Йодид индия: свойства и применение в химии

Йодид индия (InI), конкретно известный как йодид индия(I), представляет собой поистине удивительную аномалию в более широком ландшафте химии индия. В то время как индий чаще всего встречается в более стабильной степени окисления +3, InI отличается тем, что индий находится в необычной и высокореакционноспособной степени окисления +1. Эта уникальная валентность наделяет InI набором отличительных и часто удивительных свойств, что приводит к разнообразному и расширяющемуся спектру химических применений. Йодид индия(I) — это соединение, которое быстро завоевывает значительное внимание в авангарде современных химических исследований. В этой статье мы подробно рассмотрим фундаментальные свойства InI и всесторонне исследуем его растущее применение в различных передовых химических приложениях, подчеркивая, почему это, казалось бы, простое бинарное соединение становится все более ключевым игроком в инновационных химических исследованиях и разработках, особенно в области химии основных групп.

Введение: Интрига йодида индия(I) – уникальной степени окисления

Индий, относящийся к группе 13 периодической таблицы, известен своей универсальностью в различных технологических приложениях, от прозрачных проводящих электродов на сенсорных экранах (оксид индия и олова, ITO) до легкоплавких сплавов. Тем не менее, под поверхностью его традиционного использования лежит более интригующий аспект: химия его более низких степеней окисления. Среди них выделяется йодид индия (I) (InI).

Что делает InI таким увлекательным? Дело в том, что индий, элемент, обычно стабильный в своей степени окисления +3, существует здесь как In⁺. Эта низкая степень окисления придает уникальный набор электронных и стерических свойств, которые глубоко влияют на его реакционную способность и потенциал для новых химических применений. Первоначально рассматриваемый как просто стабильная форма переходного промежуточного продукта, InI превратился в мощный и универсальный реагент, способствуя прогрессу в органическом синтезе, катализе и создании новых передовых материалов. Это руководство направлено на систематическое раскрытие фундаментальных свойств йодида индия (InI) и пролить свет на его разнообразные и все более важные химические применения, укрепляя его значение в современной химической науке.

Фундаментальные свойства йодида индия (InI): определение его уникальности

Отличительные свойства йодида индия(I) являются прямым следствием его своеобразной электронной конфигурации (одинокая пара электронов на In⁺) и уникальной кристаллической структуры.

• Физические свойства:
  • Внешность: Одной из самых ярких особенностей InI является его внешний вид. Обычно он представляет собой темно-красно-фиолетовое кристаллическое твердое вещество. При тонком измельчении его цвет меняется на более яркий малиново-красный. После плавления (его расплав заметно почти черный) он остается темной проводящей жидкостью.
  • Молекулярная формула и вес: Его простая стехиометрическая формула — InI, с молекулярной массой 241,72 г/моль.
  • Температура плавления: InI имеет относительно доступную температуру плавления около 351 ° C (664 ° F), что облегчает его использование в определенных высокотемпературных реакциях или в качестве расплава.
  • Точка кипения: Он кипит при температуре около 712 °C, что позволяет проводить очистку путем сублимации в некоторых лабораторных установках.
  • Плотность: При плотности 5,32 г/см³ это относительно плотное твердое вещество.
  • Кристаллическая структура: InI кристаллизуется в ромбической решетке, слоистой структуре, которая способствует его уникальным физическим и электронным характеристикам.
  • Растворимость: Как правило, он считается труднорастворимым в воде, но его растворение может быть значительно улучшено в растворах, богатых йодидом, где он может образовывать сложные ионы. Он также проявляет небольшую растворимость в некоторых специфических органических растворителях, таких как пиридин или смеси, содержащие м-ксилол, что важно для его использования в неводном синтезе.
  • Стабильность: Йодид индия (I) относительно стабилен к воздуху при обычных температурах, когда он чистый и сухой, но он чувствителен к влаге и свету. Длительное воздействие условий окружающей среды может привести к окислению или диспропорционированию. Поэтому его следует хранить в темном месте и хранить в инертной атмосфере (например, азоте или аргоне) при комнатной температуре.
• Химические свойства (реакционная способность на основе +1 степени окисления): Определяющая характеристика химического поведения InI проистекает из степени окисления индия +1.
  • Редуктивный характер: Ион индия(I) (In⁺) обладает двумя валентными электронами за пределами стабильной конфигурации инертного газа, что делает его легким или умеренным восстановителем. Он легко стремится потерять эти электроны для достижения более стабильной степени окисления +3. Эта присущая восстановительная способность является центральной для его полезности во многих химических приложениях, особенно в органическом синтезе.
  • Склонность к диспропорциям: Ключевым аспектом реакционной способности InI является его склонность к непропорциональному росту при определенных условиях. Это означает, что он может вступать в реакцию с образованием как металлического индия (In⁰, степень окисления 0), так и йодида индия (III) (InI3, степень окисления +3). Например: 3InI→In+2InI3. Такое поведение подчеркивает присущую ему термодинамическую нестабильность состояния +1 по отношению к другим распространенным степеням окисления индия. Понимание и контроль этой диспропорции имеет решающее значение для успешного применения синтетической продукции.
  • Кислотность/основность по Льюису: В то время как его первичная реакционная способность часто обусловлена его окислительно-восстановительными свойствами, InI также может проявлять тонкие характеристики кислоты Льюиса или основания, в зависимости от среды реакции и природы реагентов. Его уникальная электронная структура позволяет ему участвовать в различных координационных взаимодействиях.
  • Реакции с окислителями: В качестве восстановителя InI легко реагирует с сильными окислителями, подвергаясь окислению до более высоких степеней окисления индия (обычно +3).

Синтез йодида индия (InI): создание уникального соединения

Производство йодида индия(I) высокой чистоты имеет решающее значение для его точного химического применения. Распространенные методы синтеза обычно включают в себя:

• Прямая реакция элементов: Самый простой метод часто включает в себя прямую реакцию элементарного металлического индия с йодом. Эта реакция обычно проводится при повышенных температурах в герметичной пробирке в инертных условиях для предотвращения побочных реакций и достижения оптимального выхода. 2In(s)+I2(s)heat2InI(s)
• Восстановление йодида индия(III): Другой распространенный подход включает восстановление йодида индия(III) (InI3) с использованием металлического индия или другого подходящего восстановителя. Этот метод использует равновесие диспропорционирования для благоприятного образования InI в контролируемых условиях. 2In(s)+InI3(s)heat3InI(s)

Основные химические применения йодида индия (InI): универсальный реагент

Отличительные свойства йодида индия(I), в частности, его восстановительная природа и способность генерировать высокореакционноспособные промежуточные продукты индия, позиционируют его как универсальный и все более важный реагент в многочисленных химических приложениях.

• Катализ:
  • Карбонилирование метанола в уксусную кислоту: Это, пожалуй, одно из наиболее промышленно значимых новых применений InI. Йодид индия(I) оказался весьма перспективным катализатором для карбонилирования метанола с получением уксусной кислоты, в этом процессе традиционно доминируют дорогие и токсичные катализаторы на основе родия (например, процесс Monsanto). InI предлагает потенциальные преимущества с точки зрения экономической эффективности, устойчивости и избирательности, что хорошо согласуется с принципами зеленой химии.
  • Органические реакции: Его легкая и умеренная восстановительная способность делает его исключительно полезным в широком спектре преобразований органического синтеза:
    • Реакции восстановительного связывания: InI преуспевает в облегчении образования углерод-углеродных связей (C-C) за счет восстановительного связывания. Это включает в себя связывание карбонильных соединений (например, альдегидов, кетонов) с образованием пинаколов или соединение органических галогенидов с образованием биарилов или других сложных структур.
    • Реакции аллилирования: InI является мощным реагентом для аллилирования карбонильных соединений, что позволяет эффективно добавлять аллильные группы к альдегидам и кетонам, образуя ценные гомоалильные спирты. Эти реакции часто являются высокодиастереоселективными.
    • Реакции циклизации: Он может стимулировать внутримолекулярные реакции циклизации, образуя циклические органические молекулы с точной стереохимией, что является важнейшим инструментом в сложном синтезе природных продуктов.
    • Расщепление диселенидов или дисульфидов: InI может действовать как селективный реагент для разрыва дисульфидных (R-S-S-R) или диселенидных (R-Se-Se-R) связей, что полезно в различных синтетических путях и для манипулирования серо/селенсодержащими соединениями.
  • Выравнивание зеленой химии: Часто более мягкие условия реакции, высокая селективность и снижение образования побочных продуктов, связанные с реакциями, опосредованными InI, часто согласуются с основными принципами зеленой химии, способствуя более экологически безопасным синтетическим путям.
• Прекурсор в материаловедении и полупроводниковой промышленности:
  • Синтез низкоразмерных материалов индия: Уникальная степень окисления +1 индия в InI делает его бесценным предшественником для создания различных индийсодержащих кластеров, нанопроволок, тонких пленок и других низкоразмерных материалов. Эти материалы обладают специфическими и настраиваемыми электронными, оптическими и каталитическими свойствами, что делает их привлекательными для устройств следующего поколения.
  • Индийсодержащие комплексы и химия индия: InI является универсальным исходным материалом для получения сложных органоиндийских соединений и других новых комплексов индия. Затем они могут служить универсальными прекурсорами для осаждения полупроводниковых материалов на основе индия с помощью таких методов, как химическое осаждение из газовой фазы (CVD) или атомно-слоевое осаждение (ALD).
  • Потенциал в оптоэлектронике: В то время как йодид индия (III) (InI3) чаще ассоциируется с ролью предшественника в оптоэлектронных материалах (например, для некоторых перовскитных компонентов), уникальная реакционная способность InI означает, что он может быть использован в качестве добавки или специфического прекурсора для создания новых материалов, содержащих индий, с индивидуальными свойствами для светоизлучающих диодов (LED), фотодетекторов или солнечных батарей следующего поколения.
• Фундаментальные исследования в области неорганической химии:
  • Изучение низких степеней окисления: InI служит незаменимым модельным соединением для фундаментальных исследований химии элементов в необычных, метастабильных или нестабильных степенях окисления, особенно для элементов основной группы 13. Понимание InI помогает разгадать сложное окислительно-восстановительное поведение индия.
  • Формирование кластерных и цепных соединений: Его способность к диспропорции и образованию уникальных связей позволяет ему быть ключевым реагентом для получения удивительных соединений кластера индия и расширенных цепных структур. Эти соединения часто обладают интригующими структурными мотивами и необычными электронными свойствами, которые представляют большой интерес для материаловедов.

Рекомендации по безопасности и обращению с йодидом индия (InI)

Как и в случае со всеми химическими реагентами, особенно с тяжелыми металлами и необычными степенями окисления, надлежащие протоколы безопасности и обращения с ним имеют первостепенное значение для йодида индия (InI).

• Токсичность: InI считается вредным при проглатывании. С соединениями индия, как правило, следует обращаться с осторожностью из-за потенциальной токсичности.
• Раздражение: Это может вызвать раздражение кожи и серьезное раздражение глаз при контакте. Пыль или пар также могут вызвать раздражение дыхательных путей при вдыхании.
• Сенсибилизация: Существует вероятность того, что InI может вызвать симптомы аллергии или астмы или затрудненное дыхание при вдыхании, или аллергическую кожную реакцию у восприимчивых людей.
• Профилактика: Требуется использование соответствующих средств индивидуальной защиты (СИЗ), включая химически стойкие перчатки (например, нитрил), защитные очки от химических веществ или лицевой щиток, а также лабораторные халаты. Может потребоваться защита органов дыхания (например, респиратор или респиратор), особенно в помещениях с недостаточной вентиляцией или там, где вероятно образование пыли. Все операции должны проводиться в хорошо проветриваемом помещении, желательно в сертифицированном вытяжном шкафу.
• Хранение: Из-за своей чувствительности к влаге и свету, InI следует хранить в прохладном, сухом, темном месте. Крайне важно хранить его в инертной атмосфере (например, азоте или аргоне), чтобы предотвратить окисление или диспропорционирование. Емкости должны быть плотно закрыты.

Заключение: Растущее значение йодида индия (InI) в современной химии

Йодид индия (InI), соединение, которое демонстрирует индий в его редкой и удивительной степени окисления +1, быстро укрепляет свои позиции в качестве соединения, представляющего значительный научный и технологический интерес. Его уникальные свойства, особенно присущая ему восстановительная природа и склонность к интересной химии диспропорций, открыли двери для широкого спектра химических применений.

Начиная с его растущего значения в катализе для промышленно значимых процессов, таких как карбонилирование метанола, до его универсальности в качестве мощного реагента в сложном органическом синтезе и его важной роли в качестве предшественника в создании передовых передовых материалов для полупроводниковой и оптоэлектронной промышленности, InI продолжает удивлять и восхищать исследователей. Продолжающиеся фундаментальные исследования йодида индия (I) не только углубляют наше понимание химии основных групп, но и активно расширяют границы синтетических методологий, что в конечном итоге приводит к разработке новых материалов с точно подобранными свойствами для различных технологических достижений, обещая будущее, сформированное его уникальной реакционной способностью.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

• В чем разница между йодидом индия(I) и йодидом индия(III)? Основное различие заключается в степени окисления индия. Йодид индия(I) (InI) содержит индий в степени окисления +1, в то время как йодид индия(III) (InI3) содержит индий в более распространенной степени окисления +3. Это различие приводит к совершенно разным химическим свойствам и реакционной способности (например, InI является восстановительным, InI3 — типичной кислотой Льюиса).
• Почему InI считается восстановителем? Йодид индия(I) является восстановительным агентом, поскольку ион индия(I) (In⁺) обладает дополнительной парой валентных электронов за пределами стабильной конфигурации. Он с готовностью «хочет» потерять эти электроны, чтобы достичь более стабильной степени окисления +3, тем самым уменьшая количество других веществ в процессе.
• Каковы основные промышленные применения йодида индия? Несмотря на то, что InI не так широко используется, как ITO, он приобретает все большее значение в качестве катализатора в таких процессах, как карбонилирование метанола для производства уксусной кислоты. Он также жизненно важен в качестве предшественника для различных передовых материалов в полупроводниковой промышленности.
• Безопасен ли йодид индия в обращении? Йодид индия вреден при проглатывании, вызывает раздражение кожи и глаз, а также может вызвать раздражение дыхательных путей или аллергические реакции. Он требует осторожного обращения с соответствующими СИЗ и в хорошо проветриваемых помещениях.
• Как InI используется в органическом синтезе? В органическом синтезе InI является универсальным реагентом, используемым в реакциях восстановительного связывания (например, образование связи C-C), реакциях аллилирования (добавление аллильных групп) и различных реакциях циклизации благодаря своим уникальным восстановительным и координационным свойствам.

Ссылки

• Академические базы данных и журналы:
  • PubChem (Национальная медицинская библиотека): Для получения основной химической информации и данных о безопасности йодида индия.
  • Публикации ACS (например, Journal of the American Chemical Society, Organic Letters, Inorganic Chemistry)
  • Издательство RSC (например, Chemical Communications, Dalton Transactions)
  • Онлайн-библиотека Wiley (например, Angewandte Chemie International Edition)
• Учебники:
  • Гринвуд, Н. Н., и Эрншоу, А. (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хейнеманн. (Для комплексной химии основной группы).
  • «Продвинутая органическая химия: реакции, механизмы и структура» Джерри Марча или Фрэнсиса А. Кэри и Ричарда Дж.
• Поставщики материаловедения:
  • Веб-сайты поставщиков химических веществ (например, Sigma-Aldrich, Alfa Aesar) часто содержат подробные спецификации и паспорта безопасности для InI.
• [Рассмотрите возможность добавления конкретных DOI или ссылок на высокоцитируемые обзорные статьи по химии индия(I) или катализу индия для более глубокого погружения.]

Свяжитесь с нами https://www.yuhanchemi.com/contact