Пара слов о галлии
Добрый день, уважаемые читатели.
Сегодня мы поговорим с вами о металле, который изменил мир и без которого современная электроника не существовала бы в привычном нам виде — разговор пойдёт о галлии.
Итак, галлий — это химический элемент 13-й группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Атомный номер — 31. Природный галлий состоит из двух стабильных изотопов: галлия-69 (60.11 %) и галлия-71 (39.89 %). Своё название галлий получил в честь исторического латинского названия Франции — Галлия (Gallia).
Физически галлий — это мягкий хрупкий металл светло-серого цвета с небольшим синеватым отливом. Температура плавления около 30 градусов Цельсия. После плавления галлий способен находиться достаточно долго в жидком состоянии при комнатной температуре. Внешний вид жидкого галлия показан в подборке фото ниже.
Плотность твёрдого галлия при температуре 20 °C: 5.9 г/см³ . Жидкий галлий имеет плотность 6.1 г/см³ (при 29.8 °C). Таким образом при затвердевании объём галлия увеличивается. Это достаточно редкое свойство.
При этом температура кипения галлия: 2230 °C. Такой широкий температурный интервал существования жидкой фазы — второе редкое свойство галлия.
Если кусочек твёрдого галлия аккуратно прижать зубами, то ощущается хруст, достаточно сильно напоминающий хруст свежего снега под ногами (или попытку медленно откусить кусочек льда).
Соединения галлия нашли широкое применение в промышленности. Так арсенид галлия используется при производстве современной СВЧ электроники — при производстве транзисторов, а также микроволновых монолитных интегральных схем. Нитрид галлия используется при производстве полупроводниковых лазеров, светодиодов, мощных быстродействующих транзисторов и пр.
Сплав, состоящий из 68.5 % галлия, 21.5 % индия и 10 % олова, получивший название галинстан, используется для замены ртути в термометрах. Галлий и его эвтектический сплав с индием можно использовать в качестве теплоносителя в контурах реакторов.
При контакте кожи с галлием сверхмалые частицы металла остаются на ней. Внешне это выглядит как серое пятно, которое сильно размазывается при попытке убрать его. Лучший способ убрать подобные пятна с рук — воспользоваться жидким мылом.
Достаточно часто жидкий галлий путают с жидкой ртутью. Но на практике эти 2 металла можно достаточно просто отличить: галлий смачивает поверхность стекла и пластика (да и вообще всего, с чем соприкасается). Ртуть же стекло и пластик не смачивает. Данное различие наглядно показано в подборке фото ниже (слева — ртуть, справа — галлий).
Но можно ли провести какие-то интересные опыты с галлием? Именно этим мы сейчас и займёмся.
1. Для проведения первого опыта необходимо взять небольшую алюминиевую пластину и очистить поверхность от загрязнений и оксидной пленки. Если теперь нанести на пластину каплю галлия, то со временем галлий распределится в объёме пластинки возле нанесённой капли (примерно за 2-4 недели при температуре чуть выше температуры плавления галлия). Ускорить процесс можно, если подогревать алюминиевую пластинку до 100-200 градусов в течении 20-40 минут (в этом случае весь процесс займет около часа).
Из-за адсорбционного понижения прочности (галлий по отношению к алюминию и его сплавам является сильным понизителем прочности, что является проявлением эффекта Ребиндера) полученная пластинка станет хрупкой — при достаточном количестве нанесённого галлия пластинку можно разломать руками.
Если кусочек такой пластинки кинуть в стакан с водой, то начнётся бурная реакция — алюминий взаимодействует с водой. Это стало возможно благодаря тому, что галлий препятствует образованию оксидной пленки на поверхности алюминия.
Вживую это выглядит вот так:
Но может ли сам галлий реагировать с водой при нормальных условиях? Теоретически должна протекать следующая реакция:
В реальности же реакция не протекает т.к. галлий достаточно быстро покрывается оксидной плёнкой. Образование оксидной пленки можно продемонстрировать на следующем опыте.
2. Для проведения второго опыта необходимо небольшую каплю галлия поместить в колбу и залить дистиллированной водой. После этого колба тщательно взбалтывается в течение 1-2 минут. При взаимодействии галлия с водой поверхность галлия быстро покрывается тонкой оксидной пленкой, что не даёт отдельным мелким каплям слиться в одну после интенсивного взбалтывания.
Если же подкислить воду 5-10 мл 30% раствора серной кислоты, то оксидная плёнка на галлии растворится с образованием сульфата галлия(III) и мелкие капли галлия вновь сольются в одну большую.
Вживую это выглядит вот так:
Тем не менее галлий способен реагировать с водой в виде перегретого пара с образованием метагаллиевой кислоты. Как и другие металлы галлий реагирует с кислотами. Например с серной кислотой, особенно горячей.
3. Для проведения третьего опыта необходимо небольшую каплю галлия поместить в концентрированную серную кислоту и нагреть до 60-80 градусов Цельсия. Хорошо видно, что галлий реагирует с серной кислотой с образованием сульфата галлия(III) и водорода.
Вживую это выглядит вот так:
Помимо кислот галлий реагирует и с галогенами: с хлором и бромом — при комнатной температуре, с фтором — уже при мину 35 градусах Цельсия, с иодом — при нагревании. Продемонстрировать это можно на следующем опыте.
4. Для проведения четвёртого опыта необходимо поместить в колбу (пробирку, химический стакан) небольшую каплю галлия, а также кристаллы иода и быстро нагреть до температуры выше 100-120 градусов Цельсия. По мере разогрева хорошо видно, что иод сначала начинает возгоняться, потом появляется небольшое количество жидкого иода на дне колбы, и наконец, иод начинает бурно реагировать с жидким галлием.
При этом в зависимости от соотношения реагентов образуется серо-зелёные кристаллы иодида галлия(I), а также жёлтые кристаллы иодида галлия(III).
Впрочем, опыт можно провести и по другому — добавить галлий в жидкий иод при температуре не ниже 100-120 градусов Цельсия.
Вживую это выглядит вот так:
Ну и в завершении нашей статьи о галлии проведём ещё один небольшой, но эффектный опыт.
5. Для проведения пятого опыта необходимо небольшую каплю жидкого галлия поместить в чашку Петри с 30-40% раствором серной кислоты и нагреть до 40-60 градусов Цельсия. Если к такому раствору аккуратно добавлять 1-5% раствор дихромата калия (дихромата натрия), то при достижении определённой концентрации капля галлия начнёт ритмично пульсировать. Благодаря этому опыт получил название «галлиевое сердце».
Вживую это выглядит вот так:
Суть в том, что в растворе протекает колебательная реакция с циклическим изменением поверхностного натяжения и, как следствие, формы и размеров капли галлия.
Вот такой интересный металл — галлий!
А на этом на сегодня всё. Спасибо, что дочитали до конца!
Список использованной литературы:
2. Фёдоров П. И. Галлий // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: А — Дарзана. — С. 479—481. — 623 с.
3. Дымов, А. Н. Аналитическая химия галлия / А. Н. Дымов, А. П. Савостин ; ред. А. Н. Ермаков. – Москва : Наука, 1968. – 257 с.