Галлий, индий, таллий және олардың физикалық қасиеттері

Оңтүстік Қазақстан обылысы
Шардара ауданы
№ 16 колледж
Орындаған: Тұ-53 топ студенті Кертай Мәдина Нұржанқызы
Жетекшісі: Айтенова Нұргул Ыдырысқызы

В.И. Вернадский мен А.Е. Ферсман элементтердің "шашылу" қасиетін, яғни концентрлеу қасиетінің жоқтығын зерттей келе, олардың келесі теориялық "шашылу" қатарын ұсынды: Н, Hе, Li, В, F, Ne, Na, Cl, Ar, K, Y, Ga, As, Br, Kr, Rb, Ag, In, I, Xc, Cs, Та, Re, Au, Нg, TІ және радиоактивті элементтер. Егер бұл қатардан бейметалдарды, радиактивті және сирек емес элементтерді алып тастасақ шашыраңқы элементтердің қысқаша тізімін аламыз: Li, В, Ү, Ga, As, Rb, Ag, In, Cs, Та, Re, Au, Hg, Tl. 

"Шашыраңқы элемент" деген түсінік табиғатта көп кездеспейтін, яғни өз минералдары жоқ элементтерге тиісті қолданылады. Олар басқа элементтердің қосылыстарының кристалдық торына енеді. Мұндай шашыраңқы металдарды өңдеуде шикізат ретінде зауыттардың жартылай өнімдері немесе қалдықтары пайдаланылады. Өңдеу кезінде шашыраңқы элементтер концентрленеді. Мұндай металдарға рений, гал­лий, индий, таллий (оған бірнеше өте сирек кездесетін минералдар белгілі), селен және теллур жатады. Қалған "шашыраңқы" элементтердің өз минералдары бар және де оларды металл немесе қосылыстары түрінде өңдеуде шикізат болып  табылады. Сонымен, шашыраңқы элементтердің қысқартылған тізіміне галлий, индий, таллий (рений жоғарыда қарастырылды) кіреді.

Тарихи мағлұматтар

Алдыңғы тарауларда қарастырылған III топтың элементтері скандий топшасына жатады. Галлий, индий, таллий бор мен алюминийдің аналогтары болып табылады және үшінші топтың екінші топшасын - галлий топшасын құрайды. Бұл элементтер өзара бір топ элементтерінің ұқсастығымен байланысқан және барлығы бірдей бір әдіспен — спектральды анализ арқылы ашылған.

Бұл үш элементтердің ашылу тарихы мынадай: ең алдымен таллий ашылды. 1861 жылы Крукс теллур табу үшін күкірт қышқылын өңдейтін зауыттардың шлагын зерттей отырып, спектроскоптан белгісіз қанық-жасыл сызықтар тапты. Тереңірек зерттеп, бұл сызықтардың жаңа элемент беретінін анықтады, сөйтіп оған "таллий" деген ат берді, грекше "таллос" (жасыл бұтақ деген мағына).

Индий 1863 жылы таллийді табу үшін зерттелген, құрамында сфалерит, галенит және арсенопирит бар кенді стектральды анализдегенде ашылды. Таллий беретін жасыл сызықтардың орнына басқа жаңа элементке тән ашық-көк сызықтар байқалды. Жаңа элементті түсіне сәйкес көк бояу атын "индиго" — индий деп атады.

Индийді мырыштың аналогы ретінде санаған, тек Мен­делеев жұмыстарының нәтижесінде индийдің атомдық салмағын жөндеп, алюминий аналогы деп III топқа орналас­тырды.

Галлийдің ашылуы — Д.И.Менделеевтің периодтық заңына негізделген ғылыми болжаудың тамаша дәлелі болып табылады. Галлийді 1971 жылы Д.И.Менделеев (болжанған элемент) "эка-алюминий" деп атады. 1975 жылы француз химигі Лекок де Буабодран пиреней мырыш кендерінен спектральды әдіспен табылған жаңа элементтің сипаттамаларын жариялады. Бұл сипаттамалар 1971 жылы Д.И.Менделеевтің өз заңына негізделіп берген "эка-алюминийдің" сапалық және сандық қасиеттеріне сәйкес келді. Менделеев Буабодран жұмыстарымен танысып, оның галлийдің меншікті салмағын табуда қателік жібергеніне назарын аударды, Буабодранның тапқан меншікті салмағы  Д.И.Менделеевтің  есептеп  тапқанынан едәуір айырымды болған. Буабодран галлийдің тығыздығын 4,7 деп анықтаған, ал Д.И.Менделеев 5,9-ға жуық деп санаған. Буабодран өз мәліметтерін қайтадан тексеріп, Д.И.Менделеевтің мәліметтерімен келіскен. Оның алғашқы алған металында қоспа түрінде натрий болған. Ерекше тазартылған галлийдің тығыздығы — 5,9-ға тең болған.

2. Физикалық және химиялық қасиеттері

Галлий, индий, таллий III топтың элементтері болғандықтан электрондық қабатының құрылысына сәйкес жоғары валенттікті 3 деп көрсетеді:

Галлий	2	8	18	3	-	-
Индий	2	8	18	18	3	-
Таллий	2	8	18	32	18	3

Бұл элементтердің иондық күйіндегі 18-электронды қабаттың бар болуы скандий топшасының элементтерімен салыстырғанда олардың гидроксидтерінің негізгі қасиеттері төмендеу болуын қамтиды; 18 электрондық иондардың полярлануы 8 электрондық иондармен салыстырғанда жоғары, сондықтан галлий, индий, таллийдің тұрақты қосылыстар түзу қабілеттері жоғары.

Галлий мен индий үшін валенттіліктің 3-ке тең болуы тән, ал таллий көбінесе бір валентті түрде тұрақты қосылыстар береді.

Валенттілік мәніне байланысты бұл элементтердің басқа элементтермен ұқсастығы байқалады. Мысалы, индий екі валентті түрде (тұрақтылығы төмен түрі) мырышқа қатты ұқсас, ал үш валентті түрде алюминий мен темірге ұқсас. Үш валентті таллий де алюминий мен темірге ұқсас, бірақ бір валентті күйінде I топтың екі топшасының элементтерімен дс, қорғасынмен де ұқсастық білдіреді.

Кестеде бұл элементтердің физикалық константалары және бұл элементтердің химиялық қасиеттері туралы мәліметтер келтірілген.

Галлийдің балқу температурасы 29,78°C, тазалығы 99,999% металл үшін өлшенген. Галлий қатты сууға бейім: аса таза металл сағаттап және күндеп мұзда кристалданбай жата береді. Осындай қатты суыған сұйық металға қатты галлийдің түйіршігін енгізсе бірден кристалданады, металл ірі орторомбтық кристалдар түзеді.

1 кесте

Физикалық константалар және галлий, индий, таллийдің химиялық қасиеттері

Қасиеттері	Таллий	Иидий	Таллий
Атомдық салмағы	69,72	14,76	204,39
Реттік номері	31	49	81
Тығыздығы, г/см3	5,9	7,25	11,85
Балқу темп-сы, °С	29,78	155	303
Қайнау темп-сы, °С	2516	2323	1745-5
Электр қарсылығы ом см (0°С температурада)	0,38 ∙10-4	8,2∙0-6	15,0∙0-6
Атомдық радиусы, А		1,57	1,71
Металдың сыртқы түрі	Көкшіл ақ	Күміс тәрізді ақ жылтырақ	Ақшыл сұр
Қаттылығы	Жұмсақ созылғыш	Қорғасыннан  жұмсақ
Ayағa қатынасы	Өзгермейді		Оңай тотығады
Cyғa қатынасы	Әсер етпейді	Aуa қатысында оңай тотығады (әсіресе таллий)
Қышқылдарға қатынасы	Күкірт және тұз қышқылдарында жақсы ериді, азот қышқылында пассивтенеді	Тұз қышқыл-ында жақсы, күкірт қышқылында баяу, азот қышқылында әрең ериді.	Азот қышқы- лында жақсы ериді, күкірт қышқылында баяу, тұз қыш- қылында аз ери тін таллий хло- ридін түзеді.
Сілтілерге қатынасы	Ериді	Әсер етпейді	Әсер етпейді
Галогендерге қатынасы	Қыздырғанда ериді	Қыздырғанда ериді	Кәдімгі жағдайда әрекеттесе береді.

Н.Несмеяновтың есептеулері бойынша

Қатайғанда ол басқа металдарда жоқ (германий мен висмутты санамағанда) тағы бір қасиет көрсетеді: ол кеңейеді (шамамен 3%-ке). Сондықтан металдық галлийді (температураның ауытқуын ескеріп) арнайы ыдыстарда — желатин капсулаларында және резеңке баллондарда сақтайды.

Галлий, индий және таллийдің буларының қысымы галлийдан таллийға қарай күрт өседі, яғни ең ұшқыш — таллий. А.Н. Несмеянов келтірген кестелерде мәліметтер мынандай:

2 кесте

Галлий, индий және таллийдің буының қысымы

Температура, 0К	Бу қысымы, мм.сынап бағанасымен
	Галлий	Индий	Таллий
1000	5,12∙10-6	1.34∙10-4	1,55∙10-1
1200	9,96∙10-4	1,34∙10-2	4,51
1500	1,90∙10-1	1,33	124
1700	2,22	11,3	581
2000	34,6	127	-
2300	260	716	-
2500	700	-	-

 

Балқытылған галлийдің беті жылтыр айна сияқты (сынапқа ұқсас). Ауада ол өзгермейді. Таллий жаңадан кесілген кезде жылтыр бетті болады, бірақ тез күңгірттеніп оксидтер қабатымен жабылады. Сондықтан металдық таллийді вазелин майының астында сақтайды.

Индий және таллий сутекпен қосылыстар түзбейді; галлийдің Ga₂H₆ қосылысы белгілі — ол балқу температурасы -21°С түссіз сұйықтық. Бұл қосылыстың түзілуінде диборан сияқты В₂Н₆ галлийдің бормен ұқсастығы байқалады.

Аталған металдың үшеуі де басқа металдармен балқымалар түзеді. Галлийдің индиймен, қалайымен, мырышпен, аммониймен балқымалары таза галлийдің балқу температурасынан төмен температурада балқиды. Мысалы, құрамы 61-25-13-1 қатынастағы галлий-индий-қалайы-мырыш балқымасы 3°С-да балқиды. Тура осы балқыма бірақ мырышсыз - 5°С-та, ал галлий-индий-мырыш (67-29-4) 13°С-де балқиды; галлий-қалайы (92-3) балқымасы 20°С-температурада балқиды; ал галий-мырыш (96-5) -25⁰С температурада балқиды. Балқымалардағы галлийдің мөлшері неғұрлым жоғары болса, соғұрлым оның балқу температурасы тура галлийдің балқу температурасына жақындайды.

Кейбір элементтермен галлий мен индий интерметалдық қосылыстар түзеді. Олардың кейбіреулері жартылай өткізгіштік қасиетіне ие болғандықтан қазір маңызы аса зор болып отыр. Мұндай қосылыстарға, мысалы оның мышьякпен, сурьмамен және фосформен қосылыстары жатады. Индийдің антимониді InSb ерекше назар аудартады. Жартылай өткізгіштерге галлий нитриді GaN жатады, оның қасиеттері және алу тәсілдері жұмыста келтірілген. Гал­лий, индий және таллийдің сульфидтері де жартылай өткізгіш қасиеттер көрсетеді.

Бұл элементтердің сынапқа қатынасы келесідей: қалыпты жағдайда галлий сынапта аз ериді - 1,54% (мас.), ал 200°С-та 22%-ті ериді. Бұл жағдай галлийдің басқа металдардан бөлуге мүмкіндігін береді: мұндай температурада сынапты ерімейтін металдарды фильтрлеу арқылы бөледі де амальгаманы суытқанда сынап бетіне галлийдің кристалдары қалқып шығады. Кристалдануды жеңілдету үшін металдық галлийдің мөлшерін енгізеді. Амальгамада жақсы еритін металдардың (қорғасын, таллий, индий, кадмий, мырыш, қалайы, висмут) және галлийдің 1,2% қалады. Қалыпты жағдайда индий мен таллий сынапта жақсы ериді: индийдің салмағы бойынша, 55%, ал таллийдің - 42,8% .

Әдебиеттер тізімі:

1. Ферсман А.Е. Редкие металлы. 1932, № 4-5.
2. Сажин Н.П., Меерсон Г.А. Редкие элементы в новой технике // Хим. наука и пром., 1956. Т.І, № 5.
3. Меерсон Г.А. и Зеликман А.Н. Металлургия редких металлов. Метиаллургиздат, 1954.
4. Зеликман А.Н., Самсонов Г.В., Крейн О.Е. Металлургия редких металлов. Металлургиздат, 1954.
5. Тронов В.Г. Кклад русских ученых в химию редких элементов. Изд. Знание, 1952.
6. Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах. Изд. АН СССР, 1950.

---

Әлеуметтік желілерде бөлісіңіз: