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鎵

原子序數為31的化學元素

鎵（ㄐㄧㄚ）（英語：Gallium），是一種化學元素，化學符號為Ga，原子序數為31，原子量為69.723 u，位於元素週期表的第13族，為一種貧金屬，與同族的鋁、銦和鉈具有相似的特性。它是由法國化學家保羅·埃米爾·勒科克·德布瓦博德蘭在1875年發現的。[8]

鎵 31Ga
氫（非金屬） 氦（惰性氣體）
鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（惰性氣體）
鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（惰性氣體）
鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（惰性氣體）
銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鎝（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（惰性氣體）
銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鎦（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砈（類金屬） 氡（惰性氣體）
鍅（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 錼（錒系元素） 鈽（錒系元素） 鋂（錒系元素） 鋦（錒系元素） 鉳（錒系元素） 鉲（錒系元素） 鑀（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為惰性氣體）
鋁
↑
鎵
↓
銦
鋅 ← 鎵 → 鍺
外觀
藍銀色金屬
銀色金屬光澤
概況
名稱·符號·序數鎵（gallium）·Ga·31
元素類別貧金屬
族·週期·區13·4·p
標準原子質量69.723(1)[1]
電子組態[Ar] 3d104s24p1
2, 8, 18, 3
鎵的電子層（2, 8, 18, 3）
鎵的電子層（2, 8, 18, 3）
歷史
預測德米特里·門得列夫（1871年）
發現保羅·埃米爾·勒科克·德布瓦博德蘭（1875年）
分離保羅·埃米爾·勒科克·德布瓦博德蘭（1875年）
物理性質
物態固態
密度（接近室溫）
5.91 g·cm−3
熔點時液體密度6.095 g·cm−3
熔點302.9146 K，29.7646 °C，85.5763 °F
沸點2673 K，2400 °C，4352[2] °F
熔化熱5.59 kJ·mol−1
汽化熱254 kJ·mol−1
比熱容25.86 J·mol−1·K−1
蒸氣壓
壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 1310 1448 1620 1838 2125 2518
原子性質
氧化態−5, −4, −3,[3] −2, −1, 0, +1, +2, +3[4]
（兩性）
電負度1.81（鮑林標度）
游離能第一：578.8 kJ·mol−1

第二：1979.3 kJ·mol−1
第三：2963 kJ·mol−1

（更多）
原子半徑135 pm
共價半徑122±3 pm
范德華半徑187 pm
鎵的原子譜線
雜項
晶體結構正交
磁序抗磁性
磁化率−21.6×10−6 cm3/mol （當290 K）[5]
電阻率140 n[6] 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
楊氏模量9.8 GPa
泊松比0.47
莫氏硬度1.5
布氏硬度60 MPa
CAS編號7440-55-3
同位素
主條目：鎵的同位素
同位素 豐度 半衰期​（t1/2） 衰變
方式 能量​（MeV） 產物
67Ga 人造 3.2617 天 ε 1.001 67Zn
68Ga 人造 67.783 分鐘[7] β+ 1.899 68Zn
69Ga 60.108% 穩定，帶38粒中子
71Ga 39.892% 穩定，帶40粒中子

在標準狀況下，鎵元素是質地柔軟的銀色金屬，在液態下則為銀白色。如果對鎵施加太多力，它就可能形成貝殼狀斷口。自1875年發現以來，鎵一直被用於製造低熔點合金。它還用於半導體基材的摻雜劑（英語：Dopant）。

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）具有遠低於水凝固點的凝固點−19 °C（−2 °F），但這也可能是過冷的凝固點。

鎵在自然界中不以單質存在，常以鎵(III)的形式微量散存於鋅礦（例如閃鋅礦）、鋁土礦等礦石中。鎵在29.76 °C（85.57 °F）會融化成液體，因此會融化於人的手中（一般人的體溫為37.0 °C（98.6 °F））。

鎵在多種關鍵新興技術中皆有重要應用。電子設備中主要使用的鎵化合物砷化鎵，用於微波電路、高速轉換電路、紅外線電路。半導體氮化鎵和氮化銦鎵（英語：Indium gallium nitride）則用於製造藍色和紫色的發光二極體（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（英語：Gadolinium gallium garnet）。鎵被列為一種技術關鍵元素（英語：technology-critical element）。[9][10]

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。

物理性質 編輯

 
液態鎵的結晶

單質鎵不存在於自然界，但可以通過冶煉獲得。極純的鎵是銀藍色的金屬，會像玻璃一樣形成貝殼狀斷口。液態鎵轉化為固態時，會膨脹3.4%[11]，因此它不能儲存於玻璃或金屬容器里，因為容器會因為鎵的凝固而破裂。其它和鎵一樣在凝固時膨脹的材料有水、矽、鍺、鉍和鈽。[12]

鎵會擴散到金屬的晶格攻擊（英語：liquid metal embrittlement）大部分金屬。舉個例子，它會擴散到鋁鋅合金[13]和鋼[14]的晶粒邊界里，使得它們變得很脆。鎵很容易和其它金屬形成合金，這個性質用於原子彈鈽彈芯的鈽鎵合金（英語：Plutonium–gallium alloy）中，以穩定鈽晶體的結構。[15]

鎵的熔點 302.9146 K（29.7646 °C，85.5763 °F）僅略高於室溫，與地球中緯度地區夏季的平均白天溫度大致相同。 它的熔點是國際計量局（BIPM）制定的國際實用溫標（ITS-90）的正式溫度參考點之一。[16][17][18]國家標準技術研究所（NIST）則優先使用鎵的三相點 302.9166 K（29.7666 °C，85.5799 °F），而不是熔點。[19]

鎵的低熔點使得它可以在人的手中融化。這種液態金屬傾向於形成過冷液體：奈米鎵顆粒在90 K下仍可以保持液態。[20]加入晶種或者對其震盪即可使鎵重新回到固態[11]。鎵是在室溫或接近室溫下呈液態的四個非放射性金屬之一，另外三個是銫、銣和汞。在這四個金屬中，鎵是唯一一種既沒有高反應性（銣和銫）也沒有高毒性（汞）的，因此可用於高溫溫度計。值得注意的是，它是具有最大液態範圍的金屬之一。與汞不同，鎵在高溫下具有低蒸氣壓。鎵的沸點為2673  K，比它在絕對標度（英語：absolute scale）上的熔點高8倍以上，這是任何元素的熔點和沸點之間的最大比值。[21]雖然鎵的毒性比汞低，需要的預防措施也少得多，但由於液態鎵會浸潤玻璃、皮膚以及很多材料，使得它更難處理。塗在玻璃上的鎵會形成一面明亮的鎵鏡。[22]

不同晶軸的鎵性質[23]
性質 a b c
α（~25 °C, μm/m） 16 11 31
ρ（29.7 °C, nΩ·m） 543 174 81
ρ（0 °C，nΩ·m） 480 154 71.6
ρ（77 K，nΩ·m） 101 30.8 14.3
ρ（4.2 K，pΩ·m） 13.8 6.8 1.6

晶體鎵不屬於任何簡單的晶體結構。鎵在標準情況下的晶體結構是正交晶系，一個單元格（英語：unit cell）里有8個原子。在一個單元格中，每個原子都只有一個最近的原子（距離為244 pm）。剩下的六個原子則距離較遠，而這六個原子也以244 pm的距離成對。[24]鎵由於溫度和壓力的變化，會形成許多穩定和亞穩定的相態。[25]

兩個最接近的鎵原子之間的鍵是共價鍵，因此Ga2二聚體被視為晶體鎵的基本組成部分。這解釋了為什麼鎵相對於鄰近的鋁和銦有較低的熔點。這種結構驚人地和碘相似，可能是鎵原子比4s電子和[Ar]3d10原子實更遠離原子核的單個4p電子之間的相互作用而成的。這種現象在同為液態的汞的「擬惰性氣體」電子構型 [Xe]4f145d106s2中再次出現。[26]鎵的3d10電子不能遮蔽外層的電子，所以鎵的第一游離能比鋁大。[12]液態鎵中不存在Ga2二聚體，而是形成複雜的低配位結構，其中每個鎵原子只被10個原子環繞，而其它液態金屬則被11-12個原子環繞。[27][28]

鎵的物理性質有極高的各向異性，也就是沿三個主要的晶軸a、b和c（見圖）測量的值不同。溫度會強烈影響鎵的性質，尤其是在熔點附近的溫度。例如，鎵在熔化時的熱膨脹係數會增加數倍。[23]

同位素 編輯

主條目：鎵的同位素

鎵有31中同位素，原子量在56到86之間。在這些同位素中，只有兩種在自然界中存在的穩定同位素，分別為鎵-69和鎵-71。較常見的鎵-69占了天然鎵的60.1%，而鎵-71則組成了剩下的39.9%。剩下的鎵同位素都有放射性，其中最穩定的是鎵-67（半衰期3.261天）。輕於鎵-69的鎵同位素通常通過正β衰變（正電子發射）或是電子捕獲衰變成鋅，而最輕的幾個鎵同位素（鎵-56至鎵-59）則通過質子發射衰變。重於鎵-71的鎵同位素則通過β衰變（電子發射）衰變成鍺, 而鎵-70可以通過β衰變或是電子捕獲兩種方式衰變。鎵-67由於其衰變能量不足以正電子發射，所以它只能通過電子捕獲衰變。[29]

化學性質 編輯

鎵主要以+3氧化態存在。鎵的+1氧化態比較重的同類物銦和鉈罕見，但也存在於某些化合物中。舉個例子，非常穩定的GaCl2同時含有鎵(I)和鎵(III)，結構為GaIGaIIICl4。作為比較，鎵的一氯化物在0 °C以上不穩定，會歧化成單質鎵和三氯化鎵。真正的鎵(II)化合物含有Ga–Ga鍵，例如GaS（結構為Ga24+(S2−)2）和二氧六環錯合物Ga2Cl4(C4H8O2)2。[30]

水溶液化學 編輯

強酸可以溶解鎵，形成像是Ga(NO
3)
3的鎵(III)化合物。鎵(III)化合物的水溶液含有水合鎵(III)離子[Ga(H
2O)
6]3+
。[31]:1033氫氧化鎵 Ga(OH)
3可以通過鎵(III)溶液和氨反應沉澱而成。Ga(OH)
3在100 °C下脫水，形成鹼式氧化鎵 GaO(OH)。[32]:140–141

鹼性氫氧化物溶液也可以溶解鎵，形成含有Ga(OH)−
4離子的鎵酸鹽。[33][31]:1033[34]兩性的氫氧化鎵也溶於鹼，形成鎵酸鹽。[32]:141早期研究認為Ga(OH)3−
6可能存在，[35]但之後的研究沒發現這種離子。[34]

和氧族元素的化合物 編輯

鎵在高溫下才會和氧族元素反應。由於形成了保護性的氧化物層，室溫下的鎵不與空氣和水反應。不過，高溫下的鎵會和空氣中的氧氣，形成氧化鎵 Ga
2O
3。[33]在500 °C至700 °C的真空下使用單質鎵還原Ga
2O
3會產生深棕色的氧化亞鎵 Ga
2O。[32]:285Ga
2O是很強的還原劑，可以把H
2SO
4還原成H
2S。[32]:207它在800 °C下歧化成單質鎵和Ga
2O
3。[36]

硫化鎵 Ga
2S
3有三種晶體結構。[36]:104它可以通過鎵和硫化氫 H
2S在950 °C下反應而成。[32]:162它也可以由Ga(OH)
3和硫化氫在747 °C下反應而成：[37]

2 Ga(OH)
3 + 3 H
2S → Ga
2S
3 + 6 H
2O

鹼金屬碳酸鹽、Ga
2O
3和H
2S的反應會產生含有[Ga
2S
4]2−
陰離子的硫代鎵酸鹽。強酸會和這種鹽反應，並放出H
2S。[36]:104–105硫代鎵酸汞HgGa
2S
4可用作磷光體。[38]

鎵也有低氧化態的硫化物，例如一硫化鎵和綠色的一硫化二鎵。後者可以由前者在氮氣中加熱到1000 °C而成。[36]:94

Ga
2Se
3和Ga
2Te
3則呈閃鋅礦結構。它們都是半導體，但因容易水解而用處有限。[36]:104

和氮族元素的化合物 編輯

 
 
氮化鎵（左）和砷化鎵（右）

鎵和氨在1050 °C下反應，形成氮化鎵 GaN。鎵也可以分別和磷、砷和銻形成磷化鎵（GaP）、砷化鎵（GaAs）和銻化鎵（GaSb）。這些化合物的晶體結構和ZnS一樣，且都是半導體。[31]:1034GaP、GaAs和GaSb可以通過鎵和對應的氮族元素直接反應而成。[36]:99它們的電導率比GaN大。[36]:101GaP也可以通過Ga
2O和磷在低溫下反應而成。[39]

鎵可以形成三元氮化物：[36]:99

Li
3Ga + N
2 → Li
3GaN
2

類似的三元磷化物和砷化物也是已知的，例子有Li
3GaP
2和Li
3GaAs
2。這些化合物很容易和水或稀酸反應。[36]:101

鹵化物 編輯

參見：鹵化鎵（英語：Gallium halides）

氧化鎵會和HF或F
2等氟化劑反應，形成三氟化鎵 GaF
3。它是不溶於水的離子化合物。它可溶於氫氟酸並和水形成加合物 GaF
3·3H
2O。嘗試對這種加合物脫水只會產生 GaF
2OH·nH
2O。它和氨反應，產生 GaF
3·3NH
3，後者加熱可以生成 GaF
3。[32]:128–129

三氯化鎵可以由金屬鎵和氯氣反應而成。[33]和三氟化鎵不同，三氯化鎵以二聚體分子 Ga
2Cl
6存在，熔點78 °C。溴化物Ga
2Br
6和碘化物Ga
2I
6的結構也是這樣。[32]:133

和其它硼族元素鹵化物一樣，鎵(III)鹵化物都是路易斯酸，會和鹼金屬鹵化物反應，形成GaX−
4陰離子（X是鹵素）。它也會和鹵烷反應，形成碳正離子和GaX−
4。[32]:136–137

加熱時，鎵(III)鹵化物會和單質鎵反應，形成對應的鎵(I)鹵化物。舉個例子，GaCl
3和Ga反應，形成GaCl：

2 Ga + GaCl
3 ⇌ 3 GaCl (g)

在低溫下，反應平衡會向左移動，GaCl也會歧化成GaCl
3和單質鎵。GaCl也可以通過Ga和HCl在950 °C下反應而成，產物可凝華成紅色固體。[31]:1036

鎵(I)鹵化物可以通過和路易斯酸形成加合物而穩定存在：

GaCl + AlCl
3 → Ga+
[AlCl
4]−

「鎵(II)鹵化物」 GaX
2其實是鎵(I)鹵化物和鎵(III)鹵化物的加合物，結構為Ga+
[GaX
4]−
。例子：[33][31]:1036[40]

GaCl + GaCl
3 → Ga+
[GaCl
4]−

氫化物 編輯

和鋁一樣，鎵也會形成氫化物 GaH
3。這種氫化物叫做氫化鎵，可以通過氫化鎵鋰（LiGaH
4）和三氯化鎵在−30 °C下反應而成：[31]:1031

3 LiGaH
4 + GaCl
3 → 3 LiCl + 4 GaH
3

如果使用甲醚作為溶劑，GaH
3會聚合成(GaH
3)
n。如果沒有使用溶劑，氫化鎵就會二聚成氣態的乙鎵烷 Ga
2H
6。它的結構類似乙硼烷，在兩個鎵原子之間有兩個橋接氫原子。[31]:1031

氫化鎵在 −10 °C以上不穩定，會分解成單質鎵和氫氣。[41]

有機鎵化合物 編輯

主條目：有機鎵化合物

有機鎵化合物的反應性和有機銦化合物類似，比有機鋁化合物的活性低，但比有機鉈化合物的活性高。[42]烷基鎵是單體。硼族元素的有機化合物的路易斯酸性以 Al > Ga > In 遞減，因此有機鎵化合物不和有機鋁化合物一樣形成橋接二聚體。有機鎵化合物可以形成穩定的過氧化物。[43]烷基鎵在室溫下為液態，熔點低且容易燃燒。三苯基鎵在溶液中為單體，但它的結晶由於分子間的Ga···C 相互作用而形成鏈狀結構。[42]

三氯化鎵是有機鎵化合物的常見前體。[44]三氯化鎵和環戊二烯基鋰在乙醚中反應，可以形成平面三角形的環戊二烯基錯合物 GaCp3。鎵(I)可以和像是六甲苯的芳香化合物配位基形成錯合物。由於六甲苯配位基很大，所以[Ga(η6-C6Me6)]+是半夾心結構（英語：half sandwich compound）的。較小的均三甲苯則可以使中心的鎵原子和兩個配位基以彎曲的夾心結構配合。更小的苯則可以使錯合物形成例如 [Ga(η6-C6H6)2] [GaCl4]·3C6H6的二聚體。[42]

歷史 編輯

液態鎵融合在一起

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、氧化物的特徵、和氯的成鍵等性質與隨後發現的「鎵」實值相差無幾[45] 。

門得列夫在1871年預測的性質和鎵的實際性質對比[46]
性質 門得列夫的預測 實際性質
原子量 ~68 69.723
密度 5.9 g/cm3 5.904 g/cm3
熔點 低 29.767 °C
氧化物的化學式 M2O3 Ga2O3
氧化物密度 5.5 g/cm3 5.88 g/cm3
氫氧化物性質 兩性 兩性

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（英語：Optical spectrometer）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；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。[46]

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[47] ，後來經過電解氫氧化鎵的氫氧化鉀溶液得到鎵。[48]

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[48] 。

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。[46]

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[22]。1978年，電子行業使用鎵來製造發光二極體、光伏和半導體，[49]而金屬行業則使用它來降低合金的熔點。[50]

存在 編輯

鎵在地球地殼中不以單質存在，而像是gallite（CuGaS2）的高鎵礦物則因為太稀有而不能作為鎵的主要來源。[51]鎵在地球地殼中的豐度約為16.9 ppm，[52]可以和鉛、鈷和鈮比較，然而，鎵不像這些元素，它不會形成礦床。它痕量存在於鋅礦石中，[51][53]在鋁礦石中的含量略高（~50 ppm），以副產品的形式從這兩種礦石中提取。這種缺乏獨立礦床的原因是鎵的地球化學性質，在大多數與礦床形成相關的過程中都沒有顯示出強烈的富集性。[51]

美國地質調查局（USGS）估計已知的鋁礬土和鋅礦石儲量中含有超過100萬噸的鎵。[54][55]一些煤煙道（英語：flue）灰塵中含有少量的鎵，通常含量低於1%（按重量計）。[56][57][58][59]然而，如果不開採主礦，這些鎵是不可提取的（見下文）。因此，鎵的產量從根本上取決於鋁礬土和鋅礦石（和煤）的產量。

生產 編輯

 
99.9999%（6N）鎵（真空安瓿密封）

鎵是生產其它金屬的過程中的副產品。它的主要來源是鋁的主要礦石鋁礬土，也有少量的鎵來自硫化鋅礦（主要是閃鋅礦）。[60][61]以前，某些煤炭也是鎵的重要來源。

在拜耳法中將鋁礬土加工成氧化鋁的過程中，鎵會在氫氧化鈉溶液中積累，這些鎵可以通過多種方法提取。最新的方法是使用離子交換樹脂。[60]鎵的提取率主要取決於鋁礬土原料中鎵的原始濃度。在50 ppm的典型濃度下，大約15%的鎵是可提取的，[60]剩下的部分則通過紅泥（英語：red mud）和氫氧化鋁流失。溶液中的鎵之後通過離子交換樹脂分離，對其電解可以得到金屬鎵。半導體鎵則要用區域熔融技術提純，或從熔融物中提取單晶（即柴氏法）。99.9999%純的鎵已經能例行取得，並且在商業上有廣泛應用。[62]

 
牙買加的鋁礬土區（1984年）

以副產品的形式開採意味著鎵的生產受到每年提取的鋁礬土、硫化鋅礦石（和煤）數量的限制，因此需要根據供應潛力來討論其可用性。副產品的供應潛力定義為在當前市場條件（即技術和價格）下，「每年」從其主體材料中經濟可提取的數量。[63]因為它們不能從主要產品中獨立提取，所以副產品的儲量和資源與供應潛力無關。[64]最近的預測認為鋁礬土的鎵供應潛力至少為2100噸/年，硫化鋅礦石的供應潛力為85噸/年，而煤炭的潛在供應量為590噸/年。[60]這些數值顯著大於目前的產量（375噸，2016年）。[65]因此，在不顯著增加生產成本或價格的情況下，鎵的副產品產量將有可能在未來大幅增加。2016年低品位鎵的平均價格為每公斤120美元，2017年則為每公斤135-140美元。[66]

2017年，全球低品位鎵的產量約為315噸，比2016年高出了15%。中國、日本、韓國、俄羅斯和烏克蘭是鎵的主要生產國，而德國在2016年停止了鎵的生產。高純鎵的產量則約為180噸，主要來自中國、日本、斯洛伐克、英國和美國。全球2017年的年產量極限預測為730噸（低品位）和320噸（高純）。[66]

中國於2016年生產了約250噸低品位鎵，而2017年時生產了約300噸，占全球LED產量的一半以上。[66]2023年8月1日起，中國對鎵相關產品進行出口管制。[67]

用途 編輯

鎵的商業需求由半導體應用主導，它占了總需求的98%。鎵的另一個主要用途是釓鎵石榴石（英語：gadolinium gallium garnet）。[68]

半導體 編輯

 
以鎵為基礎製成的藍色LED

極純（>99.9999%）的鎵可用於半導體工業。2007年，用於電子元件的砷化鎵（GaAs）和氮化鎵（GaN）約占美國鎵消費量的98%。在美國，大約66%的半導體鎵用於集成電路（主要是砷化鎵），例如製造超高速邏輯晶片和用於手機中的低噪聲微波前置放大器的金屬半導體場效應管。約有20%的半導體鎵則用於光電工程。[54]

全球的砷化鎵占了全球鎵年消費量的95%。[62]2016年的砷化鎵金額為75億美元，其中53%來自手機，27%來自無線通信，其餘來自汽車、消費者、光纖和軍事應用。最近GaAs消費量的增加主要與3G和4G智慧型手機的出現有關，它們使用的GaAs量是舊型號的10倍。[66]

砷化鎵和氮化鎵也存在於各種光電器件中，2015年和2016年的市場份額分別為153億美元和185億美元。[66]砷化鋁鎵（英語：Aluminium gallium arsenide）（AlGaAs）也用於高能紅外線發光二極體。半導體氮化鎵和氮化銦鎵（英語：indium gallium nitride）則用於藍色和紫色光電器件，主要是雷射二極體和發光二極體。例如，405nm氮化鎵二極體雷射器被用作高密度藍光光碟緊湊型數據磁碟驅動器的紫色光源。[69]

為衛星電力應用而開發的多結光伏電池由砷化鎵、磷化銦鎵或砷化銦鎵（英語：Indium gallium arsenide）薄膜的分子束外延或有機金屬化學氣相沉積法製成。火星探測漫遊者和多顆衛星在鍺電池上使用三結砷化鎵。[70]鎵也是用於太陽能板的光伏化合物（例如Cu(In,Ga)(Se,S)
2）中的一種成分，這些化合物是晶體矽（英語：Crystalline silicon）具有成本效益的替代品。[71]

合金 編輯

 
鎵銦錫合金可以輕易浸潤普通玻璃
 
由於它們的低熔點，鎵及其合金可以通過3D列印成型為各種3D形式

鎵可以和大部分金屬形成低熔點合金（英語：low-melting alloys）。鎵、銦和錫組成的幾乎共晶的合金鎵銦錫合金在室溫下是液體，用於醫用溫度計。它的熔點只有−19 °C（−2.2 °F）。[72]有人建議鎵合金可以用來代替水冷卻計算機晶片，並經常被用作高性能計算中導熱膏的替代品。[73][74]鎵合金是銀汞的替代品，但尚未得到廣泛接受。

因為鎵可以浸潤玻璃或瓷器，鎵可以用來製造閃亮的鏡子。當不需要鎵合金的浸潤時（如鎵銦錫合金玻璃溫度計中），必須用氧化鎵透明層保護玻璃。[75]

用於製造原子彈彈芯的鈽需要停留在δ相（英語：allotropes of plutonium），而它通過與鎵形成合金（英語：Plutonium–gallium alloy）而使得它可加工。[76]

鎵和銦可以形成低熔點合金，如含25%銦的鎵合金，在16℃時便熔化，可用於自動滅火裝置中[77]。若溫度在熔點之上，鎵和銦混合研磨時便可自動形成合金。

生物醫學 編輯

雖然生物體內的自然反應作用並不利用鎵，但鎵離子在生物體內所參與的各種反應過程與鐵(III)類似。這些生物作用包括炎症，是許多疾病的指標，所以有一些鎵鹽在醫療中被用作藥物和放射性藥物（或正在開發中）。由於發現注射67Ga(III)的檸檬酸鹽到帶有腫瘤的動物體內後，鎵鹽會聚積於腫瘤部位，激起了研究鎵鹽用於抗癌的興趣。臨床研究發現硝酸鎵對非霍奇金氏淋巴瘤和尿路上皮癌具有抗腫瘤活性。而新一代的鎵錯合物，例如麥芽醇鎵和三(8-喹啉酸)鎵(III)（KP46），也已出現。[78]硝酸鎵已被用作靜脈注射藥物治療骨骼惡性轉移造成的高鈣血症。推測這是因為鎵干擾破骨細胞的功能，當其它治療失敗時，嘗試此治療可能會見效。[79] 麥芽醇鎵（英語：Gallium maltolate）是極易吸收的口服鎵(III)鹽，可以對抗病理性增殖細胞的增殖，特別是癌細胞和某些用鎵代替三價鐵（Fe3+）的細菌。正在進行以這種化合物進行治療癌症、傳染病和發炎疾病的臨床與臨床前試驗。[80]

鎵離子被細菌攝入（例如假單胞菌屬的細菌）可干擾細菌的呼吸作用而殺死細菌。這是因為鎵離子取代了鐵(III)在細菌生化反應中的角色：鐵離子可以被氧化與還原，允許在呼吸作用中轉移電子，而鎵離子不能氧化還原。[81][82]

一種鎵(III)錯合物MR045對於已對氯喹（一種抗瘧疾的常用藥物）發生抗藥性的寄生蟲具有選擇性毒性。這種鎵(III)錯合物和氯嗪的作用，都是抑制寄生蟲消化血液形成瘧色素的結晶化。[83][84]

放射性鎵化合物 編輯

鎵-67的鹽（例如檸檬酸鎵和硝酸鎵），是核子醫學掃描（鎵掃描（英語：gallium scan））中所使用的放射性藥物。所利用的是鎵-67，至於是什麼鎵鹽並不重要。人體會把Ga3+看作是Fe3+，因此鎵離子會濃集於發炎以及有快速細胞分裂的地方。於是可以使用核掃描技術攝影成像。[85]

半衰期68分鐘的鎵-68會放出正電子，被用於正子斷層造影作為診斷放射性核種。將鎵與體抑素的類似物結合，可以利用這種錯合物追蹤神經內分泌腫瘤。鎵-68可以從鎵-68製造器（英語：gallium-68 generator）中鍺的放射性同位素鍺-68的衰變而成，然後通過洗脫（英語：elution）提取。[86]

其它用處 編輯

鎵可用於探測中微子。可能是有史以來有最多純鎵的地方是俄羅斯巴克三中微子觀測所在俄美鎵實驗（英語：SAGE (Soviet-American Gallium Experiment)）中所使用的鎵-鍺中微子望遠鏡。這個探測器含有55–57噸（~9立方米）的液鎵。[87]另一個實驗是1990年代初在義大利山區隧道中運行的GALLEX（英語：GALLEX）中微子探測器，探測器中裝有12.2噸加水的鎵-71。太陽中微子會使幾個原子的71Ga變成放射性的71Ge，而後者會被檢測到。該實驗表明，太陽中微子通量比理論預測少40%。在構建更好的太陽中微子探測器和理論之前，這種缺陷沒有得到解釋（參見SNO）。[88]

鎵還用作聚焦離子束（英語：Focused ion beam）的液態金屬離子源（英語：Liquid metal ion source）。鎵離子聚焦束創造了世界上最小的書——《蕪菁鎮的小泰德（英語：Teeny Ted from Turnip Town）》。[89]鎵的另一用途是作為滑雪板滑行蠟和其他低摩擦表面材料的添加劑。[90]

由於鎵的外觀類似它較輕的同類物鋁，化學家之間著名的惡作劇是製作鎵湯匙並用它們為毫無戒心的客人提供茶水。這些湯匙會在熱茶中融化。[91]

海洋中的鎵 編輯

微量元素檢測的進展使科學家能夠發現大西洋和太平洋中溶解的鎵的痕跡。[92]近年來，在波弗特海中也檢測到了鎵。[92][93]這些報告反映了太平洋和大西洋水域的可能剖面。[93]在太平洋中，深度小於150 m的部分的鎵溶解度通常為4–6 pmol/kg，而大西洋深度大於350 m的部分的鎵溶解度則為25–28 pmol/kg。[93]

鎵主要通過風蝕進入海洋，這些鎵可用於解決海洋中鋁的分布問題。[94]這是因為鎵的地球化學性質類似鋁，只不過較難反應。鎵在水表面的停留時間也比鋁稍長。[94]鎵具有與鋁相似的溶解曲線，因此鎵可用作鋁的示蹤劑。[94]鎵也可以用作鐵的風蝕示蹤劑。[95]鎵在西北太平洋、南大西洋和中大西洋被用作鐵的示蹤劑。[95]舉個例子，西北太平洋中的水面的鎵含量低，可以解釋高營養低葉綠素（英語：high-nutrient, low-chlorophyll）環境。[95]

毒性 編輯

鎵
 
危險性
GHS危險性符號
 
GHS提示詞 Danger
H-術語 H290, H318
P-術語 P280, P305, P351, P338, P310[96]
NFPA 704
0
1
0
 
若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

金屬鎵無毒，但暴露於鹵化鎵錯合物會造成急性毒性。[97]大劑量可溶的Ga3+鹽會傾向於形成不可溶的氫氧化物，而氫氧化物沉澱有腎毒性（英語：nephrotoxicity）。在較低劑量下，可溶性鎵會通過尿液排出體外而不作為毒物積累。鎵的排泄分兩個階段進行：第一階段的生物半衰期為1小時，而第二階段的生物半衰期為25小時。[85]

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外部連結 編輯

取自「https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=镓&oldid=82211646」