金属能腐蚀金属吗?这是什么奇怪的景象,但是别吃惊,还真的有可以“腐蚀”金属的金属,它就是镓。
金属的冶炼
如果发现一块铝皮皱了,可以打点金属镓,这样铝皮不仅展开了,还变得吹弹可破。这是可以说的吗?可以可以,让我们来认识认识金属界的神奇成员。认识它之前,我们需要了解清楚:
金属镓是什么元素?它为何能“腐蚀”金属?它和酸反应又能发生怎样的事情?未来金属镓会发挥怎样的作用?
金属镓
金属镓到底有多神奇?直接瓦解可乐罐,那么它和硫酸混合又会发生什么呢?
柔软的金属金属镓是元素周期表里面的第31号元素,属于ⅢA族,也就是第三主族,是常见金属铝的同门。然而镓的发现充满了戏剧性,它是先理论认为存在,之后再发现的。
镓元素的“户籍”
门捷列夫发现了元素之间的规律,进而绘制出了世界上第一张元素周期表,人们根据铝的特性,认为存在一种和它比较接近,但核外电子数多一层的金属。1875年,法国化学家布瓦博得朗发现了金属镓,填补了这个空位。这个感觉就好比,我们假设有外星人存在,然后真的找到外星人了。
元素周期表
金属镓的熔点很低,只有29.76摄氏度,只要稍微热一点的环境,它就会变成像汞一样的液态金属。所以人对于金属镓来说太热了,把它捧在心上就化了。固态时候的金属镓是淡蓝色,变为液态之后为银白色。镓只能通过肠道被人体吸收,所以液态金属镓可以放在无伤的手上。
液态金属镓在手上
只不过镓具有很强的附着性,可能会残留在桌面、手套或者皮肤上,留下黑色的痕迹。镓以及它的化合物有微弱的毒性,一般来讲不会危及生命,不过在使用的过程中还是需要注意。
和铝一样,金属镓既能和酸反应,又能和碱反应,二者都会产生氢气。不过,本是同根生相煎何太急,镓除了这些特性,还能够“腐蚀”金属。
液态金属镓
“腐蚀”金属将液态的金属镓滴在铝制的易拉罐上,没多久,接触到镓的铝皮就开始变薄,只要轻轻一戳,就破了。
不仅是铝,其他金属,比如铁、铜、锌等,也会被金属镓“腐蚀”,一把锁滴上金属镓,几个小时后就能被掰开。然而,这并不是金属镓真的具有酸性可以腐蚀,它可以很乖地放在人的手上。这种“腐蚀”与金属镓内部的结构有关。
金属镓的“腐蚀性”
我们看到的固体,其实也是通过能量维持的一种形态,这个过程中需要固体内聚能。固体是原子组合而来的,每个原子需要释放能量让大家团结起来,能量越多这个固体就越难融化,熔点越高。很多金属内的原子都是非常团结的,它们之间形成金属键,并且形成非常严密的晶胞结构。
金属晶体的结构形式
但是镓不走寻常路,它的原子之间竟然做出了一个违背祖宗的决定,形成了共价键!这叛逆的行为让金属镓的熔点非常低,并且还热缩冷涨,成为了金属界不一样的烟火。于是很多金属“看不起”金属镓,嘲笑它是一个软骨头。金属镓表示,要让你们高攀不起,硬有什么了不起,没听说过以柔克刚吗?
金属镓的晶体结构
金属晶体内的原子都有序地排列好了,这导致每个原子之间都有缝隙,当液态的镓加入之后,无组织无纪律的镓原子就会“见缝插针”。镓:“我不是来加入这个家的,我就是来拆散它的!”于是就和铝原子形成了铝-镓键,这种键介于铝-铝键和镓-镓键之间,说它硬吧,它很松散;说它软吧,它倒不会成为液态,所以像米汤上面那层糊糊。
把液态镓滴在可乐罐上
原本的铝皮,一下子就软了,因为它被镓原子由内而外的“瓦解”了队形,再也不是曾经严密的组织了,其他金属原子碰见了镓原子也会发生同样的事情。本质上,不是金属镓腐蚀了金属,而是它破坏了原本的金属键,与它们形成了新的化学键,改变了金属晶体的结构。
被“腐蚀”的铝制易拉罐
那么这么叛逆的镓,遇到酸会怎样呢?
硫酸中的“心跳”一般的金属丢进稀硫酸中,金属与酸反应生成氢气,我们可以看到金属瞬间被气泡包围。但是金属镓不一样,它与酸同样会生成氢气,但是生成的过程就要和别的金属不一样。
硫酸和金属发生反应
将固态的金属镓放入稀硫酸中,它先是和其它金属一样开始吐泡泡,不一会,它就变为了液态。此时,液滴状的金属镓在硫酸中跳动,仿佛一颗心脏,展现心跳的证明。如果这个时候伸入一根铁丝,那么“心跳”就会加速,可能是金属镓小鹿乱撞。
实验室使用的硫酸
金属镓在硫酸中的“心跳”来源于液态镓表面与气泡之间的表面张力。金属和酸的反应会放热,这些热量先把固态的金属镓融化了,液态的金属镓与硫酸里的水分子、氢气以及空气形成了表面张力,因此出现了跳动。
加入铁丝后,相当于搅拌了稀硫酸,因此表面张力增加,“心跳”加速。如果反应的时间足够长,硫酸的量足够多,金属镓也会逐渐被消耗完,最后连“心脏”都没有了。
表面张力
而且金属镓不仅能和酸反应,还能和碱反应,同样生成氢气,这一点很符合它们第三主族的特性,酸碱不忌,黑白通吃。
那么这么神奇的金属镓,我们应该怎样得到呢?金属镓在地球上的含量远比铝少,在地壳中占总量的0.0015%。每年全球也就开采20来吨,这点量比不上开采一次铝矿的零头。镓和其化合物主要存在于铝土矿或闪锌矿中,需要经过一系列的提炼才能得到。
铝土矿
镓的价格也远超铝、铁等金属,你看到的液态镓在稀硫酸里跳动,那都是燃烧的money。这么贵的金属镓都有哪些作用呢?
金属镓的作用金属镓在30度以上的环境是液态,因此和汞一样,它被用于制作高温温度计和高压温度计。比起液态汞,液态镓的稳定范围相当的高,毒性还没有汞高,是一种比较安全的材料。
高温温度计
镓的化合物还是目前半导体的原材料之一,用于电子产品,比如氮化镓、砷化镓、磷化镓。在医疗方面,镓极其同位素对治疗恶性肿瘤有着一定的作用,以后可能成为抗癌急先锋。当然,它还有一种比较科幻的前景,那就是如科幻电影中的表现的那样,能随便改变自身的形状,然后再重新塑性。
半导体材料
比如,我们需要经过一个狭窄的地方才能达到目的地,如天坑内部,地下洞穴等,这个时候如果用金属镓制作一个机器人,可以先给它加温,让它成为液态,这样就能通过狭窄的地带。之后再降低温度,恢复到原来的固态,继续探索。
虽然这个想法很酷,但是,考虑到镓捉急的含量和目前的开采技术,恐怕很长一段时间,这种情况都存在于科幻作品中。目前只有少数的几个国家能开采并提炼出比较纯的金属镓。
科幻电影中的液体人
并且金属镓的保存也要格外注意,它会浸润玻璃,所以不能保存在玻璃制品中,一般保存在塑料容器中。
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