インジウムは化学元素であり、記号 In、原子番号49で表されます。銀白色の遷移後金属で、最も柔らかい元素の一つです。化学的にはガリウムやタリウムに類似しており、その性質は概ね両者の中間です。1863年にフェルディナント・ライヒとヒエロニムス・テオドール・リヒターによって分光学的手法で発見され、そのスペクトルに見られる藍色の線にちなんで命名されました。[13]

インジウムは、主にフラットパネルディスプレイの製造において、ガラスに塗布される透明導電性コーティングであるインジウムスズ酸化物（ITO）として使用されています。 [14]また、半導体産業では、はんだや軟質金属高真空シールなどの低融点金属合金にも使用されています。 [15]青色および白色LED回路の製造に使用され、主にインジウムガリウム窒化物p型半導体基板の製造に使用されています。[16]インジウムは、主に閃亜鉛鉱やその他の硫化亜鉛鉱石などの他の金属鉱石の処理中に副産物としてのみ生成されます。[17]

インジウムには生物学的役割はなく、その化合物は吸入または血流に注入されると有毒であるが、摂取後にはほとんど吸収されない。[18] [19]

語源

名前はラテン語の「藍」または「紫」を意味する「インディカム」に由来する。[20]インディカムという言葉は「インドの」という意味で、天然染料の藍はもともとインドからヨーロッパに輸出されていた。

プロパティ

物理的な

試験管のガラス表面を濡らすインジウム

インジウムは明るい光沢を持つ銀白色の、非常に延性の高い 遷移後金属である。[21]インジウムは非常に柔らかい（モース硬度1.2）ため、ナイフで切ることができ、紙にこすると鉛筆のような線が残る。[22]インジウムは周期表の第 13 族に属し、その特性は垂直に隣接するガリウムとタリウムのほぼ中間である。スズと同様に、インジウムを曲げると甲高い音が聞こえる。これは結晶の双晶によるパチパチという音である。[21]ガリウム同様、インジウムはガラスを濡らすことができる。ガリウムとスズの両方と同様に、インジウムの融点は156.60 °C（313.88 °F）と低く、より軽い同族元素であるガリウムよりも高いが、より重い同族元素であるタリウムよりも低く、スズよりも低い。[23]沸点は2072℃（3762℉）で、タリウムよりも高いがガリウムよりも低い。これは融点の一般的な傾向とは逆だが、他の遷移後金属群と同様に、電子の非局在化が少なく金属結合が弱いため、融点が下がる傾向にある。[24]

インジウムの密度 7.31 g/cm 3もガリウムより大きいが、タリウムよりは小さい。臨界温度3.41  K未満では、インジウムは超伝導体になる。インジウムは、空間群I 4/ mmmの体心正方晶系で結晶化する(格子定数:  a  = 325  pm、c  = 495 pm ): [23]これはわずかに歪んだ面心立方構造で、各インジウム原子は 324 pm の距離に 4 つの隣接原子と、それよりわずかに離れた 336 pm の距離に 8 つの隣接原子を持つ。[25]インジウムは、液体水銀に対する溶解度が他のどの金属よりも高い ( 0 °C でインジウムの 50 質量パーセント以上 )。[26]インジウムは延性粘塑性応答を示し、引張および圧縮においてサイズに依存しないことがわかっている。しかし、曲げやへこみにはサイズ効果があり、長さスケールは50～100μm程度で、他の金属と比較するとかなり大きい [27] 。

同位体

インジウムには、質量数が97から135の範囲にある39の同位体が知られています。天然に原始核種として存在する同位体は、唯一の安定同位体であるインジウム113と、半減期が4.41 × 10のインジウム115の2つだけです。14年は宇宙の年齢より4桁も長く、トリウム232の半減期の約3万倍に相当します。 [28] 115 Inの半減期が非常に長いのは、 115 Snへのベータ崩壊がスピン禁制である。 [29]インジウム115は全インジウムの95.7%を占めています。インジウムは、テルルとレニウムとともに知られている3つの元素のうちの1つであり、その安定同位体は長寿命の原始放射性同位体よりも自然界に豊富に存在しません。 [30]

最も安定した人工同位体はインジウム111で、半減期は約2.8日です。他の同位体はすべて半減期が5時間未満です。インジウムには47のメタ状態があり、その中でインジウム114m1（半減期約49.51日）が最も安定しており、原始同位体を除くすべてのインジウム同位体の基底状態よりも安定しています。すべての同位体崩壊は異性体遷移によって起こります。113 Inより軽いインジウム同位体は主に電子捕獲または陽電子放出によってカドミウム同位体を形成し、 113 Inより重いインジウム同位体は主にベータマイナス崩壊によってスズ同位体を形成します。[28]

化学

インジウムは49個の電子を持ち、電子配置は[ Kr ]4d 10 5s 2 5p 1である。化合物では、インジウムは最も一般的には最外殻電子3個を供与してインジウム(III)、In 3+となる。場合によっては、5s電子対が供与されずにインジウム(I)、In +となる。一価状態の安定化は不活性電子対効果に起因し、相対論的効果により5s軌道のエネルギーが低下する、より重い元素で観測される。タリウム（インジウムのより重い同族体）はさらに強い効果を示し、タリウム(I) 対タリウム(III) の普及によって明らかになる。[31]ガリウム（インジウムのより軽い同族体）が+1酸化状態で観測されることはまれである。このように、タリウム(III)は中程度に強い酸化剤であるが、インジウム(III)はそうではなく、多くのインジウム(I)化合物は強力な還元剤である。[32]化学結合にs電子を含めるために必要なエネルギーは、第13族金属の中ではインジウムが最も低いが、結合エネルギーは族が下がるにつれて減少するため、インジウムでは、2つの追加結合を形成して+3状態に達する際に放出されるエネルギーが、5s電子を含めるために必要なエネルギーを上回るとは限らない。[33]酸化インジウム(I)と水酸化インジウムはより塩基性が高く、酸化インジウム(III)と水酸化インジウムはより酸性である。[33]

インジウムについては、研究対象の反応に応じていくつかの標準電極電位[34]が報告されており、これは+3酸化状態の安定性の低下を反映している。[25]

インジウム金属は水とは反応しないが、ハロゲンなどのより強い酸化剤によって酸化され、インジウム(III)化合物を生成する。ホウ化物、ケイ化物、炭化物を形成しない。インジウムは水溶液中では比較的塩基性であり、わずかに両性の性質を示すのみである。また、より軽い同族元素であるアルミニウムやガリウムとは異なり、アルカリ水溶液には不溶である。[35]

インジウム(III)化合物

InCl 3 (構造図)はインジウムの一般的な化合物です。

水素化物とハロゲン化物

水素化物InH 3は、低温のエーテル溶液中ではせいぜい一時的な存在しか示さない。塩基が存在しない状態では重合する。 [32] ルイス塩基は、式LInH 3（L =第三級ホスフィンおよびN-ヘテロ環カルベン）で表されるインジウム水素化物の豊富な集合体を安定化する。[36]

Inの塩素化、臭素化、ヨウ素化により、無色のInCl 3、InBr 3、黄色のInI 3が生成される。これらの化合物はルイス酸であり、よく知られている三ハロゲン化アルミニウムに類似している。また、関連するアルミニウム化合物と同様に、InF 3はポリマー状である。[37]

インジウムハロゲン化物は水に溶解し、[Ir(H 2 O) 6 ] 3+や [IrCl 2 (H 2 O) 4 ] +などのアクア錯体を形成する。同様の錯体は硝酸塩や酢酸塩からも調製できる。全体的なパターンはアルミニウム(III)の場合と類似している。[36]

カルコゲニドとプニクチド

カルコゲニド（O、S、Se、Te）のインジウム誘導体は広く開発されている。酸化インジウム(III)（ In 2 O 3）は、インジウム金属を空気中で燃焼させたり、水酸化物や硝酸塩を加熱したりすることで生成される。[38]硫黄、セレン、テルルを含む類似のセスキカルコゲニドも知られている。[39]

インジウムニクチド（N、P、As、Sb）の化学もまた、半導体技術との関連性からよく知られています。インジウム金属とニクトゲンとの直接反応。マイクロエレクトロニクスへの応用では、P、As、Sb誘導体はトリメチルインジウムとの反応によって生成されます。

In(CH 3 ) 3 + H 3 E → InE + 3 CH 4 (E = P、As、Sb)

これらの誘導体の多くは加水分解されやすい。[40]

インジウム(I)化合物

インジウム(I)化合物は一般的ではありません。塩化物、臭化物、ヨウ化物は、原料の三ハロゲン化物とは異なり、濃い色をしています。フッ化物は不安定な気体としてのみ知られています。[41]酸化インジウム(I)の黒色粉末は、酸化インジウム(III)が700℃に加熱されて分解するときに生成されます。[38]

他の酸化状態の化合物

稀ではあるが、インジウムは酸化数+2や分数酸化数の化合物を形成する。通常、このような物質はIn-In結合を特徴とし、最も顕著な例としてはハロゲン化物In 2 X 4や[In 2 X 6 ] 2- が挙げられる[ 42] 。また、様々なサブカルコゲニドとしてIn 4 Se 3が挙げられる[43]。他にも、インジウム(I)とインジウム(III)が結合した化合物がいくつか知られており、例えばIn I 6 (In III Cl 6 )Cl 3、[44]、In I 5 (In III Br 4 ) 2 (In III Br 6 )、[45]、In I In III Br 4などが挙げられる[42]。

有機インジウム化合物

有機インジウム化合物はIn-C結合を特徴とする。ほとんどはIn(III)誘導体であるが、シクロペンタジエニルインジウム(I)は例外である。これは最初の有機インジウム(I)化合物であり[46]、インジウム原子とシクロペンタジエニル錯体が交互にジグザグに鎖状に連なった高分子である[47]。おそらく最もよく知られている有機インジウム化合物はトリメチルインジウム（In(CH 3 ) 3）であり、特定の半導体材料の製造に使用されている[48] [49]。

歴史

1863年、ドイツの化学者フェルディナント・ライヒとヒエロニムス・テオドール・リヒターは、ザクセン州フライベルク周辺の鉱山産の鉱石を検査していました。彼らは黄鉄鉱、硫砒鉄鉱、方鉛鉱、閃亜鉛鉱を塩酸に溶かし、粗塩化亜鉛を蒸留しました。色覚異常のライヒは、色のついたスペクトル線を検出するためにリヒターを助手として雇いました。その地域の鉱石にはタリウムが含まれることがあることを知っていた彼らは、緑色のタリウム発光スペクトル線を探しました。しかし、代わりに鮮やかな青色の線を発見しました。その青色の線は既知のどの元素とも一致しなかったため、彼らは鉱物に新しい元素が含まれていると仮説を立てました。彼らはその元素を、スペクトルに見られる藍色から、ラテン語の「インドの」を意味するindicumにちなんで、インジウムと名付けました。[50] [51] [52] [53]

リヒターは1864年にこの金属を単離した。[54] 0.5kg（1.1ポンド）のインゴットが1867年の世界博覧会で発表された。[55] 後にリヒターが唯一の発見者であると主張したことで、ライヒとリヒは対立した。[53]

発生

赤と青の矢印が付いた黄色の四角
銀からアンチモンの範囲で作用するs過程

インジウムは、低質量から中質量の星（質量範囲：太陽の0.6倍から10倍）における長期間（最長数千年）にわたるs過程（低速中性子捕獲）によって生成される。銀109原子が中性子を捕獲すると銀110に変化し、銀110はベータ崩壊してカドミウム110になる。さらに中性子を捕獲するとカドミウム115になり、カドミウム115はまたベータ崩壊してインジウム115になる。このため、放射性同位体が安定同位体よりも豊富に存在する。[56]安定なインジウム同位体であるインジウム113はp核の一つであるが、その起源は完全には解明されていない。インジウム113はs過程とr過程（高速中性子捕獲）で直接生成されることが知られており、また半減期が約8京年と非常に長寿命のカドミウム113の娘核種としても生成されるが、これでインジウム113の全てを説明することはできない。[57] [58]

インジウムは地殻中で68番目に豊富な元素であり、その濃度は約50ppbである。これは銀、ビスマス、水銀の地殻存在比とほぼ同等である。インジウムが単独で鉱物を形成すること、つまり元素の形で存在することは極めて稀である。ロケサイト（CuInS 2 ）などのインジウム鉱物は10種類未満しか知られておらず、経済的な抽出に十分な濃度で存在するものはない。[59]その代わりに、インジウムは通常、閃亜鉛鉱や黄銅鉱などのより一般的な鉱石鉱物の微量成分である。[60] [61]これらの鉱床から、インジウムは製錬の副産物として抽出することができる。[17]これらの鉱床におけるインジウムの濃縮度は地殻存在比に比べて高いが、現在の価格ではインジウムを主製品として抽出するには不十分である。[59]

他の金属の鉱石に含まれるインジウムの量については、様々な推定値が存在する。[62] [63]しかし、これらの量は母体となる物質の採掘なしには抽出できない（生産と利用可能性を参照）。したがって、インジウムの利用可能性は、基本的にこれらの鉱石の採掘速度によって決まり、その絶対量によって決まるのではない。この点は、現在の議論においてしばしば忘れられがちである。例えば、イェール大学のグレーデル・グループによる臨界評価では[64] 、一部の研究で引用されている逆説的に短い枯渇時間を説明している。[65] [17]

生産と供給

世界の生産動向[66]

インジウムは、他の金属鉱石の加工処理中に副産物としてのみ生産されます。主な原料は硫化亜鉛鉱石で、その大部分は閃亜鉛鉱に含まれています。 [17]硫化銅鉱石からも少量が抽出されます。亜鉛製錬の焙焼・浸出・電解採取工程では、鉄分を多く含む残渣にインジウムが蓄積されます。ここから、様々な方法で抽出することができます。また、処理液から直接回収することも可能です。さらに電気分解によって精製することもできます。[67]具体的なプロセスは、製錬所の操業方法によって異なります。[21] [17]

インジウムは副産物であるため、その生産量は硫化亜鉛（および銅）鉱石の年間採掘量によって制約される。したがって、その入手可能性は供給ポテンシャルの観点から議論する必要がある。副産物の供給ポテンシャルは、現在の市場条件（技術と価格）下で、その主原料から年間経済的に抽出可能な量と定義される。 [68]副産物は主産物から独立して抽出できないため、埋蔵量や資源量は副産物には関係ない。 [17]最近の推計では、インジウムの供給ポテンシャルは硫化亜鉛鉱石から最低でも年間1,300 t、硫化銅鉱石から最低でも年間20 tであるとされている。[17]これらの数値は現在の生産量（2016年の655 t）を大幅に上回っている。[69]したがって、生産コストや価格を大幅に上昇させることなく、副産物としてのインジウム生産を将来大幅に増加させることが可能である。 2016年のインジウムの平均価格は240米ドル/kgで、 2014年の705米ドル/kgから下落した。[70]

中国はインジウムの主要生産国であり（2016年には290トン）、次いで韓国（195トン）、日本（70トン）、カナダ（65トン）となっている。[69]ブリティッシュコロンビア州トレイルにあるテック・リソーシズ製油所は、インジウムを単一原料として生産する大規模企業であり、2005年には32.5トン、2004年には41.8トン、2003年には36.1トンを生産した。

インジウムの世界的消費は主に液晶ディスプレイの製造です。1990年代後半から2010年にかけて、液晶ディスプレイ搭載のコンピュータモニターやテレビの普及に伴い、インジウムの需要は急速に増加し、現在ではインジウム消費量の50%を占めています。[71]製造効率の向上とリサイクル（特に日本）により、需要と供給のバランスが維持されています。UNEPによると、インジウムの使用済み製品のリサイクル率は1%未満です。[72]

アプリケーション

工業用途

RGBピクセルが表示された液晶画面の拡大画像。個々のトランジスタは下部​​に白い点として表示されています。

1924年、インジウムは非鉄金属を安定させるという重要な特性を持つことが発見され、これがこの元素の最初の重要な用途となった。[73]インジウムの最初の大規模な用途は、第二次世界大戦中に高性能航空機エンジンのベアリングをコーティングし、損傷や腐食から保護することであったが、これは現在ではこの元素の主要な用途ではない。[67]新たな用途は、可溶合金、はんだ、電子機器に見出された。1950年代には、インジウムの微小ビーズがPNP合金接合トランジスタのエミッターとコレクターに使用された。1980年代半ばから後半にかけて、液晶ディスプレイ（LCD）用のリン化インジウム半導体とインジウムスズ酸化物薄膜の開発が大きな関心を集めた。1992年までに、薄膜用途が最大の最終用途となった。[74] [75]

酸化インジウム(III)と酸化インジウムスズ（ITO）は、電界発光パネルのガラス基板上の透明 導電コーティングとして使用されます。[76]酸化インジウムスズは、低圧ナトリウム蒸気ランプの赤外線フィルターとして使用されます。赤外線はランプ内に反射され、管内の温度を上昇させ、ランプの性能を向上させます。[75]

インジウムは半導体関連の用途が数多くある。アンチモン化インジウムやリン化インジウムなどの一部のインジウム化合物は有用な特性を持つ半導体である[77]。その前駆体として通常用いられるトリメチルインジウム（TMI）は、II-VI族化合物半導体の半導体ドーパントとしても用いられる。[49] InAsとInSbは低温トランジスタに、InPは高温トランジスタに用いられる。[67]化合物半導体のInGaNとInGaPは、発光ダイオード（LED）やレーザーダイオードに用いられる。[78]インジウムは、第二世代薄膜太陽電池の一種であるCIGS （銅インジウムガリウムセレン化物）半導体として太陽光発電に用いられる。[79]インジウムは、ゲルマニウムとのPNPバイポーラ接合トランジスタに用いられる。低温ではんだ付けしても、インジウムはゲルマニウムに応力を与えない。[67]

延性インジウム線

インジウム線は、極低温および超高真空用途で真空シールおよび熱伝導体として使用され、変形して隙間を埋めるガスケットなどの製造用途にも使用されています。 [80]インジウムシートは、その優れた可塑性と金属への接着性により、直接はんだ付けが困難なマイクロ波回路や導波管ジョイントの冷間はんだ付けに使われることがあります。インジウムは、室温で液体のガリウム・インジウム・スズ合金ガリンスタンの成分であり、一部の温度計では水銀の代替として使われています。[81]ビスマス、カドミウム、鉛、スズとインジウムの他の合金は、融点がより高くても低い（50～100℃）ため、消火スプリンクラーシステムや熱調整器に使われています。[67]

インジウムはアルカリ電池の水銀代替品の一つで、亜鉛の腐食や水素ガスの発生を防ぐために使用されます。 [82]一部の歯科用アマルガム合金には、水銀の表面張力を低下させ、水銀の使用量を減らしてアマルガム化を容易にするために、インジウムが添加されています。 [83]

インジウムは熱中性子に対する中性子捕獲断面積が大きいため、原子炉の制御棒に適しており、通常は銀80% 、インジウム15%、カドミウム5%の合金で使用されます。[84]原子力工学では、 113 Inと115 Inの(n,n')反応が中性子束の大きさを決定するために使用されます。[85]

2009年、オレゴン州立大学のマス・スブラマニアン教授と元大学院生アンドリュー・スミスは、インジウムをイットリウムとマンガンと組み合わせると、濃い青色で無毒、不活性、色あせしにくい顔料であるYInMnブルーが生成できることを発見しました。これは200年ぶりの新しい無機青色顔料の発見でした。[86]

医療用途

放射性インジウム111（微量）は核医学検査において、標識タンパク質や白血球の動きを追跡し、様々な感染症を診断するための放射性トレーサーとして使用されている。 [87] [88]インジウム化合物は摂取してもほとんど吸収されず、吸入しても中程度にしか吸収されない。インジウム化合物は一時的に筋肉、皮膚、骨に蓄積されてから排泄される傾向があり、インジウムの生物学的半減期はヒトにおいて約2週間である。[89]また、神経内分泌腫瘍における成長ホルモン受容体を見つけるために、オクトレオチドなどの成長ホルモン類似体に標識されることもある。[90]

生物学的役割と注意事項

インジウムはいかなる生物においても代謝に関与していない。ある概説によれば、「インジウムの産業利用による健康被害の証拠はない」[92]。

注記

  1. ^ 熱膨張は異方性である: 各結晶軸のパラメータ(20 °C)はα a  = 53.2 × 10 −6 /K、α c  = −9.75 × 10 −6 /K、α平均= α V /3 = 32.2 × 10 −6 /K. [3]

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