Химический элемент Индий

1. Химический  элемент Индий.

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. 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. До открытия периодического закона индий вследствие того, что он встречается в цинковых рудах, считали аналогом Цинка и приписывали ему валентность II. Д. И. Менделеев при создании периодической системы исправил валентность и, соответственно, атомную массу индия и указал, что он — аналог алюминия.

     Индий (лат. Indium) , In, относится к третьей группе периодической системы элементов, его порядковый номер 49, атомный вес 114,8. Природный индий представляет смесь 95,77% изотопа In¹¹⁵ ,обладает слабой радиоактивностью, он испускает (β-лучи с периодом полураспада 6^.10¹⁴ лет.) и 4,23% изотопа In¹¹³ стабилен. Известны изотопы индия с массовыми числами 107, 108, 109, 110, 111, 112, ИЗ, 114, 115, 116, 117, 118 и 119 .

     

2. Распространение в природе

     Распространение в природе и типы месторождений.

     Среднее содержание индия в земной коре 1,4-10^-5 вес.%. Индий—типичный рассеянный элемент. Сейчас известно около десяти собственных минералов индия: самородный индий (редчайшие экземпляры), сложные сульфиды индит FeIn₂S₄, рокезит CuInS₂, сакуранит (CuZnFe)₃InS₄ и патрукит (Cu,Fe,Zn)₂(Sn,In)S₄, 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.

     Накапливается преимущественно в сульфидных минералах — сфалерите ZnS (индием обогащены чаще темные, содержащие железо и марганец, разновидности сфалерита — марматиты), галените PbS, халькопирите СuFeS₂. В то же время индием часто обогащен касситерит SnO₂. Индия в этих минералах обычно содержится от десятитысячных до сотых долей процента.

     Oсобенно высокие концентрации индия наблюдаются в сложных сульфидных минералах — сульфостаннатах свинца и сурьмы, например в цилиндрите Sn₄РЬ₃Sb₂S₁₄. В них содержание индия может достигать нескольких десятых долей процента. Иногда резко повышенные концентрации индия наблюдаются и в некоторых силикатах.

     Повышенное  содержание индия в минералах  и рудах связано почти исключительно  с месторождениями гидротермального происхождения. Наибольшее значение имеют следующие генетические типы гидротермальных месторождений (в скобках указаны минералы-носители индия):

1. касситерито-силикато-сульфидная формация (сфалерит, касситерит, халькопирит, станнин);
2. олово-сульфосольная формация (сфалерит, касситерит, сульфо-антимонаты, сульфосоли);
3. медноколчеданная и колчеданно-полиметаллическая (сфалерит, халькопирит, галенит);
4. свинцово-цинковые формации разных классов (сфалерит, халькопирит,  галенит).

     Особенно  много индия в наиболее высокотемпературных гидротермальных образованиях, где сталкиваются два носителя индия — олово и цинк. В сфалеритах из различных касситерито-сульфидных, а также олово-сульфосольных месторождений содержание индия доходит до десятых долей процента.

     Особенный интерес с точки зрения извлечения индия, как и других рассеянных элементов, представляют медноколчеданные и свинцово-цинковые руды. Концентрации индия в минералах этих месторождений не превышают тысячных и даже десятитысячных долей процента; но так как запасы их больше, они дают основную массу добываемого индия.

     Индий, помимо указанных рудных минералов, содержится, хотя и в меньших концентрациях, также в сульфидах железа (пирите и пирротине). Кроме того, он входит в силикатные минералы пустой породы (в меньшей степени, чем галлий и таллий). В качестве источников индия используются отходы производства цветных металлов, в первую очередь цинка, свинца и олова.

     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.).

     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):

     Таблица 1. ПРИБЛИЗИТЕЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ  МИРОВЫХ РЕСУРСОВ ИНДИЯ

     

3. Физические и химические свойства

     Это блестящий белый металл; температура  плавления 156,2°, температура кипения 2020°. Обращает на себя внимание его  очень малая твердость и высокая  пластичность: он в несколько раз  мягче свинца.

     Индий устойчив и не тускнеет на воздухе. Выше 800° горит фиолетово-синим пламенем, образуя окись. 2In + 3O₂ = 2In₂O₃.В воде в присутствии воздуха медленно корозирует.

     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 холоде).

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

     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.

     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 см³ на 100 г In); известны, однако, гидриды индия – (InH₃)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) 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.

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

     In₂O₃+ 3H₂SO₄ = In₂(SO₄)₃ + 3H₂O

     In₂O₃ + 6HCl = 2InCl₃ + 3H₂O.

     При температурах 700–800° С In₂O₃ восстанавливается водородом или углеродом до металла:

     In₂O₃ + 3H₂ = 2In + 3H₂O.

     Оксид индия (III) нелетуч, но при сильном  нагревании выше 1200° С частично диссоциирует с образованием черного летучего In₂O:

     In₂O₃ = In₂O + O₂.

     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 In₂O₃, 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, In₂O₃ 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.