鎵（拼音：jiā，注音：ㄐ丨ㄚ，粵拼：gaa1；英語：Gallium），是一種化學元素，其化學符號為Ga，原子序數為31，原子量為69.723 u，位於元素週期表的第13族，為一種貧金屬，與鋁、銦和鉈具有相似的特性。在自然界中常以微量散存於鋅礦、鋁礬土礦等礦石中。在標準溫度和壓力下，鎵元素是一種質地柔軟的銀色金屬；而在低溫下則為脆性固體。當溫度高於29.76 °C（85.57 °F）則為液體，因此此金屬會融化於人的手中（一般人的體溫為37 °C（99 °F））。
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）具有較低的熔點-19 °C（-2 °F），遠低於水的凝固點。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。而半導體氮化鎵和氮化銦鎵用於製造藍色、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釓鎵榴石型鐵氧體。
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。
命名與發現
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[2] 。
| 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[3]，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[4]。
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。
物理性質
鎵非常柔軟，富有延展性，固態時為青灰色[5]，液態時為銀白色。鎵的熔點在29.78℃，因此置於手心即會熔化；但鎵沸點很高（2403℃）。
已熔融後的鎵，在溫度下降到室溫時，可保持液態達數日之久，如果繼續降溫，鎵也可能保持過冷的液態，此時加入晶核或者對其震盪，即可重新回到固態[6]；在液態轉化為固態時，膨脹率為3.4%[6]，所以適宜貯藏於塑料容器中。
化學性質
鎵在化學反應中存在+1、+2和+3化合價，其中+3為其主要化合價。鎵的金屬活動性類似鋅，卻比鋁低[7]。鎵是兩性金屬，既能溶於酸（產生Ga3+）也能溶於鹼（生成鎵酸鹽）。鎵在常溫下，表面產生緻密的氧化膜阻止進一步氧化，在冷的硝酸中鈍化。加熱時和鹵素、硫迅速反應，和硫的反應按計量比不同產生不同的硫化物。
鎵在加熱下也能和硒反應：
- Ga + Se → GaSe（棕色）
- 2 Ga + Se → Ga2Se（黑色）
鎵即使在1000℃也不能和氮氣反應，而在略高於此溫度時能和氨氣反應，產生疏鬆的灰色粉末狀的氮化鎵，它能被熱的濃鹼分解，放出氨氣。
生產
鎵是煉鋁和煉鋅過程中的一種副產品，然而從閃鋅礦中得到的鎵很少。大部分的鎵萃取自於拜耳法中粗煉的氫氧化鋁溶液。通過汞電池的電解和氫氧化鈉中汞齊的水解得到鎵酸鈉，再由電解得到鎵。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（即柴氏法）。99.9999%純的鎵已經能例行取得，並且在商業上有廣泛應用。[8]
1986年鎵產量估計為40噸。[9]2007年，鎵產量為184噸，其中只有不到100噸是採礦而來，其餘都來自廢渣回收。[10]到2011年世界鎵產量約為216噸。[11]
用途
鎵可用作光學玻璃、合金、真空管等；砷化鎵用在半導體之中，最常用作發光二極體（LED）。
合金
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[5]。若溫度在熔點之上，鎵和銦混合研磨時便可自動形成合金。
毒性
當前並未發現鎵和鎵的化合物具有毒性，包括流傳最廣的生殖毒性。但鎵有時附著到桌面和手套上留下一些黑色的印跡，這時只需要進行清洗。
參考文獻
- ↑ webelements.com. Gallium: the essentials.
- ↑ 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.
- ↑ 5.0 5.1 《無機化學》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
- ↑ 6.0 6.1 《無機化學》叢書.張青蓮 主編.第二卷.P515 8 鎵分族.2.6 物理性質
- ↑ 《無機化學》叢書。張青蓮主編。第二卷.P515 8鎵分族.2.7化學性質
- ↑ 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
外部連結
- 元素鎵在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
- EnvironmentalChemistry.com —— 鎵（英文）
- 元素鎵在The Periodic Table of Videos（諾丁漢大學）的介紹（英文）
- 元素鎵在Peter van der Krogt elements site的介紹（英文）
- WebElements.com – 鎵（英文）