Das Element Indium - Das Periodensystem online (2024)

49, Indium (In)

indigoblau

Das Element Indium:


Zn	Ga	Ge
Cd	In	Sn
Hg	Tl	Pb

Natürliche Entstehung von Indium (Nukleosynthese): Indium entsteht während der Nukleosynthese mit zwei Isotopen der Massenzahlen 113 und 115. Beide Nuklide können sowohl infolge von r-Prozessen nach Supernova-Explosionen als auch mittels s-Prozesse in Roten Riesen fusioniert werden. In-115 ist ein Betastrahler, der mit einer Halbwertszeit von 440 Billionen Jahren zu Zinn-115 zerfällt. Das natürliche Isotopengemisch von Indium besteht zu 95,71% aus dem radioaktiven Isotop In-115 und zu 4,29% aus In-113. Damit ist Indium neben Rhenium das zweite Element mit einer Protonenzahl von weniger als 82, bei welchem das radioaktive Isotop im Isotopengemisch häufiger vorkommt, als das stabile.

Die Indium-Synthese:

¹¹³In-Synthese:
(s- oder r-Prozesse:)

¹¹²Cd + n → ¹¹³In + β^- + 6,89 MeV

⁵⁶Fe + 57n → ¹¹³In + 23β^- + 489 MeV

¹¹⁵In-Synthese:
(s- oder r-Prozesse:)

¹¹⁴Cd + n → ¹¹⁵In + β^- + 7,59 MeV

⁵⁶Fe + 59n → ¹¹⁵In + 23β^- + 505 MeV

Natürlich zusammengesetztes Indium hat eine Aktivität von rd. 250 Becquerel pro Kilogramm. Kalium mit natürlicher Isotopenzusammensetzung strahlt ca. 124 fach stärker. Damit ist die Radioaktivtät von Indium zwar deutlich messbar, jedoch ungefährlich.

Vorkommen von Indium: Indium kommt im Universum mit nur 300 ng/kg durchschnittlich in der Materie vor; es gehört damit zu den seltensten Elementen mit einer Protonenzahl von weniger als 84 (Rang 78). Auf der Erde ist es dank seiner Affinität zu Sauerstoff wie die meisten Metalle, während der Entstehung unseres Planeten etwas angereichert worden. So besteht die Materie der Erde insgesamt zu rd. 3μg/kg aus dem Element (Rang 78); in der Erdkruste findet es sich mit 0,25 mg/kg (Rang 64).

Indium bildet nur einige wenige, sehr selten vorkommende eigenständige Mineralien. So enthält das Mineral Indit, FeIn₂S₄,55% Indium; der Roquésit - welcher dem Gallit in seiner Zusammensetzung analog ist (CuInS₂)- bis zu 47% Indium. Die Hauptmenge des Elementes kommt diffus in Zink- oder Bleierzen, ebenfalls in sulfidischer Form vor. So findet es sich im Sphalerit (ZnS, Zinksulfid) und im Galenit (Bleisulfid, PbS) spurenweise. Durchschnittlich enthalten die beiden Erze zwischen 70 und 200 ppm Indium.

Wichtige indiumhaltige Erze
Sphalerit, Zinksulfid, ZnS[1]	Galenit, Bleisulfid, PbS[1]

Indium-Gewinnung: Indium wird ausschließlich als Nebenprodukt bei der Zinkgewinnung bzw. Bleigewinnung aus sulfidischen Erzen gewonnen, wo es sich in der Röstasche in Form seines Oxides anreichert. Man schmilzt die Röstasche zusammen mit Kupfer(I)oxid reduktiv unter Zuschlag von Koks (C) zu einem so genannten Kupfer-Regulus ein. In diesem legieren sich die edleren Metalle ein, so auch Gallium, Indium oder Zinn. Die Reguli werden anschließend im Chlorstrom vollständig chloriert. Nun werden verschiedene Metalle aus diesem Chloridgemisch infolge Anwendung verschiedener physikalischer Trennverfahren gewonnen. So kann man beispielsweise Germanium, welches ebenfalls in Spuren in den Röstaschen vorhanden ist, durch Abdestillation seines Chlorides (Germanium(IV)chlorid, GeCl₄) aus dem Gemisch separieren. Vom Galliumchlorid kann es durch Fällen als Hydroxid bei pH-Werten oberhalb 7 und unterhalb 10 abgetrennt werden, da hierbei Indium(III)hydroxid ausfällt, während das Gallium bereits als Tetrahydroxidgallat(III)-Komplex in Lösung verbleibt. Das Indiumhydroxid kann nach Abfiltrieren wieder in Salzsäure gelöst werden, und wieder in Indium(III)chlorid überführt werden. Das Indium(III)chlorid lässt sich durch Extraktion mit Tributylphosphat (TBP) aus der Lösung ausschütteln, und von anderen evtl. noch vorhandenen Verunreinigungen (beispielsweise Spuren von Aluminium) reinigen.

Elektrolyse. Nun kann das Indiumchlorid mittels wässriger, salzsaurer Elektrolyse unter Verwendung einer Quecksilberkathode (Graphitanode) elementar dargestellt werden.

Um das für manche Anwendungen benötigte höchstreine Indium (>99,999999%) zu erhalten, kann es durch wiederholtes Zonenschmelzen gereinigt werden.

Bilder zur Indium-Gewinnung
Schema: In-Gewinnung[2]	Indium-Schmelzbarren[2]

Chemie von Indium: Indium hat die Elektronenkonfiguration [Kr] 5s²4d¹⁰5p¹. Daher reagiert es bevorzugt in der Oxidationsstufe +3 (Angabe der s- und des p-Elektrons). Daneben sind jedoch auch Verbindungen bekannt, in denen es die Oxidationsstufe +1 aufweist. Diese Verbindungen sind Reduktionsmittel, und setzen sich in Wasser zu In(III)-Verbindungen unter Wasserstoff-Angabe um. Echte Indium(II)-Verbindungen gibt nicht, bei Verbindungen, die sich stöchiometrisch scheinbar so verhalten, sind in Wahrheit stets In(I)-In(III)-Verbindungen. Beispiel: InS entspricht In₂S•In₂S₃.

Verhalten an der Luft: Bei Zimmertemperatur ist Indium dank Ausbildung einer kompakten Oxidschicht an der Luft stabil gegen Oxidation. Bei starkem Erwärmen verbrennt es jedoch durchgreifend mit blauer Flamme zum Indium(III)oxid.

4In + 3O₂ → 2In₂O₃ + 1851,6 kJ

Verhalten gegenüber Wasser, Säuren und Laugen. Gegenüber Wasser und oxidierenden Säuren ist Indium dank Passivierung bzw. Ausbildung einer unlöslichen (Hydr)oxidschicht beständig. Von nichtoxidierenden Säuren wird es langsam unter Wasserstoffentwicklung zu In(III)-Salzen aufgelöst. Im Ggs. zu Aluminium und Gallium ist elementares Indium in Laugen unlöslich - auch nicht in siedenden Alkalihydroxid-Lösungen. In Alkali-Schmelzen wird es jedoch zu Indaten und Wasserstoff umgesetzt.

Reaktionen mit Halogenen. Von Fluor wird Indium bei Zimmertemperatur, von Chlor, Brom und Iod beim Erwärmen zu Trihalogeniden (InF₃, InCl₃, InBr₃ bzw. InI₃) umgesetzt. Die Indium(III)-Halogenide sind weit ionischer als die entsprechenden Aluminium- bzw. Galliumverbindungen aufgebaut.

Eigenschaften der Indiumhalogenide
	Indiumfluorid	Indiumchlorid	Indiumbromid	Indiumiodid
Formel (wasserfrei) Raumtemperatur	InF₃	InCl₃	InBr₃	In₂I₆
Formel (wasserhaltig)	InF₃•3H₂O	InCl₃•6H₂O	InBr₃•6H₂O	InI₃•6H₂O
Schmelzpunkte (wasserfrei)	1172°C	586°C	436°C	210°C
Molekülmodelle

Physikalische Besonderheiten von Indium bzw. von seinen Verbindungen: Flammenfärbung. Regt man Indiumatome energetisch (Wärmezufuhr) an, so zeigt es eine blaue Flammenfärbung mit Hauptemissionslinien bei Wellenlängen von 451,4 nm und 410,2 nm. Diese kommt dadurch zustande, dass s- und p-Elektronen durch die energetische Anregung auf das - beim Indium nicht besetzte - 5d-Orbital angehoben werden. Beim Herabfallen auf die Ursprungsniveaus wird die dabei freiwerdende Energie in Form von Licht emittiert.

Flammenfärbung eines Indium-Salzes[2]

Verwendung von Indium und seinen Verbindungen:Indium und seine Legierungen:

Galinstan™ ist eine tiefschmelzende Legierung aus Gallium, Indium und Zinn als alternative Füllung von Fieberthermometern. Sie schmilzt bei -19,5°C.

p-Dotierungsmittel für Silicium oder Germanium. Durch die Zugabe geringer Mengen (auf atomarer Ebene) von Indium zu diesen beiden Halbmetallen kann man gezielt eine Elektronenlücke erzeugen. Damit wird das Halbmetall nicht mehr für weitere überschüssige Elektronen leitend, sondern nur für eine - auf Elektronenmangel beruhende - positive Ladung. Das Indiumatom im Si (bzw. Ge)-Gefüge wirkt als Elektronenakzeptator. Dies macht man sich beim Bau von Gleichrichtern zunutze, die in der Lage sind, aus Wechselstrom (pulsierenden) Gleichstrom zu erzeugen.

Indiumverbindungen:

Halbleitertechnik. In Verbindung mit den Elementen der N-P-Gruppe oder der Chalkogene sind vom Indium zahlreiche verschiedene Halbleiter zugänglich. Aus diesen werden Transistoren, Solarzelle, Dioden u.ä. mit ganz spezifischen Eigenschaften für spezielle Anwendungen gefertigt.

TFT-Bildschirme und LCD-Bildschirme (TFT = Thin Film Transitor, LCD = Liquid Crystal Display) enthalten Flüssigkristalle bzw. Mikrotransistoren, welche aus Indiumzinnoxid gefertigt werden.

Indiumgalliumnitrid, (In|Ga)N wird zum Bau von Leuchtdioden verwendet, die je nach Zusammensetzung Licht vom nahen UV-Bereich bis hin zu Grün emittieren können. Aus (In|Ga)N werden auch Laserdioden zum Beschreiben und Lesen von Blue-Ray-Discs (405,0 nm) gefertigt. Dies ist die momentan wichtigste Verwendungsmösglichkeit von Gallium. (In|Ga)N stellt einen Halbleiter dar, der eine recht hohe Storstellentoleranz hat, es daher möglich ist, mehrere photoempfindliche Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung übereinanderzulegen. Dadurch erhält man eine Solarzellen-Anordnung, die ein relativ breites Spektrum des Sonnenlichtes in elektrische Energie umwandeln kann.[3]

Beispiele für die Verwendung von Indium und seinen Verbindungen bzw. Legierungen
Blaue Leuchtdioden[4]	Galinstan™-befülltes Thermometer[5]	TFT-Bildschirm[2]

Biologische Bedeutung von Indium: Von Indium sind bisher keine biologischen Funktionen bekannt geworden. Es wirkt allerdings auch nicht toxisch.

Quellen:[1] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber:

Rob Lavinsky. Das Bild ist unter den Bedingungen der

Creative Commons Lizenz freigegeben.

[2] Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.

[3] Wikipedia: Artikel Indiumgalliumnitrid.

[4] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: © 2005, by Christian Pelant. Der Urheber gestattet jedermann jede Form der Nutzung, unter der Bedingung der angemessenen Nennung seiner Urheberschaft. Weiterverbreitung, Bearbeitung und kommerzielle Nutzung sind gestattet.

[5] Bildquelle: http://www.proaktivo.de.