What is 铟?
铟 (symbol In) is element 49 on the periodic table, a 后过渡金属 in period 5, group 13. Soft enough to leave a mark on paper, and the transparent conductor in every touchscreen. At room temperature it is a solid.
结构
这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。
测量值
每个条形图都显示铟在全部118种元素中该性质的排名位置。
来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。
按比例显示的大小
Radius 167 pm — that is 0.167 nm, so about 2994 million of them side by side would span a millimetre.
热范围
铟 is liquid over a 1915 K window, from 430 K to 2345 K.
故事
Soft enough to leave a mark on paper, and the transparent conductor in every touchscreen.
铟于1863年由德国化学家Ferdinand Reich和Hieronymus Theodor Richter发现。当时,他们正在锌矿样品中寻找铊。两人的发现得益于一种新技术——光谱学。这项技术揭示出一条意外的明亮蓝线,并由此发现了一种全新的元素。
德国弗赖贝格矿业学校的教授Ferdinand Reich正在研究当地矿山的锌矿样品,希望找到铊——一种仅在两年前发现的元素。Reich部分色盲,因此请同事Hieronymus Richter协助进行关键的光谱观察。
Richter观察锌矿提取物的光谱火焰时,没有看到预期的铊绿色谱线,而是在波长451纳米处观察到一条明亮的靛蓝色谱线。这条谱线与任何已知元素都不匹配,表明存在一种全新的物质。这种强烈的蓝色后来赋予了该元素名称。
Reich和Richter有条不紊地从锌矿样品中分离未知元素。他们利用沉淀反应和仔细的化学分离来浓缩这种新物质。由于铟在矿石样品中的含量极低——不到0.01%,这一过程极具挑战性。
经过数月艰苦细致的工作,两人于1864年成功分离出少量金属铟。这种金属呈银白色,柔软到可以像铅一样在纸上留下痕迹,并且熔点相对较低。他们根据引导发现铟的独特蓝色谱线,以拉丁语“indicum”(意为靛蓝)为其命名为“indium”。
早期研究揭示了铟的不寻常性质:它极具延展性,熔点较低(157°C),弯曲时会发出独特的“锡哭声”。化学家发现铟能够形成稳定化合物,原子量约为115,在元素周期表中位于镉和锡之间。
发现后的近一个世纪里,铟主要是实验室中的研究对象,没有重要的实际应用。由于其稀有且难以提取,它主要由对其不寻常性质感兴趣的研究人员进行研究。很少有人能够预测它未来在技术领域的重要性。
随着半导体技术的发展,铟的重要性迅速提升。人们发现氧化铟锡(ITO)既透明又导电,这一发现彻底改变了显示技术。从最早的实验性晶体管到现代触摸屏,铟逐渐成为数字时代不可或缺的材料。
如今,铟以Reich和Richter从未想象过的方式成为现代生活的重要组成部分。每部智能手机、平板电脑和纯平电视都依靠铟实现显示功能。这个曾经的实验室研究对象如今已成为全球技术基础设施的重要组成部分,展现了科学发现如何从学术兴趣转变为技术必需品。
铟的发现展现了光谱学作为新元素发现工具的力量。在接下来的几十年里,这项技术还将促成其他几种元素的发现。这个故事还说明,Reich和Richter结合不同专业知识开展合作,能够带来突破性的科学发现。
应用
氧化铟锡(ITO)是一种透明导体,使现代触摸屏、LCD显示器和OLED屏幕成为可能。ITO薄膜几乎不可见,却具有导电性,能够实现像素激活所需的精确控制。每部智能手机、平板电脑和现代电视都依靠铟实现显示功能。
砷化铟镓(InGaAs)和磷化铟(InP)等铟化合物对于高速电子学和光电子学至关重要。这些材料可用于制造红外探测器、激光二极管和高频晶体管,应用于光纤通信、卫星系统和5G网络。
铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池在使用比传统硅太阳能板更少材料的同时,能够达到较高的效率。铟的独特性质有助于制造柔性太阳能电池,使其能够集成到建筑材料、便携式设备和非常规表面中。
铟的熔点较低(157°C),因此非常适合需要保护热敏元件的特殊焊接应用。铟基焊料用于低温应用、计算机处理器的热界面材料以及超高真空系统的密封。
铟优异的中子吸收性质使其在核反应堆中用于中子探测和控制棒应用。铟箔用于测量反应堆监测系统中的中子通量,有助于确保核能安全运行。
锑化铟(InSb)和砷化铟(InAs)是热成像相机、夜视设备和医学成像系统中红外探测器的重要材料。这些材料能够以极高的灵敏度探测热特征,应用范围从军事监视到医学诊断。
氮化铟镓(InGaN)可用于蓝光和白光LED照明,推动了高能效照明的发展。这些LED广泛用于手电筒、汽车前灯和大型建筑照明,代表了照明技术的一项重大进步。
纯铟可作为温度标准,并用于专门的研究设备。它的延展性使其能够在高真空系统中形成完美密封,而其独特的电子性质使其适用于量子效应研究和新型电子材料开发。
每台触摸屏设备都含有作为透明导体层的氧化铟锡(ITO)。当你滑动手机或点击平板电脑时,你实际上正在与铟发生作用。这一不可见的薄层能够探测手指的电场,同时对可见光完全透明。
现代LCD和OLED显示器依靠涂有ITO的玻璃来控制单个像素。无论是观看Netflix、玩游戏还是使用电脑工作,铟都能实现形成图像所需的精确电控制。高端显示器通常使用更多铟,以获得更好的性能。
高能效LED灯泡和灯带含有氮化铟镓,可产生蓝光,再由荧光粉转换为白光。从家用照明到汽车前灯再到体育场照明,铟帮助制造明亮且高效的照明设备,逐渐取代传统灯泡。
一些薄膜太阳能电池板使用CIGS(铜铟镓硒)技术将阳光转换为电能。这些电池板可以柔性化且重量较轻,适合安装在曲面等非常规位置或用于便携式设备。
现代汽车含有许多依靠铟工作的显示器和触摸屏界面。从仪表盘显示器到娱乐系统再到抬头显示器,铟实现了让驾驶更安全、更便利的交互技术。
数码相机中的红外传感器通常使用铟基材料来探测热特征或实现夜视功能。安防摄像机、热成像设备,甚至一些智能手机相机都受益于铟独特的光学性质。
游戏主机、掌上设备和VR头显都依靠铟实现显示和触摸屏界面。提升游戏体验的响应迅速、高质量屏幕依赖于铟的透明导电性质。
高性能计算机处理器使用铟基热界面材料,将热量高效地从芯片传递到冷却系统。这有助于防止过热,并在高负载计算应用中保持最佳性能。
来源
0.25 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 45% of elements
铟是地壳中最稀有的元素之一,平均浓度仅为0.1 ppm,比银或汞更稀有。这种贵金属在自然界中从未以纯态存在,也很少形成自己的矿物。
铟几乎完全作为锌生产的副产品回收。该元素在硫化物矿物中取代锌,尤其是在闪锌矿(ZnS)中,其中铟浓度通常为0.001%至0.1%。主要的锌产区自然也会成为铟来源,因此铟的供应取决于锌市场状况。
只有少数稀有矿物含有较高浓度的铟。其中最重要的是铟矿(FeIn₂S₄),发现于热液矿床中。其他稀有铟矿物包括硫铟铜矿(CuInS₂)和 sakuraiite。这些矿物主要具有科学研究价值,而非经济价值。
中国占铟产量的主导地位(占全球供应量的60%),主要来自炼锌作业。其他重要生产国包括韩国、日本、加拿大和比利时。澳大利亚的Mount Isa矿和阿拉斯加的Red Dog矿是世界上铟含量最丰富的矿石来源之一。
由于铟的浓度极低,提取铟需要复杂的冶金工艺。该元素通过复杂的溶剂萃取和电积过程从锌精炼残渣中回收。回收率通常较低,因此铟价格高且供应受限。
随着原生矿石品位下降,从电子废弃物中回收铟变得越来越重要。LCD制造废料和报废电子设备中的ITO涂层玻璃可提供有价值的二次铟来源。然而,回收工艺复杂,目前尚未得到广泛应用。
一些煤灰含有较高浓度的铟(最高可达10 ppm),未来可能成为回收来源。某些类型的火山岩也显示出铟富集现象,但按照当前技术,其浓度尚未达到经济可行水平。
铟在宇宙中极其稀有,其丰度约为银的1/10,000。该元素通过某些类型恒星中的慢中子俘获过程形成。陨石中含有微量铟,为研究早期太阳系的形成过程提供了线索。
触摸屏设备和LED照明需求不断增长,引发了人们对铟供应可持续性的担忧。该元素稀缺,并且集中在少数生产国,因此具有战略重要性。为应对未来可能出现的短缺,铟替代品和改进回收方法的研究正在持续进行。
处理
与其他重金属相比,纯金属铟的毒性相对较低。然而,一些铟化合物可能更加危险,处理铟材料时始终应遵守适当的安全预防措施。
轻度刺激物:直接接触金属铟通常是安全的,但铟化合物可能引起皮肤和眼睛刺激。处理铟材料时应佩戴手套和护目镜。接触后彻底清洗,如刺激持续存在,应就医。
需要呼吸防护:不应吸入铟尘和铟烟。一些研究表明,长期接触铟化合物,尤其是氧化铟锡(ITO),可能造成肺部损伤。使用铟材料时应采用适当的通风和呼吸防护措施。
电子行业风险:从事ITO溅射作业和半导体制造的工人可能面临更高的接触风险。建议进行定期健康监测,并严格控制接触。一些接触铟化合物的工人曾被报告患有肺泡蛋白沉积症。
相对稳定:金属铟在正常条件下具有化学稳定性。然而,铟化合物可能与酸或氧化剂反应。应在干燥条件下储存铟材料,以防止氧化和形成可能危害更大的化合物。
低熔点注意事项:铟仅在157°C(314°F)时熔化,因此在中等温度下即可变为液体。铟尘可能具有可燃性。没有适当通风时,避免加热铟材料,因为其蒸气可能有害。
负责任地处置:虽然铟的环境毒性低于许多重金属,但由于其稀缺性和经济价值,正确处置和回收仍然十分重要。含铟电子废弃物应交由适当的回收设施处理。
标准规程:皮肤接触时,用肥皂和水清洗。眼睛接触时,用清水冲洗15分钟。如果吸入铟尘,应转移到空气新鲜处;如出现呼吸困难,应就医。铟暴露不需要特定解毒剂。
快速回答
铟 (symbol In) is element 49 on the periodic table, a 后过渡金属 in period 5, group 13. Soft enough to leave a mark on paper, and the transparent conductor in every touchscreen. At room temperature it is a solid.
[Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p¹, giving 5 occupied shells holding 2, 8, 18, 18, 3 electrons respectively. Its outer shell holds 3 electrons, which is what sets its bonding behaviour.铟 melts at 429.8 K (156.6 °C) and boils at 2345 K (2071.9 °C).
The standard atomic weight of 铟 is 114.818 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
铟 has a density of 7.31 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 铟 is about 7.3× heavier.
铟 has a Pauling electronegativity of 1.78. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
铟 was discovered in 1863 by Reich & Richter. It is named after its indigo spectral line.
铟 makes up about 0.25 mg/kg of the Earth's crust — genuinely rare, which is why it is expensive.