Галлий

История

Свойства

Применение

 
    Пожалуй, самое известное свойство галлия, это его температура плавления, она составляет 29.76 °C. Это второй по легкоплавкости металл в периодической системе (после ртути). Легкоплавкость, а также низкая токсичность металлического галлия позволили сделать эту фотографию (температура человеческого тела также выше температуры цезия, но, по вполне понятным причинам, подобную фотографию можно сделать разве что с использованием бокса с инертной атмосферой и защитных перчаток). На самом деле, идея этого фото не моя – я увидел похожую фотографию в одном американском журнале, но она была черно-белая. Я решил при случае сделать такую же, но цветную. Кубик из галлия я отлил в формочку из оргстекла. Кстати, галлий – один из немногих металлов, расширяющихся при затвердевании расплава (другие – Bi, Ge). И чтобы получить красивый кубик, мне пришлось сточить верхушку слитка (между прочим, тоже не совсем простая задача, поскольку при стачивании галлий стал нагреваться и чуть не расплавился, пришлось охлаждать льдом). Разница между температурой человеческой руки (кстати она составляет не 36.6 градусов а меньше) и температурой плавления галлия - небольшая, поэтому ждать подплавления кубика пришлось довольно долго (чтобы ускорить процесс, я предварительно нагрел галлий в теплой воде примерно до 27 градусов).

 
    Металлический галлий малотоксичен, одно время он даже применялся для изготовления пломб (вместо амальгамных). Это применение основано на том, что при смешивании порошка меди с расплавленным галлием получается паста, которая через несколько часов затвердевает (из-за образования интерметаллического соединения) и потом может выдержать нагрев до 600 градусов без плавления. Назвать галлий полноценным металлом я бы все-таки не решился, поскольку он очень хрупок (его можно расколоть как стекло).

 
    Еще одна интересная особенность галлия – способность его расплава к переохлаждению. Расплавленный галлий можно охладить примерно на 10-30 градусов ниже точки плавления, и он останется жидким, но если бросить в такой расплав кусочек твердого галлия или сухого льда, из него мгновенно начнут расти крупные кристаллы. На фотографии – затвердевающий слиток галлия. Температура в помещении была лишь немного ниже температуры плавления галлия, и металл затвердевал больше десяти часов (мне не хотелось охлаждать форму водой). Зато на фото хорошо видно, что кристаллизация началась в трех местах, и одновременно начали расти три больших монокристалла, которые затем встретились и образовали слиток (это произошло примерно через два часа после съемки).

 
    Самодельная ложка из галлия. Видео с плавлением этой ложки, можно посмотреть в разделе опыты (кнопка вверху страницы).

 
    А вот еще одно применение галлия. Правда, в таком виде оно для меня было довольно неожиданным.
    Галлий находится в жидком состоянии в очень большом интервале температур, и, по идее, галлиевыми термометрами можно было бы измерять температуру аж до 2000 градусов. Впервые применять галлий в качестве термометрической жидкости предложили довольно давно. Я, например, читал об этом в справочнике шестидесятых годов, а также много раз видел соответствующие упоминания в научно-популярных книгах по химии (в частности, в «Популярной библиотеке химических элементов»). Там говорилось, что галлиевыми термометрами уже измеряют температуру до 1200 градусов, но обычному человеку, увидеть в лаборатории эти термометры в живую удается не часто.
    Я думаю, что такие термометры слабо распространены по нескольким причинам. Во-первых, при высоких температурах галлий является очень агрессивным веществом. При температурах выше 500 °C, он разъедает практически все металлы, кроме вольфрама, а также многие другие материалы. Кварц устойчив к действию расплавленного галлия до 1100 °C, но проблема может возникнуть из-за того, что кварц (а также большинство других стекол) отлично смачивается этим металлом. То есть, галлий просто налипнет на стенки термометра изнутри, и узнать температуру будет невозможно. Еще одна проблема может возникнуть при охлаждении термометра ниже 28 градусов. При затвердевании галлий ведет себя подобно воде – он расширяется и может просто разорвать термомер изнутри. Ну и последняя причина, по которой сейчас высокотемпературный галлиевый термометр можно встретить очень редко, это развитие техники и электроники. Не секрет, что цифровым термометром пользоваться гораздо удобнее, чем жидкостным. Современные температурные контроллеры, в комплекте, например, с платино-платинородиевыми термопарами, позволяют измерять температуру в интервале от -200 до +1600°C с точностью, недостижимой для жидкостных термометров. К тому же, термопара может находиться на значительном расстоянии от контроллера.
    Термометр на фото я нашел на немецком аукционе ebay после примерно полутора лет поисков.

 
    В общем, наверное мне пришлось бы долго искать термометр с галлием, если бы не ужесточение экологических требований в Европе. С недавнего времени, экологические организации стараются ограничить применение токсичных металлов в быту. Например, при изготовлении электроники вовсю применяют бессвинцовые припои, ну а при производстве термометров стараются избежать употребления ртути. Честно говоря, не знаю, чем не устраивали людей электронные медицинские термометры, но фирма «Geratherm» выпустила термометр, по виду практически не отличающийся от обычного ртутного, за исключением того, что вместо ртути у него внутри находится галлиевый сплав (на обратной стороне шкалы даже написано «Quecksilberfrei», то есть «без ртути»). Этот сплав состоит из 68.5% галлия, 21.5% индия и 10% олова. Сплав назван по первым буквам латинских названий входящих в его состав элементов – галинстан (Galinstan). Температура плавления галинстана - -19°C, он выглядит более светлым, чем ртуть и, как и галлий, отлично смачивает стекло. Эту проблему при разработке термометра все-таки решили. На внутреннюю поверхность капилляра термометра нанесен слой оксида галлия. Ga₂O₃ галинстаном не смачивается и, при отсутствии резких колебаний температуры, держится на стекле вполне надежно, и столбик сплава четко виден внутри капилляра. Но все-таки охлаждать термометр ниже -15 °C нельзя - сплав может затвердеть и разорвать стекло.
    Желающие могут скачать первое сообщение об открытии галлия, Лекока де Буабодрана (скан, французский язык).