფით. გალიუმ-ალუმინის სხვა შენადნობებიც გამოიყენება როგორც ქიმიური ენერგიის მარაგი, რომელიც აუცილებელია წყლიდან წყალბადის აღსადგენად.

თვისებები

 გალიუმი ძირითადად გვხვდება +3 ჟანგვითი რიცხვით. ზოგიერთ ნაერთებში გვხვდება ჟანგვითი რიცხვით +1. ამასთან ისინი განიცდიან დისპროპორციონირების რეაქციას და გადადიან ელემენტურ გალიუმში და გალიუმ (III) ნაერთებში. ზოგჯერ გალიუმ (II) ნაერთები, არიან შერეული ჟანგვითი რიცხვით, რომლებიც შეიცავენ როგორც გალიუმ (I) ისე გალიუმ (III).

ქალკოგენ ნაერთები

ოთახის ტემპერატურაზე ქალკოგენნაერთები არ ურთიერთქმედებს ჰაერთან და წყალთან პასიური ოქსიდის ფენის წარმოქმნის გამო. თუმცა, მაღალ ტემპერატურაზე იგი ჰაერზე რეაგირებს ჟანგბადთან გალიუმ (III) ოქსიდის (Ga₂O₃) წარმოქმნით. ვაკუუმში 500°C-დან 700°C-მდე ელემენტური გალიუმით Ga₂O₃-ს აღდგენით მიიღება მუქი ყავისფერი გალიუმ (I) ოქსიდი - Ga₂O. Ga₂O ძლიერი აღმდგენი აგენტია. მას შეუძლია H₂SO₄ აღადგინოს H₂S-მდე. იგი განიცდის დისპროპორციონირებას 800°C-ზე ისევ გალიუმად და Ga₂O₃.

გალიუმ (III) სულფიდს Ga₂S₃ აქვს სამი კრისტალური მოდიფიკაცია. იგი შეიძლება მივიღოთ გალიუმის ურთიერთქმედებით გოგირდწყალბადთან (H₂S) 950°C-ზე ან Ca(OH)₃ -დან 747°C-ზე გაცხელებით.

2 Ga(OH)₃ + 3 H₂S → Ga₂S₃ + 6 H₂O

ტუტე მეტალების კარბონატების და Ga₂O₃-ის ნარევის ურთიერთქმედებით H₂S-თან მიიღება თიოგალატი, რომელიც შეიცავს [Ga₂S₄]²− ანიონს. ძლიერი მჟავები შლიან ამ მარილს და გამოიყოფა H₂S. ვერცხლისწყლის მარილი HgGa₂S₄ შეიძლება გამოყენებულ იქნას, როგორც ლუმინოფორი.

გალიუმი აგრეთვე წარმოქმნის სულფიდებს დაბალი ჯანგვითი რიცხვით. მაგალითად, ასეთია გალიუმ (II) სულფიდი და მწვანე გალიუმ (I) სულფიდი.

სხვა ბინალურ ქალკოგენებს Ga₂Se₃ და Ga₂Te₃ აქვთ თუთიის კრიალას სტრუქტურა. ისინი წარმოქმნიან ნახევარგამტარებს, მაგრამ ადვილად ჰიდროლიზდებიან, რაც ზღუდავს მათ გამოყენებას.

ძლიერი მჟავები ხსნიან გალიუმს და წარმოიქმნება გალიუმ (III) მარილები, როგორიცაა Ga₂(SO₄)₃ და Ga(NO₃)₃. გალიუმ (III) მარილების წყალხსნარები შეიცავენ ჰიდრატირებულ გალიუმის იონს, [Ga(H₂O)₆]³⁺. გალიუმ (III) ჰიდროქსიდი, Ga(OH)₃ შეიძლება ნალექის სახით გამოიყოს გალიუმ (III) ხსნარზე ამონიუმის დამატებით. Ga(OH)₃ დეჰიდრატაციით 100 °C ტემპერატურაზე მიიღება გალიუმის ოქსიდ-ჰიდროქსიდი GaO(OH).

მწვავე ტუტის ხსნარები ხსნიან გალიუმს და წარმოიქმნება გალატის მარილები, რომლებიც შეიცავენ Ga(OH)₄^- ანიონს. ამფოტერული გალიუმის ჰიდროქსიდი აგრეთვე იხსნება ტუტეებში გალატ-მარილების წარმოქმნით.

პნიქტოგენ ნაერთები

 გალიუმი ურთიერთქმედებს ამიაკთან 1050°C ტემპერატურაზე და წარმოქმნის გალიუმის ნიტრიდს - GaN. გალიუმი ასევე წარმოქმნის ბინალურ შენაერთებს ფოსფორთან, დარიშხანთან და სტიბიუმთან: გალიუმის ფოსფიდი - GaP, გალიუმ არსენიდი - GaAs და გალიუმ ანთიმონიდი GaSb. ამ ნაერთებს ZnS-ის მსგავსი სტრუქტურა აქვს და გააჩნია ნახევარგამტარული თვისებები. GaP, GaAs და GaSb შეიძლება სინთეზირებულ იქნას გალიუმის უშუალო ურთიერთქმედებით ელემენტალურ ფოსფორთან, დარიშხანთან და სტიბიუმთან. ისინი ავლენენ უფრო მაღალ ელექტროგამტარობას, ვიდრე GaN. GaP აგრეთვე მიიღება Ga₂O-ის ურთიერტქმედებით ფოსფორთან დაბალ ტემპერატურაზე. გალიუმი ასევე წარმოქმნის სამკომპონენტიან ნიტრიდს, მაგალითად:

Li₃Ga + N₂ → Li₃GaN₂

ასევე არსებობს მსგავსი ნაერთები ფოსფორთან Li₃GaP₂ და დარიშხანთან Li₃GaAs₂. ეს ნაერთები ადვილად განიცდიან ჰიდროლიზს განზავებული მჟავებითა და წყლით.

ჰალოგენები

გალიუმ (III) ოქსიდი ურთიერთქმედებს ფთორნაერთებთან, როგორიცაა HF და F₂ და წარმოქმნის გალიუმ (III) ფთორიდებს - GaF₃. იგი წარმოადგენს იონურ ნაერთს, რომელიც არ იხსნება წყალში, თუმცა იხსნება ფთორწყალბადმჟავაში, რომელთანაც იგი წარმოქმნის ადუქტს წყალთან - GaF₃•3H₂O. დეჰიდრატაციით ეს ადუქტი წარმოქმნის GaF₂OH•nH₂O. ადუქტი მოქმედებს ამიაკთან და წარმოქმნის GaF₃•3NH₃, რომელიც შემდგომი გაცხელებით იძლევა უწყლო GaF₃.

გალიუმ (III) ქლორიდი მიიღება მეტალური გალიუმის ურთიერთქმედებით აირად ქლორთან. განსხვავებით ტრიქლორიდისაგან, გალიუმ (III) ქლორიდი წარმოქმნის დიმერულ მოლეკულებს: Ga₂Cl₆, რომლის ლღობის ტემპერატურაა 78°C. ასევე ხდება ბრომიდის და იოდიდის შემთხვევაში: Ga₂Br₆ და Ga₂I₆.

სხვა 13 ჯგუფის ტრიჰალოგენიდების მსგავსად, გალიუმ (III) ჰალოგენიდები წარმოადგენენ ლუისის მჟავებს. ისინი ტუტე მეტალების ჰალოგენიდებთან რეაგირებენ, როგორც ჰალოგენ აქცეპტორები და წარმოქმნიან GaX₄⁻ ანიონის შემცველ მარილებს, სადაც X არის ჰალოგენი. ისინი აგრეთვე ურთიერთქმედებენ ალკილჰალოგენიდებთან და წარმოქმნიან კარბკათიონს და GaX₄⁻.

გალიუმ (III) ჰალოგენიდები მაღალ ტემპერატურაზე გაცხელებით რეაგირებენ ელემენტურ გალიუმთან და წარმოქმნიან გალიუმ (I) ჰალოგენიდს, მაგალითად GaCl₃ ურთიერთქმედებს გალიუმთან და წარმოქმნის GaCl:

2 Ga + GaCl₃ → 3 GaCl (აირი)

დაბალ ტემპერატურაზე წონასწორობა გადახრილია მარცხნივ და GaCl დისპროპორციონირდება უკან ელემენტური გალიუმისა და GaCl₃-ში. GaCl აგრეთვე შეიძლება მივიღოთ Ga ურთიერთქმედებით HCl -თან, რომელიც 950°C ტემპერატურაზე გადადის წითელ მყარ ნაერთში.

გალიუმ (I) ნაერთები სტაბილიზირდებიან ადუქტების წარმოქმნით ლუისის მჟავებთან, მაგალითად:

GaCl + AlCl₃ → Ga⁺[AlCl₄]−

ე.წ. " გალიუმ (II) ჰალოგენიდები " - GaX₂, წარმოადგენენ გალიუმ (I) ჰალოგენიდების აქტიურ ადუქტებს შესაბამის გალიუმ (III) ჰალოგენიდებთან ერთად, რომელთა სტრუქტურაა Ga⁺[GaX₄]−. მაგალითად:

GaCl + GaCl₃ → Ga⁺[GaCl₄]−

წყალბადნაერთები

 ალუმინის მსგავსად გალიუმი წარმოქმნის ჰიდრიდებს - GaH₃, რომელიც ცნობილია გალანის სახელით. იგი შეიძლება მივიღოთ ლითიუმ გალანატის (LiGaH₄)-ის ურთიერთქმედებით გალიუმ (III) ქლორიდთან −30 °C ტემპერატურაზე.

3 LiGaH₄ + GaCl₃ → 3 LiCl + 4 GaH₃

დიმეთილეთერის, როგორც გამხსნელის თანაობისას GaH₃ პოლიმერიზდება (GaH₃)n. თუ გამხსნელი არ გამოიყენება, დიმერი Ga₂H₆ (დიგალანი) წარმოიქმნება აირის სახით. მისი სტრუქტურა მსგავსია დიბორანისა, რომელიც შეიცავს ორი წყალბადის ატომს ორი გალიუმის ცენტრით. განსხვავებით α-AlH₃, რომელშიც ალუმინის კოორდინაციული რიცხვია ექვსი.

გალანი −10 °C-ზე ზემოთ არასტაბილურია და იშლება ელემენტალურ გალიუმად და წყალბადად.

მასალა მომზადებულია www.wikipedia.com -ის მიხედვით