Металл плавящийся при комнатной температуре

Металл, который плавится в руке

Галлий — это серебристо-серый металл с синеватым отливом, достаточно хрупкий. В природе в чистом виде он не встречается и является рассеянным элементом. Среднее содержание галлия в земной коре составляет 19 г/т. Галлий содержится в минералах, преимущественно это сфалерит, магнетит, касситерит, гранат, берилл, турмалин, сподумен, флогопит, биотит, мусковит, серицит, лепидолит, хлорит, полевые шпаты, нефелин, гекманит и натролит. Достаточно редкий минерал галлит Cu­GaS₂ используют для выделения чистого галлия. Кроме того, галлий может быть получен в качестве побочного продукта переработки бокситов.

Галлий плавится всего при 29,76 °C, поэтому он тает даже в руке. При температуре, близкой к комнатной, плавятся еще три металла: ртуть, цезий и рубидий. Но из-за высокой токсичности или реакционной способности их, в отличие от галлия, нельзя брать в руки.

Как был открыт галлий

Существование галлия было предсказано Д. И. Менделеевым в 1871 на основании сформулированного им Периодического закона. Менделеев дал этому элементу название «экаалюминий» и предсказал у него такие свойства как плотность, температуру плавления. Также Менделеев предсказал:

• характер оксида,
• связь в соединениях с хлором.
• что металл будет медленно растворяться в кислотах и щелочах;
• он не будет реагировать с воздухом;
• оксид экаалюминия M₂O₃ должен реагировать с кислотами с образованием солей MX₃;
• что он должен образовывать основные соли;
• хлорид обладает большей летучестью, чем Zn­Cl₂;
• что этот элемент откроют с помощью спектроскопии.

Менделеев оказался Ностардамусом в химии: когда галлий был получен, все предсказанные ученым свойства подтвердились!

В 1875 году французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран изучал сфалерит с помощью спектроскопии и обнаружил две фиолетовые линии, принадлежащие новому элементу. Год спустя ученый выделил новый элемент с помощью электролиза. Этот элемент Буабодран назвал в честь латинского названия Франции — Gal­lia. Существует легенда, что в это название ученый вкладывал и другой смысл. Лекок созвучно с французским le coq, т.е. «петух» (на латыни gal­lus). Буабодран как бы ненароком увековечил свое имя в названии нового элемента.

Изучая полученный галлий, Буабодран определил, что плотность отличается от предсказанной Менделеевым. Когда Менделеев узнал об этом, то написал французскому коллеге с рекомендацией перепроверить результаты. И как оказалось, не напрасно: первые данные Буабодрана действительно были неверными.

Области применения галлия

Бóльшая часть добываемого галлия используется для производства полупроводников. Арсенид (GaAs) и нитрид галлия (GaN) используются в электронных компонентах многих устройств, для создания интегральных схем, высокопроизводительных процессоров, микроволновых усилителей. Арсенид галлия используется в различных электрооптических инфракрасных приборах. Арсенид галлия-алюминия применяется для создания инфракрасных лазерных диодов высокой мощности. На основе нитрида галлия и нитрида индия-галлия производят синие и фиолетовые лазерные диоды. Кстати, лазер на нитриде галлия применяется в приводах Blu-ray дисков.

Фотоэлементы на основе арсенида галлия, фосфида и арсенида индия-галлия установлены на космических спутниках и марсоходах.

Галлий имеет интересную особенность: он сильно понижает температуру плавления сплавов, в которых содержится. При этом температура опускается ниже, чем у каждого компонента сплава по отдельности (эвтектические составы). Так, сплав Галинстан (68,5 % галлия, 21,5 % индия и 10 % олова) имеет температуру плавления -19 °С и используется в некоторых термометрах вместо ртути.

Галлий применяется и в медицине. В целом металл характеризуется низкой токсичностью и не выполняет естественной биологической функции. Поэтому препараты на основе галлия могут применяться при лечении и диагностике раковых заболеваний (изотопы галлий-67 и -68). Также галлий используется при лечении некоторых бактериальных инфекций: ион Ga³⁺ замещает Fe³⁺ в метаболических путях дыхания бактерий, вызывая их гибель. Препараты на основе галлия могут применяться при лечении малярии.

Еще галлий помогает обнаружить нейтрино-частицы, исходящие от Солнца. Как правило, выявление таких частиц — это весьма сложный и трудоемкий процесс. Галлий в составе регистрационной смеси повышает чувствительность анализа, а соответственно, и помогает зафиксировать нейтрино. Детекторы GALLEX Национальной лаборатории Гран-Сассо содержат 12,2 тонны галлия-71. Они улавливают нейтрино, исходящие от Солнца, и превращают его в радиоактивный изотоп, излучение которого можно зафиксировать. Подобные исследования также проводят в Баксанской нейтринной обсерватории (Кабардино-Балкария), где нейтрино-детекторы содержат 5 тонн жидкого галлия.

По температуре плавления галлия можно проверять термометры! Эта величина — 302,9146 K (29,7646 °C) – признана стандартом Международного бюро мер и весов.

В 2007 году с помощью пучков ионов галлия толщиной 7 нм в Si­mon Fras­er Uni­ver­si­ty напечатали самую маленькую в мире книгу – Tee­ny Ted from Turnip Town. Книга получилась размером 0,07x 0,10 мм.

У галлия есть еще одно забавное применение: ложки из галлия, по виду не отличимые от алюминиевых, используют для фокуса с исчезающей ложкой. В горячем чае или кофе такая ложка попросту расплавится!

Температура его плавления составляет +29,8 °C

Стоп-кадр с видео в YouTube

Галлий – весьма необычный металл. Он хрупкий как стекло, плавится при комнатной температуре и является крайне агрессивным к другим металлам.

В 1869 году существование галлия предсказал Д. И. Менделеев, который при создании периодической системы химических элементов, основываясь на открытом им Периодическом законе, оставил вакантные места в третьей группе для неизвестных элементов (аналоги алюминия и кремния, экаалюминий и экасилиций).

Основываясь на свойствах уже хорошо изученных элементов, Менделеев довольно точно описал их физические и химические свойства, а также метод открытия — спектроскопия.

Открыл и выделил галлий в виде простого вещества французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран. В 1875 году на заседании Парижской академии наук им было зачитано письмо об открытии нового элемента и изучении его свойств.

В письме речь шла о том, что ночью 27 августа 1875 года в образце цинковой обманки он обнаружил признаки нового простого тела. При исследовании спектра образца, Лекок де Буабодран выявил пару новых фиолетовых линий, указывающих на присутствии в минерале неизвестного элемента, который он предложил назвать Gallium.

Отмечается, что выделение этого элемента было сопряжено с большими трудностями, так как его содержание в руде было менее 0,1 процента, но в конечном счете Лекок де Буабодран смог получить новый элемент в количестве менее 0,1 грамма и исследовать его.

Стоп-кадр с видео в YouTube

Менделеев узнал об этом открытии из опубликованного доклада и обнаружил, что описание нового элемента почти в точности совпадает с его описанием предсказанного ранее экаалюминия. Он отправил соответствующее письмо Лекоку де Буабодрану, в котором указал, что плотность нового металла определена неверно и должна быть 5,9-6,0 , а не 4,7 грамма на кубический сантиметр.

Необычные свойства галлия позволяют осуществить с этим металлом серебристого цвета довольно много различных экспериментов, два из которых представлены на видео ниже. Например, им можно «атаковать» алюминиевую банку или понаблюдать за «бьющимся сердцем» (галлий погружается в серную кислоту и раствор бихромата).

—Музыка

—Поиск по дневнику

—Подписка по e-mail

—Статистика

Среда, 02 Марта 2011 г. 18:33 + в цитатник

Определение
Галлий (лат. Gallium), Ga, химический элемент III группы периодической системы Д. И. Менделеева Дмитрия Ивановича, порядковый номер 31, атомная масса 69,72; серебристо-белый мягкий металл.

Физические свойства
Кристаллический галий 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 T=20°С равна 5,904 г/см3, жидкий галлий при T=29,8°С имеет плотность 6,095 г/см3, то есть при затвердевании объём галлия увеличивается. Температура плавления галлия немного выше комнатной и равна Tпл.=29,8 °C, кипит галлий при Tкип.=2230°С.

Одной из особенностей галлия является широкий температурный интервал существования жидкого состояния (от 30 и до 2230°С), при этом он имеет низкое давление пара при температурах до 1100÷1200°С. Удельная теплоёмкость твёрдого галлия в температурном интервале T÷24°С равна 376,7 Дж/кг·К (0,09 кал/г·град.), в жидком состоянии при T=29÷100°С — 410 Дж/кг·К (0,098 кал/г·град).

Нахождение в природе
Галлий — типичный рассеянный элемент, иногда его также относят и к редким.
Кларк (числовая оценка среднего содержания в земной коре) галлия в земной коре довольно велик и составляет 1,5·10-3 %(масс.). Таким образом, его содержание больше, чем молибдена, висмута, вольфрама, ртути и некоторых других элементов, обычно не относимых к редким.

Основным источником галлия являются бокситы (гидратированный оксид алюминия). Интересно, что бокситовые руды независимо от их местонахождения и особенностей происхождения характеризуются постоянно-равномерным распределением в них галлия — 0,002-0,006 %. Нефелины из апатито-нефелиновых руд Хибинских гор содержат галлий в значительных количествах (0,01-0,04 .

Основные мировые резервы галлия связывают с месторождениями бокситов, запасы которых настолько велики, что не будут истощены в течение многих десятилетий. Однако большая часть галлия, содержащегося в боксите, остается недоступной вследствие недостатка производственных мощностей, объем которых диктуется экономическими причинами. Реальные запасы галлия трудно поддаются оценке. По мнению специалистов U.S. Geological Surveys мировые ресурсы галлия, связанные с месторождениям бокситов, составляют 1 млн тонн. Значительными запасами галлия обладают Китай, США, Россия, Украина, Казахстан.

Получение
Галлий – рассеянный элемент, являющийся постоянным спутником алюминия и цинка, поэтому его производство всегда привязано к переработке алюминиевых или сульфидных полиметаллических (в особенности цинковых) руд. Обычно извлечение галлия из цинковых концентратов сопряжено со многими трудностями, обусловливающими высокую цена металла, поэтому на протяжении уже нескольких десятилетий основным источником (95 получения галлия являются отходы алюминиевой промышленности, а на долю т.н. комплексной переработки отходов (попутно с извлечением цинка, индия, германия) приходится около 5% производственных мощностей. Кроме того, существуют технологии извлечения галлия из колошниковой пыли и золы от сжигания углей, а также отходов их коксования.

Применение
Широкого промышленного применения галлий пока не имеет.
Потенциально возможные масштабы попутного получения галлий в производстве алюминия до сих пор значительно превосходят спрос на металл.

Наиболее перспективно применение галлия в виде химических соединений типа GaAs, GaP, GaSb, обладающих полупроводниковыми свойствами. Они могут применяться в высокотемпературных выпрямителях и транзисторах, солнечных батареях и др. приборах, где может быть использован фотоэффект в запирающем слое, а также в приёмниках инфракрасного излучения. Галлий можно использовать для изготовления оптических зеркал, отличающихся высокой отражательной способностью.
Галлий дорог, в 2005 году на мировом рынке тонна галлия стоила 1,2 млн американских долларов, и в связи с высокой стоимостью и в то же время с большой потребностью в этом металле очень важно наладить его полное извлечение при алюминиевом производстве и переработке каменных углей на жидкое топливо.

Галлий имеет ряд сплавов, жидких при комнатной температуре, и один из его сплавов имеет температуру плавления 3 °C, но с другой стороны галлий (сплавы в меньшей степени) весьма агрессивен к большинству конструкционных материалов (растрескивание и размывание сплавов при высокой температуре), и как теплоноситель он малоэффективен, а зачастую просто неприемлем.

Галлий — превосходный смазочный материал. На основе галлия и никеля, галлия и скандия созданы практически очень важные металлические клеи.

Оксид галлия входит в состав ряда стратегически важных лазерных материалов группы гранатов — ГСГГ, ИАГ, ИСГГ и др.

Галлиевые термометры позволяют в принципе измерить температуру от 30 до 2230° С. Сейчас выпускаются галлиевые термометры для температур до 1200° С.

Элемент № 31 идет на производство легкоплавких сплавов, используемых в сигнальных устройствах. Сплав галлия с индием плавится уже при 16° С. Это самый легкоплавкий из всех известных сплавов.