Індій - Тезка країни чудес

С.І. Венецкій

З давніх часів у Європі високо цінувалася які привозили з країни чудес Індії яскраво-синя фарба "індиго". За чистотою кольору вона могла змагатися з синіми променями сонячного спектра. Власники текстильних підприємств не шкодували грошей на витрати, щоб придбати цю королеву фарб, застосовувалася для фарбування сукна та інших тканин.

Коли наприкінці XVIII століття Франція виявилася відрізаною англійським військовим флотом від Індії та інших південних країн, багато заморські товари, у тому числі і знаменита фарба "індиго", стали вельми дефіцитними.

Наполеон, який бажав зберегти для своєї армії традиційні темно-сині мундири, пообіцяв колосальну премію - мільйон франків! - Тому, хто знайде спосіб отримання чудової фарби з європейського сировини.

Ми не випадково почали розповідь про одного з рідкісних металів-Індії-с згадки про фарбі "індиго": адже саме їй елемент № 49 зобов'язаний своєю назвою.

У 1863 році в хімічній лабораторії маленького німецького містечка Фрейберга професор Фердинанд Рейх і його асистент Теодор Ріхтер займалися Спектроскопічні дослідження цинкових мінералів саксонських гір, сподіваючись виявити в них відкритий за два роки до цього елемент талій. Вчені піддавали аналізу зразок за зразком, проте, як не вдивлялися вони в що виникають перед ними спектри, соковитих зелених ліній, властивих талію, не було і в помині. Але, мабуть, в той погожий день фортуні дуже вже не хотілося повертатися спиною до фрейбергскім хімікам. Чому б не винагородити їх за довготерпіння і кропітка праця? І ось в черговому спектрі перед поглядом учених постала надзвичайно яскрава синя лінія, не належала жодному з відомих елементів. Рейху і Ріхтером стало ясно, що їм пощастило відкрити новий елемент. А за схожість його спектральної лінії з королевою фарб "новонародженого" вирішено було назвати індіем.

Тепер перед науковцями постала проблема: виділити метал у чистому вигляді. Чимало витратили вони часу і праці, перш ніж зуміли отримати два зразки металевого індія, кожен завбільшки з олівець. До речі, схожість з олівцем було не тільки зовнішнім: індій виявився на диво м'яким металом - Майже в п'ять разів м'якше свинцю і в 20 разів м'якше чистого золота. З десяти мінералів, що становлять шкалу твердості по Моосу, дев'ять твердіше индия; йому поступається лише самий піддатливий з них - тальк. На папері індій залишає помітний слід. Однак писати індіевимі "олівцями" було б таким же безрозсудним марнотратством, як топити піч асигнаціями: французька Академія наук оцінила зразки нового металу в 80 тисяч доларів - по 700 доларів за грам!

З'являючись на світ, індій, зрозуміло, не підозрював, що принесе чимало клопоту великому російському хіміку Д. І. Менделєєва. Втім, винен у цьому був не стільки індій, скільки його першовідкривачі: вони прийняли новий метал за близького родича цинку і тому помилково вирішили, що він, як і цинк, двухвалентен.

Крім того, вчені неправильно визначили його атомний вага, порахувавши його рівним 75,6. Але в цьому випадку для индия не знаходилося місця в періодичній таблиці, і Менделєєв прийшов до висновку, що індій трьохвалентний, за властивостями він набагато ближче до алюмінію, ніж до цинку, а атомний вага його складає приблизно 114. Це був далеко не єдиний випадок, коли великий хімік на основі знайденого ним закону вносив істотні корективи в характеристики вже відомих елементів. І на цей раз життя підтвердило його правоту: атомний вага индия, визначений за допомогою самих точних методів, виявився рівним 114,82. Елементу було відведено місце № 49 в третьому ряду періодичної системи.

Природний індій складається з двох ізотопів з масовими числами 113 та 115, причому частка більш важкого з них значно солідніше-95, 7%. До середини XX століття обидва ці ізотопу мали репутацію стабільних. Однак в 1951 році вчені встановили, що індій-115 все ж таки чутливий бета-розпаду і поступово перетворюється на олово-115. Щоправда, процес цей протікає вкрай повільно: період напіврозпаду ядер индия-115 дуже великий-6 * 1014 років. Цілком зрозуміло, що за таких "темпах" Індію довго вдавалося приховувати свою радіоактивність. В останні десятиліття фізики отримали близько 20 радіоактивних ізотопів индия; період напіврозпаду найбільш довгоживучих з них (индия-114) -49 днів.

Подібно до багатьох інших металів, індій довгий час не знаходив практичного застосування. І на це були цілком поважні причини: адже індій не тільки досить рідкісний елемент (за вмістом в земній корі він серед "мешканців" періодичної системи займає скромне місце в сьомому десятці), але і вкрай розсіяний: у природі практично немає мінералів, в яких головним компонентом (або хоча б одним з основних) був би індій. У кращому випадку його можна зустріти в вигляді незначних домішок до руд інших металів, де зміст його зазвичай не перевищує 0,05%. Можна собі уявити, які труднощі треба подолати, щоб витягти з цих руд заховане в них крихти індію.

Однак властивості цього металу не могли залишати байдужими представників технічного світу. У 1924 році індіем всерйоз зацікавився американський інженер Маррей. У пошуках індіевих родовищ він вздовж і впоперек об'їздив Сполучені Штати Америки, поки, нарешті, в піщаних пагорбах Арізони не виявив хоч і не дуже які, але все-таки більше високі, ніж в інших місцях, концентрації цього розсіяного елементу. Незабаром тут виник завод з виробництва індію.

Однією з перших областей застосування індію стало виготовлення високоякісних дзеркал, необхідних для астрономічних приладів, прожекторів, рефлекторів і тому подібних пристроїв. Виявляється, звичайне дзеркало не однаково відображає світлові промені різних кольорів. Це означає, наприклад, що кольорова одяг, якщо її розглядати в дзеркало, має трохи інше забарвлення, ніж насправді. Правда, очей модниці, що сидить перед трельяжів, не в змозі зафіксувати такі зміни в її туалеті, але для багатьох приладів колірна фальсифікація просто неприпустима. І срібні, і олов'яні, і ртутно-вісмутовие зерцала грішать цим недоліком. Індій ж не тільки володіє надзвичайно високою відбивної здатністю, але і проявляє при цьому цілковиту об'єктивність, абсолютно однаково ставлячись до всіх кольорів веселки - від червоного до фіолетового. Ось чому, щоб світло, що випромінюється далекими зірками, доходив до астрономів неспотвореним, в телескопах встановлюють індіевие дзеркала.

На відміну від срібла, індій не тьмяніє на повітрі, зберігаючи високий коефіцієнт відбиття. Між іншим, індій зіграв важливу роль при ... захисту Лондона від масованих нальотів німецької авіації під час другої світової війни. На перший погляд, таке твердження може здатися дивним, але саме індіевие дзеркала дозволяли прожектора протиповітряної оборони у пошуках повітряних піратів легко пробивати потужними променями щільний туман, нерідко що огортає британські острови.

Оскільки індій має низьку температуру плавлення -- всього 156 ° С, під час роботи прожектора дзеркало постійно потребувало охолодженні, однак англійське військове відомство охоче йшло на додаткові витрати, з задоволенням підраховуючи кількість збитих ворожих літаків.

Але часто в техніці низька температура плавлення може служити не недоліком, а перевагою. Так, сплав індію з вісмуту, свинцем, оловом і кадмієм вже плавиться при 46,8 ° С і завдяки цьому успішно справляється з роллю автоматичного контролера, що оберігає відповідальні вузли та деталі різних механізмів від перегріву. Відомий сплав індію з галієм і оловом, який навіть при кімнатній температурі знаходиться в рідкому стані: він плавиться при 10,6 ° С. Плавкі запобіжники з індіевих сплавів широко використовують в системах пожежної сигналізації.

Цікаві експерименти, пов'язані з температурою плавлення індія, були проведені в Канаді. Досліджуючи за допомогою електронного мікроскопа дрібні частки цього металу, канадські фізики виявили, що, коли розмір частинок індію стає менше деякої величини, температура плавлення його різко знижується. Так, частки індію розміром не більше 30 ангстрем плавляться при температурі трохи вище 40 ° С. Такий колосальний стрибок -- від 156 до 40 ° С - представляє безперечний інтерес для вчених. Але природа цього ефекту навіть для бувалої сучасної фізики поки залишається загадкою: адже теорія процесів плавлення розроблялася стосовно до значних мас речовини, а в дослідах канадських фізиків розплавлюванню піддавалися "гомеопатичні" дози индия-всього кілька тисяч атомів.

Цінна властивість индия - його висока стійкість до дії їдких лугів і морської води. Цю здатність набувають і мідні сплави, в які введено навіть невелика кількість індію. Обшивка нижньої частини корабля, виконана з такого сплаву, легко переносить тривале перебування в солоному підводному царстві.

підшипників, застосовуваних у сучасній техніці, наприклад в авіаційних моторах, доводиться працювати в досить важких умовах: швидкість обертання вала сягає кількох тисяч обертів на хвилину, метал при цьому нагрівається і його опір роз'їдаючу дію мастильних масел знижується. Щоб метал підшипників не піддавався ерозії, вчені запропонували наносити на них тонкий шар індію. Його атоми не тільки щільно покривають робочу поверхню металу, але і проникають всередину, утворюючи з ним міцний сплав. Такий метал мастило вже не по зубах: термін служби підшипників зростає в п'ять разів.

До речі, про зуби. З індіевих сплавів (наприклад, з сріблом, оловом, міддю і цинком), яким властиві висока міцність, корозійна стійкість, довговічність, виготовляють зубні пломби. У цих сплавах індій грає відповідальну роль: він зводить до мінімуму усадку металу при затвердінні пломби.

Авіатори добре знайомі з цінкоіндіевим сплавом, службовцям антикорозійним покриттям для сталевих пропелерів. Своєрідним найтоншим "ковдрою" з олова та оксиду індію "укутують" вітрове скло літаків. Таке скло не замерзає - на ньому не з'являються крижані візерунки, які навряд чи радували б погляд пілотів. Сплави індію широко використовують для склеювання скла або скла з металом (наприклад, у вакуумній техніки).

Деякі сплави індію дуже красиві - не дивно, що вони сподобалися ювелірам. Як декоративний метал використовують, зокрема, сплав 75% золота, 20% срібла і 5% индия - так зване зелене золото. Відома американська фірма "студебекер" замість хромування зовнішніх деталей автомобілів не без успіху застосувала індірованіе. Індіевое покриття значно довговічніше хромового.

У атомних реакторах індіевая фольга слугує контролером, що вимірює інтенсивність потоку теплових нейтронів і їх енергію: стикаючись з ядрами стабільних ізотопів індія, нейтрони перетворюють їх на радіоактивні; при цьому виникає випромінювання електронів, за інтенсивністю і енергії якого судять про нейтронному потоці.

Але безперечно найважливіша область застосування индия в сучасній техніці-промисловість напівпровідників. Індій високої чистоти необхідний для виготовлення германієвих випрямлячів і підсилювачів: він виступає при цьому в ролі домішки, що забезпечує дірковий провідність в германии. До речі, сам індій, який використовується для цієї мети, практично не містить домішок: висловлюючись мовою хіміків, його чистота-"шість дев'яток", т. тобто 99,9999%! Деякі з'єднання індію (сульфід, селенідом, антімонід, фосфід) самі є напівпровідниками; їх застосовують для виготовлення термоелементів і інших приладів. Антімонід індія, наприклад, є основою інфрачервоних детекторів, здатних "бачити" у темряві навіть ледь нагріті предмети.

Індій виявився одним з небагатьох поки хімічних елементів, "відряджених" в космос, щоб вписати нові сторінки в технологію неорганічних матеріалів. У 1975 році, незадовго до початку спільного радянсько-американського космічного польоту за програмою "Союз" - "Аполлон", командири екіпажів А. Леонов і Т. Стаффорд в бесіді з кореспондентом ТАРС висловили свою думку про значення майбутніх експериментів на орбіті. Зокрема, вони торкнулися питання про технологічних дослідах по плавці металів і вирощування кристалів різних речовин.

"Треба буде з'ясувати можливість використання невагомості і вакууму для отримання нових матеріалів - металевих і напівпровідникових, - Сказав А. Леонов. - На думку радянських і американських вчених, у космосі можна сплавляти компоненти, не змішуються на Землі, створювати жароміцні матеріали ... "

"Наші астронавти. - додав Т. Стаффорд, - на борту орбітальної станції "Скайлеб" проводили досліди з вирощування кристалів антімоніда індію. Вдалося отримати кристал найчистіший і найбільший міцний з усіх, будь-яких штучно отриманих на Землі ".

А в 1978-1980 роках на борту радянської орбітальної наукової станції "Салют-6" були проведені нові технологічні експерименти, в яких "брали участь" індій та його сполуки.

Досліди з сполуками індію ведуть і на Землі. Так, недавно антімонід індію був підданий тиску в 30 тисяч атмосфер. Виявилося, що в результаті таких "міцних обіймів" змінилася кристалічна решітка речовини і при цьому його електропровідність зросла в мільйон разів!

Світове виробництво індію поки дуже мало - всього кілька десятків тонн на рік. Зазвичай цей цінний метал отримують як ... побічний продукт при переробці руд цинку, свинцю, міді, олова. Оригінальний спосіб отримання індію розробили вчені НДР. Вони запропонували добувати його з пилу, хмари якої "прикрашали" небо над одним з підприємств по переробки Медист сланців. Пил, в якій серед інших компонентів міститься індій, спочатку промивається гарячої сірчаною кислотою, потім проходить довгий шлях складних перетворень, в результаті яких виходить чистий індій.

Інтерес до Індії весь час зростає. Вчені прагнуть можна більше дізнатися про це металі. Кілька років тому фізики США зуміли заповнити ще одна прогалина в характеристиці індія, визначивши його конфігурацію ядра: виявилося, що воно нагадує ... футбольний м'яч з смужкою по "екватору".

... У природі індій зустрічається рідко, але можна з упевненістю стверджувати, що в промисловому світі він з кожним роком буде ставати все більш і більш бажаним гостем.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.alhimik.ru/