هل تتذكر جهاز الإنهاء T-1000 المصنوع من المعدن السائل، والذي قاتل بنموذج قديم للمدمرة، والذي لعب دوره بشكل مثالي أرنولد شوارزنيجر؟ لكن مثل هذا المعدن "السائل" موجود بالفعل، وهو ليس مجرد نسج من خيال شخص ما الرائع. ويسمى هذا المعدن - الغاليوم، ولها بعض الخصائص المثيرة للاهتمام.
هذا المعدن الهش لديه نقطة انصهار فقط 29.76 جوإذا أمسكت به في أيدي دافئة لفترة معينة، فسوف يبدأ في الذوبان. تم التنبؤ بوجود الغاليوم لأول مرة في عام 1871 من قبل العالم الروسي العظيم ديمتري مندلييف، أبو الجدول الدوري للعناصر. في ذلك الوقت، لم يكن بإمكان أي من "العقول العلمية العظيمة" أن يتخيل أن مثل هذا المعدن يمكن أن يوجد في الطبيعة، وكان الكيميائي الروسي لدينا قادرًا على التنبؤ بدقة بالعديد من خصائصه الرئيسية الرئيسية، أو بالأحرى كثافته المنخفضة ونقطة انصهاره. 
لا يتواجد الغاليوم في الطبيعة في صورته النقية، لكن مركباته توجد بكميات ضئيلة في خامات البوكسيت والزنك. الغاليوم معدن ناعم، مطاوع، فضي اللون. عند درجات الحرارة المنخفضة يكون في حالة صلبة، ولكنه يذوب عند درجة حرارة لا تزيد كثيرًا عن درجة حرارة الغرفة (29.8 درجة مئوية). منذ اكتشاف العنصر في عام 1875 حتى ظهور عصر أشباه الموصلات، تم استخدام الغاليوم في المقام الأول لإنشاء سبائك منخفضة الذوبان. حاليًا، يتم استخدام الغاليوم بالكامل في الإلكترونيات الدقيقة. يُستخدم زرنيخيد الغاليوم، وهو مركب العنصر الرئيسي المستخدم، في دوائر الموجات الدقيقة وتطبيقات الأشعة تحت الحمراء.
في الوقت الحاضر، يُستخدم الغاليوم بشكل أساسي في صناعة أشباه الموصلات، وفي إنتاج الأدوات الرقمية الأكثر تقدمًا التي نستخدمها يوميًا. بالمناسبة، يمكن العثور على الغاليوم مجانًا على الإنترنت (إذا كنت تبحث بشدة)، لأولئك الذين يرغبون في إجراء تجاربهم الخاصة. كل ما عليك فعله هو أن تكون أكثر حذرًا، على الرغم من أن معدن الغاليوم يعتبر معدنًا غير سام، إلا أن بعض المصادر تدعي أن التعرض لفترة طويلة لهذا المعدن على الجلد غير المحمي يمكن أن يسبب أمراض جلدية خطيرة: يؤدي ملامسة الجلد للجاليوم إلى حقيقة أن وتبقى عليه جزيئات صغيرة متناثرة من المعدن. ظاهريا يبدو وكأنه بقعة رمادية. 
الغاليوم باهظ الثمن؛ في عام 2005، كان سعر طن الغاليوم في السوق العالمية 1.2 مليون دولارالولايات المتحدة الأمريكية، ونظرًا لارتفاع سعره وفي نفس الوقت الطلب الكبير على هذا المعدن، من المهم جدًا إنشاء استخراجه الكامل في إنتاج الألومنيوم ومعالجة الفحم الصلب إلى وقود سائل. نظرًا لانخفاض نقطة الانصهار، يوصى بنقل سبائك الغاليوم في أكياس من البولي إيثيلين، والتي تكون مبللة بشكل سيء بالجاليوم السائل. 
يمكنك في الفيديو أن ترى كيف تبدأ قطع صغيرة من الغاليوم في الذوبان في يدك:
وكيف تذوب ملعقة الغاليوم في الشاي:
يمكن إجراء تجربة مثيرة للاهتمام ليس فقط مع الذوبان، ولكن أيضًا مع تصلب الغاليوم. أولاً، يعد الغاليوم أحد المواد القليلة التي تتمدد عند تصلبها (تمامًا مثل الماء)، وثانيًا، يختلف لون المعدن المنصهر تمامًا عن لون المادة الصلبة.
صب كمية صغيرة من الغاليوم السائل في قنينة زجاجية وضع قطعة صغيرة من الغاليوم الصلب فوقها (بذرة للتبلور، حيث أن الغاليوم قادر على التبريد الفائق). يُظهر الفيديو بوضوح كيف تبدأ البلورات المعدنية في النمو (لها لون مزرق، على عكس ذوبان اللون الأبيض الفضي). وبعد مرور بعض الوقت، ينفجر الغاليوم المتوسع الفقاعة.
تم تسريع الجزء الأوسط من الفيديو (نمو بلورات الغاليوم) عشر مرات بحيث لم يكن الفيديو طويلاً جدًا:
الغاليوم عنصر كيميائي برقم ذري 31. وهو ينتمي إلى مجموعة المعادن الخفيفة ويرمز له بالرمز "Ga". لا يتواجد الغاليوم في الطبيعة في صورته النقية، لكن مركباته توجد بكميات ضئيلة في خامات البوكسيت والزنك. الغاليوم معدن ناعم، مطاوع، فضي اللون. عند درجات الحرارة المنخفضة يكون في حالة صلبة، ولكنه يذوب عند درجة حرارة لا تزيد كثيرًا عن درجة حرارة الغرفة (29.8 درجة مئوية). في الفيديو أدناه يمكنك أن ترى كيف تذوب ملعقة الغاليوم في كوب من الشاي الساخن.
(إجمالي 7 صور + 1 فيديو)
1. منذ اكتشاف العنصر في عام 1875 وحتى ظهور عصر أشباه الموصلات، تم استخدام الغاليوم في المقام الأول لإنشاء سبائك منخفضة الذوبان.
2. حاليا، يتم استخدام كل الغاليوم في الإلكترونيات الدقيقة.
3. زرنيخيد الغاليوم، مركب العنصر الرئيسي المستخدم، يستخدم في دوائر الموجات الدقيقة وتطبيقات الأشعة تحت الحمراء.
4. يتم استخدام نيتريد الغاليوم بشكل أقل في إنشاء أشعة ليزر أشباه الموصلات ومصابيح LED في النطاق الأزرق والأشعة فوق البنفسجية.
5. ليس للجاليوم أي دور بيولوجي معروف للعلم. ولكن بما أن مركبات الغاليوم وأملاح الحديد تتصرف بشكل مماثل في النظم البيولوجية، فغالبًا ما تحل أيونات الغاليوم محل أيونات الحديد في التطبيقات الطبية.
يعد الغاليوم أحد أندر المعادن على كوكبنا. ومن المستحيل العثور عليه بشكله النقي على الأرض. ويوجد فقط في شكل مركبات في خامات الزنك والبوكسيت. في الجدول الدوري لمندليف، يحتل هذا العنصر المركز الحادي والثلاثين المشرف. يتمتع المعدن بخاصية فريدة من نوعها - حيث تبلغ نقطة انصهاره 29.8 درجة مئوية فقط. وهذا أعلى بقليل من درجة حرارة غرفتنا المعتادة. يمكنك أن ترى في الفيديو كيف تذوب ملعقة الغاليوم في كوب من الشاي الساخن في غضون ثوانٍ فقط.
1. تم اكتشاف المعدن لأول مرة عام 1875.
2. تم استخدامه في الأصل لإنشاء سبائك منخفضة الانصهار. مع ظهور عصر أشباه الموصلات، بدأ استخدام الغاليوم بشكل متزايد في الإلكترونيات الدقيقة.
3. لتصنيع ليزر أشباه الموصلات ومصابيح LED في النطاق الأزرق والأشعة فوق البنفسجية، عادة ما يتم استخدام نيتريد الغاليوم.
4. درجة غليان الغاليوم أعلى بكثير من درجة غليان الزئبق. تسمح هذه الخاصية باستخدام المعدن في موازين حرارة الكوارتز (بدلاً من الزئبق) لقياس درجات الحرارة المرتفعة.
5. طن الغاليوم يكلف أكثر من مليون دولار وسعره يتزايد كل عام.
6. التلامس المطول بين الجلد والجاليوم يمكن أن يسبب تسممًا حادًا يؤدي إلى الوفاة. أعراضه هي الإثارة قصيرة المدى، تليها التخلف، وضعف التنسيق بين الحركات، والأديناميا، والمنعكسات، والتغيرات في إيقاع الجهاز التنفسي، والجمود الكامل للأطراف السفلية. ثم يدخل الإنسان في حالة غيبوبة ولا يخرج منها أبداً.
7. نظرًا لأن الغاليوم يذوب بسهولة شديدة، فإنه يتم نقله فقط في أكياس بولي إيثيلين خاصة.
تعريف
الغاليوم (اللاتينية الغاليوم)، Ga، العنصر الكيميائي للمجموعة الثالثة من النظام الدوري لـ D. I. Mendeleev Dmitry Ivanovich، الرقم التسلسلي 31، الكتلة الذرية 69.72؛ معدن ناعم أبيض فضي.
الخصائص الفيزيائية
يحتوي الغاليوم البلوري على العديد من التعديلات متعددة الأشكال، ولكن واحد فقط (I) مستقر من الناحية الديناميكية الحرارية، وله شبكة متعامدة الشكل (رباعية زائفة) ذات معلمات a = 4.5186 Å، b = 7.6570 Å، c = 4.5256 Å. التعديلات الأخرى للجاليوم (β، γ، δ، ε) تتبلور من معدن مشتت فائق التبريد وتكون غير مستقرة. عند الضغط المرتفع، لوحظ وجود هيكلين متعددي الأشكال من الغاليوم II وIII، لهما، على التوالي، شبكات مكعبة ورباعية الزوايا.
كثافة الغاليوم في الحالة الصلبة عند درجة حرارة T=20 درجة مئوية هي 5.904 جم/سم3، والجاليوم السائل عند درجة حرارة T=29.8 درجة مئوية تبلغ كثافته 6.095 جم/سم3، أي أنه عند التصلب، يكون حجم الغاليوم يزيد. درجة انصهار الغاليوم أعلى قليلاً من درجة حرارة الغرفة وتساوي Tmelt = 29.8 درجة مئوية؛ ويغلي الغاليوم عند Tbp = 2230 درجة مئوية. 
من مميزات الغاليوم اتساع نطاق درجة حرارة وجود الحالة السائلة (من 30 إلى 2230 درجة مئوية)، بينما يتمتع بضغط بخار منخفض عند درجات حرارة تصل إلى 1100÷1200 درجة مئوية. تبلغ السعة الحرارية النوعية للجاليوم الصلب في نطاق درجة الحرارة T÷24 درجة مئوية 376.7 جول/كجم كلفن (0.09 كالوري/جم درجة)، في الحالة السائلة عند T=29÷100 درجة مئوية - 410 جول/كجم كلفن ( 0.098 كالوري/جم درجة).
التواجد في الطبيعة
يعد الغاليوم عنصرًا نادرًا نموذجيًا، ويُصنف أحيانًا على أنه نادر.
كلارك (التقدير العددي لمتوسط المحتوى في القشرة الأرضية) من الغاليوم في القشرة الأرضية كبير جدًا ويصل إلى 1.5·10-3% (كتلة). وبالتالي فإن محتواه أعلى من الموليبدينوم والبزموت والتنغستن والزئبق وبعض العناصر الأخرى التي لا تصنف عادة على أنها نادرة. 
المصدر الرئيسي للجاليوم هو البوكسيت (أكسيد الألومنيوم المائي). ومن المثير للاهتمام أن خامات البوكسيت، بغض النظر عن موقعها وخصائصها الأصلية، تتميز بتوزيع موحد باستمرار للجاليوم فيها - 0.002-0.006٪. يحتوي النيفيلين من خامات الأباتيت والنيفيلين في جبال خيبيني على الغاليوم بكميات كبيرة (0.01-0.04.
ترتبط احتياطيات الغاليوم الرئيسية في العالم برواسب البوكسيت، وهي احتياطيات كبيرة جدًا بحيث لن يتم استنفادها لعقود عديدة. ومع ذلك، فإن معظم الغاليوم الموجود في البوكسيت لا يزال غير متوفر بسبب نقص الطاقة الإنتاجية، والتي تملي حجمها لأسباب اقتصادية. من الصعب تقدير احتياطيات الغاليوم الفعلية. وفقا لخبراء من الولايات المتحدة. المسوحات الجيولوجية تصل موارد الغاليوم العالمية المرتبطة برواسب البوكسيت إلى مليون طن. تمتلك الصين والولايات المتحدة وروسيا وأوكرانيا وكازاخستان احتياطيات كبيرة من الغاليوم.
إيصال
يعد الغاليوم عنصرًا نادرًا وهو رفيق دائم للألمنيوم والزنك، لذلك يرتبط إنتاجه دائمًا بمعالجة خامات الألومنيوم أو الكبريتيد متعدد المعادن (خاصة الزنك). عادة، يرتبط استخراج الغاليوم من مركزات الزنك بالعديد من الصعوبات، مما يتسبب في ارتفاع سعر المعدن، لذلك، لعدة عقود، كان المصدر الرئيسي (95) للحصول على الغاليوم هو نفايات صناعة الألومنيوم، وحصة ويمثل ما يسمى بالمعالجة المتكاملة للنفايات (إلى جانب استخراج الزنك والإنديوم بألمانيا) حوالي 5% من الطاقة الإنتاجية، بالإضافة إلى ذلك، هناك تقنيات لاستخراج الغاليوم من غبار المداخن والرماد الناتج عن احتراق الفحم، وكذلك فحم الكوك. يضيع.
طلب
لا يوجد حتى الآن استخدام صناعي واسع النطاق للجاليوم.
لا يزال الحجم المحتمل للمنتجات الثانوية للجاليوم في إنتاج الألومنيوم يتجاوز الطلب على المعدن بشكل كبير.
التطبيق الواعد للغاليوم هو في شكل مركبات كيميائية مثل GaAs، GaP، GaSb، والتي لها خصائص أشباه الموصلات. ويمكن استخدامها في المقومات والترانزستورات ذات درجات الحرارة العالية، والبطاريات الشمسية وغيرها من الأجهزة التي يمكن فيها استخدام التأثير الكهروضوئي في طبقة الحجب، وكذلك في أجهزة استقبال الأشعة تحت الحمراء. يمكن استخدام الغاليوم لصنع مرايا بصرية شديدة الانعكاس.
الغاليوم غالي الثمن؛ في عام 2005، في السوق العالمية، بلغت تكلفة طن الغاليوم 1.2 مليون دولار أمريكي، ونظرًا للتكلفة العالية وفي نفس الوقت الحاجة الكبيرة لهذا المعدن، من المهم جدًا إنشاء استخراجه الكامل من الألومنيوم. إنتاج وتجهيز الفحم الصلب.
يحتوي الغاليوم على عدد من السبائك التي تكون سائلة في درجة حرارة الغرفة، وأحد سبائكه لديه نقطة انصهار تبلغ 3 درجات مئوية، ولكن من ناحية أخرى، يعتبر الغاليوم (السبائك بدرجة أقل) عدوانيًا جدًا لمعظم المواد الإنشائية (التكسير). وتآكل السبائك عند درجات الحرارة المرتفعة)، وكمبرد، فهو غير فعال وغالباً ما يكون غير مقبول.
الغاليوم مادة تشحيم ممتازة. تم إنشاء مواد لاصقة معدنية مهمة جدًا تقريبًا على أساس الغاليوم والنيكل والجاليوم والسكانديوم.
يعد أكسيد الغاليوم جزءًا من عدد من مواد الليزر ذات الأهمية الإستراتيجية لمجموعة العقيق - GSGG، YAG، ISGG، إلخ.
تسمح موازين حرارة الغاليوم، من حيث المبدأ، بقياس درجات الحرارة من 30 إلى 2230 درجة مئوية. ويتم الآن إنتاج موازين حرارة الغاليوم لدرجات حرارة تصل إلى 1200 درجة مئوية.
يستخدم العنصر رقم 31 لإنتاج السبائك منخفضة الذوبان المستخدمة في أجهزة الإشارة. تذوب سبيكة الغاليوم والإنديوم عند درجة حرارة 16 درجة مئوية. وهذه هي أكثر السبائك المعروفة قابلية للانصهار.
وهي 29.76 درجة مئوية. فإذا وضعته في كف دافئ يبدأ بالتحول تدريجياً من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة.
رحلة قصيرة في التاريخ
ما اسم المعدن الذي يذوب في يدك؟ كما ذكرنا أعلاه، تُعرف هذه المادة باسم الغاليوم. تم التنبؤ بوجودها النظري في عام 1870 من قبل عالم محلي، مؤلف جدول العناصر الكيميائية ديمتري منديليف. كان أساس ظهور مثل هذا الافتراض هو دراسته لخصائص العديد من المعادن. في ذلك الوقت، لم يكن من الممكن لأي منظّر أن يتخيل أن المعدن الذي يذوب في اليدين موجود في الواقع.
لقد أثبت العالم الفرنسي إميل ليكوك دي بويسبودران إمكانية تصنيع مادة قابلة للانصهار للغاية، والتي تنبأ بمظهرها مندليف. وفي عام 1875 نجح في عزل الغاليوم من خام الزنك. وخلال التجارب على المادة حصل العالم على معدن يذوب في يديه.
ومن المعروف أن إميل بويزبودران واجه صعوبات كبيرة في عزل عنصر جديد من خام الزنك. خلال تجاربه الأولى، تمكن من استخراج 0.1 جرام فقط من الغاليوم. ومع ذلك، حتى هذا كان كافيا لتأكيد الخاصية المدهشة للمادة.
أين يوجد الغاليوم في الطبيعة؟
يعد الغاليوم أحد العناصر التي لا تتواجد في صورة رواسب خام. المادة منتشرة جدًا في القشرة الأرضية. ويوجد في الطبيعة في معادن نادرة للغاية مثل الغاليت والزنجايت. خلال التجارب المعملية، يمكن عزل كمية صغيرة من الغاليوم من خامات الزنك والألومنيوم والجرمانيوم والحديد. في بعض الأحيان يوجد في البوكسيت ورواسب الفحم والرواسب المعدنية الأخرى.
كيفية الحصول على الغاليوم
حاليًا، يقوم العلماء في أغلب الأحيان بتصنيع المعدن الذي يذوب في اليدين من محاليل الألومنيوم التي يتم استخراجها أثناء معالجة الألومينا. ونتيجة لإزالة الجزء الأكبر من الألومنيوم وإجراء عملية التركيز المتكرر للمعادن، يتم الحصول على محلول قلوي يحتوي على نسبة صغيرة من الغاليوم. يتم عزل هذه المواد من المحلول عن طريق التحليل الكهربائي.
مجالات التطبيق
لم يجد الغاليوم تطبيقًا في الصناعة بعد. ويرجع ذلك إلى الاستخدام الواسع النطاق للألمنيوم، الذي له خصائص مماثلة في الحالة الصلبة. على الرغم من ذلك، يبدو الغاليوم مادة واعدة لأنه يتمتع بخصائص ممتازة لأشباه الموصلات. يمكن استخدام هذا المعدن لإنتاج عناصر الترانزستور، ومقومات التيار ذات درجة الحرارة العالية، والألواح الشمسية. يبدو الغاليوم حلاً ممتازًا لصنع طبقات مرآة بصرية ذات أعلى انعكاس.
تظل العقبة الرئيسية أمام استخدام الغاليوم على نطاق صناعي هي التكلفة العالية لتخليقه من الخامات والمعادن. ويبلغ سعر طن هذا المعدن في السوق العالمية أكثر من 1.2 مليون دولار.
حتى الآن، وجد الغاليوم استخدامًا فعالاً فقط في المجال الطبي. يستخدم المعدن في شكل سائل لإبطاء فقدان العظام لدى الأشخاص الذين يعانون من السرطان. يتم استخدامه لوقف النزيف بسرعة في حالة وجود جروح عميقة للغاية على جسد الضحايا. وفي الحالة الأخيرة، لا يؤدي انسداد الأوعية الدموية بالجاليوم إلى تكوين جلطات دموية.
كما ذكرنا سابقًا، الغاليوم معدن يذوب في اليدين. نظرا لأن درجة الحرارة المطلوبة لتحويل المادة إلى حالة سائلة تزيد قليلا عن 29 درجة مئوية، فهي كافية للاحتفاظ بها في راحة يدك. بعد مرور بعض الوقت، ستبدأ المادة الصلبة الأولية في الذوبان حرفيًا أمام أعيننا.
يمكن إجراء تجربة رائعة إلى حد ما مع تصلب الغاليوم. يميل المعدن المعروض إلى التوسع أثناء التصلب. لإجراء تجربة مثيرة للاهتمام، يكفي وضع الغاليوم السائل في قارورة زجاجية. بعد ذلك عليك أن تبدأ في تبريد الحاوية. بعد مرور بعض الوقت، ستلاحظ كيف تبدأ البلورات المعدنية في التكون في الفقاعة. وسيكون لها لون مزرق، على عكس اللون الفضي الذي يميز المادة في حالتها السائلة. إذا استمر التبريد، فإن الغاليوم المتبلور سوف يمزق في النهاية القارورة الزجاجية.
أخيراً
لذلك اكتشفنا نوع المعدن الذي يذوب في اليد. اليوم، يمكن العثور على الغاليوم للبيع لإجراء تجاربك الخاصة. ومع ذلك، ينبغي التعامل مع المواد بحذر شديد. الغاليوم الصلب مادة غير سامة. ومع ذلك، فإن الاتصال المطول بالمادة السائلة يمكن أن يؤدي إلى عواقب صحية غير متوقعة، بما في ذلك توقف التنفس، وشلل الأطراف، ودخول الشخص في غيبوبة.