Индий является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 49 и условным обозначением In. Индий представляет собой редкий, серебристо-белый и мягкий тяжелый металл.
Открытие
Индий был открыт в 1863 году немецкими химиками Фердинандом Райхом и Теодором Рихтером в Фрайбергской горной академии. Они исследовали образец сфалерита, найденный в этом районе, на предмет таллия. В спектре поглощения вместо ожидаемых линий таллия они обнаружили ранее неизвестную индигово-синюю спектральную линию, тем самым идентифицировав ранее неизвестный элемент. Они назвали новый элемент индием в честь него. Вскоре им удалось сначала получить хлорид и оксид индия, а также, восстановив оксид индия водородом, получить и сам металл. Другие свойства, такие как атомный вес, плотность и температура плавления, а также другие соединения, были исследованы Клеменсом Винклером. Большее количество индия было впервые показано на Всемирной выставке 1867 года в Париже. Для этой цели 2,15 тонны индийсодержащего цинка из полых плавильных печей растворили в серной кислоте, а из остатка получили слиток индия весом около 0,5 кг.
Характеристики
| Физические характеристики | |
|---|---|
| Состояние при Н.У. | Твердое |
| Температура плавления | 156,59 ° С |
| Точка кипения | 2000 °С |
| Плотность при Н.У. | 7,31 г/см 3 |
| Твердость по шкале Мооса | 1,2 |
| Критическая точка | — |
| Мол. теплота плавления | 3,26 кДж/моль |
| Мол. теплота испарения | 225 кДж/моль |
| Мол. теплоемкость | 26,7 Дж/(моль·К) |
| Молярный объем | 15,7 см 3 ·моль -1 |
| Химические характеристики | |
|---|---|
| Атомный номер(Z) | 49 |
| Атомная масса | 114,818 |
| Электронная конфигурация | 4d¹⁰5s²5p¹ |
| Радиус атома | 155 пм |
| Ковалентный радиус | 144 пм |
| Степени окисления | +1, +3 |
| Радиус иона | 81 пм |
| Электроотрицательность | 1,78 (шкала Полинга) |
| Энергия ионизации | 558 кДж/моль |
| Изотопы | ¹¹¹In; ¹¹³In; ¹¹⁵In |
Добыча и производство
Индий является редким элементом, его доля в континентальной коре составляет всего 0,05 частей на миллион. Таким образом, он распространен примерно так же, как серебро и ртуть. В самородной металлической форме индий обнаруживается очень редко. Типичным месторождением является месторождение танталовой руды в Забайкалье (Российская Федерация). Самородный индий также был обнаружен в Пержанском рудном поле в Житомирской области Украины и в Чаткальских горах в Ташкентской области Узбекистана. Кроме того самородный индий был обнаружен в образцах горных пород с Луны.
Известно лишь несколько минералов, содержащих индий. В основном это сульфидные минералы, такие как индит FeIn2S4, лафоретит AgInS2 и рокезит CuInS2, а также природные сплавы дамиаоит PtIn2 и ишунит Pt3In, которые считаются элементарными минералами. Однако они встречаются редко и не играют никакой роли в извлечении индия.
Для коммерческих целей индий извлекается почти исключительно как побочный продукт при производстве цинка или свинца. Экономически эффективное извлечение возможно, если индий накапливается на определённых этапах производственного процесса. К ним относятся колошниковая пыль, образующаяся при обжиге сульфида цинка, и остатки электролиза при мокром процессе производства цинка. Они реагируют с серной или соляной кислотой и растворяются. Поскольку концентрация индия в кислоте слишком низкая, его необходимо обогащать. Это достигается, например, экстракцией трибутилфосфатом или осаждением в виде фосфата индия.
Извлечение индия происходит электролитически. Используется раствор хлорида индия(III) в соляной кислоте. Его переводят в элементарный индий с помощью ртутных электродов. Во время электролиза необходимо следить за тем, чтобы раствор не содержал таллия, поскольку стандартные потенциалы двух элементов очень близки. Используя подходящие процессы, такие как зонная плавка или повторный электролиз расплавов солей хлорида индия (I), сырой продукт можно дополнительно очистить и получить индий чистотой более 99,99%. Текущий объем производства составляет около 1000 тонн. Средняя цена на индий в 2016 году составляла 240 долларов США/кг, что значительно ниже 705 долларов США/кг в 2014 году.
Применение
Применение индия является очень ограниченным из-за его редкости. В 1924 году было обнаружено, что индий обладает ценным свойством стабилизировать цветные металлы, и это стало первым значимым применением химического элемента в истории. Первым крупномасштабным применением индия было покрытие подшипников в высокопроизводительных авиационных двигателях во время Второй мировой войны для защиты от повреждений и коррозии. Следующими полезными применениями были найдены в легкоплавких сплавах, припоях и электронике. В 1950-х годах крошечные шарики индия использовались для эмиттеров и коллекторов транзисторов с PNP-переходом сплава. В середине и конце 1980-х годов разработка полупроводников на основе фосфида индия и тонких пленок оксида индия-олова для жидкокристаллических дисплеев (ЖКД) вызвала большой интерес. К 1992 году тонкопленочное применение стало крупнейшим конечным применением.
Оксид индия (III) и оксид индия-олова (ITO) используются в качестве прозрачного проводящего покрытия на стеклянных подложках электролюминесцентных панелей. Оксид индия-олова используется в качестве светофильтра в натриевых лампах низкого давления. Инфракрасное излучение отражается обратно в лампу, что повышает температуру внутри трубки и улучшает её характеристики.
Индий имеет множество применений, связанных с полупроводниками. Некоторые соединения индия, такие как антимонид индия и фосфид индия, являются полупроводниками с полезными свойствами: одним из прекурсоров обычно является триметилиндий (TMI), который также используется в качестве полупроводниковой легирующей примеси в полупроводниковых соединениях II–VI. InAs и InSb используются для низкотемпературных транзисторов, а InP — для высокотемпературных транзисторов. Полупроводниковые соединения InGaN и InGaP используются в светоизлучающих диодах (СИД) и лазерных диодах. Индий используется в фотовольтаике в качестве полупроводника селенида меди-индия-галлия (CIGS), также называемого солнечными элементами CIGS, типа тонкопленочных солнечных элементов второго поколения. Индий используется в биполярных транзисторах PNP с германием, потому что при пайке при низкой температуре индий не создает напряжений в германии.
Индиевая проволока используется в качестве вакуумного уплотнения и теплопроводника в криогенике и сверхвысоковакуумных приложениях, в таких производственных приложениях, как прокладки, которые деформируются, чтобы заполнить зазоры. Благодаря своей большой пластичности и адгезии к металлам, листы индия иногда используются для холодной пайки в микроволновых цепях и волноводных соединениях, где прямая пайка затруднена. Индий является ингредиентом сплава галлий-индий-олово галинстан, который является жидким при комнатной температуре и заменяет ртуть в некоторых термометрах. Другие сплавы индия с висмутом, кадмием, свинцом и оловом, которые имеют более высокие, но все еще низкие температуры плавления (от 50 до 100 °C), используются в системах пожаротушения и терморегуляторах.
Индий является одним из многих заменителей ртути в щелочных батареях, предотвращая коррозию цинка и выделение водорода. Индий добавляют в некоторые сплавы для стоматологической амальгамы, чтобы уменьшить поверхностное натяжение ртути, уменьшить количество ртути и облегчить амальгамирование. Высокое сечение захвата тепловых нейтронов индия делает его пригодным для использования в стержнях управления ядерных реакторов, обычно в сплаве из 80% серебра, 15% индия и 5% кадмия. В ядерной технике реакции ¹¹³In и ¹¹⁵In используются для определения величин нейтронных потоков. Радиоактивный индий-111 в очень малых количествах используется в тестах ядерной медицины в качестве радиоизотопного индикатора для отслеживания движения меченых белков и лейкоцитов для диагностики различных типов инфекций.
Безопасность
Индий и его неорганические соединения были впервые классифицированы в списке значений MAK и BAT DFG 2023 года как вещества K2 (предположительно обладающие канцерогенным действием на человека) и H (поглощение через кожу). Ионы индия оказывают эмбриотоксическое и тератогенное действие в экспериментах на животных с крысами и кроликами. Однократное введение 0,4 мг кг −1 InCl3 беременным крысам приводило к порокам развития, включающим так называемую волчью пасть и олигодактилию. Эти явления чаще наблюдались при применении трихлорида индия на 10-й день беременности. Напротив, у мышей пороков развития не наблюдалось. Было обнаружено, что нитрат индия токсичен для водных организмов (водная токсичность). Компактный металлический индий негорюч, но в мелкодисперсном виде (порошок или пыль), как и многие металлы, он легко воспламеняется и горюч. Горящий индий нельзя тушить водой из-за опасности взрыва выделяющегося водорода. Тушение следует проводить металлическими огнетушителями класса D.