Indium | Institut für Seltene Erden und Metalle (2024)

Indium Preis, Vorkommen, Gewinnung und Verwendung

Allgemein

Indiumist einchemisches Elementmit dem SymbolInund derOrdnungszahl49. ImPeriodensystem der Elementesteht es in der5. Periodeund ist das vierte Element der 3.Hauptgruppe(nach neuer Zählung Gruppe 13) oderBorgruppe. Indium ist ein seltenes, silberweißes und weichesSchwermetall. SeineHäufigkeitin der Erdkruste ist vergleichbar der von Silber. Indium ist für den menschlichen Körper nichtessentiell, genauso wenig sindtoxischeEffekte bekannt.Das Metall wird heute zum größten Teil zuIndiumzinnoxidverarbeitet, das als transparenter Leiter fürFlachbildschirmeundTouchscreenseingesetzt wird. Seit der Jahrtausendwende hat die damit verbundene gestiegene Nachfrage zu einem deutlichen Anstieg der Indiumpreise und zu Diskussionen über die Reichweite der Vorkommen geführt.

Indium wurde 1863 von den deutschen ChemikernFerdinand ReichundTheodor Richteran derBergakademie Freibergentdeckt. Sie untersuchten eine in der Umgebung gefundeneSphalerit-Probe nachThallium. Dabei fanden sie imAbsorptionsspektrumanstatt der erwarteten Thallium-Linien eine bisher unbekannteindigoblaueSpektrallinieund damit ein bisher unbekanntes Element. Nach dieser erhielt das neue Element später seinen Namen. Kurze Zeit später konnten sie zunächst Indiumchlorid und -oxid, durch Reduktion von Indiumoxid mitWasserstoffauch das Metall darstellen. Eine größere Menge Indium wurde erstmals auf derWeltausstellung 1867 in Parisgezeigt.

Nach einer ersten Anwendung ab 1933 als Legierungsbestandteil in Zahngold begann der umfangreiche Einsatz von Indium mit demZweiten Weltkrieg. DieVereinigten Staatensetzten es als Beschichtung in hoch beanspruchtenLagernvonFlugzeugenein. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde Indium vor allem in der Elektronikindustrie, als Lötmaterial und in niedrig schmelzendenLegierungeneingesetzt. Auch die Verwendung inKontrollstäbenvonKernreaktorenwurde mit der zunehmenden Verwendung derKernenergiewichtig. Dies führte bis 1980 zu einem ersten starken Ansteigen des Indiumpreises. Nach dem Reaktorunfall vonThree Mile Islandgingen jedoch sowohl Nachfrage als auch Preis deutlich zurück.

Ab 1987 wurden zwei neue Indiumverbindungen, der HalbleiterIndiumphosphidund das in dünnen Schichten leitende und durchsichtigeIndiumzinnoxidentwickelt. Besonders Indiumzinnoxid wurde mit der Entwicklung vonFlüssigkristallbildschirmentechnisch interessant. Durch den hohen Bedarf wird seit 1992 der größte Teil des Indiums zu Indiumzinnoxid weiterverarbeitet.

Vorkommen

Indium ist ein seltenes Element, sein Anteil an der kontinentalen Erdkruste beträgt nur 0,05ppm.Es ist damit von ähnlicher Häufigkeit wieSilberundQuecksilber. IngediegenemZustand wurde Indium bisher nur in einem Einzelfund im östlichenSibiriengefunden.Es sind nur wenige Indium-Mineralebekannt. Dies sind vor allemsulfidischeMinerale wieInditFeIn₂S₄undRoquésitCuInS₂.Diese sind jedoch selten und spielen für die Gewinnung von Indium keine Rolle. Die größten Vorkommen von Indium liegen inZinkerzen, insbesondereSphalerit. Die theoretischen Reserven werden auf 16.000Tonnen geschätzt, wirtschaftlich abbaubar sind davon etwa 11.000Tonnen.Die größten Vorkommen liegen inKanada,ChinaundPeru. Indiumhaltige Erze werden aber auch inAustralien,Bolivien,Brasilien,Japan,Russland,Südafrika, denUSA,Afghanistanund einigen europäischen Ländern gefunden. InDeutschlandliegen Vorkommen imErzgebirge(Freiberg,Marienberg,Geyer) und amRammelsbergimHarz.

Gewinnung und Darstellung

Indium wird fast ausschließlich alsNebenproduktbei der Produktion vonZinkoderBleigewonnen. Eine wirtschaftliche Gewinnung ist möglich, wenn sich an bestimmten Stellen des Produktionsprozesses Indium anreichert. Dies sind etwaFlugstäube, die während desRöstensvonZinksulfidentstehen und Rückstände, die bei derElektrolysewährend des nassen Verfahrens der Zinkherstellung zurückbleiben.Diese werden mitSchwefelsäureoderSalzsäureumgesetzt und so in Lösung gebracht. Da die Konzentration an Indium in der Säure zu gering ist, muss sie angereichert werden. Dies geschieht etwa durchExtraktionmitTributylphosphatoderFällungalsIndiumphosphat.

Die eigentliche Indiumgewinnung erfolgtelektrolytisch. Dazu wird eine Lösung vonIndium(III)-chloridin Salzsäure verwendet. Dieses wird mit Hilfe von Quecksilberelektroden zu elementarem Indium umgesetzt. Bei der Elektrolyse ist darauf zu achten, dass die Lösung keinThalliummehr enthält, da dieStandardpotentialeder beiden Elemente sehr ähnlich sind.

Durch geeignete Verfahren wieZonenschmelzverfahrenoder mehrmalige Elektrolyse vonIndium(I)-chlorid-Salzschmelzenkann das Rohprodukt weiter gereinigt werden und so über 99,99% reines Indium gewonnen werden.

Produktion

Die Primärproduktion (Minenproduktion) von Indium lag im Jahr 2006 zwischen 500und 580Tonnen.Auf Grund der geringen natürlichen Vorräte von 11.000 Tonnenbei gleichzeitig hoher Nachfrage zählt Indium zu den knappsten Rohstoffen auf der Erde. Im Jahr 2008 wuchsen insbesondere für China die Angaben zu den natürlichen Indium-Vorräten von 280 auf 8.000 Tonnen, was diestatische Reichweitevon vormals 6 auf 19 Jahre verlängerte. Die Sekundärproduktion, also das Recycling, übertrifft die Primärproduktion und lag im Jahr 2008 bei 800 Tonnen.

Die Indiumproduktion in China findet erst seit kurzer Zeit verstärkt statt. Im Jahr 1994 lag die produzierte Menge noch bei 10Tonnen.Seitdem vergrößerte sich der Anteil Chinas an der Weltproduktion auf 60% im Jahr 2005. Die Produktion in anderen Ländern wie Japan, Kanada oder Frankreich konnte nur in geringem Umfang gesteigert werden oder verringerte sich durch Erschöpfung der Lagerstätten. So wurde 2006 die japanische Toyoha-Mine geschlossen und damit die dortige Produktion deutlich verringert.

Da die Nachfrage nach Indium stärker als die Produktion gestiegen ist, ergab sich ein starker Anstieg des Indiumpreises von 97Dollar2002 auf 827Dollar pro Kilogramm im Jahr 2005.Recyclingvon Indium erfolgt vor allen durch Wiederverwertung von Rückständen aus demSputtern.Das einzige Land, in dem derzeit in größeren Mengen Indium wiedergewonnen wird, ist Japan.

Bei weiter steigender Nachfrage und dem damit einhergehenden hohen Preis wird das Recycling auch von Stoffen mit nur geringen Indiummengen rentabel. Ebenso ist es nun wirtschaftlich sinnvoll, auch Erze mit geringeren Indiumgehalten auszubeuten. Dadurch wird es wahrscheinlich möglich sein, das Versiegen der Ressourcen hinauszuzögern.

Indium kann zwar in den meisten Anwendungen durch andere Stoffe ersetzt werden, dabei verschlechtern sich jedoch häufig die Eigenschaften des Produktes oder die Wirtschaftlichkeit der Produktion. So kann etwaIndiumphosphiddurchGalliumarsenidersetzt werden und auch für Indiumzinnoxid sind einige – wenn auch qualitativ schlechtere – Ersatzstoffe möglich.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Kristallographische Daten^[22]

Kristallsystem	tetragonal
Raumgruppe
Gitterparameter (Elementarzelle)	a=(b)=325pm c=495pm
Zahl (Z) der Formeleinheiten	Z=2

Indium ist ein silbrig-weißesMetallmit einem niedrigenSchmelzpunktvon 156,5985°C.Einen niedrigeren Schmelzpunkt besitzen unter den Metallen nurQuecksilber,Galliumund die meistenAlkalimetalle. Über einen sehr großen Bereich von fast 2000K ist das Metall flüssig. Flüssiges Indium hinterlässt auf Glas dauerhaft einen dünnen Film (Benetzung). Die gleiche Eigenschaft besitzt das ähnliche Gallium.

Das Metall besitzt eine hoheDuktilitätund sehr geringe Härte (Mohs-Härte: 1,2). Es ist daher möglich, Indium wieNatriummit dem Messer zu schneiden. Gleichzeitig hinterlässt es auf Papier einen sichtbaren Strich. Unterhalb einerSprungtemperaturvon 3,41Kelvinist Indiumsupraleitend.Eine Besonderheit des Indiums, die es mit demZinngemeinsam hat, sind die charakteristischen Geräusche, die beim Verbiegen von Indium zu hören sind („Zinngeschrei“).

Von Indium ist beiNormalbedingungennur einekristallineModifikationbekannt, die imtetragonalen Kristallsystemin derRaumgruppeund damit in einem tetragonal-innenzentrierten Gitter mit denGitterparameterna=325pmundc=495pm sowie zweiFormeleinheitenin derElementarzellekristallisiert.

Ein Indiumatom wird in derKristallstrukturvon zwölf weiteren Atomen umgeben, wobei vier aus den benachbarten Elementarzellen stammen und einen geringeren Abstand (325pm; rote Bindungen) als die acht auf den Ecken der Elementarzelle befindlichen Atome aufweisen (337pm; grüne Bindungen). AlsKoordinationspolyederergibt sich durch dieKoordinationszahl4+8=12 ein verzerrtesKuboktaeder. Die Kristallstruktur kann daher als eine tetragonal verzerrte, kubisch-dichtesteKugelpackungbeschrieben werden.

In Hochdruckexperimenten wurde eine weitere Modifikation entdeckt, die oberhalb von 45GPastabil ist und imorthorhombischen Kristallsystemin der RaumgruppeFmmmkristallisiert.

Chemische Eigenschaften

Die chemischen Eigenschaften des Indium ähneln denen der GruppennachbarnGalliumundThallium. So ist Indium wie die beiden anderen Elemente ein unedles Element, das bei hohen Temperaturen mit vielenNichtmetallenreagieren kann. An der Luft ist es bei Raumtemperatur stabil, da sich wie beiAluminiumeine dichteOxidschichtbildet, die das Material durchPassivierungvor weitererOxidationschützt. Erst bei hohen Temperaturen findet die Reaktion zuIndium(III)-oxidstatt.

Während Indium von Mineralsäuren wie Salpetersäure oder Schwefelsäure angegriffen wird, ist es nicht löslich in heißem Wasser, Basen und den meisten organischen Säuren. Auch Salzwasser greift Indium nicht an. Indium ist bei Raumtemperatur das in Quecksilber am besten lösliche Metall.

Isotope

Von Indium sind 38 verschiedeneIsotopeund weitere 45Kernisomerevon⁹⁷In bis¹³⁵In bekannt.In der Natur kommen davon nur zwei Isotope vor,¹¹³In (64Neutronen) mit 4,29% und¹¹⁵In (66Neutronen) mit 95,71%Anteil an der natürlichen Isotopenverteilung. Das häufige Isotop¹¹⁵In ist schwachradioaktiv, es ist einBetastrahlermit einerHalbwertszeitvon 4,41 · 10¹⁴Jahren. Beide natürlichen Isotope können mit Hilfe derNMR-Spektroskopienachgewiesen werden. Die stabilsten künstlichen Isotope¹¹¹In und^114mIn haben Halbwertszeiten von einigen Tagen,^113mIn nur etwa eineinhalb Stunden.¹¹¹In und^113mIn werdennuklearmedizinischverwendet.

Verwendung

Metall

Indium ist vielseitig verwendbar, sein Einsatz ist jedoch durch die Seltenheit und den hohen Preis beschränkt. Der größte Teil des produzierten Indiums wird nicht als Metall eingesetzt, sondern zu einer Reihe von Verbindungen weiterverarbeitet. Allein für die Produktion vonIndiumzinnoxidwurden im Jahr 2000 65%der Gesamtproduktion an Indium verwendet. Auch andere Verbindungen, wieIndiumphosphidundIndiumarsenidwerden aus dem produzierten Indium gewonnen. Genaueres über die Verwendung von Indiumverbindungen findet sich im AbschnittVerbindungen.

Metallische Werkstücke können durchgalvanischabgeschiedeneneIndiumüberzüge geschützt werden. So beschichtete Werkstoffe etwa ausStahl,BleioderCadmiumsind danach beständiger gegenKorrosiondurchorganische SäurenoderSalzlösungenund vor allemAbrieb. Indiumschutzschichten wurden früher oft fürGleitlagerinAutomobilenoderFlugzeugenverwendet. Seit dem deutlichen Anstieg des Indiumpreises ist dies jedoch nicht mehr wirtschaftlich. Mit Indium beschichtete Flächen besitzen einen hohen und gleichmäßigenReflexionsgradüber alle Farben hinweg und können daher als Spiegel verwendet werden.

Der Schmelzpunkt von Indium liegt relativ niedrig und ist sehr genau bestimmbar. Aus diesem Grund ist er einer der Fixpunkte bei der Aufstellung der Temperaturskala.Diese Eigenschaft wird auch für dieKalibrierungin derDynamischen Differenzkalorimetrie(DSC) genutzt.

Wegen des hohenEinfangquerschnittessowohl für langsame als auch für schnelleNeutronenist Indium ein geeignetes Material fürSteuerstäbeinKernreaktoren. Auch alsNeutronendetektorenkönnen Indiumfolien verwendet werden. Indium ist gasdicht und auch bei tiefen Temperaturen leicht zu verformen und wird daher in sogenanntenIndiumdichtungeninKryostateneingesetzt.

Auch alsLotfür viele Materialien spielt Indium auf Grund einiger spezieller Eigenschaften eine Rolle. So verformt es sich beim Abkühlen nur in geringem Maß. Dies ist vor allem beim Löten von Halbleitern fürTransistorenwichtig. Ebenso spielt eine Rolle, dass Indium in der Lage ist, auch nichtmetallische Stoffe wie Glas und Keramik zu verlöten.

Mit „Indiumpillen“ wurdenGermaniumplättchenbeiderseits anlegiert, um ersteTransistorenherzustellen.

Legierungen

Indium kann mit vielen Metallenlegiertwerden. Viele dieser Legierungen, vor allem mit den MetallenBismut,Zinn, Cadmium und Blei, besitzen einen niedrigenSchmelzpunktvon 50 bis 100°C.Dadurch ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten beispielsweise inSprinkleranlagen,ThermostatenundSicherungen. Da das ebenfalls verwendbare Blei giftig ist, dient Indium als ungefährlicher Ersatzstoff. Der Zweck dieser Legierungen liegt darin, dass sie bei zu hohen Umgebungstemperaturen, die durch Feuer oder hohe Stromstärken verursacht werden, schmelzen. Durch das Schmelzen wird dann der Stromkreis unterbrochen oder die Sprinkleranlage ausgelöst. Indium-Gallium-Legierungen besitzen häufig noch niedrigere Schmelzpunkte und sind in Hochtemperaturthermometernenthalten. Eine spezielle Gallium-Indium-Zinn-Legierung istGalinstan. Diese ist bei Raumtemperatur flüssig und dient als ungefährlicher Ersatzstoff für Quecksilber oder Natrium-Kalium-Legierungen.

Es gibt noch einige weitere indiumhaltige Legierungen, die in unterschiedlichen Gebieten eingesetzt werden. So wird Indium mitKupfer,ManganundMagnesiumals Legierungsbestandteil von magnetischen Werkstoffen verwendet. Gelegentlich wird Indium (maximal 5%) mit Silber, Zinn, Kupfer, Quecksilber und Zink als Beimischung inAmalgamfüllungenbenutzt. In der Speicherschicht einerCD-RWist unter anderem Indium enthalten.

Nachweis

Ein möglicher chemischer Nachweis ist das Ausfällen von Indiumionen mit Hilfe von8-HydroxychinolinausessigsaurerLösung.Normalerweise wird Indium nicht auf chemische Weise nachgewiesen, sondern über geeignete spektroskopische Verfahren. Leicht ist Indium über die charakteristischenSpektrallinienbei 451,14nm und 410,18nm nachzuweisen.Da diese im blauen Spektralbereich liegen, ergibt sich die typische blaueFlammenfärbung. Für eine genauere quantitative Bestimmung bieten sich dieRöntgenfluoreszenzanalyseund dieMassenspektrometrieals Untersuchungsmethode an.

Toxizität und Sicherheit

Während von Indiummetall keine toxischen Effekte bekannt sind, zeigte es sich jedoch, dass Indiumionen imTierversuchmitRattenundKaninchenembryonentoxische undteratogeneEffekte besitzen.Bei einer Einmalgabe von 0,4mg*kg^-1InCl₃an trächtigen Ratten konntenMissbildungenwie beispielsweiseGaumenspaltenundOligodaktyliebeobachtet werden. Diese Erscheinungen waren gehäuft festzustellen, wenn das Indium am 10. Schwangerschaftstag appliziert wurde. Bei Mäusen waren dagegen keine Missbildungen zu beobachten.Bei Indiumnitrat wurde eine Toxizität für Wasserorganismen (aquatische Toxizität) festgestellt.

Kompaktes Indiummetall ist nichtbrennbar. Im feinverteilten Zustand als Pulver oderStaubist es dagegen wie viele Metalleleichtentzündlichund brennbar. Brennendes Indium darf wegen der Explosionsgefahr durch entstehendenWasserstoffnicht mit Wasser gelöscht werden, sondern muss mit Metallbrandlöschern (Klasse D) gelöscht werden.

Verbindungen

Indium bildet eine Reihe von Verbindungen. In ihnen hat das Metall meist dieOxidationsstufe+III. Die Stufe +I ist seltener und instabiler. Die Oxidationsstufe +II existiert nicht, Verbindungen, in denen formal zweiwertiges Indium vorkommt, sind in Wirklichkeit gemischte Verbindungen aus ein- und dreiwertigem Indium.

Indiumoxide

Indium(III)-oxidist ein gelbes, stabiles Salz. Reines Indium(III)-oxid wird wenig verwendet, in der Technik wird der größte Teil zuIndiumzinnoxidweiterverarbeitet. Es handelt sich hierbei um Indium(III)-oxid, das mit einer geringen MengeZinn(IV)-oxiddotiertist. Dadurch wird die Verbindung zu einemtransparentenundleitfähigemOxid (TCO-Material). Diese Kombination von Eigenschaften, die nur wenige weitere Materialien besitzen, bedingt eine breite Anwendung. Insbesondere als Stromleiter inFlüssigkristallbildschirmen(LCD),organischen Leuchtdioden(OLED),TouchscreensundSolarzellenwird Indiumzinnoxid verwendet. In weiteren Anwendungen wie beheizbaren Autoscheiben und Solarzellen konnte das teure Indiumzinnoxid durch billigeres aluminiumdotiertesZinkoxidersetzt werden.

Verbindungshalbleiter

Viele Indiumverbindungen sindVerbindungshalbleitermit charakteristischenBandlücken. Dies betrifft insbesondere Verbindungen mit Elementen der 15. und 16. Hauptgruppe, wie Phosphor, Arsen oder Schwefel. Diejenigen mit Elementen der 15. Hauptgruppe werden zu denIII-V-Verbindungshalbleiterngezählt, diejenigen mitChalkogenenzu denIII-VI-Verbindungshalbleitern. Die Zahl richtet sich jeweils nach der Anzahl anValenzelektronenin den beiden Verbindungsbestandteilen.Indiumnitrid,Indiumphosphid,IndiumarsenidundIndiumantimonidhaben unterschiedliche Anwendungen in verschiedenenDioden, wieLeuchtdioden(LED),FotodiodenoderLaserdioden. Die genaue Anwendung hängt von der benötigten Bandlücke ab.Indium(III)-sulfid(In₂S₃) ist ein III-VI-Halbleiter mit einer Bandlücke von 2eV, der anstelle vonCadmiumsulfidinSolarzellenverwendet wird.Einige dieser Verbindungen– vor allem Indiumphosphid und Indiumarsenid– spielen eine Rolle in derNanotechnologie. Indiumphosphid-Nanodrähtebesitzen eine starkanisotropePhotolumineszenzund können eventuell in hochempfindlichen Photodetektoren oder optischen Schaltern eingesetzt werden.

Neben den einfachen Verbindungshalbleitern gibt es auch halbleitende Verbindungen, die mehr als ein Metall enthalten. Ein Beispiel istIndiumgalliumarsenid(In_xGa_1-xAs) ein ternärer Halbleiter mit einer im Vergleich zuGalliumarsenidverringerten Bandlücke.Kupferindiumdiselenid(CuInSe₂) besitzt einen hohenAbsorptionsgradfür Licht und wird daher inDünnschichtsolarzelleneingesetzt (CIGS-Solarzelle).

Weitere Indiumverbindungen

Mit denHalogenenFluor,Chlor,BromundIodbildet Indium eine Reihe von Verbindungen. Sie sindLewis-Säurenund bilden mit geeignetenDonorenKomplexe. Ein wichtiges Indiumhalogenid istIndium(III)-chlorid. Dieses wird unter anderem alsKatalysatorfür dieReduktionorganischer Verbindungeneingesetzt.

Es existieren auchorganischeIndiumverbindungen mit den allgemeinen Formeln InR₃und InR. Sie sind wie vielemetallorganischeVerbindungen empfindlich gegen Sauerstoff und Wasser. Indiumorganische Verbindungen werden alsDotierungsreagenzbei der Produktion von Halbleitern genutzt.

Allgemein
Name,Symbol,Ordnungszahl	Indium, In, 49
Serie	Metalle
Gruppe,Periode,Block	13,5,p
Aussehen	silbrig glänzend grau
CAS-Nummer	7440-74-6
Massenanteil an derErdhülle	0,1ppm
Atomar
Atommasse	114,818u
Atomradius(berechnet)	155 (156)pm
Kovalenter Radius	144 pm
Van-der-Waals-Radius	193 pm
Elektronenkonfiguration	[Kr] 4d105s25p1
1. Ionisierungsenergie	558,3kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	1820,7 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	2704 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	tetragonal
Dichte	7,31g/cm3
Mohshärte	1,2
Magnetismus	diamagnetisch(= −5,1 · 10−5)
Schmelzpunkt	429,7485[4]K(156,5985 °C)
Siedepunkt	2345K(2072 °C)
Molares Volumen	15,76 · 10−6m3/mol
Verdampfungswärme	231,8kJ/mol
Schmelzwärme	3,26 kJ/mol
Dampfdruck	1Pabei 1196K
Schallgeschwindigkeit	1215 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität	233 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit	12,5 · 106A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit	81,6W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände	3, 1
Normalpotential	−0,343V(In3++ 3e−→ In)
Elektronegativität	1,78 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE(MeV) ZP 111In {syn.} 2,8047d ε 0,865 111Cd 113In 4,3% Stabil 114In {syn.} 71,9s β− 1,989 114Sn ε 1,452 114Cd 115In 95,7% 4,41 · 1014a β− 0,495 115Sn
NMR-Eigenschaften
Spin γin rad·T−1·s−1 Er(1H) fLbei B = 4,7T inMHz 113In 9/2 5,8845 · 107 0,0151 21,87 115In 9/2 5.8972 · 107 0,271 38,86
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Gefahr H- und P-Sätze H:228-315-319-332-335 EUH:keine EUH-Sätze P:210-​261-​305+351+338 GefahrstoffkennzeichnungPulver Leicht- entzündlich (F) R- und S-Sätze R:11 S:9-16-29-33

Indium Preis

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