一、基本知识

是一种稀有蓝白色三价金属元素,质地柔软,在低温时硬而脆,而一超过室温就熔融。通常是作为从铝土矿中提取或从矿石中提取锌时的副产物得到的——元素符号Ga 可制合金

元素中文名称:镓   

元素英文名称:Gallium   

元素原子量:69.72  

元素类型:金属   

原子序数:31   

元素符号:Ga   

核内质子数:31   

核外电子数:31   

核电核数:31   

质子质量:5.1863E-26   

质子相对质量:31.217   

所属周期:4   

所属族数:IIIA   

摩尔质量:70   

氢化物:GaH3   

氧化物:Ga2O3  

最高价氧化物化学式:Ga2O3    

声音在其中的传播速率(m/S):2740   

外围电子排布:4s2 4p1   

晶体结构:晶胞为正交晶胞。   

莫氏硬度:1.5   

核外电子排布:2,8,18,3   

颜色和状态:蓝白色金属   

原子半径:1.81   常见化合价:+3[3]

危险代码:C   危险等级:34   

安全等级:26-36/37/39-45   

联合国编号:UN2803

镓是银白色金属。密度5.904克/厘米3。熔点29.78℃。沸点2403℃。化合价2和3。第一电离能5.999电子伏特。凝固点很低。由于稳定固体的复杂结构,纯液体有显著的过冷的趋势,可以放在冰浴内几天不结晶。质软、性脆,在空气中表现稳定。加热可溶于酸和碱;与沸水反应剧烈,但在室温时仅与水略有反应。高温时能与大多数金属作用。由液态转化为固态时,膨胀率为3.1%,宜存放于塑料容器中。

二、元素性质

CAS号:7440-55-3   

分子式:Ga   

分子量:70.73   

等级:5N   

MDL号:MFCD00134045   

EC号:231-163-8 

灰色金属,在30℃时变为发光液体,冷却至0℃而不固化;在干燥空气中稳定,在潮湿空气中失去光泽;与碱反应放出氢气;能被冷浓盐酸浸蚀,对热硝酸钝性,高温时能与多数金属反应;溶于酸和碱中,微溶于汞。

三、来源及用途

元素来源

自然界中常以微量分散于铝于矿、闪锌矿等矿石中。由铝土矿中提取制得。

元素用途

镓用来制作光学玻璃、真空管、半导体的原料。装入石英温度计可测量高温。加入铝中可制得易热处理的合金。镓和金的合金应用在装饰和镶牙方面。也用来作有机合成的催化剂。

用途说明

制造半导体砷化镓、磷化镓、半导体掺杂元;纯镓及低熔合金可作核反应的热交换介质;温度计的填充料;有机反应中作二酯化的催化剂。

四、金属镓级别

金属镓,按镓含量分为5N,6N,7N和8N共四种级别。质软,淡蓝色光泽。熔点29.78℃。沸点2403℃。斜方晶型,各向异性显著。0℃的电阻率沿a,b,c三个轴分别为1.75×10-6Ω?m,8.20×10-6Ω?m和55.30×10-6Ω?m。超纯镓剩余电阻率比值ρ300K/ρ4.2K为55 000。采用化学处理、电解精炼、真空蒸馏、区域熔炼、拉单晶等多种工艺方法制备。主要用于电子工业和通讯领域,是制取各种镓化合物半导体的原料,硅、锗半导体的掺杂剂,核反应堆的热交换介质。

镓在化学元素周期系建立的过程中,性质相似的元素成为一族已为化学家们接受。当时法国化学家布瓦邦德朗利用光谱分析发觉到,在铝族中,在铝和之间缺少一个元素。从1865年开始,他用分光镜寻找这个元素,分析了许多矿物,但是都没有成功。直到1875年9月,布瓦邦德朗在法国化学家们面前表演了一组实验,证明新元素的存在。当时布瓦邦德朗测定的新元素比重是4.7,而门捷列夫根据元素周期系推算出的比重应该是5.9~6。布瓦邦德朗又重新测定了这种新元素,证实了比重应该是5.96。他将此物质命名为gallium,元素符号定为Ga。

五、金属镓的提炼

镓在常温下,看上去象一块,如果你想把它放在手心里,它马上就熔化了,成为银亮的小珠。原来镓的熔点很低,只有29.8℃。镓的熔点虽然很低,可是沸点却非常高,竟高达2,070℃!人们就利用镓的这个特性来制造测量高温的温度计。把这种温度计伸进炉火熊熊的炼炉中,玻璃外壳都快熔化了,里边的镓还没有沸腾,如果用耐高温的石英玻璃来制造镓温度计的外壳,它能够一直测到1,500℃的高温。所以,人们常用这种温度计来测量反应炉、原子反应堆的温度。   

镓具有较好的铸造特性,由于它“热缩冷胀”,被用来制造字合金,使字体清晰。在原子能工业中,用镓作为热传导介质,把反应堆中的热量传导出来。 镓与许多金属,如、铅、锡、,铟、铊等,生成熔点低于60℃的易熔合金。其中如含铟25%的镓铟合金(熔点16℃),含锡8%的镓锡合金(熔点20℃),可以用在电路熔断器和各种保险装置上,温度一高,它们就会自动熔化断开,起到安全保险的作用。

镓同玻璃合作,有增强玻璃折射率的效能,可以用来制造特种光学玻璃。因为镓对光的反射能力特别强,同时又能很好地附着在玻璃上,承受较高的温度,所以用它做反光镜最适宜,镓镜能把70%以上射来的光反射出去。  

镓的一些化合物,如今与尖端科学技术结下了不解之缘。砷化镓是近年来新发现的一种半导体材料,性能优良,用它作为电子元件,可以使电子设备的体积大为缩小,实现微型化。人们还用砷化镓做元件制成了激光器,这是一种效率高、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元件,能够射出红光或绿光,人们把它做成了各种阿拉伯数字形状,在电子计算机中,就利用它来显示计算结果。

六、金属镓生产工艺

金属镓生产工艺一般采用离子交换法。

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℃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。一台常规的八千马力电机重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。一个像原子和三个原子化合所形成的化合物(俗称“钒三镓”),是超导材料。

人们认识镓这个元素已经有一百多年的历史了。它是在1875年被法国化学家布瓦菩德朗发现的。像在地壳中的量约为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。

离子交换法回收镓是利用偕胺肟螯合树脂从含镓溶液中吸附镓,使镓与其它杂质分离,然后通过解吸把镓从树脂上转移至溶液中。在此过程中,镓得到纯化和富集。最后通过电解可获得99.99%的金属镓。螯合树脂的吸附容量为2.0~2.5 g/L,镓的吸附率>60%;镓的解吸率>90%;镓产品中,w(Ga)>99.99%。

离子交换系统是本工艺中的核心部分,主要包括饱和树脂吸附制造、树脂中母液残液洗涤、树脂中杂质漂洗、饱和树脂淋洗、贫树脂转型再生五个部分。主体设备属同类型的密实移动床。同传统的固定床相比,这种塔结构简单,运行可靠,造价低,维修方便,都是单塔运行,易于实现自动化,占地面积小,是一种半连续的操作系统 ,树脂在各塔间转移快,故树脂投入量少。另外吸附和淋洗分别在两个不同塔中进行,淋洗时,饱和树脂与淋洗剂保持一种逆流接触方式,并保持一定浓度梯度。

DHG586型树脂是一种具有偕胺肟官能团的螯合树脂,此种类型树脂对种分母液中镓的吸附原理目前还不是很清楚。据日本研究人员发现,含有一个=NOH基团和另一个活性基团,如一NH2,一OH,一SH或者=NOH的络合体的螯合树脂具有吸附镓的性能;国内资料报道,偕胺肟树脂有吸附镓的能力。红外光谱测定结果表明,在镓与树脂官能团的络合反应中,Ga3+主要与氧原子配位。

溢流澄清的母液经换热,控制温度在50℃左右,从吸附塔底部通入与贫树脂接触;吸附残液经过塔顶部的溢流孔排出吸附塔,从而实现树脂吸附操作。在整个吸附过程中,镓离子被树脂选择性的吸收,与其它离子分离,从而在树脂中得到富集。