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所有化学元素均可分为三组。第一组是以“纯”形式存在于自然界中的元素。例如——黄金。它们往往相对罕见。第二类包括那些喜欢与其他元素建立联系的人。例如——铁、钠、钾。很长一段时间人们无法以纯粹的形式孤立它们,很长一段时间人们根本不知道它们的存在。还有第三组。其代表是第一组和第二组的混合体。它们非常罕见。然而它们却很难被认出。因此,它们是最晚被发现的。

今天我们的英雄就属于这个群体。在我们文明的几乎整个历史中,他一直都是X先生。即使在18世纪发现新元素的伟大化学革命期间也没有发现它。所以呢?几乎整个 19 世纪他们都不了解他!

他的名字叫。这种金属的原子核中有 31 个质子。自然界中存在两种元素的稳定同位素 - Ga69 (60%) 和 Ga71 (40%)。

直到上世纪下半叶,大自然才终于向人们揭示了它的秘密。以一种有些不寻常的方式。如此不标准,以至于正如我们稍后将看到的,这一发现是“相反的”。

过去的化学家都是很简单的人。如果您看到未知物质,请推迟除土豆、给猫洗澡或去奶酪店的时间。尝试从中找出新的元素!否则,你是什么样的化学家?一个名字。

然而,就我们今天讨论的化学元素而言,情况并非如此。因为首先它是在理论上被发现的,并且它的所有特性都被预测了,然后才在野外被发现。

在其理论预测之后的整整一个世纪里,镓只不过是一种科学好奇物。然而,当它被实物接收后,它就成为科学思想胜利的标志之一。

卑微而稀有

正如我们一开始所说,镓是一种相当稀有的元素。它在地壳中并不常见。在最丰富的元素列表中,它排名第 35 位,浓度约为百万分之十六。此外,镓很容易与其他化学元素发生反应,因此检测起来非常困难。

与元素周期表中部的许多其他金属一样,镓具有多种氧化态(+1、+2 和 +3)。他非常渴望摆脱他的“多余”电子。因此,在自然界中根本不可能找到其纯净形式。

但实际上,镓当然无处不在。是的,16 ppm 是一个非常低的浓度。但从绝对数量来看,地壳中所含镓的总质量简直是巨大!

镓的问题在于它总是与其他元素“混合”。是的,确实有由氧化镓形成的岩石,但即使在这些岩石中,这种金属的浓度也太低。

镓也作为杂质存在于由其他更常见的金属形成的矿物中,例如铝土矿(铝矿石)或闪锌矿(锌矿石)。但如果你从第一个中提取铝,或者从第二个中提取锌,镓的含量将变得微不足道,如果你不知道它的存在,根本不可能检测到它!

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那么我们有什么呢?镓是其他金属中看不见的“乘客”,但很长一段时间以来,没有人怀疑它的存在。

化学突破

然而,随着 19 世纪科学的两项根本性突破的出现,一切都发生了变化:理论和实践。

这一理论突破成为化学领域真正的革命。这是德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫编制的元素周期表。化学家再也不会盲目寻找新元素了。他们再也不会对自己的财产感到由衷的惊讶了。

德米特里·伊万诺维奇在他巧妙的发明的帮助下,根据他创建的表格中出现的理论“差距”,预测了仍然未知元素的存在。

例如,门捷列夫利用他已知的元素(尤其是铝)的数据,计算出了所谓的 eka-铝的特性。今天,正是这种预测的元素被命名为镓。德米特里·伊万诺维奇还在理论上“发现”了锗、钪、钋、镭、镤、铪、铼、锝和钫。

对许多人来说,德米特里·伊万诺维奇于 1871 年发表的声明似乎公然无礼。这位科学家认为,这种未知元素(对于许多持怀疑态度的科学家来说根本不存在)的基本特性如下:

- 元素的原子质量应约为每摩尔 68 克。
- 密度 - 约 6 g/cm3。
- 熔点应该非常低(门捷列夫无法准确计算出它是什么)。
- 该元素最常见的氧化态为+3,这意味着它将形成氧化物,如 Ea2O3(Ea 是 eka-铝的符号)。
- 该元素的氧化物的密度略低于 eka-铝本身,其密度约为 5.5 g/cm3。

正如你所看到的,德米特里·伊万诺维奇给出了有关所谓化学元素的相当详细的信息。

在科学领域,经常会出现这样的情况:提出革命性建议的人进入了另一个世界,却没有得到应有的认可。因为有些预测需要几十年才能实现。甚至几个世纪。

光谱学!你准时了!

但德米特里·门捷列夫不仅幸运,而且极其幸运:四年后,当他的第一个预言成真时,全世界都无言以对!据我们今天所知,这需要 19 世纪的第二项基本成就:光谱学。

光谱学出现后,19 世纪的化学家开始做与 18 世纪的同事所做的类似的事情,只是使用不同的方法:他们抓住手头的任何东西并强制进行光谱分析。门捷列夫很幸运,因为化学发展的这一阶段或多或少是在他做出预测的同时发生的。另一件事是,其中一些预测与新技术的功能完全一致。利用它,可以找到普通岩石中存在的非常稀有的元素,但浓度非常低。

1875年,法国人保罗·埃米尔·勒科克·德·布瓦博德兰是一位没有受过专门教育的业余化学家,他将从某种岩石中获得的氯盐加热,得到了未知的发射线。从获得的谱线来看,新元素的量应该非常小。因此,法国人决定从岩石中分离出至少一些大量的新元素。

该品种的原始样本重约50公斤。勒科克用数百公斤进行了第二次尝试,这次新元素的存在得到了证实。而这已经是不可否认的了。

这位法国人从岩石中提取了含有新元素的氯盐,然后将其电解,最终得到了令当时任何化学家哭泣的东西:超过一克的新元素!为了更准确地确定他刚刚发现的元素的性质,勒科克用大约四吨岩石重复了这个过程,并获得了相当数量的——75克几乎纯的元素。

很难说,如果那些为业余化学家开采越来越多岩石的工人们没有罢工并离开矿井,这个故事将会如何结束。他戴着假发,带着疯狂的眼睛在暮色中徘徊,吸气。干燥的灰尘,用手掌抚摸着迷恋爱好者粗糙的墙壁(开个玩笑)。

勒科克将这种新元素命名为镓,

研究人员能够评估新元素的物理特性:

- 元素的原子质量为每摩尔 69 至 70 克。
- 密度 – 约 5.9 g/cm3。
- 熔点 – 约 30°C。
- 当暴露于氧气时,形成Ga2O3氧化物。
- 氧化镓的密度 – 5.88 g/cm3。
- 镓与氯结合形成盐 Ga2Cl6。

这种奇怪的金属就是镓。

镓的物理性质非常有趣。由于它在约 30°C 时熔化,因此在室温下可以是固体或液体。因此,如果你把一块镓放在手掌上,它就会融化。

镓是极少数在室温下呈液态的金属之一(还有汞、铯、铷和钫)。但它保持液态的温度范围比任何其他金属都宽。

与汞不同,镓的行为几乎与水相似。例如,如果你将水银倒在地上,很容易迫使它(除非水滴飞得很远)再次形成一大滴,然后将其放入容器中。而且汞中几乎不会有杂质。但如果镓溢出,那就更像是水溢出了。此后,收集金属将比收集汞困难得多。

每个打破过温度计并得到一处地方的人可能都知道,汞是有毒的。没有镓。对于某些人来说,它当然会引起皮肤炎症,但这种危险无法与汞的毒性相比。

镓相变的另一个特征是,像水一样,金属的固体形式的密度低于液体的密度。正如水冻结时会轻微膨胀一样,镓在凝固时也会轻微膨胀。由于镓的熔点为 30°C,这意味着将金属存放在容器中时需要小心,因为它每天会“冻结”和“解冻”多次。并销毁容器。

当在稳定的外部条件下凝固时,镓会形成相当复杂美丽的晶体......

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正如您所看到的,这是一种非常有趣的金属。在很长一段时间里,他仍然是一个好奇者。由于镓在自然界中的存在率很低,因此大量使用镓是没有意义的。而且它也不如普通金属。你能想象用镓可以制造出有用的东西吗?例如,儿童秋千?然后当夏天来临时,悲伤地看着它们像雪人一样融化?此外,虽然镓具有一些与铝相似的化学性质,但它的导体性能不如铝。这对于 19 世纪的技术来说毫无用处。

我应该把它放在哪里?

镓唯一有用的领域是作为医用温度计中汞的替代品。因为它是无毒的。然而,即使在这里一切也变得困难。因为为了以这种方式使用金属,必须克服两个困难。首先,镓即使在与皮肤接触时也会缓慢熔化,因此有必要确保其即使在低于 30°C 的温度下也能保持液态。第二个是:水银不会“弄湿”温度计的内壁,但镓却会。

解决方案是镓、铟和锡的合金(镓很容易与许多金属形成合金,这是它的另一个优点)。所得产品称为“galinstan”,在-19°C的温度下熔化,因此可用于温度计。

不幸的是,这种合金继续“湿润”。但这个问题也得到了解决。通过在温度计管内壁涂上 Ga2O3。

没有发现镓的其他用途。

然而,情况最终发生了变化。上世纪60年代,人们发现了一种镓化合物作为半导体的优异性能!

它是砷化镓(GaAs),一种由砷原子和镓原子形成的分子。事实证明,砷化镓具有与硅相似的特性,但对于某些特定应用具有独特的优势。

例如,砷化镓提供了更大的电子迁移率,并且对温度变化的“反复无常”较小。自 20 世纪 60 年代以来,它越来越多地用作微波炉、计算机、卫星以及后来的移动电话中的半导体。

目前,全球约 98% 的镓产量用于半导体,仅剩下 2% 用于合金以降低其他金属的熔点。

镓很稀缺。但这并不重要

大自然对一切的思考都是正确的:镓非常稀有并且具有特殊的性质,因此它永远不会作为结构金属对我们有用。但是,例如,地球上有大量的铁。你可以用它做点什么。镓的含量很少,但其主要用途需要大量的镓。

镓在生物学中没有发挥任何重要作用。如前所述,其最常见的氧化态是+3,因此其生物行为与铁非常相似。你会说——我们需要铁!如果没有铁,我们的身体会怎样?是的。然而,还没有生物体进化到在蛋白质中使用镓原子,因为铁在这个星球上非常丰富,而镓并没有提供任何比它更好的优势。