165557 (Галлий и его соединения), страница 3

- 3Ga2O3*4H2O. Нагреванием до 400 получают кристаллический гидрат GaOOH со структурой одного из гидратов окиси алюминия - диаспора (этот гидрат правильнее рассматривать как метагалловую кислоту HGaO2). Он может быть выделен также нагреванием гидроокиси галлия в автоклаве при 150 - 160 C. Полное обезвоживание гидроокиси галлия происходит при 550 C.

Гидроокись галлия амфотерна: растворяется как в кислотах, так и в щелочах. Кислотные свойства гидроокиси галлия выражены сильнее, чем основные. Первая константа диссоциации ее как кислоты - 1,2*10-7, как основания - 3,4*10-8. Это более сильная кислота, чем

гидроокись алюминия. Поэтому растворы галлатов устойчивее растворов

соответствующих алюминатов, что может быть использовано при их разделении.

Интересно отметить, что свежеосажденная гидроокись галлия растворима в аммиаке; в этих растворах галлий, по-видимому, не образует аммиачных комплексов и находится в форме аниона.

ПЕРЕКИСНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. При взаимодействии хлорида галлия со щелочью в концентрированной перекиси водорода при -20 C выпадает белый осадок перекисного соединения Ga(OH)3*2Н2O2*nН2O. При нагревании до 2 - 4 C оно постепенно разлагается с образованием Ga(OH)3*Н2O2, а затем 2Ga(OH)3*Н2O2. Последнее соединение устойчиво вплоть до 60 C.

5.2. ГАЛЛАТЫ

В щелочных растворах галлий присутствует в виде гидроксогаллат-ионов. В отличие от алюминатных растворов галлаты отличаются большей устойчивостью даже при малом содержании щелочи. Из галлатных растворов щелочных металлов могут быть выкристаллизованы тетрагидроксогаллаты типа Na[Ga(OH)4], щелочноземельных - гексагидроксогаллаты,

например Ga3[Ga(OH)6]2. В отличие от алюмината кальция галлат

кальция заметно растворим (0,79% в пересчете на окись галлия), чем

пользуются для их разделения.

Помимо указанных из растворов могут быть получены галлаты и других типов. Согласно растворимости гидроокиси галлия в растворах едкого натура, из концентрированных щелочных растворов кристаллизуется галлат Na8Ga2O7*15Н2O. В этой же системе при более высоких температурах были обнаружены галлаты Na4Ga2O3*nH2O и Na3GaO3*nH2O.

При добавлении к холодному насыщенному раствору Ca(ОН)2 раствора галлата натрия выпадают кристаллы Ca4Ga2O7*13,5Н2О. В то же время в системе гидроокись галлия - едкий калий - вода обнаружено только одно соединение - К[Ga(OH)4]. Из растворов солей

редкоземельных элементов при действии раствора галлата лития

выпадают осадки типа NdGaO3*Н2О.

При прокаливании выделенных из растворов соединений получаются соответствующие безводные галлаты: метагаллаты - КGaO2,

ортогаллаты - Ca(GaO3)2 и др.

Такого рода соединения могут быть синтезированы и сухим путем - прокаливанием или сплавлением окиси галлия с соответствующими окислами или карбонатами. Иногда для синтеза применяется сплавление окиси с фторидами или хлоридами и другие методы.

ГАЛЛАТЫ МЕТАЛЛОВ I ГРУППЫ. Наиболее распространенным типом галлатов являются метагаллаты. Они получены для всех щелочных металлов, а также для одной двухвалентной меди.

Метагаллат лития LiGaO2 получен спеканием смеси Li2CO3 и b-Ga2O3 от 600 до 1500 С с последующей воздушной закалкой образцов.

По данным ИК-спектроскопии, решетка LiGaO2 построена из GaO4. По типу шпинели кристаллизуются галлаты одновалентной меди и LiGa5O8. В

решетке LiGa5O8 сосуществуют тетраэдры GaO4 и октаэдры GaO6. Для лития получен также галлат с относительно малым содержанием окиси галлия состава Li5GaO4.

В системе Na2O - Ga2O3 обнаружен галлат Na2O*6Ga2O3, который кристаллизуется в гексагональной решетке типа b-глинозема и имеет бертоллидную природу. Это соединение (фаза b), плавящееся конгруэнтно при 1475 C, распадается при охлаждении с образованием фазы b', отвечающей составу 3Na2O*16Ga2O3 (кристаллизуется в ромбоэдрической решетке).

Моногаллат NaGaO2, по данным ИК-спектроскопии , существует в двух модификациях, одна из которых, по-видимому, метастабильна. В температурном интервале 900 - 1000 С кристаллические решетки обеих модификаций построены из тетраэдров GaO4.

ГАЛЛАТЫ МЕТАЛЛОВ II ГРУППЫ. Из галлатов щечочноземельных металлов наиболее исследованы метагаллаты, которые характерны также для двухвалентных меди, свинца, марганца, никеля, кобальта и т. д. Особый интерес представляют кристаллизующиеся по типу шпинели метагаллаты магния MgGa2O4 и ряда тяжелых металлов, так как некоторые из них обладают полупроводниковы ми свойствами . Кроме

метагаллатов для щелочноземельных металлов получены галлаты состава

MeGa4O7, Me2Ga2O5 и Me3Ga2O6, последний - при обжиге смесей MgO и Ga2O3 до 1450. В системе СаО - Ga2O3 получены галлаты трех составов: 3CaO*Ga2O3, СаО*Ga2O3 и CaO*2Ga2O3. Галлат состава 3CaO*Ga203 плавится инконгруэнтно с разложением на СаО и жидкость при 1263 C, два других - конгруэнтно при 1369 и 1504 С соответственно. Эвтектика при 1245 C между 3CaO*Ga2O3 и CaO*Ga2O3 содержит 37,5 мол. % Ga2O3, между CaO*Ga2O3 и CaO*2Ga2O3 - 57,0 мол. % Ga2O3 (1323 С), между

CaO*2Ga2O3 и b-Ga2O3 - 68 мол. % b-Ga2O3 (1457 С).

По данным, в системе SrO - Ga2O3 при температуре 1200 С образуются моногаллат Sr(Ga2O4), который существует в виде двух полиморфных модификаций, а также галлаты 3SrO*2Ga2O3 и SrO*2Ga2O3. Соединение 3SrO2*Ga2O3 имеет сложную структуру. У галлата SrO*2Ga2O3, который в чистом виде не удалось получить, найдены две модификации со сложной структурой. Высокотемпературная форма получена закалкой в жидком азоте при 1200 С.

Окислы, карбонаты и нитраты щелочноземельных металлов, цинка, кадмия, никеля и кобальта при спекании с окисью или нитратом галлия при температуре 850-1200 С образуют одно соединение состава MGa2O4, которое в зависимости от величины ионного радиуса металла кристаллизуется либо по типу шпинели (при rk<1,00 А), либо по типу перовскита (при большем rk).

ГАЛЛАТЫ Р. З. Э. Редкоземельные элементы помимо ортогаллатов, кристаллизующихся в искаженной перовскитовой решетке, образуют, начиная с празеодима, галлаты состава Ln3Ga5O12, кристаллизующиеся по типу граната и Ln4Ga2O9. Галлаты лантана, неодима, празеодима и

церия состава LnGaO3 получены спеканием соответствующих окислов при

1300 С с последующим выдерживанием при 950 C. Реакцию образования галлатов празеодима и церия можно представить следующим образом:

Pr6O11 + 3Ga2O3 --> 6PrGaO3 + O2

3CeO2 + Ce + 2Ga2O3 --> 4CeGaO3

Система CeO2 - Ga2O3 изучена в окислительной и восстановительной средах в интервале температур 1100 - 1700 С. CeGaO3 синтезирован из смеси CeO2, Ga2O3 и Ga в вакуумной кварцевой ампуле. При нагревании на воздухе при 470 - 800 C CeGaO3 разлагается на CeO2 и Ga2O3.

Методом осаждения из растворов нитратов редкоземельных элементов и галлия под действием карбоната и гидрокарбоната аммония синтезированы галлаты лантана, иттрия, гадолиния и диспрозия. Кристаллические фазы получены при температуре 750 - 800 C.

Независимо от взятого соотношения компонентов образуются галлаты со структурой граната M3Ga5O12 (М = Y, Gd, Dy) при температуре на 400 - 600 C ниже чем по окисной (твердофазной) технологии.

Кроме перечисленных описаны двойные галлаты некоторых редкоземельных и щелочных элементов состава MLnGa3O7, аналогичные по структуре минералу гелениту Ca2Al2SiO7. Во многих случаях галлаты образуют твердые растворы с алюминатами и феррита ми аналогичного состава.

Галлаты, а также гранаты на основе окиси галлия находят широкое применение в различных отраслях науки и техники. Они применяются в производстве полупроводников, в качестве оптического материала для люминесцентного покрытия, электронных изоляторов и т. д.

5.3. СОЛИ КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИХ КИСЛОТ

Соли галлия напоминают соответствующие соли алюминия, но они менее устойчивы к гидролизу, вследствие чего их растворы имеют кислую реакцию (pH < 3).

Из-за кислотного характера гидроокиси галлия не удается получить ее соли с анионами слабых кислот, например сернистой.

СУЛЬФАТЫ. Безводный сульфат Ga2(SO4)3 может быть получен в виде белого, сильно гигроскопического порошка действием концентрированной серной кислоты на GaOOH с последующим удалением избытка кислоты нагреванием. При температурах выше 500 C он начинает разлагаться с выделением серного ангидрида. Сульфат галлия менее термически стоек, чем сульфаты алюминия и трехвалентного железа.

Безводный сульфат медленно растворяется в холодной и быстро - в горячей воде. Из растворов он кристаллизуется в виде гидратов с 18 или 20 молекулами воды. Растворимость гидрата при 20 C составляет 170 г в 100 г воды. При нагревании он обезвоживается с образованием большого числа промежуточных гидратов. Заканчивается обезвоживание при температуре выше 300 C.

При длительном стоянии, а также при нагревании водных растворов сульфата галлия вследствие гидролиза выпадает осадок аморфного основного сульфата. Гидротермальным синтезом может быть получен кристаллический основной сульфат H3OGa3(ОН)6(SO4)2 со структурой типа алунита. С сульфатами калия, рубидия и цезия, а также аммония и таллия сульфат галлия образует квасцы, например KGa(S04)2*12H2O, которые могут быть выкристаллизованы из слегка подкисленных растворов. От калия к цезию растворимость квасцов уменьшается, оставаясь значительно выше растворимости соответстующих алюминиевых квасцов. С сульфатом натрия вместо квасцов образуются соли других составов - NaGa(SO4)2*7H2O и Na4Ga2(SO4)5*19H2O.

При нагревании или длительном стоянии растворов квасцов, а также при добавлении к раствору солей галлия сульфатов натрия, калия или аммония осаждаются малорастворимые основные сульфаты типа K(H2O)*[Ga3(OH)6(SO4)], имеющие структуру, аналогичную минералу алуниту. При нагревании основные сульфаты обезвоживаются, образуя оксисульфаты типа КGa3O3*(SO4)2 (кроме аммонийного), которые при более высоких температурах (700 C) разлагаются до окиси галлия и сульфата щелочного металла. Осаждениe основных солей в присутствии сульфатов щелочных металлов может быть использовано для отделения галлия от алюминия), который в этих условиях остается в растворе.

Сульфит галлия не получен. При действии на водные растворы солей галлия солями сернистой кислоты выпадает осадок гидроокиси галлия.

СЕЛЕНАТЫ. Селенат галлия получается при кипячении гидроокиси галлия с селеновой кислотой с последуюшим упариванием раствора в вакууме. Это хорошорастворимая соль, кристаллизующаяся в виде гидрата Ga2(SeO4)3*16Н2O. С избытком селеновой кислоты образуется кислый селенат GaH(SeO4)2*10Н2O, также обладающий хорошей растворимос-

тью. Как средний, так и кислый селенаты при нагревании постепенно

дегидратируются. При температуре около 300 C безводный кислый

селенат переходит в среднюю соль, которая при 550 C разлагается до

окиси галлия ,

С селенатами калия, рубидия и цезия селенат галлия образует квасцы, растворимость которых уменьшается в этом ряду. С селенатом натрия образуется двойная соль NaGa(SeO4)2*11H2О. В системе селенат галлия - селенат калия - вода кроме квасцов кристаллизуются и другие двойные соли - K3Ga(SeO4)3*5H2O и K8Ga2(SeO4)7*16Н2O. Аналогично сульфатам двойныe селенаты галлия со щелочными металлами более термически устойчивы по сравнению с селенатом галлия. При гидролизе как квасцов, так и натриевой двойной соли в осадок выделяются основные селенаты галлия, изоструктурные с описанными ранее основными сульфатами и алунитом. Растворимость основных селенатов значительно меньше растворимости основных сульфатов, что позволяет выделить в осадок в присутствии селената калия практически весь галлий из раствора.

СЕЛЕНИТЫ. В системе окись галлия - двуокись селена - вода образуются средний Ga2(SeO3)3*6H2O и кислый HGa(SeO3)2*ЗH2O селениты. Эти соединения получаются также при действии селенистой кислоты на растворы солей галлия, тогда как при действии селенита натрия выпадает основная соль GaOHSeO3*8,5Н2О. Из сульфатных растворов осадки выпадают только после выдержки в течение 1 - 3 суток. Все селениты галлия представляют собой мелкие бесцветные кристаллы, практически не растворимые в воде, спирте и эфире, но легко растворяющиеся в разбавленных растворах минеральных кислот.

МОЛИБДАТЫ. При действии на растворы солей галлия растворов молибдатов щелочных металлов с pH 5 - 12 выпадает аморфный осадок основного молибдата галлия 2Ga2O3*3MoO2*15Н2О. При прибавлении более кислых растворов осадок не выделяется, более щелочных в осадок выпадает смесь основного молибдата с гидроокисью галлия. При нагревании основной молибдат дегидратируется в две стадии до температуры 530 - 550 C.

При 600 C образуется смесь окиси галлия со средним молибдатом, который при 900 C разлагается на окислы. Сухим путем - спеканием или сплавлением окислов - синтезированы двойные молибдаты галлия с литием - LiGa(MoO4)3 и LiGa(MoO4)2 с температурами плавления соответственно 670 и 675 C.

ВОЛЬФРАМАТЫ. Вольфрамат натрия осаждает из растворов солей галлия белый аморфный осадок основного вольфрамата Ga2O3*2WO3*8Н2O, отличающийся заметной растворимостью. Если вести осаждение подкисленным раствором, выпадают смеси основного вольфрамата с вольфрамовой кислотой. При нагревании основной вольфрамат дегидратируется в три стадии, причем с потерей последней молекулы воды при 540 C происходит распад соединения на окись галлия и вольфрамовый ангидрид. Система окись галлия - вольфрамовый ангидрид имеет эвтектический характер.

Сухим путем синтезированы двойные вольфраматы галлия с литием и натрием состава MGa(WO4)2, аналогичные по структуре вольфрамиту.

НИТРАТЫ. Нитрат галлия можно получить растворением металла или гидроокиси в горячей концентрированной азотной кислоте. Из охлажденного раствора выделяются большие прозрачные кристаллы Ga(NO3)3*9H2O.

Сушка в вакууме (эксикаторе) приводит к получению

Ga(NO3)3*7Н2O. Эти кристаллогидраты очень гигроскопичны, быстро расплываются на воздухе. Соль очень хорошо растворима в воде - 295 г на 100 г воды при 20 и в спирте, нерастворима в эфире. При нагревании до 102 С образуется низший гидрат с 4 - 5 молекулами воды, а при 137 С - основной нитрат Ga(OH)2NO3 представляющий собой мелкие прозрачные игольчатые кристаллы. При 170 С соль разлагается до окиси галлия. Нормальный нитрат галлия содержит нитрат-ионы во внешней сфере, а молекулы воды - во внутренней, тогда как у основного нитрата и

нитрат-, и гидроксил-ионы содержатся во внутренней сфере.