Галлий: металл, который тает в руках

Он хрупкий, как стекло, плавится при комнатной температуре и не любит другие металлы. Знакомьтесь: галлий.

Как открыли галлий Фото: Bjoern Wylezich/Shutterstock/FOTODOM Галлий занял третью группу четвертого периода системы химических элементов Менделеева под атомным номером 31

В 1869 году его существование предсказал Дмитрий Менделеев. Основываясь на открытом периодическом законе, он оставил места в третьей группе для неизвестных элементов, включая «экаалюминий». Ориентируясь по «соседям», Менделеев достаточно точно описал его свойства, включая атомную массу (~68) и плотность (5,9 г/см³).

В 1875 году французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран выступил на заседании Парижской академии наук, сообщив, что открыл новый элемент с помощью спектроскопии. После уточняющего письма Менделеева, указавшего на несоответствие плотности, де Буабодран перепроверил данные и с удивлением обнаружил, что русский коллега, никогда не видевший элемент, был прав.

Свою «находку» он предложил назвать галлием от слова «Галлия» (римское название исторической части Европы, включающей в том числе и Францию. — Прим. ред.). Хотя некоторые поговаривали, что за основу химик взял свою фамилию Лекок, созвучную французскому le coq («петух»). А по-латински «петух» — gallus, откуда недалеко и до галлия (gallium). В любом случае галлий занял третью группу четвертого периода системы химических элементов Менделеева под атомным номером 31. 

Где находятся месторождения галлия Фото: horizonphoto/Shutterstock/FOTODOM Бокситовый рудник

Металл достаточно редкий. Он относится к рассеянным элементам и практически не образует собственных месторождений. Собственные минералы галлия в природе обнаружены в ничтожных количествах, и даже в качестве примеси его содержание в рудах, например, в бокситах, крайне мало. На бокситы, основное сырье для производства алюминия, приходится до 90% мирового выпуска галлия. Но извлекается из них лишь небольшая его часть, что делает производство сложным и дорогостоящим. 

За последние десятилетия Китай стал мировым монополистом в производстве первичного галлия, сосредоточив у себя около 80% мощностей. Другие страны, включая Россию, Германию и Японию, либо свернули производство, либо сохранили его в минимальных объемах.

Какими свойствами обладает галлий Фото: megaflopp/Shutterstock/FOTODOM Стоит воздуху в помещении слегка нагреться, как столбик галлиевого сплава, вмонтированный в реле, начинает таять

Во-первых, тепла человеческого тела вполне достаточно, чтобы превратить этот серебристый металл в жидкость. Температура его плавления — всего 29,76 °C. Для сравнения: у свинца — 327 °С, у золота — 1063 °С, а у вольфрама — 3420 °С.

Именно благодаря низкой температуре плавления галлий является основным компонентом многих легкоплавких сплавов. Например, сплав «галинстан» (галлий, индий, олово) плавится уже при -19 °C и используется в высокоточных термометрах вместо ртути. Удобно, к примеру, применять его в устройствах пожарной сигнализации. Стоит воздуху в помещении слегка нагреться, как столбик галлиевого сплава, вмонтированный в реле, начинает таять. В результате замыкаются электрические контакты и звуковой или световой сигнал извещает об опасности. Надежнее любого вахтера!

Во-вторых, галлий может длительное время не затвердевать в переохлажденном состоянии. Можно положить его вечером в морозильник и утром найти в таком же расплавленном виде. И даже если вылить каплю на лед, она еще долго не затвердеет. Зато, когда это произойдет, объем металла значительно увеличится. Это свойство (расширение при затвердевании) проявляют немногие простые вещества, такие как, например, вода. Поэтому галлий обычно хранят в небольших желатиновых капсулах или резиновых баллонах.

Наконец, в-третьих, жидкий галлий обладает высокой электропроводностью и остается жидким в огромном интервале температур (от 29,8 до 2230 °C). Это открывает перспективы для создания «жидкой» или «носимой» электроники — гибких схем, которые можно наносить на кожу или ткань. А так как кипеть он начинает лишь при 2230 °C, его используют при изготовлении высокотемпературных термометров. Сравните: температура кипения ртути — 356,7 °С. 

Казалось бы, легкоплавкость в сочетании с возможностью долгое время оставаться жидким должны делать его прекрасным теплоносителем. Но не тут-то было! По отношению к другим металлам жидкий галлий недружелюбен: при повышенных температурах большинство из них он растворяет, то есть разрушает. 

Где применяют галлий Фото: KPhrom/Shutterstock/FOTODOM Соединение арсенид галлия — ключевой полупроводниковый материал, который обеспечивает работу смартфонов, систем спутниковой связи и сетей 4G и 5G, так как создает меньше шумов и эффективнее работает на высоких частотах, чем кремний

Ионы галлия способны заменять ионы железа в метаболических процессах, что позволяет создавать на его основе лекарственные средства. Также радиофармпрепарат на основе галлия используется для диагностики злокачественных лимфом и некоторых видов рака легких. 

Способность хорошо отражать световые лучи позволяет широко использовать галлий при производстве зеркал. Причем они не тускнеют даже при повышенных температурах!

Однако основной и наиболее значимой сферой применения галлия является микроэлектроника. Соединение арсенид галлия — ключевой полупроводниковый материал, который обеспечивает работу смартфонов, систем спутниковой связи и сетей 4G и 5G, так как создает меньше шумов и эффективнее работает на высоких частотах, чем кремний. Другое соединение — нитрид галлия — используется в производстве мощных светодиодов и полупроводниковых лазеров. 

Таким образом, этот редкий и удивительный металл, предсказанный Менделеевым, лежит в основе самых современных технологий.

Материал впервые опубликован в 2020 году, обновлен в 2025.

Хакасия: там, где говорят камни

Кузбасс: про город-сад и угольные копи

Что такое редкоземельные металлы и где их применяют