镓:修订间差异
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'''鎵'''({{標音|拼音=jiā|注音=ㄐ丨ㄚ|粵拼=gaa1}};{{lang-en|'''Gallium'''}}),是一種[[化學元素]],其[[化學符號]]为'''{{化學式|鎵}}''',[[原子序數]]为31,[[原子量]]為{{val|69.723|u=[[原子質量單位|u]]}},位於元素週期表的第[[硼族元素|13族]],為一種[[貧金屬]],與[[鋁]]、[[銦]]和[[鉈]]具有相似的特性。 |
'''鎵'''({{標音|拼音=jiā|注音=ㄐ丨ㄚ|粵拼=gaa1}};{{lang-en|'''Gallium'''}}),是一種[[化學元素]],其[[化學符號]]为'''{{化學式|鎵}}''',[[原子序數]]为31,[[原子量]]為{{val|69.723|u=[[原子質量單位|u]]}},位於元素週期表的第[[硼族元素|13族]],為一種[[貧金屬]],與[[鋁]]、[[銦]]和[[鉈]]具有相似的特性。它是由[[法国]][[化学家]][[保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰]]在1875年发现的。<ref>{{Cite book|last=Scerri|first=Eric|title=The Periodic Table: Its Story and Its Significance|publisher=[[Oxford University Press]]|year=2020|isbn=978-0-19-091436-3|pages=149}}</ref> |
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在[[標準狀況]]下,鎵元素是質地柔軟的銀色金屬,在液态下則為银白色。如果对镓施加太多力,它就可能形成{{le|贝壳状断口|conchoidal fracture}}。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]],作為半導體基材的{{link-en|摻雜劑|Dopant}}。 |
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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[[環境友善|環保]]的替用品,並且可以承受比汞更高的溫度。[[鎵銦錫合金]](62–95%鎵,5–22%[[銦]]和0–16%[[錫]])具有遠低於水凝固點的凝固點 -19°C(-2°F),但这也可能是[[过冷]]的凝固點。 |
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鎵是一種在新興技術中很關鍵的元素。電子設備中大量使用鎵,主要化合物[[砷化鎵]],用於微波電路、高速轉換電路、紅外線電路。而半導體氮化鎵和{{link-en|氮化銦鎵|Indium gallium nitride}}用於製造藍色、紫色的[[發光二極體]](LED)和[[雷射二極體]]。除此之外,鎵也用於生產珠寶用途的人造{{link-en|釓鎵榴石型鐵氧體|Gadolinium gallium garnet}}。 |
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镓在自然界中不以单质存在,常以镓(III)的形式微量散存於[[鋅]]礦(例如[[闪锌矿]])、[[鋁土礦]]等礦石中。當溫度高於{{convert|29.76|°C|°F}},镓会融化成液體,因此此金屬會融化於人的手中(一般人的體溫為{{convert|37.0|°C|°F|abbr=}})。 |
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鎵是在新興技術中很關鍵的元素。電子設備中大量使用鎵的化合物[[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{{link-en|氮化銦鎵|Indium gallium nitride}}则用於製造藍色和紫色的[[發光二極體]](LED)和[[雷射二極體]]。除此之外,鎵也用於生產珠寶用途的人造{{link-en|釓鎵榴石型鐵氧體|Gadolinium gallium garnet}}。镓是{{le|技术关键元素|technology-critical element}}。<ref>{{Cite journal|last1=Cobelo-García|first1=A.|last2=Filella|first2=M.|last3=Croot|first3=P.|last4=Frazzoli|first4=C.|last5=Du Laing|first5=G.|last6=Ospina-Alvarez|first6=N.|last7=Rauch|first7=S.|last8=Salaun|first8=P.|last9=Schäfer|first9=J.|last10=Zimmermann|first10=S.|date=2015|title=COST action TD1407: network on technology-critical elements (NOTICE)—from environmental processes to human health threats|journal=Environmental Science and Pollution Research International|volume=22|issue=19|pages=15188–15194|doi=10.1007/s11356-015-5221-0|issn=0944-1344|pmc=4592495|pmid=26286804}}</ref><ref>{{Cite journal|last1=Romero-Freire|first1=Ana|last2=Santos-Echeandía|first2=Juan|last3=Neira|first3=Patricia|last4=Cobelo-García|first4=Antonio|date=2019|title=Less-Studied Technology-Critical Elements (Nb, Ta, Ga, In, Ge, Te) in the Marine Environment: Review on Their Concentrations in Water and Organisms|journal=Frontiers in Marine Science|volume=6|language=English|doi=10.3389/fmars.2019.00532|issn=2296-7745|doi-access=free}}</ref> |
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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。 |
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。 |
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1871年,俄國化學家[[德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫|門得列夫]]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」(鋁下一行的元素)。其[[密度]]、[[熔點]]、氧化的特徵、和氯的鍵結與隨後發現「鎵」實值相差無幾<ref>{{cite book |title=The Ingredients: A Guided Tour of the Elements |url=https://archive.org/details/ingredientsguide0000ball |author=Ball, Philip |publisher=Oxford University Press |page=[https://archive.org/details/ingredientsguide0000ball/page/105 105] |date=2002 |isbn=978-0-19-284100-1}}</ref> |
1871年,俄國化學家[[德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫|門得列夫]]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」(鋁下一行的元素)。其[[密度]]、[[熔點]]、氧化的特徵、和氯的鍵結與隨後發現「鎵」實值相差無幾<ref>{{cite book |title=The Ingredients: A Guided Tour of the Elements |url=https://archive.org/details/ingredientsguide0000ball |author=Ball, Philip |publisher=Oxford University Press |page=[https://archive.org/details/ingredientsguide0000ball/page/105 105] |date=2002 |isbn=978-0-19-284100-1}}</ref> |
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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<ref name=Greenwood221/>。 |
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金属镓无毒,但暴露于卤化镓配合物会造成急性毒性。<ref>{{cite journal |last1=Ivanoff |first1=C. S. |last2=Ivanoff |first2=A. E. |last3=Hottel |first3=T. L. |date=February 2012 |title=Gallium poisoning: a rare case report. |journal=Food Chem. Toxicol. |volume=50 |issue=2 |pages=212–5 |doi=10.1016/j.fct.2011.10.041 |pmid=22024274}}</ref>大剂量可溶的Ga<sup>3+</sup>盐会倾向于形成不可溶的氢氧化物,而氢氧化物沉淀有{{le|肾毒性|nephrotoxicity}}。在较低剂量下,可溶性镓会通过尿液排出体外而不作为毒物积累。镓的排泄分两个阶段进行:第一阶段的[[生物半衰期]]为1小时,而第二阶段的生物半衰期为25小时。<ref name="Nordberg">{{cite book |first1=Gunnar F. |last1=Nordberg |first2=Bruce A. |last2=Fowler |first3=Monica |last3=Nordberg |title=Handbook on the Toxicology of Metals |publisher=Academic Press |pages=788–90 |edition=4th |date=7 August 2014 |isbn=978-0-12-397339-9}}</ref> |
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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。 |
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== 参考文献 == |
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==外部連結== |
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2022年1月29日 (六) 10:37的版本
鎵(拼音:jiā,注音:ㄐ丨ㄚ,粤拼:gaa1;英語:Gallium),是一種化學元素,其化學符號为Ga,原子序數为31,原子量為u,位於元素週期表的第 69.723 13族,為一種貧金屬,與鋁、銦和鉈具有相似的特性。它是由法国化学家保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰在1875年发现的。[6]
在標準狀況下,鎵元素是質地柔軟的銀色金屬,在液态下則為银白色。如果对镓施加太多力,它就可能形成贝壳状断口。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,作為半導體基材的摻雜劑。
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(62–95%鎵,5–22%銦和0–16%錫)具有遠低於水凝固點的凝固點 -19°C(-2°F),但这也可能是过冷的凝固點。
镓在自然界中不以单质存在,常以镓(III)的形式微量散存於鋅礦(例如闪锌矿)、鋁土礦等礦石中。當溫度高於29.76 °C(85.57 °F),镓会融化成液體,因此此金屬會融化於人的手中(一般人的體溫為37.0 °C(98.6 °F))。
鎵是在新興技術中很關鍵的元素。電子設備中大量使用鎵的化合物砷化鎵,用於微波電路、高速轉換電路、紅外線電路。半導體氮化鎵和氮化銦鎵则用於製造藍色和紫色的發光二極體(LED)和雷射二極體。除此之外,鎵也用於生產珠寶用途的人造釓鎵榴石型鐵氧體。镓是技术关键元素。[7][8]
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。
物理性质
镓非常柔软,富有延展性,固态时为青灰色[9],液态时为银白色。鎵的熔点在29.78℃,因此置於手心即会熔化;但鎵沸点很高(2403℃)。
已熔融后的鎵,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[10];在液态转化为固态时,膨胀率为3.4%[10],所以适宜贮藏于塑料容器中。
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[11]。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。
镓在加热下也能和硒反应:
- 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。
历史
1871年,俄國化學家門得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」(鋁下一行的元素)。其密度、熔點、氧化的特徵、和氯的鍵結與隨後發現「鎵」實值相差無幾[12] 。
鋁下元素 | 鎵 | |
---|---|---|
原子量 | 68 | 69.72 |
密度(g/cm3) | 6.0 | 5.904 |
熔點(℃) | 低 | 29.78 |
門得列夫更提出了一些關於這個元素的預測:人們將可以用光譜儀來發現這個元素;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土;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[13] ,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」(Gallia)為這個元素命名,在拉丁語中這是對法國高盧的稱呼。也有人認為是運用不同語言的雙關語而用他的名字(其中包含「Lecoq」)命名:Le coq在法語中是「公雞」(rooster)之意,而後者在拉丁語中又是「吊帶」(gallus,與鎵gallium相近)的意思。不過1877年德布瓦博德蘭寫文章否定這個猜測[14] 。
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。從1875年鎵的發現,到今天半導體的時代以來,鎵主要應用於高溫測溫儀以及製造安定性高或是容易融化的合金。
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[15]。
生产
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。通过汞电池的电解和氢氧化钠中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。[16]
1986年镓产量估计为40吨。[17]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。[18]到2011年世界镓产量约为216吨。[19]
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
镓和铟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[9]。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
金属镓无毒,但暴露于卤化镓配合物会造成急性毒性。[20]大剂量可溶的Ga3+盐会倾向于形成不可溶的氢氧化物,而氢氧化物沉淀有肾毒性。在较低剂量下,可溶性镓会通过尿液排出体外而不作为毒物积累。镓的排泄分两个阶段进行:第一阶段的生物半衰期为1小时,而第二阶段的生物半衰期为25小时。[21]
参考文献
- ^ Zhang Y; Evans JRG; Zhang S. Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. J. Chem. Eng. Data. 2011, 56 (2): 328–337. doi:10.1021/je1011086.
- ^ Ga(−3)存在于LaGa中,见Dürr, Ines; Bauer, Britta; Röhr, Caroline. Lanthan-Triel/Tetrel-ide La(Al,Ga)x(Si,Ge)1-x. Experimentelle und theoretische Studien zur Stabilität intermetallischer 1:1-Phasen (PDF). Z. Naturforsch. 2011, 66b: 1107–1121 (德语).
- ^ Hofmann, Patrick. Colture. Ein Programm zur interaktiven Visualisierung von Festkörperstrukturen sowie Synthese, Struktur und Eigenschaften von binären und ternären Alkali- und Erdalkalimetallgalliden (PDF) (学位论文). PhD Thesis, ETH Zurich: 72. 1997. ISBN 978-3728125972. doi:10.3929/ethz-a-001859893. hdl:20.500.11850/143357 (德语).
- ^ Weast, Robert. CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. 1984: E110. ISBN 0-8493-0464-4.
- ^ webelements.com. Gallium: the essentials.
- ^ Scerri, Eric. The Periodic Table: Its Story and Its Significance. Oxford University Press. 2020: 149. ISBN 978-0-19-091436-3.
- ^ Cobelo-García, A.; Filella, M.; Croot, P.; Frazzoli, C.; Du Laing, G.; Ospina-Alvarez, N.; Rauch, S.; Salaun, P.; Schäfer, J.; Zimmermann, S. COST action TD1407: network on technology-critical elements (NOTICE)—from environmental processes to human health threats. Environmental Science and Pollution Research International. 2015, 22 (19): 15188–15194. ISSN 0944-1344. PMC 4592495 . PMID 26286804. doi:10.1007/s11356-015-5221-0.
- ^ Romero-Freire, Ana; Santos-Echeandía, Juan; Neira, Patricia; Cobelo-García, Antonio. Less-Studied Technology-Critical Elements (Nb, Ta, Ga, In, Ge, Te) in the Marine Environment: Review on Their Concentrations in Water and Organisms. Frontiers in Marine Science. 2019, 6. ISSN 2296-7745. doi:10.3389/fmars.2019.00532 (English).
- ^ 9.0 9.1 《无机化学》第四版(ISBN 978-7-04-028478-2).高等教育出版社.12.3 硼族元素.P354. 12.3.1 硼族元素概述
- ^ 10.0 10.1 《无机化学》丛书.张青莲 主编.第二卷.P515 8 镓分族.2.6 物理性质
- ^ 《无机化学》丛书。张青莲主编。第二卷.P515 8镓分族.2.7化学性质
- ^ Ball, Philip. The Ingredients: A Guided Tour of the Elements. Oxford University Press. 2002: 105. ISBN 978-0-19-284100-1.
- ^ de Boisbaudran, Lecoq. Caractères chimiques et spectroscopiques d'un nouveau métal, le gallium, découvert dans une blende de la mine de Pierrefitte, vallée d'Argelès (Pyrénées). Comptes Rendus. 1835–1965, 81: 493 [2008-09-23].
- ^ Weeks, Mary Elvira. The discovery of the elements. XIII. Some elements predicted by Mendeleeff. Journal of Chemical Education. 1932, 9 (9): 1605–1619. Bibcode:1932JChEd...9.1605W. doi:10.1021/ed009p1605.
- ^ 引用错误:没有为名为
Greenwood221
的参考文献提供内容 - ^ Moskalyk, R. R. Gallium: the backbone of the electronics industry. Minerals Engineering. 2003, 16 (10): 921. doi:10.1016/j.mineng.2003.08.003.
- ^ Greber, J. F.(2012)"Gallium and Gallium Compounds" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, doi:10.1002/14356007.a12_163.
- ^ Kramer, Deborah A. Mineral Commodity Summary 2006: Gallium (PDF). United States Geological Survey. [2008-11-20].
- ^ Gallium report – U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 2012
- ^ Ivanoff, C. S.; Ivanoff, A. E.; Hottel, T. L. Gallium poisoning: a rare case report.. Food Chem. Toxicol. February 2012, 50 (2): 212–5. PMID 22024274. doi:10.1016/j.fct.2011.10.041.
- ^ Nordberg, Gunnar F.; Fowler, Bruce A.; Nordberg, Monica. Handbook on the Toxicology of Metals 4th. Academic Press. 7 August 2014: 788–90. ISBN 978-0-12-397339-9.
外部連結
- 元素镓在洛斯阿拉莫斯国家实验室的介紹(英文)
- EnvironmentalChemistry.com —— 镓(英文)
- 元素镓在The Periodic Table of Videos(諾丁漢大學)的介紹(英文)
- 元素镓在Peter van der Krogt elements site的介紹(英文)
- WebElements.com – 镓(英文)
元素周期表(主族金屬) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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IA 1 |
IIA 2 |
IIIB 3 |
IVB 4 |
VB 5 |
VIB 6 |
VIIB 7 |
VIIIB 8 |
VIIIB 9 |
VIIIB 10 |
IB 11 |
IIB 12 |
IIIA 13 |
IVA 14 |
VA 15 |
VIA 16 |
VIIA 17 |
VIIIA 18 | ||||||||||||||||||||
1 | H | He | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 | Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | |||||||||||||||||||||||||||||
3 | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | |||||||||||||||||||||||||||||
4 | K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | |||||||||||||||||||
5 | Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe | |||||||||||||||||||
6 | Cs | Ba | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn | |||||
7 | Fr | Ra | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og | |||||
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