镓
鎵(拼音:,注音:,粤拼:;英語:),是一種化學元素,其化學符號为Ga,原子序數为31,原子量為 u,位於元素週期表的第13族,為一種 69.723貧金屬,與鋁、銦和鉈具有相似的特性。在自然界中常以微量散存於鋅礦、鋁礬土礦等礦石中。在標準溫度和壓力下,鎵元素是一種質地柔軟的銀色金屬;而在低溫下則為脆性固體。當溫度高於29.76°C(85.57°F)則為液體,因此此金屬會融化於人的手中(一般人的體溫為37°C(99°F))。
外觀 | ||||||||||||||||||||||||
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金屬:銀色![]() | ||||||||||||||||||||||||
概況 | ||||||||||||||||||||||||
名稱·符號·序數 | 镓(gallium)·Ga·31 | |||||||||||||||||||||||
元素類別 | 贫金属 | |||||||||||||||||||||||
族·週期·區 | 13 ·4·p | |||||||||||||||||||||||
標準原子質量 | 69.723(5) | |||||||||||||||||||||||
电子排布 | [氬] 3d104s24p1 2, 8, 18, 3 ![]() 镓的电子層(2, 8, 18, 3) | |||||||||||||||||||||||
歷史 | ||||||||||||||||||||||||
預測 | 德米特里·门捷列夫(1871年) | |||||||||||||||||||||||
發現 | 保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰(1875年) | |||||||||||||||||||||||
分離 | 保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰(1875年) | |||||||||||||||||||||||
物理性質 | ||||||||||||||||||||||||
物態 | 固态 | |||||||||||||||||||||||
密度 | (接近室温) 5.91 g·cm−3 | |||||||||||||||||||||||
熔点時液體密度 | 6.095 g·cm−3 | |||||||||||||||||||||||
熔点 | 302.9146 K,29.7646 °C,85.5763 °F | |||||||||||||||||||||||
沸點 | 2673 K,2400 °C,4352 °F | |||||||||||||||||||||||
熔化热 | 5.59 kJ·mol−1 | |||||||||||||||||||||||
汽化热 | 254 kJ·mol−1 | |||||||||||||||||||||||
比熱容 | 25.86 J·mol−1·K−1 | |||||||||||||||||||||||
蒸氣壓
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原子性質 | ||||||||||||||||||||||||
氧化态 | 3, 2, 1 (两性) | |||||||||||||||||||||||
电负性 | 1.81(鲍林标度) | |||||||||||||||||||||||
电离能 | 第一:578.8 kJ·mol−1 第二:1979.3 kJ·mol−1 | |||||||||||||||||||||||
原子半径 | 135 pm | |||||||||||||||||||||||
共价半径 | 122±3 pm | |||||||||||||||||||||||
范德华半径 | 187 pm | |||||||||||||||||||||||
雜項 | ||||||||||||||||||||||||
晶体结构 | 正交 | |||||||||||||||||||||||
磁序 | 抗磁性 | |||||||||||||||||||||||
电阻率 | 140 n[1] Ω·m | |||||||||||||||||||||||
熱導率 | 40.6 W·m−1·K−1 | |||||||||||||||||||||||
膨脹係數 | (25 °C)18 µm·m−1·K−1 | |||||||||||||||||||||||
聲速(細棒) | (20 °C)2740 m·s−1 | |||||||||||||||||||||||
杨氏模量 | 9.8 GPa | |||||||||||||||||||||||
泊松比 | 0.47 | |||||||||||||||||||||||
莫氏硬度 | 1.5 | |||||||||||||||||||||||
布氏硬度 | 60 MPa | |||||||||||||||||||||||
CAS号 | 7440-55-3 | |||||||||||||||||||||||
最穩定同位素 | ||||||||||||||||||||||||
主条目:镓的同位素
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鎵的熔點可作為溫度參考點。鎵合金亦可應用於溫度計,作為代替汞的無毒和環保的替用品,並且可以承受比汞更高的溫度。鎵銦錫合金(62–95%鎵,5–22%銦和0–16%錫)具有較低的熔點-19°C(-2°F),遠低於水的凝固點。自1875年發現以來,鎵一直被用於製造低熔點合金。它還用於半導體,作為半導體基材的摻雜劑。
鎵是一種在新興技術中很關鍵的元素。電子設備中大量使用鎵,主要化合物砷化鎵,用於微波電路、高速轉換電路、紅外線電路。而半導體氮化鎵和氮化銦鎵用於製造藍色、紫色的發光二極體(LED)和雷射二極體。除此之外,鎵也用於生產珠寶用途的人造釓鎵榴石型鐵氧體。
鎵在生物學中沒有已知的天然作用。三價鎵和三價鐵在生物系統中有相似的作用,因此三價鎵也被應用在藥學和放射藥理學上。
命名與發現
1871年,俄國化學家門得列夫以他的元素週期律,預測「鎵」的存在,稱之為「eka-aluminium」,意思「鋁下元素」(鋁下一行的元素)。其密度、熔點、氧化的特徵、和氯的鍵結與隨後發現「鎵」實值相差無幾[2] [3]。
鋁下元素 | 鎵 | |
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原子量 | 68 | 69.72 |
密度(g/cm3) | 6.0 | 5.904 |
熔點(℃) | 低 | 29.78 |
門得列夫更提出了一些關於這個元素的預測:人們將可以用光譜儀來發現這個元素;這個金屬元素既可以溶於酸又可以溶於鹼,但不會和空氣反應; M2O3溶於酸時會產生MX3形式的鹽類;這個金屬的鹽類是鹼式鹽;這個金屬的硫酸鹽可以組成礬土;以及無水 MCl3的揮發性比ZnCl2更高,以上這些預測後來都被證實是正確的。
1875年,德布瓦博德蘭檢測在閃鋅礦樣品的原子光譜時,發現兩條紫色譜線[4] ,後來經過電解氫氧化鎵的氫氧化鉀溶液得到鎵。德布瓦博德蘭以「高盧」(Gallia)為這個元素命名,在拉丁語中這是對法國高盧的稱呼。也有人認為是運用不同語言的雙關語而用他的名字(其中包含「Lecoq」)命名:Le coq在法語中是「公雞」(rooster)之意,而後者在拉丁語中又是「吊帶」(gallus,與鎵gallium相近)的意思。不過1877年德布瓦博德蘭寫文章否定這個猜測[5] 。
德布瓦博德蘭原本認為鎵的密度是4.7 g/cm3,和門得列夫預測的數值不相符。在門得列夫的建議下,德布瓦博德蘭重新測量,並且得到和門得列夫預測幾乎相同的數值:5.9 g/cm3。從1875年鎵的發現,到今天半導體的時代以來,鎵主要應用於高溫測溫儀以及製造安定性高或是容易融化的合金。
1960年代將砷化鎵使用於直接帶隙半導體的進展,更為鎵的應用迎來新的可能[6]。
物理性质
镓非常柔软,富有延展性,固态时为青灰色[7],液态时为银白色。鎵的熔点在29.78℃,因此置於手心即会熔化;但鎵沸点很高(2403℃)。
已熔融后的鎵,在温度下降到室温时,可保持液态达数日之久,如果继续降温,镓也可能保持过冷的液态,此时加入晶核或者对其震荡,即可重新回到固态[8];在液态转化为固态时,膨胀率为3.4%[8],所以适宜贮藏于塑料容器中。
镓能浸润玻璃,因此不宜存放于玻璃容器中。
化学性质
镓在化学反应中存在+1、+2和+3化合价,其中+3为其主要化合价。镓的金属活动性类似锌,却比铝低[9]。镓是两性金属,既能溶于酸(产生Ga3+)也能溶于碱(生成镓酸盐)。镓在常温下,表面产生致密的氧化膜阻止进一步氧化,在冷的硝酸中钝化。加热时和卤素、硫迅速反应,和硫的反应按计量比不同产生不同的硫化物。
镓在加热下也能和硒反应:
- Ga + Se → GaSe(棕色)
- 2 Ga + Se → Ga2Se(黑色)
镓即使在1000℃也不能和氮气反应,而在略高于此温度时能和氨气反应,产生疏松的灰色粉末状的氮化镓,它能被热的浓碱分解,放出氨气。
生产

镓是炼铝和炼锌过程中的一种副产品,然而从闪锌矿中得到的镓很少。大部分的镓萃取自于拜耳法中粗炼的氢氧化铝溶液。通过汞电池的电解和氢氧化钠中汞齐的水解得到镓酸钠,再由电解得到镓。半导体镓则要用区域熔融技术提纯,或从熔融物中提取单晶(即柴氏法)。99.9999%纯的镓已经能例行取得,并且在商业上有广泛应用。[10]
1986年镓产量估计为40吨。[11]2007年,镓产量为184吨,其中只有不到100吨是采矿而来,其余都来自废渣回收。[12]到2011年世界镓产量约为216吨。[13]
用途
镓可用作光学玻璃、合金、真空管等;砷化镓用在半导体之中,最常用作发光二极管(LED)。
毒性
当前并未发现镓和镓的化合物具有毒性,包括流传最广的生殖毒性。但镓有时附着到桌面和手套上留下一些黑色的印迹,这时只需要进行清洗。
参考文献
- webelements.com. .
- Ball, Philip. . Oxford University Press. 2002: 105. ISBN 978-0-19-284100-1.
-
本頁面已經被一個媒體組織報導過: - de Boisbaudran, Lecoq. . Comptes Rendus. 1835–1965, 81: 493 [2008-09-23].
- Weeks, Mary Elvira. . Journal of Chemical Education. 1932, 9 (9): 1605–1619. Bibcode:1932JChEd...9.1605W. doi:10.1021/ed009p1605.
- 《无机化学》第四版(ISBN 978-7-04-028478-2).高等教育出版社.12.3 硼族元素.P354. 12.3.1 硼族元素概述
- 《无机化学》丛书.张青莲 主编.第二卷.P515 8 镓分族.2.6 物理性质
- 《无机化学》丛书。张青莲主编。第二卷.P515 8镓分族.2.7化学性质
- Moskalyk, R. R. . Minerals Engineering. 2003, 16 (10): 921. doi:10.1016/j.mineng.2003.08.003.
- Greber, J. F.(2012)"Gallium and Gallium Compounds" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, doi:10.1002/14356007.a12_163.
- Kramer, Deborah A. (PDF). United States Geological Survey. [2008-11-20].
- Gallium report – U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 2012
外部連結
- 元素镓在洛斯阿拉莫斯国家实验室的介紹(英文)
- —— {{LinkForElement|Ga| }}(英文)
- 元素镓在The Periodic Table of Videos(諾丁漢大學)的介紹(英文)
- 元素镓在Peter van der Krogt elements site的介紹(英文)
- WebElements.com – {{LinkForElement|Ga| }}(英文)