Indij

Sa Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na: navigacija, traži
Indij,  49In
Indij u periodnom sistemu
Hemijski element, Simbol, Atomski broj Indij, In, 49
Serija Metali
Grupa, Perioda, Blok 13, 5, p
Izgled srebrenasti sjajni metal
Zastupljenost 1 · 10−5[1] %
Atomske osobine
Atomska masa 114,818 u
Atomski radijus (izračunat) 155 (156) pm
Kovalentni radijus 144 pm
Van der Waalsov radijus 193 pm
Elektronska konfiguracija [Kr] 4d105s25p1
Broj elektrona u energetskom nivou 2, 8, 18, 18, 3
1. energija ionizacije 558,3 kJ/mol
2. energija ionizacije 1820,7 kJ/mol
3. energija ionizacije 2704 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje čvrsto
Mohsova skala tvrdoće 1,2
Kristalna struktura tetragonalna
Gustoća 7310 kg/m3
Magnetizam dijamagnetičan (\chi_{m} = −5,1 · 10−5)[2]
Tačka topljenja 429,7485[3] K (156,5985 °C)
Tačka ključanja 2273[4] K (2000 °C)
Molarni volumen 15,76 · 10−6 m3/mol
Toplota isparavanja 225[4] - 231,8[5] kJ/mol
Toplota topljenja 3,26 kJ/mol
Pritisak pare 1 Pa pri 1196[6] K
Brzina zvuka 1215 m/s pri 293,15 K
Specifična toplota 233 J/(kg · K)
Specifična električna provodljivost 12,5 · 106 S/m
Toplotna provodljivost 81,6 W/(m · K)
Hemijske osobine
Oksidacioni broj 3, 1
Elektrodni potencijal −0,343 V (In3+ + 3e → In)
Elektronegativnost 1,78 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR
113In

4,3 %

Stabilan
114In

sin

71,9 s β- 1,989 114Sn
ε 1,452 114Cd
115In

95,7 %

4,41 · 1014 god β- 0,495 115Sn
Sigurnosno obavještenje

Oznake upozorenja
prah

Lahko zapaljivo

F
Lahko zapaljivo
Obavještenja o riziku i sigurnosti R: 11
S: 9-16-29-33
Ukoliko je moguće i u upotrebi, koriste se SI osnovne jedinice.
Ako nije drugačije označeno, svi podaci su podaci dobiveni mjerenjima u normalnim uslovima.

Indij je hemijski element sa simbolom In i atomskim brojem 49. U periodnom sistemu nalazi se u 5. periodi i četvrti je element 3. glavne grupe, odnosno 13. grupe po IUPAC-u, zvane grupa bora. Indij je jedan veoma rijetki, srebreno-bijeli i mehki teški metal. Njegova rasprostranjenost u Zemljinoj kori može se mjeriti rasprostranjenošću srebra. Za ljudski organizam, indij nije esencijalan element, ali isto tako vrlo malo je poznato njegovih toksičnih osobina.[7] Metal se danas u najvećoj mjeri prerađuje u indij-kalaj-oksid, koji služi kao transparentni provodnik za ravne računarske i TV ekrane i touchscreene. Od početka 21. vijeka porasla je potražnja za indije što je dovelo i do povećanja cijena indija na tržištu kao i diskusija o skorom nestanku njegovih zaliha u svijetu.[8]

Historija[uredi | uredi izvor]

Indij

Indij su 1863. otkrila dvojica njemačkih hemičara Ferdinand Reich i Theodor Richter na Tehničkom univerzitetu Bergakademie Freiberg. Ispitivali su jedan uzorak sfalerita pronađen u blizini na prisustvo talija u njemu. Pri tome su na apsorpcijskom spektru, umjesto očekivanih linija talija, uočili dotad nepoznate indigo-plave spektralne linije, te tako zaključili da se radi o nekom nepoznatom elementu. Prema njima, novi element je i dobio svoje ime. Nedugo poslije, dobijen je i metalni indij redukcijom indij-oksida sa vodikom. Veća količina indija prvi put je prikazana na svjetskoj izložbi "Expo" 1867. u Parizu.[9]

Nakon što je prvi put upotrijebljen kao sastojak legure u stomatološkom zlatu 1933, veća upotreba indija započela je sa Drugim svjetskim ratom. Sjedinjene Američke Države koristile su ga kao sredstvo za površinsku zaštitu ležajeva u avionima, koji su bili izloženi velikim naprezanjima. Nakon Drugog svjetskog rata, indij se prvenstveno koristio u elektroničkoj industriji, kao materijal za lemljenje te u lahkotopivim legurama. Osim toga, njegova upotreba u kontrolnim šipkama u nuklearnim reaktorima postala je važna sve većom upotrebom nuklearne energije. Ovo je do 1980. dovelo i do prvog snažnog rasta cijena indija. Međutim nakon nuklearne nesreće u elektrani Three Mile Island, potražnja i cijena indija su značajno opale.[10]

Od 1987. razvijena su dva nova spoja indija, poluprovodnik indij-fosfid i indij-kalaj-oksid koji je providan i, u tankim slojevima, dobar provodnik. Naročito je indij-kalaj-oksid je razvojem ekrana na bazi tečnog kristala postao tehnički veoma zanimljiv. Zbog velike potražnje od 1992. najveći dio indija se prerađuje upravo u indij-kalaj-oksid.[10]

Rasprostranjenost[uredi | uredi izvor]

Indij je relativno rijedak element, njegov udio u kontinentalnoj Zemljinoj kori iznosi samo 0,05 ppm.[11] Uspoređen s drugim elementima, njegova količina se može mjeriti količinom srebra ili žive. U samorodnom obliku, tj. elementarnoj formi, indij je do danas (stanje 2014.) pronađen na samo nekoliko mjesta na Zemlji. Kao tip lokaliteta pri tome vrijede nalazišta ruda tantala kod Olovjanaje u ruskoj Zabajkalskoj regiji. Osim tamo, samorodni indij se, između ostalog, može pronaći još u rudnom polju Perzanskoje u ukrajinskoj Žitomirskoj oblasti i u uzbekistanskoj provinciji Taškent u Čatkalskom gorju, a pronađen je i u probama tla sa Mjeseca.[12]

Također i minerali koji sadrže indij su vrlo rijetki i do danas (stanje 2014.) poznato je samo 13 takvih minerala. To su uglavnom sulfidski minerali poput indita FeIn2S4, laforêtita AgInS2 i roquesita CuInS2 kao i u minerali koji se ubrajaju u minerale elemenata, kao što su prirodne legure damiaoit PtIn2 i yixunit Pt3In.[13] Međutim, takvi oblici su veoma rijetki i za dobijanje indija ne igraju nikakvu ulogu.

Najveće zalihe indija nalaze se u rudama cinka, naročito sfalerita. Teoretske rezerve su procijenjene na oko 16.000 tona, ali je od toga ekonomski isplativo oko 11.000 tona.[14] Najveća nalaziša nalaze se u Kanadi, Kini i Peruu. Rude sa sadržajem indija pronađene su i u Australiji, Boliviji, Brazilu, Japanu, Rusiji, Južnoafričkoj Republici, SAD-u, Afganistanu i nekim evropskim državama. U Njemačkoj, naprimjer, pronađene su u Rudnom gorju (Erzgebirge) te na Rammelsbergu u gorju Harz.[9]

Dobijanje[uredi | uredi izvor]

Indij se gotovo isključivo dobija kao sporedni proizvod u procesu dobijanja cinka ili olova. Ekonomski isplativo dobijanje je moguće, samo ako se u određenim fazama procesa proizvodnje sirovina koja sadrži indij podvrgne obogaćivanju. Ta sirovina često bude prašina nastala tokom žarenja cink-sulfida, kao i ostaci koji preostaju nakon elektrolize mokrim postupkom u proizvodnji cinka.[15] Njima se dodaje sumporna ili hlorovodična kiselina te se otapaju u rastvor. Pošto je koncentracija indija u kiselinama veoma malehna, on se mora obogaćivati. To se dešava putem ekstrakcije sa tributilfosfatom ili taloženjem kao indij-fosfat.

Dobijanje metalnog indija slijedi nakon elektrolitičkog postupka. U njemu se koristi rastvor indij(III) hlorida u hlorovodičnoj kiselini. On se pomoću živinih elektroda pretvara u elementarni indij. Pri elektrolizi se mora voditi računa da rastvor ne sadrži nimalo talija, jer je standardni potencijal oba ova elementa vrlo sličan.[15]

\mathrm{In^{3+} + 3\ e^- \ \xrightarrow{Hg-elektr.} \ In}

Pomoću pogodnog procesa poput zonalnog topljenja[16] ili višekratne elektrolize istopljenih soli indij(I) hlorida[15] sirovi indij se može dalje pročišćavati tako da se može dobiti indij čistoće preko 99,99 %.

Proizvodnja[uredi | uredi izvor]

Vremenski razvoj proizvodnje indija

Primarna (rafinerijska) proizvodnja indija u 2006. iznosila je, prema različitim izvorima, između 500[17] i 580 tona.[14] Zbog vrlo malih prirodnih zaliha od 11.000 tona[14] u istovremenu ogromnu potražnju, indij se ubraja u najkritičnije sirovine na Zemlji. U Kini je 2008. godine objavljen podatak da su dosadašnje procjene od 280 tona prirodnih zaliha indija povećane na 8.000 tona, što je produžilo očekivani vijek trajanja svjetskih zaliha sa šest na 19 narednih godina. Sekundarna proizvodnja tj. recikliranje premašuje primarnu te je u 2008. iznosila 800 tona.[17]

Rafinerijska proizvodnja
po državama (2008)[14]
Država Tona  % svjetske
proizvodnje
Kina 330 58,1
Flag of Japan.svg Japan 60 10,6
Flag of Canada.svg Kanada 50 8,8
Flag of South Korea.svg Južna Koreja 50 8,8
Flag of Belgium.svg Belgija 30 5,3
Flag of Russia.svg Rusija 12 2,1
Flag of Peru.svg Peru 6 1,1
drugi 30 5,3
ukupno (zaokr.) 568 100

Proizvodnja indija u Kini započela je rast u skorije vrijeme. U 1994. proizvedena količina iznosila je samo 10 tona.[18] Od tada, udio Kine u svjetskoj proizvodnji povećao se na 60% u 2005. godini. Proizvodnja u drugim državama poput Japana, Kanade i Francuske se povećala u vrlo malom postotku ili je smanjena zbog iscrpljivanja nalazišta. Tako naprimjer, japanski rudnik Tojoha je 2006. zatvoren te je tamošnja proizvodnja indija znatno smanjena.[8]

Pošto je potražnja za indijem porasla znatno više nego njegova proizvodnja, proizašao je snažan rast cijena indija sa 97 US dolara u 2002. na 827 dolara po kg u 2005. godini.[14] Recikliranje indija je isplativo naročito putem ponovne prerade ostataka iz katodne pulverizacije.[14] Jedina država gdje se trenutno u većim količinama reciklira indij je Japan.[8]

U industrijskoj tankoslojnoj tehnologiji je reciklaža ostataka katodne pulverizacije ekonomski prihvatljiva praksa zbog oblika u kojem se javlja indij (komadići) i relativno malo potrebnog rada i truda sa velikom vrijednošću materijala,[19] za razliku od zidnih i ugradbenih pulverizacijskih komora kao i nekim strukturalnim otpadima.[20] Zamjena indija u providnim provodnim slojevima (TCO, "transparentni, električni provodni oksid") sa cink-oksidom, naročio kod CIGS-,[21] ali i kod a-Si- odnosno c-Si-solarnih ćelija[22], kao i korištenje sekundarnih materijala za upotrebu u metama od indija manje čistoće,[23] također je aktuelna tema istraživanja finansiranih od strane javnog sektora i resursno-ekonomskih nauka o materijalima.

Iako se indij u većini aplikacija može zamijeniti drugim materijalima, ipak se takvim proizvodima često smanjuje neke osobine ili ekonomičnost proizvodnje. Tako naprimjer indij-fosfid se može zamijeniti s galij-arsenidom a i za indij-kalaj-oksid poznati su neki, mada kvalitativno lošiji, zamjenski materijali.[14]

Osobine[uredi | uredi izvor]

Fizičke[uredi | uredi izvor]

Elementarna ćelija indija sa koordinacijskom okolinom centralnog atoma indija
Koordinacijski poliedar atoma indija sastavljen iz 4 + 8 = 12 susjednih atoma u obliku nepravilnog kubnog oktaedra
Kristalografski podaci[24]
Kristalni sistem tetragonalni
Prostorna grupa I4/mmm
Parametar mreže
(elementarne ćelije)
a = (b) = 325 pm
c = 495 pm
Broj (Z)
formulskih jedinica
Z = 2

Indij je srebreno-bijeli metal, sa vrlo niskom tačkom topljenja od 156,60 °C.[3] Nižu tačku topljenja od indija među čistim (nelegiranim) metalima imaju još samo živa, galij i većina alkalnih metala. Indij je u tečnom stanju u veoma velikom temperaturnom rasponu od gotovo 2000 °C. Tečni indij na staklu trajno ostavlja tanki sloj (film), koji se veže na staklo. Sličnu osobinu ima i galij.

Metal posjeduje veoma veliku duktilnost i veoma malehnu tvrdoću (po Mohsovoj skali: 1,2).[1] Prema tome, indij, poput natrija, moguće je rezati običnim nožem. Istovremeno, indij na papiru ostavlja uočljiv trag. Ispod kritične temperature od 3,41 K, indij je superprovodnik.[25] Posebnost indija, koju dijeli sa kalajem, je karakterističan zvuk koji se može čuti pri savijanju indija (kalajni vrisak).

U normalnim uslovima okoline, poznata je samo jedna kristalna modifikacija indija, koja se kristalizira u tetragonalnom kristalnom sistemu u I4/mmm te se tako kristalizira u tetragonalno-unutrašnje centriranu rešetku sa parametrima rešetke a = 325 pm i c = 495 pm kao i dvije formulske jedinice u elementarnoj ćeliji. Atom indija u kristalnoj strukturi je okružen sa 12 ostalih atoma, pri čemu četiri potječe iz susjednih elementarnih ćelija i imaju manji razmak (325 pm, crveni spojevi na slici) od osam atoma koji su naslonjeni na vrhovima elementarnih ćelija atoma (337 pm, zeleni spojevi na slici).

Kao koordinacijski poliedar iskazuje se nepravilni kubični oktaedar kroz koordinacijski broj 4 + 8 = 12. Kristalna struktura stoga se može opisati kao tetragonalna nepravilna, kubne najgušće kuglasto pakovanje. U eksperimentima sa visokim pritiscima, otkrivena je još jedna modifikacija indija, koja je stabilna pod pritiskom iznad 45 GPa a kristalizira se u ortorompskom kristalnom sistemu u prostornu grupu Fmmm.[26]

Hemijske[uredi | uredi izvor]

Hemijske osobine indija dosta su slične onima kod njegovih komšija iz grupe, galija i talija. Tako je indij, kao i druga dva elementa, neplemeniti metal, koji pri visokim temperaturama može reagirati sa mnogim nemetalima. Izložen zraku, na sobnoj temperaturi je stabilan, jer, poput aluminija, na njegovoj površini stvara se gusti sloj oksida koji putem pasivizacije štiti materijal od daljnje oksidacije. Tek pri višim temperaturama odvija se reakcija kojom nastaje indij(III) oksid.

Iako indij mogu napadati mineralne kiseline kao što je sumporna ili dušična kiselina, on nije rastvorljiv u vreloj vodi, bazama i većini organskih kiselina. Također ni slana (morska) voda ne napada indij. Pri sobnoj temperaturi, indij je najbolje rastvorljiv metal u živi.[15]

Izotopi[uredi | uredi izvor]

Poznato je 38 različitih izotopa indija i još 45 nuklearnih izomera počev od 97In do 135In.[27] U prirodi postoje samo dva izotopa, 113In sa 64 neutrona i zastupljenošću od 4,29% i 115In (66 neutrona) koji ima udio od 95,71%[27] u prirodnoj izotopskoj smjesi. Češći izotop, 115In, je blago radioaktivan. Raspada se vrlo sporo beta-raspadom, sa vremenom poluraspada od 4,41 · 1014 godina. Tako naprimjer kilogram indija ima aktivnost od 250 bekerela. Oba prirodna izotopa indija može se dokazati uz pomoć NMR spektroskopije. Najstabilniji vještački izotopi su 111In i 114mIn koji imaju vrijeme poluraspada od nekoliko dana, dok se polovina izotopa 113mIn raspadne za oko 1,5 sat. Izotopi 111In i 113mIn koriste se u medicinskoj dijagnostici za postupke dobijanja slika (poput scintigrafije i SPECT metode).[28][29]

Upotreba[uredi | uredi izvor]

[icon] Ova sekcija zahtijeva preuređivanje.

Indij je našao primjenu u mnogim industrijama, međutim zbog svoje rijetkosti i visokih troškova proizvodnje, njegova upotreba je dosta ograničena. Najveći dio proizvedenog indija se ne koristi u elementarnom stanju, nego se prerađuje u razne spojeve. Samo u 2000. godini 65% cjelokupne svjetske proizvodnje indija je potrošeno za proizvodnju indij-cink-oksida. Koristi se za zaštitu različitih galvanskih elemenata, proizvodnju ležajeva u automobilskoj i avio-industriji, ali se zbog visokih cijena indija prešlo na druge metale. Zbog pravilne polarizacije svjetlosti, koristi se i za pravljenje kvalitetnih ogledala.

Toksičnost[uredi | uredi izvor]

[icon] Ova sekcija zahtijeva preuređivanje.

Nisu poznate toksične osobine indija, međutim savjetuje se oprez pri rukovanju s njegovim prahom, jer može doći do zapaljenja i eksplozije.

Također pogledajte[uredi | uredi izvor]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ a b Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. ^ Weast, Robert C. (gl.ur.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990. str. E-129 do E-145. ISBN 0-8493-0470-9.
  3. ^ a b H. Preston-Thomas, The International Temperature Scale of 1990 (ITS-90) u: Metrologia, 1990, 27, 3–10
  4. ^ a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. u: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, str. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
  5. ^ John A. Dean, Norbert A. Lange: Lange’s handbook of chemistry, 15. izd., McGraw-Hill, New York, NY, 1999, ISBN 0-07-016384-7
  6. ^ Pogl. vo D. Stull u: Dwight E. Gray (ur.): American Institute of Physics handbook, 3. izd., McGraw-Hill, New York, 1972, ISBN 0-07-001485-X
  7. ^ Holleman A. F.; Wiberg E; Wiberg Nils (1985). "Cadmium". Lehrbuch der Anorganischen Chemie (jezik: njemački) (102 iz.). Walter de Gruyter. str. 1056–1057. ISBN 978-3-11-007511-3. 
  8. ^ a b c Die stofflichen Grenzen des Wachstums. Pressespiegel Physik der Uni Augsburg, pristupljeno 26. oktobra 2015.
  9. ^ a b Ulrich Schwarz-Schampera, Peter M. Herzig: Indium: Geology, mineralogy, and economics. Springer, Berlin, New York 2002, ISBN 3-540-43135-7.
  10. ^ a b Mineral Commodity Profile: Indium der usgs mineral resources (engl.; PDF).
  11. ^ K. H. Wedepohl: The composition of the continental crust. u: Geochimica et Cosmochimica Acta. 1995, 59, 7, 1217–1232.
  12. ^ indij na stranici www.mindat.org, pristupljeno 27. oktobra 2015.
  13. ^ Webmineral - Indium, Elementinformationen und Mineralliste.
  14. ^ a b c d e f g Indium na stranici USGS mineral resources (2009) (PDF).
  15. ^ a b c d Wilhelm Morawiez: Herstellung von hochreinem Indium durch Amalgam–Elektrolyse. u: Chemie Ingenieur Technik – CIT. 1964, 36, 4.
  16. ^ Lucien F. Trueb: Die chemischen Elemente, Ein Streifzug durch das Periodensystem, S. Hirzel Verlag Stuttgart/Leipzig 1996, ISBN 3-7776-0674-X.
  17. ^ a b Indium and Gallium Supply Sustainability September 2007 Update, 22. EU PV konferencija, Milano, Italija, 16. februar 2009.
  18. ^ Indium bei usgs mineral resources (1996) (PDF).
  19. ^ G. Bräuer: „Transparent leitfähige Oxide -Eigenschaften, Herstellung und Anwendungsgebiete“ Vortrag im Rahmen der Veranstaltung „Nano Surface: Industrielle Oberflächentechnik“ in Gießen, 19. juli 2005. (de)
  20. ^ "Mapa puta resursno efikasnije fotovoltike 2020+". u okvirima istraživačkih projekata BMBF-a „Efikasnost materijala i štednje resursa (MaRess)". Wuppertal, novembar 2010. ISSN 1867-0237.
  21. ^ H. Steiger et al.: "(Zn,Mg)O als Teil der Fensterschicht für Chalkopyrit Solarzellen". Sažetak u okvirima FVS-radionica "TCO-istraživanje materijala" 2002. ForschungsVerbund Erneuerbare Energien. (de)
  22. ^ F. Fenske, et al.: "Al-dotierte ZnO-Schichten für a-Si/c-Si Solarzellen“. Sažetak u okvirima FVS-radionica "TCO-istraživanje materijala" 2002. ForschungsVerbund Erneuerbare Energien. (de)
  23. ^ Kurzbeschreibung des Forschungsvorhabens “Einsatz von Sekundärmaterial in der Herstellung von Chalkopyrit Photovoltaik (SECUMAT-CIS)“ im Rahmen der BMBF Förderinitiative “Validierung des Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung“. (de)
  24. ^ J. Graham, A. Moore, G. V. Raynor: The effect of temperature on the lattice spacings of indium. u: Journal of the Institute of Metals. 84, 1954, str. 86–87.
  25. ^ Fizičke osobine indija na stranici www.webelements.com.
  26. ^ K. Takemura, H. Fujihaza: High-pressure structural phase transition in indium. u: Physical Review, Serie 3. B – Condensed Matter. 47, 1993, str. 8465–8470.
  27. ^ a b G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A. H. Wapstra: The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties (PDF). u: Nuclear Physics. vol. A 729, 2003, str. 3–128.
  28. ^ J. A. Burdine: Indium-113m radiopharmaceuticals for multipurpose imaging. u: Radiology. vol. 93, br. 3, septembar 1969, ISSN 0033-8419, str. 605–610, doi:10.1148/93.3.605, PMID 5822736.
  29. ^ M. L. Thakur: Gallium-67 and indium-111 radiopharmaceuticals. u: The International journal of applied radiation and isotopes. vol. 28, br. 1–2, 1977 jan-feb, ISSN 0020-708X, str. 183–201, PMID 67094 (Review).