ТЕЗКА СТРАНЫ ЧУДЕС (Индий)

ИНДИЙ (Indium) In – химический элемент 13-й (IIIa) группы периодической системы. Известно 37 изотопов индия с ⁹⁸In по ¹³⁴In. Среди них лишь один стабильный ¹¹³In. В природе встречаются два изотопа: ¹¹³In (4,29%) и ¹¹⁵In (95,71%) с периодом полураспада 4,41·10¹⁴ лет.

История открытия индия

Открытие индия произошло в эпоху бурного развития спектрального анализа – принципиально нового (в те времена) метода исследования, открытого Кирхгоффом и Бунзеном. В 1863 г. немецкие химики Рейх и Рихтер подвергли спектроскопическому анализу цинковую обманку из окрестностей города Фрейберга. В спектре оказалась и ярко-синяя линия (4511Å), не принадлежавшая ни одному из известных элементов. В силу сходства цвета характеристической полосы в эмиссионном спектре с цветом красителя индиго (латинское «indicum» – индийская краска) открытый элемент был назван индием.

Индий в природе. 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%.

В небольших концентрациях индий обнаружен в золе каменных углей, нефтях некоторых месторождений (до 2,2·10^–6% In), 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.).

Свойства простого вещества. Индий – металл серебристо-белого цвета, не тускнеющий на воздухе при длительном хранении и даже в расплавленном состоянии. 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). Выше 800 °С индий горит на воздухе сине-фиолетовым пламенем с образованием оксида индия(III):

2In + 3O₂ = 2In₂O₃.

В присутствии кислорода медленно корродирует в воде с образованием гидроксида:

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 серной кислотой на холоде протекает с выделением водорода, при нагревании – диоксида серы. В зависимости от добавленного количества кислоты возможно образование нормального сульфата или комплексной кислоты:

2In + 6H₂SO₄ = In₂(SO₄)₃ + 3SO₂­ + 6H₂O (при нагревании)

In + 2H₂SO₄ + 3,5H₂O = HIn(SO₄)₂·3,5H₂O¯ + 2H₂­ (на холоду).

Индий легко растворяется в азотной кислоте различной концентрации:

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 индия и серы в атмосфере СО₂ можно получить сульфид индия(I):

In + H₂S = In₂S + H₂ (1000° С),

2In + S = In₂S.

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.

Известно 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. С фосфором, мышьяком и сурьмой индий образует по одному стехиометрическому соединению – InP (фосфид), InAs(арсенид) и InSb(антимонид).

Применение индия и его соединений:

• Используется в микроэлектронике как акцепторная примесь к германию и кремнию.
• Применяется в производстве стекла для жидкокристаллических экранов.
• Компонент легкоплавких припоев. Обладает высокой адгезией ко многим материалам, позволяя спаивать например, металл со стеклом.
• Иногда применяется для покрытия зеркал, в частности, автомобильных фар, при этом отражающая способность зеркал не хуже, чем у серебряных, а стойкость к воздействию атмосферы — больше.
• Материал для фотоэлементов.
• Люминесцентный материал.
• 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 ¹¹¹In и ^113mIn используются в качестве радиофармацевтических препаратов.
• Изотоп индия ¹¹⁵In предложен для детектирования электронных нейтрино с пороговой энергией порядка 120 кэВ: ¹¹⁵In + ν_e → ¹¹⁵Sn+e⁻+2γ
• Можно использовать для градуировки термопар.

Электрохимическая система индий-оксид ртути служит для создания чрезвычайно стабильных во времени источников тока (аккумуляторов) высокой удельной энергоёмкости для специальных целей. Важной областью применения индия является техника высокого вакуума, где он используется в качестве уплотнителя (прокладки, покрытия); в частности, при герметизации космических аппаратов и мощных ускорителей элементарных частиц.

Сплавы индия с серебром нечувствительны к воздействию сероводорода и служат для создания высококачественных отражающих поверхностей. Ряд сплавов индия с галлием, оловом и цинком являются жидкостями при комнатной температуре (один из сплавов плавится при +3°C) и могут использоваться как жидкометаллический теплоноситель.

Индий имеет высокое сечение захвата тепловых нейтронов и может быть использован для управления атомным реактором, хотя более удобно применение его соединений в комбинации с другими элементами, хорошо захватывающими нейтроны. Так, оксид индия находит применение в атомной технике для изготовления стекла, применяемого для поглощения тепловых нейтронов. Наиболее широко распространённый состав такого стекла — оксид бора (33 %), оксид кадмия (55%), оксид индия (12 %).

Биологическая роль индия. 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. 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).

Промышленное получение и рынок индия. В последние годы мировое потребление индия быстро растёт и в 2005 достигло 850 тонн. Получают индий из отходов и промежуточных продуктов производства цинка, свинца и олова. Основная доля природного индия приходится на свинцово-цинковые месторождения (70–75%) и лишь небольшая его часть на оловянные месторождения (10–15%). Схемы извлечения индия сложны и многостадийны: 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, применяют также экстракционное и ионообменное извлечение. Для рафинирования используются различные методы, например зонная плавка.

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 2,5·10³ тонн в пересчете на металл, а объемы резервной базы (с учетом неразведанных ресурсов) – 6·10³ тонн металла. Мировыми лидерами по запасам индия являются Канада (30% мировых запасов), Китай и США (10% мировых запасов). Стоимость индия в 2006 году составила около 700$ за кг.

Казахстан обладает большими возможностями добычи и извлечения индия из полиметаллических месторождений Восточно-Казөахстанской, Южно-Казахстанской и Алматинской областей. Экспорт индия в 1999 г. объемом 0,2 т на 33,9 тыс. долл. и его рост в 2000 г. до 0,4 т на 52,9 тыс. долл., наверняка есть лишь начало завоевания отечественной экономикой своей нищи на индиевом рынке. Осуществляя в значительных объемах производство рафинированного свинца и цинка, можно попутно в большом количестве извлекать и этот металл.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фигуровский Н.А. Открытие элементов и происхождение их названий. М.: Наука, 1970
2. Химия и технология редких и рассеянных элементов, т.1. Под. ред. К.А. Большакова. М., 1976.
3. Химическая энциклопедия: в 5 т.. Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 226. — 671 с.
4. Популярная библиотека химических элементов. Под. ред. Петрянова-Соколова И.В. М., 1983.
5. Федоров П.И., Акчурин Р.Х. Индий. М., 2000.

Алшанов Р.А. Казахстан на мировом минерально-сырьевом рынке: проблемы и их решение. Алматы, 2004. – 220 с.