Какой металл превращается в жидкость?
А вот всем известная ртуть — классический пример жидкого металла. Она замерзает при минус 39 градусах, почему и применяется для изготовления самых разнообразных термометров. В этом отношении сильным конкурентом ртути оказывается галлий.
Интересные материалы:
Как настроить управление в FIFA 17 на клавиатуре? Как настроить видео в повер поинте? Как настроить wi-fi на планшете Samsung? Как наступает зима? Как натереть на терке цедру лимона? Как натереть пол до блеска? Как натянуть тросик на велосипеде? Как научиться хорошо читать? Как научиться молчать советы? Как научиться жить полноценной жизнью?
Галлий: металл, который плавится в руках
Поистине, занимательный химический элемент, который имеется в любом школьном кабинете химии. Благодаря демонстрационной наглядности, галлий считается лучшим вариантом донесения до умов учащихся тепловых свойств химических элементов.
Gallium (Ga) – металл, который плавится в руках при достижении температуры в 29.8 градуса по Цельсию. Учитывая стандартные 36.6 в организме человека, чтобы получить желаемый эффект, достаточно кусочек галлия положить на ладошку и наблюдать как тот медленно по ней растекается в разные стороны.
1) Общая информация по элементу
В периодической системе химических элементов галлий находится на 31 позиции. Его латинское обозначение – «Ga». Металл принадлежит к группе легких металлов, куда также входит алюминий, индий, олово, таллий, свинец и висмут.
Внешне, галлий представляет собой мягкий или хрупкий металл (в зависимости от температуры), имеющий белый + серебристый оттенки. Иногда можно заметить синеватые отблески на поверхности чистого вещества.
Великий Менделеев заранее знал о данном химическом элементе. Впервые он просчитал некоторые свойства галлия еще в 1871 году. Изначальное название, присвоенное химиком, звучало как «экаалюминий».
К предугаданным свойствам галлия Менделеевым относились:
- оксидный тип;
- варианты связи с хлором;
- медленная растворимость при соприкасании с щелочами/кислотами;
- галлий не будет реагировать с кислородом;
- возможность легкоплавкого металла образовывать основные соли;
- химический элемент будет открыт при использовании спектроскопии.
Непосредственное выделение металла в чистом виде пришлось на француза Буабодраном. Открытие приходится на 1875 год. Из-за малого долевого содержания галлия в руде (менее 0.2%), пришлось потратить пару месяцев на получение минимального запаса чистого вещества для полноценного исследования его физических/химических свойств.
| Физика галлия | Химия галлия |
| Наличие нескольких модификаций полиморфного типа. | Низкая химическая активность замедляет протекание химических реакций металла в твердом состоянии. |
| При нормальных условиях кристаллическая решетка имеет орторомбическую структуру. При повышении давления наблюдается образование 2 структур полиморфного типа с кубической и тетрагональной решетками. | На воздухе галлий покрывается оксидной пленкой, которая предохраняет его от дальнейших реакций окисления. |
| Плотность галлия – 5.9 грамма на сантиметр кубический, а в жидком состоянии плотность увеличивается до 6.1 грамма на сантиметр кубический. | В контакте с горячей водой, он вытесняет из нее водород, в результате чего образуется гидроксид галлия. |
| Сопротивление электричеству у галлия в твердом и жидком состояниях одинаковы и равны 0.5 на 10-8 Ом*см при температурном режиме в 0 градусов по Цельсию. | Вступает в реакцию с паром (выше 340 градусов) и образует метагаллиевую кислоту. |
| Вязкость галлия колеблется в зависимости от температурного режима. При температуре в 100 градусов – 1.6 сантипуаз, а при 1000 градусов С – 0.6 сантипуаз. | Может взаимодействовать с кислотами минерального типа – происходит выделение Н и образование солевых веществ. |
| Поверхностное натяжение составляет 0.74 ньютона на метр, а отражательный коэффициент от 71% до 76% при разной длине волн. | Галлий инертен по отношению к водороду, азоту, углероду и кремнию. |
В земной коре металл, который плавится в руках, встречается довольно часто. На 1 тонну земли приходится 19 грамм чистого вещества. В химическом аспекте, галлий – элемент рассеянного типа, располагающий двойной природой по геохимии. Хотя кларки вещества и большие, из-за его сильной склонности к изоморфизму, больших скоплений чистого галлия в природе не найти.
К основным минералам, где сравнительно высокое содержание галлия в чистом виде относят сфалерит (до 0.1%), биотит (до 0.1%) и натролит (до 0.1%). В остальных 10+ минералах, которые также применяются для добычи галлия, долевое содержание чистого вещества менее 0.1%. В морской воде галлий также присутствует, но его содержание крайне мало – всего 30 на 10-6 миллиграммов на литр жидкости.
10 самых крепких металлов в мире
2) Почему галлий – это металл, который плавится в руке?
Обратимся к тепловым свойствам металла, и полностью разберем их при различных уровнях, хотя ответ на вопрос очевиден уже из базового понятия, температуры плавления, которая приравнивается к 29 градусам по Цельсию.
Термодинамические свойства чистого галлия:
- металл переходит из твердого в жидкое состояние при достижении температуры в 29.8 С или 302 градуса Кельвина;
- металл закипает при достижении температуры в 2 448 градусов Кельвина;
- удельная теплота плавления чистого галлия составляет 5600 Джоулей на моль;
- удельная теплота по испарению составляет 270 000 джоулей на моль;
- молярная теплоемкость составляет 26 джоулей, деленных на Кельвины, перемноженные на моли.
Главными поставщиками галлия на мировой рынок являются государства из Юго-Запада Африки, Российская Федерация и большинство стран СНГ. Галлий – металл, который не только плавится в руке, но и вещество, способное менять плотность при смене температурного режима на основании данного свойства можно провести интересный опыт.
Эксперимент: переводим галлий в жидкое состояние, а далее загоняем его в маленький стеклянный пузырек. По мере охлаждения емкости, металл станет постепенно превращаться в твердую субстанцию. Постепенно образующиеся кристаллы начнут расширяться, за счет чего колба рано или поздно треснет.
Во избежание повреждений со стороны зрителей, демонстрация должна проходить в изолированном пространстве с защитной перегородкой. Если слишком резко переохладить колбу, осколки могут разлететься в разные стороны в радиусе нескольких десятков метров.
Обзор свойств и характеристик плавящегося в руке металла, галлия:
Когда сила Архимеда не работает
- Если тело плотно прилегает к поверхности. Если между телом и поверхностью нет жидкости или газа — нет и выталкивающей силы. Именно поэтому подводным лодкам нельзя ложиться на илистое дно — мощности их двигателей не хватит, чтобы преодолеть давление толщи воды сверху.
- В невесомости. Наличие веса у жидкости или газа — обязательное условие для возникновения архимедовой силы. В состоянии невесомости горячий воздух не поднимается, а холодный не опускается. Поэтому на МКС создают принудительную конвекцию воздуха с помощью вентиляторов.
- В растворах и смесях. Если в воду налить спирт, на него не будет действовать сила Архимеда, хотя плотность спирта меньше плотности воды. Поскольку связь между молекулами спирта слабее, чем связь молекул воды, он растворится в воде, и образуется новая жидкость — водный раствор спирта.
У нас вы сможете учиться в удобном темпе, делать упор на любимые предметы и общаться со сверстниками по всему миру.
Попробовать бесплатно
Интересное по рубрике
Найдите необходимую статью по тегам
Подпишитесь на нашу рассылку
Сферы применения
Галлий по сей день не нашел применения в промышленности. Виной всему широкое использование алюминия, который обладает схожими свойствами в твердом виде. Несмотря на это, галлий выглядит перспективным материалом, поскольку обладает отменными полупроводниковыми качествами. Такой металл потенциально может быть использован для производства элементов транзисторов, высокотемпературных выпрямителей тока, солнечных батарей. Галлий выглядит прекрасным решением для изготовления покрытий оптических зеркал, которые будут обладать высочайшей отражательной способностью.
Главным препятствием на пути к применению галлия в промышленных масштабах остается высокая стоимость его синтеза из руд и минералов. Цена за тонну такого металла на мировом рынке составляет более 1,2 миллиона долларов.
На сегодняшний день галлий нашел эффективное применение лишь в сфере медицины. Металл в жидкой форме применяется в целях замедления потери костной массы у людей, что страдают от онкологических недугов. Его используют для быстрой остановки кровотечений при наличии крайне глубоких ран на теле пострадавших. В последнем случае закупорка сосудов галлием не приводит к образованию тромбов.
Краткий экскурс в историю
Как называется металл, который плавится в руке? Как уже было отмечено выше, такой материал известен под определением галлий. Его теоретическое существование предсказал в далеком 1870 году отечественный ученый, автор таблицы химических элементов – Дмитрий Менделеев. Основой к возникновению такого предположения стало изучение им свойств многочисленных металлов. На то время ни одному теоретику не могло прийти в голову, что металл, который плавится в руках, существует в реальности.
Возможность синтеза чрезвычайно легкоплавкого материала, появление которого предсказывал Менделеев, доказал французский ученый Эмиль Лекок де Буабодран. В 1875 году ему удалось выделить галлий из цинковой руды. Во время опытов с материалом ученый получил металл, который плавится в руках.
Известно, что Эмиль Буабодран испытывал значительные трудности с выделением нового элемента из цинковой руды. В ходе первых опытов ему удалось добыть всего лишь 0,1 грамма галлия. Однако даже этого оказалось достаточно, чтобы подтвердить удивительное свойство материала.
Добыча галлия
В природе галлий крупных месторождений не образует. В некоторых минералах галлий содержится в относительно больших (для этого металла): гранат, сфалерит, турмалин, берилл, полевые шпаты, нефелин.
Самый богатый источник галлия — минерал германит, руда, состоящая из сульфида меди, которая может содержать 0,5-0,7% галлия. Кроме этого, галлий получают при переработке боксита и нефелина. Также этот металл можно получить с помощью переработки полиметаллических руд, угля.
Загрязнённый галлий промывают водой, после этого фильтруют через пористые пластины и нагревают в вакууме для того, чтобы удалить летучие примеси. Для получения галлия высокой чистоты используют химический (реакции между солями), электрохимический (электролиз растворов) и физический (разложение) методы.
Месторождения, на которых ведётся добыча галлия, находятся, главным образом в Юго-Западной Африке, а также в России и в некоторых из стран СНГ.
Где встречается галлий в природе
Галлий относится к элементам, которые не встречаются в виде залежей руд. Материал очень рассеян в земной коре. В природе он встречается в составе крайне редких минералов, таких как галлит и зенгеит. В ходе лабораторных опытов небольшое количество галлия можно выделить из руд цинка, алюминия, германия, железа. Иногда его находят в бокситах, залежах угля, прочих месторождениях полезных ископаемых.
Физические свойства
Кристаллы галлия
Металлический галлий
Кристаллический галлий имеет несколько полиморфных модификаций, однако термодинамически устойчивой является только одна (I), имеющая орторомбическую (псевдотетрагональную) решётку с параметрами а
= 4,5186 Å,
b
= 7,6570 Å,
c
= 4,5256 Å. Другие модификации галлия (β, γ, δ, ε) кристаллизуются из переохлаждённого диспергированного металла и являются нестабильными. При повышенном давлении наблюдались ещё две полиморфные структуры галлия II и III, имеющие, соответственно, кубическую и тетрагональную решётки.
Плотность галлия в твёрдом состоянии при температуре 20°C равна 5,904 г/см³, жидкий галлий (t
пл. = 29,8°C) имеет плотность 6,095 г/см³, то есть при затвердевании объём галлия увеличивается. Это свойство является весьма редким, его проявляют лишь немногие простые вещества и соединения (в частности, вода, кремний, германий, сурьма, висмут и плутоний). Кипит галлий при 2230°C. Одной из особенностей галлия является широкий температурный интервал существования жидкого состояния (от 30 и до 2230°C), при этом он имеет низкое давление пара при температурах до 1100—1200°C. Удельная теплоёмкость твёрдого галлия в температурном интервале
T
= 0—24°C равна 376,7 Дж/кг·К (0,09 кал/г·град.), в жидком состоянии при
T
= 29—100°C удельная теплоёмкость равна 410 Дж/кг·К (0,098 кал/г·град).
Удельное электрическое сопротивление в твёрдом и жидком состоянии равны, соответственно, 53,4⋅10−6 Ом·см (при T
= 0°C) и 27,2⋅10−6 Ом·см (при
T
= 30°C). Вязкость жидкого галлия при разных температурах равна 1,612 сантипуаз при
T
= 98°C и 0,578 сантипуаз при
T
= 1100°C. Поверхностное натяжение, измеренное при 30°C в атмосфере водорода, равно 0,735 Н/м. Коэффициенты отражения для длин волн 4360 Å и 5890 Å составляют 75,6 % и 71,3 %, соответственно.
Изотопы
Основная статья: Изотопы галлия
Природный галлий состоит из двух стабильных изотопов 69Ga (изотопная распространённость 60,11 ат. %) и 71Ga (39,89 ат. %). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов равно для них 2,1 барн и 5,1 барн, соответственно.
Помимо них, известны 29 искусственных радиоактивных изотопов галлия с массовыми числами от 56Ga до 86Ga и по крайней мере 3 изомерных состояний ядер. Наиболее долгоживущие радиоактивные изотопы галлия — это 67Ga (период полураспада 3,26 суток) и 72Ga (период полураспада 14,1 часов).
