鎵

鎵 (，拼音：--，注音：--，粵拼：--)；是一種化學元素，化學符號為，原子序數為31，原子量為，位於元素週期表的第13族，為一種貧金屬，與同族的鋁、銦和鉈具有相似的特性。它是由法國化學家保羅·埃米爾·勒科克·德布瓦博德蘭在1875年發現的。在標準狀況下，鎵元素是質地柔軟的銀色金屬，在液態下則為銀白色。如果對鎵施加太多力，它就可能形成貝殼狀斷口。自1875年發現以來，鎵一直被用於製造低熔點合金。它還用於半導體基材的。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。鎵銦錫合金具有遠低於水凝固點的凝固點，但這也可能是過冷的凝固點。鎵在自然界中不以單質存在，常以鎵(III)的形式微量散存於鋅礦。鎵在多種關鍵新興技術中皆有重要應用。電子裝置中主要使用的鎵化合物砷化鎵，用於微波電路、高速轉換電路、紅外線電路。半導體氮化鎵和則用於製造藍色和紫色的發光二極體和雷射二極體。除此之外，鎵也用於生產珠寶用途的人造。鎵被列為一種。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。物理性質.單質鎵不存在於自然界，但可以透過冶煉獲得。極純的鎵是銀藍色的金屬，會像玻璃一樣形成貝殼狀斷口。液態鎵轉化為固態時，會膨脹3.4%，因此它不能儲存於玻璃或金屬容器裡，因為容器會因為鎵的凝固而破裂。其它和鎵一樣在凝固時膨脹的材料有水、矽、鍺、鉍和鈽。鎵會擴散到金屬的晶格大部分金屬。舉個例子，它會擴散到鋁鋅合金和鋼的晶粒邊界裡，使得它們變得很脆。鎵很容易和其它金屬形成合金，這個性質用於原子彈鈽彈芯的中，以穩定鈽晶體的結構。鎵的熔點 302.9146 K，而不是熔點。鎵的低熔點使得它可以在人的手中融化。這種液態金屬傾向於形成過冷液體：奈米鎵顆粒在90 K下仍可以保持液態。加入晶種或者對其震盪即可使鎵重新回到固態。鎵是在室溫或接近室溫下呈液態的四個非放射性金屬之一，另外三個是銫、銣和汞。在這四個金屬中，鎵是唯一一種既沒有高反應性的，因此可用於高溫溫度計。值得注意的是，它是具有最大液態範圍的金屬之一。與汞不同，鎵在高溫下具有低蒸氣壓。鎵的沸點為2673  K，比它在上的熔點高8倍以上，這是任何元素的熔點和沸點之間的最大比值。雖然鎵的毒性比汞低，需要的預防措施也少得多，但由於液態鎵會浸潤玻璃、皮膚以及很多材料，使得它更難處理。塗在玻璃上的鎵會形成一面明亮的鎵鏡。晶體鎵不屬於任何簡單的晶體結構。鎵在標準情況下的晶體結構是正交晶系，一個裡有8個原子。在一個單元格中，每個原子都只有一個最近的原子。剩下的六個原子則距離較遠，而這六個原子也以244 pm的距離成對。鎵由於溫度和壓力的變化，會形成許多穩定和亞穩定的相態。兩個最接近的鎵原子之間的鍵是共價鍵，因此Ga2二聚體被視為晶體鎵的基本組成部分。這解釋了為什麼鎵相對於鄰近的鋁和銦有較低的熔點。這種結構驚人地和碘相似，可能是鎵原子比4s電子和[Ar]3d10原子實更遠離原子核的單個4p電子之間的相互作用而成的。這種現象在同為液態的汞的“擬惰性氣體”電子構型 [Xe]4f145d106s2中再次出現。鎵的3d10電子不能遮蔽外層的電子，所以鎵的第一電離能比鋁大。液態鎵中不存在Ga2二聚體，而是形成複雜的低配位結構，其中每個鎵原子只被10個原子環繞，而其它液態金屬則被11-12個原子環繞。鎵的物理性質有極高的各向異性，也就是沿三個主要的晶軸"a"、"b"和"c"測量的值不同。溫度會強烈影響鎵的性質，尤其是在熔點附近的溫度。例如，鎵在熔化時的熱膨脹係數會增加數倍。同位素.鎵有31中同位素，原子量在56到86之間。在這些同位素中，只有兩種在自然界中存在的穩定同位素，分別為鎵-69和鎵-71。較常見的鎵-69佔了天然鎵的60.1%，而鎵-71則組成了剩下的39.9%。剩下的鎵同位素都有放射性，其中最穩定的是鎵-67衰變成鍺, 而鎵-70可以透過β衰變或是電子捕獲兩種方式衰變。鎵-67由於其衰變能量不足以正電子發射，所以它只能透過電子捕獲衰變。化學性質.鎵主要以+3氧化態存在。鎵的+1氧化態比較重的同類物銦和鉈罕見，但也存在於某些化合物中。舉個例子，非常穩定的GaCl2同時含有鎵(I)和鎵(III)，結構為GaIGaIIICl4。作為比較，鎵的一氯化物在0 °C以上不穩定，會歧化成單質鎵和三氯化鎵。真正的鎵(II)化合物含有Ga–Ga鍵，例如GaS和二氧六環配合物Ga2Cl4(C4H8O2)2。水溶液化學.強酸可以溶解鎵，形成像是Ga(NO3)3的鎵(III)化合物。鎵(III)化合物的水溶液含有水合鎵(III)離子[Ga(H2O)6]3+。:1033氫氧化鎵 Ga(OH)3可以透過鎵(III)溶液和氨反應沉澱而成。Ga(OH)3在100 °C下脫水，形成鹼式氧化鎵 GaO(OH)。:140–141鹼性氫氧化物溶液也可以溶解鎵，形成含有Ga(OH)4-離子的鎵酸鹽。:1033兩性的氫氧化鎵也溶於鹼，形成鎵酸鹽。:141早期研究認為Ga(OH)63-可能存在，但之後的研究沒發現這種離子。和氧族元素的化合物.鎵在高溫下才會和氧族元素反應。由於形成了保護性的氧化物層，室溫下的鎵不與空氣和水反應。不過，高溫下的鎵會和空氣中的氧氣，形成氧化鎵 Ga2O3。在500 °C至700 °C的真空下使用單質鎵還原Ga2O3會產生深棕色的氧化亞鎵 Ga2O。:285Ga2O是很強的還原劑，可以把H2SO4還原成H2S。:207它在800 °C下歧化成單質鎵和Ga2O3。硫化鎵 Ga2S3有三種晶體結構。:104它可以透過鎵和硫化氫 H2S在950 °C下反應而成。:162它也可以由Ga(OH)3和硫化氫在747 °C下反應而成：2 Ga(OH)3 + 3 H2S → Ga2S3 + 6 H2O鹼金屬碳酸鹽、Ga2O3和H2S的反應會產生含有[Ga2S4]2-陰離子的硫代鎵酸鹽。強酸會和這種鹽反應，並放出H2S。:104–105硫代鎵酸汞HgGa2S4可用作磷光體。鎵也有低氧化態的硫化物，例如一硫化鎵和綠色的一硫化二鎵。後者可以由前者在氮氣中加熱到1000 °C而成。:94Ga2Se3和Ga2Te3則呈閃鋅礦結構。它們都是半導體，但因容易水解而用處有限。:104和氮族元素的化合物.鎵和氨在1050 °C下反應，形成氮化鎵 GaN。鎵也可以分別和磷、砷和銻形成磷化鎵。這些化合物的晶體結構和ZnS一樣，且都是半導體。:1034GaP、GaAs和GaSb可以透過鎵和對應的氮族元素直接反應而成。:99它們的電導率比GaN大。:101GaP也可以透過Ga2O和磷在低溫下反應而成。鎵可以形成三元氮化物：:99Li3Ga + N2 → Li3GaN2類似的三元磷化物和砷化物也是已知的，例子有Li3GaP2和Li3GaAs2。這些化合物很容易和水或稀酸反應。:101鹵化物.氧化鎵會和HF或F2等氟化劑反應，形成三氟化鎵 GaF3。它是不溶於水的離子化合物。它可溶於氫氟酸並和水形成加合物 GaF3·3H2O。嘗試對這種加合物脫水只會產生 GaF2OH·"n"H2O。它和氨反應，產生 GaF3·3NH3，後者加熱可以生成 GaF3。:128–129三氯化鎵可以由金屬鎵和氯氣反應而成。和三氟化鎵不同，三氯化鎵以二聚體分子 Ga2Cl6存在，熔點78 °C。溴化物Ga2Br6和碘化物Ga2I6的結構也是這樣。:133和其它硼族元素鹵化物一樣，鎵(III)鹵化物都是路易斯酸，會和鹼金屬鹵化物反應，形成GaX4-陰離子。它也會和滷代烷烴反應，形成碳正離子和GaX4-。:136–137加熱時，鎵(III)鹵化物會和單質鎵反應，形成對應的鎵(I)鹵化物。舉個例子，GaCl3和Ga反應，形成GaCl：2 Ga + GaCl3 ⇌ 3 GaCl (g)在低溫下，反應平衡會向左移動，GaCl也會歧化成GaCl3和單質鎵。GaCl也可以透過Ga和HCl在950 °C下反應而成，產物可凝華成紅色固體。:1036鎵(I)鹵化物可以透過和路易斯酸形成加合物而穩定存在：GaCl + AlCl3 → Ga+[AlCl4]-“鎵(II)鹵化物” GaX2其實是鎵(I)鹵化物和鎵(III)鹵化物的加合物，結構為Ga+[GaX4]-。例子：:1036GaCl + GaCl3 → Ga+[GaCl4]-氫化物.和鋁一樣，鎵也會形成氫化物 GaH3。這種氫化物叫做氫化鎵，可以透過氫化鎵鋰和三氯化鎵在−30 °C下反應而成：:10313 LiGaH4 + GaCl3 → 3 LiCl + 4 GaH3如果使用甲醚作為溶劑，GaH3會聚合成(GaH3)"n"。如果沒有使用溶劑，氫化鎵就會二聚成氣態的乙鎵烷 Ga2H6。它的結構類似乙硼烷，在兩個鎵原子之間有兩個橋接氫原子。:1031氫化鎵在 −10 °C以上不穩定，會分解成單質鎵和氫氣。有機鎵化合物.有機鎵化合物的反應性和有機銦化合物類似，比有機鋁化合物的活性低，但比有機鉈化合物的活性高。烷基鎵是單體。硼族元素的有機化合物的路易斯酸性以 Al &gt; Ga &gt; In 遞減，因此有機鎵化合物不和有機鋁化合物一樣形成橋接二聚體。有機鎵化合物可以形成穩定的過氧化物。烷基鎵在室溫下為液態，熔點低且容易燃燒。三苯基鎵在溶液中為單體，但它的結晶由於分子間的Ga···C 相互作用而形成鏈狀結構。三氯化鎵是有機鎵化合物的常見前體。三氯化鎵和環戊二烯基鋰在乙醚中反應，可以形成平面三角形的環戊二烯基配合物 GaCp3。鎵(I)可以和像是六甲苯的芳香化合物配體形成配合物。由於六甲苯配體很大，所以[Ga(η6-C6Me6)]+是的。較小的均三甲苯則可以使中心的鎵原子和兩個配體以彎曲的夾心結構配合。更小的苯則可以使配合物形成例如 [Ga(η6-C6H6)2] [GaCl4]·3C6H6的二聚體。歷史.1871年，俄國化學家門捷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」。其密度、熔點、氧化物的特徵、和氯的成鍵等性質與隨後發現的「鎵」實值相差無幾門捷列夫更提出了一些關於這個元素的預測：人們將可以用來發現這個元素；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；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 ，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」的意思。不過1877年德布瓦博德蘭寫文章否定這個猜測 。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。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。1978年，電子行業使用鎵來製造發光二極體、光伏和半導體，而金屬行業則使用它來降低合金的熔點。存在.鎵在地球地殼中不以單質存在，而像是gallite，以副產品的形式從這兩種礦石中提取。這種缺乏獨立礦床的原因是鎵的地球化學性質，在大多數與礦床形成相關的過程中都沒有顯示出強烈的富集性。美國地質調查局的產量。生產.鎵是生產其它金屬的過程中的副產品。它的主要鋁的主要礦石鋁土礦，也有少量的鎵來自硫化鋅礦。以前，某些煤炭也是鎵的重要在拜耳法中將鋁土礦加工成氧化鋁的過程中，鎵會在氫氧化鈉溶液中積累，這些鎵可以透過多種方法提取。最新的方法是使用離子交換樹脂。鎵的提取率主要取決於鋁土礦原料中鎵的原始濃度。在50 ppm的典型濃度下，大約15%的鎵是可提取的，剩下的部分則透過和氫氧化鋁流失。溶液中的鎵之後透過離子交換樹脂分離，對其電解可以得到金屬鎵。半導體鎵則要用區域熔融技術提純，或從熔融物中提取單晶。99.9999%純的鎵已經能例行取得，並且在商業上有廣泛應用。以副產品的形式開採意味著鎵的生產受到每年提取的鋁土礦、硫化鋅礦石。因此，在不顯著增加生產成本或價格的情況下，鎵的副產品產量將有可能在未來大幅增加。2016年低品位鎵的平均價格為每公斤120美元，2017年則為每公斤135-140美元。2017年，全球低品位鎵的產量約為315噸，比2016年高出了15%。中國、日本、韓國、俄羅斯和烏克蘭是鎵的主要生產國，而德國在2016年停止了鎵的生產。高純鎵的產量則約為180噸，主要來自中國、日本、斯洛伐克、英國和美國。全球2017年的年產量極限預測為730噸。中國於2016年生產了約250噸低品位鎵，而2017年時生產了約300噸，佔全球LED產量的一半以上。2023年8月1日起，中國對鎵相關產品進行出口管制。用途.鎵的商業需求由半導體應用主導，它佔了總需求的98%。鎵的另一個主要用途是。半導體.極純，例如製造超高速邏輯晶片和用於手機中的低噪聲微波前置放大器的金屬半導體場效電晶體。約有20%的半導體鎵則用於光電工程。全球的砷化鎵佔了全球鎵年消費量的95%。2016年的砷化鎵金額為75億美元，其中53%來自手機，27%來自無線通訊，其餘來自汽車、消費者、光纖和軍事應用。最近GaAs消費量的增加主要與3G和4G智慧手機的出現有關，它們使用的GaAs量是舊型號的10倍。砷化鎵和氮化鎵也存在於各種光電器件中，2015年和2016年的市場份額分別為153億美元和185億美元。也用於高能紅外線發光二極體。半導體氮化鎵和則用於藍色和紫色光電器件，主要是鐳射二極體和發光二極體。例如，405nm氮化鎵二極體鐳射器被用作高密度藍光光碟緊湊型資料磁碟驅動器的紫色光源。為衛星電力應用而開發的多結光伏電池由砷化鎵、磷化銦鎵或薄膜的分子束外延或有機金屬化學氣相沉積法制成。火星探測漫遊者和多顆衛星在鍺電池上使用三結砷化鎵。鎵也是用於太陽能板的光伏化合物中的一種成分，這些化合物是具有成本效益的替代品。合金.鎵可以和大部分金屬形成。鎵、銦和錫組成的幾乎共晶的合金鎵銦錫合金在室溫下是液體，用於醫用溫度計。它的熔點只有−19 °C。有人建議鎵合金可以用來代替水冷卻計算機晶片，並經常被用作高效能計算中導熱膏的替代品。鎵合金是銀汞的替代品，但尚未得到廣泛接受。因為鎵可以浸潤玻璃或瓷器，鎵可以用來製造閃亮的鏡子。當不需要鎵合金的浸潤時，必須用氧化鎵透明層保護玻璃。用於製造原子彈彈芯的鈽需要停留在，而它透過而使得它可加工。鎵和銦可以形成低熔點合金，如含25%銦的鎵合金，在16℃時便熔化，可用於自動滅火裝置中。若溫度在熔點之上，鎵和銦混合研磨時便可自動形成合金。生物醫學.雖然生物體內的自然反應作用並不利用鎵，但鎵離子在生物體內所參與的各種反應過程與鐵(III)類似。這些生物作用包括炎症，是許多疾病的指標，所以有一些鎵鹽在醫療中被用作藥物和放射性藥物的細菌。正在進行以這種化合物進行治療癌症、傳染病和發炎疾病的臨床與臨床前試驗。鎵離子被細菌攝入可幹擾細菌的呼吸作用而殺死細菌。這是因為鎵離子取代了鐵(III)在細菌生化反應中的角色：鐵離子可以被氧化與還原，允許在呼吸作用中轉移電子，而鎵離子不能氧化還原。一種鎵(III)配合物MR045對於已對氯喹發生抗藥性的寄生蟲具有選擇性毒性。這種鎵(III)配合物和氯嗪的作用，都是抑制寄生蟲消化血液形成瘧色素的結晶化。放射性鎵化合物.鎵-67的鹽中所使用的放射性藥物。所利用的是鎵-67，至於是什麼鎵鹽並不重要。人體會把Ga3+看作是Fe3+，因此鎵離子會濃集於發炎以及有快速細胞分裂的地方。於是可以使用核掃描技術攝影成像。半衰期68分鐘的鎵-68會放出正電子，被用於正子斷層造影作為診斷放射性核素。將鎵與體抑素的類似物結合，可以利用這種配合物追蹤神經內分泌腫瘤。鎵-68可以從中鍺的放射性同位素鍺-68的衰變而成，然後透過提取。其它用處.鎵可用於探測中微子。可能是有史以來有最多純鎵的地方是俄羅斯巴克三中微子觀測所在中所使用的鎵-鍺中微子望遠鏡。這個探測器含有55–57噸。鎵還用作的。鎵離子聚焦束創造了世界上最小的書——《》。鎵的另一用途是作為滑雪板滑行蠟和其他低摩擦表面材料的新增劑。由於鎵的外觀類似它較輕的同類物鋁，化學家之間著名的惡作劇是製作鎵湯匙並用它們為毫無戒心的客人提供茶水。這些湯匙會在熱茶中融化。海洋中的鎵.微量元素檢測的進展使科學家能夠發現大西洋和太平洋中溶解的鎵的痕跡。近年來，在波弗特海中也檢測到了鎵。這些報告反映了太平洋和大西洋水域的可能剖面。在太平洋中，深度小於150 m的部分的鎵溶解度通常為4–6 pmol/kg，而大西洋深度大於350 m的部分的鎵溶解度則為25–28 pmol/kg。鎵主要透過風蝕進入海洋，這些鎵可用於解決海洋中鋁的分佈問題。這是因為鎵的地球化學性質類似鋁，只不過較難反應。鎵在水錶面的停留時間也比鋁稍長。鎵具有與鋁相似的溶解曲線，因此鎵可用作鋁的示蹤劑。鎵也可以用作鐵的風蝕示蹤劑。鎵在西北太平洋、南大西洋和中大西洋被用作鐵的示蹤劑。舉個例子，西北太平洋中的水面的鎵含量低，可以解釋環境。毒性.金屬鎵無毒，但暴露於鹵化鎵配合物會造成急性毒性。大劑量可溶的Ga3+鹽會傾向於形成不可溶的氫氧化物，而氫氧化物沉澱有。在較低劑量下，可溶性鎵會透過尿液排出體外而不作為毒物積累。鎵的排洩分兩個階段進行：第一階段的生物半衰期為1小時，而第二階段的生物半衰期為25小時。