» » Свойства и области применения чистых рассеянных металлов
22.09.2015

Свойства чистых рассеянных металлов
Галлий, индий и таллий находятся в III группе периодической системы Д.И. Менделеева и входят в число так называемых рассеянных металлов.
Галлий входит в 5-й ряд этой группы и по своим физическим и химическим свойствам близок к алюминию и мало схож с цинком и германием.
Индий находится в 7-м ряду III группы периодической системы и по своим свойствам он больше напоминает соседей по ряду (кадмий и олово), чем по группе. На воздухе он устойчив.
Таллий расположен в 9-м ряду III группы периодической системы. По свойствам таллий близок к свинцу, серебру и щелочным металлам.
В табл. 41 приведены некоторые свойства чистых рассеянных металлов.
Свойства и области применения чистых рассеянных металлов

Химические свойства чистых рассеянных металлов кратко могут быть охарактеризованы следующим образом.
Галлий устойчив на воздухе при обычной температуре. Сухой кислород окисляет металл при температуре выше 260°С, однако образующаяся пленка окиси предохраняет металл от дальнейшего окисления. Галлий не разлагает воду. Галоиды взаимодействуют с галлием уже на холоду. Неорганические кислоты слабо растворяют галлий при комнатной температуре и быстро при повышенной. При нагревании с раствором едкого натра галлий образует галлат натрия NaGaO2. Наиболее устойчивы соединения трехвалентного галлия и мало устойчивы — одновалентного.
Индий на воздухе также устойчив. При нагревании выше точки плавления металл окисляется, образуя In2O3. С хлором и бромом индий взаимодействует при комнатной температуре, с йодом — при нагревании. В воде индий медленно корродирует; растворяется в азотной, серной и соляной кислотах всех концентраций, а также в щавелевой кислоте. Устойчивы соединения трехвалентного индия и менее устойчивы — одновалентного.
Таллий на воздухе при обычной температуре медленно окисляется, выше 100°C окисление протекает быстро с образованием смеси окислов Tl2O и Tl2O3. В воде таллий медленно корродирует, быстро растворяется в азотной кислоте, медленнее — в серной и слабо растворим в соляной кислоте из-за образования защитной пленки Т1С1. В растворах щелочей таллий не растворим; с хлором, бромом и йодом реагирует уже при комнатной температуре. В химических соединениях выступает как одновалентный и трехвалентный элемент. В отличие от галлия и индия одновалентные соединения таллия более устойчивы, чем трехвалентные. Одновалентные соединения таллия по ряду свойств близки к соединениям щелочных металлов, серебра и свинца. Как одновалентные, так и трехвалентные соединения таллия весьма ядовиты и по своему действию напоминают мышьяк. Поэтому при работе с соединениями таллия необходимо предпринимать аналогичные меры предосторожности.
Извлечение рассеянных металлов осуществляется из отходов или полупродуктов производства тех металлов, с которыми по своим свойствам близок галлий, индий или таллий.
Так, сырьем для получения галлия служат полупродукты и отходы алюминиевого производства: 1) оборотные щелочные растворы при производстве глинозема по способу Байера; 2) последние фракции глинозема, получаемые при карбонизации алюминатных растворов; 3) анодные осадки, извлекаемые из ванн при электролитическом рафинировании алюминия.
Первичный (черновой) галлий выделяется электролизом водного раствора галлата натрия или хлорида галлия и содержит примерно 99,9% Ga.
Сырьем для получения индия служат отходы и полупродукты цинкового, свинцового и кадмиевого производств: 1) свинцовые фракции после дистилляции цинка; 2) медно-кадмиевые кеки, получаемые при очистке цинковых растворов; 3) отходы при очистке кадмиевых растворов.
Черновой индий получают цементацией из растворов сернокислого индия на алюминии или цинке. Черновой металл содержит 99—99,5% In.
Сырьем для получения таллия служат обычно также отходы цинкового производства — осадки металлов, получающиеся при очистке цементацией сернокислых растворов перед электролизом, а также пыль из электрофильтров.
Черновой таллий получают цементацией из растворов сернокислого таллия. Такой металл содержит около 99,95% Ta.
Черновые галлий, индий и таллий подвергают дополнительной глубокой очистке различными методами: электролитическим рафинированием, зонным рафинированием, перекристаллизацией через соли и др.
Применение чистых рассеянных металлов
Важнейшей и наиболее перспективной областью применения чистейших галлия, индия и таллия является в настоящее время полупроводниковая техника — для синтезирования интерметаллических полупроводниковых соединений типа АIIIBV, где металл AIII — это галлий, цинк или таллий, а элемент BV — это мышьяк, сурьма, фосфор, висмут и др. В этих соединениях на каждый атом AIII приходится атом BV, причем в кристаллической решетке эти атомы чередуются, образуя соединения, например GaSb, GaAs, InSb, InP, TISb, TlBi и т. д.
Структура и электронные свойства этих соединений во многом сходны со структурой и свойствами полупроводников IV группы. Это позволяет интерметаллические соединения AIIIBV применять в полупроводниковых приборах наряду с элементарными полупроводниками германием и кремнием.
Квантовые генераторы — лазеры на основе арсенида галлия характеризуются простотой устройства, эффективностью действия и компактностью. Важными для современной техники являются элементы солнечных батарей из фосфида и арсенида галлия, которые по сравнению с кремниевыми элементами характеризуются большим сроком работы, более высоким коэффициентом полезного действия и меньшей чувствительностью к высоким температурам. Начинается освоение и антимонида галлия, обладающего ценными полупроводниковыми свойствами.
Сказанное относится и к аналогичным соединениям индия, который как элемент III группы периодической системы элементов, кроме того, является акцепторной примесью для германия, сообщающей ему дырочный тип проводимости. В полупроводниковых приборах он применяется для создания n—p-переходов, получаемых при наплавлении металлического индия на поверхность пластинки, вырезанной из монокристаллического германия с электронной проводимостью.