鎵(Gallium)是(shi)灰藍色(se)或銀白(bai)色(se)的(de)金屬,元素符(fu)號Ga,原(yuan)子量69.723。鎵的(de)熔點很低,但沸(fei)點很高。純(chun)液(ye)態鎵有顯著的(de)過冷的(de)趨勢(shi),在空氣中(zhong)易氧(yang)化(hua),形成氧(yang)化(hua)膜。
淡藍色金屬,在29.76℃時(shi)變為銀白(bai)色液體。液態鎵很容(rong)易過冷(即冷卻(que)至0℃而不(bu)固(gu)化)。鎵能浸潤玻璃(li),故不(bu)宜(yi)使用玻璃(li)容(rong)器存放。
受熱至熔點(dian)時變為(wei)液(ye)體(ti),再冷卻至0℃而不固(gu)化(hua),由液(ye)體(ti)轉變為(wei)固(gu)體(ti)時,其體(ti)積約增大3.2%。常(chang)溫時鎵在干燥空氣(qi)中穩定。
純鎵是銀白色的(de)(de),可以浸潤玻璃,沸點很高,在(zai)大(da)約1500℃時有很低的(de)(de)蒸汽(qi)壓。
硬度 1.5~2.5
溶解性(xing) 微(wei)溶于汞(gong),形成鎵汞(gong)齊(qi)
熔點(dian) 29.76℃
沸點 2403℃
密度 5.904g/cm3
電子(zi)排布(bu)[Ar]3d104s24p1,位于第四(si)周期第ⅢA族(zu)。
在潮濕空氣中(zhong)氧化,加熱(re)至500℃時著火。室溫時跟(gen)水反應(ying)緩慢,跟(gen)沸(fei)水反應(ying)劇烈生(sheng)成氫(qing)氧化鎵放出氫(qing)氣。加熱(re)時溶于無機酸或苛(ke)性(xing)堿溶液(ye)。能跟(gen)鹵素、硫、磷、砷(shen)、銻等反應(ying)。
鎵在干燥空氣中(zhong)較穩定并生(sheng)成(cheng)氧(yang)化(hua)(hua)物薄膜阻止(zhi)繼續(xu)氧(yang)化(hua)(hua),在潮濕空氣中(zhong)失去(qu)光(guang)澤。與(yu)(yu)堿反應放出氫氣,生(sheng)成(cheng)鎵酸(suan)(suan)(suan)鹽(yan)。能(neng)被(bei)冷(leng)濃鹽(yan)酸(suan)(suan)(suan)浸蝕,對(dui)熱(re)硝酸(suan)(suan)(suan)顯鈍性(xing),高(gao)溫(wen)時(shi)能(neng)與(yu)(yu)多(duo)數非金(jin)屬(shu)反應;溶于(yu)酸(suan)(suan)(suan)和(he)(he)(he)(he)堿中(zhong),鎵在化(hua)(hua)學反應中(zhong)存(cun)在+1、+2和(he)(he)(he)(he)+3化(hua)(hua)合(he)價(jia),其中(zhong)+3為其主要(yao)化(hua)(hua)合(he)價(jia)。鎵的(de)(de)活動性(xing)與(yu)(yu)鋅相似(si),卻(que)比(bi)(bi)鋁低(di)。鎵是(shi)兩性(xing)金(jin)屬(shu),既能(neng)溶于(yu)酸(suan)(suan)(suan)(產生(sheng)Ga3+)也能(neng)溶于(yu)堿。鎵在常溫(wen)下,表面產生(sheng)致密(mi)的(de)(de)氧(yang)化(hua)(hua)膜阻止(zhi)進一步氧(yang)化(hua)(hua)。加(jia)熱(re)時(shi)和(he)(he)(he)(he)鹵素、硫迅速反應,和(he)(he)(he)(he)硫的(de)(de)反應按計量(liang)比(bi)(bi)不(bu)同(tong)(tong)產生(sheng)不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)硫化(hua)(hua)物。
生(sheng)(sheng)理(li)學:還沒有(you)發現鎵有(you)生(sheng)(sheng)理(li)微量元素的功能。和鋁一樣(yang),它只(zhi)通過(guo)腸道很微量的吸收。可以利用三氧化二鎵在老鼠、家(jia)鼠、狗肺部沉積(ji)的數據。
皮下注(zhu)射鎵(jia)(jia)后,鎵(jia)(jia)在組(zu)織(zhi)中(zhong)的(de)分(fen)布模(mo)式是(shi)定時的(de),這和靜脈注(zhu)射很相(xiang)似。鎵(jia)(jia)在組(zu)織(zhi)中(zhong)的(de)分(fen)布模(mo)式取決(jue)于攝入(ru)鎵(jia)(jia)的(de)劑量(liang)。主要(yao)的(de)排(pai)泄渠(qu)道是(shi)尿液。癌癥患者對鎵(jia)(jia)的(de)清(qing)理分(fen)為(wei)兩階段,半(ban)衰(shuai)期分(fen)別(bie)為(wei)87分(fen)鐘和24.5小(xiao)時。
鎵(jia)的(de)(de)毒性是和(he)生物(wu)的(de)(de)種類(lei)相關的(de)(de)。在(zai)服(fu)用(yong)濃度高于750mg/kg時才會表現出對(dui)人腎臟(zang)的(de)(de)毒性。對(dui)老(lao)鼠的(de)(de)實驗(yan)表明,鎵(jia)會導(dao)致鎵(jia),鈣和(he)磷(lin)酸鹽在(zai)腎中的(de)(de)沉積,這會堵塞腎腔。
分析(xi)化(hua)學:Dymov和Savostin曾對鎵的(de)分析(xi)化(hua)學作了(le)全(quan)面的(de)回顧。由于(yu)鎵在(zai)環(huan)境中的(de)濃(nong)度很低,靈敏度是選擇探(tan)測(ce)(ce)方法時的(de)主要問(wen)題。由于(yu)這個原因,最(zui)常用(yong)熒(ying)光計和中子活化(hua)法。可以在(zai)測(ce)(ce)量(liang)前對樣(yang)品進行(xing)濃(nong)縮,例如,通過溶(rong)劑提(ti)取(qu),提(ti)高(gao)了(le)靈敏度,但增加了(le)勞動量(liang)。8-羥(qian)基(ji)醌常用(yong)于(yu)生物材(cai)料(liao)中鎵的(de)熒(ying)光測(ce)(ce)定法。水楊醛二(er)(er)氯腙(zong)化(hua)碳作為熒(ying)光物質,使探(tan)測(ce)(ce)極限(xian)降到了(le)2ng/L。pyrrolidinecarbodithioate和二(er)(er)乙(yi)基(ji)二(er)(er)硫(liu)代氨(an)基(ji)甲酸鹽的(de)混合物用(yong)于(yu)在(zai)中子活化(hua)法前提(ti)取(qu)鎵。鎵的(de)探(tan)測(ce)(ce)極限(xian)可以達到1ng/L。
原子序數 31
原子量(liang) 69.72
共價半徑 125皮米
離子半徑 82皮米
第一電離(li)能 578.8kJ/mol
電負(fu)性(鮑林標度) 1.81
毒(du)理(li)性(xing)質:鎵(jia)的(de)(de)毒(du)性(xing)是和生(sheng)物的(de)(de)種(zhong)類(lei)相(xiang)關的(de)(de)。在(zai)一項研究中,老鼠(shu)的(de)(de)LD50大于220mg/kg,狗(gou)的(de)(de)只有(you)18mg/kg。狗(gou)的(de)(de)死亡是由于腎功(gong)能的(de)(de)衰竭。
鎵(jia)和鎵(jia)的化合(he)物有(you)(you)微弱的毒性(xing),但是沒(mei)有(you)(you)任何文獻表(biao)明鎵(jia)有(you)(you)生(sheng)殖(zhi)毒性(xing)。相反,硝酸鎵(jia)可以用于治(zhi)療某(mou)些疾病。鎵(jia)容易附著到桌面、手(shou)、還有(you)(you)手(shou)套(tao)上留下黑色的斑跡。
可由鋁土礦(kuang)或閃鋅礦(kuang)中提取。最后(hou)經電解制(zhi)得純凈鎵。
主要從煉鋅廢(fei)渣和煉鋁廢(fei)渣中回收提取。
工業(ye)(ye)生產(chan)以工業(ye)(ye)級(ji)金(jin)屬(shu)鎵為(wei)原(yuan)料,用電(dian)(dian)解法、減壓蒸(zheng)餾法、分步結(jie)晶法、區域熔融法進一步提(ti)純(chun),制(zhi)(zhi)得高純(chun)鎵。電(dian)(dian)解法以99.99%的工業(ye)(ye)級(ji)金(jin)屬(shu)鎵為(wei)原(yuan)料,經電(dian)(dian)解精煉等(deng)工藝,制(zhi)(zhi)得高純(chun)鎵的純(chun)度(du)≥99.999%。以≥99.999%的高純(chun)鎵為(wei)原(yuan)料,經拉制(zhi)(zhi)單晶或其他提(ti)純(chun)工藝進一步提(ti)純(chun),制(zhi)(zhi)得高純(chun)鎵的純(chun)度(du)≥99.99999%。
制造半(ban)導(dao)體(ti)氮化(hua)(hua)鎵(jia)(jia)、砷化(hua)(hua)鎵(jia)(jia)、磷化(hua)(hua)鎵(jia)(jia)、鍺(zang)半(ban)導(dao)體(ti)摻雜(za)元;純鎵(jia)(jia)及(ji)低熔合(he)金可作(zuo)核(he)反應的(de)(de)熱(re)交換(huan)介質;高溫溫度計的(de)(de)填(tian)充料;有機反應中作(zuo)二酯化(hua)(hua)的(de)(de)催化(hua)(hua)劑。
鎵(jia)的(de)(de)工(gong)業應(ying)用還很原始,盡(jin)管它獨特的(de)(de)性能(neng)可能(neng)會應(ying)用于(yu)很多方面。液態鎵(jia)的(de)(de)寬溫(wen)度范圍以(yi)及它很低的(de)(de)蒸(zheng)汽壓使它可以(yi)用于(yu)高溫(wen)溫(wen)度計(ji)和高溫(wen)壓力(li)計(ji)。鎵(jia)化合物,尤其(qi)是(shi)砷化鎵(jia)在(zai)電子工(gong)業已經引起(qi)了越來越多的(de)(de)注意。沒有能(neng)利用的(de)(de)精確的(de)(de)世(shi)界(jie)鎵(jia)產量數(shu)據,但是(shi)臨近地區的(de)(de)產量只有20噸/年。
鎵-68會發射正電(dian)子,可以用于正電(dian)子斷層成像。
鎵銦合金可用于(yu)汞的替代品(pin)。
在觀察到癌(ai)組織(zhi)對(dui)67Ga有(you)(you)吸引力(li)之后,美國國家癌(ai)癥學會指出穩定(ding)的鎵(jia)(jia)對(dui)于嚙齒動物(wu)的腫瘤很有(you)(you)療效(xiao)。這曾在癌(ai)癥病(bing)人身(shen)上試驗(yan)過。當服用(yong)劑量為750mg/kg時,鎵(jia)(jia)對(dui)人的腎臟有(you)(you)害(hai)。不停的灌輸鎵(jia)(jia)的配(pei)制(zhi)藥品可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)鎵(jia)(jia)對(dui)腎小管的毒性。
鎵是(shi)化(hua)學史(shi)上第一個先從理(li)論(lun)預(yu)言,后在自然界中被發現(xian)驗證(zheng)的化(hua)學元(yuan)(yuan)素。1871年,門捷列夫發現(xian)元(yuan)(yuan)素周期表中鋁(lv)(lv)元(yuan)(yuan)素下面有(you)個間(jian)隙(xi)尚未被占據,他(ta)預(yu)測(ce)這種未知元(yuan)(yuan)素的原子(zi)量大約是(shi)68,密(mi)度為5.9g/cm3,性質與鋁(lv)(lv)相(xiang)似,他(ta)的這一預(yu)測(ce)被法國化(hua)學家布(bu)瓦(wa)博得朗(Paul Emile Lecoq de Boisbaudran)證(zheng)實(shi)了。
鎵在巴(ba)黎由布瓦博(bo)得朗于(yu)1875年(nian)發(fa)現。他在閃(shan)鋅(xin)礦(kuang)(kuang)礦(kuang)(kuang)石(ZnS)中提取的鋅(xin)的原子光(guang)譜上觀(guan)察到(dao)了一個新的紫色線(xian)。他知(zhi)道這意味著一種未(wei)知(zhi)的元素出現了。
在(zai)1875年(nian)11月,布(bu)瓦博得(de)朗提取(qu)并(bing)提純(chun)了這種(zhong)新(xin)的金屬,并(bing)證明了它像鋁。在(zai)1875年(nian)12月,他向(xiang)法(fa)國(guo)科(ke)學院(yuan)宣布(bu)了它。
由(you)于鎵在(zai)(zai)(zai)(zai)地殼中的濃度很(hen)(hen)低(di)。在(zai)(zai)(zai)(zai)地殼中占總量的0.0015%。它的分(fen)布很(hen)(hen)廣泛,但不(bu)以(yi)(yi)純金屬狀態(tai)存(cun)(cun)在(zai)(zai)(zai)(zai),而以(yi)(yi)硫鎵銅礦(CuGaS2)形式存(cun)(cun)在(zai)(zai)(zai)(zai),不(bu)過很(hen)(hen)稀少(shao),經濟上也不(bu)重(zhong)要。鎵是閃(shan)鋅礦、黃鐵礦、礬(fan)土、鍺石工業處理過程中的副(fu)產品。
自(zi)然界中(zhong)常以(yi)微(wei)量分散(san)于(yu)鋁(lv)(lv)土礦、閃鋅(xin)(xin)礦等(deng)礦石中(zhong)。由鋁(lv)(lv)土礦中(zhong)提(ti)取制得(de)。在(zai)高溫灼燒(shao)鋅(xin)(xin)礦時(shi),鎵就以(yi)化合物的形(xing)式揮(hui)發(fa)出來,在(zai)煙(yan)道里凝結,鎵常與銦和鉈共生。經(jing)電解、洗滌(di)可以(yi)制得(de)粗鎵,再經(jing)提(ti)煉可得(de)高純度鎵。
時下世界90%以上的(de)(de)(de)(de)(de)原生鎵都是(shi)在生產(chan)(chan)氧化(hua)鋁過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)提(ti)取(qu)的(de)(de)(de)(de)(de),是(shi)對礦(kuang)(kuang)產(chan)(chan)資(zi)源的(de)(de)(de)(de)(de)一種綜合利(li)用,通(tong)過(guo)(guo)提(ti)取(qu)金(jin)(jin)屬鎵增(zeng)加了礦(kuang)(kuang)產(chan)(chan)資(zi)源的(de)(de)(de)(de)(de)附加值,提(ti)高氧化(hua)鋁的(de)(de)(de)(de)(de)品(pin)質降低(di)了廢棄物“赤泥”的(de)(de)(de)(de)(de)污染,因此(ci)非常(chang)符合當(dang)前低(di)碳經濟以最小的(de)(de)(de)(de)(de)自然(ran)資(zi)源代價獲取(qu)最大(da)利(li)用價值的(de)(de)(de)(de)(de)原則。鎵在其它(ta)金(jin)(jin)屬礦(kuang)(kuang)床中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)含量極(ji)低(di),經過(guo)(guo)一定富(fu)集(ji)后(hou)也只能達到(dao)幾百克(ke)/噸,因而鎵的(de)(de)(de)(de)(de)提(ti)取(qu)非常(chang)困難(nan),另一方面(mian),由于(yu)(yu)伴生關系,鎵的(de)(de)(de)(de)(de)產(chan)(chan)量很難(nan)由于(yu)(yu)鎵價格上漲而被大(da)幅拉動,因此(ci),原生鎵的(de)(de)(de)(de)(de)年(nian)產(chan)(chan)量極(ji)少,全球(qiu)年(nian)產(chan)(chan)量不足300噸,是(shi)原生銦產(chan)(chan)量的(de)(de)(de)(de)(de)一半,如果這種狀況(kuang)不能得(de)到(dao)改善,未(wei)來(lai)20-30年(nian)這些金(jin)(jin)屬鎵將會(hui)出現(xian)嚴重短缺(que)。
由于液(ye)態鎵的密(mi)度(du)高于固體(ti)密(mi)度(du),凝(ning)固時體(ti)積膨脹,而且(qie)熔點很低,儲(chu)存時會(hui)不斷地熔化(hua)凝(ning)固。所以(yi)使用(yong)玻璃(li)儲(chu)存會(hui)撐破瓶(ping)子和浸潤玻璃(li)造成浪費(fei),鎵適合(he)使用(yong)塑(su)料瓶(ping)(不能盛(sheng)滿)儲(chu)存。
2014年9月23日(ri),美國(guo)北卡羅來(lai)納州一個(ge)科研團(tuan)隊日(ri)前(qian)研發出(chu)一種可進行自(zi)我修復(fu)的(de)變(bian)形(xing)液(ye)態(tai)金(jin)屬,距離打造(zao)“終結者”變(bian)形(xing)機器(qi)人(ren)的(de)目標更進一步。
科(ke)學家們使用鎵(jia)和銦(yin)合(he)金(jin)(jin)(jin)合(he)成(cheng)液(ye)態(tai)金(jin)(jin)(jin)屬,形成(cheng)一種固溶合(he)金(jin)(jin)(jin),在(zai)室溫下(xia)就(jiu)可(ke)(ke)以成(cheng)為液(ye)態(tai),表(biao)面張力(li)為每米500毫(hao)牛頓(dun)。這意味著(zhu),在(zai)不(bu)受外力(li)情況(kuang)下(xia),當這種合(he)金(jin)(jin)(jin)被放(fang)在(zai)平(ping)坦(tan)桌面上時會保持一個幾乎完美的(de)圓球不(bu)變。當通過(guo)少(shao)量電流刺(ci)激后,球體表(biao)面張力(li)會降低,金(jin)(jin)(jin)屬會在(zai)桌面上伸展。這一過(guo)程是(shi)可(ke)(ke)逆的(de):如果(guo)電荷(he)從正轉負,液(ye)態(tai)金(jin)(jin)(jin)屬就(jiu)會重新成(cheng)為球狀。更改電壓大小還可(ke)(ke)以調整金(jin)(jin)(jin)屬表(biao)面張力(li)和金(jin)(jin)(jin)屬塊(kuai)粘(zhan)度,從而(er)令其變為不(bu)同結(jie)構。
北(bei)卡羅來納州立(li)大學副教(jiao)授邁克爾·迪基(Michael Dickey)說:“只需要不到(dao)一伏特的(de)電壓就可改變金屬表(biao)面(mian)張力,這種(zhong)改變是相當了不起的(de)。我們可以利用這種(zhong)技(ji)術控制液態(tai)金屬的(de)活(huo)動,從而(er)改變天(tian)線形狀、連接或(huo)斷(duan)開(kai)電路(lu)等(deng)。”
此外,這項研究還可以用于幫助(zhu)修復人(ren)類切斷的(de)神經,以避免長期(qi)殘疾。研究人(ren)員(yuan)宣稱,該突破有助(zhu)于建(jian)造(zao)(zao)更好(hao)的(de)電路(lu)、自我(wo)修復式結(jie)構,甚至有一(yi)天可用來制造(zao)(zao)《終結(jie)者》中的(de)T-1000機器(qi)人(ren)。
2023年(nian)8月,廣西大(da)學本碩博(bo)創業團隊“保‘鎵(jia)’衛國”研(yan)發出核(he)心技(ji)術,成功制備出純(chun)度均達到(dao)國際領先水平(ping)的芯片產業關(guan)鍵原材料7N高純(chun)鎵(jia)。
有趣的(de)(de)是(shi)(shi)(shi),盡管鎵(jia)的(de)(de)熔(rong)點(dian)(dian)僅(jin)僅(jin)只有區區29.76℃,按照(zhao)正(zheng)常人(ren)直(zhi)覺式的(de)(de)認知,鎵(jia)的(de)(de)沸(fei)(fei)點(dian)(dian)應該(gai)很低,但事實上(shang)鎵(jia)的(de)(de)沸(fei)(fei)點(dian)(dian)達到了(le)整(zheng)整(zheng)2403℃——差了(le)2373℃。這(zhe)個沸(fei)(fei)點(dian)(dian)幾(ji)乎與高沸(fei)(fei)點(dian)(dian)金屬——銅、鐵等相當。對比(bi)一(yi)下(xia),汞的(de)(de)熔(rong)點(dian)(dian)是(shi)(shi)(shi)-38.86℃,沸(fei)(fei)點(dian)(dian)是(shi)(shi)(shi)356.72℃,僅(jin)僅(jin)差了(le)395.58℃。現代研究表明,這(zhe)是(shi)(shi)(shi)因為Ga晶體中存在Ga2分子,熔(rong)化時(shi)克(ke)服的(de)(de)是(shi)(shi)(shi)分子間(jian)的(de)(de)范(fan)德華力,而沸(fei)(fei)騰時(shi)Ga2要裂解成原子,克(ke)服的(de)(de)是(shi)(shi)(shi)共價(jia)鍵的(de)(de)靜電(dian)力。這(zhe)就導(dao)致了(le)鎵(jia)熔(rong)化容易沸(fei)(fei)騰難(nan)(nan),因為共價(jia)鍵是(shi)(shi)(shi)很難(nan)(nan)被(bei)破壞(huai)的(de)(de)。