Gali là kim loại có nhiệt độ nóng chảy khoảng 29,8 °C, thấp hơn thân nhiệt người, nên một miếng gali rắn đặt trong lòng bàn tay sẽ từ từ chảy thành giọt bạc lấp lánh. Khác với thuỷ ngân, gali ít độc hơn nhiều, nhưng nó vẫn không phải đồ chơi: nó làm bẩn da, phá hỏng nhôm khi tiếp xúc, và không được nuốt. Ngoài vẻ kỳ lạ, gali là nguyên liệu chính của đèn LED xanh, chip tần số cao và pin mặt trời hiệu suất cao.
Một kim loại "sai nhiệt độ"
Phần lớn kim loại quen thuộc nóng chảy ở hàng trăm đến hàng nghìn độ. Thiếc khoảng 232 °C, nhôm khoảng 660 °C, sắt khoảng 1.538 °C. Chỉ có vài kim loại nóng chảy gần nhiệt độ phòng: thuỷ ngân lỏng ngay ở nhiệt độ thường, xêsi và gali nóng chảy dưới 30 °C. Trong số đó, gali là thứ duy nhất đủ an toàn để người ta cầm trên tay trong các buổi trình diễn khoa học.
Khi rắn, gali có màu xám bạc, hơi xanh, cứng nhưng giòn, có thể bẻ ra thành mảnh với mặt vỡ óng ánh. Đặt lên lòng bàn tay, sau một lúc các mép mềm dần rồi chảy ra. Ở trạng thái lỏng, nó trông giống thuỷ ngân nhưng không lăn tròn gọn gàng như thuỷ ngân mà có xu hướng bám dính, loang ra trên bề mặt.
Một điều lạ nữa: gali lỏng có thể giữ trạng thái lỏng ở dưới nhiệt độ nóng chảy của nó khá lâu, gọi là hiện tượng chậm đông. Bạn có thể để một giọt gali đã chảy trong phòng mát mà nó vẫn chưa chịu đông, cho tới khi được chạm vào một mẩu gali rắn hay rung động làm "mồi". Ngược lại, khoảng nhiệt độ lỏng của gali rất rộng: nó chỉ sôi ở khoảng 2.400 °C.
Nguyên tố Mendeleev đoán trước
Câu chuyện phát hiện gali là một trong những khoảnh khắc đẹp nhất của hoá học. Năm 1871, khi xây dựng bảng tuần hoàn, Dmitri Mendeleev để trống một số ô và dự đoán tính chất của các nguyên tố chưa ai tìm thấy. Một trong số đó ông gọi là "eka-nhôm", nằm dưới nhôm trong bảng, và đưa ra ước tính về khối lượng nguyên tử, khối lượng riêng, cách nó tạo hợp chất.
Năm 1875, nhà hoá học Pháp Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran phân tích quặng kẽm bằng quang phổ và thấy hai vạch tím lạ chưa từng được ghi nhận. Ông tách được nguyên tố mới và đặt tên là gallium, theo tên Latin của nước Pháp, Gallia.
Lecoq đo khối lượng riêng của gali được khoảng 4,7 g/cm³. Mendeleev viết thư cho rằng con số ấy chưa đúng và phải gần 5,9 như dự đoán của ông, có lẽ mẫu chưa đủ tinh khiết. Lecoq làm sạch mẫu và đo lại, được khoảng 5,9. Một nhà lý thuyết chưa từng thấy nguyên tố lại sửa được phép đo của người tìm ra nó. Sự kiện này góp phần lớn giúp giới khoa học tin vào bảng tuần hoàn.
Giãn ra khi đông lại, giống như nước
Hầu hết chất co lại khi đông đặc. Gali thì ngược lại: khi chuyển từ lỏng sang rắn, thể tích tăng khoảng 3%. Nước cũng có tính chất hiếm hoi này, đó là lý do nước đá nổi.
Hệ quả thực tế: không bao giờ đổ đầy gali lỏng vào lọ thuỷ tinh cứng rồi để nó đông lại. Khi giãn ra, gali có thể làm nứt vỡ lọ. Người bán gali thường đựng trong lọ nhựa mềm hoặc túi để có chỗ giãn nở.
Kẻ thù của nhôm
Đây là tính chất cần biết nhất nếu bạn định mua gali về xem. Nhôm tự bảo vệ bằng một lớp oxit mỏng trên bề mặt. Gali lỏng có khả năng len qua lớp oxit, thấm vào ranh giới giữa các hạt tinh thể nhôm và làm các hạt mất liên kết với nhau. Một tấm nhôm dính gali có thể trở nên giòn như bánh quy, bẻ nhẹ là gãy, hoặc bị ăn mòn nhanh khi gặp hơi ẩm. Giới vật liệu gọi hiện tượng này là giòn hoá do kim loại lỏng.
Trên mạng có nhiều video thả gali lên lon nhôm hay thanh nhôm để xem nó gãy vụn. Đó là minh hoạ đúng, nhưng cũng là lời cảnh báo:
- Giữ gali xa mọi đồ nhôm: vỏ máy tính xách tay, vỏ điện thoại, khung xe đạp, nồi chảo nhôm, khung cửa, thang nhôm.
- Không làm thí nghiệm này với đồ còn dùng, nhất là đồ chịu lực như thang, khung xe. Một chi tiết nhôm bị gali ngấm có thể gãy bất ngờ.
- Gali bị hạn chế khi đi máy bay. Theo quy định vận chuyển hàng nguy hiểm, gali được xếp vào nhóm chất ăn mòn vì chính khả năng phá hỏng nhôm, vật liệu chính của thân máy bay. Không mang gali trong hành lý nếu chưa kiểm tra quy định của hãng.
Cầm gali an toàn: những điều phải làm
So với thuỷ ngân, gali kim loại được coi là ít độc hơn nhiều và không bay hơi đáng kể ở nhiệt độ thường. Nhưng "ít độc hơn" không có nghĩa là vô hại, và hiểu biết về tác động lâu dài của nó lên cơ thể chưa đầy đủ như với các kim loại phổ biến. Nguyên tắc đơn giản:
- Không nuốt, không ngậm, không để gần thức ăn. Không dùng thìa, cốc ăn uống để đựng hay khuấy gali.
- Đeo găng tay nitrile nếu cầm lâu. Gali để lại vết xám đen trên da khó rửa vì nó bám vào da và các lớp oxit.
- Rửa tay kỹ bằng xà phòng ngay sau khi chạm. Không đưa tay lên mắt, miệng trong lúc cầm.
- Trẻ em chỉ xem dưới sự giám sát của người lớn, không để trẻ tự chơi hay cất gali trong phòng trẻ.
- Không đun nóng gali ở nhà. Không có lý do gì cần làm vậy.
- Cất trong lọ nhựa kín, dán nhãn rõ, để xa đồ nhôm và xa tầm tay trẻ.
- Nếu lỡ nuốt hoặc dính vào mắt, rửa sạch và liên hệ cơ sở y tế, mang theo nhãn sản phẩm.
Khi gali dính lên vải, kính, giấy, nó để lại vệt xám rất khó làm sạch. Làm thí nghiệm trên khay nhựa có lót giấy để dễ dọn.
Gali làm việc thầm lặng trong thiết bị của bạn
Vẻ kỳ lạ khi tan trên tay chỉ là phần nổi. Phần lớn gali trên thế giới được dùng dưới dạng hợp chất bán dẫn:
| Dạng | Ứng dụng | Ghi chú |
|---|---|---|
| Gali nitrua (GaN) | Đèn LED xanh lam và trắng, bộ sạc nhanh nhỏ gọn | LED xanh lam hiệu suất cao mang lại giải Nobel Vật lý 2014 cho Akasaki, Amano và Nakamura |
| Gali arsenua (GaAs) | Chip tần số cao trong điện thoại, pin mặt trời trên vệ tinh | Electron di chuyển nhanh hơn trong silic |
| Hợp kim Galinstan | Thay thuỷ ngân trong một số nhiệt kế y tế | Gali – indi – thiếc, lỏng ở nhiệt độ thấp hơn 0 °C nhiều |
| Kim loại lỏng gốc gali | Mạch điện co giãn, keo tản nhiệt cho chip | Đang được nghiên cứu nhiều cho thiết bị đeo và robot mềm |
Gali hầu như không được khai thác riêng. Nó chủ yếu được thu hồi như sản phẩm phụ khi tinh luyện bô xít thành nhôm oxit, và một phần từ quặng kẽm. Lượng gali trong mỗi tấn quặng rất nhỏ.
Góc nhìn hôm nay: thứ gì làm một kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp
Gali nóng chảy thấp vì cấu trúc tinh thể của nó khác thường. Thay vì xếp chặt như phần lớn kim loại, các nguyên tử gali trong tinh thể rắn có xu hướng ghép thành từng cặp, giữa các cặp liên kết yếu hơn. Chỉ cần một chút nhiệt là các cặp này trượt khỏi nhau và kim loại hoá lỏng. Đây là ví dụ cho thấy cách các nguyên tử sắp xếp quan trọng không kém bản thân nguyên tử.
Câu chuyện Mendeleev và Lecoq cũng đáng nhớ: một dự đoán lý thuyết đủ cụ thể để có thể sai, và một phép đo đủ cẩn thận để kiểm lại. Khoa học tiến lên khi hai thứ đó gặp nhau.
Nếu muốn tự xem gali tan, hãy mua lượng nhỏ từ nơi bán dụng cụ thí nghiệm có nhãn và hướng dẫn an toàn, làm trên khay nhựa, đeo găng, để xa đồ nhôm, và rửa tay sau đó. Một mẩu vài gram là đủ để thấy điều kỳ lạ mà không gây phiền phức.
Câu hỏi thường gặp
Gali nóng chảy ở bao nhiêu độ?
Gali nóng chảy ở khoảng 29,8 °C, thấp hơn thân nhiệt người khoảng 37 °C. Vì vậy một miếng gali rắn đặt trong lòng bàn tay sẽ từ từ chảy lỏng.
Gali có độc không?
Gali kim loại được coi là ít độc hơn nhiều so với thuỷ ngân và không bay hơi đáng kể ở nhiệt độ thường. Tuy vậy không được nuốt, không để gần thức ăn, nên đeo găng và rửa tay kỹ sau khi chạm.
Vì sao gali phá hỏng nhôm?
Gali lỏng len qua lớp oxit bảo vệ của nhôm, thấm vào ranh giới giữa các hạt tinh thể và làm chúng mất liên kết. Nhôm trở nên giòn, dễ gãy và bị ăn mòn nhanh, nên phải giữ gali xa mọi đồ nhôm.
Ai phát hiện ra gali?
Nhà hoá học Pháp Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran phát hiện gali năm 1875 bằng phân tích quang phổ. Trước đó, năm 1871, Mendeleev đã dự đoán nguyên tố này với tên eka-nhôm.
Gali khác thuỷ ngân thế nào?
Thuỷ ngân lỏng ở nhiệt độ phòng, bay hơi và hơi của nó rất độc. Gali rắn ở nhiệt độ phòng, chỉ lỏng khi trên khoảng 29,8 °C, ít độc hơn nhiều, nhưng bám dính và làm bẩn bề mặt.
Có được mang gali lên máy bay không?
Gali bị xếp vào nhóm hàng nguy hiểm ăn mòn trong quy định vận chuyển hàng không vì nó có thể phá hỏng nhôm của thân máy bay. Không nên mang gali trong hành lý nếu chưa kiểm tra quy định của hãng bay.
