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鎵
(化學元素)
鎖定
- 中文名
- 鎵 [8]
- 外文名
- Gallium [8]
- CAS登錄號
- 7440-55-3 [8]
- EINECS登錄號
- 231-163-8 [8]
- 熔 點
- 29.76 ℃
- 沸 點
- 2403 ℃ [8]
- 水溶性
- 不溶於水
- 密 度
- 5.904 g/cm³
- 外 觀
- 灰藍色或銀白色
- 安全性描述
- S26;S45;S36/37/39;S28;S27
- 危險性符號
- Xi
- 危險性描述
- R36/37/38
- UN危險貨物編號
- 3264
- 元素符號
- Ga
- 原子量
- 69.723
- 發現人
- 布瓦博得朗
- 原子序數
- 31
- 發現時間
- 1875年
- 週 期
- 第四周期
- 族
- ⅢA族
- 區
- p區
- 電子排布
- [Ar] 3d104s24p1(2,8,18,3)
- 電負性
- 1.81(鮑林標度)
- 原子半徑
- 135pm
鎵理化性質
鎵物理性質
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%。常温時鎵在乾燥空氣中穩定。
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。
硬度 | 1.5~2.5 |
---|---|
溶解性 | 微溶於汞,形成鎵汞齊 |
熔點 | 29.76℃ |
沸點 | |
密度 |
鎵化學性質
電子排布[Ar]3d104s24p1,位於第四周期第ⅢA族。
在潮濕空氣中氧化,加熱至500℃時着火。室温時跟水反應緩慢,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,高温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。鎵在常温下,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。
[2]
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,最常用熒光計和中子活化法。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熒光測定法。水楊醛二氯腙化碳作為熒光物質,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 |
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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(鮑林標度) | 1.81 |
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。鎵容易附着到桌面、手、還有手套上留下黑色的斑跡。
鎵製備方法
主要從煉鋅廢渣和鍊鋁廢渣中回收提取。
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。
[4]
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%。
[4]
鎵應用領域
鎵工業用途
鎵的工業應用還很原始,儘管它獨特的性能可能會應用於很多方面。液態鎵的寬温度範圍以及它很低的蒸汽壓使它可以用於高温温度計和高温壓力計。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。
鎵醫學應用
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。
[4]
鎵發現歷史
鎵是化學史上第一個先從理論預言,後在自然界中被發現驗證的化學元素。1871年,門捷列夫發現元素週期表中鋁元素下面有個間隙尚未被佔據,他預測這種未知元素的原子量大約是68,密度為5.9g/cm³,性質與鋁相似,他的這一預測被法國化學家布瓦博得朗(Paul Emile Lecoq de Boisbaudran)證實了。
[5]
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。他知道這意味着一種未知的元素出現了。
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,他向法國科學院宣佈了它。
鎵含量分佈
由於鎵在地殼中的濃度很低。在地殼中佔總量的0.0015%。它的分佈很廣泛,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。
[6]
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。鎵在其它金屬礦牀中的含量極低,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。
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鎵儲存方法
鎵最新研發
2014年9月23日,美國北卡羅來納州一個科研團隊日前研發出一種可進行自我修復的變形液態金屬,距離打造“終結者”變形機器人的目標更進一步。
科學家們使用鎵和銦合金合成液態金屬,形成一種固溶合金,在室温下就可以成為液態,表面張力為每米500毫牛頓。這意味着,在不受外力情況下,當這種合金被放在平坦桌面上時會保持一個幾乎完美的圓球不變。當通過少量電流刺激後,球體表面張力會降低,金屬會在桌面上伸展。這一過程是可逆的:如果電荷從正轉負,液態金屬就會重新成為球狀。更改電壓大小還可以調整金屬表面張力和金屬塊粘度,從而令其變為不同結構。
北卡羅來納州立大學副教授邁克爾·迪基(Michael Dickey)説:“只需要不到一伏特的電壓就可改變金屬表面張力,這種改變是相當了不起的。我們可以利用這種技術控制液態金屬的活動,從而改變天線形狀、連接或斷開電路等。”
鎵熔沸點的差異
有趣的是,儘管鎵的熔點僅僅只有區區29.76℃,按照正常人直覺式的認知,鎵的沸點應該很低,但事實上鎵的沸點達到了整整2403℃——差了2373℃。這個沸點幾乎與高沸點金屬——銅、銀、鐵等相當。對比一下,汞的熔點是-38.86℃,沸點是356.72℃,僅僅差了395.58℃。現代研究表明,這是因為Ga晶體中存在Ga2分子,熔化時克服的是分子間的範德華力,而沸騰時Ga2要裂解成原子,克服的是共價鍵的靜電力。這就導致了鎵熔化容易沸騰難,因為共價鍵是很難被破壞的。
- 參考資料
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- 1. 那寶明等.高純鎵的生產:冶金工業,2008
- 2. 張青蓮等.無機化學叢書:科學出版社,1987
- 3. 田慶華. 金屬元素大探秘[M]. 2018.
- 4. 鎵 .chemicalbook[引用日期2014-09-12]
- 5. 劉豔春編著. 門捷列夫、羅蒙諾索夫[M]. 2003.
- 6. 《礦產資源工業要求手冊》編委會. 礦產資源工業要求手冊 2014修訂版[M]. 2014.
- 7. 中華人民共和國國家標準 高純鎵
- 8. 鎵 .化源網[引用日期2022-11-08]
- 9. 廣西大學團隊製備出芯片產業關鍵原材料7N高純鎵 .中國日報網.2023-08-07[引用日期2023-08-07]