Химический элемент Индий
- Химический элемент Индий.
| Атомный номер | 49 |
| Атомная масса | 114,82 |
| Плотность, кг/м³ | 7310 |
| Температура плавления, С° | 156,2 |
| Температура кипения,·°С | 2020 |
| Теплоемкость, кДж/(кг·°С) | 0,239 |
| Электроотрицательность | 1,7 |
| Ковалентный радиус, Å | 1,44 |
В 1863 профессор
Фрейбергской минералогической школы
(Германия) Фердинанд Рейх (1799–1882) и
его ассистент Теодор Рихтер (1824–1898)
спектроскопически исследовали
образцы цинковой обманки (минерала
сфалерита, ZnS), чтобы обнаружить в
них таллий. Из образца сфалерита
действием соляной кислоты Рейх
и Рихтер выделили хлорид цинка и
поместили его в спектрограф
с надеждой зарегистрировать появление
ярко-зеленой линии, характерной
для таллия. Профессор Ф.Рейх страдал
дальтонизмом и не мог различать
цвета спектральных линий, поэтому
все наблюдения регистрировал его
ассистент Рихтер. Обнаружить присутствие
таллия в образцах сфалерита не удалось,
но каково же было удивление Рейха,
когда Рихтер сообщил ему о
появлении в спектре ярко-
Индий (лат. Indium) , In, относится к третьей группе периодической системы элементов, его порядковый номер 49, атомный вес 114,8. Природный индий представляет смесь 95,77% изотопа In115 ,обладает слабой радиоактивностью, он испускает (β-лучи с периодом полураспада 6.1014 лет.) и 4,23% изотопа In113 стабилен. Известны изотопы индия с массовыми числами 107, 108, 109, 110, 111, 112, ИЗ, 114, 115, 116, 117, 118 и 119 .
- Распространение в природе
Распространение в природе и типы месторождений.
Среднее содержание индия в земной коре 1,4-10-5 вес.%. Индий—типичный рассеянный элемент. Сейчас известно около десяти собственных минералов индия: самородный индий (редчайшие экземпляры), сложные сульфиды индит FeIn2S4, рокезит CuInS2, сакуранит (CuZnFe)3InS4 и патрукит (Cu,Fe,Zn)2(Sn,In)S4, интерметаллид йиксуит PtIn, джалиндит In(OH)3. Эти минералы не имеют практического значения вследствие своей исключительной редкости. Близость ионного радиуса индия с размерами ионов более распространенных металлов (Fe, Zn, Mn, Sn, Mg, Pb и др.) приводит к тому, что в природе индий встраивается в кристаллические решетки минералов этих элементов. Однако, несмотря на такое сходство, содержание индия в подавляющем большинстве минералов-носителей невелико и редко когда выходит за пределы нескольких тысячных долей процента. Количество минералов, в которых содержание индия достигает нескольких десятых долей процента (0,05–1%) чрезвычайно мало.
Накапливается преимущественно в сульфидных минералах — сфалерите ZnS (индием обогащены чаще темные, содержащие железо и марганец, разновидности сфалерита — марматиты), галените PbS, халькопирите СuFeS2. В то же время индием часто обогащен касситерит SnO2. Индия в этих минералах обычно содержится от десятитысячных до сотых долей процента.
Oсобенно высокие концентрации индия наблюдаются в сложных сульфидных минералах — сульфостаннатах свинца и сурьмы, например в цилиндрите Sn4РЬ3Sb2S14. В них содержание индия может достигать нескольких десятых долей процента. Иногда резко повышенные концентрации индия наблюдаются и в некоторых силикатах.
Повышенное
содержание индия в минералах
и рудах связано почти
- касситерито-силикато-
сульфидная формация (сфалерит, касситерит, халькопирит, станнин); - олово-сульфосольная формация (сфалерит, касситерит, сульфо-антимонаты, сульфосоли);
- медноколчеданная и колчеданно-полиметаллическая (сфалерит, халькопирит, галенит);
- свинцово-цинковые формации разных классов (сфалерит, халькопирит, галенит).
Особенно много индия в наиболее высокотемпературных гидротермальных образованиях, где сталкиваются два носителя индия — олово и цинк. В сфалеритах из различных касситерито-сульфидных, а также олово-сульфосольных месторождений содержание индия доходит до десятых долей процента.
Особенный интерес с точки зрения извлечения индия, как и других рассеянных элементов, представляют медноколчеданные и свинцово-цинковые руды. Концентрации индия в минералах этих месторождений не превышают тысячных и даже десятитысячных долей процента; но так как запасы их больше, они дают основную массу добываемого индия.
Индий, помимо указанных рудных минералов, содержится, хотя и в меньших концентрациях, также в сульфидах железа (пирите и пирротине). Кроме того, он входит в силикатные минералы пустой породы (в меньшей степени, чем галлий и таллий). В качестве источников индия используются отходы производства цветных металлов, в первую очередь цинка, свинца и олова.
В небольших концентрациях индий обнаружен в золе каменных углей, нефтях некоторых месторождений (до 2,2·10–6% In), а также в морской ((0,02–7)·10–10% In) и дождевой ((0,002–2)·10–7%) воде. Содержание индия во Вселенной оценивается в 3·10–10%(масс.) или 3·10–12%(ат.).
По
приблизительным оценкам United States Geological
Surveys (по состоянию на июнь 2004) суммарный
мировой запас разведанных
Таблица 1. ПРИБЛИЗИТЕЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МИРОВЫХ РЕСУРСОВ ИНДИЯ
| Страна | Ресурсы, тонн | Резервная база, тонн |
| Канада | 700 | 2000 |
| Китай | 280 | 1300 |
| США | 300 | 600 |
| Россия | 200 | 300 |
| Перу | 100 | 150 |
| Япония | 100 | 150 |
| Другие страны | 800 | 1500 |
- Физические и химические свойства
Это
блестящий белый металл; температура
плавления 156,2°, температура кипения
2020°. Обращает на себя внимание его
очень малая твердость и
Индий устойчив и не тускнеет на воздухе. Выше 800° горит фиолетово-синим пламенем, образуя окись. 2In + 3O2 = 2In2O3.В воде в присутствии воздуха медленно корозирует.
4In + 3O2 + 6H2O = 4In(OH)3.
Слабо растворяется на холоде в разбавленных кислотах, значительно лучше при нагревании. Легко растворяется в галогеноводородных кислотах (в HF – в присутствии окислителя):
2In + 6HCl = 2InCl3 + 3H2
2In + 6HF + 3H2O2 = 2InF3 + 6H2O.
Реакция
индия с концентрированной
2In + 6H2SO4 = In2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O (при нагревании)
In + 2H2SO4 + 3,5H2O = HIn(SO4)2·3,5H2O + 2H2 (на холоде).
Индий легко растворяется в азотной кислоте различной концентрации с образованием нитрата индия (III):
In + 4HNO3 = In(NO3)3 + NO + 2H2O.
Индий не реагирует с уксусной кислотой, но растворяется в растворе щавелевой:
2In + 6H2C2O4 = 2H3[In(C2O4)3] + 3H2.
С галогенами при легком нагревании образует тригалогениды:
2In + 3X2 = 2InX3 (X = F, Cl, Br, I).
При
взаимодействии индия с сероводородом
при 1000° С или при сплавлении
стехиометрических количеств
In + H2S = In2S + H2 (1000° С)
2In + S = In2S.
Индий не реагирует с бором, углеродом и кремнием, не известны также соответствующие борид, карбид, силицид. Водород с индием также не реагирует и очень плохо в нем растворяется (менее 1 см3 на 100 г In); известны, однако, гидриды индия – (InH3)n и InH. При сплавлении индия с его тригалогенидами можно получить галогениды, в которых индий находится в низших степенях окисления +1 и +2 (наряду с нестехиометрическими галогенидами).
Важнейшие соединения индия. Индий в своих соединениях может находиться во всех степенях окисления от 0 до +3. Химия одновалентного индия сейчас хорошо изучена, однако практическое значение имеют лишь соединения трехвалентного индия, как наиболее устойчивые и распространенные.
Оксид индия(III) In2O3 – светло-желтые или зеленовато-желтые кристаллы, плотность 7180 кг/м3. Температура плавления 1910° С. Может быть получен окислением металлического индия кислородом при нагревании, разложением нитрата или гидроксида индия:
In(OH)3
= In2O3 + H2O
4In(NO3)3 = 2In2O3 + 12NO2 + 3O2.
Оксид
индия не растворим в воде, не
реагирует с растворами щелочей,
легко взаимодействует с
In2O3+ 3H2SO4 = In2(SO4)3 + 3H2O
In2O3 + 6HCl = 2InCl3 + 3H2O.
При температурах 700–800° С In2O3 восстанавливается водородом или углеродом до металла:
In2O3 + 3H2 = 2In + 3H2O.
Оксид индия (III) нелетуч, но при сильном нагревании выше 1200° С частично диссоциирует с образованием черного летучего In2O:
In2O3 = In2O + O2.
Сейчас оксид индия (III) – наиболее широко применяемое соединение индия, так как он является основой большинства электропроводящих пленок (легированных диоксидом олова) на стекле, слюде или лавсане, используемых при изготовлении жидкокристаллических дисплеев, мониторов портативных компьютеров, электролюминесцентных ламп, электродов фотопроводящих элементов, топливных элементов (в том числе – высокотемпературных) и т.п. Электропроводящие пленки на основе In2O3, будучи нанесенными на автомобильные или авиационные стекла, способны нагревать их до 100° С при пропускании тока и, тем самым, предотвращать их обледенение и запотевание. Стекла с такими пленками способны пропускать до 85% падающего на них света. Кроме того, In2O3 находит некоторое применение в стекольной промышленности, так как добавки его придают стеклу желтый или оранжевый цвет. Для монокристалла индий-оловянного оксида получено одно из максимальных значений эффективности преобразования солнечной энергии (12%). Известно еще множество применений оксида индия в качестве электропроводящего элемента.
Полупроводники
на основе пниктогенидов индия. Пниктогениды
– соединения индия с элементами
главной подгруппы V группы периодической
системы (кроме висмута) обладают полупроводниковыми
свойствами. Несмотря на снижающийся
в последнее десятилетие
С
фосфором, мышьяком и сурьмой индий
образует по одному стехиометрическому
соединению (нестехиометрических не
образуется вовсе) – InP, InAs и InSb. Все
они кристаллизуются в
Наиболее просто получается антимонид индия по реакции
In + Sb = InSb,
так
как давление насыщенных паров обоих
компонент – In и Sb – низкое, можно
их синтезировать обычным
Помимо зонной плавки, для получения монокристаллов антимонида индия (особенно легированных) применяют метод вытягивания кристаллов из расплава с температурой, близкой к точке кристаллизации (по Чохральскому). Суть (в отличие от аппаратурного оформления) его довольно проста: в расплав вещества с помощью специального магнитного (или другого) держателя опускается затравка (маленький монокристалл InSb), а после начала наращивания вещества на кристалл держатель медленно поднимается из расплава. Следует отметить, что монокристаллы выращиваются в определенных кристаллографических направлениях и, таким образом, можно получить вытянутый монокристалл антимонида индия довольно больших размеров.
Антимонид индия отличается чрезвычайно высокой подвижностью электронов и благодаря этому InSb используется в изготовлении малоинерционных датчиков Холла, находящих разнообразное применение в приборах для измерения напряженности постоянных и переменных магнитных полей и токов. Другой областью применения антимонида индия является изготовление инфракрасных детекторов, поскольку его электропроводность сильно меняется под действием инфракрасного излучения, которое, в большей или меньшей степени, испускают все окружающие тела в зависимости от степени их нагрева. Именно на регистрации ИК-излучения, испускаемого разными телами с различной интенсивностью, основано действие приборов ночного видения. На основе InSb можно создавать фотоприемники, работающие в дальней ИК-области. Такие приемники, однако, работают при сильном охлаждении (до 2–4 К). Антимонид индия с успехом используется и при изготовлении различного рода преобразователей, термоэлектрических генераторов и некоторых других электротехнических устройств.
Арсенид
индия – серые кристаллы с
металлическим блеском, температура
плавления 943° С. Поскольку мышьяк
очень летуч, при синтезе соединение
разлагается сразу после
In + As = InAs.
Температура нагревателя в зоне с мышьяком регулируется таким образом, чтобы поддерживалось равновесное давление паров As (32,7 кПа при 800–900° С) при синтезе арсенида индия.
Фосфид индия – серые кристаллы с металлическим блеском, Тпл = 1070° С, плотность 4787 кг/м3. Наиболее трудно получаемый, с точки зрения экспериментального оформления, пниктогенид индия. Высокое давление паров фосфора над расплавом InP значительно затрудняет его синтез и процедуру очистки, поэтому значительное внимание приходится уделять чистоте исходных компонентов – фосфора и индия (их чистота должна быть не ниже, чем 99,9999%). Принципиально (но не с точки зрения аппаратурного оформления – оно сложнее) схемы синтеза фосфида индия не отличаются от таковых для арсенида – синтез проводится в двухзонных печах, а выращивание монокристаллов – по Чохральскому из под слоя флюса. Фосфид индия можно назвать одним из важнейших полупроводниковых материалов. Он сочетает в себе высокую подвижность носителей заряда, относительно большую ширину запрещенной зоны, прямой характер межзонных переходов и благоприятные теплофизические характеристики. Основные сферы использования фосфида индия СВЧ-техника и оптоэлектроника. На основе фосфида индия изготавливают полевые транзисторы, электронные осцилляторы и усилители, его оценивают как один из наиболее перспективных материалов для создания быстродействующих интегральных схем малой энергоемкости. Кроме того, в связи с быстрым развитием волоконно-оптических линий связи, резко возросло использование фосфида индия в качестве подложки для твердых растворов In-Ga-As-P, применяемых для создания эффективных излучателей и приемников электромагнитного излучения для спектральной области, соответствующей прозрачности световодов из кварцевых стекловолокон. Фосфид индия – перспективный материал для превращения солнечной энергии в электрическую.
Сейчас
хорошо отработана технология нанесения
из жидкой или газовой фазы полупроводящих
пленок InP, InAs и InSb на монокристаллическую
подложку, так как этот способ изготовления
полупроводников имеет ряд
Наибольшее
применение в полупроводниковой
технике находят не чистые пниктогениды
индия, а их твердые растворы или
растворы с пниктогенидами галлия,
например системы GaP-InSb, InAs-InP, InP-GaSb и
многие другие. Изменение состава
таких растворов позволяет
Взаимодействие с металлами. Индий, как и галлий, не образует ни с одним металлом непрерывных твердых растворов. Большой растворимостью в индии в твердом состоянии обладают все металлы, окружающие его в периодической системе: галлий, таллий, олово, свинец, висмут, кадмий, ртуть, в меньшей мере — цинк. Кроме того, большой растворимостью в индии обладают магний и литий. Сам индий образует твердые растворы на основе металлов подгруппы меди, а также никеля, марганца, палладия, титана, магния, олова, свинца и таллия. Ограниченная растворимость в жидком состоянии обнаружена в системах индия с алюминием, железом и бериллием.
Индий образует интерметаллические фазы (бертоллидного типа) с некоторыми близкими металлами, такими, как олово и свинец. Целый ряд фаз (так называемых электронных соединений) образуется в системах с металлами подгруппы меди. Большим числом интерметаллических соединений характеризуются системы индия с магнием, никелем, редкоземельными металлами.
- Области применения
Основная
статья потребления (65%) индия в США
и Японии – изготовление тонких
электропроводящих пленок и ИК-отражающих
пленок на основе оксида индия. Доля применения
индия для изготовления полупроводников
невелика – всего 10%. Помимо этого
есть много других областей применения
индия. Прежде всего, благодаря пластическим
и антикоррозионным свойствам, низкой
летучести и маленькой
О биологической роли индия почти нет сведений, известно лишь, что индий в следовых количествах есть в зубной ткани, и что в больных зубах (кариозных) его концентрация значительно ниже, чем в здоровых. Предлагается применять индий в виде фторогерманата In2(GеF6)3 и других сложных фторидов в качестве составной части зубных паст, так как он обладает профилактическим действием против кариеса. Предложено так же добавлять фосфат индия к зубным цементам . Сведения о токсикологии индия противоречивы, но, скорее всего, при введении в желудок и внутривенно индий малотоксичен. Пыль индия вредна. ПДК индия в воздухе 0,1 мг/м3 (США) и 4 мг/м3 (Россия).
В последние годы рынок металлического индия отличается крайней нестабильностью. Данные разных авторов по производству и потреблению индия часто отличаются в несколько раз. В 1987 производство первичного рафинированного индия составляло 53 тонны, в 1988 – 106 тонн, в 1994 – 145 тонн, а в 1995 – 240 тонн, в 2000 было произведено 335 тонн металла, в 2001 – 345 тонн, в 2002 – 335 тонн, а в 2003 выплавлено 305 тонн металла. Крупнейшими производителями первичного индия являются Китай, Япония и Канада. США не производят своего индия (все месторождения индия, как стратегического металла, законсервированы), а лишь занимаются рафинированием (заводы в Нью-Йорке и Род-Айленде) ввозимого из-за рубежа низкосортного (99,97 и 99,99%) индия до 99,9999% содержания металла (ITO-качества).
| РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ ЕЖЕГОДНОГО МИРОВОГО ПРОИЗВОДСТВА (2003) ПЕРВИЧНОГО ИНДИЯ. | ||
| Страна | Производство, тонн/год | Основные производители |
| Канада | 50 | Falconbridge Ltd.’s Kidd Creek, Ontario; Teck Cominco’s Trail, British Colombia. |
| Бельгия | 30 | Umicore s.a.; Metallurgie Hoboken-Overpelt. |
| Китай | 100 | Zhuzhou Smelter Non-ferrous Co., Ltd; Liuzhou Zinc Product Co., Ltd; Huludao Zinc Smelter Co; China Tin Group Co. Ltd. |
| Франция | 10 | Metaleurop |
| Япония | 70 | Dowa Mining Co., Ltd; Nippon Mining & Metals Co., Ltd. |
| Россия | 15 | Новосибирский оловянный комбинат и др. |
| Германия | 10 | Preussag |
| США | 0 | Indium Corporation of America; Utica; NY; Umicore Indium Products, Providence, RI (a division of n.v. Umicore, s.a.) |
В начале 1987 цена на индий составляла 114, а в середине равнялась 250 долларов/кг. В 1995 цена на металл достигла 575 долларов/кг, но в 1999 она снова упала до отметки 200 долларов/кг. К середине 2002 цены на индий достигли рекордно низкого значения 55–60 долларов/кг, но к началу зимы ситуация стала меняться, и стоимость индия перевалила за отметку 100 долларов/кг. К концу 2003 индий стоил 300 долларов/кг, а в 2004 – 400–430 долларов/кг. За последние 14 лет среднемесячная цена на металл составила 250 долларов/кг.
- Получение и очистка индия.
Отделение индия от сопутствующих элементов. Чтобы отделить индий от сопутствующих элементов, применяют следующие способы избирательного осаждения и растворения:
а) обработка избытком раствора едкого натра, при которой отделяются алюминий, цинк, мышьяк, сурьма, олово, галлий, германий если концентрация едкого натра не превышает ~20%, то гидроокись индия не растворяется;
б) обработка избытком аммиака, приводящая к отделению цинка, кадмия, меди, никеля и кобальта, образующих растворимые комплексные аммиакаты;
в) осаждение сульфидов тяжелых металлов (меди, свинца, висмута и т. д.) в сильнокислой среде действием сероводорода или сульфида натрия; можно воспользоваться также сульфидом цинка; процесс применяется только на последних стадиях технологии, так как значительное количество индия может захватываться в результате соосаждения;
г) обработка сероводородом в слабокислой среде позволяет отделить индий в виде сульфида от железа и алюминия.
Получение металлического индия
Индий получают либо цементацией, либо электролизом. Применяя цементацию, надо избежать избытка осадителя, поэтому ее ведут не на цинковой пыли, а на листах цинка или алюминия. В последнем случае получают легко снимающуюся с листов губку. Из сернокислых растворов цементация на алюминии сильно затруднена. Для начала цементации рекомендуется добавить к раствору ~20 мл/л соляной кислоты (она растворяет пассивирующую окисную пленку с поверхности алюминия) и нагреть его до 60°. Когда начинается цементация индия, нагревание прекращают, так как реакция проходит с выделением тепла. Цементация на алюминии при наличии примесей идет не до конца — в растворе остается до 0,5 г/л индия; этот остаток приходится осаждать цинковой пылью. Губчатый индий легко окисляется и для пассивирования должен сутки храниться под водой. Чтобы получить компактный металл, губку брикетируют и переплавляют под слоем щелочи или парафина.

- Химический элемент Йод
- Химический элемент - кадмий
- Химический элемент - ртуть
- Химически опасные вещества
- Химически опасные вещества(АХОВ)
- Химически опасные и вредные факторы
- Химически опасные объекты
- Химический состав продовольственных товаров
- Химический состав продовольственных товаров
- Химический состав растительного сырья
- Химический способ защиты растений
- Химический ток
- Химический эквивалент
- Химический элемент №11 – Натрий