آشنایی با ویژگیهای جالب فلز گالیوم

گالیوم (Gallium) یک عنصر شیمیایی با نماد Ga و عدد اتمی ۳۱ است. گالیوم یک فلز نرم و نقره ای با درجه حرارت و فشار استاندارد است.

این فلز در گروه ۱۳ جدول تناوبی وجود دارد و شباهت هایی با سایر فلزات گروه خود یعنی آلومینیوم، ایندیوم و تالیم دارد. گالیوم به صورت آزاد در محیط زیست وجود ندارد بلکه به صورت ترکیبات گالیم (III) در مقادیر کمی در سنگ معدن روی و بوکسیت یافت می شود.

این فلز در دمای بالاتر از ۲۹.۷۶ درجه سانتی گراد (۸۵.۵۷ درجه فارنهایت) به مایع تبدیل شده و در دمای طبیعی بدن یعنی ۳۷ درجه سانتیگراد (۹۹ درجه فارنهایت) در دست شما ذوب می شود. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می شود.

گالیوم عمدتا در الکترونیک مورد استفاده قرار می گیرد. گالیم آرسنید ، ترکیب شیمیایی اولیه این فلز است که  در الکترونیک ، در مدارهای مایکروویو ، مدارهای سوئیچینگ با سرعت بالا و مدارهای مادون قرمز استفاده می شود. نیترید گالیم یک نیمه هادی است و نیترید گالیم ایندیم در تولید دیودهای ساطع کننده رنگ آبی و بنفش (LED) و لیزرهای دیود بکار می رود . این فلز همچنین در تولید گارنت مصنوعی گادولینیوم گالیم برای جواهرات استفاده می شود. گالیوم به عنوان یک عنصر مهم تکنولوژیکی  محسوب می شود.

تاریخچه کشف گالیوم

پیش از کشف گالیم ، توسط شیمیدان و مخترع روسی دیمیتری مندلیف ، خالق جدول تناوبی جای این فلز با عنوان   eka-aluminumپر شده بود زیرا او می دانست فلزی پیدا خواهد شد که در جدول تناوبی زیر آلومینیوم در خانه ۳۱ قرار خواهد گرفت.

این فلز اولین بار توسط شیمیدان فرانسوی لکوک دی بویزبوران در سال ۱۸۷۵ کشف شد که به مدت ۱۵ سال طیف عناصر شیمیایی را مورد مطالعه قرار می داد.

لکوک دی بویزبوران از خود سوال می کرد که آیا عنصر ۳۱ جدول تناوبی ممکن است در سنگ معدن روی یافت شود. روی که عدد اتمی آن ۳۰ عدد است  در کنار در کنار گالیم قرار دارد. در اوت سال ۱۸۷۵ ، با استفاده از طیف سنجی این دانشمند مقداری گالیم پیدا کرد ، اما فقط در مقادیر بسیار اندک. وی گزارش داد که طیف عنصر جدید از اشعه باریک و بنفش تشکیل شده است که به راحتی قابل مشاهده است.

بعدا در همان سال ، طبق گزارش آزمایشگاه جفرسون ، لکوک دی بویزبودران از طریق الکترولیز گالیم هیدروکسید خالص را بدست آورد. در ادامه تحقیقات این دانشمند توسط معدنچیان چندین تن سنگ معدن روی به دست آورد و توانست چند گرم گالیم تقریبا خالص تولید کند. لكوك د بويزباودران نام عنصر گاليوم را برای این عنصر جديد انتخاب کرد كه از واژه لاتين “گاليا” به معنای فرانسه گرفته شده است.

این فلز نقش طبیعی شناخته شده ای در زیست شناسی ندارد. گالیم (III) در سیستم های بیولوژیکی به شکلی مشابه با نمک های آهن رفتار می کند و در برخی از کاربردهای پزشکی از جمله داروها و رادیو داروها مورد استفاده قرار گرفته است.

خواص فیزیکی و شیمیایی گالیوم

گالیم عنصری در طبیعت یافت نمی شود اما با ذوب شدن به راحتی به دست می آید. گالیم بسیار خالص یک فلز آبی – نقره ای است که مانند شیشه دچار شکستگی می شود. مایع گالیم هنگام جامد شدن ۳.۱۰٪ انبساط می یابد. بنابراین ، نباید آن را در ظروف شیشه ای یا فلزی نگهداری کرد زیرا ممکن است در هنگام تغییر حجم ظرف پاره شود. این فلز در حالت مایع چگالی بالاتری از آب ، سیلیکون ، ژرمانیوم ، بیسموت و پلوتونیوم دارد.

این فلز با اتصال به شبکه فلزی به اکثر فلزات دیگر حمله می کند. به عنوان مثال به کناره دانه های آلیاژهای آلومینیوم ، روی و فولاد متصل شده و آنها را بسیار شکننده می کند. گالیم به راحتی با بسیاری از فلزات آلیاژ تولید می کند و در مقادیر کمی در آلیاژ پلوتونیوم گالیم در هسته های پلوتونیوم بمب های هسته ای برای تثبیت ساختار بلور پلوتونیوم مورد استفاده قرار می گیرد.

این فلز در هیچ یک از ساختارهای ساده کریستالی تبلور نمی یابد. فاز پایدار آن در شرایط عادی ، دارای ۸ اتم در یک واحد معمولی سلول است. بسیاری از فازهای پایدار و بسیار پایدار در دما و فشار نرمال دارای عملکرد هستند.

خصوصیات فیزیکی این فلز بسیار آنیزوتروپیک است و خواص گالیم به خصوص در نزدیکی نقطه ذوب به شدت وابسته به دما است. به عنوان مثال ، ضریب انبساط حرارتی پس از ذوب چند درصد افزایش می یابد.

کاربردهای فلز گالیوم

بیشترین استفاده از این فلز در نیمه هادی ها است که ۹۸٪ از تقاضای تجاری گالیوم را تشکیل می دهد. کاربرد اصلی بعدی این فلز برای گارنت های گالیم گادولینیوم است.

کاربرد در نیمه هادی ها

گالیم با خلوص بسیار بالا (> 99.9999٪) به صورت تجاری در دسترس است تا بتواند در صنعت نیمه هادی ها مورد استفاده قرار بگیرد. آرسنید گالیم (GaAs) و نیترید گالیم (GaN) مورد استفاده در اجزای الکترونیکی حدود ۹۸٪ از مصرف این فلز را در ایالات متحده در سال ۲۰۰۷ به خود اختصاص دادند.

حدود ۶۶٪ از گالیم نیمه هادی در ایالات متحده در مدارهای یکپارچه (عمدتا گالیم آرسنید) مانند ساخت تراشه های لوجیک با سرعت بالا و MESFET برای تقویت مایکروویو در تلفن های همراه استفاده می شود. حدود ۲۰٪ از گالیوم نیز در اپتوالکترونیک استفاده می شود.

در سراسر جهان تولید گالیم آرسنید ۹۵٪ از مصرف سالانه جهانی این فلز را تشکیل می دهد. در سال ۲۰۱۶ حدود ۷.۵ میلیارد دلار صرف ساخت این ترکیب شد که ۵۳٪ آن مربوط به  تلفن های همراه ، ۲۷٪ در ارتباطات بی سیم و بقیه مربوط به برنامه های کاربردی خودرو ، مصرف کننده ، فیبر نوری و نظامی بود. افزایش اخیر در مصرف GaAs بیشتر مربوط به ظهور تلفن های هوشمند ۳G و ۴G است که از مدل های قدیمی ۱۰ برابر بیشتر GaA استفاده می کنند.

کاربرد در آلیاژها

گالیوم به راحتی با بیشتر فلزات آلیاژ می شود و به عنوان ماده ای در آلیاژهای با نقطه ذوب پایین استفاده می شود. آلیاژ گالیم ، ایندیم و قلع در دمای اتاق مایع است و در دماسنج های پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد. این خانواده از آلیاژها می توانند برای خنک کردن تراشه های رایانه ای به جای آب استفاده شوند و اغلب به عنوان جایگزینی برای خمیر حرارتی در محاسبات با کارایی بالا مورد استفاده قرار می گیرند.

آلیاژهای این فلز به عنوان جایگزینی برای آمالگامهای دندانی جیوه ارزیابی شده اند  اما این مواد هنوز استفاده  گسترده ای ندارند.از آنجا که گالیم شیشه یا چینی را مرطوب می کند می توان از آن برای ایجاد آینه های درخشان استفاده کرد.

کاربردهای پزشکی

اگرچه این فلز در زیست شناسی عملکرد مشخصی ندارد اما یون های گالیم با فرآیندهای موجود در بدن به شکلی شبیه به آهن (III) در تعامل هستند. از آنجا که این فرایندها شامل التهاب و نشانگر بسیاری از بیماریها هستند از نمک های گالیم به عنوان دارو و رادیو دارو در پزشکی استفاده می شود.

آزمایشات بالینی نشان داده است که نیترات گالیم دارای فعالیت آنتی نئوپلاستیک در برابر لنفوم غیر هوچکین و سرطانهای دستگاه ادراری است. نیترات گالیم (با نام تجاری گانیت) به عنوان داروی داخل وریدی برای درمان هیپرکلسمی مرتبط با متاستاز توموری استخوانها مورد استفاده قرار می گیرد.

عوارض و خطرات فلز گالیوم

این فلز سمی نیست با این حال قرار گرفتن در معرض کمپلکس های هالید گالیوم می تواند منجر به سمیت حاد شود. یون Ga3 + موجود در نمکهای محلول گالیوم در هنگام تزریق در دوزهای زیاد ، هیدروکسید نامحلول را تشکیل می دهد. در دوزهای پایین ، گالیوم محلول به خوبی تحمل می شود و به عنوان سم تجمع نمی یابد و بیشتر از طریق ادرار دفع می شود. دفع گالیوم در دو مرحله اتفاق می افتد: مرحله اول نیمه عمر بیولوژیکی ۱ ساعته دارد ، در حالی که مرحله دوم دارای نیمه عمر بیولوژیکی ۲۵ ساعته است.

گالیوم خالص  هنگام لمس خطرناک نیست ولی هنگام ذوب شدن در دست باعث ایجاد لکه هایی روی دستها می شود. اگرچه این فلز درمقادیر اندک مضر نیست اما نباید به طور عادی در دوزهای زیاد مصرف شود. با این حال برخی از ترکیبات گالیم در واقع می توانند بسیار خطرناک باشند. به عنوان مثال قرار گرفتن در معرض حاد کلرید گالیم (III) می تواند باعث سوزش گلو ، مشکل در تنفس ، درد قفسه سینه شود و بخارات آن می تواند حتی شرایط بسیار جدی مانند ورم ریوی و فلج جزئی ایجاد کند.

اثرات زیست محیطی گالیوم

یکی از کاربردهای این فلز در ساخت سلاح های هسته ای و آلودگی ناشی از آنها است. از گالیم برای نگهداری برخی از بمب هسته ای در کنار هم استفاده می شود. مشکل این است که فرایند از بین بردن گالیم باعث آلودگی زیاد آب با مواد رادیواکتیو می شود. گالیم یک عنصر ایده آل برای نگهداری بمب اتم است اما باعث آلودگی  زمین شده و برای سلامتی ساکنان آن مخرب است.