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原子序数为31的化学元素

(英語:Gallium)是一種化學元素化學符號Ga」,原子序31,位於元素週期表的第13族,為一種貧金屬,與具有相似的特性。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))。

镓   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)




外觀
金屬:銀色
銀色金屬光澤
概況
名稱·符號·序數 镓(gallium)·Ga·31
元素類別 贫金属
·週期· 13 ·4·p
標準原子質量 69.723(5)
電子排布

[] 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 °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 3, 2, 1
两性
電負性 1.81(鲍林标度)
電離能

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
雜項
晶體結構 正交
磁序 抗磁性
電阻率 (20 °C)270 n 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號7440-55-3
最穩定同位素

主条目:镓的同位素

同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰變
方式 能量MeV 產物
69Ga 60.11% 穩定,帶38個中子
71Ga 39.89% 穩定,帶40個中子

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。鎵銦錫合金英语Galinstan(62–95%鎵,5–22%和0–16%)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英语Dopant

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英语Indium gallium nitride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英语Gadolinium gallium garnet

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。

命名與發現编辑

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[1]。 Press|page=105|year=2002|isbn=0-19-284100-9}}</ref>。

鋁下元素
原子量 68 69.72
密度(g/cm3) 6.0 5.904
熔點(℃) 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英语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[2] ,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[3]

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[4]

物理性质编辑

镓非常柔软,富有延展性,固态时为青灰色[5],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[6];在液态转化为固态时,膨胀率为3.4%[6],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。

化学性质编辑

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[7]。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。

生产编辑

 
99.9999%(6N)镓(真空安瓿密封)

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。通过电池的电解和氢氧化钠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。[8]

1986年镓产量估计为40吨。[9]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。[10]到2011年世界镓产量约为216吨。[11]

用途编辑

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)。

合金编辑

镓和可以形成低熔点合金,如含25%铟的镓合金,在16℃时便熔化,可用于自动灭火装置中[5]。若温度在熔点之上,镓和铟混合研磨时便可自动形成合金。

毒性编辑

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。

参考文献编辑

  1. ^ Ball, Philip. The Ingredients: A Guided Tour of the Elements. Oxford University Press. 2002: 105. ISBN 978-0-19-284100-1. 
  2. ^ de Boisbaudran, Lecoq. Caractères chimiques et spectroscopiques d'un nouveau métal, le gallium, découvert dans une blende de la mine de Pierrefitte, vallée d'Argelès (Pyrénées). Comptes Rendus. 1835–1965, 81: 493 [2008-09-23]. 
  3. ^ Weeks, Mary Elvira. The discovery of the elements. XIII. Some elements predicted by Mendeleeff. Journal of Chemical Education. 1932, 9 (9): 1605–1619. Bibcode:1932JChEd...9.1605W. doi:10.1021/ed009p1605. 
  4. ^ 引用错误:没有为名为Greenwood221的参考文献提供内容
  5. ^ 5.0 5.1 《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
  6. ^ 6.0 6.1 《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
  7. ^ 《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
  8. ^ Moskalyk, R. R. Gallium: the backbone of the electronics industry. Minerals Engineering. 2003, 16 (10): 921. doi:10.1016/j.mineng.2003.08.003. 
  9. ^ Greber, J. F.(2012)"Gallium and Gallium Compounds" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, doi:10.1002/14356007.a12_163.
  10. ^ Kramer, Deborah A. Mineral Commodity Summary 2006: Gallium (PDF). United States Geological Survey. [2008-11-20]. 
  11. ^ Gallium report – U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 2012

外部連結编辑