L'indium est l'élément chimique de numéro atomique 49, de symbole In.

Généralités sur l'élément indium et son corps simple

Cet élément monoisotopique stable appartient au bloc p, au groupe 13 et à la période 5 et au groupe IIIA dit du bore du tableau périodique ainsi qu'à la famille des métaux pauvres. Le rayon atomique de l'indium avoisine 150 pm (1,50 Å).

Le corps simple indium In est un métal gris brillant, à bas point de fusion à peine supérieur à 156 °C, résistant à la corrosion atmosphérique.

Ce métal malléable présente une chimie assez analogue à l'aluminium et au gallium, mais aussi au cadmium et au thallium. L'électronégativité selon Pauling est de l'ordre de 1,7(̠8), alors que celles du Ga et Al avoisinent respectivement 1,6 et 1,5.

Il est rare. L'indium est resté un « métal ou un élément de laboratoire » jusque dans le début de l'entre-deux-guerres^[10]. En 1924, on découvre que l'indium peut stabiliser les métaux non ferreux^[11]. En 1940, l'indium comme revêtement protecteur et anticorrosion de longue durée améliore les roulements à billes du matériel aéronautique militaire. Au début des années 1970, selon le chimiste Bruce Mahan (en), l'indium ne présente pas d'usage important. Au début des années 1980, les contributeurs chimistes de l'Encyclopedia Universalis admettent qu'il y a peu de composés d'indium étudiés et bien connus (probablement en vue d'applications). Sa récente utilisation massive, notamment dans les écrans plats LCD, ont fait passer son prix de 80 à 800 €/kg (70 à 1 000 $/kg aux taux courants^[12]) entre 2001 et 2005^[13],[14]. La pénurie actuelle en fait une matière première minérale critique.

Histoire

L'indium, nommé d'après la couleur supposée analogue à l'indigo (indǐcum en latin classique et indium en latin médiéval) au test de flamme, couleur composite expliquée en réalité par une raie bleu foncé intense et une raie violette plus faible de son spectre atomique, a été découvert par Ferdinand Reich et Hieronimus Theodor Richter en 1863 alors qu'ils testaient des minerais de zinc et de cuivre à base de "blende de Freiberg" avec un spectrographe inventé par Robert Wilhelm Bunsen pour y prouver, par la couleur verte, la présence du thallium.

Le chimiste Richter isole facilement le sulfure d'indium et le chlorure d'indium, puis l'hydroxyde d'indium avant de se perdre dans les (sous)oxydes d'indium. Toutefois il réussit une double réduction à partir du sesquioxyde d'indium, d'abord à l'aide de charbon de bois ou charbon actif et de soude, puis par flux de gaz hydrogène à isoler de façon quantitative le corps simple métal en 1867^[15]. Il faut 100 kilogrammes de blende de Freiberg à un chimiste confirmé dans les années 1880 pour recueillir une trentaine de grammes d'indium, par un traitement chimique à l'acide^[16]. La blende est d'abord traitée à l'acide chlorhydrique étendu, en insuffisance, l'indium extrait précipité avec le zinc en un résidu noir contenant encore de fortes impuretés de plomb, du cuivre et du fer. L'attaque à chaud par l'acide sulfurique concentré en excès est mené jusqu'à siccité. la matière sèche est reprise à l'eau, qui dissout facilement les sulfates d'indium, de zinc, de fer et de cuivre. La solution aqueuse est traité avec un excès d'ammoniaque, l'oxyde d'indium impur précipité avec quelques traces d'oxyde de fer. L'acide sulfurique étendu permet de dissoudre le sel d'indium, qui peut être précipité par addition de zinc pur.

Le professeur de chimie de l'université d'Heidelberg, Bunsen, ami de Reich avait contribué comme expert à l'établissement du spectromètre de flamme de la Bergakademie de Freiberg. Ayant bénéficié en retour d'échantillons d'indium métal, il a montré que la chaleur spécifique de l'indium suivait bien la loi des chaleurs spécifiques^[17].

Isotopes

L'indium possède 39 isotopes connus, de nombre de masse variant entre 97 et 135, et 47 isomères nucléaires. Parmi ces isotopes, un seul est stable, ¹¹³In, faisant de l'indium un élément monoisotopique. Cependant, l'indium naturel est aussi constitué et même majoritairement (~95,7 %) d'un radioisotope faiblement radioactif, ¹¹⁵In, avec une demi-vie d'environ 441 000 milliards d'années, ce qui fait que l'indium n'est pas un élément mononucléidique. L'indium partage d'ailleurs la caractéristique avec le rhénium et le tellure d'avoir un radioisotope naturel à longue vie plus abondant que son (ou ses) isotope(s) stable(s). La masse atomique standard attribuée à l'indium est de 114,818(3) u

Occurrences dans les milieux naturels, minéralogie et géologie

L'indium est un élément rare. Le clarke s'élève à 100 à 50 mg par tonne^[18]. Avec une valeur de 0,1 ppm, il serait ainsi trente fois plus rare que l'élément gallium.

L'indium existe à l'état natif, il s'agit du corps simple naturel que les minéralogistes nomment indium natif. On ne le trouve qu'en quantité infime dans les mines de zinc, de cuivre, de plomb, de fer... notamment à l'état de traces dans de nombreux sulfures, comme les blendes.

Gisements exploitables et techniques de production

Il s'agit surtout d'un sous-produit du raffinage du zinc, autrefois du plomb. Il est raffiné et obtenu sous forme métal par électrolyse.

Corps simple et corps composés chimiques

Propriétés physiques et chimiques du corps simple

Le corps simple est un métal blanc argenté ou parfois gris argenté, brillant, moyennement dense de densité 7,31 à 20 °C. Il donne un beau poli, inaltérable à l'air et ses surfaces brillantes à fortes réflectances proches de celle du métal argent peuvent justifier son usage comme miroir, d'autant que cette surface est peu sensible à la corrosion. Il peut servir de revêtement galvanoplastique anti-corrosion, voire de traitement de surface anti-usure.

Comme le métal gallium de même aspect, le métal indium est stable dans l'air et l'eau, hormis en présence d'oxygène libre.

Ce métal est rayable à l'ongle, facilement ductile et sectile (découpable facilement au cutter), plastique et très facilement déformable. Il est plus mou, plus tendre et plus malléable que le métal plomb. Une opération d'écrouissage n'entraîne aucun durcissement, son laminage à froid reste très aisé. Toutefois, soumise à une pression plus vive, une plaque ou pastille de métal casse. Il est possible de communiquer une énergie mécanique et thermique à un morceau d'indium en le frottant avec un morceau de gallium de façon à l'allier à ce dernier par frottements et petits chocs répétés, tel que l'alliage GaIn métal ainsi formé puisse prendre une consistance quasi-liquide et ainsi s'étaler lentement sur une surface froide comme le verre, formant un miroir. Il est alors possible d'écrire avec cet alliage placé au bout d'un coton tige sur du papier.

Le pliage ou le stress d'un barre, d'une tige, d'une pastille, d'une plaque, d'un lingot d'indium génère des sons caractéristiques, un "cri aigu" ou un crunch, un crackling noise pour les Anglo-saxons. Ils sont dus aux frottements internes des grands cristaux, provoquant la séparation trop rapide et forcée des cristaux jumelées, de manière similaire à l'étain courbé.

Ces propriétés plastiques sont conservées à (très) basses températures.

Son point de fusion est bas à 156,6 °C et son point d'ébullition plutôt élevé vers 2300 K (précisément à 2 000 °C), ce qui donne une plage liquide dépassant 1 800 °C. L'indium liquide est donc très fluide, il s'insinue très facilement dans les pores et les interstices des matériaux.

L'indium est diamagnétique. C'est un métal semi-conducteur de l'électricité, soumis à l'effet Peltier et moyennement conducteur de la chaleur. Il devient supraconducteur en dessous de 3,41 Kelvin.

L'indium peut être utilisé dans les jonctions de transistor n-p-n avec le germanium.

Alliages notables

Il existe une grande variété d'alliages, conçus souvent pour des applications spécifiques.

L'alliage Ga_0.76In_0.24 est liquide à la température ambiante. Le galinstan possède des propriétés similaires.

Chimie et principales combinaisons

Les états d'oxydation les plus communs sont I et III, accessoirement II.

Dans les plus simples de ces combinaisons, l'élément métal est monovalent par effet de paire orbitale s inerte. Mais la plupart des composés trivalents de l'indium possède des propriétés semi-conductrices, parfois recherchées. Les principales propriétés chimiques sont assez proches de celle du cadmium, à l'exception notable de l'oxyde d'indium, insoluble dans l'ammoniaque.

Résistant dans l'air à la température ordinaire, le corps simple brûle après chauffage au rouge, avec une flamme bleu-violette caractéristique, laissant une matière poudreuse jaune, peu fusible, solubles dans les acides, le sesquioxyde d'indium^[19].

4 In_{solide métal chauffé au rouge} + 3 O_{2 gaz oxygène en balayage} → 2 In₂O_{3 sesquioxyde d'indium}

Le métal se dissout dans la plupart des acides minéraux, mais n'est pas dissout par les bases, ni bien sûr par l'eau^[20]. L'indium peut être dissous dans les cyanures, par le cyanure de potassium. Cette technique de cyanuration est un moyen de purification.

Le métal indium est couramment obtenu par électrolyse de ses sels en solutions aqueuses. Par son potentiel d'électrode^[21], l'indium est un réducteur plus faible que le gallium et surtout l'aluminium.

In³⁺ + 3 e^- → In⁰ _métal avec un potentiel d'électrode normal ε⁰ de l'ordre de −0,34 V avec log K = -17,2^[22].

L'ion indium monovalent ou trivalent existe à l'état hydraté. Les solutions des ions In³⁺ sont fortement hydrolysés, du type [In (H₂O))₆]³⁺ analogue à [Ga(H₂O)₆]³⁺. Le rayon ionique de In³⁺ équivaut à 81 pm (0,81 Å).

L'indium se combine à chaud avec les halogènes et le soufre. Le chlorure d'indium divalent InCl₂, analogue de GaCl₂, peut être obtenu par ː

In_{solide métal} + 2 HCl _{gaz réactif} → InCl_{2 dichlorure d'indium} + H_{2 gaz hydrogène}

En réalité, il s'agit d'une structure en In₂Cl₂.

Les divers sels d'indium sont obtenus par exemple par l'action d'un acide minéral sur le métal ou les oxydes, avec différentes techniques de cristallisation. Ils sont solubles dans l'eau, à laquelle ils confèrent, selon les anciens glycochimistes, une indéniable saveur métallique. Soumis au test de flamme, ils engendrent une flamme peu éclairante avec deux raies caractéristiques, bleu foncé et violet plus faible.

Citons parmi les composés les plus communs ː

• les halogénures d'indium(I) InCl, InBr ou InI
• le sous-oxyde In₂O poudre intensément noire
• le sesquioxyde d'indium In₂O₃ est totalement basique et nullement amphotère comme Ga₂O₃ et Al₂O₃. Cet oxyde qui peut être amorphe (rouge brun) ou cristallin de maille trigonale (jaune claire) engendre assez peu d'hydrates et d'hydroxydes^[23]. Il est très connu par son dopage ou association partielle avec l'oxyde d'étain(IV) SnO₂ sous le nom d'oxyde d'indium-étain ou son acronyme anglo-saxon ITO.
• l'hydroxyde d'indium(III) In(OH)₃, corps composé blanc, insoluble dans l'eau froide, obtenu généralement par l'action de l'ammoniaque concentré sur divers sels d'indium^[24].
• le fluorure d'indium(III), InF₃ à structure polymère, très peu soluble dans l'eau, avec 0,04 g/100 g d'eau à 25 °C^[25].
• le chlorure d'indium(III), InCl₃ corps incolore à légèrement coloré, très soluble dans l'eau. Il s'agit d'un acide de Lewis, à l'instar de AlCl₃.
• les chlorures doubles d'indium et d'alcalin (Na, K...)
• le bromure d'indium(III), InBr₃ très soluble dans l'eau
• le iodure d'indium(III), InI₃ jaune
• le sulfure d'indium(III) In₂S₃ matière jaune brillante en écailles ou en poudre rouge suivant sa morphologie.
• le sulfate d'indium anhydre In₂(SO₄)₃, corps cristallin monoclinique, gris blanc, très hygroscopique et très soluble dans l'eau chaude.
• le nonahydrate correspondant In₂(SO₄)₃. 9 H₂0, matière blanche de densité 3,44, hygroscopique et très soluble dans l'eau, qui se décompose vers 250 °C
• les sulfates doubles d'indium et d'alcalin (Na, K...)
• le nitrate d'indium(III) anhydre In₂(NO₃)₃ très hygroscopique
• le nitrate d'indium hydraté In₂(NO₃)₃. 9/2 H₂0 en aiguilles déliquescentes, très soluble dans l'eau, soluble dans l'alcool, à décomposition thermique facile.
• l'acétate d'indium, le tartrate d'indium et les composés organo-indié comme le triméthylindium In(CH₃)₃, l'indium cyclopentanediènyle In(C₅H₅)... ainsi que de de nombreux complexes.
• l'hydrure d'indium InH₃, véritable hydrure polymère
• le phosphure d'indium InP
• la multitude de composés trivalents semi-conducteurs

Toxicologie

La toxicité du métal paraît faible, mais il faut appliquer un principe de précaution que les démonstrateurs exubérants de ses propriétés mécaniques ne suivent guère. Les sels d'indium sont d'ailleurs peu toxiques par ingestion orale en faibles quantités, mais ils se révèlent des poisons violents en injections sous-cutanées ou intraveineuses. Ils perturbent le fonctionnement du cœur, du sang, du foie et des reins, en altérant et détruisant irrémédiablement ces organes en prises chroniques ou en fortes doses (quelques milligrammes). Il affecte également le développement de l'embryon et du fœtus.

L'indium n'a aucun rôle biologique connu.

Utilisations du corps simple, des alliages et des composés

Ces véritables soudures à l'indium permettent d'assurer l'étanchéité des appareillages à vide très poussés par cette obturation des joints métal-non métal. L'indium se retrouve dans les joints d'assemblage et autres scellements à la température de l'oxygène liquide.

Le principe de ces soudures froides pour raccord métal/non métal d'installation à vide élevé se retrouvent dans les soudures de transistors et semi-conducteurs sensibles.

Les alliages d'indium peuvent servir de revêtement galvanoplastique anti-corrosion. L'intérêt en miroiterie de l'indium se justifie, car à pouvoir réflecteur quasi-équivalent à l'argent, les surfaces ont une meilleure résistance à la corrosion en pratique.

En mécanique, l'indium est présent dans les coussinets pour palier et roulement. Il permet d'obtenir des alliages anti-friction. L'alliage d'indium à l'acier diminue fortement la résistance au frottement et, par là, les pertes de puissance.

L'indium est présent souvent avec le gallium dans les alliages à bas point de fusion. Il est utilisé dans certaines soudures permettant d'éviter la présence de plomb. L'alliage gallium-indium (76 % — 24 %) est liquide à la température ambiante. Il est utilisé (expérimentalement) pour constituer un miroir liquide pour télescope en substitut non polluant au mercure.

Les alliages très fusibles comportent souvent du bismuth Bi, du cadmium Cd, du plomb Pb et de l'étain Sn. Ils sont employés dans les coupe-circuit, les régulateurs de chaleur ou thermistor, les systèmes de sécurité Sprinkler.

Les alliages binaires avec Cd/Zn sont conçus pour la soudure à l'aluminium.

Les alliages avec l'arsenic As et l'antimoine Sb sont utiles pour fabriquer des transistors, des photoconducteurs, des détecteurs de source de chaleur (IR). L'arséniure d'indium InAs et le séléniures d'indium InSe sont des semi-conducteurs. L'alliage InSb présente une résistivité variable sous les divers rayonnements infrarouges. Cet antimoniure d'indium est un semi-conducteur de jonction à cristaux p-n, n-p. Ce photoconducteur est ainsi présent dans les filtres infrarouges, ainsi que les détecteurs infrarouges.

L'oxyde d'indium trivalent In₂O₃, pigment dans l'industrie verrière, permet d'obtenir des verres teintés en jaune pâle.

Écran à cristaux liquides et écrans tactiles

Transparent en couche mince tout en conduisant l'électricité, l'oxyde d'indium(III) (In₂O₃) adhère fortement au verre. Additionné d'oxyde d'étain(IV) (SnO₂), l'oxyde d'indium-étain (ITO) représente le matériau idéal pour réaliser les fines électrodes transparentes recouvrant un écran LCD, c'est-à-dire un affichage à cristaux liquides, éventuellement à propriétés tactiles^[26].

Les écrans à cristaux liquides sont ainsi la principale application de l'indium, représentant 80 % de ses utilisations^[27].

Cellule photovoltaïque

Certains composés d'indium sont des photoconducteurs remarquables. Ils se retrouvent dans les ː

• Cellules à jonction

On utilise l'indium sous plusieurs formes : de séléniure d'indium InSe₂, de nitrure d'indium-gallium InGaN et de diséléniure de cuivre-indium CuInSe₂. Les recherches en cours sur des cellules combinant plusieurs couches : gallium-indium-phosphore, arséniure de gallium et germanium (GaInP-AsGa-Ge) permettent d'espérer des rendements supérieurs à 30 %.

• Cellules en couche mince

Elles ont un rendement inférieur (10-20 %) mais sont beaucoup plus faciles à fabriquer en grande dimension, on utilise de l'oxyde d'indium-étain, un mélange cuivre-indium-sélénium ou double séléniure d'indium ou de cuivre (CuInSe₂) ou encore cuivre-indium-gallium-sélénium. L'indium est ainsi présent dans les panneaux photovoltaïques.

• Détecteurs infrarouges

arséniure d'indium jusqu'à 3,8 μm et antimoniure d'indium (InSb) jusqu'à 5 μm.

Télécommunications

Le phosphure d'indium InP est le substrat des composants opto-électroniques (DEL, diodes laser, photodiodes) pour les communications sur fibres optiques (réseaux FTTH, métropolitains et longue distance, à 1300/1550 nm)

Absorbant neutronique, mesure de flux de neutrons et médecine nucléaire

L'indium présente une section efficace de capture de 194 barn, ce qui a conduit à l'utiliser associé à l'argent et au cadmium comme absorbant neutronique dans les grappes de contrôle des réacteurs à eau pressurisée. L'alliage AgInCd est présent dans les barres de contrôle des réacteurs nucléaires.

L'indium permet des mesures de flux de neutrons thermiques des réacteurs nucléaires. Dans le cadre de la protection civile, il permet de réaliser des dosimètres à neutrons.

En médecine nucléaire, l'indium 111, avec ses deux émissions gamma de 173 et 247 keV, permet de réaliser certains examens. Par exemple, il est possible de réaliser une scintigraphie au moyen de globules blancs marqués à l'indium 111 pour repérer des processus abdominaux actifs et des processus infectieux récents (depuis moins de 2 semaines). Lié à certains pharmaceutiques, cet isotope radioactif peut permettre de localiser différentes tumeurs neuro-endocrines (insulinomes, gastrinomes, paragangliomes, carcinoïde, phéochromocytome, etc). Il est également utile en scinticisternographie.

Il existe aussi l'isotope 113 en médecine nucléaire.

Électrochimie

Les anodes sacrificielles sont en alliage d’aluminium activé à l’indium pour protéger les pièces en acier immergées dans l'eau de mer.

Économie ː vers une pénurie ?

Les téléviseurs, les ordinateurs, les récepteurs GPS, les téléphones mobiles, les appareils photo, etc., tous les appareils à écran LCD ont vu leur production augmenter exponentiellement à partir des années 2000. Un petit écran plat de quinze pouces (une quarantaine de cm) contient un gramme d'indium et les plus grandes usines de fabrication en consomment plusieurs tonnes par mois. Logiquement, le cours de l'indium a explosé : de 70 dollars le kilogramme en 2001, il est passé par un pic à 1 000 dollars en 2005 et se négocie entre 400 et 600 dollars en 2010. En fait, les stocks planétaires d'indium ont été vidés en quelques décennies et les procédés de récupération sont extrêmement chers et polluants ce qui fait que plusieurs groupes de recherche cherchent activement des voies de substitution^[13].

La demande annuelle monte vers 1 210 t en 2009, dont la moitié est issue du recyclage^[28]. La production minière annuelle en 2008 était de 570 t, en 2009 de 600 t^[29]. L'évaluation des réserves en 2007 était de 11 000 t^[29], soit un ratio volume de réserves (2007) / production annuelle (2008) de 19,3 ans seulement.

En 2006, la Chine produisait 60 % de l'approvisionnement mondial, mais, devant les menaces d'épuisement à l'horizon 2020, celle-ci a décidé de réduire progressivement ses exportations pour préserver son marché intérieur. Le conflit entre le Japon et la Chine concernant un bateau de pêche chinois arrêté aux large des Îles japonaises Senkaku, le 7 septembre 2010 a mis en lumière le tarissement de ces ressources. D'autres pays commencent à préserver leurs propres gisements, comme le Canada et la Russie^[30].

L'indium est en partie recyclé par les industries de recyclage à partir de déchets spécifiques, principalement situées en Chine, Corée du Sud et Japon. Les ressources naturelles d'indium sont réparties, selon l'U.S. Geological Survey en 2010^[31] :

• 35 % Chine
• 26 % Canada
• 16 % Japon
• 8 % Belgique
• 15 % autres

La nécessité actuelle de l'indium dans les écrans tactiles et l'engouement en 2010 pour les gadgets électroniques, notamment smartphones et tablettes tactiles, augmentent rapidement la raréfaction de ce matériau. L'oxyde d'indium dopé à l'oxyde d'étain(IV) permet en effet d'allier facilement transparence et conductivité, conditions nécessaires, dans la couche conductrice des écrans tactiles capacitifs (aussi appelés multicouche) à la reconnaissance du touché par les doigts de l'utilisateur. Des recherches sont donc poussées pour des alternatives à base de polymères de carbone pour remplacer les oxydes métalliques rares^[32].