Элементы подгруппы галлия

Подгруппу галлия составляют три элемента — металлы галлий, индий и таллий, имеющие 18-электронную вторую снаружи оболочку. Это можно понять на примере электронной структуры галлия:

При таком электронном строении атомы становятся более поляризуемыми и проявляют себя в химических соединениях как более мягкие кислоты. У них при переходе по группе сверху вниз уменьшается устойчивость кислородных соединений. Поэтому оксиды галлия, индия и таллия восстанавливаются водородом до металлов. Кроме того, эти металлы, в отличие от алюминия, можно получать электролизом соединений в водных растворах.

По внешнему виду металлы подгруппы галлия серебристо-белые, блестящие. Некоторые их свойства приведены в табл. 24.2. Индий применяется как отражающее покрытие для зеркал рефлекторов. Все три металла очень мягкие, особенно индий. Это свойство также находит применение. Индий и таллий входят в состав подшипниковых сплавов, наносимых на поверхность вращающихся деталей. Металлы подгруппы галлия легкоплавкие, характеризующиеся особо большим разрывом между температурами плавления и кипения. Температура плавления галлия — самая низкая среди металлов после ртути и цезия. Известен сплав галлия и индия с температурой плавления, равной всего 1б°С. Низкая температура плавления галлия связана с необычной для металлов кристаллической структурой, в которой атомы расположены парами с расстоянием между ядрами 247 пм. Следующие ближайшие атомы Ga находятся на расстояниях 270, 274 и 279 пм. Очевидно, что связи между атомами с большим межъядерным расстоянием ослаблены, отчего и понижается температура плавления. Попарно связанные атомы присутствуют и в жидком галлии. Особенность жидкого галлия состоит в том, что он длительное время может находиться в переохлажденном состоянии. Низкая температура плавления в сочетании с высокой температурой кипения позволяет применять галлий в специальных термометрах, работающих в температурном интервале от 30 до ~1300°С.

Ядериые свойства нуклида ⁷¹₃₁Ga позволяют исследовать поток солнечных нейтрино. Для этого в Баксанской подземной лаборатории была помещена мишень, содержащая 50 т металлического галлия. Эта масса превышает ежегодную мировую добычу галлия.

Таблица 24.2

Физические свойства галлия, индия и таллия.

Галлий, индий и таллий образуют все характерные для металлов химические соединения. Оксиды и гидроксиды галлия (+3) и индия (+3) амфотерны, так же как и соответствующие соединения алюминия. При сильном нагревании некоторых соединений галлия (Ga₂0₃, GaCl₃) образуются неустойчивые соединения GaO и GaCl₂. У индия известны хлориды InCl и 1пС1₂. Соединения галлия и индия в низших валентных состояниях неустойчивы в водной среде и диспропорционируют на металл и ионы Ga³⁺ (In³⁺).

Таллий существенно отличается от галлия и индия. Соединения Т1(+3) имеют сильные окислительные свойства. Например, раствор хлорида таллия (+3) окисляет сероводород:

Ион ТГ проявляет себя как очень мягкая кислота. Поэтому его связь с жестким гидроксид-ионом подвержена диссоциации в растворе. Гидроксид таллия (1) оказывается растворимым в воде сильным основанием. В то же время более мягкие ионы СП, В г" и И образуют с таллием (1) малорастворимые соли. Таким образом, ион ТН проявляет сходство как с ионами щелочных металлов, так и с ионами серебра и свинца.

В гл. 20 уже упоминалось соединение галлия с мышьяком — арсенид галлия GaAs, — являющееся полупроводником. Галлий играет важную роль в полупроводниковой технике. В этой области используется более 90% производимого ежегодно галлия. В качестве полупроводников для лазеров, светодиодов, СВЧ-генераторов, фотоприемников применяются и другие бинарные соединения элементов ША и VA групп: GaSb, GaP, InAs, InSb.

Соединения галлия не проявляют сильной токсичности, и в этом отношении галлий похож на алюминий. Индий более токсичен. Поражения легких вызывает пыль, содержащая индий, он вредно действует на печень и селезенку. Растворимые соединения индия раздражают слизистые оболочки. ПДК индия в воздухе составляет 0,1 мг/м³. Сильно токсичны соединения таллия. Они вызывают поражения нервной системы, почек, желудка. Специфическая особенность воздействия проявляется в выпадении волос. Основной механизм токсичности таллия состоит в образовании связей ионов ТИ (это мягкая кислота) с мягкими донорными атомами белков, преимущественно с серой в группахSH. ПДК таллия в воздухе составляет 0,004 мг/м³.