1. Zielsetzung
Als erster Versuch soll das Verhalten des Metalls Gallium beim Übergang vom festen in den flüssigen Zustand und wieder zurück untersucht werden. Dabei steht insbesondere die Volumenänderung während des Schmelzens und Erstarrens im Mittelpunkt. Ziel ist es festzustellen, ob sich Gallium beim Schmelzen ausdehnt oder zusammenzieht, und herauszufinden, wie diese Veränderung am deutlichsten sichtbar gemacht werden kann.
2. Versuchsaufbau
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Benötigte Materialien:
- Gallium (Metall, fest bei Raumtemperatur) – zum Produkt
- Zwei unterschiedliche und offene Reagenzgläser (eines mit ca. 5 mm Innendurchmesser und eines mit ca. 9 mm Innendurchmesser)
- Ein wasserfester Stift
- Pipette oder kleiner Löffel (zum Dosieren des flüssigen Galliums) – zum Produkt
- Schutzhandschuhe – zum Produkt
- Schutzbrille – zum Produkt
Durchführung:
Das Gallium wird zuvor abgewogen und in einem warmen Wasserbad bei 40°C geschmolzen dann gleichmäßig auf zwei unterschiedliche und offene Reagenzgläser verteilt. Anschließend wird in beiden Reagenzgläsern mit einem wasserfesten Stift die Höhe des flüssigen Galliums markiert.Die Gefäße dürfen nicht verschlossen werden, da sich Gallium beim Erstarren leicht ausdehnt und ein luftdichtes Gefäß dadurch beschädigt oder sogar zum Bersten gebracht werden könnte.Um den Erstarrungsprozess zuverlässig auszulösen, wird beim Abkühlen ein kleiner fester Gallium-Keim (z. B. ein vorher erstarrtes Stück Gallium) hinzugegeben. Danach werden die Reagenzgläser in einen kühlen Raum oder in einen Kühlschrank gestellt, bis das Gallium vollständig erstarrt ist.
Nach der Erstarrung wird erneut die Füllhöhe markiert und mit der Markierung im flüssigen Zustand verglichen. Auf diese Weise lässt sich deutlich erkennen, ob sich Gallium beim Gefrieren ausdehnt oder zusammenzieht, und wie stark dieser Effekt in unterschiedlich breiten Gefäßen sichtbar wird.
3. Ergebnisse
Beim Erwärmen beginnt Gallium bereits knapp oberhalb der Raumtemperatur zu schmelzen. In flüssiger Form ist es silbrig glänzend und erinnert optisch an Quecksilber, jedoch ohne dessen starke Giftigkeit.
Beim anschließenden Abkühlen bilden sich silberne, metallisch glänzende Kristalle, und das Metall nimmt sichtbar an Volumen zu. In einem offenen Reagenzglas kann man beobachten, wie der erstarrende Galliumblock leicht nach oben drückt und die Oberfläche verzieht.
In unserem Versuch stieg der Pegel beim Erstarren um ungefähr ca. 3,3 mm im 5 mm-Reagenzglas und ca. 1,0 mm im 9 mm-Reagenzglas.
Dieser Unterschied entsteht, weil bei gleichem Volumen die Höhenänderung in einem schmalen Gefäß deutlich größer sichtbar wird als in einem breiten.
Würde Gallium dagegen in einem verschlossenen Glasröhrchen erstarren, könnte der entstehende Druck so hoch werden, dass das Glas reißt oder sogar springt. Deshalb dürfen Gallium-Proben niemals luftdicht beim Abkühlen eingeschlossen werden.
4. Schlussfolgerung
Der Versuch zeigt eindrucksvoll, dass Gallium ein Metall mit ungewöhnlichen physikalischen Eigenschaften ist.
Im Gegensatz zu den meisten Metallen vergrößert es sein Volumen beim Erstarren, was auf eine besondere Kristallstruktur zurückzuführen ist.
Diese Eigenschaft macht Gallium zu einem faszinierenden Anschauungsmaterial für den Phasenübergang zwischen fest und flüssig, gleichzeitig erfordert sie vorsichtigen Umgang, da das Metall beim Erstarren in geschlossenen Gefäßen Druck aufbauen und Glas zerstören kann.
Gallium ist wenig flüchtig und nicht hochgiftig, kann jedoch Haut und Kleidung verfärben.
Kontakt mit Aluminium vermeiden! Gallium kann Legierungen mit Aluminium bilden und das Material beschädigen.
Nicht in den Abfluss schütten! Gallium ist recycelbar – Reste in einer verschließbaren Schale sammeln und an eine geeignete Rücknahmestelle oder das Labor zurückgeben.
Sicherheitshinweise
Keine offene Flamme oder starke Hitze verwenden – das Wasserbad reicht zum Schmelzen aus.
Schutzbrille und Handschuhe tragen.
Bei Hautkontakt sofort mit Wasser und Seife abwaschen.
In gut belüfteter Umgebung arbeiten.
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