最終更新：2025年12月16日

インジウム (49)：現代スクリーンの見えない元素

インジウムの発見の歴史

インジウムは1863年、ドイツの化学者フェルディナンド・ライヒ (1799-1882) と ヒエロニムス・テオドール・リヒター (1824-1898) によってザクセンのフライベルク鉱山学校で発見されました。ライヒは、ブンゼンとキルヒホッフによって数年前に開発された革命的な分光法を用いて、地域の亜鉛鉱石からタリウムを探していました。

ライヒは色覚異常であったため、精製された試料の放出スペクトルを観察するよう助手のリヒターに依頼しました。リヒターは、既知の元素には対応しない2本の強い青色線を観察しました。ライヒとリヒターは、新しい元素を発見したと認識し、そのスペクトル線のインディゴブルーの色にちなんで、ラテン語のindicum（インディゴ）からindiumと名付けました。

純粋なインジウム金属を十分な量で単離し、その性質を研究するには数年を要しました。リヒターは1867年にようやく比較的純粋な金属を生産することに成功しました。インジウムは1940年代から1950年代にかけて現代の電子工学が発展するまで、実用的な応用はほとんどなく、約1世紀にわたって実験室の珍品として残っていました。

構造と基本的な性質

インジウム（記号 In、原子番号 49）は、周期表の13族に属するアルミニウム、ガリウム、タリウムとともに、ポスト遷移金属です。その原子は49個の陽子、通常66個の中性子（最も豊富な同位体 \(\,^{115}\mathrm{In}\)）、および電子配置 [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p¹ の49個の電子を持ちます。

インジウムは、非常に柔らかく展性に富んだ明るい銀白色の金属です。密度は7.31 g/cm³で、中程度の重さです。インジウムは非常に柔らかいため、爪で傷をつけることができ、鉛筆のように紙に跡を残します。インジウムは、金属としては珍しい中心四角形構造で結晶化します。インジウムは曲げると特徴的な「きしみ音」を発します。これは、結晶が再配向する際の摩擦によるものです。

インジウムは157 °C（430 K）で融解し、水の沸点よりわずかに高い温度で液体になります。沸点は2072 °C（2345 K）です。液体のインジウムはガラスを非常に良く濡らす性質があり、均一な薄膜コーティングやガラス-金属の気密シールの作成に利用されます。

インジウムは大気中での腐食に対して非常に強く、ほとんど変色しません。室温では水、塩基、およびほとんどの希酸に対して安定しています。この化学的安定性と、低融点の合金を形成しガラスに付着する能力により、さまざまな技術的応用に貴重な材料となっています。

インジウムの融点：430 K（157 °C）。
インジウムの沸点：2345 K（2072 °C）。
インジウムはナトリウム、リチウム、鉛に次いで最も柔らかい金属です。

インジウムの同位体表

インジウムの同位体（基本的な物理的性質）
同位体 / 記号	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	崩壊 / 備考
インジウム-113 — \(\,^{113}\mathrm{In}\,\)	49	64	112.904058 u	≈ 4.29 %	安定	インジウムの唯一の安定同位体で、天然インジウム中では少量。
インジウム-115 — \(\,^{115}\mathrm{In}\,\)	49	66	114.903878 u	≈ 95.71 %	≈ 4.41 × 10¹⁴ 年	放射性（β⁻）。極めて長い半減期（宇宙の年齢の31,000倍）で、準安定とみなされます。
インジウム-111 — \(\,^{111}\mathrm{In}\,\)	49	62	110.905103 u	合成	≈ 2.80 日	放射性（電子捕獲）。ガンマ線放出体で、SPECT医療画像診断やシンチグラフィーに使用されます。
インジウム-114m — \(\,^{114m}\mathrm{In}\,\)	49	65	113.904917 u	合成	≈ 49.5 日	放射性（アイソマー遷移、β⁻）。準安定状態で、工業用トレーサーとして使用されます。

インジウムの電子配置と電子殻

注：
電子殻：電子が原子核の周りにどのように配置されているか。

インジウムは49個の電子を5つの電子殻に持っています。その完全な電子配置は： 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p¹、または簡略化して：[Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p¹。この配置はK(2) L(8) M(18) N(18) O(3)とも表記できます。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1)：1s軌道に2個の電子を含みます。この内殻は完全で非常に安定しています。
L殻 (n=2)：2s² 2p⁶に8個の電子が分布しています。この殻も完全で、貴ガス（ネオン）の配置を形成しています。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d¹⁰に18個の電子が分布しています。この完全な殻は電子シールドに寄与します。
N殻 (n=4)：4s² 4p⁶ 4d¹⁰に18個の電子が分布しています。完全な4d軌道は特に安定しています。
O殻 (n=5)：5s² 5p¹に3個の電子が分布しています。これらの3個の電子がインジウムの価電子です。

価電子と酸化状態

インジウムは3個の価電子を持ちます：2個の5s²電子と1個の5p¹電子。最も一般的な酸化状態は+3で、インジウムは3個の価電子を失い、[Kr] 4d¹⁰の配置を持つIn³⁺イオンを形成します。この状態は、酸化インジウム(III)（In₂O₃）、塩化インジウム(III)（InCl₃）、およびインジウムスズ酸化物（ITO）など、ほとんどのインジウム化合物に見られます。

酸化状態+1も存在し、13族を下るにつれて安定性が増します。これは不活性電子対効果（5s²電子が対になり、結合に参加しない）によるものです。塩化インジウム(I)（InCl）や酸化インジウム(I)（In₂O）などの化合物は存在しますが、インジウム(III)化合物よりも安定性が低いです。金属インジウムは酸化状態0に相当します。

化学的反応性

インジウムは室温で空気中で非常に安定で、酸化は非常にゆっくりと進行します。表面には透明な酸化膜が形成され、金属をさらなる酸化から保護します。高温（800 °C以上）では、インジウムは空気中で特徴的な青紫色の炎を上げて燃焼し、酸化インジウム(III)を形成します：4In + 3O₂ → 2In₂O₃。

インジウムは希酸とゆっくり反応してインジウム(III)塩を形成します：2In + 6HCl → 2InCl₃ + 3H₂。濃い酸化性酸ではより速く溶解します。インジウムは高温でハロゲンと反応して三ハロゲン化物を形成します：2In + 3X₂ → 2InX₃。また、硫黄、セレン、テルルと反応してカルコゲナイドを形成します。

インジウムは他の金属と低融点の合金を形成します。インジウム-スズ、インジウム-鉛、インジウム-ビスマス合金は融点が100 °C以下で、はんだ、気密シール、安全ヒューズとして使用されます。インジウムはガラスや多くの他の材料に非常に良く付着するため、ガラス-金属シールやコーティングに利用されます。

インジウムの産業および技術的応用

タッチスクリーンや平面LCD/LEDスクリーン（ITOコーティング：インジウムスズ酸化物）;
薄膜太陽電池（CIGS：銅インジウムガリウムセレン）;
白色LEDやOLEDスクリーン（半導体InGaN、InP）;
低融点はんだや気密シール;
核医学（インジウム-111）でのSPECT画像診断やシンチグラフィー;
歯科合金や義歯;
耐食性リフレクター;
耐食性・低摩擦軸受コーティング;
半導体接合や高周波トランジスタ;
粒子や放射線検出器;
原子炉の制御合金;
特殊液体温度計や圧力計;
高度な研究用電池や電極。

ITO：タッチスクリーンの見えない材料

インジウムの主要な応用は、世界需要の約70％を占めるインジウムスズ酸化物（ITO：Indium Tin Oxide）です。ITOは約90％のIn₂O₃と10％のSnO₂からなり、可視光領域での優れた光学的透明性（透過率>90％）と高い電気伝導性を兼ね備えており、理想的な透明導電体です。

スマートフォン、タブレット、ノートパソコン、平面スクリーンのタッチスクリーンには、ガラスやプラスチック上に薄いITO層（通常100-300 nmの厚さ）がコーティングされています。この透明な層は電気を通し、静電容量式タッチの検出を可能にします。典型的なスマートフォンには約30-50 mgのインジウムが含まれ、ノートパソコンのスクリーンには200-300 mg、大型テレビには1-2 gが含まれています。

2000年代から2010年代にかけての消費者向け電子機器の爆発的な普及により、インジウムの需要が急増しました。世界のインジウム生産量は2000年から2010年の間に250トンから750トン以上に3倍になりました。この大量の需要とインジウムの天然の希少性により、供給の安全性に対する懸念が高まり、代替材料（グラフェン、カーボンナノチューブ、銀ナノワイヤー）の探索やリサイクル技術の改善が進められています。

インジウムとグリーンテクノロジー

インジウムは、いくつかの再生可能エネルギー技術において重要な役割を果たしています。CIGS薄膜太陽電池（銅-インジウム-ガリウム-セレン）は、結晶シリコン太陽電池よりもはるかに少ない材料消費で、高い変換効率（実験室では最大23％）を実現します。典型的なCIGSセルには、1ワットあたり約5-10 mgのインジウムが含まれています。

白色LEDは、白熱電球や蛍光灯に代わる省エネ照明に不可欠です。青色光を発生させるためにインジウム-ガリウム窒化物（InGaN）半導体が使用されています。インジウム/ガリウムの比率を調整することで、発光波長を精密に制御し、さまざまな色のLEDを作ることができます。

グリーンテクノロジーがインジウムに依存していることは、パラドックスを生み出しています：再生可能エネルギーとエネルギー効率への移行には、極めて希少な金属の大量が必要です。世界のインジウム生産量（年間約800-900トン）は、これらの技術が普及した場合の潜在的な需要に比べて微々たるものです。そのため、インジウムのリサイクルが戦略的な優先事項となっています。

天体物理学と宇宙論における役割

インジウムは主に、漸近巨星分枝（AGB）星におけるsプロセス（遅い中性子捕獲）によって星で合成され、超新星や中性子星の合体時のrプロセス（速い中性子捕獲）も寄与します。最も豊富な準安定同位体であるインジウム-115は、主にsプロセスによって生成されます。

インジウムの宇宙存在度は、水素の原子数に対して約1.8×10⁻¹⁰倍で、宇宙で比較的希少な元素の一つです。この希少性は、核安定性曲線における鉄ピークを超えた位置を反映しています。

インジウム-115は放射性で、半減期は441兆年（宇宙の年齢の約31,000倍）ですが、人間や宇宙の時間スケールでは準安定とみなされます。この極めて遅い放射性崩壊は、安定したスズ-115へのβ⁻崩壊として現れます。非常に長い半減期のため、インジウム-115は放射年代測定には使用できませんが、準安定核の興味深い例です。

注：
インジウムは地殻中に平均約0.05 ppmの濃度で存在し、銀と同じくらい希少ですが、水銀の3倍希少です。インジウムは経済的に採掘可能な独自の鉱石を形成せず、亜鉛、鉛、銅、スズの鉱石中に0.1から100 ppm（百万分率）の濃度で常に共存しています。

世界のインジウム生産量は年間約800-900トンで、すべて亜鉛精製（約70％）、鉛-亜鉛（20％）、スズ（10％）の副産物として生産されています。中国が世界生産量の約55％を占め、次いで韓国（25％）、日本（10％）、カナダが続きます。インジウムは、亜鉛の電解精製からのダスト、残渣、スラッジから回収されます。

インジウムのリサイクルは、その希少性と生産の集中化により極めて重要です。現在、供給の約25-30％がリサイクルによってまかなわれており、主に使用済みLCDスクリーンや生産スクラップからのITO回収によっています。今後数十年で、回収技術の向上と電子廃棄物の増加に伴い、リサイクル率は大幅に上昇すると予想されています。インジウムは、欧州連合、アメリカ合衆国、その他の主要経済圏によって重要な材料とみなされています。