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  • 镓是灰蓝色或银白色的金属。熔点很低,沸点很高。纯液态镓有显著的过冷的趋势,在空气中很稳定。

    编辑摘要

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    发现历史/镓 编辑

    金属镓 金属镓

    镓在巴黎由布瓦博得朗于1875年发现。他在闪锌矿矿石(ZnS)中提取的锌的原子光谱上观察到了一个新的紫色线。他知道这意味着一种未知的元素出现了。

    布瓦博得朗没有意识到的是它的存在和属性,都已经被门捷列夫成功预言了,他的元素周期表显示出在铝下面有个间隙尚未被占据。他预测这种未知的元素原子量大约是68,它的密度是5.9g/cm³。

    在1875年11月,布瓦博得朗提取并提纯了这种新的金属,并证明了它像铝。在1875年12月,他向法国科学院宣布了它。  

    含量分布/镓 编辑

    熔化的镓 熔化的镓

    由于镓在地壳中的浓度很低.在地壳中占重量的0.0015%。它的分布很广泛,但不以纯金属状态存在,而以硫镓铜矿(CuGaS)形式存在,不过很稀少,经济上也不重要。镓是闪锌矿,黄铁矿,矾土,锗石工业处理过程中的副产品。  

    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。在高温灼烧锌矿时,镓就以化合物的形式挥发出来,在烟道里凝结,镓常与铟和铊共生。经电解、洗涤可以制得粗镓,再经提炼可得高纯度镓。

    时下世界90%以上的原生镓都是在生产氧化铝过程中提取的,是对矿产资源的一种综合利用,通过提取金属镓增加了矿产资源的附加值,提高氧化铝的品质降低了废弃物“赤泥”的污染,因此非常符合当前低碳经济以最小的自然资源代价获取最大利用价值的原则。镓在其它金属矿床中的含量极低,经过一定富集后也只能达到几百克/吨,因而镓的提取非常困难,另一方面,由于伴生关系,镓的产量很难由于镓价格上涨而被大幅拉动,因此,原生镓的年产量极少,全球年产量不足300吨,是原生铟产量的一半,如果这种状况不能得到改善,未来20-30年这些金属镓将会出现严重短缺。

    理化性质/镓 编辑

    物理性质

    金属镓 金属镓

    淡蓝色金属,在29.76℃时变为银白色液体。液态镓很容易过冷即冷却至0℃而不固化。微溶于汞,形成镓汞齐。镓能浸润玻璃,故不宜使用玻璃容器存放。  

    分子结构图 分子结构图

    受热至熔点时变为液体,再冷却至0℃而不固化,由液体转变为固体时,其体积约增大3.2%。硬度1.5~2.5。常温时镓在干燥空气中稳定。  

    很容易水解,尤其是在生理学的pH值下。纯镓是银白色的,可以浸润玻璃,沸点很高,在大约1500℃时有很低的蒸汽压。  

    化学性质

    外围电子排布4s 4p ,位于第四周期第ⅢA族。  

    在潮湿空气中氧化,加热至500℃时着火。室温时跟水反应缓慢,跟沸水反应剧烈生成氢氧化镓放出氢气。加热时溶于无机酸或苛性碱溶液。能跟卤素、硫、磷、砷、锑等反应。  

    镓在干燥空气中较稳定并生成氧化物薄膜阻止继续氧化,在潮湿空气中失去光泽。与碱反应放出氢气,生成镓酸盐。能被冷浓盐酸浸蚀,对热硝酸显钝性,高温时能与多数非金属反应;溶于酸和碱中,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。镓的活动性与锌相似,却比铝低。镓是两性金属,既能溶于酸(产生Ga )也能溶于碱。镓在常温下,表面产生致密的氧化膜阻止进一步氧化。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。  

    生理学:还没有发现镓有生理微量元素的功能。和铝一样,它只通过肠道很微量的吸收。可以利用三氧化二镓在老鼠、家鼠、狗肺部沉积的数据。  

    皮下注射镓后,镓在组织中的分布模式是定时得,这和静脉注射很相似。镓在组织中的分布模式取决于摄入镓的剂量。主要的排泄渠道是尿液。癌症患者对镓的清理分为两阶段,半衰期分别为87分钟和24.5小时。  

    镓的毒性是和生物的种类相关的。在服用浓度高于750mg/kg时才会表现出对人肾脏的毒性。对老鼠的实验表明,镓会导致镓,钙和磷酸盐在肾中的沉积,这会堵塞肾腔。  

    一滴液态镓 一滴液态镓

    分析化学:Dymov和Savostin曾对镓的分析化学作了全面的回顾。由于镓在环境中的浓度很低,灵敏度是选择探测方法时的主要问题。由于这个原因,最常用荧光计和中子活化法。可以在测量前对样品进行浓缩,例如,通过溶剂提取,提高了灵敏度,但增加了劳动量。8-羟基醌常用于生物材料中镓的荧光测定法。水杨醛二氯腙化碳作为荧光物质,使探测极限降到了2ng/L。pyrrolidinecarbodithioate和二乙基二硫代氨基甲酸盐的混合物用于在中子活化法前提取镓。镓的探测极限可以达到1ng/L。  

    毒理性质:镓的毒性是和生物的种类相关的。在一项研究中,老鼠的LD50大于220mg/kg,狗的只有18mg/kg。狗的死亡是由于肾功能的衰竭。  

    镓和镓的化合物有微弱的毒性,但是没有任何文献表明镓有生殖毒性。相反,硝酸镓可以用于治疗某些疾病。镓容易附着到桌面、手、还有手套上留下黑色的斑迹。

    应用领域/镓 编辑

    工业用途

    制造半导体氮化镓、砷化镓、磷化镓、锗半导体掺杂元;纯镓及低熔合金可作核反应的热交换介质;高温温度计的填充料;有机反应中作二酯化的催化剂。

    镓的工业应用还很原始,尽管它独特的性能可能会应用于很多方面。液态镓的宽温度范围以及它很低的蒸汽压使它可以用于高温温度计和高温压力计。镓化合物,尤其是砷化镓在电子工业已经引起了越来越多的注意。没有能利用的精确的世界镓产量数据,但是临近地区的产量只有20吨/年。  

    镓-68会发射正电子,可以用于正电子断层成像。  

    镓铟合金可用于汞的替代品。

    医学应用

    在观察到癌组织对67Ga有吸引力之后,美国国家癌症学会指出稳定的镓对于啮齿动物的肿瘤很有疗效。这曾在癌症病人身上试验过。当服用剂量为750mg/kg时,镓对人的肾脏有害。不停的灌输镓的配制药品可以降低镓对肾小管的毒性。  

    制备方法/镓 编辑

    可由铝土矿或闪锌矿中提取。   最后经电解制得纯净镓。  

    主要从炼锌废渣和炼铝废渣中回收提取。  

    工业生产以工业级金属镓为原料,用电解法、减压蒸馏法、分步结晶法、区域熔融法进一步提纯,制得高纯镓。   电解法 以99.99%的工业级金属镓为原料,经电解精炼等工艺,制得高纯镓的纯度≥99.999%。以≥99.999%的高纯镓为原料,经拉制单晶或其他提纯工艺进一步提纯,制得高纯镓的纯度≥99.99999%。  

    储存方法/镓 编辑

    由于液态镓的密度高于固体密度,凝固时体积膨胀,而且熔点很低,储存时会不断地熔化凝固。所以使用玻璃储存会撑破瓶子和浸润玻璃造成浪费,镓适合使用塑料瓶(不能盛满)   储存。

    最新研发/镓 编辑

    2014年9月23日,美国北卡罗来纳州一个科研团队日前研发出一种可进行自我修复的变形液态金属,距离打造“终结者”变形机器人的目标更进一步。

    科学家们使用镓和铟合金合成液态金属,形成一种固溶合金,在室温下就可以成为液态,表面张力为每米500毫牛顿。这意味着,在不受外力情况下,当这种合金被放在平坦桌面上时会保持一个几乎完美的圆球不变。当通过少量电流刺激后,球体表面张力会降低,金属会在桌面上伸展。这一过程是可逆的:如果电荷从负转正,液态金属就会重新成为球状。更改电压大小还可以调整金属表面张力和金属块粘度,从而令其变为不同结构。

    北卡罗来纳州立大学副教授迈克尔·迪基(Michael Dickey)说:“只需要不到一伏特的电压就可改变金属表面张力,这种改变是相当了不起的。我们可以利用这种技术控制液态金属的活动,从而改变天线形状、连接或断开电路等。”

    此外,这项研究还可以用于帮助修复人类切断的神经,以避免长期残疾。研究人员宣称,该突破有助于建造更好的电路、自我修复式结构,甚至有一天可用来制造《终结者》中的T-1000机器人。  

    相关文献

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    扩展阅读
    1屠海令等主编.有色金属冶金、材料、再生与环保.北京市:化学工业出版社,2003.
    2在手中融化的金属

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