鎵理化性質(zhì)

鎵物理性質(zhì)

淡藍(lán)色金屬，在29.76℃時(shí)變?yōu)殂y白色液體。液態(tài)鎵很容易過(guò)冷即冷卻至0℃而不固化。微溶于汞，形成鎵汞齊。鎵能浸潤(rùn)玻璃，故不宜使用玻璃容器存放。

受熱至熔點(diǎn)時(shí)變?yōu)橐后w，再冷卻至0℃而不固化，由液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w時(shí)，其體積約增大3.2%。硬度1.5～2.5。常溫時(shí)鎵在干燥空氣中穩(wěn)定。

很容易水解，尤其是在生理學(xué)的pH值下。純鎵是銀白色的，可以浸潤(rùn)玻璃，沸點(diǎn)很高，在大約1500℃時(shí)有很低的蒸汽壓。

鎵化學(xué)性質(zhì)

電子排布[Ar]3d¹⁰4s²4p¹，位于第四周期第ⅢA族。

在潮濕空氣中氧化，加熱至500℃時(shí)著火。室溫時(shí)跟水反應(yīng)緩慢，跟沸水反應(yīng)劇烈生成氫氧化鎵放出氫氣。加熱時(shí)溶于無(wú)機(jī)酸或苛性堿溶液。能跟鹵素、硫、磷、砷、銻等反應(yīng)。

鎵在干燥空氣中較穩(wěn)定并生成氧化物薄膜阻止繼續(xù)氧化，在潮濕空氣中失去光澤。與堿反應(yīng)放出氫氣，生成鎵酸鹽。能被冷濃鹽酸浸蝕，對(duì)熱硝酸顯鈍性，高溫時(shí)能與多數(shù)非金屬反應(yīng)；溶于酸和堿中，鎵在化學(xué)反應(yīng)中存在 1、 2和 3化合價(jià)，其中 3為其主要化合價(jià)。鎵的活動(dòng)性與鋅相似，卻比鋁低。鎵是兩性金屬，既能溶于酸（產(chǎn)生Ga³ ）也能溶于堿。鎵在常溫下，表面產(chǎn)生致密的氧化膜阻止進(jìn)一步氧化。加熱時(shí)和鹵素、硫迅速反應(yīng)，和硫的反應(yīng)按計(jì)量比不同產(chǎn)生不同的硫化物。

生理學(xué)：還沒有發(fā)現(xiàn)鎵有生理微量元素的功能。和鋁一樣，它只通過(guò)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(shù)據(jù)。

皮下注射鎵后，鎵在組織中的分布模式是定時(shí)的，這和靜脈注射很相似。鎵在組織中的分布模式取決于攝入鎵的劑量。主要的排泄渠道是尿液。癌癥患者對(duì)鎵的清理分為兩階段，半衰期分別為87分鐘和24.5小時(shí)。

鎵的毒性是和生物的種類相關(guān)的。在服用濃度高于750mg/kg時(shí)才會(huì)表現(xiàn)出對(duì)人腎臟的毒性。對(duì)老鼠的實(shí)驗(yàn)表明，鎵會(huì)導(dǎo)致鎵，鈣和磷酸鹽在腎中的沉積，這會(huì)堵塞腎腔。

分析化學(xué)：Dymov和Savostin曾對(duì)鎵的分析化學(xué)作了全面的回顧。由于鎵在環(huán)境中的濃度很低，靈敏度是選擇探測(cè)方法時(shí)的主要問(wèn)題。由于這個(gè)原因，最常用熒光計(jì)和中子活化法。可以在測(cè)量前對(duì)樣品進(jìn)行濃縮，例如，通過(guò)溶劑提取，提高了靈敏度，但增加了勞動(dòng)量。8-羥基醌常用于生物材料中鎵的熒光測(cè)定法。水楊醛二氯腙化碳作為熒光物質(zhì)，使探測(cè)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于在中子活化法前提取鎵。鎵的探測(cè)極限可以達(dá)到1ng/L。

毒理性質(zhì)：鎵的毒性是和生物的種類相關(guān)的。在一項(xiàng)研究中，老鼠的LD₅₀大于220mg/kg，狗的只有18mg/kg。狗的死亡是由于腎功能的衰竭。

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

可由鋁土礦或閃鋅礦中提取。最后經(jīng)電解制得純凈鎵。

主要從煉鋅廢渣和煉鋁廢渣中回收提取。

工業(yè)生產(chǎn)以工業(yè)級(jí)金屬鎵為原料，用電解法、減壓蒸餾法、分步結(jié)晶法、區(qū)域熔融法進(jìn)一步提純，制得高純鎵。 電解法 以99.99%的工業(yè)級(jí)金屬鎵為原料，經(jīng)電解精煉等工藝，制得高純鎵的純度≥99.999%。以≥99.999%的高純鎵為原料，經(jīng)拉制單晶或其他提純工藝進(jìn)一步提純，制得高純鎵的純度≥99.99999%。

鎵工業(yè)用途

制造半導(dǎo)體氮化鎵、砷化鎵、磷化鎵、鍺半導(dǎo)體摻雜元；純鎵及低熔合金可作核反應(yīng)的熱交換介質(zhì)；高溫溫度計(jì)的填充料；有機(jī)反應(yīng)中作二酯化的催化劑。

鎵的工業(yè)應(yīng)用還很原始，盡管它獨(dú)特的性能可能會(huì)應(yīng)用于很多方面。液態(tài)鎵的寬溫度范圍以及它很低的蒸汽壓使它可以用于高溫溫度計(jì)和高溫壓力計(jì)。鎵化合物，尤其是砷化鎵在電子工業(yè)已經(jīng)引起了越來(lái)越多的注意。沒有能利用的精確的世界鎵產(chǎn)量數(shù)據(jù)，但是臨近地區(qū)的產(chǎn)量只有20噸/年。

鎵-68會(huì)發(fā)射正電子，可以用于正電子斷層成像。

鎵銦合金可用于汞的替代品。

鎵醫(yī)學(xué)應(yīng)用

在觀察到癌組織對(duì)67Ga有吸引力之后，美國(guó)國(guó)家癌癥學(xué)會(huì)指出穩(wěn)定的鎵對(duì)于嚙齒動(dòng)物的腫瘤很有療效。這曾在癌癥病人身上試驗(yàn)過(guò)。當(dāng)服用劑量為750mg/kg時(shí)，鎵對(duì)人的腎臟有害。不停的灌輸鎵的配制藥品可以降低鎵對(duì)腎小管的毒性。

鎵是化學(xué)史上第一個(gè)先從理論預(yù)言，后在自然界中被發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證的化學(xué)元素。1871年，門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素周期表中鋁元素下面有個(gè)間隙尚未被占據(jù)，他預(yù)測(cè)這種未知元素的原子量大約是68，密度為5.9 g/cm3，性質(zhì)與鋁相似，他的這一預(yù)測(cè)被法國(guó)化學(xué)家布瓦博得朗（Paul Emile Lecoq de Boisbaudran）證實(shí)了。

鎵在巴黎由布瓦博得朗于1875年發(fā)現(xiàn)。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(gè)新的紫色線。他知道這意味著一種未知的元素出現(xiàn)了。

在1875年11月，布瓦博得朗提取并提純了這種新的金屬，并證明了它像鋁。在1875年12月，他向法國(guó)科學(xué)院宣布了它。

由于鎵在地殼中的濃度很低。在地殼中占總量的0.0015%。它的分布很廣泛，但不以純金屬狀態(tài)存在，而以硫鎵銅礦（CuGaS₂）形式存在，不過(guò)很稀少，經(jīng)濟(jì)上也不重要。鎵是閃鋅礦、黃鐵礦、礬土、鍺石工業(yè)處理過(guò)程中的副產(chǎn)品。

自然界中常以微量分散于鋁土礦、閃鋅礦等礦石中。由鋁土礦中提取制得。在高溫灼燒鋅礦時(shí)，鎵就以化合物的形式揮發(fā)出來(lái)，在煙道里凝結(jié)，鎵常與銦和鉈共生。經(jīng)電解、洗滌可以制得粗鎵，再經(jīng)提煉可得高純度鎵。

時(shí)下世界90%以上的原生鎵都是在生產(chǎn)氧化鋁過(guò)程中提取的，是對(duì)礦產(chǎn)資源的一種綜合利用，通過(guò)提取金屬鎵增加了礦產(chǎn)資源的附加值，提高氧化鋁的品質(zhì)降低了廢棄物“赤泥”的污染，因此非常符合當(dāng)前低碳經(jīng)濟(jì)以最小的自然資源代價(jià)獲取最大利用價(jià)值的原則。鎵在其它金屬礦床中的含量極低，經(jīng)過(guò)一定富集后也只能達(dá)到幾百克/噸，因而鎵的提取非常困難，另一方面，由于伴生關(guān)系，鎵的產(chǎn)量很難由于鎵價(jià)格上漲而被大幅拉動(dòng)，因此，原生鎵的年產(chǎn)量極少，全球年產(chǎn)量不足300噸，是原生銦產(chǎn)量的一半，如果這種狀況不能得到改善，未來(lái)20-30年這些金屬鎵將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重短缺。

由于液態(tài)鎵的密度高于固體密度，凝固時(shí)體積膨脹，而且熔點(diǎn)很低，儲(chǔ)存時(shí)會(huì)不斷地熔化凝固。所以使用玻璃儲(chǔ)存會(huì)撐破瓶子和浸潤(rùn)玻璃造成浪費(fèi)，鎵適合使用塑料瓶（不能盛滿） 儲(chǔ)存。

2014年9月23日，美國(guó)北卡羅來(lái)納州一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)日前研發(fā)出一種可進(jìn)行自我修復(fù)的變形液態(tài)金屬，距離打造“終結(jié)者”變形機(jī)器人的目標(biāo)更進(jìn)一步。

科學(xué)家們使用鎵和銦合金合成液態(tài)金屬，形成一種固溶合金，在室溫下就可以成為液態(tài)，表面張力為每米500毫牛頓。這意味著，在不受外力情況下，當(dāng)這種合金被放在平坦桌面上時(shí)會(huì)保持一個(gè)幾乎完美的圓球不變。當(dāng)通過(guò)少量電流刺激后，球體表面張力會(huì)降低，金屬會(huì)在桌面上伸展。這一過(guò)程是可逆的：如果電荷從正轉(zhuǎn)負(fù)，液態(tài)金屬就會(huì)重新成為球狀。更改電壓大小還可以調(diào)整金屬表面張力和金屬塊粘度，從而令其變?yōu)椴煌Y(jié)構(gòu)。

北卡羅來(lái)納州立大學(xué)副教授邁克爾·迪基（Michael Dickey）說(shuō)：“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(dāng)了不起的。我們可以利用這種技術(shù)控制液態(tài)金屬的活動(dòng)，從而改變天線形狀、連接或斷開電路等?！?

此外，這項(xiàng)研究還可以用于幫助修復(fù)人類切斷的神經(jīng)，以避免長(zhǎng)期殘疾。研究人員宣稱，該突破有助于建造更好的電路、自我修復(fù)式結(jié)構(gòu)，甚至有一天可用來(lái)制造《終結(jié)者》中的T-1000機(jī)器人。2100433B