Indio (química)

El indio es un elemento químico de símbolo In y número atómico 49. El indio es el metal más blando que no es un metal alcalino. Es un metal blanco plateado que se parece al estaño en apariencia. Es un metal posterior a la transición que constituye 0,21 partes por millón de la corteza terrestre. El indio tiene un punto de fusión más alto que el sodio y el galio, pero más bajo que el litio y el estaño. Químicamente, el indio es similar al galio y al talio, y es en gran medida intermedio entre los dos en términos de sus propiedades. El indio fue descubierto en 1863 por Ferdinand Reich y Hieronymous Theodor Richter por métodos espectroscópicos. Lo llamaron así por la línea azul índigo en su espectro. El indio se aisló al año siguiente.

El indio es un componente menor en los minerales de sulfuro de zinc y se produce como subproducto del refinamiento del zinc. Se utiliza sobre todo en la industria de los semiconductores, en aleaciones metálicas de bajo punto de fusión, como soldaduras, en sellos de alto vacío de metal blando y en la producción de recubrimientos conductores transparentes de óxido de indio y estaño (ITO) sobre vidrio. El indio se considera un elemento crítico para la tecnología.

El indio no tiene ningún papel biológico. Sus compuestos son tóxicos cuando se inyectan en el torrente sanguíneo. La mayor parte de la exposición ocupacional se produce por ingestión, en la que los compuestos de indio no se absorben bien, y por inhalación, en la que se absorben moderadamente.

Propiedades

Físico

El indio es un metal de post-transición altamente dúctil de color blanco plateado con un brillo brillante. Es tan suave (dureza de Mohs 1,2) que, como el sodio, se puede cortar con un cuchillo. También deja una línea visible en el papel. Es un miembro del grupo 13 en la tabla periódica y sus propiedades son en su mayoría intermedias entre sus vecinos verticales, el galio y el talio. Al igual que el estaño, se escucha un grito agudo cuando se dobla el indio, un sonido crepitante debido a la macla de cristales. Al igual que el galio, el indio puede humedecer el vidrio. Como ambos, el indio tiene un punto de fusión bajo, 156,60 °C (313,88 °F); más alto que su homólogo más ligero, el galio, pero más bajo que su homólogo más pesado, el talio, y más bajo que el estaño.El punto de ebullición es de 2072 °C (3762 °F), más alto que el del talio, pero más bajo que el del galio, a la inversa de la tendencia general de los puntos de fusión, pero similar a las tendencias hacia abajo de los otros grupos de metales posteriores a la transición debido a la debilidad del enlace metálico con pocos electrones deslocalizados.

La densidad del indio, 7,31 g/cm, también es mayor que la del galio, pero menor que la del talio. Por debajo de la temperatura crítica, 3,41 K, el indio se convierte en un superconductor. El indio cristaliza en el sistema cristalino tetragonal centrado en el cuerpo en el grupo espacial I 4/ mmm (parámetros de red: a = 325 pm, c = 495 pm): esta es una estructura cúbica centrada en la cara ligeramente distorsionada, donde cada átomo de indio tiene cuatro vecinos a 324 h de distancia y ocho vecinos un poco más lejos (336 h). El indio tiene mayor solubilidad en mercurio líquido que cualquier otro metal (más del 50 por ciento en masa de indio a 0 °C).El indio muestra una respuesta viscoplástica dúctil, que es independiente del tamaño en tensión y compresión. Sin embargo, tiene un efecto de tamaño en la flexión y la indentación, asociado a una escala de longitud del orden de 50 a 100 µm, significativamente grande en comparación con otros metales.

Químico

El indio tiene 49 electrones, con una configuración electrónica de [Kr]4d 5s 5p. En los compuestos, el indio suele donar los tres electrones más externos para convertirse en indio (III), In. En algunos casos, el par de electrones 5s no se donan, lo que da como resultado indio (I), In. La estabilización del estado monovalente se atribuye al efecto de par inerte, en el que los efectos relativistas estabilizan el orbital 5s, observado en elementos más pesados. El talio (el homólogo más pesado del indio) muestra un efecto aún más fuerte, lo que hace que la oxidación a talio (I) sea más probable que a talio (III),mientras que el galio (el homólogo más ligero del indio) comúnmente muestra solo el estado de oxidación +3. Así, aunque el talio(III) es un agente oxidante moderadamente fuerte, el indio(III) no lo es, y muchos compuestos de indio(I) son poderosos agentes reductores. Si bien la energía requerida para incluir los electrones s en el enlace químico es más baja para el indio entre los metales del grupo 13, las energías de enlace disminuyen hacia abajo en el grupo, de modo que por el indio, la energía liberada al formar dos enlaces adicionales y alcanzar el estado +3 no es siempre suficiente para compensar la energía necesaria para involucrar a los electrones 5s. El óxido e hidróxido de indio (I) son más básicos y el óxido e hidróxido de indio (III) son más ácidos.

Se informan varios potenciales de electrodo estándar, según la reacción en estudio, para el indio, lo que refleja la disminución de la estabilidad del estado de oxidación +3:

en + e	⇌ En	mi = −0,40 V
en + e	⇌ En	mi = −0,49 V
en + 2 mi	⇌ En	mi = −0,443 V
En + 3 e	⇌ En	E = −0,3382 V
en + e	⇌ En	mi = −0,14 V

El indio metálico no reacciona con el agua, pero es oxidado por agentes oxidantes más fuertes, como los halógenos, para dar compuestos de indio (III). No forma boruro, siliciuro o carburo, y el hidruro InH ₃ tiene, en el mejor de los casos, una existencia transitoria en soluciones etéreas a bajas temperaturas, siendo lo suficientemente inestable como para polimerizar espontáneamente sin coordinación. El indio es bastante básico en solución acuosa, mostrando solo ligeras características anfóteras y, a diferencia de sus homólogos más ligeros, el aluminio y el galio, es insoluble en soluciones alcalinas acuosas.

Isótopos

El indio tiene 39 isótopos conocidos, cuyo número de masa oscila entre 97 y 135. Solo dos isótopos se encuentran de forma natural como nucleidos primordiales: el indio-113, el único isótopo estable, y el indio-115, que tiene una vida media de 4,41 × 10 años. cuatro órdenes de magnitud mayor que la edad del Universo y casi 30.000 veces mayor que la del torio natural. La vida media de In es muy larga porque la desintegración beta a Sn tiene prohibido el espín. El indio-115 constituye el 95,7% de todo el indio. El indio es uno de los tres elementos conocidos (los otros son el telurio y el renio) cuyo isótopo estable es menos abundante en la naturaleza que los radioisótopos primordiales de larga vida.

El isótopo artificial más estable es el indio-111, con una vida media de aproximadamente 2,8 días. Todos los demás isótopos tienen vidas medias inferiores a 5 horas. El indio también tiene 47 metaestados, entre los cuales el indio-114m1 (vida media de aproximadamente 49,51 días) es el más estable, más estable que el estado fundamental de cualquier isótopo de indio que no sea el primordial. Todos decaen por transición isomérica. Los isótopos de indio más ligeros que In se descomponen predominantemente a través de la captura de electrones o la emisión de positrones para formar isótopos de cadmio, mientras que los otros isótopos de indio de In y mayores se desintegran predominantemente a través de la desintegración beta-menos para formar isótopos de estaño.

Compuestos

Indio (III)

El óxido de indio (III), en ₂ O ₃, se forma cuando el metal indio se quema en el aire o cuando se calienta el hidróxido o el nitrato. En ₂ O ₃ adopta una estructura como la alúmina y es anfótero, es decir capaz de reaccionar tanto con ácidos como con bases. El indio reacciona con el agua para reproducir hidróxido de indio (III) soluble, que también es anfótero; con álcalis para producir indatos (III); y con ácidos para producir sales de indio (III):In(OH) ₃ + 3 HCl → InCl ₃ + 3 H ₂ O

También se conocen los sesquicalcogenuros análogos con azufre, selenio y telurio. El indio forma los trihaluros esperados. La cloración, bromación y yodación de In producen InCl ₃ incoloro, InBr _{3 e InI 3} amarillo. Los compuestos son ácidos de Lewis, algo parecidos a los trihaluros de aluminio más conocidos. Nuevamente, como el compuesto de aluminio relacionado, InF ₃ es polimérico.

La reacción directa del indio con los pnictógenos produce los semiconductores grises o semimetálicos III-V. Muchos de ellos se descomponen lentamente en el aire húmedo, lo que requiere un almacenamiento cuidadoso de los compuestos semiconductores para evitar el contacto con la atmósfera. El nitruro de indio es fácilmente atacado por ácidos y álcalis.

Indio (I)

Los compuestos de indio (I) no son comunes. El cloruro, el bromuro y el yoduro tienen un color intenso, a diferencia de los trihaluros originales a partir de los cuales se preparan. El fluoruro se conoce solo como un compuesto gaseoso inestable. El polvo negro de óxido de indio (I) se produce cuando el óxido de indio (III) se descompone al calentarlo a 700 °C.

Otros estados de oxidación

Con menos frecuencia, el indio forma compuestos en estado de oxidación +2 e incluso estados de oxidación fraccionarios. Por lo general, estos materiales presentan enlaces In-In, sobre todo en los haluros In ₂ X ₄ e [In ₂ X ₆ ], y varios subcalcogenuros como In ₄ Se ₃. Se sabe que varios otros compuestos combinan indio (I) e indio (III), como In ₆ (In Cl ₆)Cl ₃, In ₅ (In Br ₄) ₂ (In Br ₆), In In Br ₄.

Compuestos de organoindio

Los compuestos de organoindio presentan enlaces In-C. La mayoría son derivados de In(III), pero el ciclopentadienilindio(I) es una excepción. Fue el primer compuesto de organoindio (I) conocido y es polimérico, que consta de cadenas en zigzag de átomos de indio alternados y complejos de ciclopentadienilo. Quizás el compuesto de organoindio más conocido es el trimetilindio, In(CH ₃) ₃, que se utiliza para preparar ciertos materiales semiconductores.

Historia

En 1863, los químicos alemanes Ferdinand Reich y Hieronymous Theodor Richter estaban probando minerales de las minas alrededor de Freiberg, Sajonia. Disolvieron los minerales pirita, arsenopirita, galena y esfalerita en ácido clorhídrico y cloruro de zinc crudo destilado. Reich, que era daltónico, empleó a Richter como asistente para detectar las líneas espectrales de colores. Sabiendo que los minerales de esa región a veces contienen talio, buscaron las líneas verdes del espectro de emisión de talio. En cambio, encontraron una línea azul brillante. Debido a que esa línea azul no coincidía con ningún elemento conocido, plantearon la hipótesis de que un nuevo elemento estaba presente en los minerales. Llamaron al elemento indio, por el color índigo que se ve en su espectro, por el latín indicum, que significa 'de la India'.

Richter pasó a aislar el metal en 1864. Se presentó un lingote de 0,5 kg (1,1 lb) en la Feria Mundial de 1867. Reich y Richter se pelearon más tarde cuando este último afirmó ser el único descubridor.

Ocurrencia

El indio se crea mediante el proceso s de larga duración (hasta miles de años) (captura lenta de neutrones) en estrellas de masa baja a media (rango de masa entre 0,6 y 10 masas solares). Cuando un átomo de plata-109 captura un neutrón, se transmuta en plata-110, que luego sufre una desintegración beta para convertirse en cadmio-110. Al capturar más neutrones, se convierte en cadmio-115, que se desintegra en indio-115 mediante otra desintegración beta. Esto explica por qué el isótopo radiactivo es más abundante que el estable.El isótopo estable de indio, indio-113, es uno de los núcleos p, cuyo origen no se comprende completamente; aunque se sabe que el indio-113 se produce directamente en los procesos s y r (captura rápida de neutrones), y también como hijo del cadmio-113, que tiene una vida media muy larga y tiene una vida media de unos ocho mil billones de años, esto no puede explicar todo el indio-113.

El indio es el 68º elemento más abundante en la corteza terrestre con aproximadamente 50 ppb. Esto es similar a la abundancia de plata, bismuto y mercurio en la corteza. Muy rara vez forma sus propios minerales, o se presenta en forma elemental. Se conocen menos de 10 minerales de indio como la roquesita (CuInS ₂), y ninguno se encuentra en concentraciones suficientes para una extracción económica. En cambio, el indio suele ser un componente traza de minerales minerales más comunes, como la esfalerita y la calcopirita. De estos, se puede extraer como subproducto durante la fundición. Si bien el enriquecimiento de indio en estos depósitos es alto en relación con su abundancia en la corteza, es insuficiente, a los precios actuales, para respaldar la extracción de indio como producto principal.

Existen diferentes estimaciones de las cantidades de indio contenidas en los minerales de otros metales. Sin embargo, estas cantidades no son extraíbles sin extraer los materiales del huésped (ver Producción y disponibilidad). Así, la disponibilidad de indio está determinada fundamentalmente por la velocidad a la que se extraen estos minerales, y no por su cantidad absoluta. Este es un aspecto que a menudo se olvida en el debate actual, por ejemplo, por el grupo Graedel de Yale en sus evaluaciones de criticidad, lo que explica los tiempos de agotamiento paradójicamente bajos que citan algunos estudios.

Producción y disponibilidad

El indio se produce exclusivamente como subproducto durante el procesamiento de minerales de otros metales. Su principal material de origen son los minerales sulfurosos de zinc, donde se aloja principalmente en esfalerita. Es probable que también se extraigan cantidades menores de los minerales sulfurosos de cobre. Durante el proceso de tostación, lixiviación y electroobtención de la fundición de zinc, el indio se acumula en los residuos ricos en hierro. De estos, se puede extraer de diferentes maneras. También se puede recuperar directamente de las soluciones del proceso. La purificación adicional se realiza mediante electrólisis. El proceso exacto varía según el modo de operación de la fundición.

Su estado de subproducto significa que la producción de indio está restringida por la cantidad de minerales sulfurosos de zinc (y cobre) extraídos cada año. Por lo tanto, su disponibilidad debe discutirse en términos de potencial de suministro. El potencial de suministro de un subproducto se define como la cantidad que se puede extraer económicamente de sus materiales anfitriones por año en las condiciones actuales del mercado (es decir, tecnología y precio). Las reservas y los recursos no son relevantes para los subproductos, ya que no pueden extraerse independientemente de los productos principales. Estimaciones recientes sitúan el potencial de suministro de indio en un mínimo de 1.300 t/año a partir de minerales sulfurosos de zinc y 20 t/año a partir de minerales sulfurosos de cobre. Estas cifras son significativamente superiores a la producción actual (655 t en 2016).Por lo tanto, serán posibles importantes aumentos futuros en la producción de subproductos de indio sin aumentos significativos en los costos de producción o el precio. El precio promedio del indio en 2016 fue de US$ 240/kg, por debajo de los US$ 705/kg de 2014.

China es uno de los principales productores de indio (290 t en 2016), seguido de Corea del Sur (195 t), Japón (70 t) y Canadá (65 t). La refinería de Teck Resources en Trail, Columbia Británica, es un gran productor de indio de fuente única, con una producción de 32,5 toneladas en 2005, 41,8 toneladas en 2004 y 36,1 toneladas en 2003.

El principal consumo de indio en todo el mundo es la producción de LCD. La demanda aumentó rápidamente desde finales de la década de 1990 hasta 2010 con la popularidad de los monitores de computadora LCD y los televisores, que ahora representan el 50% del consumo de indio. La mayor eficiencia de fabricación y el reciclaje (especialmente en Japón) mantienen un equilibrio entre la demanda y la oferta. Según el PNUMA, la tasa de reciclaje al final de la vida útil del indio es inferior al 1%.

Aplicaciones

En 1924, se descubrió que el indio tenía una valiosa propiedad para estabilizar metales no ferrosos, y ese se convirtió en el primer uso significativo del elemento. La primera aplicación a gran escala del indio fue el revestimiento de cojinetes en motores de aeronaves de alto rendimiento durante la Segunda Guerra Mundial, para protegerlos contra daños y corrosión; este ya no es un uso principal del elemento. Se encontraron nuevos usos en aleaciones fusibles, soldaduras y electrónica. En la década de 1950, se utilizaron diminutas perlas de indio para los emisores y colectores de los transistores de unión de aleación PNP. A mediados y finales de la década de 1980, el desarrollo de semiconductores de fosfuro de indio y películas delgadas de óxido de indio y estaño para pantallas de cristal líquido (LCD) despertó mucho interés. Para 1992, la aplicación de película delgada se había convertido en el uso final más importante.

El óxido de indio (III) y el óxido de indio y estaño (ITO) se utilizan como revestimiento conductor transparente sobre sustratos de vidrio en paneles electroluminiscentes. El óxido de indio y estaño se utiliza como filtro de luz en lámparas de vapor de sodio de baja presión. La radiación infrarroja se refleja de nuevo en la lámpara, lo que aumenta la temperatura dentro del tubo y mejora el rendimiento de la lámpara.

El indio tiene muchas aplicaciones relacionadas con los semiconductores. Algunos compuestos de indio, como el antimoniuro de indio y el fosfuro de indio, son semiconductores con propiedades útiles: un precursor suele ser el trimetilindio (TMI), que también se utiliza como dopante semiconductor en los semiconductores compuestos II-VI. InAs e InSb se utilizan para transistores de baja temperatura e InP para transistores de alta temperatura. Los semiconductores compuestos InGaN e InGaP se utilizan en diodos emisores de luz (LED) y diodos láser. El indio se utiliza en la energía fotovoltaica como el seleniuro de cobre, indio y galio semiconductor (CIGS), también llamado celdas solares CIGS, un tipo de celda solar de película delgada de segunda generación.El indio se utiliza en transistores de unión bipolar PNP con germanio: cuando se suelda a baja temperatura, el indio no tensiona al germanio.

El alambre de indio se utiliza como sello de vacío y conductor térmico en aplicaciones criogénicas y de ultra alto vacío, en aplicaciones de fabricación como juntas que se deforman para llenar espacios. Debido a su gran plasticidad y adherencia a los metales, las láminas de Indio se utilizan en ocasiones para soldadura en frío en circuitos de microondas y uniones de guías de ondas, donde la soldadura directa es complicada. El indio es un ingrediente de la aleación de galio-indio-estaño galinstan, que es líquido a temperatura ambiente y reemplaza al mercurio en algunos termómetros. Otras aleaciones de indio con bismuto, cadmio, plomo y estaño, que tienen puntos de fusión más altos pero aún bajos (entre 50 y 100 °C), se utilizan en sistemas de rociadores contra incendios y reguladores de calor.

El indio es uno de los muchos sustitutos del mercurio en las pilas alcalinas para evitar que el zinc se corroa y libere gas hidrógeno. El indio se agrega a algunas aleaciones de amalgama dental para disminuir la tensión superficial del mercurio y permitir que haya menos mercurio y una amalgama más fácil.

La alta sección transversal de captura de neutrones del indio para neutrones térmicos lo hace adecuado para su uso en barras de control para reactores nucleares, típicamente en una aleación de 80 % de plata, 15 % de indio y 5 % de cadmio. En ingeniería nuclear, las reacciones (n,n') de In e In se utilizan para determinar las magnitudes de los flujos de neutrones.

En 2009, el profesor Mas Subramanian y sus asociados de la Universidad Estatal de Oregón descubrieron que el indio se puede combinar con itrio y manganeso para formar un pigmento azul intenso, no tóxico, inerte y resistente a la decoloración, el azul YInMn, el primer pigmento azul inorgánico nuevo descubierto en 200 años

Función biológica y precauciones

El indio no tiene ningún papel metabólico en ningún organismo. De manera similar a las sales de aluminio, los iones de indio (III) pueden ser tóxicos para el riñón cuando se administran por inyección. El óxido de indio y estaño y el fosfuro de indio dañan los sistemas pulmonar e inmunológico, predominantemente a través del indio iónico, aunque el óxido de indio hidratado es más de cuarenta veces más tóxico cuando se inyecta, medido por la cantidad de indio introducido. El indio-111 radiactivo (en cantidades muy pequeñas sobre una base química) se usa en pruebas de medicina nuclear, como un radiotrazador para seguir el movimiento de las proteínas marcadas y los glóbulos blancos en el cuerpo.Los compuestos de indio en su mayoría no se absorben con la ingestión y solo se absorben moderadamente con la inhalación; tienden a almacenarse temporalmente en los músculos, la piel y los huesos antes de ser excretados, y la vida media biológica del indio es de aproximadamente dos semanas en humanos.

Las personas pueden estar expuestas al indio en el lugar de trabajo por inhalación, ingestión, contacto con la piel y contacto con los ojos. El pulmón de indio es una enfermedad pulmonar caracterizada por proteinosis alveolar pulmonar y fibrosis pulmonar, descrita por primera vez por investigadores japoneses en 2003. Hasta 2010, se habían descrito 10 casos, aunque más de 100 trabajadores de indio habían documentado anomalías respiratorias. El Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 0,1 mg/m3 durante una jornada laboral de ocho horas.