In · Элемент 49 · Постпереходный металл
Достаточно мягок, чтобы оставлять след на бумаге, и служит прозрачным проводником в каждом сенсорном экране.
Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение индий среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 167 pm — это 0,167 нм, поэтому около 2,99 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Индий находится в жидком состоянии в диапазоне 1915 K — от 430 K до 2345 K.
История
Достаточно мягок, чтобы оставлять след на бумаге, и служит прозрачным проводником в каждом сенсорном экране.
Индий был открыт в 1863 году немецкими химиками Фердинандом Райхом и Иеронимусом Теодором Рихтером во время поиска таллия в образцах цинковой руды. Открытие стало возможным благодаря новой методике спектроскопии, выявившей неожиданную яркую синюю линию, которая указала на совершенно новый элемент.
Фердинанд Райх, профессор Фрайбергской горной академии в Германии, исследовал образцы цинковой руды из местной шахты, надеясь обнаружить таллий — элемент, открытый всего двумя годами ранее. Райх частично не различал цвета, поэтому попросил своего коллегу Иеронимуса Рихтера провести важные спектроскопические наблюдения.
Исследуя спектр пламени экстракта цинковой руды, Рихтер вместо ожидаемой зелёной линии таллия заметил яркую индиго-синюю линию с длиной волны 451 нанометр. Эта спектральная линия не соответствовала ни одному известному элементу, указывая на присутствие совершенно нового вещества. Интенсивный синий цвет позднее дал элементу его название.
Райх и Рихтер методично работали над выделением неизвестного элемента из образцов цинковой руды. Они использовали реакции осаждения и тщательное химическое разделение, чтобы сконцентрировать новое вещество. Процесс был сложным, поскольку индий присутствовал в чрезвычайно малых количествах — менее 0.01% образца руды.
После нескольких месяцев кропотливой работы учёным удалось выделить небольшое количество металлического индия в 1864 году. Металл был серебристо-белым, достаточно мягким, чтобы оставлять следы на бумаге подобно свинцу, и имел относительно низкую температуру плавления. Они назвали его «индием» от латинского «indicum», означающего «индиго», в честь характерной синей спектральной линии, которая привела к его открытию.
Ранние исследования выявили необычные свойства индия: он был чрезвычайно пластичным, имел низкую температуру плавления (157°C) и издавал характерный «оловянный крик» при сгибании. Химики установили, что он образует стабильные соединения и имеет атомную массу около 115, располагаясь между кадмием и оловом в периодической таблице.
На протяжении почти века после открытия индий оставался главным образом лабораторной диковинкой без значимых применений. Его редкость и сложность извлечения означали, что в основном его изучали исследователи, интересовавшиеся необычными свойствами элемента. Мало кто мог предсказать его будущую важность для технологий.
Значение индия резко возросло с развитием полупроводниковых технологий. Открытие того, что оксид индия-олова (ITO) может быть одновременно прозрачным и электропроводящим, произвело революцию в технологии дисплеев. От первых экспериментальных транзисторов до современных сенсорных экранов индий стал необходимой частью цифровой эпохи.
Сегодня индий критически важен для современной жизни способами, которые Райх и Рихтер не могли себе представить. Каждый смартфон, планшет и телевизор с плоским экраном зависят от индия в работе дисплея. Элемент, когда-то считавшийся лабораторной диковинкой, теперь необходим мировой технологической инфраструктуре, показывая, как научные открытия превращаются из академического интереса в технологическую необходимость.
Открытие индия продемонстрировало возможности спектроскопии как инструмента поиска новых элементов. В последующие десятилетия эта методика привела к открытию ещё нескольких элементов. Эта история также показывает, как совместная научная работа — объединение разных знаний Райха и Рихтера — может привести к прорывным открытиям.
Применение
Оксид индия-олова (ITO) — прозрачный проводник, благодаря которому стали возможны современные сенсорные экраны, ЖК-дисплеи и OLED-экраны. Плёнки ITO почти невидимы, но проводят электрический ток, обеспечивая точное управление, необходимое для активации пикселей. Каждый смартфон, планшет и современный телевизор использует индий для работы дисплея.
Соединения индия, такие как арсенид индия-галлия (InGaAs) и фосфид индия (InP), необходимы для высокоскоростной электроники и оптоэлектроники. Эти материалы используются в инфракрасных детекторах, лазерных диодах и высокочастотных транзисторах для волоконно-оптической связи, спутниковых систем и сетей 5G.
Тонкоплёночные солнечные элементы из селенида меди-индия-галлия (CIGS) обеспечивают высокий КПД, используя меньше материала, чем традиционные кремниевые панели. Уникальные свойства индия позволяют создавать гибкие солнечные элементы, которые можно встраивать в строительные материалы, портативные устройства и необычные поверхности.
Низкая температура плавления индия (157°C) делает его идеальным для специальных паяльных работ, где необходимо защитить чувствительные к нагреву компоненты. Припои на основе индия применяют в криогенной технике, термоинтерфейсных материалах для компьютерных процессоров и при герметизации систем со сверхвысоким вакуумом.
Благодаря отличным поглощающим свойствам по отношению к нейтронам индий ценен в ядерных реакторах для обнаружения нейтронов и изготовления управляющих стержней. Индиевую фольгу используют для измерения нейтронного потока в системах контроля реакторов, что помогает обеспечивать безопасную работу атомных электростанций.
Антимонид индия (InSb) и арсенид индия (InAs) необходимы для инфракрасных детекторов, используемых в тепловизионных камерах, приборах ночного видения и медицинских системах визуализации. Эти материалы обнаруживают тепловое излучение с исключительной чувствительностью, обеспечивая применение от военного наблюдения до медицинской диагностики.
Нитрид индия-галлия (InGaN) используется для создания синего и белого светодиодного освещения, совершившего революцию в энергоэффективном освещении. Такие светодиоды встречаются повсюду: от фонариков и автомобильных фар до крупномасштабного архитектурного освещения, представляя значительный прогресс в светотехнике.
Чистый индий служит температурным эталоном и используется в специализированном исследовательском оборудовании. Его пластичность позволяет создавать идеальные уплотнения в высоковакуумных системах, а уникальные электронные свойства делают его ценным для изучения квантовых эффектов и разработки новых электронных материалов.
Каждое устройство с сенсорным экраном содержит оксид индия-олова (ITO) в качестве прозрачного проводящего слоя. Когда вы проводите пальцем по телефону или касаетесь планшета, вы взаимодействуете с индием. Этот невидимый слой обнаруживает электрическое поле вашего пальца и при этом остаётся полностью прозрачным для видимого света.
Современные ЖК- и OLED-дисплеи используют стекло с покрытием из ITO для управления отдельными пикселями. Смотрите ли вы Netflix, играете или работаете за компьютером, индий обеспечивает точное электрическое управление, создающее изображения на экране. В дисплеях высокого класса часто используют больше индия для повышения качества работы.
Энергоэффективные светодиодные лампы и ленты содержат нитрид индия-галлия, который создаёт синий свет, преобразуемый люминофорами в белый. От бытового освещения и автомобильных фар до освещения стадионов — индий помогает создавать яркое и эффективное освещение, заменяющее традиционные лампы.
Некоторые тонкоплёночные солнечные панели используют технологию CIGS (селенид меди-индия-галлия) для преобразования солнечного света в электричество. Такие панели могут быть гибкими и лёгкими, что делает их подходящими для необычных установок, например на изогнутых поверхностях, или для портативного применения.
Современные автомобили содержат множество дисплеев и сенсорных интерфейсов, работающих благодаря индию. От приборных панелей и развлекательных систем до проекционных дисплеев — индий обеспечивает интерактивные технологии, делающие вождение безопаснее и удобнее.
Инфракрасные датчики в цифровых камерах часто используют материалы на основе индия для обнаружения теплового излучения или обеспечения функций ночного видения. Камеры наблюдения, тепловизионные устройства и даже некоторые камеры смартфонов используют уникальные оптические свойства индия.
Игровые консоли, портативные устройства и гарнитуры виртуальной реальности используют индий в дисплеях и сенсорных интерфейсах. Отзывчивые экраны высокого качества, улучшающие игровой процесс, зависят от прозрачных проводящих свойств индия.
Высокопроизводительные компьютерные процессоры используют термоинтерфейсные материалы на основе индия для эффективной передачи тепла от микросхем к системам охлаждения. Это помогает предотвращать перегрев и поддерживать оптимальную производительность в требовательных вычислительных задачах.
Откуда он происходит
0,25 мг/кг земной коры · более распространён, чем 45% элементов
Индий — один из самых редких элементов в земной коре: его средняя концентрация составляет всего 0.1 части на миллион, поэтому он встречается реже серебра или ртути. Этот ценный металл никогда не встречается в природе в чистом виде и редко образует собственные минералы.
Индий почти исключительно получают как побочный продукт производства цинка. Элемент замещает цинк в сульфидных минералах, особенно в сфалерите (ZnS), где концентрация индия обычно составляет от 0.001% до 0.1%. Основные регионы добычи цинка автоматически становятся источниками индия, поэтому поставки индия зависят от состояния рынка цинка.
Лишь несколько редких минералов содержат значительные концентрации индия. Важнейший из них — индит (FeIn₂S₄), встречающийся в гидротермальных месторождениях. К другим редким минералам индия относятся рокезит (CuInS₂) и сакураит. Эти минералы представляют главным образом научный, а не экономический интерес.
Китай доминирует в производстве индия (60% мировых поставок), получая его главным образом при выплавке цинка. К другим значимым производителям относятся Южная Корея, Япония, Канада и Бельгия. Рудник Маунт-Айза в Австралии и рудник Ред-Дог на Аляске входят в число богатейших в мире источников индийсодержащих руд.
Извлечение индия требует сложных металлургических процессов из-за его чрезвычайно низких концентраций. Элемент получают из остатков цинкового рафинирования посредством сложной экстракции растворителями и электролитического выделения. Коэффициенты извлечения обычно низкие, поэтому индий дорог и его поставки ограничены.
Переработка индия из электронных отходов становится всё более важной по мере снижения содержания металла в первичных рудах. Стекло с покрытием ITO из отходов производства ЖК-дисплеев и вышедших из употребления электронных устройств служит ценным вторичным источником индия. Однако процессы переработки сложны и пока не получили широкого распространения.
Некоторые угольные золы содержат повышенные концентрации индия (до 10 ppm), что потенциально может открыть возможности для его извлечения в будущем. В отдельных типах вулканических пород также наблюдается обогащение индием, хотя при современных технологиях его уровень недостаточен для экономически выгодной добычи.
Индий чрезвычайно редко встречается во Вселенной: его распространённость примерно в 10,000 раз ниже, чем у серебра. Элемент образуется в результате процессов медленного захвата нейтронов в некоторых типах звёзд. Метеориты содержат следовые количества индия, помогая изучать процессы формирования ранней Солнечной системы.
Рост спроса на сенсорные устройства и светодиодное освещение вызывает обеспокоенность устойчивостью поставок индия. Редкость элемента и его концентрация в небольшом числе стран-производителей делают его стратегически важным. Для решения возможной проблемы будущего дефицита продолжаются исследования заменителей индия и улучшенных методов переработки.
Обращение
Чистый металлический индий обладает относительно низкой токсичностью по сравнению с другими тяжёлыми металлами. Однако некоторые соединения индия могут быть более опасными, поэтому при работе с материалами, содержащими индий, всегда следует соблюдать надлежащие меры безопасности.
Слабый раздражитель: Прямой контакт с металлическим индием обычно безопасен, но соединения индия могут вызывать раздражение кожи и глаз. При работе с материалами, содержащими индий, надевайте перчатки и защитные очки. После контакта тщательно промойте кожу и обратитесь за медицинской помощью, если раздражение не проходит.
Требуется защита органов дыхания: Пыль и пары индия нельзя вдыхать. Некоторые исследования указывают на возможное повреждение лёгких при хроническом воздействии соединений индия, особенно оксида индия-олова (ITO). При работе с материалами, содержащими индий, используйте надлежащую вентиляцию и средства защиты органов дыхания.
Проблемы электронной промышленности: Работники, занятые в операциях распыления ITO и производстве полупроводников, могут подвергаться повышенному риску воздействия. Рекомендуются регулярный контроль состояния здоровья и строгий контроль уровня воздействия. У работников, подвергавшихся воздействию соединений индия, были зарегистрированы некоторые случаи лёгочного альвеолярного протеиноза.
Относительно стабилен: Металлический индий химически стабилен при обычных условиях. Однако соединения индия могут реагировать с кислотами или окислителями. Храните материалы, содержащие индий, в сухих условиях, чтобы предотвратить окисление и образование потенциально более опасных соединений.
Особенности низкой температуры плавления: Индий плавится уже при 157°C (314°F), поэтому при умеренных температурах он может переходить в жидкое состояние. Пыль индия может быть горючей. Не нагревайте материалы, содержащие индий, без надлежащей вентиляции, поскольку пары могут быть вредными.
Ответственная утилизация: Хотя экологическая токсичность индия ниже, чем у многих тяжёлых металлов, правильные утилизация и переработка важны из-за его редкости и экономической ценности. Электронные отходы, содержащие индий, следует передавать на переработку в соответствующие специализированные организации.
Стандартные процедуры: При попадании на кожу промойте её водой с мылом. При попадании в глаза промывайте их чистой водой в течение 15 минут. Если пыль индия была вдохнута, выйдите на свежий воздух и обратитесь за медицинской помощью при затруднении дыхания. Специальные антидоты при воздействии индия не требуются.
Краткие ответы
Индий (символ In) — элемент 49 в периодической таблице, представитель семейства Постпереходный металл в 5 периоде, 13 группе. Достаточно мягок, чтобы оставлять след на бумаге, и служит прозрачным проводником в каждом сенсорном экране. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p¹; она включает 5 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 18, 3. На внешней оболочке находится 3 электрона, что определяет характер химических связей.Индий плавится при 429.8 K (156.6 °C) и кипит при 2345 K (2071.9 °C).
Стандартная атомная масса Индий составляет 114.818 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Индий составляет 7.31 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Индий примерно в 7.3× тяжелее.
Электроотрицательность Индий по шкале Полинга составляет 1.78. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Индий был открыт в 1863 году Reich & Richter. Назван в честь его индиговая спектральная линия.
На долю Индий приходится около 0.25 мг/кг земной коры — это действительно редкий элемент, поэтому он дорог.