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| インジウム | ||||||||||||||||||||||||||
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| 発音 | / ˈ ɪ nd i ə m / ( IN -dee- əm ) | |||||||||||||||||||||||||
| 外観 | 銀色の光沢のある灰色 | |||||||||||||||||||||||||
| 標準原子量 A r °(In) | ||||||||||||||||||||||||||
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| 周期表におけるインジウム | ||||||||||||||||||||||||||
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| 原子番号 ( Z ) | 49 | |||||||||||||||||||||||||
| グループ | 13族（ホウ素族） | |||||||||||||||||||||||||
| 期間 | 期間5 | |||||||||||||||||||||||||
| ブロック | pブロック | |||||||||||||||||||||||||
| 電子配置 | [クロ] 4d 10 5s 2 5p 1 | |||||||||||||||||||||||||
| 殻あたりの電子数 | 2、8、18、18、3 | |||||||||||||||||||||||||
| 物理的特性 | ||||||||||||||||||||||||||
| STPでの フェーズ | 固体 | |||||||||||||||||||||||||
| 融点 | 429.7485 K (156.5985 °C、313.8773 °F) | |||||||||||||||||||||||||
| 沸点 | 2345 K (2072 °C、3762 °F) | |||||||||||||||||||||||||
| 密度（20℃） | 7.290 g/cm3 [ 3] | |||||||||||||||||||||||||
| 液体の場合（ mp） | 7.02グラム/ cm3 | |||||||||||||||||||||||||
| 三点 | 429.7445 K、約1 kPa [4] | |||||||||||||||||||||||||
| 融解熱 | 3.281 kJ/モル | |||||||||||||||||||||||||
| 気化熱 | 231.8 kJ/モル | |||||||||||||||||||||||||
| モル熱容量 | 26.74 J/(モル·K) | |||||||||||||||||||||||||
蒸気圧
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| 原子特性 | ||||||||||||||||||||||||||
| 酸化状態 | −5、−2、−1、0、[5] +1、+2、+3 [6]（ 両性酸化物） | |||||||||||||||||||||||||
| 電気陰性度 | ポーリングスケール: 1.78 | |||||||||||||||||||||||||
| イオン化エネルギー |
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| 原子半径 | 経験的: 午後167 | |||||||||||||||||||||||||
| 共有結合半径 | 142±5時 | |||||||||||||||||||||||||
| ファンデルワールス半径 | 午後193時 | |||||||||||||||||||||||||
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| その他のプロパティ | ||||||||||||||||||||||||||
| 自然発生 | 原始的な | |||||||||||||||||||||||||
| 結晶構造 | 体心正方晶（tI2） | |||||||||||||||||||||||||
| 格子定数 |  c = 494.71 pm （20℃）[3] | |||||||||||||||||||||||||
| 熱膨張 | 32.2 × 10 −6 /K (20℃) [a] | |||||||||||||||||||||||||
| 熱伝導率 | 81.8W/(m⋅K) | |||||||||||||||||||||||||
| 電気抵抗率 | 83.7 nΩ⋅m（20℃） | |||||||||||||||||||||||||
| 磁気秩序 | 反磁性[7] | |||||||||||||||||||||||||
| モル磁化率 | −64.0 × 10 −6 cm 3 /モル（298 K）[8] | |||||||||||||||||||||||||
| ヤング率 | 11GPa | |||||||||||||||||||||||||
| 音速の 細い棒 | 1215 m/s (20 °C時) | |||||||||||||||||||||||||
| モース硬度 | 1.2 | |||||||||||||||||||||||||
| ブリネル硬度 | 8.8～10.0MPa | |||||||||||||||||||||||||
| CAS番号 | 7440-74-6 | |||||||||||||||||||||||||
| 歴史 | ||||||||||||||||||||||||||
| 発見 | フェルディナント・ライヒとヒエロニムス・テオドール・リヒター(1863) | |||||||||||||||||||||||||
| 最初の隔離 | ヒエロニムス・テオドール・リヒター（1864） | |||||||||||||||||||||||||
| インジウムの同位体 | ||||||||||||||||||||||||||
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インジウムは化学元素であり、記号は In、原子番号は49である。銀白色の遷移後金属で、最も柔らかい元素の1つである。化学的には、インジウムはガリウムやタリウムに似ており、その特性は主に両者の中間である。[10] 1863年にフェルディナント・ライヒとヒエロニムス・テオドール・リヒターによって分光学的手法で発見され、スペクトルの藍色の線にちなんで名付けられた。 [11]
インジウムは、ガラスに塗布される透明で導電性のあるコーティングであるインジウムスズ酸化物（ITO）として、主にフラットパネルディスプレイの製造に使用される技術的に極めて重要な元素です。 [12] [13] [14]インジウムは半導体産業でも使用され、[15]はんだや軟質金属の高真空シールなどの低融点金属合金にも使用されています。インジウムは、主に閃亜鉛鉱やその他の硫化亜鉛鉱石から、他の金属の鉱石を処理する際の副産物としてのみ生成されます。[16]
インジウムには生物学的役割はなく、その化合物は摂取後に吸収されにくいものの、吸入または血流に注入されると有毒になります。[17] [18]
語源
名前はラテン語の「紫色」または「藍色」を意味する「indicum」に由来する。[19]
プロパティ
物理的な
インジウムは光沢のある銀白色で、非常に延性の高い 遷移後金属で、明るい光沢がある。[20]非常に柔らかい（モース硬度1.2）ため、ナイフで切ることができ、紙にこすると鉛筆のような目に見える線が残る。[21]周期表の第13族に属し、その特性は主に垂直に隣接するガリウムとタリウムの中間である。スズと同様に、インジウムを曲げると甲高い鳴き声が聞こえるが、これは結晶の双晶化によるパチパチという音である。[20]ガリウムと同様に、インジウムはガラスを濡らすことができる。 どちらともインジウムの融点は低く、 156.60 °C（313.88 °F）で、より軽い同族のガリウムよりも高いが、より重い同族のタリウムよりも低く、スズよりも低い。[22]沸点は2072℃（3762℉）で、タリウムよりも高いがガリウムよりも低い。これは融点の一般的な傾向とは逆だが、他の遷移後金属グループと同様に、電子の非局在化が少なく金属結合が弱いため、融点が下がる傾向にある。[23]
インジウムの密度は 7.31 g/cm 3 で、ガリウムよりも大きいが、タリウムよりも低い。臨界温度3.41 K未満では、インジウムは超伝導体になる。インジウムは、空間群I 4/ mmmの体心正方晶系で結晶化する(格子定数: a = 325 pm、c = 495 pm ): [22]これはわずかに歪んだ面心立方構造で、各インジウム原子は 324 pm の距離で 4 つの隣接原子と、それよりわずかに離れた ( 336 pm ) 8 つの隣接原子を持つ。[24]インジウムは、他のどの金属よりも液体水銀への溶解度が高い ( 0 °C でインジウムの 50 質量パーセント以上 )。[25]インジウムは、引張および圧縮においてサイズに依存しない延性粘塑性応答を示す。しかし、曲げやへこみにおいてはサイズ効果があり、長さスケールは50～100μm程度で、他の金属と比較するとかなり大きい [26] 。
化学薬品
インジウムは 49 個の電子を持ち、電子配置は [ Kr ]4d 10 5s 2 5p 1である。化合物では、インジウムは最も一般的には最外殻電子 3 個を供与してインジウム(III)、In 3+となる。場合によっては、5s 電子対が供与されず、インジウム(I)、In +となる。一価状態の安定化は、より重い元素で観察される、相対論的効果によって5s 軌道が安定化される不活性電子対効果によるものである。タリウム (インジウムのより重い同族体) はさらに強い効果を示し、タリウム(III) よりもタリウム(I) への酸化の可能性が高くなる[27]。一方、ガリウム (インジウムのより軽い同族体) は通常 +3 の酸化状態のみを示す。したがって、タリウム(III)は中程度の強さの酸化剤であるが、インジウム(III)はそうではなく、多くのインジウム(I)化合物は強力な還元剤である。[28]化学結合にs電子を含めるために必要なエネルギーは、第13族金属の中ではインジウムの場合が最も低いが、結合エネルギーはグループが下がるにつれて減少するため、インジウムでは、2つの追加結合を形成して+3状態を達成するために放出されるエネルギーが、5s電子を含めるために必要なエネルギーを上回るとは限らない。[29]インジウム(I)酸化物および水酸化物はより塩基性であり、インジウム(III)酸化物および水酸化物はより酸性である。[29]
インジウムについては、研究対象の反応に応じていくつかの標準電極電位[30]が報告されており、これは+3酸化状態の安定性の低下を反映している: [24]
インジウム金属は水とは反応しないが、ハロゲンなどのより強い酸化剤によって酸化されてインジウム(III)化合物となる。ホウ化物、ケイ化物、炭化物は形成せず、水素化物InH 3は低温のエーテル溶液中ではせいぜい一時的に存在する程度で、配位なしでも自発的に重合するほど不安定である。[28]インジウムは水溶液中ではむしろ塩基性で、わずかに両性の性質を示すのみであり、より軽い同族元素であるアルミニウムやガリウムとは異なり、アルカリ水溶液には不溶である。[31]
同位体
インジウムには39の同位体が知られており、質量数は97から135の範囲です。天然に原始核種として存在するのは、唯一の安定同位体であるインジウム113と、半減期が4.41 × 10のインジウム115の2つの同位体だけです。14年は宇宙の年齢より4桁長く、トリウム232の半減期より約3万倍長い。 [32] 115 Inの半減期が非常に長いのは、 115 Snへのベータ崩壊がスピン禁制である。 [33]インジウム115は全インジウムの95.7%を占める。インジウムは3つの既知の元素（他の2つはテルルとレニウム）のうちの1つであり、その安定同位体は長寿命の原始放射性同位体よりも自然界にあまり存在しない。 [34]
最も安定した人工同位体はインジウム111で、半減期は約2.8日です。他の同位体の半減期はすべて5時間未満です。インジウムには47のメタ状態があり、その中でインジウム114m1（半減期約49.51日）が最も安定しており、原始同位体以外のどのインジウム同位体の基底状態よりも安定しています。すべて異性体遷移によって崩壊します。113 Inよりも軽いインジウム同位体は主に電子捕獲または陽電子放出によって崩壊してカドミウム同位体を形成し、 113 Inよりも重いインジウム同位体は主にベータマイナス崩壊によって崩壊してスズ同位体を形成します。[32]
化合物
インジウム(III)
-chlorid.png/500px-Kristallstruktur_Chrom(III)-chlorid.png)
インジウム(III)酸化物、In 2 O 3 は、インジウム金属を空気中で燃焼させたとき、または水酸化物や硝酸塩を加熱したときに形成されます。[35] In 2 O 3 はアルミナのような構造をとり、両性であるため、酸と塩基の両方と反応できます。インジウムは水と反応して可溶性のインジウム(III)水酸化物を再生します。これも両性です。アルカリと反応してインジウム酸塩(III)を生成し、酸と反応してインジウム(III)塩を生成します。
- In(OH) 3 + 3 HCl → InCl 3 + 3 H 2 O
硫黄、セレン、テルルとの類似のセスキカルコゲニドも知られている。[36]インジウムは予想通り三ハロゲン化物を形成する。Inの塩素化、臭素化、ヨウ素化により無色のInCl 3、InBr 3、黄色のInI 3が生成される。これらの化合物はルイス酸であり、よく知られているアルミニウム三ハロゲン化物に多少似ている。関連するアルミニウム化合物と同様に、InF 3はポリマーである。[37]
インジウムと窒素化合物との直接反応により、灰色または半金属のIII-V族半導体が生成される。その多くは湿った空気中でゆっくりと分解するため、半導体化合物を大気に触れさせないように注意して保管する必要がある。窒化インジウムは酸やアルカリに侵されやすい。[38]
インジウム(I)
インジウム(I)化合物は一般的ではありません。塩化物、臭化物、ヨウ化物は、それらを生成する親三ハロゲン化物とは異なり、濃い色をしています。フッ化物は不安定なガスとしてのみ知られています。[39]インジウム(I)酸化物の黒色粉末は、インジウム(III)酸化物が700°Cに加熱されて分解するときに生成されます。[35]
その他の酸化状態
それほど頻繁ではないが、インジウムは酸化状態 +2 や部分酸化状態の化合物を形成する。通常、このような物質は In–In 結合を特徴とし、最も顕著なのはハロゲン化物In 2 X 4および [In 2 X 6 ] 2−、[40]や In 4 Se 3などのさまざまなサブカルコゲニドである。[41]インジウム(I) とインジウム(III) が結合した化合物は他にもいくつか知られており、例えば In I 6 (In III Cl 6 )Cl 3、[42] In I 5 (In III Br 4 ) 2 (In III Br 6 ) 、[43]および In I In III Br 4である。[40]
有機インジウム化合物
有機インジウム化合物はIn–C結合を特徴とする。そのほとんどはIn(III)誘導体であるが、シクロペンタジエニルインジウム(I)は例外である。これは最初に知られた有機インジウム(I)化合物であり[44] 、インジウム原子とシクロペンタジエニル錯体が交互にジグザグに連なったポリマーである。[45]おそらく最もよく知られている有機インジウム化合物はトリメチルインジウム、In(CH 3 ) 3であり、特定の半導体材料の製造に使用されている。[46] [47]
歴史
1863年、ドイツの化学者フェルディナント・ライヒとヒエロニムス・テオドール・リヒターは、ザクセン州フライベルク周辺の鉱山の鉱石を検査していた。彼らは、黄鉄鉱、硫ヒ鉄鉱、方鉛鉱、閃亜鉛鉱の鉱物を塩酸に溶かし、塩化亜鉛を蒸留した。色覚異常だったライヒは、色のついたスペクトル線を検出するためにリヒターを助手として雇った。その地域の鉱石にはタリウムが含まれることがあることを知っていた彼らは、緑色のタリウム発光スペクトル線を探した。代わりに、彼らは明るい青色の線を見つけた。その青色の線は既知のどの元素とも一致しなかったため、彼らは鉱物に新しい元素が含まれていると仮定した。彼らは、スペクトルに見られる藍色から、ラテン語の「インドの」を意味する indicum にちなんで、その元素をインジウムと名付けた。[ 48] [11] [49] [50]
リヒターは1864年にこの金属を単離した。[51] 0.5kg（1.1ポンド）のインゴットが1867年の世界博覧会で発表された。 [52] その後、リヒターが自分は唯一の発見者であると主張したことで、ライヒとリヒターは対立した。[50]
発生
インジウムは、低質量から中質量の恒星（質量の範囲は太陽の0.6から10倍）における長期にわたる（最長数千年）s過程（低速中性子捕獲）によって生成される。銀109原子が中性子を捕獲すると、銀110に変換され、次にベータ崩壊してカドミウム110になる。さらに中性子を捕獲するとカドミウム115になり、さらにベータ崩壊してインジウム115に崩壊する。このため、放射性同位体が安定したものよりも豊富に存在する。[53]安定したインジウム同位体であるインジウム113はp核の1つであり、その起源は完全には解明されていない。インジウム113はs過程とr過程（急速中性子捕獲）で直接生成されることが知られており、また半減期が約8千兆年と非常に長寿命のカドミウム113の娘核種としても生成されるが、これでインジウム113の全てを説明することはできない。[54] [55]
インジウムは地殻中で68番目に豊富な元素で、その含有量は約50 ppbである。これは銀、ビスマス、水銀の地殻存在比と同程度である。インジウムが単独で鉱物を形成することや、元素の形で存在することは極めて稀である。ロケサイト（CuInS 2 ）などのインジウム鉱物は10種類未満しか知られておらず、経済的な抽出に十分な濃度で存在するものはない。[56]その代わり、インジウムは通常、閃亜鉛鉱や黄銅鉱などのより一般的な鉱石鉱物の微量成分である。[57] [58]これらの鉱床から、インジウムは製錬中に副産物として抽出することができる。[16]これらの鉱床におけるインジウムの濃縮度は地殻存在比に比べて高いが、現在の価格ではインジウムを主製品として抽出するには不十分である。[56]
他の金属の鉱石に含まれるインジウムの量については、さまざまな推定値がある。[59] [60]しかし、これらの量は、ホスト材料を採掘しなければ抽出できない（生産と入手可能性を参照）。したがって、インジウムの入手可能性は、これらの鉱石の絶対量ではなく、抽出速度によって基本的に決定される。これは、現在の議論では忘れられがちな側面であり、例えばイェール大学のグレーデルグループによる臨界評価では、いくつかの研究で引用されている逆説的に短い枯渇時間を説明している。[62] [16 ]
生産と供給
インジウムは、他の金属の鉱石を処理する際の副産物としてのみ生成されます。主な原料は硫化亜鉛鉱石で、そのほとんどは閃亜鉛鉱に含まれています。 [16]硫化銅鉱石からも少量抽出されます。亜鉛製錬の焙焼浸出電解採取プロセス中に、インジウムは鉄を多く含む残留物に蓄積されます。これらから、さまざまな方法で抽出できます。また、プロセス溶液から直接回収することもできます。さらに精製するには、電気分解を行います。[64]正確なプロセスは、製錬所の運転モードによって異なります。[20] [16]
インジウムは副産物であるため、毎年採掘される硫化亜鉛（および銅）鉱石の量によって生産量が制約される。したがって、その入手可能性は供給ポテンシャルの観点から議論する必要がある。副産物の供給ポテンシャルは、現在の市場条件（技術と価格）下で、そのホスト材料から年間に経済的に抽出可能な量と定義される。 [65]副産物は主産物から独立して抽出できないため、埋蔵量や資源は副産物には関係ない。 [16]最近の推定では、インジウムの供給ポテンシャルは、硫化亜鉛鉱石から最低でも年間1,300トン、硫化銅鉱石から最低でも年間20トンとされている。[16]これらの数字は、現在の生産量（2016年の655トン）を大幅に上回っている。[66]したがって、生産コストや価格を大幅に上昇させることなく、副産物としてのインジウムの生産を大幅に増やすことが可能である。 2016年のインジウムの平均価格は240ドル/kgで、 2014年の705ドル/kgから下落した。[67]
中国はインジウムの主要生産国（2016年は290トン）であり、これに韓国（195トン）、日本（70トン）、カナダ（65トン）が続く。[66]ブリティッシュコロンビア州トレイルにあるテック・リソーシズ製油所は、2005年に32.5トン、2004年に41.8トン、2003年に36.1トンを生産した大規模な単一ソースのインジウム生産者です。
インジウムの全世界での主な消費は液晶ディスプレイの製造です。液晶ディスプレイ付きコンピュータモニターやテレビの普及に伴い、1990年代後半から2010年にかけて需要が急増し、現在ではインジウム消費の50%を占めています。[ 14]製造効率の向上とリサイクル（特に日本）により、需要と供給のバランスが保たれています。UNEPによると、インジウムの寿命終了時のリサイクル率は1%未満です。[68]
アプリケーション
工業用途
1924年、インジウムは非鉄金属を安定させるという重要な特性を持つことが発見され、これがこの元素の最初の重要な用途となった。[69]インジウムの最初の大規模な用途は、第二次世界大戦中に高性能航空機エンジンのベアリングを損傷や腐食から保護するためにコーティングすることであったが、これは現在ではこの元素の主な用途ではない。[64]可溶合金、はんだ、電子機器に新しい用途が見出された。1950年代には、インジウムの小さなビーズがPNP合金接合トランジスタのエミッターとコレクターに使用された。1980年代半ばから後半にかけて、液晶ディスプレイ（LCD）用のリン化インジウム半導体とインジウムスズ酸化物薄膜の開発が大きな関心を集めた。1992年までに、薄膜用途が最大の最終用途となった。[70] [71]
インジウム(III)酸化物とインジウムスズ酸化物(ITO)は、電界発光パネルのガラス基板上の透明 導電コーティングとして使用されます。 [72]インジウムスズ酸化物は、低圧ナトリウムランプの光フィルターとして使用されます。赤外線はランプ内に反射され、管内の温度が上昇し、ランプの性能が向上します。[71]
インジウムは半導体関連の用途が多数ある。アンチモン化インジウムやリン化インジウムなどの一部のインジウム化合物は、有用な特性を持つ半導体である。その前駆体の1つは通常トリメチルインジウム（TMI）であり、 II-VI族化合物半導体の半導体 ドーパントとしても使用される。[74] InAsとInSbは低温トランジスタに使用され、InPは高温トランジスタに使用される。[64]化合物半導体InGaNとInGaPは、発光ダイオード（LED）とレーザーダイオードに使用される。 [75]インジウムは、第二世代の薄膜太陽電池の一種であるCIGS太陽電池とも呼ばれる銅インジウムガリウムセレン（CIGS）半導体として太陽光発電に使用される。[76]インジウムはゲルマニウムとのPNPバイポーラ接合トランジスタに使用される。低温ではんだ付けしても、インジウムはゲルマニウムに応力を及ぼさない。[64]
インジウム線は、極低温および超高真空用途で真空シールおよび熱伝導体として使用され、変形して隙間を埋めるガスケットなどの製造用途にも使用されています。 [77]インジウムシートは、その優れた可塑性と金属への接着性により、直接はんだ付けが困難なマイクロ波回路や導波管ジョイントの冷間はんだ付けに使用されることがあります。インジウムは、室温で液体で、一部の温度計では水銀の代わりとなるガリウム・インジウム・スズ合金ガリンスタンの成分です。[78]インジウムとビスマス、カドミウム、鉛、スズの他の合金は、融点がより高くても低い（50～100℃）ため、消火スプリンクラーシステムや熱調節器に使用されています。 [64]
インジウムはアルカリ電池の水銀の代替品の一つで、亜鉛が腐食して水素ガスを放出するのを防ぐものです。[79]インジウムは一部の歯科用アマルガム合金に添加され、水銀の表面張力を下げ、水銀を減らしてアマルガム化を容易にします。[80]
インジウムは熱中性子に対する中性子捕獲断面積が大きいため、原子炉の制御棒に適しており、通常は銀80% 、インジウム15%、カドミウム5%の合金で作られる。[81]原子力工学では、 113 Inと115 Inの(n,n')反応が中性子束の大きさを決定するために使用される。[82]
2009年、オレゴン州立大学のマス・スブラマニアン教授と元大学院生アンドリュー・スミスは、インジウムをイットリウムとマンガンと組み合わせると、濃い青色で無毒、不活性、色あせしにくい顔料であるYInMnブルーが生成できることを発見しました。これは200年ぶりの新しい無機青色顔料の発見でした。[83]
医療用途
放射性インジウム111（微量）は核医学検査で、標識タンパク質や白血球の動きを追跡してさまざまな種類の感染症を診断するための放射性トレーサーとして使用されます。 [84] [85]インジウム化合物は摂取してもほとんど吸収されず、吸入しても中程度にしか吸収されません。インジウム化合物は、排泄される前に一時的に筋肉、皮膚、骨に蓄積される傾向があり、インジウムの生物学的半減期はヒトで約2週間です。 [ 86]また、神経内分泌腫瘍の成長ホルモン受容体を見つけるために、オクトレオチドなどの成長ホルモン類似体にタグ付けされます。[87]
生物学的役割と注意事項
| 危険 | |
|---|---|
| GHSラベル: | |
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| 警告 | |
| H302、H312、H315、H319、H332、H335 | |
| P261、P280、P305+P351+P338 [88] | |
| NFPA 704 (ファイアダイヤモンド) | |
インジウムはいかなる生物においても代謝的役割を果たさない。アルミニウム塩と同様に、インジウム(III)イオンは注射により投与されると腎臓に有毒となる可能性がある。[18]インジウムスズ酸化物およびインジウムリン化物は、主にイオン化したインジウムを介して肺および免疫系に害を及ぼすが、[89]水和したインジウム酸化物は、注入されたインジウムの量で測定すると、注射された場合に40倍以上の毒性がある。[18]
職場では、吸入、摂取、皮膚接触、眼接触によってインジウムにさらされる可能性がある。インジウム肺は、肺胞タンパク質症と肺線維症を特徴とする肺疾患で、2003年に日本の研究者によって初めて報告された。2010年現在[アップデート]、10の症例が報告されているが、100人以上のインジウム労働者の呼吸器異常が記録されている。[17]国立労働安全衛生研究所は、 8時間労働で0.1 mg/m3の推奨曝露限界（REL）を設定している。 [90]
注記
- ^ 熱膨張は異方性です。各結晶軸のパラメータ（20℃）はα a = 53.2 × 10 −6 /K、αc = −9.75 × 10 −6 /K、α平均= α V /3 = 32.2 × 10 −6 /K. [3]
参考文献
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