镓和盐酸反应
镓与盐酸反应生成氯化镓GaCl3和氢气。常温常压下,氢气是一种极易燃烧,无色透明、无臭无味且难溶于水的气体。氢气是世界上已知的密度最小的气体,氢气的密度只有空气的1/14,即氢气在1标准大气压和0℃,氢气的密度为0.089g/L。所以氢气可作为飞艇、氢气球的填充气体(由于氢气具有可燃性,安全性不高,飞艇现多用氦气填充)。
盐酸(hydrochloricacid)是氯化氢(HCl)的水溶液,属于一元无机强酸,工业用途广泛。盐酸的性状为无色透明的液体,有强烈的刺鼻气味,具有较高的腐蚀性。浓盐酸(质量分数约为37%)具有极强的挥发性,因此盛有浓盐酸的容器打开后氯化氢气体会挥发,与空气中的水蒸气结合产生盐酸小液滴,使瓶口上方出现酸雾。盐酸是胃酸的主要成分,它能够促进食物消化、抵御微生物感染。
用活泼金属(比如铝,锌也可以)还原。
6HCl + 2Ga = 2GaCl2 + 3H2,反应式就与盐酸+铝一样。在化学性质方面,除了金属活动性差一些,其他镓与铝几乎都是相同的。
平时存放在塑料瓶里,不要放玻璃瓶里,因为镓熔点很低很容易熔化,熔化后会粘在玻璃上。
注意,镓和镓的化合物都有一定的毒性,尤其表现在生殖毒性上,有可能导致不孕。使用时要格外小心,镓容易附着到桌面、手、还有手套上留下黑色的斑迹,这时需要就进行清洗。
镓能溶于强酸和强碱,就是指它能和强酸或强碱反应。
其实镓的性质与铝很相似。
故此镓应该和盐酸或硫酸反应生成氢气。
金属镓固态为淡蓝色,液态呈银白色,熔点29.93`C,沸点2403`C,密度5.9g电阻率27x10-8fI•m,液态镓的蒸气压很低,1350℃时仅为133.3Pa,在所有元素中,镓的液态温度范围最宽(从29.93-2403'C),由于固态镓的结构复杂,液态镓易出现过冷现象,在快速冷却时,液体镓可以在一40℃的过冷状态下仍保持液态。液态镓转为固态时,镓体积膨胀,膨胀率达3.2%,液态镓几乎能润湿所有物质的表面,具有优良的浇注性能,镓能迅速扩散到某些金属的晶格内,在高温下能和许多金属生成合金。
(2)镓的化学特性:
镓的外电子层构型为「Ar]3d104s2p1,有+1--+3三种价态,其中以+3价化合物最稳定。镓在常温空气中稳定,260℃时才开始和氧作用,100℃时钵不和水作用,但200℃时高压水蒸气会氧化镓生成氢氧化镓。镓的化学性质和锌、铝相似,属于两性元素。和铝相似,既能溶于酸,又能溶于碱。镓的化学活性和锌相近,但不如铝活泼。镓缓慢溶于硫酸和盐酸中,室温下不溶于硝酸,但溶于热的硝酸、高氯酸、氢氟酸和王水中。随纯度提高,镓在酸和碱中溶解速度变慢,镓能和卤素作用生成各种卤化物,和硫、硒、磷、砷、锑生成半导体性质的化合物,金属镓腐蚀很强,镓对人体无害,是一种安全金属!
(2)镓元素的最外层电子数是3,在化学反应中易失去3个电子,表现化合价是+3,与盐酸反应生成氯化镓和氢气,故填:2Ga+6HCl=2GaCl3+3H2↑;
(3)氢氧化镓能与硫酸反应生成硫酸镓和水,故填:2Ga(OH)3+3H2SO4=Ga2(SO4)3+3H2O.
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,还用镓来作热传导介质,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。
稼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。
金属镓是不能加到铝溶液中的。
镓是灰蓝色或银白色的金属。熔点很低,沸点很高。纯液态镓有显著的过冷的趋势,在空气中很稳定。
淡蓝色金属,在29.76℃时变为银白色液体。液态镓很容易过冷即冷却至0℃而不固化。微溶于汞,形成镓汞齐。镓能浸润玻璃,故不宜使用玻璃容器存放。
受热至熔点时变为液体,再冷却至0℃而不固化,由液体转变为固体时,其体积约增大3.2%。硬度1.5~2.5。常温时镓在干燥空气中稳定。
很容易水解,尤其是在生理学的pH值下。纯镓是银白色的,可以浸润玻璃,沸点很高,在大约1500℃时有很低的蒸汽压。
外围电子排布4s24p1,位于第四周期第ⅢA族。
在潮湿空气中氧化,加热至500℃时着火。室温时跟水反应缓慢,跟沸水反应剧烈生成氢氧化镓放出氢气。加热时溶于无机酸或苛性碱溶液。能跟卤素、硫、磷、砷、锑等反应。
镓在干燥空气中较稳定并生成氧化物薄膜阻止继续氧化,在潮湿空气中失去光泽。与碱反应放出氢气,生成镓酸盐。能被冷浓盐酸浸蚀,对热硝酸显钝性,高温时能与多数非金属反应;溶于酸和碱中,镓在化学反应中存在+1、+2和+3化合价,其中+3为其主要化合价。镓的活动性与锌相似,却比铝低。镓是两性金属,既能溶于酸(产生Ga3+)也能溶于碱。镓在常温下,表面产生致密的氧化膜阻止进一步氧化。加热时和卤素、硫迅速反应,和硫的反应按计量比不同产生不同的硫化物。
镓的毒性是和生物的种类相关的。在一项研究中,老鼠的LD50大于220mg/kg,狗的只有18mg/kg。狗的死亡是由于肾功能的衰竭。
镓和镓的化合物有微弱的毒性,但是没有任何文献表明镓有生殖毒性。相反,硝酸镓可以用于治疗某些疾病。镓容易附着到桌面、手、还有手套上留下黑色的斑迹。