Индий — химический элемент ; он имеет символ In и атомный номер 49. Это серебристо-белый постпереходный металл и один из самых мягких элементов. Химически индий похож на галлий и таллий , и его свойства в значительной степени являются промежуточными между ними. [11] Он был открыт в 1863 году Фердинандом Райхом и Иеронимусом Теодором Рихтером с помощью спектроскопических методов и назван в честь синей линии индиго в его спектре. [12]
Индий является технологически критически важным элементом , используемым в основном в производстве плоских дисплеев в виде оксида индия и олова (ITO), прозрачного и проводящего покрытия, наносимого на стекло. [13] [14] [15] Индий также используется в полупроводниковой промышленности , [16] в сплавах металлов с низкой температурой плавления, таких как припои и высоковакуумные уплотнения из мягких металлов. Он производится исключительно как побочный продукт при переработке руд других металлов, в основном из сфалерита и других руд сульфида цинка . [17]
Индий не играет никакой биологической роли, а его соединения токсичны при вдыхании или введении в кровоток, хотя они плохо всасываются после приема внутрь. [18] [19]
Название происходит от латинского слова indicum, означающего фиолетовый или индиго . [20]
Индий — блестящий серебристо-белый, высокопластичный постпереходный металл с ярким блеском . [21] Как и галлий , он настолько мягок ( твердость по Моосу 1,2), что его можно резать ножом, и он оставляет видимую линию, как карандаш, если потереть им бумагу. [22] Он входит в 13-ю группу периодической таблицы , и его свойства в основном промежуточные между его вертикальными соседями галлием и таллием . Как и в случае с оловом , при изгибе индия раздается пронзительный крик — треск из-за двойникования кристаллов . [21] Как и галлий, индий способен смачивать стекло. Как и оба, индий имеет низкую температуру плавления , 156,60 °C (313,88 °F); выше, чем у его более легкого гомолога, галлия, но ниже, чем у его более тяжелого гомолога, таллия, и ниже, чем у олова. [23] Температура кипения составляет 2072 °C (3762 °F), что выше, чем у таллия, но ниже, чем у галлия, в противоположность общей тенденции температур плавления, но аналогично тенденциям понижения других групп постпереходных металлов из-за слабости металлических связей с небольшим количеством делокализованных электронов . [24]
Плотность индия, 7,31 г/см3 , также больше, чем у галлия, но меньше, чем у таллия. Ниже критической температуры , 3,41 К , индий становится сверхпроводником . Индий кристаллизуется в объемно-центрированной тетрагональной кристаллической системе в пространственной группе I4 / mmm ( параметры решетки : a = 325 пм , c = 495 пм): [23] это слегка искаженная гранецентрированная кубическая структура, где каждый атом индия имеет четырех соседей на расстоянии 324 пм и восемь соседей немного дальше (336 пм). [25] Индий имеет большую растворимость в жидкой ртути, чем любой другой металл (более 50 массовых процентов индия при 0 °C). [26] Индий демонстрирует пластичную вязкопластическую реакцию, которая, как было обнаружено, не зависит от размера при растяжении и сжатии. Однако он имеет размерный эффект при изгибе и вдавливании, связанный с масштабом длины порядка 50–100 мкм [27] , что значительно больше по сравнению с другими металлами.
Индий имеет 49 электронов с электронной конфигурацией [ Kr ]4d 10 5s 2 5p 1 . В соединениях индий чаще всего отдает три внешних электрона, становясь индием (III), In 3+ . В некоторых случаях пара 5s-электронов не отдается, в результате чего получается индий (I), In + . Стабилизация одновалентного состояния объясняется эффектом инертной пары , при котором релятивистские эффекты стабилизируют 5s-орбиталь, наблюдаемую в более тяжелых элементах. Таллий (более тяжелый гомолог индия ) демонстрирует еще более сильный эффект, в результате чего окисление до таллия (I) более вероятно, чем до таллия (III), [28] , тогда как галлий (более легкий гомолог индия) обычно показывает только степень окисления +3. Таким образом, хотя таллий(III) является умеренно сильным окислителем , индий(III) таковым не является, а многие соединения индия(I) являются мощными восстановителями . [29] Хотя энергия, необходимая для включения s-электронов в химическую связь, является самой низкой для индия среди металлов группы 13, энергии связей уменьшаются вниз по группе, так что к индию энергия, выделяемая при образовании двух дополнительных связей и достижении состояния +3, не всегда достаточна, чтобы перевесить энергию, необходимую для включения 5s-электронов. [30] Оксид и гидроксид индия(I) являются более основными, а оксид и гидроксид индия(III) являются более кислотными. [30]
Для индия приведен ряд стандартных электродных потенциалов, зависящих от изучаемой реакции [31] , что отражает пониженную стабильность степени окисления +3: [25]
Металлический индий не реагирует с водой, но окисляется более сильными окислителями, такими как галогены, с образованием соединений индия (III). Он не образует борид , силицид или карбид , а гидрид InH 3 в лучшем случае временно существует в эфирных растворах при низких температурах, будучи достаточно нестабильным, чтобы спонтанно полимеризоваться без координации. [29] Индий довольно основной в водном растворе, проявляя лишь незначительные амфотерные характеристики, и в отличие от своих более легких гомологов алюминия и галлия, он нерастворим в водных щелочных растворах. [32]
Индий имеет 39 известных изотопов , массовые числа которых варьируются от 97 до 135. Только два изотопа встречаются в природе в виде первичных нуклидов : индий-113, единственный стабильный изотоп , и индий-115, период полураспада которого составляет 4,41 × 1014 лет, что на четыре порядка больше возраста Вселенной и почти в 30 000 раз больше периода полураспада тория-232 . [33] Период полураспада 115 In очень долгий, поскольку бета-распад до 115 Sn запрещен по спину . [34] Индий-115 составляет 95,7% всего индия. Индий является одним из трех известных элементов (другие — теллур и рений ), стабильный изотоп которого менее распространен в природе, чем долгоживущие первичные радиоизотопы. [35]
Самый стабильный искусственный изотоп — индий-111 , период полураспада которого составляет около 2,8 дня. Все остальные изотопы имеют период полураспада менее 5 часов. Индий также имеет 47 метасостояний, среди которых индий-114m1 (период полураспада около 49,51 дня) является самым стабильным, более стабильным, чем основное состояние любого изотопа индия, кроме первичного. Все распадаются путем изомерного перехода . Изотопы индия легче 113In в основном распадаются путем электронного захвата или позитронной эмиссии с образованием изотопов кадмия , в то время как изотопы индия тяжелее 113In в основном распадаются путем бета-минус-распада с образованием изотопов олова. [33]
Оксид индия (III) , In 2 O 3 , образуется при сжигании металлического индия на воздухе или при нагревании гидроксида или нитрата. [36] In 2 O 3 принимает структуру, подобную оксиду алюминия , и является амфотерным, то есть способен реагировать как с кислотами, так и с основаниями. Индий реагирует с водой, воспроизводя растворимый гидроксид индия (III) , который также является амфотерным; со щелочами, образуя индаты (III); и с кислотами, образуя соли индия (III):
Аналогичные полуторные халькогениды с серой , селеном и теллуром также известны. [37] Индий образует ожидаемые тригалогениды . Хлорирование, бромирование и иодирование In производят бесцветные InCl 3 , InBr 3 и желтый InI 3 . Соединения являются кислотами Льюиса , несколько родственными более известным тригалогенидам алюминия. Опять же, как и родственное соединение алюминия, InF 3 является полимерным. [38]
Прямая реакция индия с пниктогенами производит серые или полуметаллические полупроводники III–V . Многие из них медленно разлагаются во влажном воздухе, что требует осторожного хранения полупроводниковых соединений для предотвращения контакта с атмосферой. Нитрид индия легко подвергается воздействию кислот и щелочей. [39]
Соединения индия(I) не распространены. Хлорид, бромид и иодид имеют интенсивную окраску, в отличие от исходных тригалогенидов, из которых они получены. Фторид известен только как нестабильный газ. [40] Черный порошок оксида индия(I) получается, когда оксид индия(III) разлагается при нагревании до 700 °C. [36]
Реже индий образует соединения в степени окисления +2 и даже дробных степенях окисления. Обычно такие материалы характеризуются связью In–In, особенно в галогенидах In 2 X 4 и [In 2 X 6 ] 2− , [41] и различных субхалькогенидах, таких как In 4 Se 3 . [42] Известно несколько других соединений, объединяющих индий(I) и индий(III), таких как In I 6 (In III Cl 6 )Cl 3 , [43] In I 5 (In III Br 4 ) 2 (In III Br 6 ), [44] и In I In III Br 4 . [41]
Индийорганические соединения характеризуются связями In–C. Большинство из них являются производными In(III), но циклопентадиенилиндий(I) является исключением. Это было первое известное индийорганическое соединение [45], и оно является полимерным, состоящим из зигзагообразных цепей чередующихся атомов индия и циклопентадиенильных комплексов [46] . Возможно, наиболее известным индийорганическим соединением является триметилиндий , In(CH 3 ) 3 , используемый для получения некоторых полупроводниковых материалов [47] [48]
В 1863 году немецкие химики Фердинанд Райх и Иероним Теодор Рихтер испытывали руды из шахт вокруг Фрайберга, Саксония . Они растворили минералы пирит , арсенопирит , галенит и сфалерит в соляной кислоте и перегнали сырой хлорид цинка . Райх, который был дальтоником , нанял Рихтера в качестве помощника для обнаружения цветных спектральных линий. Зная, что руды из этого региона иногда содержат таллий , они искали зеленые линии спектра излучения таллия. Вместо этого они нашли яркую синюю линию. Поскольку эта синяя линия не соответствовала ни одному известному элементу, они предположили, что в минералах присутствует новый элемент. Они назвали элемент индием, от цвета индиго , видимого в его спектре, в честь латинского indicum , что означает « индийский ». [49] [12] [50] [51]
Рихтер продолжил изолировать металл в 1864 году. [52] Слиток весом 0,5 кг (1,1 фунта) был представлен на Всемирной выставке 1867 года. [53] Позже Райх и Рихтер поссорились, когда последний заявил, что является единственным первооткрывателем. [51]
Индий образуется в результате длительного (до тысяч лет) s-процесса (медленный захват нейтронов) в звездах малой и средней массы (диапазон масс от 0,6 до 10 солнечных масс ). Когда атом серебра-109 захватывает нейтрон, он трансмутирует в серебро-110, которое затем подвергается бета-распаду , становясь кадмием-110. Захватывая дополнительные нейтроны, он становится кадмием-115, который распадается на индий-115 в результате другого бета-распада . Это объясняет, почему радиоактивный изотоп более распространен, чем стабильный. [54] Стабильный изотоп индия, индий-113, является одним из p-ядер , происхождение которого до конца не изучено; Хотя известно, что индий-113 производится непосредственно в s- и r-процессах (быстрый захват нейтронов), а также как дочерний элемент очень долгоживущего кадмия-113, период полураспада которого составляет около восьми квадриллионов лет, это не может объяснить весь индий-113. [55] [56]
Индий является 68-м наиболее распространенным элементом в земной коре, его содержание составляет приблизительно 50 ppb . Это похоже на распространенность в земной коре серебра , висмута и ртути . Он очень редко образует собственные минералы или встречается в элементарной форме. Известно менее 10 минералов индия, таких как рокезит (CuInS2 ) , и ни один из них не встречается в достаточных концентрациях для экономической добычи. [57] Вместо этого индий обычно является следовым компонентом более распространенных рудных минералов, таких как сфалерит и халькопирит . [58] [59] Из них он может быть извлечен в качестве побочного продукта во время плавки. [17] Хотя обогащение индия в этих месторождениях высоко по сравнению с его распространенностью в земной коре, при текущих ценах оно недостаточно для поддержки добычи индия в качестве основного продукта. [57]
Существуют различные оценки количества индия, содержащегося в рудах других металлов. [60] [61] Однако эти количества не могут быть извлечены без добычи исходных материалов (см. Производство и доступность). Таким образом, доступность индия в основном определяется скоростью, с которой эти руды извлекаются, а не их абсолютным количеством. Это аспект, который часто забывается в текущих дебатах, например, группой Грэделя в Йельском университете в их оценках критичности, [62] объясняя парадоксально низкие времена истощения, которые приводятся в некоторых исследованиях. [63] [17]
Индий производится исключительно как побочный продукт при переработке руд других металлов. Его основным исходным материалом являются сульфидные цинковые руды, где он в основном содержится в сфалерите. [17] Небольшие количества также извлекаются из сульфидных медных руд. Во время процесса обжига-выщелачивания-электровыделения при выплавке цинка индий накапливается в богатых железом остатках. Из них его можно извлечь разными способами. Его также можно извлечь непосредственно из технологических растворов. Дальнейшая очистка осуществляется электролизом . [ 65] Точный процесс зависит от режима работы плавильного завода. [21] [17]
Его статус побочного продукта означает, что производство индия ограничено количеством сульфидных цинковых (и медных) руд, добываемых каждый год. Поэтому его доступность необходимо обсуждать с точки зрения потенциала предложения. Потенциал предложения побочного продукта определяется как то количество, которое экономически извлекается из его исходных материалов в год при текущих рыночных условиях (т. е. технология и цена). [66] Запасы и ресурсы не имеют значения для побочных продуктов, поскольку они не могут быть извлечены независимо от основных продуктов. [17] Согласно последним оценкам, потенциал предложения индия составляет минимум 1300 т/год из сульфидных цинковых руд и 20 т/год из сульфидных медных руд. [17] Эти цифры значительно превышают текущее производство (655 т в 2016 году). [67] Таким образом, значительное будущее увеличение производства побочного продукта индия будет возможно без значительного увеличения производственных затрат или цены. Средняя цена на индий в 2016 году составила 240 долларов США /кг, что ниже 705 долларов США /кг в 2014 году. [68]
Китай является ведущим производителем индия (290 тонн в 2016 году), за ним следуют Южная Корея (195 тонн), Япония (70 тонн) и Канада (65 тонн). [67] Нефтеперерабатывающий завод Teck Resources в Трейле, Британская Колумбия , является крупным производителем индия из одного источника, с объемом производства 32,5 тонны в 2005 году, 41,8 тонны в 2004 году и 36,1 тонны в 2003 году.
Первичное потребление индия во всем мире приходится на производство ЖК-дисплеев . Спрос быстро рос с конца 1990-х по 2010 год с ростом популярности ЖК-мониторов компьютеров и телевизоров, на долю которых теперь приходится 50% потребления индия. [15] Повышение эффективности производства и переработка (особенно в Японии) поддерживают баланс между спросом и предложением. По данным ЮНЕП , уровень переработки индия в конце срока службы составляет менее 1%. [69]
В 1924 году было обнаружено, что индий обладает ценным свойством стабилизации цветных металлов , и это стало первым значительным применением элемента. [70] Первым крупномасштабным применением индия было покрытие подшипников в высокопроизводительных авиационных двигателях во время Второй мировой войны для защиты от повреждений и коррозии ; это уже не является основным применением элемента. [65] Были найдены новые применения в легкоплавких сплавах , припоях и электронике . В 1950-х годах крошечные шарики индия использовались для эмиттеров и коллекторов транзисторов со сплавным переходом PNP . В середине и конце 1980-х годов разработка полупроводников фосфида индия и тонких пленок оксида индия и олова для жидкокристаллических дисплеев (ЖКД) вызвала большой интерес. К 1992 году тонкопленочное применение стало крупнейшим конечным применением. [71] [72]
Оксид индия (III) и оксид индия и олова (ITO) используются в качестве прозрачного проводящего покрытия на стеклянных подложках в электролюминесцентных панелях. [73] Оксид индия и олова используется в качестве светофильтра в натриевых лампах низкого давления . Инфракрасное излучение отражается обратно в лампу, что повышает температуру внутри трубки и улучшает производительность лампы. [72]
Индий имеет много применений, связанных с полупроводниками . Некоторые соединения индия, такие как антимонид индия и фосфид индия , [74] 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 . [75] InAs и InSb используются для низкотемпературных транзисторов, а InP — для высокотемпературных транзисторов. [65] Полупроводниковые соединения InGaN и InGaP используются в светоизлучающих диодах (LED) и лазерных диодах. [76] Индий используется в фотоэлектричестве в качестве полупроводникового селенида меди-индия-галлия (CIGS), также называемого солнечными элементами CIGS , типом тонкопленочных солнечных элементов второго поколения . [77] Индий используется в биполярных транзисторах PNP с германием : при пайке при низкой температуре индий не напрягает германий. [65]
Индиевая проволока используется в качестве вакуумного уплотнения и теплопроводника в криогенике и сверхвысоковакуумных приложениях, в таких производственных приложениях, как прокладки , которые деформируются для заполнения зазоров. [78] 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 . [79] 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 регуляторах тепла. [65]
Индий является одним из многих заменителей ртути в щелочных батареях , чтобы предотвратить коррозию цинка и выделение водорода . [80] Индий добавляют в некоторые сплавы стоматологической амальгамы , чтобы уменьшить поверхностное натяжение ртути и обеспечить меньшее количество ртути и более легкую амальгамацию. [81]
Высокое сечение захвата нейтронов индием для тепловых нейтронов делает его пригодным для использования в регулирующих стержнях ядерных реакторов , как правило, в сплаве из 80% серебра , 15% индия и 5% кадмия . [82] В ядерной технике реакции (n,n') 113 In и 115 In используются для определения величин нейтронных потоков. [83]
В 2009 году профессор Мас Субраманиан и бывший аспирант Эндрю Смит из Университета штата Орегон обнаружили, что индий можно объединить с иттрием и марганцем, чтобы образовать интенсивно синий , нетоксичный, инертный, устойчивый к выцветанию пигмент YInMn blue , первый новый неорганический синий пигмент, открытый за 200 лет. [84]
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. [85] [86] Соединения индия в основном не всасываются при приеме внутрь и лишь умеренно всасываются при вдыхании; они, как правило, временно хранятся в мышцах , коже и костях перед выведением, а биологический период полураспада индия составляет около двух недель у людей. [87] Он также помечен аналогами гормона роста, такими как октреотид, для поиска рецепторов гормона роста в нейроэндокринных опухолях . [88]
Индий не играет никакой метаболической роли в каком-либо организме. Подобно солям алюминия, ионы индия(III) могут быть токсичны для почек при инъекционном введении. [19] Оксид индия и олова и фосфид индия наносят вред легочной и иммунной системам, в основном через ионный индий, [90] хотя гидратированный оксид индия более чем в сорок раз токсичнее при инъекционном введении, измеряемом количеством введенного индия. [19]
Люди могут подвергаться воздействию индия на рабочем месте путем вдыхания, проглатывания, контакта с кожей и попадания в глаза. Индиевое легкое — это заболевание легких, характеризующееся легочным альвеолярным протеинозом и легочным фиброзом, впервые описанное японскими исследователями в 2003 году. По состоянию на 2010 год [обновлять]было описано 10 случаев, хотя более 100 работников, работающих с индием, задокументировали респираторные нарушения. [18] Национальный институт охраны труда и здоровья установил рекомендуемый предел воздействия (REL) в размере 0,1 мг/м3 в течение восьмичасового рабочего дня. [91]
{{cite book}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )