镓与金属形成低熔点合金，可用于熔断器与保险装置

1.概况

元素符号 Ga

相对原子质量 69.72

元素类型 金属

原子体积／（cm³／mol） 11.8

地壳中含量 18×10^－4％

太阳中的含量 0.04×10^－4％

海水中的含量 0.00001×10^－4％

原子序数 31

核外电子数 31

核外电子排布 2-8-18-3

电子构型 1s²2s²p⁶3s²p⁶d¹⁰4s²p¹

原子半径／Å 1.81

共价半径／Å 1.26

离子半径／Å 0.62

质子质量／kg 5.1863×10^－26

质子相对质量 31.217

元素周期表所属周期 4

元素周期表所属族数 ⅢA

氢化物 GaH₃

氧化物 Ga₂O₃

最高价氧化物化学式 Ga₂O₃

常见化合价 ＋3

氧化态 主要Ga^＋3

其他Ga^＋1、Ga^＋2

声音在其中的传播速率／（m／s） 2740

莫氏硬度 1.5

晶体结构 正交晶胞

晶胞参数：

a=451.97pm

b=766.33pm

c=452.6pm

α=90°

β=90°

γ=90°

电离能／（kJ／mol）：

M-M＋578.8

M＋-M2＋1979

M2＋-M3＋2963

M3＋-M4＋6200

M4＋-M5＋8700

M5＋-M6＋11400

M6＋-M7＋14400

M7＋-M8＋17700(www.xing528.com)

M8＋-M9＋22300

M9＋-M10＋26100

比热容／[J／（g·K）］ 0.37

蒸发热／（kJ／mol） 258.7

熔化热／（kJ／mol） 5.59

电导率／（10⁶S／cm） 0.0678

热导率／[W／（cm·K）］0.406

肝中含量0.0025×10^－4％

肌肉中含量0.0014×10^－4％

血中含量／（mg／dm³）＜0.08

2.性状

（1）物理性状 镓是一种稀有的三价金属元素，固体密度为5.904g／cm³，熔点为29.78℃，沸点为2403℃，第一电离能为5.999eV，质软、性脆，在空气中表现稳定。图9-5为镓，图9-6为大块镓单晶。

图9-5 镓

图9-6 大块镓单晶

固体镓为蓝灰色，液体镓为银白色；镓与钒、铌、锆形成的合金具有超导性，电阻率为2.7×10^－7Ω·m；液态镓的蒸气压很低，1350℃时仅为133.3Pa。在所有元素中，镓的液态温度范围最宽（为29.93～2403℃）。固态镓的结构复杂，液态镓易出现过冷现象，在快速冷却时，液体镓可以在－40℃的过冷状态下仍保持液态。液态镓转为固态时，镓体积膨胀，膨胀率达3.2％，已熔融的金属，在温度下降到室温时，可保持液态达数日之久，适宜贮藏于塑料容器中。液态镓几乎能润湿所有物质的表面，具有优良的浇注性能，能迅速扩散到某些金属的晶格内，在高温下能和许多金属生成合金。

（2）化学性状 有＋1～＋3三种价态，其中以＋3价化合物最稳定。镓的化学活性不如铝活泼，在常温下几乎不受氧和水的侵蚀，只在高温下才被氧化，与沸水反应剧烈，与200℃的高压水蒸气接触，会氧化生成氢氧化镓。镓缓慢溶于硫酸和盐酸中，室温下不溶于硝酸，可溶于热的强酸及强碱中，分别形成镓盐或镓酸盐。镓的氧化和氢氧化物都是两性的，可溶于酸和碱中。随着纯度的提高，镓在酸和碱中溶解速度变慢。镓能和卤素作用生成各种卤化物，反应生成三卤化镓或一卤化镓。镓在高温下能与硫、硒、碲、磷、砷、锑反应，生成的化合物都有半导体性质。金属镓腐蚀很强。

3.用途

1）镓在常温下看上去像一块锡，如果你想把它放在手心里，它马上就熔化了，成为银亮的小珠，因为镓的熔点很低，只有29.78℃。镓的熔点虽然很低，可是沸点却非常高，高达2403℃。人们就利用镓的这个特性来制造测量高温的温度计，把这种温度计伸进炉火熊熊的炼钢炉中，玻璃外壳都快熔化了，里边的镓还没有沸腾。如果用耐高温的石英玻璃来制造镓温度计的外壳，它能够一直测到1500℃的高温。所以，人们常用这种温度计来测量反应炉、原子反应堆的温度。

2）镓具有较好的铸造特性，由于它“热缩冷胀”，被用来制造铅字合金，使字体清晰。

3）镓与许多金属，如铋、铅、锡、镉，铟、铊等，生成熔点低于60℃的易熔合金，如铟质量分数为25％的镓铟合金（熔点16℃）、锡质量分数为8％的镓锡合金（熔点20℃），可以用在电路熔断器和各种保险装置上，温度一高，它们就会自动熔化断开，起到安全保险的作用。加入铝中可制得易热处理的合金。

4）镓同玻璃合作，有增强玻璃折射率的效能，可以用来制造特种光学玻璃。因为镓对光的反射能力特别强，同时又能很好地附着在玻璃上承受较高的温度，所以用它做反光镜最适宜。镓镜能把射来光的70％反射出去。

5）镓的一些化合物，如今与尖端科学技术结下了不解之缘。镓在空气中表现稳定，高温时能与大多数金属作用，是制造半导体砷化镓、磷化镓、锗半导体的重要元素。

①砷化镓性能优良，可作太阳电池；用它作为电子元件，可以使电子设备的体积大为缩小，实现微型化；人们还用砷化镓做元件制成了砷化镓激光二极管，这是一种效率高、体积小的新型激光器。

②磷化镓是一种半导体发光元件，能够射出红光或绿光，可制成发光二极管，人们把它做成了各种阿拉伯数字形状，在电子计算机中，利用它来显示计算结果。

6）镓可用作高温温度计和真空装置中的密封液。镓的最重要的应用是在制造半导体器件方面。镓还用来制造阴极蒸气灯等。在原子能工业中，用镓作为热传导介质，把反应堆中的热量传导出来。

7）镓和金的合金应用在装饰和镶牙方面，用作有机合成的催化剂。

8）医学上用于癌的定位。

4.来源及制备

（1）来源 在化学元素周期表建立的过程中，性质相似的元素成为一族已为当时的化学家们所接受。当时法国化学家布瓦邦德朗在用光谱分析物质时发现，在铝族中，铝和铟之间缺少一个元素。从1865年开始，他用分光镜寻找这个元素，分析了许多矿物，但是都没有成功。直到1875年9月，在闪锌矿中离析出几克性质与门捷列夫预言的“类铝”相同的元素，从光谱分析上，布瓦邦德朗发现是以前从未见过的新谱线，于是断定这种物质是以前不曾发现的元素。经过电解后得到了镓，布瓦邦德朗在法国化学家们面前做了一组实验，证明新元素的存在。当时布瓦邦德朗测定的新元素密度是4.7g／cm³，而门捷列夫根据元素周期表推算出的密度应该是5.9～6g／cm³，布瓦邦德朗又重新测定了这种新元素，证实了密度应该是5.96g／cm³。他将此物质命名为gallium，意思为“法国的”，元素符号定为Ga。镓是化学史上第一个先从理论预言，后在自然界中被发现验证的化学元素。镓的发现不仅仅是一个化学元素的发现，它的发现引起了科学家们对门捷列夫制定的元素周期表的重视，使化学元素周期表得到赞扬和承认。

镓在自然界中常以微量分散于铝土矿、闪锌矿等矿石中，由铝土矿中提取制得。

（2）制备 高纯镓一般杂质总含量在10^－5以下，按镓含量分为5N、6N、7N和8N共四种级别，正交晶系，各向异性显著，0℃时电阻率沿a、b、c三个轴分别为1.75×10^－6Ω·m、8.20×10^－6Ω·m和55.30×10^－6Ω·m。高纯镓可采用化学处理、电解精炼、真空蒸馏、区域熔炼、拉单晶等多种工艺方法制备。

欧盟委员会曾发布题为《对欧盟生死攸关的原料》的报告，将14种重要矿产原料列入“紧缺”名单，镓名列其中。尽管镓是紧缺资源，但却是被浪费的紧缺资源，因为镓很少单独成矿，多为伴生，回收率极低，多在1％以内，而且一旦生产，要建立符合环保标准的生产线，投入巨大。很多大型的矿业集团不愿意投入资金进行提取，而是任其白白浪费。例如内蒙古准格尔煤层中富含镓资源，探明的储量为5万t左右，其含量已经达到镓的工业品位，满足开发利用的标准。虽然这部分煤矿中富含镓，但采矿初期并没有对镓收集提炼，富含镓的煤炭资源仍然是按照普通煤炭的政策进行开采和销售，这部分镓资源被默默消耗掉。我国山西、河南、山东、河北、贵州等地的铝土矿中，都伴生镓元素；内蒙古、云南、重庆等地，镓富集于煤层、锡矿和锗矿中；此外，在部分铅锌矿里面也富集镓。小型镓业公司抓住这机会，大型的矿业集团弃之不用的废料变成了很多小型镓业公司的原材料，在环保监管不严的情况下，小型镓业公司往往投入几十万就可以建一条镓矿提取线，提取工艺也十分简单，年产只有3～4t甚至1t。镓市场越来越大，资金回笼快，吸引了一些大型矿业集团开始投资，进行镓矿提取。2009年，东方希望集团旗下的东方希望渑池镓业有限公司，投资1.5亿建立了一条产能为40t的生产线，依托年产250万t的氧化铝生产企业，实现了矿产的综合利用，已经生产了十几吨的镓，在带来不菲经济效益的同时，还大大提高了氧化铝的纯度。中国铝业公司是产镓大户，年产超过20t，出口到很多国家。北京吉亚半导体材料有限公司、万盛集团（珠海）贸易有限公司等属于规模比较大的企业。

我国本溪满族自治县草河掌境内发现了镓金属矿种，新发现的镓矿分布面积较大，品位较高。我国永川市须家河煤系地层中，贮藏有丰富的镓（锗）稀有金属元素，在现有永和煤矿、中心桥煤矿井田中发现两个中型镓矿床，这两个中型镓矿床是国内稀有的少数矿床之一，投资2000万元人民币，生产规模年产10t金属镓，粉煤灰年处理量为50～80万t。金属镓售价为420～460美元／kg，折合成人民币为350～382万元／t，年生产10t的金属镓提取工厂，销售价按450美元／kg计算，年销售收入可达3700多万元，税前利润在1500万元左右，2～3年即可收回投资成本。

我国已探明的镓资源储量为10万t，但产量不稳定。我国政府对包括稀土、钨、锑、钼、锡、铟、锗、镓、钽和锆等10大稀有金属已建立战略储备库，镓的出口也进行管理，镓的出口配额从每年的5.4t下降到3.6t，而且还有逐年下降的趋势。

日本是世界上最大的镓进口国，其次是欧美等发达国家。美国地理测绘局（U.S.GeologicalSurvey）对镓的生产销售做出的统计显示，中国、德国、哈萨克斯坦和乌克兰是当今世界的四大镓生产国，美国消耗的镓中16％是从中国进口的。2005年，镓价格达到了历史高位，其价格一度在每公斤5200元～5800元之间徘徊。目前，全世界镓的需求量超过100t／年，而实际年生产总量不足80t。

5.危害及防治

（1）危害 镓具有腐蚀性，暴露会刺激和灼伤眼、鼻和咽喉；反复或高浓度暴露会引起恶心、呕吐、皮疥，造成肾损伤。

（2）防治 如皮肤接触，应迅速脱去污染的衣物，用清水冲洗患处；如眼睛接触，应立刻用大量清水冲洗至少15min；如吸入，需将患者移至新鲜空气处。

保护眼睛时，应戴防化镜和面罩（操作液体时），或戴防尘镜和面罩（操作粉尘时）；保护身体时，应穿戴清洁完好的防护服、足靴、头盔；防护手时，应戴手套；保护呼吸系统时，应选用适当的呼吸器。处理泄漏时，须穿戴防护用具进入现场，使用干沙、泥土或类似物质吸收液体，并放入密闭容器内。

镓平时应贮存在密闭容器内，置于凉爽、通风处，避免接触酸和卤素，运输须贴“腐蚀”标签，航空、铁路限量运输。