Индий - Тезка страны чудес
С.И. Венецкий
С давних пор в Европе высоко ценилась привозимая из страны чудес Индии ярко-синяя краска "индиго". По чистоте цвета она могла соперничать с синими лучами солнечного спектра. Владельцы текстильных предприятий не скупились на расходы, чтобы приобрести эту королеву красок, применявшуюся для крашения сукна и других тканей.
Когда в конце XVIII века Франция оказалась отрезанной английским военным флотом от Индии и других южных стран, многие заморские товары, в том числе и знаменитая краска "индиго", стали весьма дефицитными.
Наполеон, желавший сохранить для своей армии традиционные темно-синие мундиры, пообещал колоссальную премию - миллион франков! - тому, кто найдет способ получения чудесной краски из европейского сырья.
Мы не случайно начали рассказ об одном из редких металлов-индии-с упоминания о краске "индиго": ведь именно ей элемент № 49 обязан своим названием.
В 1863 году в химической лаборатории маленького немецкого городка Фрейберга профессор Фердинанд Рейх и его ассистент Теодор Рихтер занимались спектроскопическим исследованием цинковых минералов Саксонских гор, надеясь обнаружить в них открытый за два года до этого элемент таллий. Ученые подвергали анализу образец за образцом, однако, как ни вглядывались они в возникающие перед ними спектры, сочных зеленых линий, присущих таллию, не было и в помине. Но, видимо, в тот погожий день фортуне очень уж не хотелось поворачиваться спиной к фрейбергским химикам. Почему бы не вознаградить их за долготерпенье и кропотливый труд? И вот в очередном спектре перед взором ученых предстала необыкновенно яркая синяя линия, не принадлежавшая ни одному из известных элементов. Рейху и Рихтеру стало ясно, что им посчастливилось открыть новый элемент. А за сходство его спектральной линии с королевой красок "новорожденного" решено было назвать индием.
Теперь перед учеными встала проблема: выделить металл в чистом виде. Немало потратили они времени и труда, прежде чем сумели получить два образца металлического индия, каждый величиной с карандаш. Кстати, сходство с карандашом было не только внешним: индий оказался удивительно мягким металлом - почти в пять раз мягче свинца и в 20 раз мягче чистого золота. Из десяти минералов, составляющих шкалу твердости по Моосу, девять тверже индия; ему уступает лишь самый податливый из них - тальк. На бумаге индий оставляет заметный след. Однако писать индиевыми "карандашами" было бы таким же безрассудным расточительством, как топить печку ассигнациями: французская Академия наук оценила образцы нового металла в 80 тысяч долларов - по 700 долларов за грамм!
Появляясь на свет, индий, разумеется, не подозревал, что доставит немало хлопот великому русскому химику Д. И. Менделееву. Впрочем, виноват в этом был не столько индий, сколько его первооткрыватели: они приняли новый металл за близкого родственника цинка и поэтому ошибочно решили, что он, как и цинк, двухвалентен.
Кроме того, ученые неправильно определили его атомный вес, посчитав его равным 75,6. Но в этом случае для индия не находилось места в периодической таблице, и Менделеев пришел к выводу, что индий трехвалентен, по свойствам он гораздо ближе к алюминию, чем к цинку, а атомный вес его составляет примерно 114. Это был далеко не единственный случай, когда великий химик на основе обнаруженного им закона вносил существенные коррективы в характеристики уже известных элементов. И на этот раз жизнь подтвердила его правоту: атомный вес индия, определенный с помощью самых точных методов, оказался равным 114,82. Элементу было отведено место № 49 в третьем ряду периодической системы.
Природный индий состоит из двух изотопов с массовыми числами 113 и 115, причем доля более тяжелого из них значительно солиднее-95,7%. До середины XX века оба эти изотопа имели репутацию стабильных. Однако в 1951 году ученые установили, что индий-115 все же подвержен бета-распаду и постепенно превращается в олово-115. Правда, процесс этот протекает крайне медленно: период полураспада ядер индия-115 очень велик- 6 * 1014 лет. Вполне понятно, что при таких "темпах" индию долго удавалось скрывать свою радиоактивность. В последние десятилетия физики получили около 20 радиоактивных изотопов индия; период полураспада наиболее долгоживущего из них (индия-114)-49 дней.
Подобно многим другим металлам, индий долгое время не находил практического применения. И на это были вполне уважительные причины: ведь индий не только довольно редкий элемент (по содержанию в земной коре он среди "обитателей" периодической системы занимает скромное место в седьмом десятке), но и крайне рассеянный: в природе практически нет минералов, в которых главным компонентом (или хотя бы одним из основных) был бы индий. В лучшем случае его можно встретить в виде ничтожных примесей к рудам других металлов, где содержание его не превышает обычно 0,05%. Можно себе представить, какие трудности надо преодолеть, чтобы извлечь из этих руд спрятавшиеся в них крохи индия.
Однако свойства этого металла не могли оставлять равнодушными представителей технического мира. В 1924 году индием всерьез заинтересовался американский инженер Маррей. В поисках индиевых месторождений он вдоль и поперек исколесил Соединенные Штаты Америки, пока, наконец, в песчаных холмах Аризоны не обнаружил хоть и не ахти какие, но все же более высокие, чем в других местах, концентрации этого рассеянного элемента. Вскоре здесь возник завод по производству индия.
Одной из первых областей применения индия стало изготовление высококачественных зеркал, необходимых для астрономических приборов, прожекторов, рефлекторов и тому подобных устройств. Оказывается, обычное зеркало не одинаково отражает световые лучи различных цветов. Это значит, например, что цветная одежда, если ее рассматривать в зеркало, имеет несколько иную окраску, чем на самом деле. Правда, глаз модницы, сидящей перед трельяжем, не в состоянии зафиксировать такие перемены в ее туалете, но для многих приборов цветовая фальсификация просто недопустима. И серебряные, и оловянные, и ртутно-висмутовые зерцала грешат этим недостатком. Индий же не только обладает чрезвычайно высокой отражательной способностью, но и проявляет при этом полнейшую объективность, совершенно одинаково относясь ко всем цветам радуги - от красного до фиолетового. Вот почему, чтобы свет, излучаемый далекими звездами, доходил до астрономов неискаженным, в телескопах устанавливают индиевые зеркала.
В отличие от серебра, индий не тускнеет на воздухе, сохраняя высокий коэффициент отражения. Между прочим, индий сыграл немаловажную роль при... защите Лондона от массированных налетов немецкой авиации во время второй мировой войны. На первый взгляд, такое утверждение может показаться странным, но именно индиевые зеркала позволяли прожекторам противовоздушной обороны в поисках воздушных пиратов легко пробивать мощными лучами плотный туман, нередко окутывавший британские острова.
Поскольку индий имеет низкую температуру плавления - всего 156 °С, во время работы прожектора зеркало постоянно нуждалось в охлаждении, однако английское военное ведомство охотно шло на дополнительные расходы, с удовлетворением подсчитывая число сбитых вражеских самолетов.
Но часто в технике низкая температура плавления может служить не недостатком, а достоинством. Так, сплав индия с висмутом, свинцом, оловом и кадмием плавится уже при 46,8 °С и благодаря этому успешно справляется с ролью автоматического контролера, предохраняющего ответственные узлы и детали различных механизмов от перегрева. Известен сплав индия с галлием и оловом, который даже при комнатной температуре находится в жидком состоянии: он плавится при 10,6 °С. Плавкие предохранители из индиевых сплавов широко используют в системах пожарной сигнализации.
Любопытные эксперименты, связанные с температурой плавления индия, были проведены в Канаде. Исследуя с помощью электронного микроскопа мельчайшие частицы этого металла, канадские физики обнаружили, что, когда размер частиц индия становится меньше некоторой величины, температура плавления его резко понижается. Так, частицы индия размером не более 30 ангстрем плавятся при температуре чуть выше 40 °С. Такой колоссальный скачок - от 156 до 40 °С - представляет для ученых несомненный интерес. Но природа этого эффекта даже для видавшей виды современной физики пока остается загадкой: ведь теория процессов плавления разрабатывалась применительно к значительным массам вещества, а в опытах канадских физиков расплавлению подвергались "гомеопатические" дозы индия-всего несколько тысяч атомов.
Ценное свойство индия - его высокая стойкость к действию едких щелочей и морской воды. Эту способность приобретают и медные сплавы, в которые введено даже небольшое количество индия. Обшивка нижней части корабля, выполненная из такого сплава, легко переносит длительное пребывание в соленом подводном царстве.
Подшипникам, применяемым в современной технике, например в авиационных моторах, приходится трудиться в довольно тяжелых условиях: скорость вращения вала достигает нескольких тысяч оборотов в минуту, металл при этом нагревается и его сопротивление разъедающему действию смазочных масел снижается. Чтобы металл подшипников не подвергался эрозии, ученые предложили наносить на них тонкий слой индия. Его атомы не только плотно покрывают рабочую поверхность металла, но и проникают вглубь, образуя с ним прочный сплав. Такой металл смазке уже не по зубам: срок службы подшипников возрастает в пять раз.
Кстати, о зубах. Из индиевых сплавов (например, с серебром, оловом, медью и цинком), которым свойственны высокая прочность, коррозионная стойкость, долговечность, изготовляют зубные пломбы. В этих сплавах индий играет ответственную роль: он сводит к минимуму усадку металла при затвердевании пломбы.
Авиаторы хорошо знакомы с цинкоиндиевым сплавом, служащим антикоррозионным покрытием для стальных пропеллеров. Своеобразным тончайшим "одеялом" из олова и оксида индия "укутывают" ветровые стекла самолетов. Такое стекло не замерзает - на нем не появляются ледяные узоры, которые вряд ли радовали бы взор пилотов. Сплавы индия широко используют для склеивания стекол или стекла с металлом (например, в вакуумной технике).
Некоторые сплавы индия очень красивы - неудивительно, что они приглянулись ювелирам. Как декоративный металл используют, в частности, сплав 75 % золота, 20% серебра и 5% индия - так называемое зеленое золото. Известная американская фирма "Студебеккер" вместо хромирования наружных деталей автомобилей не без успеха применила индирование. Индиевое покрытие значительно долговечнее хромового.
В атомных реакторах индиевая фольга служит контролером, измеряющим интенсивность потока тепловых нейтронов и их энергию: сталкиваясь с ядрами стабильных изотопов индия, нейтроны превращают их в радиоактивные; при этом возникает излучение электронов, по интенсивности и энергии которого судят о нейтронном потоке.
Но бесспорно важнейшая область применения индия в современной технике-промышленность полупроводников. Индий высокой чистоты необходим для изготовления германиевых выпрямителей и усилителей: он выступает при этом в роли примеси, обеспечивающей дырочную проводимость в германии. Кстати, сам индий, используемый для этой цели, практически не содержит примесей: выражаясь языком химиков, его чистота- "шесть девяток", т. е. 99,9999%! Некоторые соединения индия (сульфид, селенид, антимонид, фосфид) сами являются полупроводниками; их применяют для изготовления термоэлементов и других приборов. Антимонид индия, например, служит основой инфракрасных детекторов, способных "видеть" в темноте даже едва нагретые предметы.
Индий оказался одним из немногих пока химических элементов, "командированных" в космос, чтобы вписать новые страницы в технологию неорганических материалов. В 1975 году, незадолго до начала совместного советско-американского космического полета по программе "Союз" - "Аполлон", командиры экипажей А. Леонов и Т. Стаффорд в беседе с корреспондентом ТАСС высказали свое мнение о значении предстоящих экспериментов на орбите. В частности, они затронули вопрос о технологических опытах по плавке металлов и выращиванию кристаллов различных веществ.
"Предстоит выяснить возможность использования невесомости и вакуума для получения новых материалов - металлических и полупроводниковых, - сказал А. Леонов. - По мнению советских и американских ученых, в космосе можно сплавлять компоненты, не смешиваемые на Земле, создавать жаропрочные материалы..."
"Наши астронавты. - добавил Т. Стаффорд, - на борту орбитальной станции "Скайлэб" проводили опыты по выращиванию кристаллов антимонида индия. Удалось получить кристалл самый чистый и самый прочный из всех, когда-либо искусственно полученных на Земле".
А в 1978-1980 годах на борту советской орбитальной научной станции "Салют-6" были проведены новые технологические эксперименты, в которых "участвовали" индий и его соединения.
Опыты с соединениями индия ведут и на Земле. Так, недавно антимонид индия был подвергнут давлению в 30 тысяч атмосфер. Оказалось, что в результате таких "крепких объятий" изменилась кристаллическая решетка вещества и при этом его электропроводность возросла в миллион раз!
Мировое производство индия пока очень мало - всего несколько десятков тонн в год. Обычно этот ценнейший металл получают как... побочный продукт при переработке руд цинка, свинца, меди, олова. Оригинальный способ получения индия разработали ученые ГДР. Они предложили добывать его из пыли, облака которой "украшали" небо над одним из предприятий по переработке медистых сланцев. Пыль, в которой среди прочих компонентов содержится индий, сначала промывается горячей серной кислотой, затем проходит долгий путь сложных превращений, в результате которых получается чистый индий.
Интерес к индию все время растет. Ученые стремятся как можно больше узнать об этом металле. Несколько лет назад физики США сумели заполнить еще один пробел в характеристике индия, определив конфигурацию его ядра: оказалось, что оно напоминает... футбольный мяч с полоской по "экватору".
...В природе индий встречается редко, но можно с уверенностью утверждать, что в промышленном мире он с каждым годом будет становиться все более и более желанным гостем.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.alhimik.ru/