镓元素(Ga)是元素周期表上第四周期IIIA族金属,原子序数31,相对原子质量69.723。镓金属熔点为29.78℃,沸点为2403℃(顾学民等,1990),是自然界处于液态条件下温度范围最宽的金属元素。固体镓外观为蓝灰色,液体镓呈现银白色。镓在低温时硬而脆,而一超过室温就会熔化。镓的凝固点很低,由液态转化为固态时,膨胀率为3.1%,这一性质与水结冰体积膨胀类似。适宜存放在塑料容器之中。镓对其他金属具有极强的“腐蚀性”,被戏称为“金属的终结者”。这里的腐蚀,并不是我们理解的化学反应而是一种物理作用,镓能够与铋(Bi)、铅(Pb)、锡(Sn)、镉(Cd)、铟(In)等很多金属元素形成金属化合物或者固溶体,比如各种合金。
镓的化合价有+1价、+2价和+3价,其中+3价是镓最稳定的氧化态。镓和同族的铝以及附近的锌金属的化学性质都类似,它们均属于两性金属,既可溶于酸也可溶于碱。镓与铝一样,在干燥的空气中表面都会氧化形成薄薄的一层氧化物薄膜,从而阻止内部继续氧化,称为钝化现象,因此镓在常温和干燥环境下比较稳定。但是,在潮湿的空气中,镓金属会持续与空气中的氧发生氧化反应从而失去光泽度。在红热的干燥空气中由于表面被氧化成Ga2O而呈灰蓝色,在1000℃则会被全部氧化。镓与100℃以下的水不会发生作用,但在200℃的加压水蒸汽中则会被氧化。镓在冷的硝酸中同样也会发生钝化现象(表面生成Ga2O3保护膜)。镓能缓慢地溶于冷的硫酸和盐酸,较快地溶于热的硝酸、高氯酸以及浓的氢氟酸和盐酸与硝酸的混合酸。镓也易溶于浓的强碱溶液,会形成镓酸盐。镓在加热时能很快与卤素、硫等非金属元素发生反应生成相应的卤化物或硫化物。
03镓的资源分布
不仅如此,中国还是全球金属镓的最大生产国,其他主要的生产国还有日本、韩国、俄罗斯、乌克兰等国,主要供应美国、欧盟、日本和韩国等发达经济体。据美国地质调查局2022年数据,我国粗镓生产量约为540吨,占当年全球粗镓产量的98%以上。
04镓的应用与意义
金属镓的应用领域十分广泛,包括半导体材料和光学电子材料、太阳能电池、合金材料、医疗器械、磁性材料等。其中应用最多的领域就是新兴半导体行业,占到整个镓消费量的80%以上,其次为太阳能电池、医学材料、LED及光学设备等。根据美国地质调查局2021年数据,镓的最终用途可分为三类,分别是光电设备(包括激光二极管和发光二极管)、集成电路(包括光电探测器和太阳能电池)、研究与开发,其中集成电路和光电设备的占比在98%以上。
【主要参考文献】[1]顾为民,龚毅生,臧希文,汤卡罗,吕云阳,曾文臻.2009.北京:科学出版社[2]敦妍冉,荆海鹏,洛桑才仁,张万益,宋泽峰.2019.全球镓矿资源分布、供需及消费趋势研究.矿产保护与利用,39(5):9–15,25[3]张丽曼,张会,梁倩,王小强,余文丽,颜蕙园.2022.镓矿资源的分布、发展概况及中国发展镓产业的思考.矿产勘查,13(8):1235–1240[4]赵汀,秦鹏珍,王安建,王高尚,李建武,刘超,刘毅飞.2017.镓矿资源需求趋势分析与中国镓产业发展思考.地球学报,38(1):77–84[5]尹富强,赵玉辰&李赵春.2022.镓基液态金属应用的研究进展.现代化工,42(5):24–29[6]李铁,刘人铭,曹家桢,旷苗,于波.2022.镓在医疗领域方面的应用现状及前景展望.西南医科大学学报,45(1):73–76,92