Химический элемент номер под номером 49 в таблице Менделеева назвали индием вовсе не в честь великой азиатской страны. Его имя имеет связь с полюбившейся всему миру джинсовой одеждой.
Традиционный цвет джинсов – сине-фиолетовый, иначе – индиго. Натуральный краситель «индиго» получил свое наименование от рода растений рода Indigofera, издревле произраставших на территории нынешних Китая, Кореи и Японии, но названных почему-то в честь реки Инд. Очень редкий металл индий был открыт именно благодаря цвету «индиго». И вот как это случилось.
В 1863 г. немецкие химики Т. Рейх и Ф. Рихтер решили исследовать методом спектрального анализа цинковую руду, найденную вблизи Фрейберга в Саксонии. Они надеялись обнаружить в ее составе таллий – редкий элемент, открытый за год до этого англичанином Уильямом Круксом как раз с помощью спектроскопического исследования шлама, присланного с одного из немецких сернокислотных заводов. В полученном спектре Рейх и Рихтер искали ярко-зеленую спектральную линию таллия, но вместе с нею обнаружили неизвестную для них линию цвета известного красителя «индиго». Темно-синий краситель и дал имя новому элементу. Свое название индий оправдывает также изменением окраски пламени. Если внести кусочек индия в пламя свечи или горелки, то огонь станет сине-фиолетовым. Найдете индий – попробуйте!
А если не найдете, то подойдите к зеркалу и хорошенько присмотритесь к своему изображению. Свитер наяву кажется несколько иного оттенка, чем его отражение в зеркале? Тогда… Нет, не обязательно зеркало сделали в Китае. Скорее всего, в серебряную изнанку зеркала не добавили индия, и поэтому цвета оно отражает не совсем точно. И серебряное, и оловянное, и ртутно-висмутовое зеркала, и зеркало из полированной пластинки нержавеющей стали или иного металла – все они имеют одинаковый недостаток: падающие лучи света разных цветов отражаются от них по-разному, то есть имеют разный коэффициент отражения света. Зато металл индий одинаково хорошо отражает все части спектра, все его цвета. Значит, не быть зеркалу высококачественным, если в нем отсутствует индий.
Впрочем, на самом деле, глядя в зеркало, не содержащее индия, человеческий глаз не в состоянии заметить неточное отражение цвета. Так что не грешите на зеркало, если ваш свитер потерял яркость красок. Однако для астрономов, исследующих свет далеких звезд, даже столь незаметные искажения цвета совершенно недопустимы – ученые могут сделать неправильные выводы о строении нашей Вселенной. Поэтому в телескопах устанавливают абсолютно объективные к любого цвета световым лучам индиевые зеркала.
Ни в коем случае не подумайте, что все сделанное из индия имеет синий цвет. Металл индий вовсе не синий и не фиолетовый. Он серебристо-белый в разрезе, а поверхность его красиво блестит, потому что на воздухе индий не покрывается матовой пленкой окисла, как другие металлы – он практически не взаимодействует с кислородом. Индий так мягок, что его можно резать ножом, а палочками из индия получится рисовать на бумаге. Но зеркала, конечно, делают не целиком из индия. Этот редкий металл в очень небольших количествах добавляют к серебру, которым покрывают тыльную часть стеклянного зеркала. Прибавка индия усиливает зеркальный блеск и предупреждает потускнение. Рассказывают, что во время массированных налетов немецкой авиации на Лондон в годы второй мировой войны зениткам здорово помогали прожекторы английской противовоздушной обороны. Блеск их лучей «пробивал» плотный лондонский туман благодаря индию, который использовался для изготовления прожекторных зеркал. Правда, индий плавится всего при 156°С, поэтому зеркало во время работы прожектора приходится охлаждать. А один из сплавов индия со свинцом, висмутом и еще несколькими металлами имеет температуру плавления всего 46,5°С. Чайная ложечка из такого сплава прямо на глазах растаяла бы в горячем чае. Впрочем, никому и не придет в голову делать из индия чайные ложки, ведь во всем мире добывают в год всего несколько тонн индия: он очень редко встречается в природе и никогда не бывает главным компонентом минерала, в котором его находят. Именно по этой причине индий был открыт людьми так поздно.
Металлурги относят индий к группе рассеянных редких металлов. Это означает, что в лучшем случае индий можно встретить в виде ничтожных примесей к рудам других металлов. Собственно индиевые минералы – рокезит CuInS2, индит FeIn2S4 и джалиндит In(ОН)3 – чрезвычайно редки. Еще реже встречается самородный индий. В рудах других металлов его содержание обычно куда меньше 0,05%. Такие крохи индия добыть непросто.
Руды редких металлов имеют обычно сложный состав и часто содержат сразу несколько ценных для промышленности металлов. Поэтому редкие металлы извлекать приходится комплексно, а уж затем их разделяют. Это занятие очень сложное, поскольку требует знания свойств и особенностей каждого металла. Если говорить об индии, то его чаще добывают из цинковой руды, иначе – сфалерита (ZnS). Он извлекается попутно вместе с галлием, таллием и германием. Именно благодаря своим попутчикам индий был открыт при поисках таллия.
До 30-х годов ХХ века люди не знали, куда применить своеобразные свойства индия: для металлических конструкций он слишком мягок и дорог, к тому же легкоплавок. И вот по ходу технического прогресса применение постепенно нашлось. Сначала выяснилось, что сплав мягкого индия с пластичным свинцом оказывается гораздо прочнее и тверже, чем каждый из этих металлов в отдельности. Поэтому индий стали использовать для изготовления подшипниковых сплавов. Причем сплав научились получать прямо на поверхности подшипника. Электролитическим способом на стальную основу подшипника наносят тонкий слой серебра. Назначение этого слоя – придать подшипнику повышенное сопротивление усталости. Поверх серебряного слоя таким же образом наносят слой пластичного свинца, а на него – слой еще более пластичного индия. Затем подшипник нагревают для лучшего проникновения индия в свинцовый слой. Диффузия индия в свинец и свинца в индий образует на поверхности подшипника прочный свинцово-индиевый сплав. Четырехслойная (считая и стальную основу) конструкция в пять раз увеличивает срок службы подшипника по сравнению с обычными. Поэтому такие подшипники до сих пор устанавливают в авиационных и автомобильных двигателях.
Добавляя индий в сплавы с другими металлами, используют и другие его драгоценные свойства – например, высокую стойкость к действию едких щелочей и морской воды. Стоит чуть-чуть индия прибавить к меди, и этот сплав уже хорош для изготовления обшивки нижней части корабля. Такая обшивка легко противостоит длительному воздействию все на свете разъедающей морской соли.
Иногда индий и его сплавы применяют в качестве припоя. В расплавленном состоянии они хорошо прилипают ко многим металлам, керамике, стеклу, а после охлаждения соединяются с ними накрепко. Припои из индиевых сплавов используют в производстве полупроводниковых приборов.
Кстати, полупроводниковая промышленность ныне стала основным потребителем индия. Некоторые соединения «джинсового элемента» с элементами V группы таблицы Менделеева (азот, фосфор, ванадий, мышьяк, ниобий, сурьма, тантал, висмут, дубний) обладают ярко выраженными полупроводниковыми свойствами. Наибольшее значение приобрел антимонид индия, электропроводность которого особенно сильно меняется под действием инфракрасного излучения. Он стал основой инфракрасных детекторов – приборов, способных видеть в темноте нагретые предметы. Получают это соединение очень просто – нагревают смесь индия и сурьмы в условиях вакуума в кварцевых ампулах.
Арсенид индия InAs (соединение индия с мышьяком) применяется тоже в инфракрасных детекторах и в приборах для измерения напряженности магнитного поля. Для производства квантовых генераторов, солнечных батарей, транзисторов и других приборов перспективен и фосфид индия (соединение индия с фосфором). Только получить это соединение очень трудно: оно плавится при 1070°C и одновременно разлагается. Так что приходится получать фосфид индия только в реакторе при высоком давлении паров фосфора – порядка десятков атмосфер.
Примесь индия придает германию дырочную проводимость. Это свойство лежит в основе технологии изготовления многих типов германиевых диодов. Делают диоды вот как. К пластинке германия n-типа прижимается контактная игла, покрытая слоем индия, который во время формовки вплавляют в германий, создавая в нем область p-проводимости. А если два шарика индия вплавить с двух сторон германиевой пластинки, то тем самым создается p-n-p-структура – основа транзисторов.
Сегодня индий стал очень современным металлом, можно сказать, модным. Потому что более 80% спроса на него создают производители жидкокристаллических мониторов, плазменных телевизоров и светодиодов. Из оставшихся двадцати процентов спроса на индий одиннадцать обеспечивают металлурги, производящие специальные сплавы. При этом мировая добыча первичного индия составляет лишь 50% рыночного предложения, или примерно 500 т. Остальная половина – вторичный металл, получаемый при переработке лома.
Индиевым сплавам с серебром, оловом, медью и цинком свойственна высокая прочность, коррозионная стойкость и долговечность. Поэтому их применяют для изготовления зубных пломб. Индий здесь играет ответственную роль: он сводит к минимуму усадку металла при затвердевании пломбы.
Авиаторы хорошо знакомы с цинково-индиевым сплавом, служащим антикоррозионным покрытием для стальных пропеллеров. Тончайший слой из олова и окиси индия используют для обработки поверхности ветровых стекол самолетов. Такие стекла не замерзают, на них не появляются ледяные узоры, мешающие обзору. Кстати, сплавы индия широко используются в вакуумной технике для склеивания стекла с металлами.
Некоторые сплавы индия приглянулись ювелирам. Зеленым золотом назвали они декоративный сплав 75% золота, 20% серебра и 5% индия. А небезызвестная американская фирма «Студебеккер» вместо хромирования наружных деталей автомобилей применила индирование. Индиевое покрытие значительно долговечнее хромового.
В атомных реакторах индиевая фольга служит контроллером, измеряющим интенсивность потока тепловых нейтронов и их энергию. Сталкиваясь с ядрами стабильных изотопов индия, нейтроны превращают их в радиоактивные. При этом возникает поток электронов, по интенсивности и энергии которого судят о нейтронном потоке.
Вообще, природный индий состоит из двух изотопов с массовыми числами 113 и 115. Причем доля более тяжелого из двух изотопов значительно весомее – 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, потому что период полураспада ядер индия-115 очень велик – 6 ×1014 лет. Оттого-то и не удавалось долгое время заметить радиоактивность, присущую индию. К нашему времени получено уже около 20 радиоактивных изотопов индия.
Как далеко продвинулось человечество всего за двести лет! В восемнадцатом веке химические элементы ученые называли простыми телами, и великий французский химик Антуан Лавуазье насчитывал их всего пять. В «Таблице простых тел», которую составил Лавуазье, в числе пяти простых тел, относящихся ко всем трем царствам природы (свет, теплота, кислород, азот, водород), из всех химических элементов упомянуты только кислород и водород.
(Между прочим, великий ученый, инженер и просветитель Антуан Лавуазье, совершивший революцию в химии, был отправлен 8 мая 1794 года на гильотину трибуналом Великой Французской революции. Он опровергал взгляды на мир, которых придерживался Марат – один из вождей этой революции.)
А через сто лет после Лавуазье ученые открыли 63 химических элемента, разбираясь в свойствах веществ. Спустя двести лет – в двадцатом веке – люди убедились, что элементов 118, и это еще не предел. То есть половина известных нам элементов обнаружилась в природе, а остальные пришлось искать очень долго с помощью сложной техники. Отчего? Эту тайну откроет нам удивительное явление – радиоактивность.
Фрагмент из книги Наталии Теряевой "Элементы жизни"