Галлий - очень редкий химический элемент с символом Ga, номером 31, относящийся к 13-й группе периодической таблицы, в которую также входят алюминий, индий и таллий.
Физические свойства металлического галлия
Как металлический элемент, галлий представляет собой мягкий металл серебристого цвета при стандартном атмосферном давлении и температуре 20°C. Однако металлический галлий имеет очень низкую температуру плавления - 29,7646°C. Это означает, что если кусочек металлического галлия положить на ладонь, то температуры вашего тела будет достаточно, чтобы его расплавить.
Хотя температура плавления металлического галлия очень низкая, но его температура кипения очень высокая, достигает 2400 ℃. Плотность твердого металлического галлия составляет около 5,91 г/см3 при комнатной температуре, а плотность жидкого металлического галлия - около 6,095 г/см3 при комнатной температуре.
Металлический галлий - нетоксичный материал, но некоторые его соединения токсичны.
Химические свойства металлического галлия
При комнатной температуре металлический галлий не вступает в реакцию с воздухом или водой, поскольку образует на поверхности пассивный, защитный оксидный слой. Однако при более высоких температурах металлический галлий вступает в реакцию с кислородом воздуха, образуя оксид галлия.
При температурах до 1050°C металлический галлий также реагирует с аммиаком, образуя нитрид галлия (GaN), очень важное соединение, и я уверен, что вы слышали о зарядном устройстве из нитрида галлия.
В ассортименте GoGadget все зарядные устройства производятся из нитрида галлия
Сильные кислоты и основания способны растворять металлический галлий. В целом химические свойства металлического галлия несколько схожи со свойствами алюминия, элемента того же семейства.
Резервные данные металлического галлия
В природе галлий не встречается в свободном виде. Существуют некоторые минералы с высоким содержанием галлия, например галлит (CuGaS2), но они слишком редки, чтобы их можно было использовать.
Содержание галлия в земной коре составляет около 16,9 промилле, что на самом деле не так уж мало и примерно соответствует содержанию в коре свинца, кобальта и ниобия. Однако, в отличие от этих элементов, галлий не образует собственных месторождений. В цинковых и алюминиевых рудах концентрация галлия составляет около 50 ppm, что все еще слишком мало, чтобы представлять ценность для добычи.
Но есть и хорошая новость: галлий можно добывать в качестве побочного продукта из цинковых и алюминиевых руд. Согласно статистике, в бокситах и цинковых рудах по всему миру содержится около 1 миллиона тонн галлия, а некоторые битуминозные угли также содержат галлий, поэтому производство галлия фактически зависит от того, сколько алюминия, цинка и битуминозного угля производится, особенно огромное производство алюминия является основным источником металлического галлия.
Элемент галлий добывается в качестве побочного продукта при добыче алюминия.
Данные о производстве металлического галлия
Как уже упоминалось, элемент галлий в основном содержится в бокситах, цинковых рудах и битуминозном угле, причем общее количество металлического галлия, которое можно извлечь из бокситовых руд, может достигать 2100 тонн в год, производство металлического галлия из сульфидных руд цинка составляет около 85 тонн, а производство металлического галлия из битуминозного угля - 590 тонн.
Разумеется, приведенные выше цифры относятся к элементу галлий, который теоретически может быть извлечен, но в действительности в 2016 году в мире было произведено всего около 375 тонн металлического галлия. Удельная цена низкосортного металлического галлия составляет 120 долларов за килограмм.
Китай является крупнейшим в мире производителем металлического галлия, на долю которого приходится от 80 до 95 процентов мирового производства металлического галлия.
Важные области применения металлического галлия
Металлический галлий в основном используется в полупроводниковой промышленности, около 98% металлического галлия используется в этой отрасли, оставшиеся 2% металлического галлия также используются в производстве сплавов, биомедицине и других отраслях.
В полупроводниковой промышленности может использоваться металлический галлий очень высокой чистоты (>99,9999%). Арсенид галлия (GaAs) и нитрид галлия (GaN), используемые в электронных компонентах, составили около 98% потребления галлия в США. Около 66% американского полупроводникового галлия используется в интегральных схемах (в основном GaAs), например, при производстве сверхскоростных логических микросхем, малошумящих микроволновых предусилителей для мобильных телефонов и MESFET. Около 20 процентов галлия используется в оптоэлектронике.
В глобальном масштабе на арсенид галлия приходится 95 % годового мирового потребления галлия. В 2016 году этот показатель составил 7,5 млрд долларов, из которых 53 % приходится на мобильные телефоны, 27 % - на беспроводную связь, а остальное - на автомобильную, потребительскую, волоконно-оптическую и военную технику.
Арсенид и нитрид галлия также присутствуют в различных оптоэлектронных устройствах, а их доля на рынке составила 15,3 млрд долларов в 2015 году и 18,5 млрд долларов в 2016 году. Арсенид галлия (AlGaAs) используется в мощных инфракрасных лазерных диодах. Полупроводниковый нитрид галлия (GaN) и нитрид индия галлия (InGaN) используются в синих и фиолетовых оптоэлектронных устройствах, в основном в лазерных диодах и светоизлучающих диодах. Например, диодные лазеры GaN с длиной волны 405 нм используются в качестве источников фиолетового света для компактных дисков Blu-ray Disc с повышенной плотностью записи данных.
Галлий широко используется в полупроводниковой промышленности.
Среди других основных областей применения GaN - передача данных по кабельному телевидению, коммерческая беспроводная инфраструктура, силовая электроника и спутники. Только рынок радиочастотных устройств на основе GaN в 2016 году оценивался в 370 миллионов долларов.
Многопереходные фотоэлектрические элементы, разработанные для применения в спутниковой энергетике, изготавливаются методом молекулярно-лучевой эпитаксии или металлоорганической парофазной эпитаксии тонких пленок арсенида галлия, фосфида индия или арсенида галлия. В марсоходе Mars Exploration Rover и нескольких спутниках используются трехпереходные элементы из арсенида галлия на германии. Галлий также входит в состав фотоэлектрических соединений (например, сульфида меди-индия-галлия-селена Cu(In,Ga)(Se,S)2), используемых в солнечных батареях в качестве экономически эффективной альтернативы кристаллическому кремнию.
В целом, металлический галлий является относительно нишевым, но важным промышленным материалом, особенно в полупроводниковой промышленности, где он широко используется. Обычно его получают только из бокситов, а поскольку Китай является крупнейшей в мире страной по переработке алюминия, у Китая естественное преимущество в крупномасштабном производстве металлического галлия.
Все о нитрид галлия в одной статье
Последние технологические достижения в области нитрида галлия (GaN)
