Периодическая система элементов Менделеева - Индий

C давних пор в Европевысоко ценилась привозимая из страны чудес Индииярко-синяя краска «индиго». По чистоте цвета онамогла соперничать с синими лучами солнечногоспектра. Владельцы текстильных предприятий нескупились на расходы, чтобы приобрести этукоролеву красок, применявшуюся для крашениясукна и других тканей. Когда в конце XVIII векаФранция оказалась отрезанной английским военнымфлотом от Индии и других южных стран, многиезаморские товары, в том числе и знаменитая краска«индиго», стали весьма дефицитными. Наполеон,желавший сохранить для своей армии традиционныетемно-синие мундиры, пообещал колоссальнуюпремию - миллион франков! - тому, кто найдет способполучения чудесной краски из европейского сырья.

Мы не случайно начали рассказ об одномиз редких металлов - индии - с упоминания о краске«индиго»: ведь именно ей элемент № 49 обязан своимназванием.

В 1863 году в химической лабораториималенького немецкого городка Фрейбергапрофессор Фердинанд Рейх и его ассистент ТеодорРихтер занимались спектроскопическимисследованием цинковых минералов Саксонскихгор, надеясь обнаружить в них открытый за двагода до этого элемент таллий. Ученые подвергалианализу образец за образцом, однако, как нивглядывались они в возникающие перед нимиспектры, сочных зеленых линий, присущих таллию,не было и в помине. Но, видимо, в тот погожий деньфортуне очень уж не хотелось поворачиватьсяспиной к фрейбергским химикам. Почему бы. невознаградить их за долготерпенье и кропотливыйтруд? И вот в очередном спектре перед взоромученых предстала необыкновенно яркая синяялиния, не принадле

жавшая ни одному из известныхэлементов. Рейху и Рихтеру стало ясно, что импосчастливилось открыть новый элемент. А засходство его спектральной линии с королевойкрасок «новорожденного» решено было назватьиндием.

Теперь перед учеными встала проблема:выделить металл в чистом виде. Немало потратилиони времени и труда, прежде чем сумели получитьдва образца металлического индия, каждыйвеличиной с карандаш. Кстати, сходство скарандашом было не только внешним: индийоказался удивительно мягким металлом - почти впять раз мягче свинца и в 20 раз мягче чистогозолота. Из десяти минералов, составляющих шкалутвердости по Моосу, девять тверже индия;

ему уступает лишь самый податливый изних - тальк. На бумаге индий оставляет заметныйслед. Однако писать индиевыми «карандашами» былобы таким же безрассудным расточительством, кактопить печку ассигнациями: французская Академиянаук оценила образцы нового металла в 30 тысячдолларов - по 700 долларов за грамм!

Появляясь на свет, индий, разумеется,не подозревал, что доставит немало хлопотвеликому русскому химику Д. И. Менделееву.Впрочем, виноват в этом был не столько индий,сколько его первооткрыватели: они приняли новыйметалл за близкого родственника цинка и поэтомуошибочно решили, что он, как и цинк, двухвалентен.Кроме того, ученые неправильно определили егоатомный вес, посчитав его равным 75,6. Но в этомслучае для индия не находилось места впериодической таблице, и Менделеев пришел квыводу, что индий трехвалентен, по свойствам онгораздо ближе к алюминию, чем к цинку, а атомныйвес его составляет примерно 114.'Это был далеко неединственный случай, когда великий химик наоснове обнаруженного им закона вносилсущественные коррективы в характеристики ужеизвестных элементов. И на этот раз жизньподтвердила его правоту: атомный вес индия,определенный с помощью самых точных методов,оказался равным 114,82.'Элементу было отведеноместо № 49 в третьем ряду периодической системы.

Природный индий состоит из двухизотопов с массовыми числами 113 и 115, причем доляболее тяжелого из них значительно солиднее-95,7%.До середины XX века оба эти изотопа имелирепутацию стабильных. Однако в 1951 году ученыеустановили, что индий-115 все же подверженбета-распаду и постепенно превращается волово-115. Правда, процесс этот протекает крайнемедленно: период полураспада ядер индия-115 оченьвелик-6-.1014 лет. Вполне понятно, что при таких«темпах» индию долго удавалось скрывать своюрадиоактивность. В последние десятилетия физикиполучили около 20 радиоактивных изотопов индия;период полураспада наиболее долгоживущего изних (индия-114)-49 дней.

Подобно многим другим металлам, индийдолгое время не находил практическогоприменения. И на это были вполне уважительныепричины: ведь индий не только довольно редкийэлемент (по содержанию в земной коре он среди«обитателей» периодической системы занимаетскромное место в седьмом десятке), но и крайнерассеянный: в природе практически нет минералов,в которых главным компонентом (или хотя бы однимиз основных) был бы индий. В лучшем случае егоможно встретить в виде ничтожных примесей крудам других металлов, где содержание его непревышает обычно 0,05%. Можно себе представить,какие трудности надо преодолеть, чтобы извлечьиз этих руд спрятавшиеся в них крохи индия.

Однако свойства этого металла не моглиоставлять равнодушными представителейтехнического мира. В 1924 году индием всерьеззаинтересовался американский инженер Маррей. Впоисках индиевых месторождений он вдоль ипоперек исколесил Соединенные Штаты Америки,пока, наконец, в песчаных холмах Аризоны необнаружил хоть и не ахти какие, но все же болеевысокие, чем в других местах, концентрации этогорассеянного элемента. Вскоре здесь возник заводпо производству индия.

Одной из первых областей примененияиндия стало изготовление высококачественныхзеркал, необходимых для астрономическихприборов, прожекторов, рефлекторов и томуподобных устройств. Оказывается, обычное зеркалоне одинаково отражает световые лучи различныхцветов. ' Это значит, например, что цветная одежда,если ее рассматривать в зеркало, имеет несколькоиную окраску, чем на самом деле.

Правда, глаз модницы, сидящей передтрельяжем, не в состоянии зафиксировать такиеперемены в ее туалете, но для многих приборовцветовая фальсификация просто недопустима. Исеребряные, и оловянные, и ртутно-висмутовыезеркала грешат этим недостатком. Индий же нетолько обладает чрезвычайно высокойотражательной способностью, но и проявляет приэтом полнейшую объективность, совершенноодинаково относясь ко всем цветам радуги - открасного до фиолетового. Вот почему, чтобы свет,излучаемый далекими звездами, доходил доастрономов неискаженным, в телескопахустанавливают индиевые зеркала.

В отличие от серебра, индий не тускнеетна воздухе, сохраняя высокий коэффициентотражения. Между прочим, индий сыгралнемаловажную роль при... защите Лондона отмассированных налетов немецкой авиации во времявторой мировой войны. На первый взгляд, такоеутверждение может показаться странным, но именноиндиевые зеркала позволяли прожекторампротивовоздушной обороны в поисках воздушныхпиратов легко пробивать мощными лучами плотныйтуман, нередко окутывавший британские острова.Поскольку индий имеет низкую температуруплавления-всего 156°С, во время работы прожекторазеркало постоянно нуждалось в охлаждении, однакоанглийское военное ведомство охотно шло надополнительные расходы, с удовлетворениемподсчитывая число сбитых вражеских самолетов.

Но часто в технике низкая температураплавления может служить не недостатком, адостоинством. Так, сплав индия с висмутом,свинцом, оловом и кадмием плавится уже при 46,8° С иблагодаря этому успешно справляется с рольюавтоматического контролера, предохраняющегоответственные узлы и детали различныхмеханизмов от перегрева. Известен сплав индия сгаллием и оловом, который даже при комнатнойтемпературе находится в жидком состоянии: онплавится при 10,6° С. Плавкие предохранители изиндиевых сплавов широко используют в системахпожарной сигнализации.

Любопытные эксперименты, связанные стемпературой плавления индия, были проведены вКанаде. Исследуя с помощью электронногомикроскопа мельчайшие частицы этого металла,канадские физики обнаружили, что, когда размерчастиц индия становится меньше некоторойвеличины, температура плавления его резкопонижается. Так, частицы индия размером не более30 ангстрем плавятся при температуре чуть выше40°С. Такой колоссальный скачок - от 156 до 40°С-представляет для ученых несомненный интерес. Ноприрода этого эффекта даже для видавшей видысовременной физики пока остается загадкой: ведьтеория процессов плавления разрабатываласьприменительно к значительным массам вещества, ав опытах канадских физиков расплавлениюподвергались «гомеопатические» дозы индия-всегонесколько тысяч атомов.

Ценное свойство индия - его высокаястойкость к действию едких щелочей и морскойводы. Эту способность приобретают и медныесплавы, в которые введено даже небольшоеколичество индия. Обшивка нижней части корабля,выполненная из такого сплава, легко переноситдлительное пребывание в соленом подводномцарстве.

Подшипникам, применяемым всовременной технике, например в авиационныхмоторах, приходится трудиться в довольно тяжелыхусловиях: скорость вращения вала достигаетнескольких тысяч оборотов в минуту, металл приэтом нагревается и его сопротивлениеразъедающему действию смазочных маселснижается. Чтобы металл подшипников неподвергался эрозии, ученые предложили наноситьна них тонкий слой индия. Его атомы не толькоплотно покрывают рабочую поверхность металла, нои проникают вглубь, образуя с ним прочный сплав.Такой металл смазке уже не по зубам:

срок службы подшипников возрастает впять 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 индийиграет ответственную роль: он сводит к минимумуусадку металла при затвердевании пломбы.

Авиаторы хорошо знакомы сцинкоиндиевым сплавом, служащимантикоррозионным покрытием для стальныхпропеллеров. Своеобразным тончайшим «одеялом»из олова и окиси индия «укутывают» ветровыестекла самолетов. Такое стекло не замерзает - нанем не появляются ледяные узоры, которые вряд лирадовали бы взор пилотов. Сплавы индия широкоиспользуют для склеивания стекол или стекла сметаллом (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 - такназываемое зеленое золото. Известнаяамериканская фирма «Студебеккер» вместохромирования наружных деталей автомобилей небез успеха применила индирование. Индиевоепокрытие значительно долговечнее хромистого.

В атомных реакторах индиевая фольгаслужит контролером, измеряющим интенсивностьпотока тепловых нейтронов и их энергию:сталкиваясь с ядрами стабильных изотопов индия,нейтроны превращают их в радиоактивные; при этомвозникает излучение электронов, поинтенсивности и энергии которого судят онейтронном потоке.

Но бесспорно важнейшая областьприменения индия в современной технике -промышленность полупроводников. Индий высокойчистоты необходим для изготовления германиевыхвыпрямителей и усилителей: он выступает при этомв роли примеси, обеспечивающей дырочнуюпроводимость в германии. Кстати, сам индий,используемый для этой цели, практически несодержит примесей: выражаясь языком химиков, егочистота- «шесть девяток», т. е. 99,9999%! Некоторыесоединения индия (сульфид, селенид, антимонид,фосфид) сами являются полупроводниками; ихприменяют для изготовления термоэлементов идругих приборов. Антимонид индия, например,служит основой инфракрасных детекторов,способных «видеть» в темноте даже едва нагретыепредметы.

Индий оказался одним из немногих покахимических элементов, «командированных» вкосмос, чтобы вписать новые страницы втехнологию неорганических материалов. В 1975 году,незадолго до начала совместногосоветско-американского космического полета попрограмме «Союз»- «Аполлон», командиры экипажейА. Леонов и Т. Стаффорд в беседе с корреспондентомТАСС высказали свое мнение о значениипредстоящих экспериментов на орбите. Вчастности, они затронули вопрос отехнологических опытах по плавке металлов ивыращиванию кристаллов различных веществ.«Предстоит выяснить возможность использованияневесомости и вакуума для получения новыхматериалов - металлических и полупроводниковых, -сказал А. Леонов. По мнению советских иамериканских ученых, в космосе можно сплавлятькомпоненты, не смешиваемые на Земле, создаватьжаропрочные материалы...» «Наши астронавты,-добавил Т. Стаффорд, - на борту орбитальнойстанции «Скайлэб» проводили опыты повыращиванию кристаллов антимонида индия.Удалось получить кристалл самый чистый и самыйпрочный из всех, когда-либо искусственнополученных на Земле». А в 1978-1980 годах на бортусоветской орбитальной научной станции «Салют-6»были проведены новые технологическиеэксперименты, в которых «участвовали» индий иего соединения.

Опыты с соединениями индия ведут и наЗемле. Так, недавно антимонид индия былподвергнут давлению в 30 тысяч атмосфер.Оказалось, что в результате таких «крепкихобъятий» изменилась кристаллическая решеткавещества и при этом его электропроводностьвозросла в миллион раз!

Мировое производство индия пока оченьмало - всего несколько десятков тонн в год. Обычноэтот ценнейший металл получают как... побочныйпродукт при переработке руд цинка, свинца, меди,олова. Оригинальный способ получения индияразработали ученые ГДР. Они предложили добыватьего из пыли, облака которой «украшали» небо надодним из предприятий по переработке медистыхсланцев. Пыль, в которой среди прочих компонентовсодержится индий, сначала промывается горячейсерной кислотой, затем проходит долгий путьсложных превращений, в результате которыхполучается чистый индий.

Интерес к индию все время растет.Ученые стремятся как можно больше узнать об этомметалле. Несколько лет назад физики США сумелизаполнить еще один пробел в характеристикеиндия, определив конфигурацию его ядра:оказалось, что оно напоминает... футбольный мяч сполоской по «экватору».

...В природе индий встречается редко, номожно с уверенностью утверждать, что впромышленном мире он с каждым годом будетстановиться все более и более желанным гостем.