Метал который плавится при температуре человека

Он хрупкий, как стекло, плавится при комнатной температуре и не любит другие металлы. Знакомьтесь: галлий.

В 1869 году его существование предсказал Дмитрий Менделеев. Основываясь на открытом периодическом законе, он оставил места в третьей группе для неизвестных элементов. (Таблица, как принято считать, приснилась великому химику, а о других «вещих» снах читайте в нашем обзоре). Ориентируясь по «соседям», Менделеев достаточно точно описал их химические и физические свойства. А в 1875 году французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран выступил на заседании Парижской академии наук, сообщив, что открыл новый элемент. Как раз так, как и предсказал Менделеев, — с помощью спектроскопии. Свою «находку» он предложил назвать галлием от слова «Галлия» (римское название исторической части Европы, включающей в том числе и Францию. — Прим. ред.). Хотя некоторые поговаривали, что за основу химик взял свою фамилию Лекок, созвучную французскому le coq («петух»). А по-латински «петух» — gallus, откуда недалеко и до галлия (gallium). В любом случае галлий занял третью группу четвертого периода системы химических элементов Менделеева под атомным номером 31.

Металл достаточно редкий. Собственные минералы галлия в природе обнаружены лишь в Намибии и Заире. В качестве примеси он входит в состав многих минералов, но его количество там крайне мало. И даже из бокситов, а именно на них приходится 90% мирового выпуска галлия, извлекается до 20%. Так что производство является сложным и дорогостоящим процессом. Основные страны, где им занимаются, — Китай, Германия, Япония.

Галлий обладает весьма интересными свойствами. Во-первых, тепла человеческого тела вполне достаточно, чтобы превратить этот серебристый металл в жидкость. Температура его плавления — всего 29,8 °С. Для сравнения: у свинца — 327 °С, у золота — 1063 °С, а у вольфрама — 3420 °С. Именно благодаря низкой температуре плавления галлий является основным компонентом многих легкоплавких сплавов, которые широко используют в технике. Удобно, к примеру, применять его в устройствах пожарной сигнализации. Стоит воздуху в помещении слегка нагреться, как столбик галлиевого сплава, вмонтированный в реле, начинает таять. В результате замыкаются электрические контакты и звуковой или световой сигнал извещает об опасности. Надежнее любого вахтера!

Во-вторых, галлий может длительное время не затвердевать в переохлажденном состоянии. Можно положить его вечером в морозильник и утром найти в таком же расплавленном виде. И даже если вылить каплю на лед, она еще долго не затвердеет. Зато, когда это произойдет, объем металла значительно увеличится. Это свойство проявляют немногие простые вещества и соединения, такие как, например, вода. Поэтому галлий обычно хранят в небольших желатиновых капсулах или резиновых баллонах.

Наконец, третье его достоинство в том, что он остается жидким в огромном интервале температур (от 29,8 до 2230 °С). А так как кипеть начинает лишь при 2230 °С, его используют при изготовлении высокотемпературных термометров и манометров. Сравните: температура кипения ртути — 356,7 °С.

Казалось бы, легкоплавкость в сочетании с возможностью долгое время оставаться жидким должны делать его прекрасным теплоносителем. Но не тут-то было! По отношению к другим металлам жидкий галлий недружелюбен: при повышенных температурах большинство из них он растворяет, то есть разрушает.

Зато способность хорошо отражать световые лучи позволяет широко использовать галлий при производстве зеркал. Причем они не тускнеют даже при повышенных температурах! Включают галлий и в состав медицинских препаратов, так как было установлено, что его ионы способны заменять ионы железа. Галлий является мощным антибактериальным средством, способен затормозить потерю костной массы у онкологических больных, быстро остановить кровотечение и ускорить заживление ран. Однако основной сферой применения его уникальных способностей остается микроэлектроника.

Пройдите также наш занимательный тест на знание таблицы Менделеева. Химиком для этого быть не обязательно!

Источник

Металл который плавится в руке: понятие легкоплавкости + характеристика галлия + разбор термодинамических свойств химического элемента + физические/химические свойства металла + его область применения.

Многие из нас видели в интернете фото металла, который плавится в руке. Единственный химический элемент в природе, который может безопасно для здоровья человека, провернуть подобный трюк – галлий.

В сегодняшней статье мы разберем отличительные свойства группы легкоплавких металлов + предоставим характеристику элемента, тающего в руках его владельца.

Понятие легкоплавких металлов/сплавов

Легкоплавкость – понятие растяжимое, особенно это актуально для промышленности. В химии легкоплавкими считаются элементы группы металлов + их сплавы, температура плавления которых ниже порога в 1000 градусов Цельсия.

Если температура плавления металла превышает 1 500 градусов Цельсия – его принято выделять в группу тугоплавких. Диаграмма выше четко дает понять, куда какой металл следует относить.

Обратите внимание: минимальная температура плавления у ртути — 39 градусов. Именно благодаря такому физическому свойству, мы можем наблюдать химический элемент в постоянно жидком состоянии.

Теперь пройдемся по легкоплавким сплавам. В своем большинстве – это сплавы эвтектического типа, пиковая температура плавления которых не превышает 232 градусов по Цельсию. В основе производства легкоплавких сплавов лежат легкоплавкие металлы – олово, висмут, таллий, галлий и другие.

Ученым удалось добиться -78 градусов в качестве минимальной температуры плавления для советского сплава, который состоит на 12% из натрия, 47% калия и 41% цезия. Недостаток сплава — реакция с водой. Ближайший конкурент – амальгама. Токсичный сплав из ртути с таллием, сохраняющий жидкое состояние до температуры -61 градус по Цельсию.

Область применения легкоплавких металлов/сплавов:

энергетическая промышленность и машиностроение. Основное направление – создание тепловых носителей с жидкометаллического типа;
литьевая промышленность;
как основа для датчиков температуры, что актуально в системах пожарной безопасности;
как основа для разработки термометров;
как ремонтный материал в вакуумных технологиях;
припои, предохранители и прочие мелочи в микроэлектронике;
медицинское направление. То же протезирование;
как металлическая смазка.

Низкая температура плавления является базовых свойством, которое требуется от легкоплавких металлов и сплавов. Вторичные параметры, которые берутся во внимание в различных областях использования – плотность, прочность на разрыв и инертность в химическом плане.

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:

3) Получение галлия + области применения металла в промышленности/быту

В основе добычи чистого вещества лежит галлит – редкий минерал, который является смесью галлия и сульфида меди. Наиболее часто он встречается в совокупности с такими минералами как сфалерит и германит. Странный факт, но в залежах каменных углей иногда реально найти галлит в размере 1.5% от всего объема добычи, что делает такие месторождения крайне важными стратегическими запасами для промышленного производства галлия.

Основные методы получения металлического галлия – это переработка боксита, нефелина и некоторые типы полиметаллических руд/угля.

Алгоритм извлечения галлия из руд:

Электролиз с участием щелочных жидкостей, которые в свою очередь являются промежуточным продуктом с переработки бокситов в глинозем технического применения.
Получение концентрированных растворов по методу спекания или через процесс Байера. В первом случае получаем до 70 миллиграмм на литр, а во втором до 160 миллиграмм на литр концентрата.
Дальнейшая очистка галлия путем карбонизации.
Обогащенный осадок отправляют в емкость с известью, вследствие чего получаем раствор.
При помощи электролиза раствора получаем черновой вариант металла.
Черновой галлий прогоняют через водяной напор.
Смесь фильтруют при помощи пористых пластинок и греют в вакууме, из-за чего из чернового металла удаляются примеси летучего типа.
В зависимости от степени чистоты конечного продукта, используют химический, электрохимический, либо физический методы разложения.

Эталонный вариант чистки может предоставить галлий с чистотой в 99.9%. В данном случае используется метод электрохимического рафинирования и восстановление с помощью очищенного водорода.

В промышленном плане у галлия нет широкого распространения. Металл сравнительно дорогой для металлургии + его физические/химические свойства редко где могут пригодиться для массового использования.

Где применяется галлий:

в соединениях с натрием металл применяют при создании лазеров полупроводникового типа с ультрафиолетовым и синим диапазонами;
как присадка к германию/кремнию;
как отражающий элемент для зеркал среднего качества. В чистом виде материал способен отражать порядка 89% света. Достоинства подобных изделий обусловливаются способностью металл к пропуску ультрафиолетовых лучей;
как компонент в смазочных материалах. Клеи с добавкой жидкого галлия весьма популярны и сегодня;
как замена ртути в кварцевых термометрах;
оксид галлия – это стратегически важный объект в производстве лазерных материалов.

Иногда галлий применяют как компонент для светящихся красок, а соли на основе металла являются катализаторами в аналитической химии, медицине и органическом синтезе. Чтобы купить 1 килограмма металла, который плавится в руках, потребуется выложить от 250 до 400 американских долларов в зависимости от степени чистоты химического элемента.

Источник

Галлий (лат. Gallium), Ga, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 31, атомная масса 69,723. Галлий – весьма легкоплавкий металл: чтобы превратить его в жидкость, достаточно тепла ладони. Впрочем, галлий – не самый легкоплавкий из металлов (даже если не
считать ртуть). Галлий – относительно мягкий, ковкий металл, блестящего серебристого цвета с голубовато-серыми штрихами. Он плавится при 29,78°С

(теплота плавления 19,16 кал/г). Закипает только при – 2230°C. Нахождение в природе: в природе рассеян, встречается вместе с алюминием (Al). Расплавленный металл при охлаждении не застывает немедленно, если только его не помешивать палочкой; без такого вмешательства он может оставаться жидким месяцами.

В 1875 г. Лекок де Буабодран исследовал спектр цинковой обманки,
привезенной из Пьеррфита (Пиренеи). В этом спектре и была обнаружена
новая фиолетовая линия (длина волны 4170 Ǻ). Новая линия
свидетельствовала о присутствии в минерале неизвестного элемента, и,
вполне естественно, Лекок де Буабодран приложил максимум усилий, чтобы
этот элемент выделить. Сделать это оказалось непросто: содержание нового
элемента в руде было меньше 0,1%, и во многом он был подобен цинку.
После длительных опытов ученому удалось-таки получить новый элемент, но в
очень небольшом количестве. Настолько небольшом (меньше 0,1 г), что
изучить его физические и химические свойства Лекок де Буабодрап смог
далеко не полно. Сообщение об открытии галлия – так в честь Франции (Галлия – ее
латинское название) был назван новый элемент – появилось в докладах
Парижской академии наук.

В кристалле у каждого атома галлия три соседа по слою. Один из них

расположен на расстоянии 0,244 нм, а два других – на значительно

большем расстоянии друг от друга – 0,271 нм. Расстояние между слоями

также велико и составляет 0,274 нм. Поэтому можно считать, что кристалл галлия состоит из частиц Ga2, связанных между собой ван-дер-ваальсовыми силами. Этим объясняется его низкая температура плавления. Он имеет уникальный температурный интервал жидкого состояния (от

29,78 до 2230°C).

Молекулы Ga2 сохраняются в жидком состоянии, тогда

как в парах металлический галлий почти всегда одноатомный. А по большинству химических свойств галлий близок к алюминию. Как и у
алюминия, на внешней орбите атома галлия три электрона. Как и алюминий,
галлий легко, даже на холоду, взаимодействует с галогенами (кроме
иода). Оба металла легко растворяются в серной и соляной кислотах, оба
реагируют со щелочами и дают амфотерные гидроокиси. Константы
диссоциации реакций

Ga(OH)3 → Ga3+ + 3OH–

Н3GаО3 → 3Н+ + GaO3–3 – величины одного порядка.

Есть, однако, и отличия в химических свойствах галлия и алюминия. Сухим кислородом галлий заметно окисляется лишь при температуре выше
260°C, а алюминий, если лишить его защитной окисной пленки, окисляется
кислородом очень быстро. С водородом галлий образует гидриды, подобные гидридам бора. Алюминий
же способен только растворять водород, но не вступать с ним в реакцию. А еще галлий похож на графит, на кварц, на воду.

На графит – тем, что оставляет серый след на бумаге. На кварц – электрической и тепловой анизотропностью. А на воду галлий похож тем, что, затвердевая, он расширяется. Прирост объема заметный – 3,2%. На воздухе галлий устойчив при обычной температуре, так как

покрывается, подобно алюминию, прочной оксидной плёнкой. Выше 260°C

в сухом кислороде наблюдается медленное окисление. Воду не разлагает. В серной и соляной кислотах галлий растворяется медленно, в

плавиковой – быстро, в азотной кислоте на холоду – устойчив. В

горячих растворах щелочей галлий медленно растворяется.

2Ga + 6H2O + 6NaOH = 3H2 + 2Na3[Ga(OH)6]

Хлор и бром сильно действуют на металл уже на холоду.

С йодом

галлий соединяется при нагревании. При накаливании галлий соединяется с кислородом и серой. Расплавленный галлий при температурах выше

300°C взаимодействует со всеми конструкционными металлами и

сплавами. Из водного раствора галлий легко можно выделить электролитически, но количественно это сделать трудно.

Нормальный потенциал галлия относительно нормального водородного электрода равен – 0,52 В.

Галлий взаимодействует практически со всеми металлами, кроме

подгруппы цинка, скандия и титана.

Последним соответствуют двойные системы, которые имеют либо эвтектический характер, либо (в случае тяжелых металлов – Cd, Hg, Tl,

Bi, Pb) ограниченную взаимную растворимость в жидком состоянии. Для

этих металлов не характерно также образование непрерывных твердых

растворов; наибольшей растворимостью (0,85 ат. % ) в галлии обладает

цинк.

В отдельную группу выделяются щелочные металлы. Они образуют с

галлием сравнительно высокоплавкие соединения, большей частью состава M5Ga8 и MGa4.

Твердых растворов в этих системах нет совсем. В областях,

прилегающих к щелочным металлам, наблюдается расслаивание (кроме

системы с литием и, возможно, с натрием).

Все остальные металлы (переходные, кроме подгруппы цинка,

Щелочноземельные, а также лантаниды и актиниды) образуют с галлием

большое число интерметаллических соединений (до 5 – 6 и более в одной системе). Они не имеют областей расслоения, однако для них

характерно наличие широких областей твердых растворов на основе этих

металлов (до 20 – 30 ат. %) при отсутствии растворимости в галлии.

Некоторые из образующихся в этих системах интерметаллидов обладают

высокими температурами плавления. Но наибольший интерес представляют

соединения V3Ga и их аналоги с относительно высокими температурами

перехода в сверхпроводящее состояние.

Сплавы металлов с галлием, жидкие при комнатной температуре,

называются галламами.

Наиболее стойки к воздействию галлия при нагревании бериллий

(до 1000), вольфрам (до 300), тантал (до 450), молибден и ниобий (до

400). Интересно происходит взаимодействие галлия с серной кислотой. Оно
сопровождается выделением элементарной серы. При этом сера обволакивает
поверхность металла и препятствует его дальнейшему растворению. Если же
обмыть металл горячей водой, реакция возобновится, и будет идти до тех
пор, пока на галлии не нарастет новая «шкура» из серы.

Применение.

Галлиевые термометры позволяют в принципе измерить температуру от 30
до 2230°C. Сейчас выпускаются галлиевые термометры для температур до
1200°C. Элемент №31 идет на производство легкоплавких сплавов, используемых в
сигнальных устройствах. Сплав галлия с индием плавится уже при 16°C.
Это самый легкоплавкий из всех известных сплавов. Как элемент III группы, способствующий усилению в полупроводнике
«дырочной» проводимости, галлий (чистотой не меньше 99,999%) применяют
как присадку к германию и кремнию. Интерметаллические соединения галлия с элементами V группы – сурьмой и мышьяком – сами обладают полупроводниковыми свойствами. Добавка галлия в стеклянную массу позволяет получить стекла с высоким
коэффициентом преломления световых лучей, а стекла на основе Ga2O3 хорошо пропускают инфракрасные лучи. Жидкий галлий отражает 88% падающего на него света, твердый –
немногим меньше. Поэтому делают очень простые в изготовлении галлиевые
зеркала – галлиевое покрытие можно наносить даже кистью.

Иногда используют способность галлия хорошо смачивать твердые
поверхности, заменяя им ртуть в диффузионных ваккумных насосах. Такие
насосы лучше «держат» вакуум, чем ртутные. Предпринимались попытки применить галлий в атомных реакторах, но вряд
ли результаты этих попыток можно считать успешными. Мало того, что
галлий довольно активно захватывает нейтроны (сечение захвата 2,71
барна), он еще реагирует при повышенных температурах с большинством
металлов. Галлий не стал атомным материалом. Правда, его искусственный радиоактивный изотоп 72Ga
(с периодом полураспада 14,2 часа) применяют для диагностики рака
костей. Хлорид и нитрат галлия-72 адсорбируются опухолью, и, фиксируя
характерное для этого изотопа излучение, медики почти точно определяют
размеры инородных образований. Как видите, практические возможности элемента №31 достаточно широки.
Использовать их полностью пока не удается из-за трудности получения
галлия – элемента довольно редкого (1,5 10–3% веса земной
коры) и очень рассеянного. Собственных минералов галлия известно
немного. Первый и самый известный его минерал, галлит CuGaS2 обнаружен лишь в 1956 г. Позже были найдены еще два минерала, совсем уже редких. Обычно же галлий находят в цинковых, алюминиевых, железных рудах, а
также в каменном угле – как незначительную примесь. И что характерно:
чем больше эта примесь, тем труднее ее извлечь, потому что галлия больше
в рудах тех металлов (алюминий, цинк), которые близки ему по свойствам.
Основная часть земного галлия заключена в минералах алюминия. Извлечение галлия – «удовольствие» дорогое. Поэтому элемент №31
используется в меньших количествах, чем любой его сосед по периодической
системе.

Не исключено, конечно, что наука ближайшего будущего откроет в галлии
нечто такое, что он станет совершенно необходимым и незаменимым, как
это случилось с другим элементом, предсказанным Менделеевым, –
германием. Всего 30 лет назад его применяли еще меньше, чем галлий, а
потом началась «эра полупроводников»… (97%) в производстве полупроводниковых материалов (GaAs, GaSb, GaP, GaN). Долгое время считалось, что галлий токсичен. Лишь в последние
десятилетия это неправильное мнение опровергнуто. Легкоплавкий галлий
заинтересовал стоматологов. Еще в 1930 г. было впервые предложено
заменить галлием ртуть в композициях для пломбирования зубов. Дальнейшие
исследования и у нас, и за рубежом подтвердили перспективность такой
замены. Безртутные металлические пломбы (ртуть заменена галлием) уже
применяются в стоматологии.

Источники: ресурсы Интернет

Галлий

Источник