Индий в природе. Как получают индий. Промышленное получение и рынок индия

Химический элемент с атомным номером 49, обозначается в периодической системе элементов символом In (лат. Indium ). Природный индий состоит из двух изотопов - стабильного 113 In (изотопная распространённость 4,29 %) и бета-радиоактивного 115 In. Атомный радиус индия составляет 166 пм.

Слитки индия - очень мягкий серебристо-белый металл , ковкий и легкоплавкий.

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, 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.

Используется в микроэлектронике как акцепторная примесь к германию и кремнию. Применяется в производстве стекла для жидкокристаллических экранов, как компонент легкоплавких припоев. Иногда применяется для покрытия зеркал, в частности, автомобильных фар. Служит материалом для фотоэлементов, а также как люминесцентный материал. Арсенид индия применяется как высокотемпературный термоэлектрический материал с очень высокой эффективностью. Изотопы индия 111 In и 113m In используются в качестве радиофармацевтических препаратов.

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.

Открытие металла индий произошло случайно в 1863 году в Германии. Химики Фердинанд Рейх и Теодор Рихтер пытались обнаружить таллий в цинковых минералах, добытых в Саксонии. Они прибегали к методу спектроскопического исследования. Но вместо зеленой линии характерной таллию, в спектре цинкового минерала Теодор Рихтер увидел синюю линию. Ни один из элементов, известных на тот момент, не мог давать такого спектра. Открытый элемент решено было назвать индий, по сходству с красителем «индиго». Позже они получили чистый металл, но в очень малых объемах, и представили учёному сообществу. Здесь нужно отметить вклад Д.И. Менделеева, который поправил первооткрывателей по поводу валентности и атомной массы.

Индий – трехвалентный элемент с атомной массой 114,82. В периодической таблице находится в главной подгруппе третьей группы пятого периода и обозначается символом In. Металл индий относится к легким металлам. Имеет серебристо-белый цвет, ковкий, очень мягкий (можно резать ножом). По химическим свойствам индий ближе к галлию и алюминию. Температура плавления равна 156,5 °С. Индий является побочным продуктом переработки руд цинка, олова, свинца или меди. Он крайне редко встречается в виде самородков. Основными индиевыми минералами являются джалинид, рокезит и индит. Металл индий – яркий представитель рассеянных элементов.

С развитием электротехнической отрасли, индий приобретает все большую популярность и становится в ряд дефицитных материалов. Его использование активно развивалось в производстве подшипников. Добавление индия улучшает коррозийную устойчивость и смачиваемость подшипника. Это свойство используют в механизмах с трущимися металлами. Индий здесь выступает в качестве смазки. Позднее, с развитием полупроводниковой техники, металл индий получил новый виток своего применения. Его используют как добавку в производстве сенсорных экранов, солнечных батарей, аккумуляторов. Индий выступает как компонент в ряде легкоплавких припоев. Его применяют в атомной отрасли. Он незаменим при производстве специальных зеркал и многих других отражающих элементов.

На сегодняшний момент металл индий все более широко входит в промышленное производство многих технически сложных продуктов. Его применение ограничивает лишь его малая доля в природе. Несмотря на это, интерес к индию с каждым годом только растет.

Элемент индий обладает многими полезными свойствами, благодаря которым его можно использовать в космонавтике, технике, электронике, атомной промышленности и других отраслях. Однако найти его в природе и отделить от других веществ чрезвычайно сложно. Из-за этого он числится в списке редких элементов. Какими свойствами обладает индий? Металл это или неметалл? Давайте узнаем обо всех его особенностях.

История открытия элемента

Индий был впервые обнаружен всего 154 года назад. Отчасти это произошло случайно, ведь его первооткрыватели искали совсем другой элемент. В 1863 году химики Теодор Рихтер и Фердинанд Райх пытались обнаружить в минерале сфалерите (цинковой обманке) таллий – новый на то время металл, который только предстояло изучить.

Для своих поисков они использовали спектральный анализ Кирхгофа и Бунзена. Суть метода состоит в том, что при нагревании до высоких температур атомы элементов начинают излучать свет, соответствующий конкретному диапазону частот. По спектру этого свечения можно выяснить, что за элемент перед вами. У таллия цвет должен быть ярко-зеленым, но вместо него ученые обнаружили голубое свечение. Ни один известный элемент не обладал таким спектром, и химики поняли, что им улыбнулась удача. Из-за особенностей оттенка свою находку они назвали в честь цвета индиго. Так и был обнаружен новый металл – индий. А теперь более подробно об особенностях.

Что это за металл?

Индий – светло-серебристый и очень блестящий металл, напоминающий цинк. В Периодической системе он относится к третьей группе, стоит под номером 49 и обозначается символом In. В природе он существует в виде двух изотопов: In113 и In115. Последний более распространен, но является радиоактивным. Какой период у металла индий 115? Он распадается за 6·1014 лет, превращаясь в олово. Существует также около 20 искусственных изотопов, которые распадаются гораздо быстрее. У наибольшего «долгожителя» среди них период полураспада составляет 49 дней.

Индий плавится при температуре +156,5 °C и кипит при +2072 °C. Он легко поддается ковке и другому механическому воздействию и вполне мог бы использоваться в ювелирных изделиях. Однако из-за высокой мягкости он быстро деформируется. Металл без труда можно согнуть, разрезать ножом и даже поцарапать ногтем.

Химические свойства

По своим химическим свойствам он похож на галлий или алюминий. Непрерывных твердых соединений он не может образовать ни с каким металлом. Он совершенно не реагирует с растворами щелочей. При определенных температурах вступает в реакцию с йодом, селеном, серой и ее диоксидом, реагирует с хлором и бромом. В индии запросто растворяются металлы, которые окружают его в Периодической системе, а именно: таллий, олово, галлий, свинец, висмут, ртуть, кадмий.

Несколько интересных фактов о металле индии: Даже при длительном пребывании не воздухе он не тускнеет. Не происходит это и при расплавлении металла. Если начать сгибать индий, то он издаст характерный звук, похожий на скрип или хруст. Он появляется от деформации кристаллической решетки вещества. Индий горит при +800 °С, пламя при этом окрашено в сине-фиолетовый цвет, или же цвет индиго. Это самый мягкий металл, который можно держать в руках. Превосходит его только литий, но он слишком активен и сразу же окисляется на воздухе, образуя ядовитую щелочь. Сплав индия с галлием является очень легкоплавким и становится жидким уже при +16 °C.

Металл индий не образует самостоятельных месторождений. Он очень рассеян и в виде самородков встречается крайне редко. Среди собственных минералов индия: сакуранит, рокезит, патрукит, джалиндит. Однако их редкость не позволяет применять их в промышленности. Небольшое количество индия встречается в морской и дождевой воде, в нефти, а также в золах каменного угля. Из-за схожести ионных радиусов индий способен встраиваться в кристаллические решетки железа, магния, цинка, свинца, маганца, олова и т. д. Благодаря этому его незначительное количество иногда обнаруживают вместе с ними. Как правило, содержание индия в минералах не превышает 0,05-1%. Больше всего металла содержится в сфалеритах и мармаритах. Обычно его концентрация тем выше, чем больше в них цинка, железа и других, уже названных металлов.

Цена металла

Индий уже через несколько лет после открытия удалось выделить в чистом виде. Из-за сложности этого процесса, один грамм индия тогда оценивался примерно в 700 долларов. И хотя за полтора столетия методы его получения значительно улучшились, он до сих пор считается редким и дорогим. Сегодня его средняя цена составляет 600-800 долларов за килограмм и, что удивительно, не сильно падает с увеличением объемов его добычи. Чистота металла обычно указывается в его маркировке: ИН-2, ИН-1, ИН-0, ИН-00, ИН-000, ИН-00000. Чем больше нулей, тем он качественнее и дороже. Например, индий марки ИН-000 может оцениваться в сумму около 2000 долларов за килограмм. Высокая стоимость металла индия объясняется и его низким содержанием в природе, и большим спросом. В год добывается 600-800 тонн, что абсолютно не покрывает всех потребностей в нем. Благодаря своим уникальным свойствам он оказывается гораздо лучше и долговечнее других, более дешевых металлов. Чтобы не терять столь ценный материал, во многих странах его используют вторично.

Где применяют

Металл индий повышает смачиваемость и стойкость сплава к коррозии. Им покрывают свинцово-серебряные подшипники, которые используют в авиационной и автомобильной технике. Он также способен понижать температуру плавления других металлов. Так, его смесь с оловом, свинцом, кадмием и висмутом плавится при 46,5 °С, благодаря чему используется для пожарной сигнализации. Окись индия и олова применяется для полупроводников и различных припоев. Кроме того, ее используют для изготовления компьютерных мониторов, экранов телевизоров и планшетов. В сплаве с серебром или самостоятельно он применяется для астрономических зеркал и зеркал автомобильных фар.

Он отлично подходит для создания фотоэлементов, люминофоров, термоэлектрических материалов, уплотнителей в космической технике. Индий хорошо поглощает нейтроны и может использоваться в атомных реакторах. О биологической роли этого элемента в нашем организме ничего не известно, однако его научились использовать и в медицине. Его применяют как радиоактивный препарат при диагностировании печени, мозга и легких для обнаружения опухолей и других заболеваний.

Способы получения

Основное количество металла индия добывают из цинковых и оловянных месторождений. Его получают из отходов от переработки полиметаллических, оловянных, свинцово-цинковых руд. Отделение и очищение индия проводится в несколько стадий.

Сначала его осаждают при помощи регулирования уровня кислотности раствора. Полученный «черновой металл» затем нужно очистить. Делают это путем рафинирования зонной плавкой или другими способами. На сегодняшний день одним из главных производителей индия является Канада. Кроме нее, большие объемы металла добывают США, Китай, Япония, Южная Корея. Однако запасы этого элемента очень ограничены, предполагается, что они иссякнут в течение нескольких десятков лет.

Индий — 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. Согласно с периодической системой Менделеева, индий — химический элемент главной подгруппы III группы. Его атомная масса 114,818. Элемент состоит из двух изотопов, один из которых обладает довольно слабой β-радиоактивностью. Ядро индия напоминает мяч с полоской по «экватору».

Открытие элемента

Все произошло случайно в далеком 1863 году в районе Фрейберга (Германия). В химической лаборатории Фердинанд Рейх и Теодор Рихтер проводили спектроскопическое исследование цинковых минералов, добытых в горах Саксонии. Они хотели обнаружить таллий, который открыли в 1861 году английские и французские ученые. Исследователи подвергли анализу немало образцов цинковой обманки, но так и не увидели в спектре зеленые линии, присущие таллию. Впрочем, увидеть их надеялся преподаватель химии Теодор Рихтер. Профессор Рейх был дальтоником и естественно не мог различить цвета спектральных линий. Исследуя образцы, глазастый Рихтер в спектре одного из них увидел яркую синюю линию. Ни один из известных элементов не мог таким похвалиться. Таким образом, ученым удалось прославиться. Новый элемент назвали индием, в честь сходства спектральной линии со знаменитым красителем «индиго».

Но это было лишь полдела. Впереди предстояло получить чистый металл. На это ушло немало труда и времени. И все же ученые получили два образца, величиной с карандаш. Стоили они по тогдашним ценам 80 тыс. долларов.

На этом история не закончилась. Веское слово сказал светило химической науки Дмитрий Менделеев. Дело в том, что первооткрыватели посчитали, что индий - близкий родственник цинка и решили, что их детище двухвалентно. К тому же они ошиблись с определением его атомного веса (считали, что он равен 75,6). Все это привело к нестыковке с таблицей Менделеева. Русский ученый определил, что элемент трехвалентен. К тому же, свойства индия значительно ближе к алюминию, а его атомный вес около 114.

В 1871 году индий стал 49 элементом периодической системы.

Наличие в природе

Индий — достаточно редкий металл. Его относят к типичным рассеянным элементам. Известно три минерала индия и все они крайне редкие. Индий не образует самостоятельных месторождений. Он входит в состав руд других металлов. Накопление этого элемента в сфалеритах, до 0,1-1%, имеет практическое значение. Индия производят достаточно мало - несколько сотен тонн в год. Металл получают преимущественно при переработке руд свинца, цинка, олова и меди (как побочный продукт). Процент индия в этом сырье составляет от тысячных до десятых долей. Индий также можно добывать из пыли, которая возникает при переработке медистых сланцев.

Химические свойства

Индий не тускнеет при комнатной температуре (воздух должен быть сухим). При температуре выше 800°C он загорается фиолетово-синим пламенем. К тому же происходит образование оксида. Этот металл не реагирует даже с кипящими растворами щелочей. Он быстро растворяется в хлорной и азотной кислоте, медленнее - в соляной и серной. Индий также реагирует с бромом и хлором, а при нагревании - с серой, диоксидом серы, селеном, теллуром, йодом.

Применение индия

С каждым годом интерес к индию усиливается, он становится дефицитным и стремительно дорожающим материалом. Это связано с его уникальными свойствами. В ближайшее время, в связи с ростом спроса на сенсорные экраны, солнечные батареи другие электронные устройства, потребление индия лишь увеличится. Индий и его соединения нашли широкое применение в полупроводниковой технике, микроэлектронике. Этот металл используют в качестве различных антикоррозионных покрытий. При нанесении тонкого слоя индия подшипники служат в 5 раз дольше. Индий — незаменимый элемент для производства отражателей автомобильных фар, различных зеркал, изготовления рефлекторов. Его используют как компонент ряда сплавов и легкоплавких припоев. К примеру, индий позволяет спаивать стекло с металлом. Индий используют как материал для фотоэлементов, при приготовлении зубных цементов. Нашлось применение индия и в качестве уплотнителя и в космических технологиях.

Содержание статьи

ИНДИЙ (Indium) In – химический элемент 13-й (IIIa) группы периодической системы, атомный номер 49, атомная масса 114,82. Строение внешней электронной оболочки 5s 2 5p 1 . Известно 37 изотопов индия с 98 In по 134 In. Среди них лишь один стабильный 113 In. В природе два изотопа: 113 In (4,29%) и 115 In (95,71%) с периодом полураспада 4,41·10 14 лет. Наиболее устойчивая степень окисления в соединениях: +3.

Открытие индия произошло в эпоху бурного развития спектрального анализа – принципиально нового (в те времена) метода исследования, открытого Кирхгоффом и Бунзеном. Французский философ О.Конт писал, что у человечества нет никакой надежды узнать, из чего состоят Солнце и звезды. Прошло несколько лет, и в 1860 спектроскоп Кирхгоффа опроверг это пессимистичное предсказание. Последующие пятьдесят лет были временем наиболее крупных успехов нового метода. После того как было установлено, что у каждого химического элемента есть свой спектр, являющийся столь же характерным для него свойством, как дактилоскопический отпечаток – признаком человека, началась «погоня» за спектрами. Помимо выдающихся исследований Кирхгоффа (едва не приведших его к полной слепоте) элементного состава Солнца, не менее триумфальными были наблюдения спектров земных объектов: в 1861 были открыты цезий, рубидий и таллий.

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-синей линии (4511Å). Было установлено, что линия не принадлежала ни одному из известных до этого элементов и отличалась даже от ярко-синей линии спектра цезия. В силу сходства цвета характеристической полосы в эмиссионном спектре с цветом красителя индиго (латинское «indicum» – индийская краска) открытый элемент был назван индием.

Так как новый элемент был обнаружен в сфалерите, первооткрыватели сочли его аналогом цинка и приписали ему неверную валентность, равную двум. Они определили и атомный вес эквивалента индия, который оказался 37,8. Исходя из валентности 2, был неверно установлен атомный вес элемента (37,8 × 2 = 75,6). Только в 1870 Д.И.Менделеев на основании периодического закона установил, что индий имеет валентность, равную трем, и является, таким образом, аналогом алюминия, а не цинка.

Таким образом, в 1871 индий стал 49-ым элементом периодической системы.

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 %. Сейчас известно около десяти собственных минералов индия: самородный индий (редчайшие экземпляры), сложные сульфиды индит FeIn 2 S 4 , рокезит CuInS 2 , сакуранит (CuZnFe) 3 InS 4 и патрукит (Cu,Fe,Zn) 2 (Sn,In)S 4 , 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. 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, 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.).

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):

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

Промышленное получение и рынок индия.

Основная доля природного индия приходится на свинцово-цинковые месторождения (70–75%) и лишь небольшая его часть на оловянные месторождения (10–15%), поэтому в настоящее время основным источником первичного индия являются цинковые обманки полиметаллических месторождений. Индий получается как побочный продукт переработки свинцово-цинковых, полиметаллических или оловянных руд, а далее цинковых медных или оловянных концентратов. Схемы извлечения индия сложны и многостадийны, так как для индия, в отличие от большинства других редких металлов, нет специфических химических реакций, позволяющих отделять его от нежелательных примесей, а многочисленные методы цементации, экстракции и ионообменного выделения также не вполне селективны.

Основным индиевым сырьем являются возгоны свинцово-цинковых производств пыль. При обогащении свинцово-цинковых руд индий в основном переходит в цинковые и, в небольшой степени, в свинцовые концентраты, часть индия остается с пустой породой. Полученные цинковые концентраты обжигаются, и практически весь индий, вследствие низкой летучести In 2 O 3 , остается в огарке. При последующем пирометаллургическом получении цинка индий почти полностью переходит в летучие возгоны. Несмотря на различное происхождение, для всех возгонов характерно обогащение цинком, свинцом, кадмием и многими другими элементами, вследствие чего извлечение индия из них затруднено. Кроме того, содержание индия в таких возгонах редко превышает 0,01%. Основным способом разложения возгонов является сернокислотное выщелачивание. Наиболее полное извлечение индия в раствор достигается обработкой большим избытком серной кислоты или с помощью сульфатизации (действием концентрированной серной кислоты на возгоны при нагревании). В процессе сульфатизации в значительной степени удаляются примеси мышьяка, хлора и фтора, но остаются цинк, медь, кадмий, алюминий и другие элементы. Обработанные кислотой возгоны далее обрабатываются водой, в результате которой получаются разбавленные сернокислотные растворы с концентрацией индия около 0,1 г/л. Самой сложной стадией процесса является извлечение индия из таких растворов, для которого предложено множество методов избирательного осаждения и растворения, экстракции и ионного обмена; все они не являются вполне селективными. На практике применяется последовательное сочетание этих методов для наиболее полного и селективного извлечения элемента.

На первом этапе выделения индия из растворов после выщелачивания могут применяться обработка избытком не очень концентрированного раствора гидроксида натрия (отделение Al, Zn, As, Sb, Sn, Ga, Gе), избытком водного аммиака (отделение Cd, Co, Cu, Ni, Zn) или сероводородом в сильнокислой среде.

На втором этапе используются процессы цементации, амальгамного восстановления, экстракционного и ионообменного извлечений. Цементация – вытеснение индия из раствора цинковой пылью, черновым индием или алюминиевыми листами, которое в значительной степени позволяют избавиться от примесей железа и алюминия. В результате цементации получается пирофорный (самовоспламеняющийся на воздухе) губчатый индий, который выдерживают сутки под слоем воды для пассивации. Амальгамный способ заключается в переведении индия из водного раствора в фазу ртути действием амальгамы цинка или электролизом на ртутном катоде. Разложением амальгамы получают металлический индий. Электролизом на ртутном катоде можно выделить практически весь индий даже из сильно разбавленных растворов. В экстракционных методах в качестве органической фазы часто применяется раствор алкилфосфорных кислот в керосине. Таким способом можно экстрагировать почти нацело весь индий из сернокислотных растворов. Совместно с индием в специально подобранных условиях экстрагируются лишь Sb(III), Sn(IV), Fe(III). После повторной экстракции индий из раствора выделяется цементацией. Ионообменное выделение (наряду с экстракцией и цементацией) применяется для очистки индиевых концентратов.

Металлический индий, полученный из побочных продуктов свинцово-цинковых производств, содержит свинец, мышьяк, олово, ртуть, никель, кадмий, железо и другие элементы в качестве значительных примесей Для более глубокой очистки применяются специальные методы – плавка под слоем щелочи (удаление Zn, Al и некоторых других примесей), плавка под слоем глицеринового раствора иодида калия с добавкой иода (удаление Cd, Tl, Fe). Окончательно индия очищается при помощи кристаллофизических методов – зонной плавки и вытягивания из расплава по Чохральскому. При этом происходит глубокая очистка от примесей серебра, меди, никеля и, если вытягивание воздухе, железа.

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).

Таблица 2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ ЕЖЕГОДНОГО МИРОВОГО ПРОИЗВОДСТВА (2003) ПЕРВИЧНОГО ИНДИЯ.
Страна	Производство, тонн/год	Основные производители
Канада		Falconbridge Ltd.’s Kidd Creek, Ontario; Teck Cominco’s Trail, British Colombia.
Бельгия		Umicore s.a.; Metallurgie Hoboken-Overpelt.
Китай		Zhuzhou Smelter Non-ferrous Co., Ltd; Liuzhou Zinc Product Co., Ltd; Huludao Zinc Smelter Co; China Tin Group Co. Ltd.
Франция		Metaleurop S.A.
Япония		Dowa Mining Co., Ltd; Nippon Mining & Metals Co., Ltd.
Перу		La Oroya Refinery
Россия		Новосибирский оловянный комбинат и др.
Германия		Preussag
Англия		Mining a. Chemical Products; Capper Pass
Голландия		Billito
США		Indium Corporation of America; Utica; NY; Umicore Indium Products, Providence, RI (a division of n.v. Umicore, s.a.)

В силу ограниченности природных ресурсов индия возникла проблема переработки вторичного сырья (лом от производства ЖК-дисплеев и пр.), с которой сейчас успешно справляется Япония, выплавившая в 2003 160 тонн вторичного индия. Крупнейший потребитель индия – Япония, по некоторым оценкам в 2003 потребление индия в этой стране составило 420 тонн. Внутренние ежегодные потребности США в индии оцениваются в 90–95 тонн, но в 2003 США импортировали 125 тонн металла, экспортировали меньше 10 тонн. Мировое потребление индия в 2003 составило более 500 тонн, и по прогнозам специалистов Roskill к 2008 потребление индия может достигнуть значения 850–870 тонн. 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.

Свойства простого вещества.

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 . Кристаллическая решетка тетрагональная. 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, 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):

2In + 3O 2 = 2In 2 O 3 .

В присутствии кислорода медленно корродирует в воде с образованием гидроксида:

4In + 3O 2 + 6H 2 O = 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 = 2InCl 3 + 3H 2

2In + 6HF + 3H 2 O 2 = 2InF 3 + 6H 2 O.

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 + 6H 2 SO 4 = In 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O (при нагревании)

In + 2H 2 SO 4 + 3,5H 2 O = HIn(SO 4) 2 ·3,5H 2 OЇ + 2H 2 (на холоде).

Индий легко растворяется в азотной кислоте различной концентрации с образованием нитрата индия (III):

In + 4HNO 3 = In(NO 3) 3 + NO + 2H 2 O.

Индий не реагирует с уксусной кислотой, но растворяется в растворе щавелевой:

2In + 6H 2 C 2 O 4 = 2H 3 + 3H 2 .

С галогенами при легком нагревании образует тригалогениды:

2In + 3X 2 = 2InX 3 (X = F, Cl, Br, I).

При взаимодействии индия с сероводородом при 1000° С или при сплавлении стехиометрических количеств индия и серы в атмосфере СО 2 можно получить сульфид индия(I):

In + H 2 S = In 2 S + H 2 (1000° С)

2In + S = In 2 S.

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 см 3 на 100 г In); известны, однако, гидриды индия – (InH 3) 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) In 2 O 3 – светло-желтые или зеленовато-желтые кристаллы, плотность 7180 кг/м 3 . Температура плавления 1910° С. Может быть получен окислением металлического индия кислородом при нагревании, разложением нитрата или гидроксида индия:

In(OH) 3 = In 2 O 3 + H 2 O

4In(NO 3) 3 = 2In 2 O 3 + 12NO 2 + 3O 2 .

Оксид индия не растворим в воде, не реагирует с растворами щелочей, легко взаимодействует с растворами минеральных кислот с образованием соответствующих солей:

In 2 O 3 + 3H 2 SO 4 = In 2 (SO 4) 3 + 3H 2 O

In 2 O 3 + 6HCl = 2InCl 3 + 3H 2 O.

При температурах 700–800° С In 2 O 3 восстанавливается водородом или углеродом до металла:

In 2 O 3 + 3H 2 = 2In + 3H 2 O.

Оксид индия (III) нелетуч, но при сильном нагревании выше 1200° С частично диссоциирует с образованием черного летучего In 2 O:

In 2 O 3 = In 2 O + O 2 .

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 In 2 O 3 , 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, In 2 O 3 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 удельный вес полупроводниковых материалов в общем потреблении индия, они продолжают играть значительную роль в электротехнике.

С фосфором, мышьяком и сурьмой индий образует по одному стехиометрическому соединению (нестехиометрических не образуется вовсе) – InP, InAs и InSb. Все они кристаллизуются в кубической сингонии (типа сфалерита). Известен и нитрид индия InN, но пока он находит весьма ограниченное применение.

Наиболее просто получается антимонид индия по реакции

так как давление насыщенных паров обоих компонент – In и Sb – низкое, можно их синтезировать обычным сплавлением простых веществ в кварцевом реакторе в вакууме (» 0,1 Па) при температуре 800–850° С. Это серые с металлическим блеском кристаллы, температура плавления 525° С, плотность 5775 кг/м 3 . Благодаря тому, что антимонид индия не разлагается при плавлении, его очищают зонной плавкой. Высокочистые кристаллы InSb обычно получают при помощи горизонтальной зонной плавки в атмосфере водорода высокой чистоты.

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 образования. Чтобы предотвратить разложение, нужно в объеме реактора поддерживать равновесное давление паров мышьяка. Для наиболее удобного регулирования давления паров мышьяка предложена оригинальная конструкция т.н. двухзонной печи. Такая печь обладает двумя температурными зонами, в одной из которых находится расплавленный индий, а в другой мышьяк. Реакция проходит между расплавом индия и парами мышьяка по уравнению

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.

Монокристаллы InAs получают вытягиванием из расплава по Чохральскому из-под слоя флюса (расплав B 2 O 3). Флюс нужен для предотвращения испарения мышьяка из реакционной зоны (своеобразный гидродинамический затвор), а чтобы пузырьки паров мышьяка не пробулькивали через слой флюса, над ним создается давление инертного газа (обычно аргона), втрое превышающее давление паров мышьяка при синтезе. По своим свойствам арсенид индия похож на антимонид, поэтому и области применения у них почти одинаковы.

Фосфид индия – серые кристаллы с металлическим блеском, Т пл = 1070° С, плотность 4787 кг/м 3 . 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 важных преимуществ перед методами выращивания объемных монокристалллов (более низкие температуры кристаллизации, снижение содержания примесей и др.). Такие структуры также находят широкое применение в электронике.

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 плавно контролировать важнейшие физико-химические свойства получаемых полупроводников, тем самым расширяя функциональные возможности и повышая рабочие параметры электронных устройств на их основе. Принципы синтеза таких растворов сходны с принципами изготовления полупроводников из индивидуальных веществ.

Другие применения индия.

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 температуре плавления индий используется для получения различных сплавов и припоев (15% от общего потребления индия), находящих самые разнообразные применения от ювелирного дела и зубоврачебной практики до изготовления космических аппаратов. Индий способен легко (даже при натирании) диффундировать в другие металлы и образовывать твердые износостойкие покрытия, поэтому с конца 1940-х индий успешно применяется в изготовлении высококачественных подшипников для двигателей, срок службы которых в пять раз превосходит срок службы обычных. Предложено множество покрытий для нанесения на трущиеся поверхности подшипников – серебряно-индиевые, серебряно-ториево-индиевые, индий-цинковые, свинцово-индиевые, чистый индий и другие. Многие из таких подшипников способны работать без смазки – покрытия на основе индия придают поверхности хорошие смазывающие свойства. Для увеличения сопротивления износу индием покрывают острия контактов различных выключателей, графитовых щеток и т.д. Широко применяется индий как компонент более чем пятидесяти легкоплавких сплавов с температурами плавления от 10,6° С (62,5% Ga, 21,5% In, 16% Sn) до 314° С (95% Pb, 5% In), с успехом применяющихся для лужения и пайки. Кроме того, они используются в качестве высокотемпературной смазки, материалов высоковакуумных и жидкометаллических затворов, жидкометаллических скользящих электроконтактов и среды для термометров и термостатов. Индий – компонент многих припоев, например припои состава Ag 50–65%, Ga 3–12%, In 6–18%, Cu – остальное; In 12–50%, Sn 10–40%, Ag 0,1–10%, Cu 20–60%. Припои на основе индия используются, например, для сварки металла со стеклом. Индий и олово имеют низкое давление пара, поэтому их сплавы используются для пайки высоковакуумной аппаратуры. В ювелирном деле индий применяется в сплавах с золотом, серебром и платиноидами. Добавление индия к золоту значительно увеличивает твердость и прочность изделий, улучшает их декоративный вид. Разработан ряд сплавов индия для замены золота в ювелирных изделиях. Получены сплавы индия с палладием, имеющие золотой и розово-сиреневый цвета. Например известны «зеленое золото» (75%, Au, 20% Ag, 5% In), сплав платины с индием (60% мол. In и 40% Pt) золотисто-желтого цвета, «белое золото» и многие другие сплавы. Добавка индия к серебру предотвращает потускнение серебряных ювелирных изделий на воздухе. Применение индия в стоматологии известно с 1934. При небольших добавках к материалам зубных пломб и протезов индий повышает их коррозионную стойкость и твердость. Добавка индия к материалу зубных протезов позволяет использовать большие количества меди вместо золота при их изготовлении. Соединения индия являются компонентами зубных цементов, порошков и паст для профилактики кариеса зубов. Индиевые покрытия обладают прекрасной отражающей способностью и применяются в изготовлении высококачественных зеркал, необходимых для астрономических приборов (например, телескопов, регистрирующих слабый свет от далеких звезд), прожекторов, рефлекторов и других устройств с высокой измерительной точностью. Обычные бытовые зеркала не одинаково отражают световые лучи различных спектральных областей – другими словами, цветовая гамма несколько искажается, хотя это и не заметно для человеческого глаза. Это недостаток серебряных, оловянных, и ртутно-висмутовыех зеркал, но не индиевых, одинаково точно отражающих лучи с различными длинами волн.

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/м 3 (США) и 4 мг/м 3 (Россия).

Интернет-ресурсы: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/indium/

Юрий Крутяков

Литература:

Блешинский С.В., Абрамова В.Ф. Химия индия . Фрунзе, 1958
Фигуровский Н.А. Открытие элементов и происхождение их названий . М., Наука, 1970
Химия и технология редких и рассеянных элементов , т.1. Под. ред. К.А. Большакова. М., 1976
Популярная библиотека химических элементов . Под. ред. Петрянова-Соколова И.В. М., 1983
Федоров П.И., Акчурин Р.Х. Индий . М., 2000