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铟

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铟 49In
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镓
↑
铟
↓
铊
镉 ← 铟 → 锡
外观
银灰色光泽
概况
名称·符号·序数铟（Indium）·In·49
元素类别贫金属
族·周期·区13·5·p
标准原子质量114.818(1)[1]
电子排布[Kr] 4d10 5s2 5p1
2, 8, 18, 18, 3
铟的电子层（2, 8, 18, 18, 3）
铟的电子层（2, 8, 18, 18, 3）
历史
发现斐迪南·赖希（英语：Ferdinand Reich）和希罗尼穆斯·特奥多尔·里赫特（英语：Hieronymous Theodor Richter）（1863年）
分离Hieronymous Theodor Richter（1867年）
物理性质
物态固体
密度（接近室温）
7.31 g·cm−3
熔点时液体密度7.02 g·cm−3
熔点429.7485 K，156.5985 °C，313.8773 °F
沸点2345 K，2072 °C，3762 °F
三相点429.7445 K（157 °C），~1 kPa
熔化热3.281 kJ·mol−1
汽化热231.8 kJ·mol−1
比热容26.74 J·mol−1·K−1
蒸气压
压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温/K 1196 1325 1485 1690 1962 2340
原子性质
氧化态3, 2, 1, −1, −2, −5[2]
（两性氧化物）
电负性1.78（鲍林标度）
电离能第一：558.3 kJ·mol−1
第二：1820.7 kJ·mol−1
第三：2704 kJ·mol−1
原子半径167 pm
共价半径142±5 pm
范德华半径193 pm
铟的原子谱线
杂项
晶体结构四方
磁序抗磁性
电阻率（20 °C）83.7 nΩ·m
热导率81.8 W·m−1·K−1
膨胀系数（25 °C）32.1 µm·m−1·K−1
声速（细棒）（20 °C）1215 m·s−1
杨氏模量11 GPa
莫氏硬度1.2
布氏硬度8.8–10.0 MPa
CAS号7440-74-6
同位素
主条目：铟的同位素
同位素 丰度 半衰期​（t1/2） 衰变
方式 能量​（MeV） 产物
111In 人造 2.8048 天 ε 0.860 111Cd
113In 4.281% 稳定，带64粒中子
115In 95.719% 4.41×1014 年 β− 0.497 115Sn

铟（yīn）（英语：Indium），是一种化学元素，其化学符号为In，原子序数为49，原子量为114.818 u。铟是碱金属除外最柔软的金属，外观如锡般呈银白色，它是一种后过渡金属，在地壳中的成分占0.21ppm。铟的熔点比钠和镓高，但低于锂和锡。化学上，铟类似镓和铊，其性质主要介于两者之间[5]。铟在1863年由斐迪南·赖希和希罗尼穆斯·特奥多尔·里赫特透过光波分光计发现，他们因为其靛蓝色的谱线而如此命名，隔年，铟才被分离出来。

铟是硫化锌矿石的次要成分，且为锌精炼的副产物。它主要运用在半导体产业、低熔点金属合金如焊料、软金属高真空密封垫以及制造涂覆在玻璃上的透明氧化铟锡(ITO)导电膜。

虽然铟的化合物在注入血液时有些毒性，它并无生物角色。大多数的职业暴露是经由摄入与吸入，前者无法良好吸收，后者则会中度吸收。

性质

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物理

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铟是一种银白色、高延展性且带有光泽的后过渡金属[6]。它质软（莫氏硬度1.2），如钠般可以用刀切割，也会在纸上留下可见的线[7]。它是周期表硼族元素的成员，性质主要介于与它上下比邻的镓和铊之间。如同锡，当铟被弯曲时，可听见高音频的鸣声──由于孪晶[6]的爆裂声；如同镓，铟能浸润玻璃，而与两者相同的是，铟具有低熔点156.60°C (313.88 °F)，比同族中较轻的镓高，但比同族中较重的铊低，也比锡来得低[8]。沸点为2072 °C (3762 °F)，比铊高但低于镓，此与熔点的普遍趋势相反，但与其他后过渡金属族的趋势相同，原因是具有较少数未定域电子而造成的弱金属键[9]。

铟的密度是7.31 g/cm3，亦大于镓但小于铊。当低于临界温度3.41 K时，铟会成为超导体。铟以体心四方晶系形成结晶体，其空间群为I4/mmm (晶胞参数: a = 325 pm, c = 495 pm):[8]此为轻微扭曲的面心立方结构，即每个铟原子有四个相距324pm和八个相距较远(336pm)的相邻原子[10]。铟在液态汞中拥有比任何其他金属更佳的溶解度（在0°C大于50%的质量百分率）[11]。铟展现了延展黏塑的反应，其张力或压缩与尺寸大小无关。然而，它在弯曲和压痕时却有尺寸效应，与长度规模50–100 µm的量级有关[12]，远比其他金属大。

化学

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铟有49个电子，电子组态是[Kr]4d105s25p1。 在化合物中，铟最常提供最外层的三颗电子成为铟(III)（In3+）。在一些例子中，5s的电子对并未提供而成为铟(I)（In+），此单价态的稳定性归因于惰性电子对效应，即在较重的元素中可观察到因相对论效应使5s轨域稳定，铊（较铟重的同族元素）展现了甚至更强的效应，使得氧化成铊(I)比氧化成铊(III)更可能发生[13] ，然而镓（较铟轻的同族元素）通常则只以+3的氧化态出现，因此，虽然铊(III)是中强的氧化剂，铟(III)并不是，而且许多铟(I)的化合物是强大的还原剂[14]。 尽管铟将s-电子囊括在化学键中所需的能量是13族金属中最低的，但因键能在同族中越往下越减少，导致形成额外两个键所得到的能量，很多时候并不足以补足失去5s-电子生成+3氧化态所需的能量[15]。氧化铟(I)和氢氧化铟(I)是较为碱性的，而氧化铟(III)和氢氧化铟(III)则较为酸性[15]。

在各种不同反应中[16]研究所得之铟的各种标准电极电位数值，反映了+3氧化态降低的稳定性[10]：

−0.40 In2+ + e− ↔ In+
−0.49 In3+ + e− ↔ In2+
−0.443 In3+ + 2 e− ↔ In+
−0.3382 In3+ + 3 e− ↔ In
−0.14 In+ + e− ↔ In

铟金属不与水反应，但是会被较强的氧化剂如卤素氧化成铟(III)化合物。它不形成硼化物、矽化物或碳化物，而氢化物氢化铟(III)（InH3）顶多在低温的醚溶液中短暂存在，相当不稳定以至于会自发性的无配位聚合[14] 。铟在水溶液中相当碱性，只展现些微的两性特性，并且不同于它较轻的同族元素铝和镓，在碱性溶液中是难溶的[17]。

同位素

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主条目：铟的同位素

铟有39个已知的同位素，质量数范围为97至135。只有两个同位素以原始核种自然出现：铟-113以及铟-115，前者是唯一的稳定同位素，后者则具有4.41×1014年的半衰期，比宇宙年龄大4个数量级，比钍-232要长将近30000倍[18] ，115In的半衰期之所以极长是因为生成115Sn的β衰变是自旋禁止的[19]。铟-115占了全部铟的95.7%。铟是稳定同位素在自然界的丰度少于长寿原始放射性同位素的三种已知元素之一（其他是碲和铼）[20]。

最稳定的人造同位素是铟-111，拥有半衰期约2.8天，其他所有同位素的半衰期都少于5小时。铟也具有47个介态，其中铟-114m1（半衰期约49.51天）是最稳定的，除了原始同位素外，比其他铟同位素的基态都稳定。所有介态皆透过核异构跃迁进行衰变。比113In轻的铟同位素主要以电子捕获和正电子发射衰变成镉同位素，而113In与更重者则主要以β衰变形成锡同位素[18]。

化合物

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铟(III)

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氧化铟(III)（In2O3）是由铟金属在空气中燃烧，或其氢氧化物或硝酸盐加热形成[21]。氧化铟具有类似氧化铝的结构且为两性物质，即与酸和碱皆可反应。铟与水反应生成可溶性的氢氧化铟(III)，同样也是两性的；与碱金属产生铟酸(III)盐；与酸则产生铟(III)盐。

In(OH)3 + 3 HCl → InCl3 + 3 H2O

类似的，也存在和硫、硒、碲所形成的三比二之硫属化合物[22]。铟生成预期中的三卤化物，其氯化、溴化和碘化会生成无色的 InCl3、InBr3以及黄色的InI3。这些化合物是路易士酸，类似为人熟知的三卤化铝。就如同相对应的铝化合物，InF3是聚合体[23]。 铟与氮族元素直接反应会生成灰色或半金属III-IV的半导体，他们之中有许多会在潮湿空气中缓慢分解，使得这些半导体化合物需要谨慎的储藏，以避免和大气接触。氮化铟容易被酸和碱攻击[24]。

铟(I)

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铟(I)的化合物并不常见，其氯化物、溴化物和碘化物都是深色的，与制备来源的三卤化物不同；氟化物只以不稳定的气态存在[25] 。黑色的粉状氧化铟(I)是在氧化铟(III)加热至700 °C时分解产生[21]。

其他氧化态

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较少见的，铟会以+2甚至是分数型的氧化态形成化合物。通常此类材料以铟－铟键结为特色，最显著的是在卤化物In2X4 与[In2X6]2−中[26] 以及各种缺硫族化合物如In4Se3.[27]。有些化合物会同时含有铟(I)和铟(III)，如InI6(InIIICl6)Cl3、[28] InI5(InIIIBr4)2(InIIIBr6)和[29] InIInIIIBr4.[26]。

有机铟化合物

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有机铟化合物以铟－碳键结为特色，多数是铟(III)的衍生物，但环戊二烯铟(I)是例外，它是第一个被发现的有机铟(I)化合物[30] ，且是聚合型的，由铟原子和茂基配合物交替形成锯齿链状结构[31] 。最为人熟知的有机铟化合物可能是三甲基铟（In(CH3)3），用来制备某些半导体材料[32][33]。

历史

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1863年，德国化学家斐迪南˙赖希和希罗尼穆斯˙特奥多尔˙里赫特在试验来自萨克森邦弗赖贝格周围矿井的矿石，他们将矿物黄铁矿、砷黄铁矿、方铅矿和闪锌矿溶解在[盐酸]]中并提纯粗氯化锌。赖希是色盲，所以他雇用里赫特作助手以侦测有色谱线。由于他们知道源自该区的矿石有时含铊，于是想寻找绿色的铊放射光谱线，但取而代之的，却找到了一条明亮的靛蓝线，因为该靛蓝线并不符合任何已知元素，他们于是假定在矿物中出现了新的元素。他们命名此元素为铟，源自在光谱中看见的靛蓝色，从拉丁文indicum而来，意思是印度。[34][35][36][37] 1864年，里赫特继续分离此金属[38]。在1867年的世界博览会，展出了一锭0.5公斤的铟块[39] 。后来，由于里赫特自称是唯一的发现者，赖希和里赫特就此失和。[37]

存在形式

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铟是由中低质量恒星（质量为0.6~10个太阳）长期（长达数千年）的s-过程（慢中子捕获）产生的。当一个银-109原子（占银同位素的一半）捕获一个中子时，它会β衰变为镉-110。捕获更多的中子后，它变成镉-115，通过另一次β衰变成铟-115。这解释了为什么放射性同位素比稳定同位素更丰富[40]。稳定的铟同位素铟-113，其质子比中子还多，起源尚不清楚；虽然已知铟-113可直接由s-和r-过程（快中子补获）产生，并且还是非常长寿命的镉-113（具有约8千兆年的半衰期）的子体，但无法解释所有的铟-113来源。[41][42]

铟在地壳中的元素含量排名占第68位，大约50 ppb，与银、铋和汞相当。它很少形成自己的矿物，或者是以元素形式存在。已知铟矿物少于10种，如硫铟铜矿（CuInS2），没有一种有足够的浓度进行商业化采集[43]。铟反而更常以微量存在于寻常矿物中，如闪锌矿和黄铜矿[44][45]。由此可知，它可以在冶炼过程中作为副产品提取出来。虽然在这些矿床中铟的丰富度相对于其地壳而言为高[46] ，但按现价以及当前的提取效率计算，都不足以支持铟作为主要产品。

铟的含量在其他金属矿石中存在不同的估计。[47][48]然而，在不采集主矿石的情况下，这些量是得不到的（见生产和可用性一节）。因此，铟的收获效率基本上取决于采集这些矿石的速率，而不是铟的绝对量。这是在当前辩论中经常被遗忘的一个方面[49] ，例如：在耶鲁的Graedel小组批判性评估中，一些研究引用了说明自相矛盾的低耗尽时间。[50][46]

生产和可用性

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铟在加工其他金属矿物时作为副产物。它的主要来源是硫化锌矿，硫化锌矿主要存在于闪锌矿中[46]。有少量从硫化铜矿物中提取。在锌冶炼的焙烧--电解提取的过程中，铟会聚集在富含铁的残馀物中。铟可从上述方式中提取，也可以直接从过程产生的溶液还原并通过电解进一步地纯化。[51]确切的过程因冶炼厂的运作方式而异.[6][46]。

铟的生产受到每年提取的硫化锌（和硫化铜）矿物数量的限制（因为铟是副产物）。因此，需要以供应潜力来衡量其可获性。副产物的供应潜力定义为在当前市场条件下（技术和价格）每年从其主体材料中商业化提取的量[52] 。副产品不需考量存量和来源，因为它不能独立于主要产品中提取[46]。最近的估计显示，铟的供应潜力至少有1,300公吨/年是来自硫化锌矿石以及20公吨/年来自硫化铜矿石[46] 。这些数字远远高于目前的产量（2016年为655公吨）[53] ，因此，在不显著增加生产成本或价格的情况下，未来增加以副产品形式的铟的产量是可能的。2016年铟的平均价格为240美元/公斤，低于2014年的705美元/公斤。[54]

截止2017年全球已知的1512处含铟矿床估计，全球铟资源量至少35.6万吨，其中已经公布资源量数据的101处矿床铟金属资源量合计约7.6万吨。中国、玻利维亚和俄罗斯是全球铟矿资源最为丰富的国家，以上三国铟矿资源量合计约占全球总量的60%，其中中国占比26%。

中国是铟的主要生产国（2016年为290公吨），其次是韩国（195公吨），日本（70公吨）和加拿大（65公吨）。加拿大英属哥伦比亚省的泰克资源（Teck Resources）炼油厂是一家大型单一来源铟的生产商。2005年产量为32.5公吨，2004年产量为41.8公吨，2003年产量为36.1公吨。日本北海道札幌市南区的丰羽矿山曾是世界最大的铟产地，但已于2006年起停止采矿。

2019年全球原生铟产量760吨，其中，中国产量300吨（全球占比39%）；韩国产量为240吨（全球占比31%）。

全球铟主要用于LCD生产。随著液晶电脑萤幕和液晶电视的普及，目前LCD生产占铟消耗量的50％，[55] 从1990年代末到2010年，需求迅速增长。提高生产效率和回收利用（特别是在日本）在供需之间保持了平衡。根据联合国环境规划署的报告，铟的报废回收率不到1％。 [56]

应用

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1924年，人们发现铟具有稳定有色金属的重要特性，成为铟的第一次重要应用[57]。第一次大规模应用是在第二次世界大战期间，在高性能飞机的发动机中涂覆轴承，以防止损坏和腐蚀，但此已非现今主要用途[51]。人们在易熔合金、焊料和电子产品中发现铟的新应用。在1950年代，铟的微小珠子用于PNP合金电晶体的发射极和集电极。在1980年代中后期，用于液晶显示器（LCD）的磷化铟半导体和氧化铟锡（ITO）薄膜的发展引起人们的极大兴趣。到1992年，薄膜应用已成为铟最大的应用。[58][59]


氧化铟(III)和氧化铟锡（ITO）用作导电发光板中玻璃基板上的透明导电涂层[60]。氧化铟锡用作低压钠蒸汽灯中的滤光器。红外辐射被反射回灯中，可提高灯管内的温度并改善灯的性能[59]。 铟有许多与半导体相关的应用。一些铟化合物，如锑化铟和磷化铟[61]，是有用的半导体。一种常用于半导体的铟化物是三甲基铟（TMI），三甲基铟也用作II-VI价化合物半导体中的半导体掺杂剂[62]。 InAs和InSb用于低温晶体管，InP用于高温晶体管[51] 。半导体化合物InGaN和InGaP可用于发光二极体（LED）和雷射二极体[63]。铟在太阳能电池中作为铜铟镓硒半导体（CIGS），也称为CIGS太阳能电池（一种第二代薄膜太阳能电池）[64]。铟用于含锗的PNP双极结晶体管，因为当在低温下焊接时，铟不会对锗产生影响[51]。

铟丝在低温和超高真空应用中用作真空密封和热导体，例如作为填充间隙的垫圈[65] 。铟可制造镓铟锡合金，该合金在室温下是液体，在某些温度计中取代汞[66]。其他铟与铋、镉、铅和锡的合金，具有较高的熔点（仍然偏低，50至100°C），用于消防喷淋系统和热调节器。[51]

铟是碱性电池中汞的一种替代品，可防止锌腐蚀和产生氢气。[67]添加铟到一些牙科用汞合金中以降低汞的表面张力，节省汞合金用量并提高其融合性。[68]

铟的高度补捉中子的典型特性适用于核反应堆的控制棒，通常是80％银、15％铟和5％镉的合金。[69]在核工程中，113In和115In的 (n,n') 反应用于确定中子通量的大小。[70]

生态角色与预防危害

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铟没有参与任何生物体的代谢。与铝盐类似，当注射时，铟(III)离子对肾脏有毒[71]。氧化铟锡和磷化铟中的铟离子会对肺和免疫系统造成伤害[72]，然而若以摄入的铟量来衡量毒性大小，注射水合氧化铟的毒性是四十倍以上[71]。放射性铟-111（化学上非常少量）用于核医学测试，作为放射性追踪剂，用于追踪体内标记蛋白质和白血球的运动[73][74] 。铟化合物在摄入时大多不被吸收，吸入时仅适度吸收；在排出前，它倾向于暂时被储存于肌肉皮肤和骨头里，在人体内的半衰期约两周[75]。

人们在工作场所中可能吸入、摄入、皮肤接触和眼睛接触暴露于铟。国家职业安全与健康研究所提到8小时工作日的建议暴露限制(REL)为0.1 mg/m3以下。[76]

参考资料

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参考书目

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外部链接

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