鎵（Gallium），一種化學元素，化學符號為Ga，原子序數為31，原子量為69.723，Ⅲ A族元素，熔點為29.76 °C，室溫下為灰藍色或銀白色固體。置于手掌中即可熔化，熔化后為銀白色液體。鎵的熔點很低，但沸點高達2403°C。純液態鎵有顯著的過冷的趨勢，在空氣中易氧化，形成氧化膜，由液態轉化為固態時體積可膨脹3.2%。鎵為兩性金屬，即可溶于酸，又可溶于堿，化學反應中存在+1、+2和+3化合價，其中+3價最為穩定。鎵是化學史上第一個根據化學元素周期律預言并在自然界中證實的元素，是室溫下電導率和熱導率均為最大的液態物質。常溫下鎵在空氣中比較穩定，加熱時可被氧化，可與金屬形成合金。
鎵于1875年由法國化學家布瓦博德朗（Paul émile Lecoq de Boisbaudran）發現并命名，在自然界中沒有單獨的礦物存在，主要以雜質的形式分散在鋁礬土、鉛鋅礦等其他礦物中，可通過萃取法、有機化合物熱分解法、重結晶法、電解精煉法以及真空精煉法等從礦產中提取或精煉，目前主要應用于半導體材料、合金領域、醫療領域中。2023年8月1日起，中國對鎵、鍺相關物項實施了出口管制，半個月后，金屬鎵的價格上漲了50%。
發展歷史
1871年，俄羅斯化學家德米特里·門捷列夫發現元素周期表中鋁元素下面有個間隙尚未被占據，首次預言鎵元素的存在，預測其原子量大約是68，密度為5.9 g/cm3，性質與鋁相似，并根據其在元素周期表中的位置將其命名為“類鋁”。1875年，法國化學家布瓦博德朗（Paul Emile Lecoq de Boisbaudran）在用光譜法分析閃鋅礦的特征譜時，在波長417nm的地方發現兩條從未見過的新譜線，確定為一新元素。同年，他用電解的方法得到了金屬鎵，并在他寫給化學新聞的信中紀錄了元素的發現過程，后來，布瓦博德朗證明鎵即為類鋁，為了紀念自己的祖國法國，將新發現的元素命名為“Gallium”(鎵)，就是源于法國的拉丁名稱Gallia。從1875年發現鎵到半導體時代，鎵的主要用途是高溫測溫儀和具有較強穩定性或易熔化特性的金屬合金。直到20世紀60年代，砷化鎵作為直接帶隙半導體材料進行大規模應用，鎵迎來了最重要的發展階段。
分布情況
鎵在地殼中的含量僅為0.0015%，是典型的稀有分散金屬，鎵不單獨形成礦物，通常以類質同象的方式進入其它礦物中，多存在于鋁礬土、鉛鋅礦中。自然界中的鎵礦物主要有硫鎵銅礦和硫銅鎵礦，但無礦床形成；含鎵礦物中,鋁土礦中鎵含量為0.002%~0.02%,閃鋅礦中鎵含量為 0.01%~0.02%，鍺石礦中鎵含量最高，約為0.1%~0.8%，在煤中也含有鎵，且儲量較為豐富。2010年以前，鎵的世界總儲量約為 23 萬噸,中國鎵的儲量位于世界首位，約占80%~85%，其他國家鎵的儲量約為 4~5 萬噸，其中美國、南美洲、非洲、歐洲金屬鎵的儲量分別為 0.45 萬噸、1.14 萬噸、5.39 萬噸、1.95 萬噸。
同位素
鎵的同位素有33種，質量數為56~88不等，其半衰期和衰變類型如下表所示。其中自然界穩定存在的同位素僅為??Ga和?1Ga，其豐度分別為60.4%和39.6%。
鎵同位素半衰期及衰變類型
理化性質
物理性質
室溫下為淡藍色固體，密度為5.91 g/cm3，斜方晶體結構，熔點為302.78K，沸點為2477K，由于其熔點較低，在手掌中即可熔化為液態。液態鎵為銀白色軟金屬，其蒸氣壓很低，在所有元素中溫度范圍最寬，為29.93~2403℃。液態鎵容易出現過冷現象，快速冷卻時可在-40℃下仍然保持液體狀態。鎵由液態轉化為固態時，體積可膨脹3.2%。液態鎵具有良好的澆筑性能，幾乎能濕潤所有物體表面，高溫下能迅速擴散到某些金屬晶格內，生成合金。
鎵晶體結構
化合物
氫化物
主要有GaH、GaH?，GaH不穩定，GaH為粘膠狀液體，低于-15℃時穩定，強還原性，不溶于非極性溶劑。
和氧族元素的化合物
鎵的氧化物主要有一氧化二鎵（Ga?O）、氧化鎵（GaO）和氧化鎵（Ga?O?），高溫下僅Ga?O?穩定存在。Ga?O為暗棕色粉末，在干燥空氣中穩定，為強還原劑，可將硫酸還原成硫化氫。在700℃以上時可分解為Ga和Ga?O?。GaO為灰色粉末，極不穩定，易揮發，具有強還原性。Ga?O?為白色固體，不溶于水，兩性化合物，具有α、β、γ、δ、ε五種同分異構體，其中β-Ga?O?最穩定。
鎵的硫化物主要有一硫化二鎵（Ga?S）、三硫化二鎵（GaS或Ga?S?）、五硫化四鎵（Ga?S?）、三硫化二鎵（Ga?S?）。Ga?S為灰色固體，900℃以下穩定。GaS為黃色層狀晶體，不溶于水，幾乎不溶于酸，在空氣中加熱時會被氧化。Ga?S?為白色晶體，其構型與ZnS相似，二者在礦物中共生。Ga?S?在水中分解，完全溶于稀鹽酸和硝酸，可溶于強堿溶液。
和氮族元素的化合物
氮化鎵（GaN）為灰色粉末，纖鋅礦晶格類型的立方晶系，在水、稀或濃酸溶液、冷的濃堿中穩定，加熱時溶于濃堿，常用于發光二極管。
磷化鎵（GaP）單晶體摻入Zn、O、N等元素可發出黃、綠、紅光，主要用來制作發光二極管、數碼管和大屏幕顯示。
砷化鎵（GaAs）常溫下穩定，不溶于無機稀酸，可溶于濃硝酸和王水等，不溶于堿，可與鹵族元素發生劇烈反應，主要制成單晶體應用于半導體工業。其禁帶寬度大，電子遷移率高、少數載流子壽命短，是半導體器材、高效率激光器、紅外光源和微波器件的較好材料。
銻化鎵（GaSb）為閃鋅礦結構，在水和空氣中穩定，難溶于鹽酸、硫酸，在硝酸中會發生鈍化。GaSb為半導體材料之一，主要在電子工業上用于制作紅外檢測器、發光二極管、激光器和光檢測器等。
鹵化物
鎵可形成GaX、GaX?型鹵化物，目前純GaF尚未獲得，GaCl液態下為無色，固態為暗棕色化合物，GaCl在高溫下穩定。GaF?為無色針狀體，GaCl?、GaBr?和GaI?具有很強的吸濕性，在空氣中易發煙。
氫氧化物
偏氫氧化鎵（GaO(OH)）可溶于稀無機酸。氫氧化鎵Ga(OH)?為白色凍狀化合物，具有明顯的兩性特點，酸性略大于堿性，且酸性比Al(OH)?強，既溶于酸又溶于堿，溶于堿時生成鎵酸鈉，溶于酸時生成鎵鹽（如Ga?(SO?)?、GaCl?等）。
有機鎵化合物
三甲基鎵（Ga(CH?)?）為無色液體，具有很高的反應活性，在-76℃遇氧氣會著火，室溫下三甲基鎵蒸氣與空氣混合物會發生爆炸。高純三甲基鎵為有機金屬化合物氣相沉積工藝制備半導體材料過程中的重要原料。
三乙基鎵（Ga(C?H?)?）為無色粘滯狀液體，具有特殊臭味，在空氣中能自燃，與水發生劇烈反應，與硝酸接觸會發生爆炸。
三苯基鎵（Ga(C?H?)?）為白色晶體，用作烯烴聚合催化劑。
二烷基-鹵化鎵（R?GaX）為活潑的共價化合物。
鎵鹽及鎵酸鹽
硫酸鎵（Ga?(SO?)?）可與堿金屬的硫酸鹽形成復鹽，如KGa(SO?)?·12H?O；亞鐵氰化鎵（Ga?(Fe(CN)?)?）。為白色難溶結晶化合物。把鎵氧化合物溶于堿時生成鎵酸鹽M?(Ga(OH)?)，目前所有堿金屬和堿土金屬均有鎵酸鹽，堿金屬的鎵酸鹽溶解性較好，堿土金屬的鎵酸鹽溶解性較差。
化學性質
鎵為兩性金屬，即可溶于酸，又可溶于堿。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。緩慢溶于鹽酸和硫酸中，室溫下不溶于硝酸，加熱可溶于硝酸、王水、氫氟酸和高氯酸中。鎵純度越高，在酸和堿中的溶解速度越慢。
常溫下鎵在空氣中比較穩定，加熱至260℃時與氧發生反應生成Ga?O?。加熱條件下與N?和C不發生反應，與S形成Ga?S?，與金屬形成合金。常溫下鎵不與水蒸氣反應，加熱至200℃時可與高壓水蒸氣反應，生成一氧化二鎵和氫氧化鎵。
與鹵素反應
鎵與鹵素單質生成鹵化鎵。
與酸反應
鎵與稀酸反應，生成鎵鹽。
與堿反應
鎵與熱的堿溶液反應，生成鎵酸鹽。
制備方法
萃取法
鋁礬土生產氧化鋁的過程中，鎵富集于返回母液中，向母液中加入使用具有高選擇性的合樹脂，如羥基喹啉，煤油稀釋劑或葵醇添加劑，可將鎵萃取出來，萃取后的鎵用稀鹽酸溶液洗滌出去鋁和鈉等雜質，使用濃鹽酸溶液反萃取，鎵則富集與酸性萃取劑中，使用直接電解法可將萃取液中的鎵提取出來。該方法具有回收率高、污染少、生產成本低廉等優點。
有機物熱分解法
利用鎵作為兩性金屬的特性，把鎵元素轉換到有機化合物中，將不具備這種性質的部分雜質金屬剔除，然后使用低溫蒸餾、分子篩吸附等方法對含鎵有機化合物進一步提純，最后采用熱分解的方法可獲得純度極高的鎵產品。目前使用的鎵有機化合物主要為三甲基鎵，熱分解三甲基鎵即可制得純度極高的金屬鎵。該方法主要用于制造鎵的半導體薄膜，但三甲基鎵熱分解速度慢，效率低，不適用于大批量生產超純鎵。
主要反應方程為：
重結晶法
加熱將固態鎵熔化，液態鎵從圓柱形容器內壁向容器中心凝固，將中央未凝固的液態鎵抽出，去除雜質含量較多的液態鎵，再重新加熱固態鎵，反復重熔去除雜質，直到得到的金屬鎵純度達標。重結晶法是提純金屬鎵常用的方法，此法的優點是設備簡單、操作簡便和效果明顯，缺點是凝固的量和每批產品質量的一致性難以控制。
電解精煉法
鎵的電解精煉既可以在酸性溶液中進行，也可以在堿性溶液中進行。由于在堿性溶液中電解更方便有效，在實際生產中通常在氫氧化鈉水溶液中電解。例如，向鋁礬土生產氧化鋁的過程中的母液中間斷緩慢通入CO?，Ga隨Al(OH)?沉淀析出；或用金屬汞做陰極，母液電解后鎵在陰極析出與汞形成鎵汞齊，然后將獲得的沉淀或鎵汞齊在NaOH溶液中電解獲得金屬鎵。也可將金屬鎵或砷化鎵廢屑制成氯化鎵，提純后電解三氯化鎵水溶液，即可制備高純金屬鎵。
主要反應方程式為：
真空精煉法
將提純環境氣壓降低至高真空，提高溫度，利用金屬鎵與雜質元素在低氣壓條件下沸點的差別，使鋅、汞、鎘、等低沸點易揮發的雜質元素揮發，以去除雜質獲得高純度的金屬鎵。
應用領域
半導體領域
半導體行業是鎵的最主要用途，鎵在半導體行業的消耗量占其消耗總量的80%～85%。化鎵材料是含鎵金屬中應用最為廣泛、最成熟的半導體材料，可用于微波功率器件、照明、能源和醫療等領域。在半導體材料中，由鎵制備的銅鎵硒薄膜（CIGS）電池是單位重量輸出功率最高的第二代太陽能電池。鎵的磷化物、砷化物和銻化物可應用于太陽能電池的熱電偶、半導體四極管、霍爾發送器、紅外輻射接收器、激光器等。
合金領域
鎵和Bi、Pb、Sn、Cd、Zn、In、Tl等金屬可形成合金，這些合金易熔化，可用于溫度調節器、自動噴火滅火裝置、青銅軸承摩擦部分鍍層、牙科醫療事業，可代替整流器、電流斷流器、液壓閘中的汞元素。鎵合金可用于高溫溫度計和氣壓計的液體標度。
醫療領域
顯像方面，鎵的放射性同位素在衰變過程中能夠釋放γ射線，可應用于臨床淋巴瘤、腦膜瘤、神經內分泌瘤等惡性腫瘤的分期診斷。
抗腫瘤方面，由于鎵能與鐵結合蛋白相互作用，并破壞鐵依賴性腫瘤細胞的生長，硝酸鎵已被美國國家癌癥研究所指定為研究藥物。
降低血鈣方面，鎵能降低腫瘤病人的血鈣水平，可用于治療因惡性腫瘤引起的高血鈣。
抗菌方面，鎵可作為無機化合物抗菌劑，能夠阻滯細菌生物被膜的形成并抑制細菌的生長。硝酸鎵能夠清除金黃色葡萄球菌的生物膜并抑制其增殖。
其他領域
金屬鎵具有高導熱性，其在大氣熔點時的導熱系數為29.4W/(m·℃)，遠高于空氣和水，鎵金屬能夠以鎵基合金的形式被應用在熱界面材料中。
鎵的液態合金可以作為一種冷焊劑，可應用于電子封裝領域的焊接。
鎵鹽可作為催化劑，具有耐水、高效、選擇性好、反應條件溫和、催化劑用量小且能循環使用的優點。
安全事宜
健康危害
鎵對人體毒性不大，但直接接觸會對皮膚產生腐蝕和刺激，可造成嚴重的眼部刺激或眼損傷。鎵的毒性是和生物的種類相關的。在使用過程中應穿戴防護裝備，以避免直接接觸帶來的傷害，如佩戴防毒口罩對呼吸系統進行防護，戴化學安全防護鏡以對眼睛進行防護，穿防護服，佩戴化學品手套。
用放射性鎵治療時可出現嗜睡、惡心、嘔吐、食欲缺乏、貧血、白細胞減少癥、毛囊炎和廣泛性剝脫性皮炎。
鎵在生產過程中對人的危害主要是與它共存或組成化合物的其他物質（磷、砷、碲[dì]等）造成的。因腸道內呈堿性，鎵及其化合物經口攝入人體后回分解成不溶難吸收的氫氧化鎵。接觸鎵化物煙塵可出現皮疹、結膜炎、角膜炎及神經炎。吸入一氧化二鎵粉塵可引起肺部炎癥或硬化。鎵對神經肌肉有毒性作用，可引起腎臟損害。
儲存方法
鎵能浸潤玻璃，保存時不能放在玻璃容器內。鎵熔點低，凝固時體積膨脹3.2%，當環境溫度較高時，鎵可能交替熔化與凝固，導致容器開裂。因此在貯運鎵時，必須將其以冷凝狀態進行多層包裝，密封在具有彈性的塑料容器內，短距離使用卡車或鐵路運輸時，環境溫度必須低于20℃，采用空運進行長距離運輸時，需限量，且保持連續冷卻。
出口管制
2023年8月1日起，中國對鎵相關物項實施出口管制。半個月后，金屬鎵的價格上漲了50%。
參考資料 >
Gallium | Ga (Element) - PubChem.pubchem.2023-05-12
The Element Gallium.education.2023-05-12
液態金屬---鎵.微信公眾平臺.2025-05-19
我國管制兩種關鍵半導體材料出口 價格已大漲.今日頭條.2023-08-20
中國出口管制芯片重要原材料，美企坐不住了！.今日頭條.2023-07-04