الغاليوم خصائص العنصر واستخداماته
الوصف
الغاليوم عنصر كيميائي يرمز له بالرمز Ga والرقم الذري 31. وهو معدن فضي ناعم معروف بخصائصه الفريدة ومجموعة واسعة من التطبيقات في مختلف الصناعات.
مقدمة عن العنصر
الغاليوم هو فلز من فلزات ما بعد المرحلة الانتقالية تم اكتشافه في عام 1875 على يد الكيميائي الفرنسي بول-إميل ليكوك دي بواسبودران. ويوجد عادةً بكميات ضئيلة في معادن مثل البوكسيت والسفالريت. لا يوجد الغاليوم في شكله الأولي في الطبيعة ولكن يتم استخراجه من الخامات من خلال عمليات التكرير. وهو معروف بنقطة انصهاره المنخفضة وقدرته على البقاء في شكل سائل في درجات حرارة أعلى بقليل من درجة حرارة الغرفة.
وصف الخواص الكيميائية
يتميز الغاليوم بقدرته على تكوين مركبات مع مجموعة متنوعة من العناصر. ويُظهر حالة أكسدة +3 في معظم مركباته، وهي أكثر أشكال الغاليوم استقراراً. تتضمن بعض خواصه الكيميائية الرئيسية ما يلي:
- التفاعلية: يتفاعل الغاليوم مع الأكسجين في الهواء لتكوين أكسيد الغاليوم (Ga2O3)، وهو مركب مستقر. كما يتفاعل مع الهالوجينات والأحماض والقلويات.
- تكوين السبائك: من المعروف أن الغاليوم يشكل سبائك مع العديد من المعادن، بما في ذلك الألومنيوم والذهب والفضة. وغالباً ما يكون لهذه السبائك خصائص فريدة، مثل زيادة القوة أو تحسين التوصيل.
- غير قابل للتآكل: على الرغم من تفاعليته، لا يتآكل الغاليوم بسهولة، مما يجعله مفيداً في التطبيقات المتخصصة.
جدول بيانات الخواص الفيزيائية
|
الخاصية |
القيمة |
|
العدد الذري |
31 |
|
الكثافة |
5.91 جم/سم مكعب |
|
درجة الانصهار |
29.76 درجة مئوية (85.57 درجة فهرنهايت) |
|
درجة الغليان |
2204 درجة مئوية (3999 درجة فهرنهايت) |
|
التوصيل الكهربائي |
جيدة |
|
الموصلية الحرارية |
40.6 واط/م كلفن |
|
المظهر |
معدن أبيض فضي اللون |
|
التركيب البلوري |
متساوي الأضلاع |
لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).
الاستخدامات الشائعة
يحتوي الغاليوم على مجموعة متنوعة من التطبيقات في صناعات تتراوح من الإلكترونيات إلى التكنولوجيا الطبية. تتضمن بعض استخداماته الشائعة ما يلي:
- أشباه الموصلات: الغاليوم عنصر حاسم في إنتاج أشباه الموصلات. يشيع استخدام زرنيخيد الغاليوم (GaAs) في تصنيع الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) والليزر والخلايا الشمسية نظراً لكفاءته الفائقة في هذه التطبيقات.
- الفضاء الجوي: يُستخدم الغاليوم في تكنولوجيا الطيران، خاصة في البيئات ذات درجات الحرارة العالية حيث تسمح له درجة انصهاره المنخفضة بالبقاء في حالة سائلة.
- الأجهزة البصرية: تُستخدم مركبات الغاليوم في الأجهزة البصرية، بما في ذلك أجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء ومقاييس الحرارة.
- الأجهزة الطبية: استُخدمت المركبات القائمة على الغاليوم في التصوير الطبي، خاصةً في شكل مستحضرات صيدلانية إشعاعية للمسح والتشخيص.
طرق التحضير
يتم الحصول على الغاليوم في المقام الأول كمنتج ثانوي لتكرير البوكسيت، وهو الخام الرئيسي لإنتاج الألومنيوم. وعادةً ما يتم استخلاصه من العملية عن طريق سلسلة من التفاعلات الكيميائية. إحدى الطرق الأكثر شيوعاً لعزل الغاليوم هي من خلال عملية باير، حيث يتم فصل الغاليوم عن الألومنيوم عن طريق إذابته في هيدروكسيد الصوديوم.
في المختبر، يمكن تحضير الغاليوم عن طريق اختزال أكسيد الغاليوم (Ga2O3) بالهيدروجين أو عوامل اختزال أخرى. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما يتم استخلاص الغاليوم من خامات الزنك، وتتضمن العملية إذابة الغاليوم في محلول، ثم ترسيبه بطرق مختلفة.
المنتجات الصناعية ذات الصلة
تساهم خصائص الغاليوم الفريدة في تطوير العديد من المنتجات الصناعية، بما في ذلك:
- زرنيخيد الغاليوم (GaAs): يستخدم على نطاق واسع في الدوائر الإلكترونية والأجهزة الإلكترونية الضوئية مثل الخلايا الشمسية ومصابيح LED والليزر.
- نيتريد الغاليوم (GaN): مادة تُستخدم في الإلكترونيات عالية الطاقة ومصابيح LED، نظراً لقدرتها على العمل في درجات حرارة وفولتية أعلى مقارنة بأشباه الموصلات الأخرى.
- السبائك القائمة على الغاليوم: يُستخدم الغاليوم في السبائك ذات نقطة الانصهار المنخفضة التي لها تطبيقات في موازين الحرارة والإلكترونيات وغيرها من المجالات المتخصصة.
الأسئلة المتداولة
فيمَ يُستخدم الغاليوم في الإلكترونيات؟
يُستخدم الغاليوم في إنتاج أشباه الموصلات، لا سيما في شكل زرنيخيد الغاليوم، وهو أمر مهم في تصنيع مصابيح LED والخلايا الشمسية والليزر.
هل يمكن العثور على الغاليوم بشكل طبيعي؟
لا، لا يوجد الغاليوم في شكله الأولي في الطبيعة. وعادة ما يتم استخراجه من خامات مثل البوكسيت والسفالريت أثناء عملية تكرير المعادن الأخرى.
ما الخصائص الفيزيائية للغاليوم؟
الغاليوم هو معدن أبيض فضي اللون ذو درجة انصهار منخفضة تبلغ 29.76 درجة مئوية، مما يسمح له بالبقاء في حالة سائلة في درجات حرارة أعلى بقليل من درجة حرارة الغرفة.
هل الغاليوم ضار بالبشر؟
الغاليوم ليس ساماً بشكل عام، لكن التعرض لمركبات الغاليوم بكميات كبيرة قد يسبب تهيجاً أو مشاكل صحية أخرى. من المهم التعامل السليم وتدابير السلامة عند التعامل مع الغاليوم.
كيف يتم تحضير الغاليوم للاستخدام في الصناعات؟
يتم الحصول على الغاليوم في المقام الأول كمنتج ثانوي لتكرير الألومنيوم والزنك. ويتم استخراجه من خامات مثل البوكسيت باستخدام عمليات كيميائية مثل عملية باير.
