镓

'（，旧译鋊、鉫），是一種化學元素，化學符號为'，原子序數为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。在標準狀況下，鎵元素是質地柔軟的銀色金屬，施加太多力就可能会形成贝壳状断口，在液态下則為银白色。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。自發現以來，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（62–95％鎵，5–22％銦和0–16％錫）具有遠低於水凝固點的凝固點，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。镓在会融化成液體，因此會融化於人的手中（一般人的體溫為）。

鎵在多種關鍵新興技術中皆有重要應用。電子設備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。镓被列為一種科技關鍵元素。鎵在生物學中沒有已知的天然作用，但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
单质镓不存在于自然界，但可以通过冶炼获得。极纯的镓是银蓝色的金属，会像玻璃一样形成贝壳状断口。液态镓转化为固态时，会膨胀3.4%，因此它不能储存于玻璃或金属容器里，因为容器会因为镓的凝固而破裂。其它和镓一样在凝固时膨胀的材料有水、硅、锗、铋和钚。

镓会扩散到金属的晶格脆化大部分金属，如扩散到铝锌合金和钢的晶粒边界里，使它们变得很脆。镓很容易和其它金属形成合金，这个性质用于原子弹钚弹芯的中，以稳定钚晶体的结构。

镓的熔点 302.9146 K（29.7646 °C，85.5763 °F）仅略高于室温，与地球中纬度地区夏季的平均白天温度大致相同。
它的熔点是国际计量局（BIPM）制定的国际实用温标（ITS-90）的正式温度参考点之一。国家标准技术研究所（NIST）则优先使用镓的三相点 302.9166 K（29.7666 °C，85.5799 °F），而不是熔点。

镓的低熔点使得它可以在人的手中融化。这种液态金属倾向于形成过冷液体：纳米镓颗粒在90 K下仍可以保持液态。加入晶种或者对其震荡即可使镓重新回到固态镓由于温度和压力的变化，会形成许多稳定和亚稳定的相态。

两个最接近的镓原子之间的键是共价键，因此Ga2二聚体被视为晶体镓的基本组成部分。这解释了为什么镓相对于邻近的铝和铟有较低的熔点。这种结构惊人地和碘相似，可能是镓原子比4s电子和[Ar]3d10原子实更远离原子核的单个4p电子之间的相互作用而成的。这种现象在同为液态的汞的“拟惰性气体”电子构型 [Xe]4f145d106s2中再次出现。

镓的物理性质有极高的各向异性，也就是沿三个主要的晶轴a、b和c（见图）测量的值不同。温度会强烈影响镓的性质，尤其是在熔点附近的温度。例如，镓在熔化时的热膨胀系数会增加数倍。

同位素
镓有30种同位素，原子量在60到89之间，其中只有两种是天然存在的稳定同位素，分别为镓-69和镓-71。较常见的镓-69占了天然镓的60.1%，而镓-71则组成了剩下的39.9%。剩下的镓同位素都是人造的放射性同位素，其中最稳定的是镓-67（半衰期3.261天）。轻于镓-69的镓同位素通常通过正β衰变（正电子发射）或是电子捕获衰变成锌，重于镓-71的镓同位素则通过β衰变（电子发射）衰变成锗, 而镓-70可以通过β衰变或是电子捕获两种方式衰变。镓-67由于其衰变能量不足以正电子发射，所以它只能通过电子捕获衰变。

化学性质
镓主要以+3氧化态存在。镓的+1氧化态比较重的同类物铟和铊罕见，但也存在于某些化合物中。举个例子，非常稳定的GaCl2同时含有镓(I)和镓(III)，结构为GaIGaIIICl4。作为比较，镓的一氯化物在0 °C以上不稳定，会歧化成单质镓和三氯化镓。真正的镓(II)化合物含有Ga–Ga键，例如GaS（结构为Ga24+(S2−)2）和二氧六环配合物Ga2Cl4(C4H8O2)2。氢氧化镓 可以通过镓(III)溶液和氨反应沉淀而成。在100 °C下脱水，形成碱式氧化镓 GaO(OH)。

碱性氢氧化物溶液也可以溶解镓，形成含有离子的镓酸盐。但之后的研究没发现这种离子。

和氧族元素的化合物
镓在高温下才会和氧族元素反应。由于形成了保护性的氧化物层，室温下的镓不与空气和水反应。不过，高温下的镓会和空气中的氧气，形成氧化镓 。在500 °C至700 °C的真空下使用单质镓还原会产生深棕色的氧化亚镓 。

硫化镓 有三种晶体结构。
:2 + 3 → + 6

碱金属碳酸盐、和的反应会产生含有阴离子的硫代镓酸盐。强酸会和这种盐反应，并放出。

镓也有低氧化态的硫化物，例如一硫化镓和绿色的一硫化二镓。后者可以由前者在氮气中加热到1000 °C而成。

镓可以形成三元氮化物：
:GaCl + →

氢化物
和铝一样，镓也会形成氢化物 。这种氢化物叫做氢化镓，可以通过氢化镓锂（）和三氯化镓在−30 °C下反应而成：

有机镓化合物
有机镓化合物的反应性和有机铟化合物类似，比有机铝化合物的活性低，但比有机铊化合物的活性高。烷基镓在室温下为液态，熔点低且容易燃烧。三苯基镓在溶液中为单体，但它的结晶由于分子间的Ga···C 相互作用而形成链状结构。三氯化镓和环戊二烯基锂在乙醚中反应，可以形成平面三角形的环戊二烯基配合物 GaCp3。镓(I)可以和像是六甲苯的芳香化合物配体形成配合物。由于六甲苯配体很大，所以[Ga(η6-C6Me6)]+是的。较小的均三甲苯则可以使中心的镓原子和两个配体以弯曲的夹心结构配合。更小的苯则可以使配合物形成例如 [Ga(η6-C6H6)2] [GaCl4]·3C6H6的二聚体。
。

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|+ 门捷列夫在1871年预测的性质和镓的实际性质对比，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。而金属行业则使用它来降低合金的熔点。

存在
镓在地球地壳中不以单质存在，而像是gallite（CuGaS2）的高镓矿物则因为太稀有而不能作为镓的主要来源。镓在地球地壳中的丰度约为16.9 ppm，可以和铅、钴和铌比较，然而，镓不像这些元素，它不会形成矿床。它痕量存在于锌矿石中，在铝矿石中的含量略高（~50 ppm），以副产品的形式从这两种矿石中提取。这种缺乏独立矿床的原因是镓的地球化学性质，在大多数与矿床形成相关的过程中都没有显示出强烈的富集性。一些煤灰尘中含有少量的镓，通常含量低于1%（按重量计）。然而，如果不开采主矿，这些镓是不可提取的（见下文）。因此，镓的产量从根本上取决于铝土矿和锌矿石（和煤）的产量。

生产
镓是生产其它金属的过程中的副产品。它的主要来源是铝的主要矿石铝土矿，也有少量的镓来自硫化锌矿（主要是闪锌矿）。以前，某些煤炭也是镓的重要来源。

在拜耳法中将铝土矿加工成氧化铝的过程中，镓会在氢氧化钠溶液中积累，这些镓可以通过多种方法提取。最新的方法是使用离子交换树脂。镓的提取率主要取决于铝土矿原料中镓的原始浓度。在50 ppm的典型浓度下，大约15%的镓是可提取的，

的铝土矿区（1984年）]]
以副产品的形式开采意味着镓的生产受到每年提取的铝土矿、硫化锌矿石（和煤）数量的限制，因此需要根据供应潜力来讨论其可用性。副产品的供应潜力定义为在当前市场条件（即技术和价格）下，“每年”从其主体材料中经济可提取的数量。因为它们不能从主要产品中独立提取，所以副产品的储量和资源与供应潜力无关。最近的预测认为铝土矿的镓供应潜力至少为2100吨/年，硫化锌矿石的供应潜力为85吨/年，而煤炭的潜在供应量为590吨/年。因此，在不显着增加生产成本或价格的情况下，镓的副产品产量将有可能在未来大幅增加。2016年低品位镓的平均价格为每公斤120美元，2017年则为每公斤135-140美元。

中国于2016年生产了约250吨低品位镓，而2017年时生产了约300吨，占全球LED产量的一半以上。

用途
镓的商业需求由半导体应用主导，它占了总需求的98%。镓的另一个主要用途是。

半导体
极纯（>99.9999%）的镓可用于半导体工业。2007年，用于电子元件的砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN）约占美国镓消费量的98%。在美国，大约66%的半导体镓用于集成电路（主要是砷化镓），例如制造超高速逻辑芯片和用于手机中的低噪声微波前置放大器的金属半导体场效应管。约有20%的半导体镓则用于光电工程。

全球的砷化镓占了全球镓年消费量的95%。

为卫星电力应用而开发的多结光伏电池由砷化镓、磷化铟镓或薄膜的分子束外延或有机金属化学气相沉积法制成。火星探测漫游者和多颗卫星在锗电池上使用三结砷化镓。镓也是用于太阳能板的光伏化合物（例如）中的一种成分，这些化合物是晶体硅具有成本效益的替代品。

合金
成型为各种3D形式]]
镓可以和大部分金属形成。镓、铟和锡组成的几乎共晶的合金镓铟锡合金在室温下是液体，用于医用温度计。它的熔点只有−19 °C（−2.2 °F）。有人建议镓合金可以用来代替水冷却计算机芯片，并经常被用作高性能计算中导热膏的替代品。镓合金是银汞的替代品，但尚未得到广泛接受。

因为镓可以浸润玻璃或瓷器，镓可以用来制造闪亮的镜子。当不需要镓合金的浸润时（如镓铟锡合金玻璃温度计中），必须用氧化镓透明层保护玻璃。

用于制造原子弹弹芯的钚需要停留在，而它通过而使得它可加工。

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。若温度在熔点之上，镓和铟混合研磨时便可自动形成合金。

生物医学
雖然生物體內的自然反應作用並不利用镓，但镓离子在生物体内所參與的各種反應過程與铁(III)類似。這些生物作用包括炎症，是許多疾病的指標，所以有一些镓盐在醫療中被用作药物和放射性药物（或正在开发中）。由於发现注射67Ga(III)的柠檬酸盐到帶有腫瘤的動物體內後，鎵鹽會聚積於肿瘤部位，激起了研究鎵鹽用於抗癌的兴趣。臨床研究發現硝酸镓对非霍奇金氏淋巴瘤和尿路上皮癌具有抗肿瘤活性。而新一代的镓配合物，例如麦芽酚镓和三(8-喹啉酸)镓(III)（KP46），也已出现。硝酸镓已被用作静脉注射藥物治疗骨骼恶性转移造成的高钙血症。推測這是因為镓干扰破骨细胞的功能，当其它治疗失败时，嘗試此治療可能會見效。是极易吸收的口服镓(III)盐，可以對抗病理性增殖细胞的增殖，特别是癌细胞和某些用鎵代替三价铁（Fe3+）的细菌。研究人员正在試驗以这种化合物治療癌症、传染病和發炎疾病的臨床與臨床前試驗。

镓离子被細菌攝入（例如假单胞菌属的细菌）可干擾細菌的呼吸作用而杀死细菌。这是因为鎵離子取代了铁(III)在細菌生化反應中的角色：铁离子可以被氧化與还原，允许在呼吸作用中转移电子，而镓离子不能氧化还原。

一种镓(III)配合物MR045對於已對氯喹（一种抗疟疾的常用药物）發生抗藥性的寄生虫具有选择性毒性。这种镓(III)配合物和氯嗪的作用，都是抑制寄生虫消化血液形成疟色素的结晶化。

放射性镓化合物
镓-67的盐（例如柠檬酸镓和硝酸镓），是核子醫學掃描（）中所使用的放射性药物。所利用的是镓-67，至于是什么镓盐并不重要。人体会把Ga3+看作是Fe3+，因此镓离子会濃集於發炎以及有快速细胞分裂的地方。於是可以使用核扫描技术攝影成像。

其它用处
镓可用于探测中微子。可能是有史以来有最多纯镓的地方是俄罗斯巴克三中微子观测所在中所使用的镓-锗中微子望远镜。这个探测器含有55–57吨（~9立方米）的液镓。另一个实验是1990年代初在意大利山区隧道中运行的中微子探测器，探测器中装有12.2吨加水的镓-71。太阳中微子会使几个原子的71Ga变成放射性的71Ge，而后者会被检测到。该实验表明，太阳中微子通量比理论预测少40%。在构建更好的太阳中微子探测器和理论之前，这种缺陷没有得到解释（参见SNO）。

镓还用作聚焦离子束的。镓离子聚焦束创造了世界上最小的书——《》。镓的另一用途是作为滑雪板滑行蜡和其他低摩擦表面材料的添加剂。

由于镓的外观类似它较轻的同类物铝，化学家之间著名的恶作剧是制作镓汤匙并用它们为毫无戒心的客人提供茶水。这些汤匙会在热茶中融化。

海洋中的镓
微量元素检测的进展使科学家能够发现大西洋和太平洋中溶解的镓的痕迹。近年来，在波弗特海中也检测到了镓。这些报告反映了太平洋和大西洋水域的可能剖面。这是因为镓的地球化学性质类似铝，只不过较难反应。镓在水表面的停留时间也比铝稍长。镓在西北太平洋、南大西洋和中大西洋被用作铁的示踪剂。
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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。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：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。

参考文献
外部連結