Галлий металл который. Металл, который плавится в руках… Интересно, не правда ли

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.

Что составляет 29,76 о С. Если поместить его в теплую ладонь, оно постепенно начинает переходить из твердого состояния в жидкую форму.

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.

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.

Как получают галлий

В настоящее время ученые чаще всего синтезируют металл, который плавится в руках, из алюминиевых растворов, что добываются в ходе переработки глинозема. В результате удаления основной массы алюминия и проведения процедуры неоднократного концентрирования металлов получают щелочной раствор, в котором находится незначительная доля галлия. Выделяют такой материал из раствора путем электролиза.

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.

Как уже отмечалось выше, галлий - металл, который плавится в руках. Поскольку температура, что требуется для перехода материала в жидкое состояние, составляет чуть больше 29 о С, его достаточно подержать в ладонях. Через некоторое время изначально твердый материал начнет плавиться буквально на глазах.

Довольно увлекательный эксперимент можно провести с затвердеванием галлия. Представленный металл имеет свойство расширяться в ходе затвердевания. Для проведения интересного опыта достаточно поместить жидкий галлий в стеклянный пузырек. Далее необходимо начать охлаждать емкость. Через некоторое время можно заметить, как в пузырьке станут образовываться кристаллы металла. Они будут иметь синеватый цвет, в отличие от серебристого оттенка, который характерен для материала в жидком состоянии. Если не прекращать охлаждение, кристаллизирующийся галлий в конечном итоге разорвет стеклянный пузырек.

В заключение

Вот мы и выяснили, какой металл плавится в руке. Сегодня галлий можно отыскать в продаже для проведения собственных опытов. Однако обращаться с материалом следует крайне осторожно. Твердый галлий является нетоксичным веществом. Однако продолжительный контакт с материалом в жидкой форме может привести к самым непредвиденным последствиям для здоровья, вплоть до остановки дыхания, паралича конечностей и вхождения человека в состояние комы.

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: , и . 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 . 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 . 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!

Источники:

Paul Parsons, Gail Dixon - The Periodic Table A visual guide to the elements (p.78) ;

Галлий – это химический элемент с атомным номером 31. Относится к группе легких металлов и обозначается символом «Ga». Галлий в чистом виде не встречается в природе, однако его соединения в ничтожно малых количествах содержатся в бокситах и цинковых рудах. Галлий — мягкий пластичный металл серебристого цвета. При низких температурах находится в твердом состоянии, но плавится уже при температуре, не намного превышающей комнатную (29,8°C). На видео ниже можно увидеть, как ложка из галлия плавится в чашке с горячим чаем.

(Всего 7 фото + 1 видео)

1. С момента открытия элемента в 1875 году и до наступления эры полупроводников, галлий в основном использовался для создания легкоплавких сплавов.

2. В настоящее время весь галлий используется в микроэлектронике.

3. Арсенид галлия, основное используемое соединение элемента, применяется в микроволновых схемах и инфракрасных приложениях.

4. Нитрид галлия используется меньше, при создании полупроводниковых лазеров и светодиодов синего и ультрафиолетового диапазона.

5. У галлия нет известной науке биологической роли. Но, так как соединения галлия и соли железа сходно ведут себя в биологических системах, ионы галлия часто заменяют ионы железа в медицинском применении.