Исследование физико-химических свойств галлия

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Попов Е.О. 1

---

1МБОУ "СОШ № 8 г.Выборга"

Егорова Т.Ю. 1

---

1МБОУ "СОШ № 8 г.Выборга"

Работа в формате PDF

520.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Мы знаем, что галлий, как элемент Периодической системы Менделеева, был открыт еще в XIX веке. Нельзя недооценивать важность галлия в нашей жизни, поэтому изучение свойств этого металла и дальнейшее использование знаний, считаем ценным опытом.

Зная свойства вещества, мы можем использовать его с большой пользой для человечества.

Если не использовать на данном этапе галлий в научных целях, можно использовать его в познавательных целях. Галлий легкоплавкий и нетоксичный металл и может служить источником познавательных интересов, раннего знакомства с химией и свойствами веществ.

Актуальность работы: расширение знаний о свойствах химических элементов.

Цель работы: исследование физических и химических свойств галлия.

Задачи:

1. Изучить общие сведения о галлии, используя литературные источники.

2. Изучить и подтвердить на практике физические свойства галлия.

3. Изучить и провести химические опыты с галлием

4. Применить способы выращивания кристаллов из металла и провести наблюдение за процессом кристаллизации в зависимости от условий выращивания кристаллов.

5. Проанализировать результаты исследований.

Методы исследования:

1. Работа с источниками информации. Теоретические исследования.

2. Экспериментальные методы.

3. Наблюдение.

4. Анализ полученных результатов.

1. Теоретическая часть. Основные сведения о галлии

1.1. История открытия галлия

Существование галлия было научно предсказано Д. И. Менделеевым. При создании периодической системы химических элементов в 1869 г. он, основываясь на открытом им Периодическом законе, оставил вакантные места в третьей группе для неизвестных элементов — аналогов алюминия и кремния (экаалюминий и экасилиций). Менделеев, основываясь на свойствах соседних, хорошо изученных элементов, описал важнейшие физические и химические свойства. В частности, в статье, датированной 11 декабря (29 ноября по старому стилю) 1870 года, опубликованной в «Журнале Русского химического общества», Менделеев указал, что атомный вес экаалюминия близок к 68, удельный вес около 6 г/см³. (Таблица 1.) [8]

Таблица 1. Свойства экаалюминия и галлия Менделеева.

Свойства экаалюминия (ожидаемые) и галлия[5]
Свойство	Экаалюминий	Галлий
Атомная масса	~68	69.723
Удельный вес	5.9 г/см3	5.904 г/см3
Температура плавления	Низкая	29.767 °C
Формула оксида	M2O3	Ga2O3
Плотность оксида	5.5 г/см3	5.88 г/см3
Гидроксид	амфотерный	амфотерный

Вскоре галлий был открыт, выделен в виде простого вещества и изучен французским химиком Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном. 20 сентября 1875 года на заседании Парижской академии наук было зачитано письмо Лекока де Буабодрана об открытии нового элемента и изучении его свойств. В письме сообщалось, что 27 августа 1875 года он обнаружил признаки нового простого тела в образце цинковой обманки. В этом же письме он предложил назвать новый элемент Gallium^[6]. По свойствам новый элемент оказался сходен с цинком. Открытие галлия укрепило позиции Периодического закона. Менделеев называл Лекока де Буабодрана одним из «укрепителей периодического закона».

Вдохновившись работой великих ученых, мы провели опыт по выращиванию кристаллов из металла.

Галлий – элемент Периодической системы Менделеева, №31, вещество внешне похоже на олово: серебристо-белый мягкий металл, на воздухе он не окисляется и не тускнеет. По большинству химических свойств галлий близок к алюминию. Как и алюминий, галлий взаимодействует с галогенами (кроме иода). Оба металла легко растворяются в серной и соляной кислотах, оба реагируют со щелочами и дают амфотерные гидроокиси. Есть отличия в химических свойствах галлия и алюминия. Сухим кислородом галлий окисляется 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 способен только растворять водород, но не вступать с ним в реакцию.

А еще галлий похож на графит тем, что оставляет серый след на бумаге.

Плотность галлия в твёрдом состоянии при температуре 20 °C равна 5,904 г/см³, жидкий галлий (t_пл. = 29,8 °C) имеет плотность 6,095 г/см³, то есть при затвердевании объём галлия увеличивается. Это свойство является весьма редким, его проявляют лишь немногие простые вещества и соединения (в частности, вода, кремний, германий, сурьма, висмут и плутоний). Кипит галлий при 2204 °C. Одной из особенностей галлия является широкий температурный интервал существования жидкого состояния (от 30 и до 2204 °C).

1.2. Нахождение галлия в природе

Среднее содержание галлия в земной коре — 19 г/т. Галлий — типичный рассеянный элемент, обладающий двойной геохимической природой. Выделяются следующие минералы с повышенным содержанием галлия: сфалерит, магнетит, касситерит, гранат, берилл, турмалин, сподумен, флогопит, биотит, мусковит, серицит, лепидолит, хлорит, полевые шпаты, нефелин, гекманит, натролит. Концентрация галлия в морской воде 3⋅10⁻⁵ мг/л.

Месторождения галлия известны в Юго-Западной Африке, России, странах СНГ.

В природе галлий встречается редко, но мы можем сами вырастить кристаллы из этого металла.

1.3. Способы получения галлия

• Для получения металлического галлия чаще используют редкий минерал галлит CuGaS₂ (смешанный сульфид меди и галлия).

• Значительно бо́льшие его количества (до 1,5 %) были обнаружены в золе некоторых каменных углей.

• Однако основным источником получения галлия служат растворы глинозёмного производства при переработке боксита (обычно содержащие незначительные его примеси (до 0,1 %)) и нефелина.

• Галлий также можно получить с помощью переработки полиметаллических руд, угля.

• Галлий является побочным продуктом в производстве алюминия. В 2024 году в Сибирском федеральном университете (СФУ) был предложен метод получения галлия из отходов производства алюминия

Извлечение галлия - «удовольствие» дорогое. Поэтому элемент №31 используется в меньших количествах, чем любой его сосед по периодической системе

1.4. Применение галлия в индустрии

Галлий может использоваться как смазочный материал и как покрытие зеркал специального назначения. Помимо этого, известно, что галлий применяется в производстве электроламп, создании сигнальных систем при пожаре и предохранителей. Также галлий можно встретить в оптических приборах, он нужен для улучшения точности.

На основе галлия и никеля, галлия и скандия созданы важные в практическом плане металлические клеи. Металлическим галлием также заполняют кварцевые термометры (вместо ртути) для измерения высоких температур. Это связано с тем, что галлий имеет значительно более высокую температуру кипения по сравнению со ртутью. Галлий-плутониевый сплав используется в плутониевых ядерных бомбах для стабилизации кристаллической структуры плутония. В частности, бомба «Толстяк», сброшенная на Нагасаки, содержала плутоний, стабилизированный галлием. Арсенит галлия GaAs активно используется в сверхвысокочастотной электронике для создания высокочастотных транзисторов, а также в некоторых светодиодах, в том числе лазерных.

В медицине галлий используется для торможения потери костной массы у онкологических больных и для быстрой остановки кровотечения из глубоких ран, не вызывая образование тромбов. Также галлий является мощным антибактериальным средством и ускоряет заживление ран.

2. Практическая часть. Этапы реализации работы

Наш эксперимент – изучить физические и химические свойства галлия, вырастить ромбический кристалл металла галлия, наблюдая за его ростом в зависимости от разных условий протекания процесса кристаллизации.

Этап I. Выбор и подготовка лабораторного оборудования и химической посуды для работы.

Оборудование:

• пробирки, химический стакан, шпатель, фарфоровая чашка для выпаривания, штатив для пробирок, пинцет. (Приложение 1, фото 1).

Этап II. Изучение физических свойств галлия.

План работы: ознакомление с образцом галлия. (Приложение 1, фото 2)

Цель – изучить физические свойства вещества.

Таблица 2. Исследование физических свойств галлия

Изучение других свойств галлия отражено в таблице 3 «Исследование свойств галлия».

Таблица 3. Исследование свойств галлия

У галлия малый коэффициент поверхностного натяжения и поэтому он очень пачкает поверхности и его используют в изготовлении зеркал.

Этап III. Изучение химических свойств галлия

Практический опыт 1. Взаимодействие галлия с кислотами

Цель опыта: определить взаимодействие галлия с кислотами.

Сырье: кусочки твердого галлия, серная кислота разбавленная

Ход работы:

В пробирку кладем кусочек галлия и добавляем раствор серной кислоты 30 %. В результате реакции началось выделение пузырьков газа - водорода. Реакция происходит не сразу, спустя сутки. На 3-й день эксперимента металл начал растворяться. Полная реакция протекает в течение семи дней. Реакция протекает при нормальных условиях.Уравнение реакции взаимодействия галлия и серной кислоты: 2Ga + 3H₂SO₄ → Ga₂(SO₄)₃ + 3H₂

В результате реакции образуются сульфат галлия (III) и водород. (Приложение 1, фото 6.)

Практический опыт 2. Взаимодействие галлия со щелочами

Цель опыта: рассмотреть взаимодействие галлия со щелочью.

Ход работы: в пробирку опустили кусочек твердого галлия и добавили гидроксид натрия. Исследование химической реакцииотражено в таблице 5 «Наблюдение за процессом растворения».

Таблица 5. Наблюдение за процессом растворения

Галлий – металл, который обладает еще одним интересным свойством – он может создавать амальгамы с другими металлами, в частности с алюминием. Для подтверждения этого свойства проведем несколько опытов.

Практический опыт 3. Взаимодействие галлия с алюминием.

Цель опыта: исследовать взаимодействие галлия и алюминия

Ход эксперимента: использовали алюминиевую пластину радиатора и расплавленный галлий. На пластину алюминия была нанесена капля расплавленного галлия. Для более активного и скорого взаимодействия алюминий поцарапали ножом. Через два дня наблюдали результат химической реакции. При амальгамировании галлий проникает в кристаллическую решетку алюминия, тем самым разрушая его изнутри. При этом алюминий становится хрупким, как стекло и легко ломается в руках. (Приложение 1, фото 7)

Практический опыт 4. Взаимодействие галлия с алюминием с получением водорода.

Цель опыта: получение амальгамы галлия и алюминия.

Ход работы: кусочки алюминиевой фольги положили в фарфоровую чашку для выпаривания. В чашку добавили несколько капель расплавленного галлия. С помощью шпателя начал размешивать содержимое чашечки. Со временем заметили, что галлий с алюминием начинают постепенно сплавляться, происходит процесс амальгамирования. В результате получилась однородная масса, состоящая из алюминия и галлия. (Приложение 1, фото 8). В данном эксперименте мы убедились, что галлий растворяет алюминий, т.е. образует с ним амальгаму.

Мы знаем, что галлий не взаимодействует с водой, алюминий тоже не взаимодействует с водой. Однако при амальгамировании алюминия и галлия, галлий препятствует образованию защитной оксидной пленки на поверхности алюминия. Если смесь алюминия и галлия поместить в воду, то начнется реакция с выделением водорода. Алюминий будет активно взаимодействовать с водой, образуя водород и оксид алюминия: Al₂O₃ + H₂. При этом, галлий сохраняет свои свойства и после реакции его можно собрать. (Приложение 1, фото 8)

Исследование химической реакции отражено в таблице 6 «Наблюдение за процессом амальгамирования»

Этап IV. Выращивание кристаллов из галлия

Пусть: образец № 1 –кристалл-1; образец № 2 –кристалл-2.

Для проведения эксперимента расплавил галлий в 2-х фарфоровых чашках. По одному твердому кусочку затравки металла поместил в обе чашки. Образец №1 оставил при комнатной температуре в течение 5 минут. Образец №2 – чашечку с расплавленным галлием - поместил на 1 минуту в морозильную камеру.

Результат замера образцов сведен в таблицу 7 «Наблюдение за ростом кристаллов».

Таблица 7. Наблюдение за ростом кристаллов

Вывод: В ходе наблюдений замечено, что кристаллизация начинается при понижении температуры расплава. При этом практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов. Кристаллизация начинается у стенок и дна чашечки, а затем распространяется на помещенный в расплав металл-затравку, который растет, увеличиваясь в размерах. За несколько минут может вырасти крупный кристалл, все зависит от степени охлаждения раствора. При комнатной температуре кристаллизация происходит очень слабо. (Приложение 1, фото 9)

Выводы

1. Галлий - мягкий металл с температурой плавления +28 ⁰С, легко плавится в руке. Очень пачкает поверхности, оставляя серые следы.

2. При взаимодействии с водой при нормальных условиях реакции не дает, в горячей воде легко плавится.

3. Мы выяснили, галлий имеет малый коэффициент поверхностного натяжения, поэтому он легко покрывает поверхности.

4. При помощи химических опытов удалось доказать, что галлий взаимодействует с серной кислотой. При взаимодействии с кислотой выделяется газ водород.

5. Галлий также взаимодействует со щелочью (гидроксид натрия) также выделяя водород.

6. В ходе работы опыты, которые показывают взаимодействие галлия с другими веществами. В данном случае были проведены опыты, демонстрирующие процесс амальгамирования. Для опыта был использован алюминий, металл, схожий по свойствам с галлием. При взаимодействии галлия с алюминием происходил процесс амальгамирования в результате которого алюминий становился хрупким и ломким.

7. Еще один опыт взаимодействия галлия и алюминия был проведен для более широкого изучения свойств галлия. Галлий смешали с алюминиевой фольгой, чтобы процесс амальгамирования произошел быстро. Полученную однородную массу смешали с водой. В результате опыта мы наблюдали очень активное выделение водорода. Алюминий прореагировал с водой, а галлий остался в неизменном виде.

8. Мы провели интересный опыт по получению кристаллов из галлия. Оказалось, что кристаллы из металла можно вырастить гораздо быстрее, чем из соли. Кристаллы из металла растут прямо на глазах! Самое главное - галлий расплавить и быстро охладить до минусовой температуры. Проведенный практикум показал, что кристаллы растут по-разному в определенных условиях.

Список литературы

1. Габриелян О.С. Химия. 8 класс: учеб. для общеобразоват.организаций/О.С.Габриелян, И.Г.Остроумов, С.А.Сладков – М.: Просвещение, 2024 – 175 с.- ISBN 978-5-09-077949-4

2. Журин А.А., Зазнобина Л.С. Начала химического эксперимента: Практические занятия по химии. 8-й класс сред.общеобразоват. школы./А.А.Журин, Л.С.Зазнобина –М.: Школьная Пресса, 2001 – 128 с. – ISBN 5-88527-176-3

3. Лаврова С.А. Занимательная химия/С.А.Лаврова –ПИК «Идеал-Пресс», 2016-127с. – ISBN 978-5-3590-1066-5

Приложения

Приложение 1