Подгруппа галлия. Содержание каждого из членов данной подгруппы в земной коре по ряду галлий (4-10~4%) —индий (2-10~6) — таллий (8-10-7) уменьшается. Все три' элемента чрезвычайно распылены, и нахождение в виде определенных минералов для них не характерно. Напротив, незначительные примеси их соединений содержат руды многих металлов. Получают Ga, In и Тi из отходов при переработке подобных руд.
В свободном состоянии галлий, индий и таллий представляют собой серебристо-белые металлы. Их важнейшие константы сопоставлены ниже:
Ga In Tl
По твердости галлий близок к свинцу, In и Тi — еще мягче 6-13. В сухом воздухе галлий и индий не изменяются, а таллий покрывается серой пленкой окисла. При накаливании все три элемента энергично соединяются с кислородом и серой. С хлором и бромом они взаимодействуют уже при обычной температуре, с иодом —лишь при нагревании. Располагаясь в ряду напряжений около железа, Ga, In и Тi растворимы в кислотах.14’ 15
Обычная валентность галлия и индия равна трем. Таллий дает производные, в которых он трех- и одновалентен. 18
Окиси галлия и его аналогов — белая Ga2O3, желтая 1п203 и коричневая Т1203 — в воде нерастворимы - отвечающие им гидроокиси Э (ОН)3 (которые могут быть получены исходя из солей) представляют собой студенистые осадки, практически нерастворимые в воде, но растворяю-щиеся в кислотах. Белые гидроокиси Ga и In растворимы также в растворах сильных щелочей с образованием аналогичных алюминатам галлатов и индатов. Они имеют, следовательно, амфотерный характер, причем кислотные свойства выражены у 1п(ОН)3 слабее, а у Ga(OH)3 сильнее, чем у Аl(ОН)3. Так, помимо сильных щелочей, Ga(OH)3 растворима в крепких растворах NH4OH. Напротив, краснокоричневая Ti(ОН)3 в щелочах не растворяется.
Ионы Ga'" и In" бесцветны, ион Тi" имеет желтоватую окраску. Производящиеся от них соли большинства кислот хорошо растворимы в воде, но сильно гидролизованы; Из растворимых солей слабых кислот многие подвергаются практически полному гидролизу. В то время как производные низших валентностей Ga и In для них не типичны, для таллия наиболее характерны именно те соединения, в которых он одновалентен. Поэтому соли Т13+ имеют заметно выраженные окислительные свойства.
Закись таллия (Т120) образуется в результате взаимодействия элементов при высоких температурах. Она представляет собой черный гигроскопичный порошок. С водой закись таллия образует желтый гидрат закиси (Т10Н), который при нагревании легко отщепляет воду и переходит обратно в Т120.
Гидрат закиси таллия хорошо растворим в воде и является сильным основанием. Образуемые им соли в большинстве бесцветны и
кристаллизуются без воды. Хлорид, бромид и иодид почти нерастворимы, но некоторые другие ] соли растворимы в воде. Произволные TiOН и слабых кислот вследствие гидролиза дают в растворе щелочную реакцию. При дей- : ствии сильных окислителей (например, хлорной воды) одновалентный таллий окисляется до трехвалентного.57-66
По химическим свойствам элементов и их соединений подгруппа галлия во многом похожа " на подгруппу германия. Так, для Ge и Ga более устойчива высшая валентность, для РЬ и Т1 низшая, химический характер гидроокисей в рядах Ge—Sn—РЬ и Ga—In—Тi изменяется однотипно. Иногда проявляются далее более тонкие ‘ черты сходства, например малая растворимость галоидных (Cl, Br, I) солей как РЬП, так и Тi . При всем том между элементами обеих подгрупп имеются и существенные различия (частично обусловленные их разной валентностью) : кислотный характер гидроокисей Ga и его аналогов выражен значительно слабее, чем у соответствующих элементов подгруппы германия, в противополжность PbF2 фтористый таллий хорошо растворим и т. д.
Галлий дополнения
Все три члена рассматриваемой подгруппы открыты при помощи спектроскопа: 1 таллий — в 1861 г., индий — в 1863 г. и галлий — в 1875 г. Последний из этих элементов за 4 года до его открытия был предсказан и описан Д. И. Менделеевым (VI § 1). Природный галлий слагается из изотопов с массовыми числами 69 (60,2%) и 71 (39,8); индий—113 (4,3) и 115 (95,7); таллий — 203 (29,5) и 205 (70,5%).
В основном состоянии атомы элементов подгруппы галлия имеют строение внешних электронных оболочек 4s2 34p (Ga), 5s25p (In), 6s26p (Tl) и одновалентны, i Возбуждение трехвалентных состояний требует затраты 108 (Ga), 100 (In) или 129 , (Тi) ккал/г-атом. Последовательные энергии ионизации равны 6,00; 20,51; 30,70 для Ga; 5,785; 18,86; 28,03 для In: 6,106; 20,42; 29,8 эв для Т1. Сродство атома таллия к электрону оценивается в 12 ккал/г-атом.
Для галлия известен редкий минерал галлит (CuGaS2). Следы этого элемента постоянно содержатся в цинковых рудах. Значительно большие его количества : Е (до 1,5%) были обнаружены в золе некоторых каменных углей. Однако основным сырьем для промышленного получения галлия служат бокситы, обычно содержащие незначительные его примеси (до 0,1%). Извлекается он электролизом из щелочных жидкостей, являющихся промежуточным продуктом переработки природных бокситов на технический глинозем. Размеры ежегодной мировой выработки галлия исчисляются пока немногими тоннами, но могут быть значительно увеличены.
Индий получают главным образом в качестве побочного продукта при комплексной переработке сернистых руд Zn, Pb и Си. Его ежегодная мировая выработка составляет несколько десятков тонн.
Таллий концентрируется главным образом в пирите (FeS2). Поэтому шламы сернокислотного производства являются хорошим сырьем для получения этого элемента. Ежегодная мировая выработка таллия меньше, чем индия, но также исчисляется десятками тонн.
Для выделения Ga, In и Т1 в свободном состоянии применяется или электролиз растворов их солей, или накаливание окислов в токе водорода. Теплоты плавления и испарения металлов имеют следующие значения: 1,3 и 61 (Ga), 0,8 и 54 (In), 1,0 и 39 ккал/г-атом (Т1). Теплоты их возгонки (при 25 °С) составляют 65 (Ga), 57 (In) и 43 ккал/г-атом (Т1). В парах все три элемента состоят почти исключительно из одноатомных молекул.
Кристаллическая решетка галлия образована не отдельными атомами (как обычно для металлов), а двухатомными молекулами (rf = 2,48A). Она представляет собой, таким образом, интересный случай сосуществования молекулярной и металлической структур (III § 8). Молекулы Ga2 сохраняются и в жидком галлии, плотность которого (6,1 г/см ) больше плотности твердого металла (аналогия с водой и висмутом). Повышение давления сопровождается снижением температуры плавления галлия. При высоких давлениях, помимо обычной модификации (Gal), установлено существование двух других его форм. Тройные точки (с жидкой фазой) лежат для Gal — Gall при 12 тыс. ат и 3 °С, а для Gall — Galll — при 30 тыс. ат и 45 °С.
Галлий весьма склонен к переохлаждению, и его удавалось удерживать в жидком состоянии до —40 °С. Многократное повторение быстрой кристаллизации переохлажденного расплава может служить методом очистки галлия. В очень чистом состоянии (99,999%) он был получен и путем электролитического рафинирования, а также восстановлением водородом тщательно очищенного GaCl3. Высокая точка кипения и довольно равномерное расширение при нагревании делают галлий ценным материалом для заполнения высокотемпературных термометров. Несмотря на его внешнее сходство с ртутью, взаимная растворимость обоих металлов сравнительно невелика (в интервале от 10 до 95 °С она изменяется от 2,4 до 6,1 атомного процента для Ga в Hg и от 1,3 до 3,8 атомного процента для Hg в Ga). В отличие от ртути жидкий галлий не растворяет щелочные металлы и хорошо смачивает многие неметаллические поверхности. В частности, это относится к стеклу, нанесением на которое галлия могут быть получены зеркала, сильно отражающие свет (однако имеется указание на то, что очень чистый галлий, не содержащий примеси индия, стекло не смачивает). Нанесение галлия на пластмассовую основу используется иногда для быстрого получения радиосхем. Сплав 88% Ga и 12% Sn плавится при 15 °С, а некоторые другие содержащие галлий сплавы (например, 61,5% Bi, 37,2 — Sn и 1,3 — Ga) были предложены для пломбирования зубов. Они не изменяют своего объема с температурой и хорошо держатся. Галлий можно использовать также как уплотнитель для вентилей в вакуумной технике. Однако следует иметь в виду, что при высоких температурах он агрессивен по отношению и к стеклу, и ко многим металлам.
В связи с возможностью расширения производства галлия становится актуальной проблема ассимиляции (т. е. освоения практикой) этого элемента и его соединений, что требует проведения исследовательских работ для изыскания областей их рационального использования. По галлию имеются обзорная статья и монографии .
Сжимаемость индия несколько выше, чем у алюминия (при 10 тыс. ат объем составляет 0,84 исходного). С повышением давления уменьшается его электросопротивление (до 0,5 от исходного при 70 тыс. ат) и растет температура плавления (до 400°С при 65 тыс. ат). Палочки металлического индия при сгибании хрустят, подобно оловянным. На бумаге он оставляет темную черту. Важное применение индия связано с изготовлением германиевых выпрямителей переменного тока (X § 6 доп. 15). Благодаря своей легкоплавкости он может играть роль смазки в подшипниках.
Введение небольшого количества индия в сплавы меди сильно повышает их устойчивость к действию морской воды, а присадка индия к серебру усиливает его блеск и предупреждает потускнение на воздухе. Сплавам для пломбирования зубов добавка индия придает повышенную прочность. Электролитическое покрытие индием других металлов хорошо предохраняет их от коррозии. Сплав индия с оловом (1:1 по массе) хорошо спаивает стекло со стеклом или металлом, а сплав состава 24% In и 76% Ga плавится при 16°С. Плавящийся при 47 °С сплав 18,1% In с 41,0 — Bi, 22,1 — РЬ, 10,6 — Sn и 8,2 — Cd находит медицинское использование при сложных переломах костей (вместо гипса). По химии индия имеется монография
Сжимаемость таллия примерно такова же, как индия, но для него известны две аллотропические модификации (гексагональная и кубическая), точка перехода между которыми лежит при 235 °С. Под высоким давлением возникает еще одна. Тройная точка всех трех форм лежит при 37 тыс. ат и 110°С. Этому давлению соответствует скачкообразное уменьшение примерно в 1,5 раза электросопротивления металла (которое при 70 тыс. ат составляет около 0,3 от обычного). Под давлением в 90 тыс. ат третья форма таллия плавится при 650 °С.
Таллий используется главным образом для изготовления сплавов с оловом и свинцом, обладающих высокой кислотоупорностью. В частности, сплав состава 70% РЬ, 20% Sn и 10% Т1 хорошо выдерживает действие смесей серной, соляной и азотной кислот. По таллию имеется монография .
По отношению к воде галлий и компактный индий устойчивы, а таллий в присутствии воздуха медленно разрушается ею с поверхности. С азотной кислотой галлий реагирует лишь медленно, а таллий весьма энергично. Напротив, серная, и особенно соляная, кислота легко растворяет Ga и In, тогда как Т1 взаимодействует с ними значительно медленнее (вследствие образования на поверхности защитной пленки труднорастворимых солей). Растворы сильных щелочей легко растворяют галлий, лишь медленно действуют на индий и не реагируют с таллием. Галлий заметно растворяется также в NH4OH. Летучие соединения всех трех элементов окрашивают бесцветное пламя в характерные цвета: Ga — в почти незаметный для глаза темно-фиолетовый (Л. = 4171 А), In —в темно-синий (Л, = 4511 А), Т1 — в изумрудно-зеленый (А, = = 5351 А).
Галлий и индий, по-видимому, не ядовиты. Напротив, таллий сильно ядовит, причем по характеру действия похож на РЬ и As. Поражает он нервную систему, пищеварительный тракт и почки. Симптомы острого отравления проявляются не сразу, а через 12—20 часов. При медленно развивающемся хроническом отравлении (в том числе и через кожу) наблюдается прежде всего возбуждение и расстройство сна. В медицине препаратами таллия пользуются для удаления волос (при лишаях и т. п.).
Соли таллия нашли применение в светящихся составах как вещества, увеличивающие продолжительность свечения. Они оказались также хорошим средством против мышей и крыс.
В ряду напряжений галлий располагается между Zn и Fe, а индий и таллий — между Fe и Sn. Переходам Ga и In по схеме Э+3 + Зе = Э отвечают нормальные потенциалы: —0,56 и —0,33 в (в кислой среде) или —1,2 и —1,0 в (в щелочной среде). Таллий переводится кислотами в одновалентное состояние (нормальный потен- пиал —0,34 в). Переход Т1+3 + 2е = Т1+ характеризуется нормальным потенциалом + 1,28 в в кислой среде или +0,02 в — в щелочной.
Теплоты образования окислов Э203 галлия и его аналогов уменьшаются по ряду 260 (Ga), 221 (In) и 93 ккал/моль (Т1). При нагревании на воздухе галлий практически окисляется только до GaO. Поэтому Ga203 обычно получают обезвоживанием Ga (ОН) з. .Индий при нагревании на воздухе образует 1п203, а таллий — смесь Т1203 и Т120 с тем большим содержанием высшего окисЛа, чем ниже температура. Нацело до Т1203 таллий может быть окислен действием озона.
Растворимость окислов Э203 в кислотах увеличивается по ряду Ga — In — Tl. В том же ряду уменьшается прочность связи элемента с кислородом: Ga203 плавится при 1795°С без разложения, 1п203 переходит в 1п304 лишь выше 850 °С, а мелко раздробленная Т1203 начинает отщеплять кислород уже около 90 °С. Однако для полного перевода Т1203 в Т120 необходимы гораздо более высокие температуры. Под избыточным давлением кислорода 1п203 плавится при 1910 °С, а Т1203 — при 716 °С.
Теплоты гидратации окислов по схеме Э203 + ЗН20 = 2Э(ОН)3 составляют +22 ккал (Ga), +1 (In) и —45 (Т1). В соответствии с этим легкость отщепления гидроокисями воды возрастает от Ga к Т1: если Ga(OH)3 полностью обезвоживается лишь при прокаливании, то Т1(ОН)3 переходит в Т1203 даже при стоянии под жидкостью, из которой она была выделена.
При нейтрализации кислых растворов солей галлия его гидроокись осаждается приблизительно в интервале pH = 3—4. Свежеосажденная Ga(OH)3 хорошо растворима в крепких растворах аммиака, но по мере ее старения растворимость все более снижается. Ее изоэлектрическая точка лежит при pH = 6,8, а ПР = 2 • 10~37. Для 1п(ОН)3 было найдено ПР = 1 • 10-31, а для Т1(ОН)3— 1 • 10~45.
Для вторых и третьих констант диссоциации Ga(OH)3 по кислотному и основному типам были определены следующие значения:
H3Ga03 /С2 = 5-10_И К3 = 2-10-12
Ga(OH)3 К2“2. Ю-П /Сз = 4 -10 12
Таким образом, гидроокись галлия представляет собой случай электролита, очень близкого к идеальной амфотерности.
<
Различие кислотных свойств гидроокисей галлия и его аналогов отчетливо проявляется при их взаимодействии с растворами сильных щелочей (NaOH, КОН). Гидроокись галлия легко растворяется с образованием галлатов типа M[Ga(OH)4], устойчивых и в растворе, и в твердом состоянии. При нагревании они легко теряют воду (соль Na — при 120, соль К — при 137 °С) и переходят в соответствующие безводные соли типа MGa02. Для получаемых из растворов галлатов двухвалентных металлов (Са, Sr) характерен другой тип — M3[Ga (ОН) 612-
Гидроокись индия почти нерастворима в сильных щелочах (NaOH, КОН), но при очень высоких их концентрациях образуются индаты типа М3[1п(ОН)6] ■ 2Н20, которые тоже почти нерастворимы. Водой они полностью гидролизуются.
Гидроокись таллия легко пептизируется сильными щелочами (с образованием отри-цательного золя), но нерастворима в них и таллатов не дает. Сухим путем (сплавлением окислов с соответствующими карбонатами) производные типа МЭ02 были получены для всех трех элементов подгруппы галлия. Однако в случае таллия они оказались смесями окислов.
Эффективные радиусы ионов Ga3+, In3* и Т13* равны соответственно 0,62, 0,92 и 1,05 А. В водной среде они непосредственно окружены, по-видимому, шестью молекулами воды. Такие гидратированные ионы несколько диссоциированы по схеме Э(ОН2)а Г *• Э (ОН2)5 ОН + Н , причем их константы диссоциации оцениваются в 3 ■ 10-3°(Ga) и 2 • 10-4 (In).
Галоидные соли Ga3+, In3* и Т13*’ в общем похожи на соответствующие соли А13*. Кроме фторидов, они сравнительно легкоплавки и хорошо растворимы не только в воде, но и в ряде органических растворителей. Окрашены из них лишь желтые Gal3
