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镓   31Ga
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外观
金属:银色
银色金属光泽
概况
名称·符号·序数镓(gallium)·Ga·31
元素类别贫金属
·周期·13 ·4·p
标准原子质量69.723(5)
电子排布[] 3d104s24p1
2, 8, 18, 3
镓的电子层(2, 8, 18, 3)
历史
预测德米特里·门捷列夫(1871年)
发现保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰(1875年)
分离保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰(1875年)
物理性质
物态固态
密度(接近室温
5.91 g·cm−3
熔点时液体密度6.095 g·cm−3
熔点302.9146 K,29.7646 °C,85.5763 °F
沸点2673 K,2400 °C,4352 °F
熔化热5.59 kJ·mol−1
汽化热254 kJ·mol−1
比热容25.86 J·mol−1·K−1
蒸气压
压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温/K 1310 1448 1620 1838 2125 2518
原子性质
氧化态3, 2, 1
两性
电负性1.81(鲍林标度)
电离能第一:578.8 kJ·mol−1

第二:1979.3 kJ·mol−1
第三:2963 kJ·mol−1

更多
原子半径135 pm
共价半径122±3 pm
范德华半径187 pm
杂项
晶体结构正交
磁序抗磁性
电阻率140 n Ω·m
热导率40.6 W·m−1·K−1
膨胀系数(25 °C)18 µm·m−1·K−1
声速(细棒)(20 °C)2740 m·s−1
杨氏模量9.8 GPa
泊松比0.47
莫氏硬度1.5
布氏硬度60 MPa
CAS号7440-55-3
最稳定同位素
主条目:镓的同位素
同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰变
方式 能量MeV 产物
69Ga 60.11% 稳定,带38个中子
71Ga 39.89% 稳定,带40个中子

拼音jiā注音ㄐ丨ㄚ粤拼gaa1;英语:Gallium),是一种化学元素,其化学符号Ga原子序数为31,原子量69.723 u,位于元素周期表的第13族,为一种贫金属,与具有相似的特性。在自然界中常以微量散存于锌矿、铝矾土矿等矿石中。在标准温度和压力下,镓元素是一种质地柔软的银色金属;而在低温下则为脆性固体。当温度高于29.76°C(85.57°F)则为液体,因此此金属会融化于人的手中(一般人的体温为37°C(99°F))。

镓的熔点可作为温度参考点。镓合金亦可应用于温度计,作为代替汞的无毒和环保的替用品,并且可以承受比汞更高的温度。镓铟锡合金(62–95%镓,5–22%和0–16%)具有较低的熔点-19°C(-2°F),远低于水的凝固点。自1875年发现以来,镓一直被用于制造低熔点合金。它还用于半导体,作为半导体基材的掺杂剂英语Dopant

镓是一种在新兴技术中很关键的元素。电子设备中大量使用镓,主要化合物砷化镓,用于微波电路、高速转换电路、红外线电路。而半导体氮化镓和氮化铟镓英语Indium gallium nitride用于制造蓝色、紫色的发光二极管(LED)和激光二极管。除此之外,镓也用于生产珠宝用途的人造钆镓榴石型铁氧体英语Gadolinium gallium garnet

镓在生物学中没有已知的天然作用。三价镓和三价铁在生物系统中有相似的作用,因此三价镓也被应用在药学和放射药理学上。

命名与发现

1871年,俄国化学家门得列夫以他的元素周期律,预测“镓”的存在,称之为“eka-aluminium”,意思“铝下元素”(铝下一行的元素)。其密度熔点、氧化的特征、和氯的键结与随后发现“镓”实值相差无几 。

铝下元素
原子量 68 69.72
密度(g/cm3) 6.0 5.904
熔点(℃) 29.78

门得列夫更提出了一些关于这个元素的预测:人们将可以用光谱仪英语Optical spectrometer来发现这个元素;这个金属元素既可以溶于酸又可以溶于碱,但不会和空气反应; M2O3溶于酸时会产生MX3形式的盐类;这个金属的盐类是碱式盐;这个金属的硫酸盐可以组成矾土;以及无水 MCl3的挥发性比ZnCl2更高,以上这些预测后来都被证实是正确的。

1875年,德布瓦博德兰检测在闪锌矿样品的原子光谱时,发现两条紫色谱线 ,后来经过电解氢氧化镓的氢氧化钾溶液得到镓。德布瓦博德兰以“高卢”(Gallia)为这个元素命名,在拉丁语中这是对法国高卢的称呼。也有人认为是运用不同语言的双关语而用他的名字(其中包含“Lecoq”)命名:Le coq在法语中是“公鸡”(rooster)之意,而后者在拉丁语中又是“吊带”(gallus,与镓gallium相近)的意思。不过1877年德布瓦博德兰写文章否定这个猜测 。

德布瓦博德兰原本认为镓的密度是4.7 g/cm3,和门得列夫预测的数值不相符。在门得列夫的建议下,德布瓦博德兰重新测量,并且得到和门得列夫预测几乎相同的数值:5.9 g/cm3。从1875年镓的发现,到今天半导体的时代以来,镓主要应用于高温测温仪以及制造安定性高或是容易融化的合金。

1960年代将砷化镓使用于直接带隙半导体的进展,更为镓的应用迎来新的可能。

物理性质

镓非常柔软,富有延展性,固态时为青灰色,液态时为银白色。镓的熔点在29.78℃,因此置于手心即会熔化;但镓沸点很高(2403℃)。

已熔融后的镓,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;在液态转化为固态时,膨胀率为3.4%,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

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。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

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。

1986年镓产量估计为40吨。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。到2011年世界镓产量约为216吨。

用途

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

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。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

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。

外部链接


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