Loading article…
ガリウムは化学元素であり、元素記号はGa、原子番号は31 です。1875 年にフランスの化学者ポール＝エミール・ルコック・ド・ボワボードランによってフランスのパリで発見された元素ガリウムは、標準温度と圧力では柔らかい銀色の金属で、複雑な斜方晶系の結晶構造を持っています。液体状態では銀白色になります。十分な力が加わると、固体ガリウムは貝殻状に割れることがあります。ガリウムは自然界に単体として存在せず、亜鉛鉱石（閃亜鉛鉱など）やボーキサイト中に微量のガリウム(III)化合物として存在します。
ガリウムの融点である29.7646 °C (85.5763 °F; 302.9146 K)は、温度の基準点として使用されます。ガリウムは、通常の室温またはその近くで液体であるわずか4つの金属元素の1つであり、通常の人間の体温である37 °C (99 °F)で人の手の中で溶けます。低温のガリウム合金は、水銀の無毒で環境に優しい代替品として温度計に使用され、水銀よりも高い温度に耐えることができます。ガリンスタン合金 (重量比でガリウム62～95%、インジウム5～22% 、スズ0 ～16%)の融点は、水の凝固点よりはるかに低い-19 °C (-2 °F)であるとされていますが、これは過冷却の影響を受けた凝固点である可能性があります。
ガリウムは主に電子機器に使用されています。電子機器におけるガリウムの主要な化学化合物であるガリウムヒ素は、マイクロ波回路、高速スイッチング回路、赤外線回路に使用されています。半導体である窒化ガリウムと窒化インジウムガリウムは、青色および紫色の発光ダイオードとダイオードレーザーを生成します。ガリウムは、宝飾品用の人工ガドリニウムガリウムガーネットの製造にも使用されています。ガリウムは、生物学において既知の自然な役割はありません。ガリウム(III)は、生物系において鉄塩と同様の挙動を示し、医薬品や放射性医薬品を含むいくつかの医療用途に使用されています。
元素ガリウムは自然界には存在しませんが、製錬によって容易に得られます。非常に純度の高いガリウムは銀青色の金属で、ガラスのように貝殻状に割れます。ガリウムはほとんどの金属と合金を形成します。アルミニウム、アルミニウム-亜鉛合金[ 13 ]、鋼[ 14 ]などの一部の金属の亀裂や粒界に容易に拡散し、液体金属脆化と呼ばれる強度と延性の極端な低下を引き起こします。
通常の条件下では、ガリウムは単純な結晶構造では結晶化しません。代わりに、その安定相（Ga-I）は、従来の単位格子内に8個の原子を持つ複雑な斜方晶構造です。単位格子内では、各原子は最近接原子を1つだけ持ちます（距離は244 pm）。残りの6つの単位格子隣接原子は、27、30、39 pm離れたところにあり、同じ距離でペアにグループ化されています。[ 15 ] 2つの最近接原子間の結合は共有結合です。したがって、Ga 2ダイマーが結晶の基本的な構成要素とみなされます。これが、隣接する元素であるアルミニウムとインジウムに比べて融点が低い理由です。この構造はヨウ素の構造と非常によく似ており、4s電子よりも原子核から遠いガリウム原子の単一の4p電子と[Ar]3d 10コアとの相互作用によって形成される可能性があります。この現象は、室温で液体である水銀の「擬似希ガス」[Xe]4f 14 5d 10 6s 2電子配置でも繰り返される。 [ 16 ] : 223 3d 10電子は外殻電子を原子核から十分に遮蔽しないため、ガリウムの第一イオン化エネルギーはアルミニウムよりも大きい。[ 16 ] : 222
ガリウムの物理的性質は非常に異方性があり、すなわち、3つの主要な結晶軸a、b、cに沿って異なる値を持ち（表を参照）、線膨張係数（α）と体積膨張係数の間に大きな差が生じます。ガリウムの性質は、特に融点付近で温度に強く依存します。例えば、熱膨張係数は融解時に数百パーセント増加します。[ 17 ]
ガリウムの融点は 302.9146 K (29.7646 °C; 85.5763 °F) で、室温よりわずかに高く、地球の中緯度地域の夏の昼間の平均気温とほぼ同じです。この融点 (mp) は、国際度量衡局(BIPM) が定めた1990 年国際温度目盛(ITS-90)の正式な温度基準点の 1 つです。[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]ガリウムの三重点である302.9166 K (29.7666 °C; 85.5799 °F)は、米国国立標準技術研究所(NIST) が融点よりも優先して使用しています。[ 21 ]
ガリウムは、常温または常温付近で液体であることが知られている4つの非放射性金属（セシウム、ルビジウム、水銀）の1つです。4つのうち、ガリウムはルビジウムやセシウムのように反応性が高くなく、水銀のように毒性も高くないため、ガラス製の高温用金属温度計に使用できます。また、金属としては最も広い液相範囲を持ち、水銀とは異なり高温での蒸気圧が低いことも特筆すべき点です。ガリウムの沸点は2,676 K（2,403 °C、4,357 °F）で、絶対温度スケールでの融点の約9倍であり、あらゆる元素の中で融点と沸点の比率が最も大きい元素です。[ 16 ] : 224水銀とは異なり、液体ガリウム金属はガラスや皮膚、その他ほとんどの材料（石英、グラファイト、酸化ガリウム(III) [ 22 ]、PTFEを除く）を濡らすため、 [ 16 ] : 221水銀よりも毒性がはるかに低く、はるかに少ない予防措置しか必要としないにもかかわらず、機械的に取り扱いが難しくなります。ガラスに塗られたガリウムは、輝く鏡になります。[ 16 ] : 221このような理由と、金属汚染や凍結膨張の問題があるため、ガリウム金属のサンプルは通常、他の容器内のポリエチレンパケットに入っています。
ガリウムは液体から固体に変化すると体積が 3.10% 膨張するため、状態変化時に容器が破裂する可能性があるため、保管には注意が必要です。ガリウムは、水、シリコン、ゲルマニウム、ビスマス、鉛、プルトニウムなど、他の少数の物質と同様に高密度の液体状態を共有しています。[ 16 ] : 222ガリウムでは、この異常な挙動は固体中に存在するGa 2ダイマー結合 の切断の結果です。 [ 23 ]共有結合した Ga 2ダイマーは液体状態では持続しませんが、液体ガリウムは、ほとんどの液体金属に典型的な 11〜12 個の最近接原子と比較して、各ガリウム原子が 10 個の他の原子に囲まれている異常な複雑な低配位構造を示します。 [ 24 ]
液体ガリウムは極めて高い過冷却特性を示すことが知られており、標準凝固温度以下でも液体状態を維持できる。マイクロメートルサイズのガリウム液滴は、150 Kという低温でも過冷却状態を維持できる。[ 25 ]ガリウムナノ粒子は、 90 K (-183.2 °C; -297.7 °F)以下でも液体状態を維持できる。[ 26 ]結晶を種として用いることで、凝固を開始させることができる。
ガリウムは、すべての元素金属の中で最も複雑な相図の1つを持ち、温度と圧力の関数として多くの安定相と準安定相が発見されています。 [ 27 ] [ 28 ]ガリウムは負の高圧融解曲線を示し、室温で0.5ギガパスカル（5,000バール）まで圧縮すると、複雑な斜方晶Ga-I相から融解します。さらに2ギガパスカル（20,000バール）まで圧縮すると、液体Gaは単純な体心正方構造を持つ準安定Ga-III相に結晶化します。[ 29 ] 273 K（0 °C; 32 °F）以下の温度でGa-Iを圧縮すると、103原子の斜方晶構造を持つ非常に複雑なGa-II相が得られます。[ 30 ] [ 29 ]室温でさらに圧縮すると、Ga-II 相は菱面体構造の Ga-V 相に変化する。[ 30 ] 14 ギガパスカル (140,000 bar)以上の圧力では、体心正方晶 Ga-III が安定化する。約120 ギガパスカル (1,200,000 bar)の極限圧力では、面心立方構造の Ga-IV 相が形成される。[ 31 ]高圧と高温の同時条件下では、液体ガリウムは、単純な金属液体に期待される 12 個の最近接原子に向かって原子の充填が増加する。[ 24 ] [ 23 ] [ 32 ]しかし、圧力によって液体ガリウムは単純な硬球液体に似るが、液体水銀と同様に、非常に高い圧力（約26 ギガパスカル (260,000 bar)まで）でも、単純な液体に予想されるよりも配置エントロピーの低い原子クラスターがはるかに多く含まれている。[ 23 ]
ガリウムには質量数が60から89までの30種類の同位体が知られています。安定で自然界に存在する同位体はガリウム69とガリウム71の2種類のみです。ガリウム69は天然ガリウムの約60.1%を占め、ガリウム71は残りの39.9%を占めています。他の同位体はすべて放射性で、ガリウム67が最も寿命が長く（半減期3.2617 日）、ガリウム69より軽い同位体は通常、ベータプラス崩壊（陽電子放出）または電子捕獲によって亜鉛の同位体に崩壊しますが、ガリウム71より重い同位体はベータマイナス崩壊（電子放出）によって、場合によっては遅発中性子放出を伴ってゲルマニウムの同位体に崩壊します。ガリウム70は亜鉛70またはゲルマニウム70の両方に崩壊する可能性があります。[ 33 ]
ガリウム67とガリウム68（半減期67.84 分）はどちらも核医学における画像診断に使用されます（ガリウムスキャンを参照）。
ガリウムは主に+3の酸化状態で存在します。+1の酸化状態も一部の化合物に見られますが、ガリウムのより重い同族元素であるインジウムやタリウムほど一般的ではありません。例えば、非常に安定なGaCl₂はガリウム(I)とガリウム(III)の両方を含み、Ga I Ga III Cl₄と表すことができます。一方、モノクロリドは0 ℃以上では不安定で、単体ガリウムと塩化ガリウム(III)に不均化します。Ga -Ga結合を含む化合物は、GaS （ Ga₂⁴⁺ (S²⁻ ) ₂と表すことができます）やジオキサン錯体Ga₂Cl₄ ( C₄H₈O₂ ) ₂など、真のガリウム( II )化合物です。 [ 16 ] : 240
強酸はガリウムを溶解し、Ga(NO₃) ₂などのガリウム(III)塩を生成する。3 )3（硝酸ガリウム）。水溶液には、水和ガリウムイオン[Ga(H2 O)6 ] 3+. [ 34 ] : 1033水酸化ガリウム(III)、Ga(OH)3 は、ガリウム(III)溶液にアンモニアを。Ga(OH)3 100 °Cでは酸化ガリウム水酸化物、GaO(OH)が生成される。 [ 35 ] : 140–141
アルカリ水酸化物溶液はガリウムを溶解し、Ga(OH) − 4アニオンを含む没食子酸塩（同名の没食子酸塩と混同しないように）を形成する。 [ 36 ] [ 34 ] : 1033 [ 37 ]両性である水酸化ガリウムもアルカリに溶解して没食子酸塩を形成する。[ 35 ] : 141以前の研究では、Ga(OH) 3− 6 が別の可能性のある没食子酸アニオンとして示唆されていたが、[ 38 ]後の研究では見つからなかった。[ 37 ]
ガリウムは、比較的高温でのみカルコゲンと反応します。室温では、ガリウム金属は不動態の保護酸化膜を形成するため、空気や水とは反応しません。しかし、高温になると、大気中の酸素と反応して酸化ガリウム(III)（Ga）を生成します。2 O3. [ 36 ] Gaの還元2 O3元素ガリウムを真空中で 500 °C ～ 700、 暗褐色の酸化ガリウム (I)Ga2O . [ 35 ] : 285Ga2 Oは非常に強力な還元剤、H2 SO4からH2 S. [ 35 ] :207800 °C で不均化して ガリウムとGa2 O3. [ 39 ]
硫化ガリウム(III)、Ga2S3 は、3 つの結晶変形が可能である。 [ 39 ] : 104硫化水素(H )の反応によって作られる。2 S) 950 °C で。 [ 35 ] : 162またはGa(OH)3は 747 ℃で使用できる： [ 40 ]
アルカリ金属炭酸塩とGaの混合物を反応させる2 O3とH2 S は[Gaを含むチオガレートの形成につながる2S4 ] 2−陰イオン。強酸はこれらの塩を分解し、Hを放出する。2 Sのプロセス。 [ 39 ] : 104–105水銀塩、HgGa2S4は蛍光体として使用できる。 [ 41 ]
ガリウムは、より低い酸化状態でも硫化物を形成する。例えば、硫化ガリウム(II)や緑色の硫化ガリウム(I)などである。後者は、前者を 窒素気流下で1000℃に加熱することによって生成される。[ 39 ]： 94
他の二元カルコゲニド、Ga2 Se3とGa2 Te3は閃亜鉛鉱を持つ。これらはすべて半導体であるが、加水分解さ、用途が限られている。 [ 39 ]： 104
ガリウムは1050 ℃でアンモニアと反応して窒化ガリウム（GaN）を形成します。ガリウムはまた、リン、ヒ素、アンチモンと二元化合物を形成します。リン化ガリウム（GaP）、ヒ化ガリウム（GaAs）、アンチモン化ガリウム（GaSb）です。これらの化合物はZnSと同じ構造を持ち、重要な半導体特性を有しています。[ 34 ]： 1034 GaP、GaAs、GaSbは、ガリウムと単体リン、ヒ素、またはアンチモンとの直接反応によって合成できます。[ 39 ]： 99これらはGaNよりも高い電気伝導率を示します。[ 39 ]： 101 GaPはGaと反応させることによっても合成できます。2低温ではリンとOが反応する。 [ 42 ]
ガリウムは三元窒化物を形成する。例えば、[ 39 ]： 99
リンやヒ素との類似化合物も考えられる：Li3 GaP2とLi3 GaAs2．これらの化合物は希酸と水によって容易に加水分解される。 [ 39 ]： 101
酸化ガリウム(III)はHFやFなどのフッ素化剤と反応する。2フッ化ガリウム(III)、GaFを生成する3．これは水に非常に溶けにくいイオン化合物である。しかし、フッ化水素酸水と付加物GaFを形成する3・3H2 O。この付加物を脱水しようとするとGaF2 OH·nH2 O。付加物はアンモニアと反応してGaF を3・3NH３、これを加熱すると無水GaF3. [ 35 ] : 128–129
三塩化ガリウムは、ガリウム金属と塩素ガスの反応によって生成される。[ 36 ]三フッ化ガリウムとは異なり、塩化ガリウム(III)は二量体分子Gaとして存在する。2 Cl6、融点は78 ℃。臭素、ヨウ素、Ga2ベッドルーム6とGa2 I6. [ 35 ] :133
他の13族三ハロゲン化物と同様に、ガリウム(III)ハロゲン化物はルイス酸であり、ハロゲン化物受容体としてアルカリ金属ハロゲン化物と反応して、 GaX − 4アニオン（Xはハロゲン）を含む塩を形成する。また、アルキルハロゲン化物とも反応してカルボカチオンとGaX − 4を形成する。[ 35 ]： 136–137
高温に加熱すると、ガリウム(III)ハロゲン化物は単体ガリウムと反応して、それぞれのガリウム(I)ハロゲン化物を生成する。例えば、GaCl3はGaと反応してGaCl。
低温では平衡は左に移動し、GaClは不均化反応を起こして単体ガリウムとGaClに戻る。3．GaCl は、GaとHClを950 ℃で反応させることによっても生成でき、生成物は赤色固体として凝縮することができる。 [ 34 ]： 1036
ガリウム(I)化合物は、ルイス酸との付加物を形成することによって安定化させることができる。例えば、次の通りである。
いわゆる「ガリウム(II)ハロゲン化物」、GaX2 は、実際にはガリウム(I)ハロゲン化物とそれぞれのガリウム(III)ハロゲン化物の付加物であり、構造はGa +である。[GaX4 ] −例えば：[ 36 ] [ 34 ]： 1036 [ 43 ]
アルミニウムと同様に、ガリウムも水素化物GaHを形成する。3はガランとして知られておりLiGaH)を反応させることによって生成される可能性がある。4 )°Cで塩化ガリウム(III)と反応させた場合： [ 34 ]： 1031
ジメチルエーテルを溶媒として用いると、 GaH3は重合して（GaH）になる3 )n。溶媒を使用しない場合、二量体Ga2時間6（ジガラン）は気体として生成する。その構造はジボラン、2つの水素原子が2つのガリウム中心を架橋している[ 34 ]： 1031α-AlH3アルミニウムの配位数は6である。 [ 34 ] :1008
有機ガリウム化合物は、有機インジウム化合物と同様の反応性を示し、有機アルミニウム化合物よりは反応性が低いが、有機タリウム化合物よりは反応性が高い。[ 16 ]： 262-5アルキルガリウムは単量体である。ルイス酸性はAl > Ga > Inの順に低下するため、有機ガリウム化合物は有機アルミニウム化合物のように架橋二量体を形成しない。また、有機ガリウム化合物は有機アルミニウム化合物よりも反応性が低い。安定な過酸化物を形成する。[ 45 ]これらのアルキルガリウムは室温で液体であり、融点が低く、非常に流動性が高く可燃性である。トリフェニルガリウムは溶液中では単量体であるが、弱い分子間Ga···C相互作用により結晶は鎖状構造を形成する。[ 16 ]： 262-5
塩化ガリウムは、カルボガレーション反応などの有機ガリウム化合物の形成によく用いられる出発試薬である。[ 46 ]塩化ガリウムは、ジエチルエーテル中でシクロペンタジエニドリチウムと反応して、三角平面ガリウムシクロペンタジエニル錯体 GaCp 3を形成する。ガリウム(I)は、ヘキサメチルベンゼンなどのアレン配位子と錯体を形成する。この配位子はかなりかさばるため、[Ga(η 6 -C 6 Me 6 )] +の構造はハーフサンドイッチである。メシチレンなどのかさばらない配位子では、2 つの配位子が曲がったサンドイッチ構造で中心のガリウム原子に結合することができる。ベンゼンはさらにかさばらず、二量体の形成を可能にする。例として、[Ga(η 6 -C 6 H 6 ) 2 ][GaCl 4 ]·3C 6 H 6が挙げられる。[ 16 ]： 262-5
1871年、ロシアの化学者ドミトリ・メンデレーエフは、ガリウムの存在を初めて予測し、周期表におけるその位置から「エカアルミニウム」と名付けました。彼はまた、エカアルミニウムの密度、融点、酸化物としての性質、塩化物との結合など、ガリウムの実際の性質とよく一致するいくつかの性質も予測しました。[ 47 ]
メンデレーエフはさらに、エカアルミニウムは分光器によって発見されること、そして金属エカアルミニウムは酸とアルカリの両方にゆっくりと溶解し、空気とは反応しないことを予測した。また、M₂O₃は酸に溶解してMX₃塩を生成すること、エカアルミニウム塩は塩基性塩を形成すること、エカアルミニウム硫酸塩はミョウバンを形成すること、そして無水MCl₃はZnCl₂よりも揮発性が高いことも予測した。これらの予測はすべて後に正確であることが証明された。[ 16 ]： 217
ガリウムは、1875年にフランスの化学者ポール＝エミール・ルコック・ド・ボワボードランによって、閃亜鉛鉱の試料中のその特徴的なスペクトル（2本の紫色の線）から分光法を用いて発見された。[ 48 ] [ 49 ]同年後半、ルコックは水酸化カリウム溶液中の水酸化物の電気分解によって遊離金属を得た。[ 50 ]
彼はその元素を「ガリア」と名付けた。これはラテン語の「ガリア」、つまり彼の故郷であるフランスの「ガリア」を意味する。後に、 19世紀の科学者たちが好んだ多言語の言葉遊びで、彼はガリウムを自分の名前にちなんで名付けたとも主張された。 「雄鶏」を意味するフランス語の「Le coq」と、雄鶏を意味するラテン語の「 gallus 」に由来する。1877年の論文で、ルコックはこの推測を否定した。[ 50 ]
当初、ド・ボワボードランはガリウムの密度を4.7 g/cm³と測定しましたが、これはメンデレーエフの予測と一致しなかった唯一の特性でした。メンデレーエフは彼に手紙を書き、密度を再測定するよう提案しました。するとド・ボワボードランは、メンデレーエフが正確に予測した値である5.9 g/cm³という正しい値を得ました。[ 16 ]： 217
1875年の発見から半導体時代に至るまで、ガリウムの主な用途は、高温温度計や、安定性や融解の容易さといった特異な性質を持つ金属合金（中には室温で液体となるものもあった）であった。
1960年代に直接バンドギャップ半導体としてのガリウムヒ素の開発は、ガリウムの応用において最も重要な段階をもたらした。[ 16 ]： 221 1960年代後半には、電子産業は発光ダイオード、太陽電池、半導体の製造にガリウムを商業規模で使用し始め、金属産業は合金の融点を下げるためにガリウムを使用した。[ 51 ] [ 52 ]
最初の青色窒化ガリウムLEDは1971年から1973年にかけて開発されましたが、出力は弱かった。[ 53 ] 1990年代初頭になってようやく、中村修司がGaNとインジウムガリウム窒化物を組み合わせ、現代の青色LEDを開発することに成功しました。これは現在、広く普及している白色LEDの基礎となっており、日亜化学工業は1993年にこれを商品化しました。中村と他の2人の日本人科学者は、この研究で2014年にノーベル物理学賞を受賞しました。 [ 54 ] [ 55 ]
世界のガリウム生産量は、1970年代の数十トン/年から2010年頃までは緩やかに増加し、100トン/年を超えて急速に加速し、2024年には約450トン/年に達すると予測されている。[ 56 ] [ 57 ]
ガリウムは地殻中に遊離元素として存在せず、ガライト（CuGaS 2）などの高含有量の鉱物もごくわずかで、主要な供給源としては希少すぎる。[ 58 ]地殻中の存在量は約16.9 ppmである。地殻中に存在する元素の中で34番目に多い元素である。[ 59 ]これは鉛、コバルト、ニオブの地殻中の存在量に匹敵する。しかし、これらの元素とは異なり、ガリウムは鉱石中に0.1 wt.%を超える濃度で独自の鉱床を形成しない。むしろ、亜鉛鉱石では地殻値と同様の微量濃度で存在し、[ 58 ] [ 60 ]アルミニウム鉱石ではやや高い値（約50 ppm）で存在し、どちらからも副産物として抽出される。独立した鉱床が存在しないのは、ガリウムの地球化学的挙動によるもので、ほとんどの鉱床の形成に関連するプロセスにおいて強い濃縮が見られないためです。[ 58 ]
米国地質調査所 （USGS）は、ボーキサイトと亜鉛鉱石の既知の埋蔵量に100万トン以上のガリウムが含まれていると推定している。 [ 61 ] [ 62 ]石炭煙道ダストには、通常重量比で1%未満の少量のガリウムが含まれている。[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ] [ 66 ]しかし、これらの量は母材を採掘しなければ抽出できない（下記参照）。したがって、ガリウムの入手可能性は、ボーキサイト、亜鉛鉱石、石炭の採掘速度によって根本的に決まる。
ガリウムは、他の金属の鉱石の処理中に副産物としてのみ生産されます。主な原料はアルミニウムの主鉱石であるボーキサイトですが、硫化亜鉛鉱石（閃亜鉛鉱が主な母鉱）からも少量抽出されます。 [ 67 ] [ 60 ]過去には、特定の石炭が重要な供給源でした。
バイエル法によるボーキサイトからアルミナへの処理中に、ガリウムは水酸化ナトリウム溶液中に蓄積されます。この溶液から、さまざまな方法でガリウムを抽出することができます。最も新しい方法は、イオン交換樹脂の使用です。[ 67 ]達成可能な抽出効率は、原料ボーキサイト中の元の濃度に大きく依存します。典型的な原料濃度50 ppmでは、含有ガリウムの約15%が抽出可能です。[ 67 ]残りは赤泥と水酸化アルミニウムの流れに残ります。ガリウムは溶液中でイオン交換樹脂から除去されます。その後、電気分解によりガリウム金属が得られます。半導体用途では、ゾーンメルティングまたは溶融物からの単結晶抽出（チョクラルスキー法）によりさらに精製されます。99.9999%の純度が日常的に達成され、市販されています。[ 68 ]
副産物であるということは、ガリウムの生産量が、年間で採掘されるボーキサイト、硫化亜鉛鉱石（および石炭）の量によって制約されることを意味します。したがって、その入手可能性は供給ポテンシャルの観点から議論する必要があります。副産物の供給ポテンシャルは、現在の市場条件（つまり技術と価格）の下で、その母体材料から年間で経済的に抽出できる量として定義されます。[ 69 ]埋蔵量と資源は、副産物には関係ありません。なぜなら、それらは主製品から独立して抽出できないからです。 [ 70 ] 最近の推定では、ガリウムの供給ポテンシャルは、ボーキサイトから最低2,100トン/年、 硫化亜鉛鉱石から85トン/年、石炭から潜在的に590トン/年とされています。[ 67 ]これらの数値は、現在の生産量（2016年の375トン）を大幅に上回っています 。[ 71 ]したがって、ガリウムの副産物生産の将来的な大幅な増加は、生産コストや価格の大幅な上昇なしに可能となるだろう。低品位ガリウムの平均価格は、2016年には1キログラムあたり120ドル、2017年には1キログラムあたり135～140ドルであった。[ 72 ]
2017年の世界の低品位ガリウム生産量は約315トンで、2016年から15%減少した。中国、日本、韓国、ロシア、ウクライナが主要生産国であり、ドイツは2016年にガリウムの一次生産を停止した。高純度ガリウムの生産量は約180トンで、主に中国、日本、スロバキア、英国、米国からのものである。2017年の世界の年間生産能力は、低品位ガリウムで730トン、精製ガリウムで320トンと推定された。[ 72 ]
中国は2016年に約250トン、2017年に約300トンの低品位ガリウムを生産した。また、世界のLED生産量の半分以上を占めた。[ 72 ] 2023年7月現在 、中国は生産量の80％[ 73 ]から95％ [ 74 ]を占めていた。 2023年8月現在 、中国は世界のガリウムの80%、ゲルマニウムの60%を生産した（出典：クリティカル・ロー・マテリアルズ・アライアンス（CRMA））。中国は両材料の輸出を制限し始めた。これらは半導体産業にとって重要であり、中国と米国の間には「チップ戦争」がある。[ 75 ] 2025年、リオ・ティントとインジウム・コーポレーションは提携し、北米で最初の一次ガリウムを採掘した。[ 76 ] 2025年7月、米国のシンクタンクである戦略国際問題研究所は、「中国は米国との経済的および技術的競争が激化する中で、重要鉱物に対する支配力をますます武器化している。防衛産業のサプライチェーンと新エネルギー技術にとって重要な重要鉱物であるガリウムは、中国の戦略の最前線にある」と記した。[ 77 ] 2024年、中国は世界の低純度ガリウムの98%を生産した（出典：米国地質調査所（USGS））。[ 77 ]
半導体用途がガリウムの商業需要の大部分を占め、全体の98%を占めている。次に主要な用途はガドリニウムガリウムガーネットである。[ 78 ] 2022年時点で、世界の使用量の44%が照明器具に、36%が集積回路に使われ、太陽光発電と磁石にはそれぞれ約7%ずつ使われている。[ 79 ]
極めて高純度（>99.9999%）のガリウムは、半導体産業向けに市販されている。電子部品に使用されるガリウムヒ素（GaAs）と窒化ガリウム（GaN）は、2007年の米国におけるガリウム消費量の約98%を占めた。半導体ガリウムの約66%は、超高速ロジックチップや携帯電話の低ノイズマイクロ波プリアンプ用MESFETなどの集積回路（主にガリウムヒ素）に米国で使用されている。このガリウムの約20%は光電子工学に使用されている。[ 61 ]
世界的に見ると、ガリウムヒ素は世界の年間ガリウム消費量の95%を占めています。[ 68 ] 2016年には75億ドルに達し 、そのうち53%が携帯電話、27%が無線通信、残りが自動車、民生、光ファイバー、軍事用途によるものです。最近のGaAs消費量の増加は、主に3Gおよび4Gスマートフォンの登場に関連しており、これらの機種は旧型モデルの最大10倍のGaAsを使用しています。[ 72 ]
ガリウムヒ素と窒化ガリウムは、さまざまな光電子デバイスにも使用されており、 2015年には153億ドル、 2016年には185億ドルの市場シェアを占めています。 [ 72 ]アルミニウムガリウムヒ素（AlGaAs）は、高出力赤外線レーザーダイオードに使用されています。半導体である窒化ガリウムと窒化インジウムガリウムは、主にレーザーダイオードと発光ダイオードなどの青色および紫色の光電子デバイスに使用されています。たとえば、窒化ガリウム405 nmダイオードレーザーは、高密度Blu-ray Disc コンパクトデータディスクドライブの紫色の光源として使用されています。[ 80 ]
窒化ガリウムのその他の主要な用途としては、ケーブルテレビ伝送、商用無線インフラ、パワーエレクトロニクス、衛星などがある。GaN無線周波数デバイス市場だけでも、2016年には3億7000万ドル、 2016年には 4億2000万ドルと推定されている。[ 72 ]
衛星電源用途向けに開発された多接合型太陽電池は、ガリウムヒ素、インジウムガリウムリン化物、またはインジウムガリウムヒ素の薄膜を分子線エピタキシーまたは有機金属気相エピタキシーによって作製されます。火星探査ローバーやいくつかの衛星は、ゲルマニウム上に三重接合型ガリウムヒ素セルを使用しています。[ 81 ]ガリウムは、結晶シリコンのコスト効率の良い代替品として太陽電池パネルに使用される光起電力化合物（銅インジウムガリウムセレン硫化物Cu(In,Ga)(Se,S) 2など）の構成要素でもあります。[ 82 ]
ガリウムはほとんどの金属と容易に合金化し、低融点合金の成分として使用されます。ガリウム、インジウム、スズのほぼ共晶合金は、医療用体温計に使用される室温液体です。この合金は、ガリンスタン（「-stan」はラテン語でスズを意味するstannumに由来）という商標名で、融点が-19 ℃（-2.2 °F）と低くなっています。[ 83 ]この合金ファミリーは、コンピューターチップを水の代わりに冷却したり、高性能コンピューティングで熱ペーストの代替として使用することもできます。 [ 84 ] [ 85 ]ガリウム合金は、水銀歯科用アマルガムの代替品として評価されていますが、これらの材料はまだ広く受け入れられていません。ガリウムとインジウムを主成分とする液体合金は、気体のCO2を固体炭素に析出させることがわかっており、炭素回収および場合によっては炭素除去の潜在的な方法として研究されています。[ 86 ] [ 87 ]
ガリウムはガラスや磁器を濡らす性質があるため、ガリウムは光沢のある鏡を作るのに使用できます。ガリウム合金の濡れ性が望ましくない場合（ガリンスタンガラス温度計など）、ガラスは透明な酸化ガリウム(III)層で保護する必要があります。[ 88 ]
ガリウム系液体金属は表面張力が高く変形しやすいため、[ 89 ]表面張力を制御することでアクチュエータの作成に使用できます。 [ 90 ] [ 91 ] [ 92 ]研究者らは、液体金属アクチュエータをロボットの作動における人工筋肉として使用する可能性を実証しました。[ 93 ] [ 94 ]
核兵器ピットで使用されるプルトニウムはδ相で安定化され、ガリウムとの合金化によって機械加工が可能になる。[ 95 ] [ 96 ]
ガリウムは生物学的に自然な機能を持たないが、ガリウムイオンは鉄(III)と同様の方法で体内のプロセスと相互作用する。これらのプロセスには、多くの疾患状態の指標である炎症が含まれるため、いくつかのガリウム塩は医薬品や放射性医薬品として医療で使用されている（または開発中である）。ガリウムの抗がん特性への関心は、腫瘍を有する動物に注射された67Ga (III)クエン酸塩が腫瘍部位に局在することが発見されたときに生じた。臨床試験では、硝酸ガリウムが非ホジキンリンパ腫および尿路上皮癌に対して抗腫瘍活性を有することが示されている。トリス(8-キノリノラト)ガリウム(III) (KP46)やガリウムマルトレートなどの新世代のガリウム-リガンド錯体が登場している。[ 97 ]硝酸ガリウム（商品名ガナイト）は、骨への腫瘍転移に伴う高カルシウム血症の治療に静脈内投与薬として使用されてきました。ガリウムは破骨細胞の機能を阻害すると考えられており、他の治療法が失敗した場合にこの治療法が有効な場合があります。[ 98 ]経口投与可能な吸収性の高いガリウム(III)イオンであるマルト酸ガリウムは、病的に増殖する細胞、特に癌細胞や、鉄イオン(Fe 3+ )の代わりにマルト酸ガリウムを受け入れる一部の細菌に対して抗増殖作用があります。研究者らは、この化合物を多くの癌、感染症、炎症性疾患の潜在的な治療法として臨床試験および前臨床試験を実施しています。[ 99 ]
シュードモナスなどの細菌が鉄(III)の代わりにガリウムイオンを誤って取り込むと、イオンが呼吸を妨げ、細菌は死滅する。これは、鉄は酸化還元活性であり、呼吸中に電子の移動を可能にするのに対し、ガリウムは酸化還元不活性であるためである。[ 100 ] [ 101 ]
アミン-フェノール複合体Ga(III)化合物MR045は、マラリアに対する一般的な薬剤であるクロロキンに耐性のある寄生虫に対して選択的に毒性を示す。Ga(III)錯体とクロロキンはどちらも、寄生虫による血液の消化によって形成される排泄物であるヘモゾインの結晶化を阻害することによって作用する。 [ 102 ] [ 103 ]
クエン酸ガリウムや硝酸ガリウムなどのガリウム67塩は、ガリウムスキャンとして知られる核医学画像診断において放射性医薬品として使用されます。放射性同位体67Gaが使用され、ガリウムの化合物または塩の種類は重要ではありません。体はGa3 +をFe3 +であるかのように多くの方法で処理し、このイオンは感染症などの炎症部位や急速な細胞分裂部位に結合（および濃縮）します。これにより、核スキャン技術によってこれらの部位を画像化することができます。[ 104 ]
半減期が 68 分である陽電子放出核種であるガリウム 68 は、神経内分泌腫瘍の検査に使用されるソマトスタチン類似体であるDOTATOCや、神経内分泌転移や肺神経内分泌癌（特定の種類の微小細胞腫など）に使用される新しいDOTA-TATEなどの医薬品製剤と結合して、PET-CT の診断用放射性核種として使用されています。医薬品としてのガリウム 68 の製剤は化学的であり、放射性核種は、ガリウム 68 ジェネレーター内でゲルマニウムの合成放射性同位体であるゲルマニウム68 から溶出によって抽出されます。[ 105 ]
ニュートリノ検出：ガリウムはニュートリノ検出に使用されます。単一の場所で収集された純粋なガリウムの量は、おそらくロシアのバクサンニュートリノ観測所のSAGE実験で使用されたガリウムゲルマニウムニュートリノ望遠鏡です。この検出器には、55～57トン（約9立方メートル）の液体ガリウムが含まれています。[ 106 ]別の実験は、1990年代初頭にイタリアの山岳トンネルで運用されたGALLEXニュートリノ検出器です。この検出器には、12.2トンの水和ガリウム71が含まれていました。太陽ニュートリノによって、少数の71 Ga原子が放射性71 Geになり、それが検出されました。この実験により、太陽ニュートリノ束は理論予測よりも40%少ないことが示されました。この不足（太陽ニュートリノ問題）は、より優れた太陽ニュートリノ検出器と理論が構築されるまで説明されませんでした（SNOを参照）。[ 107 ]
イオン源：ガリウムは、集束イオンビーム用の液体金属イオン源としても使用されます。例えば、集束ガリウムイオンビームは、世界最小の本である「Teeny Ted from Turnip Town」の作成に使用されました。[ 108 ]
潤滑剤：ガリウムはスキーやその他の低摩擦表面材料の滑走ワックスの添加剤として使用されます。 [ 109 ]
フレキシブルエレクトロニクス：材料科学者は、ガリウムの特性により、フレキシブルデバイスやウェアラブルデバイスの開発に適している可能性があると推測している。[ 110 ] [ 111 ]
水素生成：ガリウムはアルミニウムの保護酸化層を破壊し、水がAlGa中のアルミニウムと反応して水素ガスを生成することを可能にする。[ 112 ]
ユーモア：化学者の間では、ガリウム製のスプーンを作り、何も知らない客にお茶を出すのに使うという悪ふざけがよく知られています。ガリウムは、より軽い同族元素であるアルミニウムと似た外観をしているからです。スプーンは熱いお茶の中で溶けてしまいます。[ 113 ]
微量元素検査の進歩により、科学者たちは大西洋と太平洋で溶存ガリウムの痕跡を発見することができました。[ 114 ]近年、ボーフォート海で溶存ガリウム濃度が報告されています。[ 114 ] [ 115 ]これらの報告は、太平洋と大西洋の水の可能性のあるプロファイルを反映しています。[ 115 ]太平洋では、典型的な溶存ガリウム濃度は、 水深約150m未満で4～6pmol/kgです。これに対し、大西洋の水では、 水深約350m以上で25～28pmol/kgです。[ 115 ]
ガリウムは主に風成作用によって海洋に流入していますが、海洋にガリウムが存在することで、海洋におけるアルミニウムの分布を解明することができます。[ 116 ]その理由は、ガリウムは地球化学的にアルミニウムと似ており、反応性が低いだけだからです。また、ガリウムはアルミニウムよりも表面水での滞留時間がわずかに長くなっています。[ 116 ]ガリウムはアルミニウムと似た溶解プロファイルを持つため、アルミニウムのトレーサーとして使用できます。[ 116 ]ガリウムは鉄の風成作用のトレーサーとしても使用できます。[ 117 ]ガリウムは、北西太平洋、南大西洋、中央大西洋で鉄のトレーサーとして使用されています。[ 117 ]例えば、北西太平洋の亜極域では、表面水のガリウム濃度が低いことから、塵の流入が少ないことが示唆され、その結果、栄養塩濃度が高くクロロフィル濃度が低い環境挙動を説明できます。[ 117 ]
金属ガリウム自体は無毒である。しかし、ガリウム化合物の中には毒性を持つものもある。
ハロゲン化ガリウム錯体は毒性を持つ可能性がある。[ 120 ]可溶性ガリウム塩のGa 3+イオンは、大量に注射すると不溶性の水酸化物を形成する傾向があり、この水酸化物の沈殿により動物に腎毒性が生じた。低用量では、可溶性ガリウムはよく耐容され、毒物として蓄積せず、主に尿を通して排泄される。ガリウムの排泄は 2 段階で起こり、第 1 段階の生物学的半減期は1 時間、第 2 段階の生物学的半減期は 25 時間である。[ 104 ]
吸入されたGa2O3粒子はおそらく有毒である。[ 121 ]
{{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）