Области применения индия. Индий металл. Свойства индия. Применение индия

С давних пор в Европе высоко ценилась привозимая из страны чудес Индии ярко-синяя краска «индиго». По чистоте цвета она могла соперничать с синими лучами солнечного спектра. Владельцы текстильных предприятий не скупились на расходы, чтобы приобрести эту королеву красок, применявшуюся для крашения сукна и других тканей. Когда в конце XVIII века Франция оказалась отрезанной английским военным флотом от Индии и других южных стран, многие заморские товары, в том числе и знаменитая краска «индиго», стали весьма дефицитными. Наполеон, желавший сохранить для своей армии традиционные темно-синие мундиры, пообещал колоссальную премию - миллион франков! - тому, кто найдет способ получения чудесной краски из европейского сырья.
Мы не случайно начали рассказ об одном из редких металлов- индии - с упоминания о краске «индиго»: ведь именно ей элемент № 49 обязан своим названием.
В 1863 году в химической лаборатории маленького немецкого городка Фрейберга профессор Фердинанд Рейх и его ассистент Теодор Рихтер занимались спектроскопическим исследованием цинковых минералов Саксонских гор, надеясь обнаружить в них открытый за два года до этого элемент таллий. Ученые подвергали анализу образец за образцом, однако, как ни вглядывались они в возникающие перед ними спектры, сочных зеленых линий, присущих таллию, не было и в помине. Но, видимо, в тот погожий день фортуне очень уж не хотелось поворачиваться спиной к фрейбергским химикам. Почему бы не вознаградить их за долготерпенье и кропотливый труд? И вот в очередном спектре перед взором ученых предстала необыкновенно яркая синяя линия, не принадлежавшая ни одному из известных элементов. Рейху и Рихтеру стало ясно, что им посчастливилось открыть новый элемент. А за сходство его спектральной линии с королевой красок «новорожденного» решено было назвать индием.
Теперь перед учеными встала проблема: выделить металл в чистом виде. Немало потратили они времени и труда, прежде чем сумели получить два образца металлического индия, каждый величиной с карандаш. Кстати, сходство с карандашом было не только внешним: индий оказался удивительно мягким металлом - почти в пять раз мягче свинца и в 20 раз мягче чистого золота. Из десяти минералов, составляющих шкалу твердости по Моосу, девять тверже индия; ему уступает лишь самый податливый из них - тальк. На бумаге индий оставляет заметный след. Однако писать индиевыми «карандашами» было бы таким же безрассудным расточительством, как топить печку ассигнациями: французская Академия наук оценила образцы нового металла в 80 тысяч долларов - по 700 долларов за грамм!
Появляясь на свет, индий, разумеется, не подозревал, что доставит немало хлопот великому русскому химику Д. И. Менделееву. Впрочем, виноват в этом был не столько индий, сколько его первооткрыватели: они приняли новый металл за близкого родственника цинка и поэтому ошибочно решили, что он, как и цинк, двухвалентен. Кроме того, ученые неправильно определили его атомный вес, посчитав его равным 75,6. Но в этом случае для индия не находилось места в периодической таблице, и Менделеев пришел к выводу, что индий трехвалентен, по свойствам он гораздо ближе к алюминию, чем к цинку, а атомный вес его составляет примерно 114.1 Это был далеко не единственный случай, когда великий химик на основе обнаруженного им закона вносил существенные коррективы в характеристики уже известных элементов. И на этот раз жизнь подтвердила его правоту: атомный вес индия, определенный с помощью самых точных методов, оказался равным 114,82. Элементу было отведено место № 49 в третьем ряду периодической системы.
Природный индий состоит из двух изотопов с массовыми числами 113 и 115, причем доля более тяжелого из них значительно солиднее - 95,7%. До середины XX века оба эти изотопа имели репутацию стабильных. Однако в 1951 году ученые установили, что мндий-115 все же подвержен бета-распаду и постепенно превращается в олово-115. Правда, процесс этот протекает крайне медленно: период полураспада ядер индия-115 очень велик - 1014 лет. Вполне понятно, что при таких «темпах» индию долго удавалось скрывать свою радиоактивность. В последние десятилетия физики получили около 20 радиоактивных изотопов индия; период полураспада наиболее долгоживущего из них (индия-114) - 49 дней.
Подобно многим другим металлам, индий долгое время не находил практического применения. И на это были вполне уважительные причины: ведь индий не только довольно редкий элемент (по содержанию в земной коре он среди «обитателей» периодической системы занимает скромное место в седьмом десятке), но и крайне рассеянный: в природе практически нет минералов, в которых главным компонентом (или хотя бы одним из основных) был бы индий. В лучшем случае его можно встретить в виде ничтожных примесей к рудам других металлов, где содержание его не превышает обычно 0,05%. Можно себе представить, какие трудности надо преодолеть, чтобы извлечь из этих руд спрятавшиеся в них крохи индия.
Однако свойства этого металла не могли оставлять равнодушными представителей технического мира. В 1924 году индием всерьез заинтересовался американский инженер Маррей. В поисках индиевых месторождений он вдоль и поперек исколесил Соединенные Штаты Америки, пока, наконец, в песчаных холмах Аризоны не обнаружил хоть и не ахти какие, но все же более высокие, чем в других местах, концентрации этого рассеянного элемента. Вскоре здесь возник завод по производству индия.
Одной из первых областей применения индия стало изготовление высококачественных зеркал, необходимых для астрономических приборов, прожекторов, рефлекторов и тому подобных устройств. Оказывается, обычное зеркало не одинаково отражает световые лучи различных цветов. 1 Это значит, например, что цветная одежда, если ее рассматривать в зеркало, имеет несколько иную окраску, чем на самом деле.
Правда, глаз модницы, сидящей перед трельяжем, не в состоянии зафиксировать такие перемены в ее туалете, но для многих приборов цветовая фальсификация просто недопустима. И серебряные, и оловянные, и ртутно-висмутовые зеркала грешат этим недостатком. Индий же не только обладает чрезвычайно высокой отражательной способностью, но и проявляет при этом полнейшую объективность, совершенно одинаково относясь ко всем цветам радуги - от красного до фиолетового. Вот почему, чтобы свет, излучаемый далекими звездами, доходил до астрономов неискаженным, в телескопах устанавливают индиевые зеркала.
В отличие от серебра, индий не тускнеет на воздухе, сохраняя высокий коэффициент отражения. Между прочим, индий сыграл немаловажную роль при… защите Лондона от массированных налетов немецкой авиации во время второй мировой войны. На первый взгляд, такое утверждение может показаться странным, но именно индиевые зеркала позволяли прожекторам противовоздушной обороны в поисках воздушных пиратов легко пробивать мощными лучами плотный туман, нередко окутывавший британские острова. Поскольку индий имеет низкую температуру плавления - всего 156°С, во время работы прожектора зеркало постоянно нуждалось в охлаждении, однако английское военное ведомство охотно шло на дополнительные расходы, с удовлетворенней» подсчитывая число сбитых вражеских самолетов.
Но часто в технике низкая температура плавления может служить не недостатком, а достоинством. Так, сплав индия с висмутом, свинцом, оловом и кадмием плавится уже при 46,8°С и благодаря этому успешно справляется с-ролью автоматического контролера, предохраняющего ответственные узлы и детали различных механизмов от перегрева. Известен сплав индия с галлием и оловом, который даже при комнатной температуре находится в жидком состоянии: он плавится при 10,6°С. Плавкие предохранители из индиевых сплавов широко используют в системах пожарной сигнализации.
Любопытные эксперименты, связанные с температурой плавления индия, были проведены в Канаде. Исследуя с помощью электронного микроскопа мельчайшие частицы этого металла, канадские физики обнаружили, что, когда размер частиц индия становится меньше некоторой величины, температура плавления его резко понижается. Так, частицы индия размером не более 30 ангстрем плавятся при температуре чуть выше 40°С. Такой колоссальный скачок - от 156 до 40°С - представляет для ученых несомненный интерес. Но природа этого эффекта даже для видавшей виды современной физики пока остается загадкой: ведь теория процессов плавления разрабатывалась применительно к значительным массам вещества, а в опытах канадских физиков расплавлению подвергались «гомеопатические» дозы индия - всего несколько тысяч атомов.
Ценное свойство индия - его высокая стойкость к действию едких щелочей и морской воды.1 Эту способность приобретают и медные сплавы, в которые введено даже небольшое количество индия. Обшивка нижней части корабля, выполненная из такого сплава, легко переносит длительное пребывание в соленом подводном царстве.
Подшипникам, применяемым в современной технике, например в авиационных моторах, приходится трудиться в довольно тяжелых условиях: скорость вращения вала достигает нескольких тысяч оборотов в минуту, металл при этом нагревается и его сопротивление разъедающему действию смазочных масел снижается. Чтобы металл подшипников не подвергался эрозии, ученые предложили наносить на них тонкий слой индия. Его атомы не только плотно покрывают рабочую поверхность металла, но и проникают вглубь, образуя с ним прочный сплав. Такой металл смазке уже не по зубам: срок службы подшипников возрастает в пять раз.
Кстати, о зубах. Из индиевых сплавов (например, с серебром, оловом, медью и цинком), которым свойственны высокая прочность, коррозионная стойкость, долговечность, изготовляют зубные пломбы. В этих сплавах индий играет ответственную роль: он сводит к минимуму усадку металла при затвердевании пломбы.
Авиаторы хорошо знакомы с цинкоиндиевым сплавом, служащим антикоррозионным покрытием для стальных пропеллеров. Своеобразным тончайшим «одеялом» из олова и окиси индия «укутывают» ветровые стекла самолетов. Такое стекло не замерзает - на нем не появляются ледяные узоры, которые вряд ли радовали бы взор пилотов. Сплавы индия широко используют для склеивания стекол или стекла с металлом (например, в вакуумной технике).
Некоторые сплавы индия очень красивы - неудивительно, что они приглянулись ювелирам. Как декоративный металл используют, в частности, сплав 75% золота, 20% серебра и 5% индия - так называемое зеленое золото. Известная американская фирма «Студебеккер» вместо хромирования наруж¬ных деталей автомобилей не без успеха применила индирование. Индиевое покрытие значительно долговечнее хромистого.
В атомных реакторах индиевая фольга служит контролером, измеряющим интенсивность потока тепловых нейтронов и их энергию: сталкиваясь с ядрами стабильных изотопов индия, нейтроны превращают их в радиоактивные; при этом возникает излучение электронов, по интенсивности и энергии которого судят о нейтронном потоке.
Но бесспорно важнейшая область применения индия в современной технике - промышленность полупроводников. Индий высокой чистоты необходим для изготовления германиевых выпрямителей и усилителей: он выступает при этом в роли примеси, обеспечивающей дырочную проводимость в германии. Кстати, сам индий, используемый для этой цели, практически не содержит примесей: выражаясь языком химиков, его чистота- «шесть девяток», т. е. 99,9999%! Некоторые соединения индия (сульфид, селенид, антимонид, фосфид) сами являются полупроводниками; их применяют для изготовления термоэлементов и других приборов. Антимонид индия, например, служит основой инфракрасных детекторов, способных «видеть» в темноте даже едва нагретые предметы.
Индий оказался одним из немногих пока химических элементов, «командированных» в космос, чтобы вписать новые страницы в технологию неорганических материалов. В 1975 году, незадолго до начала совместного советско-американского космического полета по программе «Союз»-«Аполлон», командиры экипажей А. Леонов и Т. Стаффорд в беседе с корреспондентом ТАСС высказали свое мнение о значении предстоящих экспериментов на орбите. В частности, они затронули вопрос о технологических опытах по плавке металлов и выращиванию кристаллов различных веществ. «Предстоит выяснить возможность использования невесомости и вакуума для получения новых материалов - металлических и полупроводниковых, - сказал А. Леонов. - По мнению советских и американских ученых, в космосе можно сплавлять компоненты, не смешиваемые на Земле, создавать жаропрочные материалы…» «Наши астронавты, - добавил Т. Стаффорд, - на борту орбитальной станции «Скайлэб» проводили опыты по выращиванию кристаллов антимонида индия. Удалось получить кристалл самый чистый и самый прочный из всех, когда-либо искусственно полученных на Земле». А в 1978-1980 годах на борту советской орбитальной научной станции «Салют-6» были проведены новые технологические эксперименты, в которых «участвовали» индий и его соединения.
Опыты с соединениями индия ведут и на Земле. Так, недавно антимонид индия был подвергнут давлению в 30 тысяч атмосфер. Оказалось, что в результате таких «крепких объятий» изменилась кристаллическая решетка вещества и при этом его электропроводность возросла в миллион раз!
Мировое производство индия пока очень мало - всего несколько десятков тонн в год. Обычно этот ценнейший металл получают как… побочный продукт при переработке руд цинка, свинца, меди, олова. Оригинальный способ получения индия разработали ученые ГДР. Они предложили добывать его из пыли, облака которой «украшали» небо над одним из предприятий по переработке медистых сланцев. Пыль, в которой среди прочих компонентов содержится индий, сначала промывается горячей серной кислотой, затем проходит долгий путь сложных превращений, в результате которых получается чистый индий.
Интерес к индию все время растет. Ученые стремятся как можно больше узнать об этом металле. Несколько лет назад физики США сумели заполнить еще один пробел в характеристике индия, определив конфигурацию его ядра: оказалось, что оно напоминает… футбольный мяч с полоской по «экватору».
…В природе индий встречается редко, но можно с уверенностью утверждать, что в промышленном мире он с каждым годом будет становиться все более и более желанным гостем.

Сфалерит, марматит, франклинит, алунит, каламин, родонит, флогопит, мангантанталит, сидерит, касситерит, вольфрамит, самарскит. Таков далеко не полный перечень минералов, в которых содержится элемент №49 – индий.

СССР, Финляндия, Япония, Швеция, США, ФРГ, Перу, Канада – вот неполный перечень стран, в которых есть месторождения индия. Несмотря на это, еще в 1924 г. мировой запас металлического индия весил... 1 г.

Тому несколько причин. Во-первых, это физико-механические свойства индия. Они очень своеобразны, спутать этот металл с каким-либо другим невозможно. Своеобразны и, как казалось тогда, бесполезны. Во-вторых, извлечь индий из минералов достаточно сложно. Это один из рассеянных элементов.

Ни в одном из перечисленных минералов среднее содержание элемента №49 не превышает десятых долей процента. Собственно индиевые минералы – рокезит CuInS 2 , индит FeIn 2 S 4 и джалиндит In(ОН) 3 – очень редки. Крайне редко встречается и самородный индий, хотя при нормальных условиях этот металл кислородом воздуха не окисляется и вообще ему присуща значительная химическая стойкость.

Именно из-за крайней рассеянности индий был открыт лишь во второй половине XIX в. Об открытии элемента свидетельствовали не слитки или крупицы, а лишь характерная синяя линия в спектре.

История индия

В середине прошлого века два крупных немецких ученых Густав Роберт Кирхгоф и Роберт Вильгельм Бунзен пришли к выводу об индивидуальности линейчатых спектров химических элементов и разработали основы спектрального анализа. Это был один из первых методов исследования химических объектов физическими средствами.

Этим методом Бунзен и Кирхгоф в 1860...1861 гг. открыли рубидий и цезий. Взяли его на вооружение и другие исследователи. В 1862 г. англичанин Уильям Крукс в ходе спектроскопического исследования шлама, присланного с одного из немецких сернокислотных заводов, обнаружил линии нового элемента – таллия. А еще через год был открыт индий, причем самый молодой по тому времени метод анализа и самый молодой элемент сыграли в этом открытии не последние роли.

В 1863 г. немецкие химики Рейх и Рихтер подвергли спектроскопическому анализу цинковую обманку из окрестностей города Фрейберга. Из этого минерала ученые получили хлорид цинка и поместили его в спектрограф, надеясь обнаружить характерную для таллия ярко-зеленую линию. Надежды оправдались, однако не эта линия принесла Рейху и Рихтеру мировую известность.

В спектре оказалась и линия синего цвета (длина волны 4511 Å), примерно такого же, какой дает известный краситель индиго. Ни у одного из известных элементов такой линии не было.

Так был открыт индий – элемент, названный по цвету характерной для него индиговой линии в спектре.

До 1870 г. индий считался двухвалентным элементом с атомным весом 75,6. В 1870 г. Д.И. Менделеев установил, что этот элемент трехвалентен, а его атомный вес 113: так получалось из закономерностей периодического изменения свойств элементов. В пользу этого предположения говорили также новые данные о теплоемкости индия. Какие рассуждения привели к этому выводу, говорится в отрывке из статьи Д.И. Менделеева (см. ниже «Менделеев об индии»).

Позже было установлено, что природный индий состоит из двух изотопов с массовыми числами 113 и 115. Преобладает более тяжелый изотоп – на его долю приходится 95,7%.

До 1950 г. считалось, что оба эти изотопа стабильны. Но в 1951 г. выяснилось, что индий-115 подвержен бета-распаду и постепенно превращается в олово-115. Процесс этот происходит очень медленно: период полураспада ядер индия-115 очень велик – 6·10 14 лет. Из-за этого и не удавалось обнаружить радиоактивность индия раньше.

В последние десятилетия искусственным путем получено около 20 радиоактивных изотопов индия. Самый долгоживущий из них 114 In имеет период полураспада 49 дней.

Как получают индий

Говорят, что в химии нет бесполезных отходов. Одним из доказательств справедливости такого взгляда на вещи может служить тот факт, что индий получают из отходов (или промежуточных продуктов) производства цинка, свинца, меди, олова. Используются пыли, возгоны, кеки (так называются твердые остатки, полученные после фильтрации растворов). Во всех этих веществах индия немного – от тысячных до десятых долей процента.

Вполне естественно, что выделение столь малых количеств элемента №49, отделение его от массы других элементов – цинка, кадмия, сурьмы, меди, мышьяка и прочих – дело очень сложное. Но «игра стоит свеч»: индий нужен, индий дорог*.

* В 1960 г. в США килограмм индия стоил 40,2 доллара, в то время как килограмм серебра – 29,3 доллара.

Технология извлечения индия, как и многих других металлов, обычно состоит из двух стадий: сначала получают концентрат, а затем уже черновой металл.

На первой стадии концентрирования индий отделяют от цинка, меди и кадмия. Это достигается простым регулированием кислотности раствора или, точнее говоря, величины pH. Гидроокись кадмия осаждается из водных растворов при pH, равном 8, гидроокиси меди и цинка – при 6. Для того чтобы «высадить» гидроокись индия, pH раствора нужно довести до 4.

Хотя технологические процессы, основанные на осаждении и фильтровании, известны давно и считаются хорошо отработанными, они не позволяют извлечь из сырья весь индий. К тому же они требуют довольно громоздкого оборудования.

Более перспективным считается метод жидкостной экстракции. Это процесс избирательного перехода одного или нескольких компонентов смеси из водного раствора в слой несмешивающейся с ним органической жидкости. К сожалению, в большинстве случаев в «органику» переходит не один элемент, а несколько. Приходится экстрагировать и реэкстрагировать элементы по нескольку раз – переводить нужный элемент из воды в растворитель, из растворителя снова в воду, оттуда в другой растворитель и так далее, вплоть до полного разделения.

Для некоторых элементов, в том числе и для индия, найдены реактивы-экстрагенты с высокой избирательной способностью. Это позволяет увеличивать концентрацию редких и рассеянных элементов в сотни и тысячи раз. Экстракционные процессы легко автоматизировать, это одно из самых важных их достоинств.

Из сложных по составу сернокислых растворов, в которых индия было намного меньше, чем Zn, Cu, Cd, Fe, As, Sb, Co, Mn, Tl, Ge и Se, индий хорошо, избирательно, экстрагируется алкилфосфорными кислотами. Вместе с индием в них переходят в основном ионы трехвалентного железа и сурьмы.

Избавиться от железа несложно: перед экстракцией раствор нужно обрабатывать таким образом, чтобы все ионы Fe 3+ восстановились до Fe 2+ , а эти ионы индию не попутчики. Сложнее с сурьмой: ее приходится отделять реэкстракцией или на более поздних этапах получения металлического индия.

Метод жидкостной экстракции индия алкилфосфорными кислотами (из них особенно эффективной оказалась ди-2-этилгексилфосфорная кислота) позволил значительно сократить время получения этого редкого металла, уменьшить его себестоимость и, главное, извлекать индии более полно.

Но так получают только черновой индий. А в числе главных потребителей элемента №49 – полупроводниковая техника (об этом ниже); значит, нужен высокочистый индий. Поэтому черновой индий рафинируют электрохимическими или химическими методами. Сверхчистый индий получают зонной плавкой и методом Чохральского – вытягиванием монокристаллов из тиглей.

На что индий не годен

Индий – довольно тяжелый (плотность 7,31 г/см 3) и красивый металл серебристо-белого цвета. Его поверхность не замутнена окисной пленкой, на свету ярко блестит даже расплавленный индий.

Тем не менее, никому не придет в голову делать украшения из этого металла. Ювелиры совершенно не интересуются им, как, впрочем, и большинство конструкторов. В качестве конструкционного материала индий абсолютно ни на что не пригоден. Стержень из индия легко согнуть, порезать на кусочки, можно даже отщипнуть кусочек индия ногтями. Удивительно хилый металл! Известно, что свинец тоже не блещет выдающимися прочностными характеристиками, он самый непрочный из металлов, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни. У индия же предел прочности на растяжение в 6 раз меньше, чем у свинца.

В качестве примера очень мягкого, податливого к обработке металла приводят обычно чистое золото или тот же свинец. Индий в 20 раз мягче чистого золота. Из десяти минералов, составляющих шкалу твердости по Моосу, девять (все, кроме талька) оставляют на индии след. Однако, как это ни странно, добавка индия увеличивает твердость свинца и особенно олова.

Недостаточные твердость и прочность индия закрыли ему доступ во многие области техники. К примеру, индий достаточно хорошо захватывает тепловые нейтроны, можно было бы использовать его как материал для регулирующих стержней в реакторах. Однако в справочнике по редким металлам он не фигурирует даже в числе возможных конструкционных материалов атомной техники – слишком непрочен. (Правда, есть сведения, что за рубежом пытались делать регулирующие стержни из сплава серебра, кадмия и индия).

Но, несмотря на исключительно скверные прочностные характеристики индия, его производство растет и растет довольно быстро.

На что индий годен

Естественно, что в XIX в. рассеянный и непрочный индий не находил практического применения. Лишь в 30-х годах нашего столетия появились промышленные способы получения элемента №49 – следствие того, что инженеры поняли, наконец, где и как использовать его своеобразнейшие свойства.

Вначале индий применяли главным образом для изготовления подшипников. Добавка индия улучшает механические свойства подшипниковых сплавов, повышает их коррозионную стойкость и смачиваемость.

Широко распространены свинцово-серебряные подшипники с индиевым поверхностным слоем. Делают их так. На стальную основу наносят электролитическим способом тонкий слой серебра. Назначение этого слоя – придать подшипнику повышенное сопротивление усталости. Поверх серебряного слоя таким же образом наносят слой пластичного свинца, а на него – слой еще более пластичного индия.

Но, как мы уже упоминали, сплав свинца и индия прочнее и тверже, чем каждый из этих металлов в отдельности. Поэтому четырехсложный (если считать и стальную основу) подшипник нагревают – для лучшей диффузии индия в свинцовый слой. Часть индия проникает в свинец и превращает его в свинцово-индиевый сплав. Происходит, конечно, и обратный процесс – диффузия свинца в слой индия. Но толщину последнего слоя рассчитывают таким образом, чтобы и после прогрева рабочая поверхность подшипника была если не полностью индиевой, то сильно обогащенной индием.

Такие подшипники устанавливают в авиационных и автомобильных двигателях. Четырехслойная конструкция – это пятикратный срок службы подшипника по сравнению с обычными.

В некоторых странах Европы производят также свинцово-бронзовые подшипники с индиевым поверхностным слоем.

Индий нашел применение и в производстве некоторых сплавов, особенно легкоплавких. Известен, например, сплав индия с галлием (соответственно 24 и 76%), который при комнатной температуре находится в жидком состоянии. Его температура плавления всего 16°C. Другой сплав, в состав которого вместе с индием входят висмут, свинец, олово и кадмий, плавится при 46,5°C и применяется для пожарной сигнализации.

Иногда индий и его сплавы применяют в качестве припоя. Будучи расплавленными, они хорошо прилипают ко многим металлам, керамике, стеклу, а после охлаждения «схватываются» с ними накрепко. Такие припои применяются в производстве полупроводниковых приборов и в других отраслях техники.

Полупроводниковая промышленность вообще стала основным потребителем индия. Некоторые соединения элемента №49 с элементами V группы обладают ярко выраженными полупроводниковыми свойствами. Наибольшее значение приобрел антимонид индия (интерметаллическое соединение последнего с сурьмой), у которого особенно сильно меняется электропроводность под действием инфракрасного излучения. Он стал основой инфракрасных детекторов – приборов, «видящих» в темноте нагретые предметы (от электроплитки до выхлопной трубы танка или мотора тягача). Кстати, получить это соединение очень просто – нагреванием механической смеси индия и сурьмы. Делается это, конечно, в более чем стерильных условиях – в кварцевых ампулах, в вакууме.

Арсенид индия InAs тоже применяется в инфракрасных детекторах, а также в приборах для измерения напряженности магнитного поля. Для производства квантовых генераторов, солнечных батарей, транзисторов и других приборов перспективен и фосфид индия. Однако получить это соединение очень трудно: оно плавится при 1070°C и одновременно разлагается. Избежать этого можно только создав в реакторе большое (порядка десятков атмосфер) давление паров фосфора.

«Сердцем» большинства полупроводниковых приборов считают так называемый p–n -переход. Это граница полупроводников p -типа – с дырочной проводимостью и n -типа – с электронной проводимостью. Примесь индия придает германию дырочную проводимость. Это обстоятельство лежит в основе технологии изготовления многих типов германиевых диодов. К пластинке германия n -типа прижимается контактная игла, покрытая слоем индия, который во время формовки вплавляют в германий, создавая в нем область p -проводимости. А если два шарика индия вплавить с двух сторон германиевой пластинки, то тем самым создается p–n–p -структура – основа транзисторов.

О прочих применениях элемента №49 и его соединений обычно говорят, добавляя эпитет «возможные» или «потенциальные». Их немало.

К примеру, легкоплавкий индий мог бы служить отличной смазкой для трущихся деталей, работающих при температурах выше 160, но ниже 2000°C – такие температуры часто развиваются в современных машинах и механизмах.

Разнообразие существующих и возможных применений однозначно утверждает: «хилому» металлу индию уже никогда не быть безработным.

Менделеев об индии

Отрывок из статьи «Периодическая законность химических элементов», 1871 г.

«Положим, что дан элемент, образующий одну, выше не окисляющуюся, не очень энергическую основную окись, в которой эквивалент элемента = 38 (надо не забыть, что в этом числе заключается некоторая, неизбежная погрешность). Спрашивается, какой его атомный вес или какова формула его окиси? Придав окиси состав R 2 0, будем иметь R = 38, и элемент должно поместить в I группу. Но там на этом месте уже стоит K = 39, да судя по атоманалогии основание такого рода должно быть и растворимое, и энергическое. Придав окиси состав RO, атомный вес R будет = 76, но во II группе нет места для элемента с таким атомным весом, потому что Zn = 65, Sr = 87, да и все места элементов с малыми атомными весами в ней полны... Придав окиси состав R 2 O 3 , будем иметь для R атомный вес = 114 и его должно отнести к III группе. В ней действительно есть свободное место между Cd = 112 и Sn = 118 для элемента с атомным весом около 114. Судя по атоманалогии с Al 2 O 3 и Тl 2 O 3 , с CdO и SnO 2 , окись его должна быть слабым основанием. Следовательно, можно сюда поставить наш элемент. Придав (же) ей состав RO 2 , получим атомный вес R = 152, но в IV группе нет места для такого элемента. Свободное место, соответствующее элементу с атомным весом 162, должно принадлежать такому, окись которого будет очень слабою кислотою, слабейшею, чем SnO 2 , но более энергическою, чем PbO 2 . С атомным весом 152 есть свободное место в VIII группе, но элемент этого места, занимая средину между Pd и Pt, должен обладать такою совокупностию свойств, которую нельзя не заметить при изучении тела, и если ее нет в нем, то это место и этот вес атома ему и не подходят. Придав окиси состав R 2 O 5 , получим атомный вес R = 190, но в V группе нет места для такого элемента, потому, что Ta = 182 и Bi = 208, да и элементы этих мест кислотны в виде R 2 O 5 .

Точно так же не подходят нашему элементу и составы окислов RO 3 и R 2 O 7 , а потому единственный приличный для нашего элемента атомный вес есть R = 114, а окиси его формула R 2 O 3 .

Но такой элемент и есть индий . Его эквивалент по наблюдению Винклера = 37,8, следовательно, его атомный вес должен быть изменен (до сих пор признавали его = 75, а окись за InO) в In = 113, состав его окиси In 2 O 3 , его атоманалоги из группы III суть Al и Tl, а из 7-го ряда – Cd и Sn...

Чтобы убедиться в справедливости приведенного выше изменения в формуле окиси индия и в атомном весе индия, я определил его теплоемкость и нашел ее (0,055) согласною с тем выводом, который был сделан на основании закона периодичности, по в то же время Бунзен, испытывая свой изящный калориметрический прием, также определил теплоемкость индия, и наши результаты оказались согласными (Бунзен дает число 0,057), а потому нет никакого сомнения в том, что путем применения закона периодичности ость возможность исправлять атомные веса мало исследованных элементов».

Индий-защитник

Износостойкость материала обычно увеличивают, нанося на его поверхность какой-нибудь твердый сплав. Это понятно: при трении твердый покров мало истирается и защищает от износа основной материал. Однако можно повышать износостойкость и другим способом – нанесением мягкого индия. Дело в том, что индий значительно уменьшает коэффициент трения. Например, стальные фильеры для волочения алюминия после покрытия индием изнашиваются почти в полтора раза медленнее, чем обычные. Индий применяют также для защиты острий контактов и графитовых щеток в электроприборах.

На железо и сталь нельзя непосредственно наносить индий. Поэтому железные и стальные изделия сначала покрывают тонким слоем (до 0,025 мм) цинка или кадмия, затем наносят индий и нагревают до температуры чуть большей, чем температура плавления индия. За несколько часов выдержки при такой температуре индий и материал подслоя взаимно диффундируют. Образуется прочное, устойчивое к коррозии и истиранию покрытие.

Гори, гори ясно...

Издавна считается, что лучше всего прожекторные зеркала делать из серебра. Однако, обладая высокой отражательной способностью, серебро довольно быстро тускнеет на воздухе. На помощь светотехникам пришел индий. Серебряные зеркала с индиевым покрытием не теряют отражательной способности намного дольше серебряных.

Соли индия применяют в качестве добавок к некоторым люминесцентным составам. Они уничтожают фосфоресценцию состава, после того как возбуждение снято. Если обычная люминесцентная лампа после выключения еще некоторое время продолжает светить, то лампа с составом, содержащим соли индия, гаснет сразу после выключения.

Металлический «мыльный пузырь»

Тонкостенный полый шар или оболочку иной формы проще всего сделать так. Из легкоплавкого индиевого сплава отливают изделие нужной формы и электролитически покрывают его нужным металлом. После этого изделие нагревают, индиевый сплав плавится и выливается, а в руках мастера остается тонкая оболочка.

Индий и стекло

Соединить металл со стеклом можно при помощи простой пайки, если припоем служит известный сплав Вуда с добавкой 18% индия. Такой припой плавится при 46,5°C. А чтобы сделать стекло проводящим электричество, его покрывают окисью индия. При этом прозрачность стекла практически не уменьшается. Индиевые нити применяют также для нанесения сеток на объективы телескопов.

ИНДИЙ, In (по синей, цвета индиго. линии спектра * а. indium; н. Indium; ф. indium; и. indio), — химический элемент III группы периодической системы Менделеева , атомный номер 49, атомная масса 114,82. Состоит из стабильного изотопа 113 In (4,33%) и изотопа со слабой радиоактивностью 115 In (95,67%). Открыт немецким учёными Ф. Райхом и Т. Рихтером в 1863.

Индий свойства

Индий — серебристо-белый мягкий металл. Кристаллическая структура тетрагональная гранецентрированная с параметрами а=0,4583 нм и с=0,4936 нм. Плотность 7310 кг/м 3 . Индий легкоплавок, t плавления 156,78°С, t кипения 2024°С; удельная теплоёмкость при 0-150°С 234,461 Дж/кг.К, модуль упругости 11 ГПа, твёрдость по Бринеллю 9 МПа. Степень окисления +3, редко +1 и +2. Индий на воздухе при комнатной температуре устойчив; медленно реагирует с HCl, Н 2 SO 4 и др., быстрее с HNO 3 ; со щелочами не взаимодействует. При комнатной температуре реагирует с Cl 2 и Br 2 , при нагревании — с I 2 и О 2 .

Индий — типичный рассеянный элемент , кларк его в земной коре 2,5.10-5%. Собственные минералы индия очень редки (самородный индий, гидроксид индия; остальные три — сульфиды) и практическое значения не имеют. По геохимическим свойствам близок к Fe, Zn и Sn. Главные минералы-носители (среднее содержание индия, %): сфалерит (0,0049), халькопирит (0,0012), касситерит (0,0024), галенит (0,0004). Концентрируется в высокотемпературных гидротермальных полиметаллических рудах , особенно содержащих одновременно цинк () и олово (до 0,1-0,5% в сфалерите, 0,05-0,1% в халькопирите), и в колломорфных SnO 2 (до 1%). Обогащение индия характерно для Тихоокеанского рудного пояса . Мировые достоверные запасы индия (без социалистических стран) оцениваются в 1590 т, забалансовые запасы составляют около 1900 т.

Получение и применение

Получают индий попутно при переработке руд цветных металлов; непосредственное сырьё — вельц-оксиды цинкового производства, пыли и шлаки свинцового производства, возгоны при рафинировании вакуумной плавкой. Так, из вельцоксида индий выщелачивают раствором Н 2 SO 4 , затем экстрагируют и выделяют цементацией или электролизом. Применение: авиационная и автомобильная промышленность (антикоррозионные покрытия, подшипниковые смазки, нетускнеющие зеркала и рефлекторы с высоким отражением), полупроводниковая техника, радиотехника и электроника (получение арсенида, антимонида и фосфида индия, отличающихся полупроводниковыми свойствами; добавка к Ge и Si; изготовление диодов, триодов и выпрямителей), атомная энергетика (индийсодержащие стержни в реакторах), приборостроение (низкотемпературные припойные сплавы и др.), химическое машиностроение (сплавы, стойкие к щелочной коррозии), стекольная промышленность и др. Мировое годовое производство рафинированного индия (без социалистических стран) 40-50 т. Основные производящие страны —

— серебристо-белый металл c сильным блеском, по внешнему виду напоминающий свежий срез цинка. Его относят к группе лёгких металлов. Он довольно мягкий, к тому же ковкий и легкоплавкий (плавится при температуре 156,5 °C). Индий без труда режется ножом, он почти в 5 раз мягче свинца. На бумаге оставляет след. Это довольно редкий, ценный и дорогой метал. По химическим свойствам индий сходен с галлием и алюминием. Его атомная масса 114,818 г/моль. Элемент состоит из двух изотопов, один из которых обладает довольно слабой β-радиоактивностью.

Смотрите так же:

ГЕОХИМИЯ И МИНЕРАЛОГИЯ

Учитывая электронную структуру атома индия, он относится к халькофильным элементам (18 электронов в предпоследнем слое). В настоящее время известно менее 10 индиевых минералов: самородный индий, рокезит CuInS 2 , индит FeIn 2 S 4 , кадмоиндит CdIn 2 S 4 , джалиндит In(OH) 3 , сакуранит (CuZnFe) 3 InS 4 и патрукит (Cu,Fe,Zn) 2 (Sn,In)S 4 . В основном индий находится в виде изоморфной примеси в раннем высокожелезистом сфалерите, где его содержание достигает десятых долей процента. В некоторых разновидностях халькопирита и станнина содержание индия составляет сотые-десятые процента, а в касситерите и пирротине - тысячные доли процента. В пирите, арсенопирите, вольфрамите и некоторых других минералах концентрация индия - граммы на тонну. Промышленное значение для получения металла пока имеют сфалерит и другие минералы, содержащие не менее 0,1 % индия.

СВОЙСТВА

Индий – металл серебристо-белого цвета, не тускнеющий на воздухе при длительном хранении и даже в расплавленном состоянии. Плотность кристаллического индия 7310 кг/м 3 , а расплавленного – 7030 кг/м 3 . Металл плавится при 156,7° С, кипит при 2072° С. Индий очень мягок и пластичен. Его твердость по шкале Мооса чуть больше 1 (мягче только тальк), поэтому индиевый стержень, если им водить по листу бумаги, оставляет на нем серый след. Индий в 20 раз мягче чистого золота и легко царапается ногтем, а его сопротивление растяжению в 6 раз меньше, чем у свинца. Палочки из индия легко сгибаются и при этом заметно хрустят (громче, чем оловянные). Индий — диамагнетик, магнитное поле в нем ослабевает.

Индий, так же как и галлий, не образует ни с одним из металлов непрерывных твердых растворов. В индии хорошо растворяются металлы-соседи по периодической системе – галлий, таллий, олово, свинец, висмут, кадмий, ртуть, в меньшей мере цинк. Выше 800° С индий горит на воздухе сине-фиолетовым пламенем с образованием оксида индия(III).

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

На сегодняшний день нет достоверных сведений о мировых ресурсах индия, так как его извлечение всегда привязано к переработке цинковых руд. По приблизительным оценкам United States Geological Surveys (по состоянию на июнь 2004) суммарный мировой запас разведанных месторождений индия составляет 2,5·10 3 тонн в пересчете на металл, а объемы резервной базы (с учетом неразведанных ресурсов) – 6·10 3 тонн металла. Мировыми лидерами по запасам индия являются Канада (30% мировых запасов), Китай и США (10% мировых запасов)
Получают индий из отходов и промежуточных продуктов производства цинка, и в меньшей степени, свинца и олова. Это сырьё содержит от 0,001 % до 0,1 % индия. Из исходного сырья производят концентрат индия, из концентрата - черновой металл, который затем рафинируют. Исходное сырьё обрабатывают серной кислотой и переводят индий в раствор, из которого гидролитическим осаждением выделяют концентрат. Из концентрата черновой металл извлекают цементацией на цинке и алюминии. Для рафинирования используются различные методы, например, зонная плавка.
Основным производителем индия является Китай (390 тонн в 2012 году), также производится Канадой, Японией и Южной Кореей (примерно по 70 тонн).
В последние годы мировое потребление индия быстро растёт и в 2005 достигло 850 тонн.
Количество используемого индия сильно зависит от мирового производства ЖК-экранов. В 2007 году в мире было добыто 475 тонн и ещё 650 тонн было получено путём переработки. На производство ЖК экранов для компьютерных дисплеев и телевизоров уходило 50-70 % доступного индия.
Стоимость индия в 2002 году составила около 100$ за кг, но рост потребности в металле привел к повышению и флуктуациям цен. В 2006-2009 годах они колебались в пределах 400-900 долларов за кг.
По современным оценкам, запасы индия будут исчерпаны в ближайшие 20 лет, если не будет повышена степень вторичного использования металла

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Индий самостоятельных месторождений не образует, а входит в состав руд месторождений других металлов. Наиболее высокое содержание индия установлено в рудах касситеритоносных скарнов и сульфидно-касситеритовых месторождений различных типов.
По содержанию в земной коре индий относится к типичным редким элементам, а по характеру распространения – к типичным рассеянным элементам. Кларк индия в земной коре равен 1,4·10 –5 %. 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. Среди них можно отметить цилиндрит Pb 3 Sn 4 Sb 2 S 14 (0,1–1% In) и франкеит Pb 5 Sn 3 Sb 2 S 14 (до 0,1% In), минералы класса сульфостаннанов, цинковую обманку ZnS (0,1–1% In), халькопирит CuFeS 2 (0,05–0,1% In) и борнит Cu 3 FeS 3 (0,01–0,05% In). Из-за незначительного распространения в природе сульфостаннанов они не имеют значения для промышленных процессов извлечения индия. Концентрация индия в цинковых обманках тем выше, чем больше содержание в них железа и марганца, а из разнообразных по условиям своего образования обманках (марматит, сфалерит, клейофан) богаты индием ранние высокотемпературные, темноокрашенные представители – марматиты. Так, в сфалерите с высоким содержанием железа (темном сфалерите) содержание индия достигает 1%. Однако среднее содержание индия в сфалеритовых месторождениях не превышает и сотой доли процента.

В небольших концентрациях индий обнаружен в золе каменных углей, некоторых нефтяных 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.).

ПРИМЕНЕНИЕ

Широко применяется в производстве жидкокристаллических экранов для нанесения прозрачных плёночных электродов из оксида индия-олова.Используется в микроэлектронике как акцепторная примесь к германию и кремнию. Ранее, когда широко применялась сплавная технология производства первых полупроводниковых приборов, характерным решением было сплавление индия с германием для получения pn-перехода, например в диодах серий ДГ-Ц1, Д7 итд до сотни мг индия.
Компонент ряда легкоплавких припоев и сплавов (так, жидкий при комнатной температуре галинстан содержит 21,5 % индия).Обладает высокой адгезией ко многим материалам, позволяя спаивать, например, металл со стеклом.

• Иногда применяется (чистый или в сплаве с серебром) для покрытия зеркал, в частности, автомобильных фар, при этом отражающая способность зеркал не хуже, чем у серебряных, а стойкость к воздействию атмосферы (особенно сероводорода) - больше.
• В покрытии астрономических зеркал используется постоянство коэффициента отражения индия в видимой части спектра.
• Материал для фотоэлементов.
• Соединения используются как люминофоры.
• Покрытие юбок алюминиевых поршней дизельных двигателей для снижения износа.
• Арсенид индия применяется как высокотемпературный термоэлектрический материал с очень высокой эффективностью, для увеличения эффективности обычно легируется 10 % фосфида индия.
• Изотопы индия 111 In и 113m In используются в качестве радиофармацевтических препаратов.
• Точка плавления индия (429,7485 К или 156,5985 °C) - одна из определяющих точек международной температурной шкалы ITS-90.
• Индий входит в состав «голубого золота».
• В сплаве с оловом применяется как припой с высокой теплопроводностью для «процессорного термоинтерфейса».

Индий(англ. indium) — In

Индий - ценный, дорогой и редкий металл. Человек научился использовать с большой пользой для себя каждый природный материал. Но все они различаются по количеству, значимости, сложности добычи и обработки. В целом эти факторы и определяют количество инвестиций, потраченных на разработку, а также итоговую стоимость. Большее число элементов всей таблицы Менделеева относится к группе металлов, среди которых выделяются черные, драгоценные и редкие виды. Помимо последней категории существуют и особо редкие металлы. Сосчитать их можно по пальцам — всего их 3 вида:

1. Калифорний 252;
2. Металл индий.

Представляют они собой довольно-таки интересную категорию, т. к. из них только один — индий — встречается в природе, а два первых получены лабораторным методом. Стоимость первого элемента составляет 6,5-27 млн. долларов; второго 10 тыс. долларов; третьего 3,5-10 тыс. дол за грамм!

T плавления индия 156,59 ºC = 429,74 K является определяющей точкой по температурной шкале ITS-90.

Природный элемент — индий

В чистом виде 99,97-99,99 % индий представляет собой белый блестящий металл, по внешнему виду напоминающий цинк, но по техническим характеристикам стоящий по ближе всего к алюминию и галлию. При сгибании издает характерный хрустящий звук, объясняется это деформацией кристаллической решетки.

Название этот элемент приобрел в момент своего открытия: при изучении спектрального анализа цинковой обманки, была обнаружена линия цвета индиго (синий оттенок), в результате чего элемент был назван Индиго. На срезе слитка также имеет синий красивый оттенок.

История открытия

Был открыт случайно в 1863 году немецкими химиками Фердинандом Райхом и Теодором Рихтером при попытке обнаружить таллий. Способствовало такому открытию появление спектроскопического анализа, благодаря которому было сделано не одно открытие.

Так как индий был открыт при изучении цинка, то ошибочно предположили, что это его аналог и приписали ему валентность II и атомный вес 37,8. Ясность внес в 1870 году Д.И. Менделеев. С помощью периодического закона он установил, что индий аналог алюминия и относится к III группе. Таким образом индий в 1971 году занял правильное место в таблице Менделеева — 46 атомный номер с атомной массой 114,82.

Изучением этого материала занимаются и по сей день. В природе этот элемент встречается в виде 2 изотопов индия-113 и индия-115 (со слабой β-радиоактивностью), период распада которых насчитывает 6 * 10 15 лет. Всего известно 37 изотопов с различным сроком распада.

Технические характеристики

Индий очень мягкий металл (мягче золота в 20 раз), плотностью 7,362 г/см³. Его можно резать ножом, при надавливании на бумагу оставляет следы. Плавиться при температуре 156,7 ºC, закипает при 2072 ºC. Но при снижении массы до критической величины, температура плавления снижается до 40 ºC; повышение температуры до 800 ºC вступает в реакцию с кислородом, при этом можно наблюдать фиолетовое пламя. До этого температурного предела, индий не тускнеет на воздухе и не окисляется.

Инертен по отношению к щелочам, даже при их кипении. Растворим в кислотах:

• быстро реагирует с хлорной и азотной;
• медленно реагирует с соляной и серной.

Реагирует с бромом, хлором, при нагревании с серой, диоксидом серы, селеном, теллуром, йодом.

Ценность металла

Индий характеризуется высокой электропроводностью и является полупроводником: увеличивает эту характеристику даже небольшая его концентрация в сплавах с другими металлами. Поэтому основными отраслями применения являются техника, электроника, оптоэлектроника. Кроме электропроводности, индий увеличивает коррозионную стойкость и долговечность. Реже используется в ювелирных изделиях и стоматологии.

• 60-80 % всего объема добычи используется для производства ЖК дисплеев и солнечных батарей. Оксид индия наносится в качестве прозрачных пленочных электродов.
• Входит в составы припоев и сплавов с высокой степенью адгезии и высокой теплопроводностью. Позволяет соединять методом пайки разнородные вещества, например, стекло + металл.
• В сплаве с серебром используется для нанесения зеркального покрытия. Практикуется в оптической технике для фотоэлементов и люминофоры, при изготовлении фар, рефлекторов, астрономических зеркал (с нулевым искажением).
• В автомобилестроении: наноситься на юбки алюминиевых поршней в дизельных двигателях, что увеличивает их износостойкость.
• Соединения индия с мышьяком (арсенид индия) представляет собой тугоплавкое соединение с фосфидом индия, применяемое как термоэлектрический материал.
• Некоторые изотопы индия используют в радиофармацевтических, стоматологических (зубных цементах) препаратах.
• Используется в космических технологиях в качестве уплотнителей, прокладок, покрытий.
• Входит в состав особого стекла, применяемого в атомной энергетике, которое поглощает тепловые нейтроны (оксид бора 3 %; оксид кремния 55 %; оксид индия 12%).
• Входит в состав «голубого золота».

Добыча и производство

Количество природного металла индия очень ограниченно: его нахождение в земной коре определяется 1.4 * 10 -5 % по массе, а добыча исчисляется всего 500-600 тонн в год по всему миру. Основными владельцами мировых запасов являются Канада (30 %), Китай (восточные страны в сумме 60 %), США (10 %), но разработка ведется только на востоке: Китай, Южная Корея и Япония.

Индий встречается в виде собственного минерала крайне редко, тем более не образует собственных месторождений. Его относят к типичным рассеянным элементам, которые можно найти в незначительном содержании в сопутствующих минералах т рудах, некоторые из них представляют еще большую редкость, чем сам индий. Основным сырьем для получения индия являются руды свинца, цинка, олова, меди или пыли, получаемой при переработке медистых сланцев. Индий является побочным продуктом переработки свинцово-цинковых, оловянных или полиметаллических руд. Для переработки используются материалы с содержанием индия 0,1 %, не ниже.

Метод обработки индия многоступенчатый и состоит из 3 этапов:

1. Получение концентрата, обогащенного индием;
2. Переработка концентрата и получение неочищенного состава;
3. Очистка чернового металла, т. е. рафинирование.

Осложняется производство тем, что здесь существует большое количество химических реакций, которые используются выборочно, в зависимости от состава концентрата. Кроме того, на стадии обжига концентрат обогащен цинком, свинцом, кадмием и т.д.