ガリウム（原子番号31）とは — 性質・用途・危険性をわかりやすく解説

ガリウム（化学記号：Ga）は、周期表の化学元素31である。

性質

ガリウムは常温付近で特徴的な性質を示す金属です。元素としては光沢のある銀色で、固体は脆く青灰色を帯びることがあります。主な物理化学的性質は次のとおりです。

• 原子番号：31、標準原子量：約69.72
• 電子配置：[Ar] 3d10 4s2 4p1
• 一般的な酸化数：+3（+1も稀に見られる）
• 融点：29.76 °C（約華氏85.6°F）—つまり人の手の温度で容易に溶ける
• 沸点：約2204 °C
• 密度（固体）：約5.9 g/cm3

ガリウムは固体のときに脆く、液体になると非常に良い光沢を示します。液体ガリウムは鏡面のように光を反射するため、鏡や鏡面加工用途への応用が考えられます。固化するときに体積が増すため、密封容器に入れると破裂することがある点に注意が必要です。

化学的特徴と族

ガリウムはボロン族（第13族）に属し、アルミニウム、インジウム、タリウムといった元素と系統を同じくします。単体としては金属的に電気を通しますが、特に化合物としては半導体的性質を示すものが多く、半導体材料として非常に重要です。

用途

• 半導体材料：ガリウム砒素（GaAs）やガリウム窒化物（GaN）は、半導体デバイス、LED（発光ダイオード）、レーザーダイオード、高周波・高効率トランジスタなどに広く用いられます。
• 太陽電池：一部の高効率太陽電池（多接合太陽電池）で用いられます。
• 低融点合金：ガリウムを含む合金（例：ガリウム・インジウム・スズ合金、通称Galinstan）は水銀代替として温度計や熱伝導材料に使われます。
• プルトニウム合金の安定化：非常に微量が核兵器用プルトニウム合金の結晶構造を安定化する目的で添加されることがあります（軍事用途は機密性が高く詳細は限定されます）。
• 医療・診断：放射性同位体（ガリウム-67、ガリウム-68）は核医学でのイメージングやPET検査などに使われます。

入手と分離

ガリウムは自然界では単体としてはほとんど存在せず、ボーキサイト（アルミニウム鉱石）や亜鉛鉱（スファレライト）などの鉱石から副産物として回収されます。商業的には電解や化学処理によって分離・精製されます。

危険性と取り扱い

元素ガリウムは経口毒性は低いとされ、短時間手に触れる程度では重大な健康被害を起こすことは稀ですが、以下の点に注意してください：

• 人の手に持つと体温で容易に溶け、皮膚に銀色の跡（表面酸化物や微粒子）が残ることがあります。皮膚に付着した跡は石鹸と水や溶媒で落とせますが、アルミニウムなど一部金属と接触すると金属表面を侵して脆化させる（アルミニウム脆化）性質があり、金属部品に損傷を与える可能性があります。
• ガリウム化合物の中には毒性が高く、特に吸入や誤嚥、長期曝露は有害です。たとえば、ガリウム砒素（GaAs）などは発がん性や呼吸器障害を引き起こす可能性があり、工業的取り扱いには適切な換気と防護具が必要です。
• 廃棄や環境放出は規制される場合があるため、各国の法令や安全データシート（SDS）に従って処理してください。

まとめ

ガリウムは低い融点や良好な光沢、半導体化合物としての重要性などユニークな性質を持つ元素です。電子・光学分野での重要な材料である一方、化合物の中には有害なものもあるため、用途に応じた適切な取り扱いと安全対策が必要です。元素としての特徴（低融点、金属的導電性、+3酸化状態の安定性など）と、アルミニウムやインジウム、タリウムとの関係を理解すると、応用の幅や注意点が明確になります。

質問と回答

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