什么是奇妙的“稀散金属”镓？

Question

如题所述

Answer 1

1875年，法国化学家布瓦邦德朗在用光谱分析法分析从比利牛斯山的闪锌矿得到的提取物时，发现了门捷列夫在周期表中预言的“类铝”——镓。他先把矿石溶解，再于溶液中加入金属锌，即在锌上有沉淀生成，此沉淀用氢氧焰燃烧，再用分光镜检查，发现两条从未见过的新谱线，其波长约为417nm（纳米），进一步研究后确定为一新元素。当年，他用电解方法制得这种金属。

为了纪念自己的祖国法兰西，布瓦邦德朗把新发现的元素命名为“镓”（Gallium），即法国的古名“家里亚”，它源自于法国的拉丁名称：Gallia。但是，也有人指出，他本人的名字Lecoq在法语中意为“雄鸡”，也就是拉丁语中的“Gallus”，因此，有人怀疑布瓦邦德朗用自己的名字命名了一种新元素。

镓是一种有白色光泽的软金属，熔点出奇的低，只有29.78℃。取一小粒镓放在手心里，过不多久就熔化成小液珠滚来滚去，像水银珠一样。

镓在地壳中的量约为0.0004％，与锡差不多，不算太少。然而，锡矿比较集中，镓在自然界的分布却非常分散，几乎没有单独存在的镓矿，所以镓又称作“稀散金属”。镓有时和铝混合在一起，存在于铝土矿里。这是因为镓和铝在元素周期表里都属于第三主族，而镓离子和铝离子大小也差不多，所以它们就容易在一种矿石里共存。又因为镓原子和锌原子大小也接近，所以镓和锌也容易同处于散锌矿中。镓还容易和锗共存于煤中。所以煤燃烧后剩下的烟道灰里就含有微量的镓和锗。

镓的很多宝贵特性和它的纯度有关。用普通化学方法提炼，最多只能得到99.99％的纯度，也就是平常说的四个九。近半个世纪以来，人们在镓的提纯方面获得极大进展，从而推进了镓的应用。

镓的化学性质和铝很相似，也和同一族的金属铟、铊很相似。在平常的温度下，镓在干燥的空气中不起变化。只有赤热时，才能被空气氧化。镓对水也非常稳定，在室温下，金属镓就能和氯或溴强烈作用。硫酸，特别是盐酸容易溶解镓。强酸溶液或氢氧化铵溶液也容易溶解镓。镓的氢氧化物也能溶解于强碱溶液之中，生成镓酸盐。氢氧化镓的酸性比氢氧化铝还要强些。在化学上，这叫做具有“两性”性质。就是说，这种物质既具有碱性，也具有酸性。

镓的熔点很低，它熔化后不容易凝固。当镓处于液体状态的时候，受热后体积均匀地膨胀。平常的水银温度计对测量炼钢炉、原子能反应堆的高温无能为力，因为水银在356.9℃会化作蒸汽。镓的沸点高达2070℃，从熔点30℃到沸点2070℃温度范围很宽，这样，镓就可以做高温温度计的材料。

人们还利用镓熔点低的特性，把镓跟锌、锡、钢这些金属掺在一起，制成低熔点合金，把它用到自动救火龙头的开关上。一旦发生火灾，温度升高，这种易熔合金做的开关保险熔化，水便从龙头自动喷出灭火。

液体镓也可用来代替水银，用于各种高真空泵，或者紫外线灯泡。在原子反应堆里，还用镓来做热传导介质，把反应堆中的热量传导出来。镓能紧密地粘在玻璃上，因此，可以制成反光镜，用在一些特殊的光学仪器上。

镓还有一些奇妙的特性。大多数金属是热胀冷缩的，然而镓却是冷胀热缩。当镓从液体凝结成固体时，体积要膨胀3％。所以，镓跟大多数的金属相反，液体的比重反而比固体的大。因此，金属稼应当存放在塑料的或橡胶制的容器里。如果装在玻璃瓶子里，一旦液态的镓凝固时，体积膨胀，会把瓶子撑破。

镓属于元素周期表的第三族。它和第五族元素——砷、锑、磷、氮化合后，形成一系列具有半导体性能的化合物。例如砷化镓、锑化镓、磷化镓等，都具有良好的半导体性能，是目前实际应用较多的半导体材料。

原先以真空电子管为核心的电子设备大多笨重。自从以镓等金属为原料的半导体出现以后，使许许多多的电子设备体积大为缩小，从而实现了小型化、微型化，甚至还可以制成集成板块电路，在整个电子工业技术领域引起一场深刻的革命。砷和镓的化合物——砷化镓，是近年来新发展起来的一种性能优良的半导体材料。用砷化镓可以制成砷化镓激光器，这是一种功效高、体积小的新型激光器。镓和磷的化合物——磷化镓是一种半导体发光材料。它能够发射出红光或绿光。人们把它做成各种阿拉伯数字形状，在有的电子计算机里，就利用它来显示计算结果。

金属镓还有一个奇异的特性，就是它在低温时，有良好的“超导性”。在接近绝对零度即-273.16℃时，电阻变得极低，几乎等于零。这时，它的导电性能非常好。如果在这样低的温度下通电，电流的损失是微不足道的。这种性质叫做“超导性”。早在1911年，人们就发现了超导现象。用超导材料制造电机，不仅可以节省能量消耗，而且大大节约原材料。一台常规的5884千瓦电机重379吨，采用超导材料后仅重40吨，总造价下降一半。要建造500万千瓦以上的大型电机，几乎非用超导技术不可。采用超导材料作远距离输电线十分经济，输送效率可达99.5％以上，损耗极少。

现在人们正在千方百计地努力寻找在较高温度下，甚至在室温下还保持超导性能的新材料。1个镓原子和3个钒原子化合所形成的化合物（俗称“钒三镓”），即是这种超导材料。

应当注意的是，镓及其化合物有毒，毒性远远超过汞和砷！医学家们发现，镓可以损伤肾，破坏骨髓。镓沉积在软组织中，能造成神经、肌肉中毒。它可能与引起肿瘤、抑制正常生长有关。