镓（Gallium），一种 化学元素 ，化学符号为Ga，原子序数为31，原子量为69.723，Ⅲ A族元素， 熔点 为29.76 °C，室温下为灰蓝色或银白色固体。置于手掌中即可熔化，熔化后为银白色液体。 镓的熔点很低，但 沸点 高达2403°C。 纯液态镓有显著的过冷的趋势，在空气中易氧化，形成氧化膜， 由液态转化为固态时体积可膨胀3.2%。镓为两性金属，即可溶于酸，又可溶于碱，化学反应中存在+1、+2和+3 化合价 ，其中+3价最为稳定。镓是化学史上第一个根据 化学元素 周期律预言并在自然界中证实的元素，是室温下 电导率 和热导率均为最大的液态物质。 常温下镓在空气中比较稳定，加热时可被氧化，可与金属形成合金。
镓于1875年由 法国 化学家 布瓦博德朗 （Paul Émile Lecoq de Boisbaudran）发现并命名， 在自然界中没有单独的矿物存在，主要以杂质的形式分散在 铝矾土 、 铅锌矿 等其他矿物中， 可通过萃取法、 有机化合物 热分解法、重结晶法、 电解 精炼法以及真空精炼法等从矿产中提取或精炼， 目前主要应用于半导体材料、合金领域、医疗领域中 。2023年8月1日起，中国对镓、锗相关 物项 实施了出口管制，半个月后，金属镓的价格上涨了50%。
发展历史
1871年， 俄罗斯 化学家 德米特里·门捷列夫 发现元素周期表中铝元素下面有个间隙尚未被占据，首次预言镓元素的存在，预测其原子量大约是68，密度为5.9 g/cm³，性质与铝相似，并根据其在 元素周期表 中的位置将其命名为“类铝”。1875年， 法国 化学家布瓦博得朗（Paul Emile Lecoq de Boisbaudran）在用光谱法分析 闪锌矿 的特征谱时，在波长417nm的地方发现两条从未见过的新 谱线 ，确定为一新元素。 同年，他用 电解 的方法得到了金属镓，并在他写给 化学 新闻的信中纪录了元素的发现过程，后来，布瓦博得朗证明镓即为类铝。 为了纪念自己的祖国法国，将新发现的元素命名为“Gallium”(镓)，就是源于法国的拉丁名称Gallia。 从1875年发现镓到半导体时代，镓的主要用途是高温测温仪和具有较强稳定性或易熔化特性的金属合金。直到20世纪60年代， 砷化镓 作为直接带隙半导体材料进行大规模应用，镓迎来了最重要的发展阶段。
分布情况
镓在 地壳 中的含量仅为0.0015%，是典型的稀有分散金属，镓不单独形成矿物，通常以类质同象的方式进入其它矿物中， 多存在于 铝矾土 、 铅锌矿 中。自然界中的镓矿物主要有硫镓铜矿和硫铜镓矿，但无矿床形成；含镓矿物中,铝土矿中镓含量为0.002%~0.02%, 闪锌矿 中镓含量为 0.01%~0.02%，锗石矿中镓含量最高，约为0.1%~0.8%，在煤中也含有镓，且储量较为丰富。 2010年以前，镓的世界总储量约为 23 万吨,中国镓的储量位于世界首位，约占80%~85%，其他国家镓的储量约为 4~5 万吨，其中美国、 南美洲 、非洲、 欧洲 金属镓的储量分别为 0.45 万吨、1.14 万吨、5.39 万吨、1.95 万吨。
同位素
镓的 同位素 有33种， 质量数 为56~88不等，其 半衰期 和 衰变 类型如下表所示。 其中自然界稳定存在的 同位素 仅为⁶⁹Ga和⁷¹Ga，其 丰度 分别为60.4%和39.6%。
镓同位素半衰期及衰变类型
理化性质
物理性质
室温下为淡蓝色固体，密度为5.91 g/cm³ ，斜方 晶体结构 ， 熔点 为302.78K， 沸点 为2477K，由于其熔点较低，在 手掌 中即可熔化为液态。 液态镓为银白色软金属，其蒸气压在大约1500℃时很低，温度范围较宽。液态镓容易出现过冷现象，最低过冷温度可达-120℃而不凝固。镓由液态转化为固态时，体积可膨胀3.2%。液态镓具有良好的浇筑性能，几乎能湿润所有物体表面，高温下能迅速扩散到某些金属晶格内，生成合金。
镓晶体结构
化合物
氢化物
主要有GaH、GaH₃，GaH₃不稳定，GaH₃为粘胶状液体，低于-15℃时稳定，强还原性，不溶于 非极性溶剂 。
和氧族元素的化合物
镓的 氧化物 主要有 一氧化二镓 （Ga₂O）、一氧化镓（GaO）和 氧化镓 （Ga₂O₃），高温下仅Ga₂O₃稳定存在。Ga₂O为暗棕色粉末，在干燥空气中稳定，为强 还原剂 ，可将 硫酸 还原成 硫化氢 。在700℃以上时可分解为Ga和Ga₂O₃。GaO为灰色粉末，极不稳定，易挥发，具有强还原性。Ga₂O₃为白色固体，不溶于水， 两性化合物 ，具有α、β、γ、δ、ε五种同分异构体，其中β-Ga₂O₃最稳定。
镓的 硫化物 主要有一硫化二镓（Ga₂S）、 三硫化二镓 （GaS或Ga₂S₂）、五硫化四镓（Ga₄S₅）、三硫化二镓（Ga₂S₃）。Ga₂S为灰色固体，900℃以下稳定。GaS为黄色层状 晶体 ，不溶于水，几乎不溶于酸，在空气中加热时会被氧化。Ga₂S₃为白色晶体，其构型与ZnS相似，二者在矿物中共生。Ga₂S₃在水中分解，完全溶于 稀盐酸 和 硝酸 ，可溶于 强碱 溶液。
和氮族元素的化合物
氮化镓 （ GaN ）为灰色粉末， 纤锌矿 晶格类型的 立方晶系 ，在水、稀或浓酸溶液、冷的浓碱中稳定，加热时溶于浓碱， 常用于 发光二极管 。
磷化镓 （GaP）单晶体掺入Zn、O、N等元素可发出黄、绿、红光，主要用来制作发光二极管、 数码管 和大屏幕显示。
砷化镓 （ GaAs ）常温下稳定，不溶于 无机 稀酸，可溶于 浓硝酸 和 王水 等，不溶于碱，可与 卤族元素 发生剧烈反应，主要制成单晶体应用于半导体工业。其禁带宽度大， 电子迁移率 高、少数 载流子 寿命短，是半导体器材、高效率 激光器 、红外光源和 微波器件 的较好材料。
锑化镓 （GaSb）为 闪锌矿 结构，在水和空气中稳定，难溶于 盐酸 、 硫酸 ，在 硝酸 中会发生 钝化 。GaSb为 半导体材料 之一，主要在 电子 工业上用于制作 红外检测器 、 发光二极管 、激光器和光检测器等。
卤化物
镓可形成GaX、GaX₃型卤化物，目前纯GaF尚未获得，GaCl液态下为无色，固态为暗 棕色 化合物，GaCl在高温下稳定。GaF₃为无色 针状体 ，GaCl₃、GaBr₃和GaI₃具有很强的吸湿性，在空气中易 发烟 。
氢氧化物
偏 氢氧化镓 （GaO(OH)）可溶于稀 无机酸 。氢氧化镓Ga(OH)₃为白色冻状化合物，具有明显的两性特点，酸性略大于碱性，且酸性比Al(OH)₃强，既溶于酸又溶于碱，溶于碱时生成镓酸钠，溶于酸时生成镓盐（如Ga₂(SO₄)₃、GaCl₃等）。
有机镓化合物
三甲基镓 （Ga(CH₃)₃）为无色液体，具有很高的反应活性，在-76℃遇 氧气 会着火，室温下三甲基镓蒸气与空气 混合物 会发生爆炸。 高纯三甲基镓 为 有机金属化合物 气相 沉积工艺制备 半导体材料 过程中的重要原料。
三乙基镓 （Ga(C₂H₅)₃）为无色粘滞状液体，具有特殊臭味，在空气中能自燃，与水发生剧烈反应，与 硝酸 接触会发生爆炸。
三 苯基 镓（Ga(C₆H₅)₃）为 白色晶体 ，用作 烯烃 聚合催化剂 。
二 烷基- 卤化镓（R₂GaX）为活泼的 共价化合物 。
镓盐及镓酸盐
硫酸镓 （Ga₂(SO₄)₃）可与 碱金属 的 硫酸盐 形成复盐，如KGa(SO₄)₂·12H₂O；亚铁氰化镓（Ga₄(Fe(CN)₆)₃）。为白色难溶结晶化合物。把镓氧化合物溶于碱时生成镓酸盐Mₓ[Ga(OH)₄]，目前所有碱金属和 碱土金属 均有镓酸盐，碱金属的镓酸盐溶解性较好，碱土金属的镓酸盐溶解性较差。
化学性质
镓为两性金属，即可溶于酸，又可溶于碱。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。缓慢溶于盐酸和硫酸中，室温下不溶于硝酸，加热可溶于硝酸、王水、氢氟酸和高氯酸中。镓纯度越高，在酸和碱中的溶解速度越慢。
常温下镓在干燥空气中比较稳定，加热至260℃时与氧发生反应生成Ga₂O₃。加热条件下与N₂和C不发生反应，与S形成Ga₂S₃，与金属形成合金 。100℃以下时镓不与水（包括水蒸气）发生反应，加热至200℃时可与高压水蒸气反应，生成 一氧化二镓 和 氢氧化镓 。
与卤素反应
镓与卤素 单质 生成卤化镓。
与酸反应
镓与稀酸反应，生成镓盐。
与碱反应
镓与热的碱溶液反应，生成 镓酸盐 。
制备方法
萃取法
铝矾土 生产 氧化铝 的过程中，镓富集于返回 母液 中，向母液中加入使用具有高选择性的 合 树脂 ，如 羟基喹啉 ， 煤油 稀释剂或葵醇添加剂，可将镓 萃取 出来，萃取后的镓用 稀盐酸 溶液洗涤出去铝和钠等杂质，使用浓盐酸溶液反萃取，镓则富集与酸性 萃取剂 中，使用直接电解法可将萃取液中的镓提取出来。 该方法具有回收率高、污染少、生产成本低廉等优点。
有机物热分解法
利用镓作为两性金属的特性，把镓元素转换到 有机化合物 中，将不具备这种性质的部分杂质金属剔除，然后使用低温 蒸馏 、 分子筛 吸附 等方法对含镓有机化合物进一步 提纯 ，最后采用热分解的方法可获得纯度极高的镓产品。 目前使用的镓有机化合物主要为 三甲基镓 ，热分解三甲基镓即可制得纯度极高的金属镓。该方法主要用于制造镓的半导体薄膜，但三甲基镓热分解速度慢，效率低，不适用于大批量生产超纯镓。
主要反应 方程 为 ：
重结晶法
加热将固态镓熔化，液态镓从圆柱形容器内壁向容器中心凝固，将中央未凝固的液态镓抽出，去除杂质含量较多的液态镓，再重新加热固态镓，反复重熔去除杂质，直到得到的金属镓纯度达标。 重结晶法是 提纯 金属镓常用的方法，此法的优点是设备简单、操作简便和效果明显，缺点是凝固的量和每批产品质量的一致性难以控制。
电解精炼法
镓的 电解 精炼既可以在酸性溶液中进行，也可以在碱性溶液中进行。由于在碱性溶液中电解更方便有效，在实际生产中通常在 氢氧化钠 水溶液 中电解。例如，向 铝矾土 生产 氧化铝 的过程中的 母液 中间断缓慢通入 CO₂ ，Ga随Al(OH)₃沉淀析出；或用金属汞做 阴极 ，母液电解后镓在阴极析出与汞形成镓 汞齐 ，然后将获得的沉淀或镓汞齐在 NaOH 溶液中电解获得金属镓。 也可将金属镓或 砷化镓 废屑制成 氯化镓 ， 提纯 后电解三氯化镓水溶液，即可制备高纯金属镓。
主要反应 方程式 为：
真空精炼法
将提纯环境气压降低至高真空，提高温度，利用金属镓与杂质元素在低气压条件下 沸点 的差别，使锌、汞、镉、 等低沸点易挥发的杂质元素挥发，以去除杂质获得高纯度的金属镓。
应用领域
半导体领域
半导体行业 是镓的最主要用途，镓在半导体行业的消耗量占其消耗总量的80%～85%。 化镓材料 是含镓金属中应用最为广泛、最成熟的 半导体材料 ，可用于 微波 功率器件、照明、能源和医疗等领域。 在半导体材料中，由镓制备的 铜 镓硒 薄膜（CIGS）电池是单位重量输出功率最高的第二代 太阳能电池 。 镓的 磷化物 、 砷化物 和 锑化物 可应用于太阳能电池的 热电偶 、半导体四极管、霍尔发送器、红外辐射接收器、 激光器 等。
合金领域
镓和Bi、Pb、Sn、Cd、Zn、In、Tl等金属可形成合金，这些合金易熔化，可用于 温度调节器 、自动喷火灭火装置、 青铜 轴承摩擦部分镀层、牙科医疗事业，可代替 整流器 、电流断流器、液压闸中的汞元素。镓合金可用于高温温度计和 气压计 的液体标度。
医疗领域
显像方面，镓的 放射性同位素 在 衰变 过程中能够释放 γ射线 ，可应用于临床 淋巴瘤 、 脑膜瘤 、神经内分泌瘤等恶性肿瘤的分期诊断。
抗肿瘤方面，由于镓能与铁结合蛋白相互作用，并破坏铁依赖性肿瘤细胞的生长， 硝酸 镓 已被 美国国家癌症研究所 指定为研究药物。
降低血钙方面，镓能降低肿瘤病人的血钙水平，可用于治疗因恶性肿瘤引起的 高血钙 。
抗菌方面，镓可作为 无机化合物 抗菌剂，能够阻滞细菌生物被膜的形成并抑制细菌的生长。硝酸镓能够清除 金黄色葡萄球菌 的 生物膜 并抑制其增殖。
其他领域
金属镓具有高导热性，其在大气 熔点 时的导热系数为29.4W/(m·℃)，远高于空气和水，镓金属能够以镓基合金的形式被应用在 热界面材料 中。
镓的液态合金可以作为一种 冷焊剂 ，可应用于 电子 封装领域的焊接。
镓盐可作为 催化剂 ，具有耐水、高效、选择性好、反应条件温和、催化剂用量小且能循环使用的优点。
安全事宜
健康危害
镓对人体毒性不大，但直接接触会对皮肤产生腐蚀和刺激，可造成严重的眼部刺激或眼损伤。镓的毒性是和生物的种类相关的。在使用过程中应穿戴防护装备，以避免直接接触带来的伤害，如佩戴防毒口罩对呼吸系统进行防护，戴化学安全防护镜以对眼睛进行防护，穿防护服，佩戴化学品手套。
用放射性镓治疗时可出现嗜睡、恶心、呕吐、食欲缺乏、贫血、 白细胞减少症 、 毛囊炎 和广泛性剥脱性皮炎。
镓在生产过程中对人的危害主要是与它共存或组成化合物的其他物质（磷、砷、碲[dì]等）造成的。因肠道内呈碱性，镓及其化合物经口摄入人体后回分解成不溶难吸收的 氢氧化镓 。 接触镓化物烟尘可出现 皮疹 、 结膜炎 、 角膜炎 及 神经炎 。 吸入 一氧化二镓 粉尘可引起肺部炎症或硬化。镓对神经肌肉有毒性作用，可引起肾脏损害。
储存方法
镓能浸润玻璃，即附着在玻璃表面，保存时不能放在玻璃容器内。 镓 熔点 低，凝固时体积膨胀3.2%，当环境温度较高时，镓可能交替熔化与凝固，导致容器开裂。因此在贮运镓时，必须将其以冷凝状态进行多层包装，密封在具有弹性的塑料容器内，短距离使用卡车或铁路运输时，环境温度必须低于20℃，采用空运进行长距离运输时，需限量，且保持连续冷却。
出口管制
2023年8月1日起， 中国 对镓相关 物项 实施出口管制 。半个月后，金属镓的价格上涨了50%。