鎵(金屬鎵):發現歷史,含量分布,理化性質,物理性質,化學性質,套用領域,工業用途

鎵（Gallium）是灰藍色或銀白色的金屬，符號Ga，原子量69.723。鎵的熔點很低，沸點很高。純液態鎵有顯著的過冷的趨勢，在空氣中易氧化，形成氧化膜。

基本介紹

中文名：鎵
外文名：Gallium
元素符號：Ga
原子量：69.723
發現人：布瓦博得朗
CAS號：7440-55-3
原子序數：31
每層電子排布：2,8,18,3
密度（20℃）：5.91g/cm3
熔點：29.8℃
密度：5.904 g/mL at 25 °C
EINECS號：231-163-8
危險品運輸號 ：UN 3264 8/PG 3
沸點：2403℃
發現時間：1875

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發現歷史

鎵在巴黎由布瓦博得朗於1875年發現。他在閃鋅礦礦石（ZnS）中提取的鋅的原子光譜上觀察到了一個新的紫色線。他知道這意味著一種未知的元素出現了。

布瓦博得朗沒有意識到的是它的存在和屬性，都已經被門捷列夫成功預言了，他的元素周期表顯示出在鋁下面有個間隙尚未被占據。他預測這種未知的元素原子量大約是68，它的密度是5.9g/cm³。

在1875年11月，布瓦博得朗提取並提純了這種新的金屬，並證明了它像鋁。在1875年12月，他向法國科學院宣布了它。

含量分布

由於鎵在地殼中的濃度很低.在地殼中占重量的0.0015%。它的分布很廣泛，但不以純金屬狀態存在，而以硫鎵銅礦（CuGaS₂）形式存在，不過很稀少，經濟上也不重要。鎵是閃鋅礦，黃鐵礦，礬土，鍺石工業處理過程中的副產品。

自然界中常以微量分散於鋁土礦、閃鋅礦等礦石中。由鋁土礦中提取製得。在高溫灼燒鋅礦時，鎵就以化合物的形式揮發出來，在煙道里凝結，鎵常與銦和鉈共生。經電解、洗滌可以製得粗鎵，再經提煉可得高純度鎵。

時下世界90%以上的原生鎵都是在生產氧化鋁過程中提取的，是對礦產資源的一種綜合利用，通過提取金屬鎵增加了礦產資源的附加值，提高氧化鋁的品質降低了廢棄物“赤泥”的污染，因此非常符合當前低碳經濟以最小的自然資源代價獲取最大利用價值的原則。鎵在其它金屬礦床中的含量極低，經過一定富集後也只能達到幾百克/噸，因而鎵的提取非常困難，另一方面，由於伴生關係，鎵的產量很難由於鎵價格上漲而被大幅拉動，因此，原生鎵的年產量極少，全球年產量不足300噸，是原生銦產量的一半，如果這種狀況不能得到改善，未來20-30年這些金屬鎵將會出現嚴重短缺。

理化性質

物理性質

淡藍色金屬，在29.76℃時變為銀白色液體。液態鎵很容易過冷即冷卻至0℃而不固化。微溶於汞，形成鎵汞齊。鎵能浸潤玻璃，故不宜使用玻璃容器存放。

受熱至熔點時變為液體，再冷卻至0℃而不固化，由液體轉變為固體時，其體積約增大3.2%。硬度1.5～2.5。常溫時鎵在乾燥空氣中穩定。

很容易水解，尤其是在生理學的pH值下。純鎵是銀白色的，可以浸潤玻璃，沸點很高，在大約1500℃時有很低的蒸汽壓。

熔點	29.76℃
沸點	2403℃
密度	5.904克/立方厘米

化學性質

外圍電子排布4s²4p¹，位於第四周期第ⅢA族。

在潮濕空氣中氧化，加熱至500℃時著火。室溫時跟水反應緩慢，跟沸水反應劇烈生成氫氧化鎵放出氫氣。加熱時溶於無機酸或苛性鹼溶液。能跟鹵素、硫、磷、砷、銻等反應。

鎵在乾燥空氣中較穩定並生成氧化物薄膜阻止繼續氧化，在潮濕空氣中失去光澤。與鹼反應放出氫氣，生成鎵酸鹽。能被冷濃鹽酸浸蝕，對熱硝酸顯鈍性，高溫時能與多數非金屬反應；溶於酸和鹼中，鎵在化學反應中存在+1、+2和+3化合價，其中+3為其主要化合價。鎵的活動性與鋅相似，卻比鋁低。鎵是兩性金屬，既能溶於酸（產生Ga³⁺）也能溶於鹼。鎵在常溫下，表面產生緻密的氧化膜阻止進一步氧化。加熱時和鹵素、硫迅速反應，和硫的反應按計量比不同產生不同的硫化物。

生理學：還沒有發現鎵有生理微量元素的功能。和鋁一樣，它只通過腸道很微量的吸收。可以利用三氧化二鎵在老鼠、家鼠、狗肺部沉積的數據。

皮下注射鎵後，鎵在組織中的分布模式是定時得，這和靜脈注射很相似。鎵在組織中的分布模式取決於攝入鎵的劑量。主要的排泄渠道是尿液。癌症患者對鎵的清理分為兩階段，半衰期分別為87分鐘和24.5小時。

鎵的毒性是和生物的種類相關的。在服用濃度高於750mg/kg時才會表現出對人腎臟的毒性。對老鼠的實驗表明，鎵會導致鎵，鈣和磷酸鹽在腎中的沉積，這會堵塞腎腔。

分析化學：Dymov和Savostin曾對鎵的分析化學作了全面的回顧。由於鎵在環境中的濃度很低，靈敏度是選擇探測方法時的主要問題。由於這個原因，最常用螢光計和中子活化法。可以在測量前對樣品進行濃縮，例如，通過溶劑提取，提高了靈敏度，但增加了勞動量。8-羥基醌常用於生物材料中鎵的螢光測定法。水楊醛二氯腙化碳作為螢光物質，使探測極限降到了2ng/L。pyrrolidinecarbodithioate和二乙基二硫代氨基甲酸鹽的混合物用於在中子活化法前提取鎵。鎵的探測極限可以達到1ng/L。

原子序數	31
原子量	69.72
共價半徑	125皮米
離子半徑	82皮米
第一電離能	578.8kJ/mol
電負性	1.6

毒理性質：鎵的毒性是和生物的種類相關的。在一項研究中，老鼠的LD50大於220mg/kg，狗的只有18mg/kg。狗的死亡是由於腎功能的衰竭。

鎵和鎵的化合物有微弱的毒性，但是沒有任何文獻表明鎵有生殖毒性。相反，硝酸鎵可以用於治療某些疾病。鎵容易附著到桌面、手、還有手套上留下黑色的斑跡。

套用領域

工業用途

製造半導體氮化鎵、砷化鎵、磷化鎵、鍺半導體摻雜元；純鎵及低熔合金可作核反應的熱交換介質；高溫溫度計的填充料；有機反應中作二酯化的催化劑。

鎵的工業套用還很原始，儘管它獨特的性能可能會套用於很多方面。液態鎵的寬溫度範圍以及它很低的蒸汽壓使它可以用於高溫溫度計和高溫壓力計。鎵化合物，尤其是砷化鎵在電子工業已經引起了越來越多的注意。沒有能利用的精確的世界鎵產量數據，但是臨近地區的產量只有20噸/年。

鎵-68會發射正電子，可以用於正電子斷層成像。

鎵銦合金可用於汞的替代品。

醫學套用

在觀察到癌組織對67Ga有吸引力之後，美國國家癌症學會指出穩定的鎵對於齧齒動物的腫瘤很有療效。這曾在癌症病人身上試驗過。當服用劑量為750mg/kg時，鎵對人的腎臟有害。不停的灌輸鎵的配製藥品可以降低鎵對腎小管的毒性。

製備方法

可由鋁土礦或閃鋅礦中提取。最後經電解製得純淨鎵。

主要從煉鋅廢渣和煉鋁廢渣中回收提取。

工業生產以工業級金屬鎵為原料，用電解法、減壓蒸餾法、分步結晶法、區域熔融法進一步提純，製得高純鎵。電解法以99.99%的工業級金屬鎵為原料，經電解精煉等工藝，製得高純鎵的純度≥99.999%。以≥99．999%的高純鎵為原料，經拉制單晶或其他提純工藝進一步提純，製得高純鎵的純度≥99．99999%。

儲存方法

由於液態鎵的密度高於固體密度，凝固時體積膨脹，而且熔點很低，儲存時會不斷地熔化凝固。所以使用玻璃儲存會撐破瓶子和浸潤玻璃造成浪費，鎵適合使用塑膠瓶（不能盛滿）儲存。

鎵