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Steckbrief: Indium

Informationen zum Element:

Bezeichnung

114,82

Symbol: In

Internationale Bezeichung (IUPAC): Indium

Ursprung: Indium ist ein seltenes, silberweißes und weiches Schwermetall. Es gilt als eines der ersten Elemente, dessen Verwendung schon jetzt zu einer zunehmenden Verknappung führt und dessen natürliche Vorkommen bald vollständig erschöpft sein werden.
Indium ist für den menschlichen Körper nicht essentiell, genauso wenig sind toxische Effekte bekannt. Das Metall wird zum größten Teil zu Indiumzinnoxid verarbeitet, das für Flachbildschirme und Touchscreens eingesetzt wird.
Indium wurde 1863 von den deutschen Chemikern Ferdinand Reich und Theodor Richter an der Bergakademie Freiberg entdeckt. Sie untersuchten eine in der Umgebung gefundene Sphalerit-Probe nach Thallium. Dabei fanden sie im Absorptionsspektrum anstatt der erwarteten Thallium-Linien eine bisher unbekannte indigoblaue Spektrallinie und 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 mit Wasserstoff auch das Metall darstellen. Eine größere Menge Indium wurde erstmals auf der Weltausstellung 1867 in Paris gezeigt.
Nach einer ersten Anwendung ab 1933 als Legierungsbestandteil in Zahngold begann der umfangreiche Einsatz von Indium mit dem Zweiten Weltkrieg. Die Vereinigten Staaten setzten es als Beschichtung in hoch beanspruchten Lagern von Flugzeugen ein. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde Indium vor allem in der Elektronikindustrie, als Lötmaterial und in niedrig schmelzenden Legierungen eingesetzt. Auch die Verwendung in Kontrollstäben von Kernreaktoren wurde mit der zunehmenden Verwendung der Kernenergie wichtig. Dies führte bis 1980 zu einem ersten starken Ansteigen des Indiumpreises. Nach dem Reaktorunfall von Three Mile Island gingen jedoch sowohl Nachfrage als auch Preis deutlich zurück.
Ab 1987 wurden zwei neue Indiumverbindungen, der Halbleiter Indiumphosphid und das in dünnen Schichten leitende und durchsichtige Indiumzinnoxid entwickelt. Besonders Indiumzinnoxid wurde mit der Entwicklung von Flüssigkristallbildschirmen technisch interessant. Durch den hohen Bedarf wird seit 1992 der größte Teil des Indiums zu Indiumzinnoxid weiterverarbeitet.

Bedeutung: abgeleitet von: Indigo = tieflblau

Daten Periodensystem

Periode: 5

Gruppe: 13 (III A)

Gruppenname: Borgruppe (Erdmetalle)

Oxidationszahl: 3 (2, 1)

Atommasse [u]: 114,82

Elektronegativität

Elektronegativität (nach Allred): 1,5

Elektronegativität (nach Pauling): 1,78

Physikalische Daten

Aggregatzustand (20°C): fest

Dichte [g/cm²]: 7,31

Radioativ: n

Schmelztemperatur [°C]: 156,76

Siedetemperatur [°C]: 2072

Kristallstruktur: tetragonal

Verwendung im Alltag

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 von Indiumzinnoxid wurden im Jahr 2000 65 % der Gesamtproduktion an Indium verwendet. Auch andere Verbindungen, wie Indiumphosphid und Indiumarsenid werden aus dem produzierten Indium gewonnen.

Schutz von Metallen: Metallische Werkstücke können durch galvanisch abgeschiedenene Indiumüberzüge geschützt werden. So beschichtete Werkstoffe etwa aus Stahl, Blei oder Cadmium sind danach beständiger gegen Korrosion durch organische Säuren oder Salzlösungen und vor allem Abrieb. Indiumschutzschichten wurden früher oft für Gleitlager in Automobilen oder Flugzeugen verwendet. Seit dem deutlichen Anstieg des Indiumpreises ist dies jedoch nicht mehr wirtschaftlich. Mit Indium beschichtete Flächen besitzen einen hohen und gleichmäßigen Reflexionsgrad über alle Farben hinweg und können daher als Spiegel verwendet werden.
Dichtungen: Indiumdraht wird in Indiumdichtungen verwendet. Indium ist gasdicht und auch bei tiefen Temperaturen leicht zu verformen und wird daher in sogenannten Indiumdichtungen in Kryostaten eingesetzt.
Temperaturskalen-Festlegung: 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 die Kalibrierung in der Dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) genutzt.
Steuerung in Kernreaktoren: Wegen des hohen Einfangquerschnittes sowohl für langsame als auch für schnelle Neutronen ist Indium ein geeignetes Material für Steuerstäbe in Kernreaktoren. Auch als Neutronendetektoren können Indiumfolien verwendet werden.
Fließmittel beim Löten: Auch als Lot für 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 für Transistoren wichtig. Ebenso spielt eine Rolle, dass Indium in der Lage ist, auch nichtmetallische Stoffe wie Glas und Keramik zu verlöten.
Legierungen: Indium kann mit vielen Metallen legiert werden. Viele dieser Legierungen, vor allem mit den Metallen Bismut, Zinn, Cadmium und Blei, besitzen einen niedrigen Schmelzpunkt von 50 bis 100 °C. Dadurch ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten beispielsweise in Sprinkleranlagen, Thermostaten und Sicherungen. 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 Hochtemperaturthermometern enthalten. Eine spezielle Gallium-Indium-Zinn-Legierung ist Galinstan. 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 mit Kupfer, Mangan und Magnesium als Legierungsbestandteil von magnetischen Werkstoffen verwendet. Gelegentlich wird Indium (maximal 5 %) mit Silber, Zinn, Kupfer, Quecksilber und Zink als Beimischung in Amalgamfüllungen benutzt. In der Speicherschicht einer CD-RW ist unter anderem Indium enthalten.
Nachweis: Ein möglicher chemischer Nachweis ist das Ausfällen von Indiumionen mit Hilfe von 8-Hydroxychinolin aus essigsaurer Lösung. Normalerweise wird Indium nicht auf chemische Weise nachgewiesen, sondern über geeignete spektroskopische Verfahren. Leicht ist Indium über die charakteristischen Spektrallinien bei 451,14 nm und 410,18 nm nachzuweisen. Da diese im blauen Spektralbereich liegen, ergibt sich die typische blaue Flammenfärbung. Für eine genauere quantitative Bestimmung bieten sich die Röntgenfluoreszenzanalyse und die Massenspektrometrie als Untersuchungsmethode an.
Toxizität und Sicherheit: Während von Indiummetall keine toxischen Effekte bekannt sind, zeigte es sich jedoch, dass Indiumionen im Tierversuch mit Ratten und Kaninchen embryonentoxische und teratogene Effekte besitzen. Bei einer Einmalgabe von 0,4 mg⋅kg^-1 InCl₃ an trächtigen Ratten konnten Missbildungen wie beispielsweise Gaumenspalten und Oligodaktylie beobachtet 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.
Brennbarkeit: Kompaktes Indiummetall ist nicht brennbar. Im feinverteilten Zustand als Pulver oder Staub ist es dagegen wie viele Metalle leichtentzündlich und brennbar. Brennendes Indium darf wegen der Explosionsgefahr durch entstehenden Wasserstoff nicht 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 die Oxidationsstufe +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)-oxid ist ein gelbes, stabiles Salz. Reines Indium(III)-oxid wird wenig verwendet, in der Technik wird der größte Teil zu Indiumzinnoxid weiterverarbeitet. Es handelt sich hierbei um Indium(III)-oxid, das mit einer geringen Menge Zinn(IV)-oxid dotiert ist. Dadurch wird die Verbindung zu einem transparenten und leitfähigem Oxid (TCO-Material). Diese Kombination von Eigenschaften, die nur wenige weitere Materialien besitzen, bedingt eine breite Anwendung. Insbesondere als Stromleiter in Flüssigkristallbildschirmen (LCD), organischen Leuchtdioden (OLED), Touchscreens und Solarzellen wird Indiumzinnoxid verwendet. In weiteren Anwendungen wie beheizbaren Autoscheiben und Solarzellen konnte das teure Indiumzinnoxid durch billigeres aluminiumdotiertes Zinkoxid ersetzt werden.
- Verbindungshalbleiter: Viele Indiumverbindungen sind Verbindungshalbleiter mit charakteristischen Bandlücken. Dies betrifft insbesondere Verbindungen mit Elementen der 15. und 16. Hauptgruppe, wie Phosphor, Arsen oder Schwefel. Diejenigen mit Elementen der 15. Hauptgruppe werden zu den III-V-Halbleitern gezählt, diejenigen mit Chalkogenen zu den III-VI-Halbleitern. Die Zahl richtet sich jeweils nach der Anzahl an Valenzelektronen in den beiden Verbindungsbestandteilen. Indiumnitrid, Indiumphosphid, Indiumarsenid und Indiumantimonid haben unterschiedliche Anwendungen in verschiedenen Dioden, wie Leuchtdioden (LED), Fotodioden oder Laserdioden. Die genaue Anwendung hängt von der benötigten Bandlücke ab. Indium(III)-sulfid (In₂S₃) ist ein III-VI-Halbleiter mit einer Bandlücke von 2 eV, der anstelle von Cadmiumsulfid in Solarzellen verwendet wird. Einige dieser Verbindungen ? vor allem Indiumphosphid und Indiumarsenid ? spielen eine Rolle in der Nanotechnologie. Indiumphosphid-Nanodrähte besitzen eine stark anisotrope Photolumineszenz und können eventuell in hochempfindlichen Photodetektoren oder optischen Schaltern eingesetzt werden.
- Mehrmetallige Verbindungshalbleiter: Neben den einfachen Verbindungshalbleitern gibt es auch halbleitende Verbindungen, die mehr als ein Metall enthalten. Ein Beispiel ist Indiumgalliumarsenid (In_xGa_1-xAs) ein ternärer Halbleiter mit einer im Vergleich zu Galliumarsenid verringerten Bandlücke. Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe₂) besitzt einen hohen Absorptionsgrad für Licht und wird daher in Dünnschichtsolarzellen eingesetzt (CIGS-Solarzelle).
- Weitere Indiumverbindungen: Mit den Halogenen Fluor, Chlor, Brom und Iod bildet Indium eine Reihe von Verbindungen. Sie sind Lewis-Säuren und bilden mit geeigneten Donoren Komplexe. Ein wichtiges Indiumhalogenid ist Indium(III)-chlorid. Dieses wird unter anderem als Katalysator für die Reduktion organischer Verbindungen eingesetzt.
  Es existieren auch organische Indiumverbindungen mit den allgemeinen Formeln InR₃ und InR. Sie sind wie viele metallorganische Verbindungen empfindlich gegen Sauerstoff und Wasser. Indiumorganische Verbindungen werden als Dotierungsreagenz bei der Produktion von Halbleitern genutzt.

Vorkommen und Häufigkeit

Vorkommen: Indium ist ein seltenes Element, sein Anteil an der kontinentalen Erdkruste beträgt nur 0,05 ppm. Es ist damit von ähnlicher Häufigkeit wie Silber und Quecksilber. In gediegenem Zustand wurde Indium bisher nur in einem Einzelfund im östlichen Sibirien gefunden. Es sind nur wenige Indium-Minerale bekannt. Dies sind vor allem sulfidische Minerale wie Indit FeIn₂S₄ und Roquésit CuInS₂. Diese sind jedoch selten und spielen für die Gewinnung von Indium keine Rolle. Die größten Vorkommen von Indium liegen in Zinkerzen, insbesondere Sphalerit. Die theoretischen Reserven werden auf 16.000 Tonnen geschätzt, wirtschaftlich abbaubar sind davon etwa 11.000 Tonnen. Die größten Vorkommen liegen in Kanada und China und Peru. Indiumhaltige Erze werden aber auch in Australien, Bolivien, Brasilien, Japan, Russland, Südafrika, den USA und einigen europäischen Ländern gefunden. In Deutschland liegen Vorkommen im Erzgebirge (Freiberg, Marienberg) und am Rammelsberg im Harz.

Häufigkeit: 1,00 ⋅ 10^-5 % (prozentualer Massenanteil der Erdhülle, d.h. der Erdkruste/Ozeane bis 16 km Tiefe)