ガリウム：プロパティ、構造、取得、使用 - 化学 - 2025

ガリウムは、周期表の13族に属するシンボルのGaで表される金属元素です。化学的には両性でアルミニウムに似ています。ただし、どちらの金属も、互いに区別できる特性を示します。

たとえば、アルミニウム合金を加工して、あらゆる種類の形状にすることができます。ガリウムの融点は非常に低く、実際には銀色の液体で構成されています。また、ガリウムの融点はアルミニウムの融点よりも低く、前者は手の熱で溶けるが、後者は溶けない。

ガリウムの過飽和溶液（液体ガリウム）にガリウムの小さな断片を堆積させて得られたガリウム結晶。出典：Maxim Bilovitskiy

ガリウムとアルミニウムの化学的類似性により、それらも地球化学的に分類されます。つまり、ボーキサイトなどのアルミニウムが豊富な鉱物または岩石には、かなりのガリウム濃度があります。この鉱物の発生源とは別に、他の亜鉛、鉛、炭素が地球の地殻全体に広く拡散しています。

ガリウムは一般的に有名な金属ではありません。その単なる名前は、心の中の雄鶏のイメージを連想させることができます。実際、ガリウムのグラフィックおよび一般的な表現は通常、銀のオンドリのイメージで見つかります。液体ガリウムで塗られ、ガラス、セラミック、さらには手の上でも濡れ性の高い物質です。

金属ガリウムの破片を手で溶かす実験は頻繁に行われ、その液体の操作や触れたものすべてを汚す傾向もあります。

ガリウムは水銀のように有毒ではありませんが、それが（最初の例では）もろくて役に立たなくなるため、金属の破壊剤です。一方、薬理学的には、生物学的マトリックスが鉄を使用するプロセスに介入します。

オプトエレクトロニクスと半導体の世界の人々にとって、ガリウムは、シリコン自体に匹敵する、おそらくシリコン自体よりも高い評価を得ています。一方、ガリウムでは、温度計、鏡、およびその合金をベースとしたオブジェクトが作成されています。

化学的には、この金属にはまだ多くの機能があります。おそらく触媒の分野、原子力、新しい半導体材料の開発、あるいは「単純に」それらの混乱した複雑な構造を明らかにすることでしょう。

歴史

その存在の予測

1871年に、ロシアの化学者ドミトリメンデレーエフは、アルミニウムの特性に類似した元素の存在をすでに予測していました。それ、彼はekaluminioと名付けました。この要素は、アルミニウムのすぐ下に配置する必要がありました。メンデレーエフはまた、エカルミニウムの特性（密度、融点、その酸化物の式など）を予測しました。

発見と分離

驚いたことに、4年後のフランスの化学者ポールエミリルコックデボワボードランは、ピレネー山脈の閃亜鉛鉱（閃亜鉛鉱）のサンプルに新しい元素を発見しました。彼は分光分析のおかげでそれを発見することができました、そこで彼は他の元素のそれと一致しなかった2つの紫の線のスペクトルを観察しました。

新しい要素を発見したルコックは、430 kgの閃亜鉛鉱について実験を行い、そこから0.65グラムの閃亜鉛鉱を単離することができました。そして、その物理的および化学的特性の一連の測定の後、彼はそれがメンデレーエフのエカルミニウムであると結論付けました。

それを分離するために、Lecoqはそれぞれの水酸化物を水酸化カリウムで電気分解しました。おそらく彼が閃亜鉛鉱を溶解したのと同じものだろう。それがエカルミニウムであることを証明し、その発見者でもあるので、彼はそれに「ガリウム」（英語ではガリウム）という名前を付けました。この名前はラテン語でフランスを意味する「ガリア」という名前に由来しています。

しかし、その名前は別の好奇心を示しています。フランス語で「ルコック」は「雄鶏」を意味し、ラテン語で「ガラス」を意味します。金属である「ガラス」は「ガリウム」になった。スペイン語での変換ははるかに直接的ですが。したがって、ガリウムについて話すときに雄鶏が考えられるのは偶然ではありません。

物理的及び化学的性質

外観と物理的特性

ガリウムは、収斂味のある無臭のガラス表面の銀色の金属です。その固体は柔らかくてもろく、それが破砕すると、それは非常に渦巻状になります。つまり、形成された断片は、貝殻のように湾曲しています。

溶けると、見る角度によっては、青みがかった輝きを放ちます。この銀色の液体は接触しても毒性がありません。ただし、特にセラミックやガラスの場合は、表面に付着しすぎます。たとえば、1滴のガリウムがガラスカップの内部に浸透して、銀鏡でコーティングすることができます。

ガリウムの固体の断片が液体ガリウムに堆積すると、それが核となって、きらめくガリウム結晶が急速に成長し成長します。

原子番号（Z）

31（₃₁ Ga）

モル質量

69.723 g / mol

融点

29.7646°C ガリウムガラスが溶けるまで両手でしっかりと握ると、この温度に達することができます。

沸点

2400°C 29.7ºCと2400ºCの間の大きなギャップに注意してください。つまり、液体ガリウムは蒸気圧が非常に低いため、液体ガリウムと気体状態の温度差が最も大きい要素の1つになります。

密度

-室温で：5.91 g / cm ³

-融点：6.095 g / cm ³

ガリウムでも水と同じことが起こります。液体の密度は固体の密度よりも大きくなります。したがって、あなたの結晶は液体ガリウム（ガリウム氷山）に浮かぶでしょう。実際、固体の体積膨張は非常に大きく（3倍）、プラスチックで作られていないコンテナに液体ガリウムを保管するのは不便です。

融合熱

5.59 kJ / mol

気化熱

256 kJ / mol

モル熱容量

25.86 J /（mol K）

蒸気圧

1037 AtCでは、その液体のみが1 Paの圧力を発揮します。

電気陰性

ポーリングスケールで1.81

イオン化エネルギー

-最初：578.8 kJ / mol（Ga ⁺ガス）

-2番目：1979.3 kJ / mol（Ga ²⁺ガス状）

-3番目：2963 kJ / mol（Ga ³⁺ガス）

熱伝導率

40.6 W /（m K）

電気抵抗率

20ºCで270nΩm

モース硬度

1.5

粘度

32ºCで1,819 cP

表面張力

30ºCで709ダイン/ cm

両性主義

アルミニウムと同様に、ガリウムは両性です。酸と塩基の両方と反応します。たとえば、強酸はそれを溶解してガリウム（III）塩を形成します。 H ₂ SO ₄とHNO _3の場合、それぞれGa ₂（SO ₄）₃とGa（NO ₃）_{3が生成され}ます。強塩基と反応するときには、没食子酸の塩は、イオンのGa（OH）を用いて、生成される₄ ^- 。

Ga（OH）との間の類似注₄ ^-及びAl（OH）₄ ^- （アルミン酸塩）。アンモニアを培地に添加すると、水酸化ガリウム（III）、Ga（OH）₃が形成されます。これも両性です。強塩基と反応すると、^再び Ga（OH）_4-が生成されますが、強酸と反応すると、複雑な水性^3+が遊離します。

反応性

金属ガリウムは、室温では比較的不活性です。酸化物の薄い層であるGa ₂ O ₃が酸素や硫黄から空気を保護するため、空気とは反応しません。しかし、加熱すると金属の酸化が続き、完全にその酸化物に変わります。そして、硫黄が存在する場合、高温で反応してGa ₂ S ₃を形成します。

酸化ガリウムと硫化ガリウムだけでなく、リン化物（GaP）、ヒ素（GaAs）、窒化物（GaN）、アンチモン化物（GaSb）もあります。このような化合物は、高温での元素の直接反応によって、または別の合成経路によって発生する可能性があります。

同様に、ガリウムはハロゲンと反応してそれぞれのハロゲン化物を形成します。例えば、Ga ₂ Cl ₆、GaF ₃、Ga ₂ I _3など。

この金属は、アルミニウムとその同族体（同じグループ13のメンバー）のように、炭素原子と共有結合して相互作用し、有機金属化合物を生成できます。Ga-C結合を持つものの場合、それらは有機ガリウムと呼ばれます。

ガリウムについて最も興味深いことは、以前の化学的特性のいずれでもありませんが、合金化できる非常に簡単なことです（水銀およびその融合プロセスと同様）。そのGa原子は金属結晶間ですばやく「肩をこすり」、ガリウム合金を生成します。

構造と電子構成

複雑

ガリウムは、手のひらの熱で溶ける金属であるという点で珍しいだけでなく、その構造は複雑で不確実です。

一方、その結晶は通常の条件下では斜方晶構造（Ga-I）をとることが知られています。ただし、これはこの金属の多くの可能なフェーズの1つにすぎず、その原子の正確な順序は指定されていません。そのため、一見したところよりも複雑な構造になっています。

結果は、その構造が分析される角度または方向（異方性）によって異なるようです。また、これらの構造は、温度または圧力の最小の変化の影響を非常に受けやすいため、データの解釈時にガリウムを単一のタイプの結晶として定義することはできません。

二量体

金属結合のおかげで、Ga原子は互いに相互作用します。ただし、隣接する2つの原子間にはある程度の共有結合が見られるため、Ga ₂二量体（Ga-Ga）の存在が想定されます。

理論的には、この共有結合は4p軌道のオーバーラップによって形成され、電子構成に応じた電子のみが存在します。

3d ¹⁰ 4s ² 4p ¹

この共有金属相互作用の混合物は、ガリウムの融点が低いことに起因しています。なぜなら、一方では結晶中にGa原子をしっかりと保持する「電子の海」があるかもしれませんが、他方では、構造単位は分子間相互作用が弱いGa ₂二量体で構成されています。

高圧下の相

圧力が4 GPaから6 GPaに増加すると、ガリウム結晶が相転移します。斜方晶から、体を中心とした立方体（Ga-II）に渡され、これから最終的に、体を中心とした正方晶（Ga-III）に渡ります。圧力範囲では、結晶の混合物が形成される可能性があり、構造の解釈がさらに困難になります。

酸化数

最もエネルギーの高い電子は、4sおよび4p軌道で見られるものです。それらが3つあるため、ガリウムは、それよりも電気陰性度の高い元素と組み合わせると、それらを失う可能性があると予想されます。

これが発生すると、Ga ³⁺カチオンの存在が想定され、その数または酸化状態は+3またはGa（III）と呼ばれます。実際、これはすべての酸化数の中で最も一般的です。たとえば、次の化合物はガリウムを+3として持っています：Ga ₂ O ₃（Ga ₂ ³⁺ O ₃ ^2-）、Ga ₂ Br ₆（Ga ₂ ³⁺ Br ₆ ^-）、Li ₃ GaN ₂（Li ₃ ⁺ Ga ³⁺ N ₂ ^3-）およびGa ₂ Te ₃（Ga ₂³⁺ Te ₃ ^2-）。

ガリウムは、+ 1と+2の酸化数でも見られます。+3よりも一般的ではありません（アルミニウムの場合と同様）。そのような化合物の例は、GaCl（Ga ⁺ Cl ^-）、Ga ₂ O（Ga ₂ ⁺ O ^2-）およびGaS（Ga ²⁺ S ^2-）である。

考慮される酸化数と同じ電荷の大きさのイオンの存在は常に仮定されていることに注意してください。

見つけて入手する場所

ミネラルガリータのサンプルです。これはまれですが、かなりの濃度のガリウムを含む唯一のものです。出典：Rob Lavinsky、iRocks.com-CC-BY-SA-3.0

ガリウムは地球の地殻に存在し、コバルト、鉛、ニオブの金属の存在量に比例します。それは水和した硫化物または酸化物として現れ、他のミネラルに含まれる不純物として広く広がります。

その酸化物と硫化物は水に溶けにくいため、海と川のガリウムの濃度は低いです。さらに、ガリウムで「豊富」な唯一の鉱物はガリタです（CuGaS ₂、上の画像）。ただし、この金属を入手するために鶏を利用することは現実的ではありません。あまり知られていないのは、ミネラルガリウムプラムボマイトです。

したがって、この金属には理想的な鉱石はありません（濃度が0.1質量％を超える）。

代わりに、ガリウムは他の金属の鉱石の冶金処理の副産物として得られます。たとえば、ボーキサイト、亜鉛ブレンダー、ミョウバン、石炭、方鉛鉱、黄鉄鉱、ゲルマナイトなどから抽出できます。つまり、通常、さまざまな鉱物体内のアルミニウム、亜鉛、炭素、鉛、鉄、およびゲルマニウムと関連しています。

イオン交換クロマトグラフィーと電気分解

鉱物原料を強酸性または塩基性の媒体で消化または溶解すると、水に溶解した金属イオンの混合物が得られます。ガリウムは二次生成物であるため、目的の金属が沈殿すると、そのGa ³⁺イオンは混合物に溶解したままになります。

したがって、これらのＧａ^３＋を他のイオンから分離することが望まれ、その目的は、それらの濃度および得られる金属の純度を高めることだけである。

このため、従来の沈殿技術に加えて、樹脂を使用したイオン交換クロマトグラフィーが使用されます。この手法のおかげで、（たとえば）Ga ³⁺をCa ²⁺またはFe ³⁺から分離することができます。

Ga ³⁺イオンの高濃度溶液が得られたら、それを電気分解にかけます。つまり、Ga ³⁺は電子を受け取って金属として形成することができます。

同位体

ガリウムは、主に二つの同位体のように天然に見出される：⁶⁹ Gaを、60.11パーセントの豊富さと、と⁷¹ Ga、39.89％の豊富さ。このため、ガリウムの原子量は69.723 uです。ガリウムの他の同位体は、⁵⁶ Gaから⁸⁶ Gaの範囲の原子質量を持つ合成および放射性です。

リスク

環境的および物理的

環境の観点からは、金属ガリウムは反応性が低く、水に溶けないため、理論上、その流出は深刻な汚染リスクを表していません。さらに、その原子の大部分が尿中に排泄され、その組織のいずれにも蓄積する兆候がない、生物においてそれがどのような生物学的役割を果たしているかも不明である。

水銀とは異なり、ガリウムは素手で扱うことができます。実際、手の熱で溶かそうとする実験はかなり一般的です。人は皮膚を傷つけたり傷つけたりする恐れなしに、得られた銀の液体に触れることができます。銀の染みは残っていますが。

ただし、理論的には胃に溶けてGaCl ₃が生成されるため、摂取すると有毒になる可能性があります。身体への影響が金属に依存しないガリウム塩。

金属の損傷

ガリウムの特徴は、表面が高度に染色または付着していることです。これらが金属の場合は、それらを通過して即座に合金を形成します。ほとんどすべての金属と合金化できるというこの特性により、液体のガリウムをあらゆる金属物体にこぼすことは不適切です。

したがって、金属物体はガリウムの存在下で粉々になる危険があります。その動作は非常に遅く気付かれず、望ましくない驚きをもたらす可能性があります。特にそれが金属製の椅子の上にこぼれた場合、誰かがそれに座ったときに崩壊する可能性があります。

そのため、ガリウムを処理したい人は、他の金属と接触させないでください。たとえば、その液体は、アルミ箔を溶解するだけでなく、インジウム、鉄、スズの結晶にこっそりと入って、もろくすることができます。

一般的に言えば、前述のことと、その蒸気が室温でほとんど存在しないという事実にもかかわらず、ガリウムは一般に、毒性がゼロの安全な元素と考えられています。

用途

温度計

ガリンスタン温度計。出典：Gelegenheitsautor

ガリウムは、温度計によってマークされた温度を読み取るために、液体として水銀を置き換えました。ただし、このアプリケーションでは29.7 9.7Cの融点はまだ高いため、金属状態では温度計での使用は現実的ではありません。代わりに、Galinstan（Ga-In-Sn）と呼ばれる合金が使用されます。

ガリンスタン合金の融点は約-18℃で、毒性がゼロであるため、水銀に依存しない医療用体温計の設計に理想的な物質です。このようにして、もしそれが壊れたとしても、混乱をクリーンアップしても安全です。それは表面を濡らす能力のために床を汚しますが。

ミラー製造

繰り返しになりますが、ガリウムとその合金の濡れ性について言及されています。磁器の表面やガラスに触れると、銀の鏡で完全に覆われるまで表面全体に広がります。

鏡に加えて、ガリウム合金は冷却後に固化するため、あらゆる形状の物体を作成するために使用されてきました。これは、ナノテクノロジーの大きな可能性を秘めています。低温で論理的に動作し、ガリウムに基づいた独自の特性を示す非常に小さな寸法のオブジェクトを構築することです。

コンピューター

コンピュータプロセッサで使用されるサーマルペーストは、ガリウム合金で作られています。

薬物

Ga ³⁺イオンは、代謝プロセスに介入する方法において、Fe ³⁺に似ています。したがって、鉄の機能を必要とする機能、寄生虫、バクテリアがある場合、それらをガリウムと誤解することで止めることができます。これはシュードモナス菌の場合です。

したがって、これはガリウム薬が出現する場所であり、それは単にその無機塩または有機ガリウムで構成されている可能性があります。ガニタ、硝酸ガリウム、Ga（NO ₃）₃の商品名は、骨癌に関連する高カルシウム濃度（高カルシウム血症）を調節するために使用されます。

技術的

ヒ化ガリウムと窒化ガリウムは半導体であるという特徴があり、特定のオプトエレクトロニクス用途でシリコンに置き換わるようになりました。それらで、トランジスタ、レーザーダイオード、発光ダイオード（青と紫）、チップ、太陽電池などが製造されています。たとえば、GaNレーザーのおかげで、Blu-Rayディスクを読み取ることができます。

触媒

酸化ガリウムは、産業的に大きな関心のあるさまざまな有機反応における触媒作用の研究に使用されてきました。新しいガリウム触媒の1つは、それ自体の液体から構成され、その上に、活性中心またはサイトとして機能する他の金属の原子が分散されます。

たとえば、ガリウム-パラジウム触媒はブタンの脱水素反応で研究されています。つまり、ブタンを他の工業プロセスに必要なより反応性の高い不飽和種に変換します。この触媒は、パラジウム原子の担体として機能する液体ガリウムで構成されています。

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