鎵(Gallium)是灰藍(lan)色或銀(yin)白色的(de)(de)金屬,元素符號Ga,原子量69.723。鎵的(de)(de)熔點很(hen)低,但沸點很(hen)高。純液態鎵有顯著的(de)(de)過(guo)冷的(de)(de)趨勢,在空(kong)氣中易氧化(hua),形成氧化(hua)膜。
淡藍色金屬,在29.76℃時變為銀白色液體(ti)。液態鎵很(hen)容(rong)易過冷(leng)(即冷(leng)卻至0℃而不固(gu)化)。鎵能浸(jin)潤(run)玻(bo)璃(li),故不宜使用(yong)玻(bo)璃(li)容(rong)器存放。
受熱至熔點時變(bian)為液體(ti),再冷(leng)卻(que)至0℃而不(bu)固(gu)化,由液體(ti)轉變(bian)為固(gu)體(ti)時,其體(ti)積約增大(da)3.2%。常溫(wen)時鎵在干(gan)燥(zao)空(kong)氣中穩定。
純鎵是銀白色的,可以浸(jin)潤玻璃(li),沸點(dian)很高,在大約1500℃時有很低的蒸汽壓。
硬度 1.5~2.5
溶解性 微(wei)溶于(yu)汞(gong)(gong),形(xing)成鎵汞(gong)(gong)齊
熔點 29.76℃
沸(fei)點(dian) 2403℃
密度 5.904g/cm3
電子排布[Ar]3d104s24p1,位于(yu)第四周(zhou)期(qi)第ⅢA族(zu)。
在(zai)潮濕空氣(qi)中氧化,加熱至500℃時(shi)著火。室溫時(shi)跟(gen)水反(fan)應緩(huan)慢,跟(gen)沸水反(fan)應劇烈生(sheng)成氫氧化鎵放出氫氣(qi)。加熱時(shi)溶于無機酸(suan)或苛(ke)性(xing)堿溶液(ye)。能跟(gen)鹵素、硫、磷、砷、銻等反(fan)應。
鎵(jia)(jia)在干(gan)燥空(kong)氣中較穩(wen)定并(bing)生(sheng)成氧化(hua)物(wu)薄膜阻止繼續氧化(hua),在潮(chao)濕空(kong)氣中失去(qu)光澤(ze)。與(yu)(yu)堿反應放出氫氣,生(sheng)成鎵(jia)(jia)酸鹽。能(neng)被冷濃鹽酸浸蝕,對熱(re)硝酸顯鈍性,高溫時(shi)能(neng)與(yu)(yu)多數非金(jin)屬反應;溶于(yu)酸和堿中,鎵(jia)(jia)在化(hua)學(xue)反應中存在+1、+2和+3化(hua)合價,其(qi)中+3為其(qi)主(zhu)要化(hua)合價。鎵(jia)(jia)的活(huo)動(dong)性與(yu)(yu)鋅相似,卻比鋁低。鎵(jia)(jia)是兩性金(jin)屬,既能(neng)溶于(yu)酸(產生(sheng)Ga3+)也能(neng)溶于(yu)堿。鎵(jia)(jia)在常溫下,表(biao)面產生(sheng)致密的氧化(hua)膜阻止進一步氧化(hua)。加(jia)熱(re)時(shi)和鹵素、硫迅速反應,和硫的反應按計量比不(bu)同產生(sheng)不(bu)同的硫化(hua)物(wu)。
生理學:還(huan)沒有(you)發現鎵有(you)生理微(wei)量(liang)元素(su)的(de)(de)功能。和(he)鋁一樣,它只通過腸道很微(wei)量(liang)的(de)(de)吸收。可以利用三氧化二鎵在老(lao)鼠、家鼠、狗(gou)肺部(bu)沉積的(de)(de)數(shu)據(ju)。
皮(pi)下注射(she)鎵(jia)(jia)后(hou),鎵(jia)(jia)在(zai)組織中的分布模(mo)式(shi)是(shi)定時的,這和(he)靜脈注射(she)很相似(si)。鎵(jia)(jia)在(zai)組織中的分布模(mo)式(shi)取決于攝入(ru)鎵(jia)(jia)的劑量。主要的排泄渠道是(shi)尿液。癌癥患者對(dui)鎵(jia)(jia)的清理(li)分為(wei)兩階段,半衰期分別為(wei)87分鐘和(he)24.5小時。
鎵的(de)(de)(de)(de)毒(du)性是和生(sheng)物的(de)(de)(de)(de)種類相關的(de)(de)(de)(de)。在服用(yong)濃度高于(yu)750mg/kg時才會(hui)表現(xian)出對人腎臟的(de)(de)(de)(de)毒(du)性。對老鼠的(de)(de)(de)(de)實驗表明,鎵會(hui)導致(zhi)鎵,鈣和磷酸鹽在腎中的(de)(de)(de)(de)沉積,這會(hui)堵塞腎腔。
分析化(hua)學:Dymov和Savostin曾對(dui)鎵(jia)(jia)的(de)(de)(de)分析化(hua)學作了全面的(de)(de)(de)回顧(gu)。由于(yu)鎵(jia)(jia)在環境中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)濃度很低(di),靈敏度是選擇探測(ce)方法時的(de)(de)(de)主(zhu)要問題。由于(yu)這個原因,最常用(yong)熒光計和中(zhong)(zhong)子(zi)活化(hua)法。可以在測(ce)量前(qian)對(dui)樣品(pin)進(jin)行(xing)濃縮(suo),例如,通過溶劑提取,提高了靈敏度,但增加了勞動量。8-羥基(ji)(ji)醌常用(yong)于(yu)生物(wu)材料中(zhong)(zhong)鎵(jia)(jia)的(de)(de)(de)熒光測(ce)定法。水楊醛二(er)(er)氯腙化(hua)碳(tan)作為熒光物(wu)質,使探測(ce)極限降到了2ng/L。pyrrolidinecarbodithioate和二(er)(er)乙基(ji)(ji)二(er)(er)硫代氨基(ji)(ji)甲(jia)酸鹽的(de)(de)(de)混(hun)合物(wu)用(yong)于(yu)在中(zhong)(zhong)子(zi)活化(hua)法前(qian)提取鎵(jia)(jia)。鎵(jia)(jia)的(de)(de)(de)探測(ce)極限可以達到1ng/L。
原子序數 31
原(yuan)子(zi)量 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(dian)負(fu)性(鮑林標度) 1.81
毒理性質:鎵(jia)的(de)(de)(de)(de)毒性是和生物的(de)(de)(de)(de)種(zhong)類相關的(de)(de)(de)(de)。在一項研究中,老鼠的(de)(de)(de)(de)LD50大于(yu)220mg/kg,狗(gou)的(de)(de)(de)(de)只有18mg/kg。狗(gou)的(de)(de)(de)(de)死亡是由于(yu)腎功能(neng)的(de)(de)(de)(de)衰竭。
鎵和鎵的(de)化合物有(you)微弱的(de)毒性(xing),但是沒有(you)任(ren)何文獻表明(ming)鎵有(you)生殖毒性(xing)。相反,硝酸鎵可以用于治療某些疾病。鎵容易附著到(dao)桌面(mian)、手(shou)(shou)、還有(you)手(shou)(shou)套上留下黑色(se)的(de)斑跡。
可由(you)鋁土礦或(huo)閃鋅礦中提取(qu)。最后(hou)經電(dian)解(jie)制(zhi)得純(chun)凈鎵。
主(zhu)要從煉鋅廢(fei)渣和煉鋁廢(fei)渣中(zhong)回收提取。
工(gong)業(ye)生產以工(gong)業(ye)級金屬鎵為(wei)原(yuan)料,用電(dian)解(jie)法(fa)(fa)(fa)、減壓蒸餾法(fa)(fa)(fa)、分步(bu)結晶(jing)法(fa)(fa)(fa)、區域(yu)熔(rong)融法(fa)(fa)(fa)進一步(bu)提(ti)純(chun)(chun)(chun)(chun),制得高純(chun)(chun)(chun)(chun)鎵。電(dian)解(jie)法(fa)(fa)(fa)以99.99%的工(gong)業(ye)級金屬鎵為(wei)原(yuan)料,經電(dian)解(jie)精煉等工(gong)藝,制得高純(chun)(chun)(chun)(chun)鎵的純(chun)(chun)(chun)(chun)度≥99.999%。以≥99.999%的高純(chun)(chun)(chun)(chun)鎵為(wei)原(yuan)料,經拉制單晶(jing)或其他提(ti)純(chun)(chun)(chun)(chun)工(gong)藝進一步(bu)提(ti)純(chun)(chun)(chun)(chun),制得高純(chun)(chun)(chun)(chun)鎵的純(chun)(chun)(chun)(chun)度≥99.99999%。
制造半導體(ti)氮(dan)化(hua)(hua)鎵(jia)、砷化(hua)(hua)鎵(jia)、磷化(hua)(hua)鎵(jia)、鍺半導體(ti)摻雜元;純鎵(jia)及低熔合(he)金可作核反應的(de)熱交換(huan)介質;高(gao)溫溫度計的(de)填充料;有機反應中作二酯化(hua)(hua)的(de)催化(hua)(hua)劑。
鎵(jia)(jia)的(de)工(gong)業應(ying)用還(huan)很原始,盡管它獨特的(de)性能可能會應(ying)用于(yu)很多(duo)(duo)方面。液(ye)態鎵(jia)(jia)的(de)寬(kuan)溫(wen)度范圍以及它很低(di)的(de)蒸汽壓(ya)使它可以用于(yu)高溫(wen)溫(wen)度計和(he)高溫(wen)壓(ya)力計。鎵(jia)(jia)化合(he)物,尤其(qi)是砷化鎵(jia)(jia)在(zai)電子(zi)工(gong)業已經引起(qi)了越來越多(duo)(duo)的(de)注意。沒有能利用的(de)精確的(de)世界鎵(jia)(jia)產(chan)量數據,但是臨近地(di)區(qu)的(de)產(chan)量只有20噸/年。
鎵-68會發射正電(dian)子,可(ke)以用于正電(dian)子斷層成像。
鎵銦合(he)金可用于(yu)汞的替代品(pin)。
在觀察到癌組織對67Ga有(you)吸引力之后,美國(guo)國(guo)家癌癥學(xue)會指(zhi)出穩定的(de)(de)鎵(jia)對于嚙齒動物的(de)(de)腫瘤(liu)很有(you)療效。這曾(ceng)在癌癥病(bing)人身上(shang)試驗(yan)過(guo)。當服用劑量為750mg/kg時,鎵(jia)對人的(de)(de)腎臟有(you)害。不停的(de)(de)灌輸(shu)鎵(jia)的(de)(de)配制(zhi)藥品(pin)可以降低鎵(jia)對腎小管的(de)(de)毒性。
鎵是化(hua)學史上第一個先從理論預言,后在自然界(jie)中(zhong)被(bei)(bei)發現驗證(zheng)的化(hua)學元素。1871年,門捷列夫發現元素周期表中(zhong)鋁元素下(xia)面有個間隙(xi)尚未被(bei)(bei)占據,他(ta)預測(ce)這(zhe)種未知(zhi)元素的原(yuan)子量(liang)大(da)約(yue)是68,密(mi)度為5.9g/cm3,性質與鋁相似,他(ta)的這(zhe)一預測(ce)被(bei)(bei)法國化(hua)學家布瓦博得朗(Paul Emile Lecoq de Boisbaudran)證(zheng)實(shi)了。
鎵在巴黎由(you)布瓦博(bo)得朗(lang)于1875年發現。他在閃(shan)鋅礦礦石(shi)(ZnS)中提取的鋅的原(yuan)子光譜上觀察到(dao)了一個新的紫色線。他知(zhi)道這意味著一種未知(zhi)的元(yuan)素(su)出(chu)現了。
在1875年11月(yue),布(bu)瓦博得朗提取并提純(chun)了(le)這種(zhong)新的金屬,并證明了(le)它像(xiang)鋁。在1875年12月(yue),他向法國(guo)科學院宣布(bu)了(le)它。
由于鎵在(zai)(zai)地殼中的(de)濃度很低。在(zai)(zai)地殼中占總量的(de)0.0015%。它(ta)的(de)分(fen)布(bu)很廣泛,但不(bu)以純金屬(shu)狀態存在(zai)(zai),而以硫鎵銅礦(kuang)(CuGaS2)形式存在(zai)(zai),不(bu)過很稀少,經濟上也(ye)不(bu)重要。鎵是閃鋅礦(kuang)、黃鐵礦(kuang)、礬土、鍺(zang)石工(gong)業處理過程中的(de)副產品。
自然界中常以微(wei)量分散于(yu)鋁土礦(kuang)(kuang)、閃鋅礦(kuang)(kuang)等礦(kuang)(kuang)石中。由鋁土礦(kuang)(kuang)中提取制(zhi)得(de)(de)。在高(gao)溫灼燒鋅礦(kuang)(kuang)時,鎵(jia)就以化合物的(de)形式揮發(fa)出來,在煙(yan)道里(li)凝結,鎵(jia)常與(yu)銦和(he)鉈共生。經(jing)電解、洗滌(di)可(ke)以制(zhi)得(de)(de)粗鎵(jia),再(zai)經(jing)提煉可(ke)得(de)(de)高(gao)純度鎵(jia)。
時下世界90%以(yi)上的(de)(de)(de)(de)原(yuan)生(sheng)(sheng)(sheng)鎵(jia)(jia)都是(shi)在生(sheng)(sheng)(sheng)產氧化鋁(lv)過(guo)程中提(ti)(ti)取(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de),是(shi)對礦(kuang)產資(zi)(zi)源的(de)(de)(de)(de)一種(zhong)綜合(he)利用(yong),通過(guo)提(ti)(ti)取(qu)(qu)金屬鎵(jia)(jia)增加了礦(kuang)產資(zi)(zi)源的(de)(de)(de)(de)附加值(zhi),提(ti)(ti)高氧化鋁(lv)的(de)(de)(de)(de)品質降低了廢(fei)棄物“赤泥”的(de)(de)(de)(de)污染,因(yin)(yin)此非常(chang)(chang)符合(he)當(dang)前低碳經濟以(yi)最小的(de)(de)(de)(de)自(zi)然資(zi)(zi)源代(dai)價(jia)獲(huo)取(qu)(qu)最大(da)利用(yong)價(jia)值(zhi)的(de)(de)(de)(de)原(yuan)則。鎵(jia)(jia)在其它金屬礦(kuang)床中的(de)(de)(de)(de)含量極低,經過(guo)一定富集后也只能(neng)達(da)到幾百(bai)克(ke)/噸,因(yin)(yin)而鎵(jia)(jia)的(de)(de)(de)(de)提(ti)(ti)取(qu)(qu)非常(chang)(chang)困難(nan),另一方面,由于伴(ban)生(sheng)(sheng)(sheng)關(guan)系,鎵(jia)(jia)的(de)(de)(de)(de)產量很(hen)難(nan)由于鎵(jia)(jia)價(jia)格(ge)上漲而被(bei)大(da)幅拉動(dong),因(yin)(yin)此,原(yuan)生(sheng)(sheng)(sheng)鎵(jia)(jia)的(de)(de)(de)(de)年(nian)產量極少,全球年(nian)產量不(bu)足300噸,是(shi)原(yuan)生(sheng)(sheng)(sheng)銦(yin)產量的(de)(de)(de)(de)一半,如果這種(zhong)狀況不(bu)能(neng)得(de)到改善,未來20-30年(nian)這些(xie)金屬鎵(jia)(jia)將會出現嚴(yan)重短缺(que)。
由于液態(tai)鎵的(de)密(mi)度高于固體(ti)密(mi)度,凝(ning)固時(shi)體(ti)積膨(peng)脹,而(er)且熔點很低,儲(chu)存(cun)時(shi)會不(bu)斷(duan)地熔化凝(ning)固。所以使用玻(bo)璃儲(chu)存(cun)會撐(cheng)破(po)瓶(ping)子和浸(jin)潤玻(bo)璃造成(cheng)浪費(fei),鎵適合(he)使用塑料瓶(ping)(不(bu)能(neng)盛滿)儲(chu)存(cun)。
2014年9月23日(ri),美國北卡(ka)羅來納州(zhou)一(yi)個科研(yan)團隊日(ri)前研(yan)發(fa)出一(yi)種可進(jin)(jin)行自我修復的變(bian)形(xing)液態金屬,距(ju)離打造“終(zhong)結者”變(bian)形(xing)機(ji)器(qi)人的目(mu)標更進(jin)(jin)一(yi)步。
科學家們使用鎵和(he)銦合金(jin)(jin)合成液態(tai)金(jin)(jin)屬,形成一(yi)種固溶合金(jin)(jin),在(zai)(zai)室溫(wen)下(xia)就(jiu)可以(yi)成為(wei)(wei)液態(tai),表面(mian)張(zhang)力為(wei)(wei)每米500毫牛頓。這(zhe)意味著,在(zai)(zai)不(bu)(bu)受外力情況(kuang)下(xia),當這(zhe)種合金(jin)(jin)被放(fang)在(zai)(zai)平坦桌面(mian)上時會(hui)保(bao)持一(yi)個幾乎完美的(de)圓球不(bu)(bu)變。當通過少量電流刺激后(hou),球體表面(mian)張(zhang)力會(hui)降低,金(jin)(jin)屬會(hui)在(zai)(zai)桌面(mian)上伸展。這(zhe)一(yi)過程(cheng)是可逆的(de):如果電荷從正轉負,液態(tai)金(jin)(jin)屬就(jiu)會(hui)重新成為(wei)(wei)球狀(zhuang)。更改電壓大(da)小(xiao)還可以(yi)調整(zheng)金(jin)(jin)屬表面(mian)張(zhang)力和(he)金(jin)(jin)屬塊(kuai)粘度,從而令其(qi)變為(wei)(wei)不(bu)(bu)同結構。
北卡羅來(lai)納州立大學副教授邁克爾·迪(di)基(Michael Dickey)說(shuo):“只需要(yao)不到一伏特的電壓就(jiu)可改(gai)變金屬(shu)表面張(zhang)力,這(zhe)(zhe)種(zhong)改(gai)變是相當了不起的。我(wo)們可以利用這(zhe)(zhe)種(zhong)技(ji)術控制液態金屬(shu)的活動,從而改(gai)變天線(xian)形狀、連接或斷開電路等。”
此(ci)外(wai),這(zhe)項(xiang)研究還可(ke)以用于(yu)幫助(zhu)修復(fu)人類切斷(duan)的(de)神經,以避免長(chang)期殘(can)疾。研究人員宣稱,該突破有助(zhu)于(yu)建造更好的(de)電路、自我修復(fu)式結構,甚至有一天可(ke)用來制造《終(zhong)結者》中的(de)T-1000機器人。
2023年8月,廣西大(da)學本(ben)碩博創(chuang)業團(tuan)隊“保‘鎵(jia)’衛(wei)國(guo)”研發出核(he)心技術,成功制備出純度(du)均(jun)達(da)到國(guo)際領(ling)先水平(ping)的芯片(pian)產業關鍵原材料7N高(gao)純鎵(jia)。
有(you)趣的(de)(de)是,盡管鎵(jia)(jia)的(de)(de)熔點(dian)僅(jin)僅(jin)只有(you)區區29.76℃,按照(zhao)正常人直覺(jue)式(shi)的(de)(de)認知(zhi),鎵(jia)(jia)的(de)(de)沸(fei)點(dian)應該很(hen)低,但(dan)事實(shi)上鎵(jia)(jia)的(de)(de)沸(fei)點(dian)達到了整整2403℃——差了2373℃。這個沸(fei)點(dian)幾乎與(yu)高(gao)沸(fei)點(dian)金屬(shu)——銅、鐵等(deng)相當。對比一下,汞的(de)(de)熔點(dian)是-38.86℃,沸(fei)點(dian)是356.72℃,僅(jin)僅(jin)差了395.58℃。現代研究表明,這是因為Ga晶體(ti)中(zhong)存(cun)在(zai)Ga2分(fen)子,熔化(hua)時(shi)克(ke)服的(de)(de)是分(fen)子間(jian)的(de)(de)范德華力(li),而沸(fei)騰時(shi)Ga2要裂解成原子,克(ke)服的(de)(de)是共(gong)價鍵的(de)(de)靜電(dian)力(li)。這就導(dao)致了鎵(jia)(jia)熔化(hua)容易沸(fei)騰難(nan),因為共(gong)價鍵是很(hen)難(nan)被破壞的(de)(de)。