Металл Тантал открыт довольно недавно, а именно в 1802 году. Обнаружить этот металл посчастливилось шведскому химику А.Г. Экебергу. При исследовании двух новых минералов, которые были найдены в скандинавских странах, выяснилось, что помимо известных элементов содержится и ранее неизученный. Ученому так и не удалось выделить металл из минерала в чистом виде, так как с этим возникли большие трудности.
В связи с этим, неисследованный металл получил название в честь героя из мифологии Древней Греции, и по которому был написан миф о Тантале . После этого, на протяжении 40 с лишним лет, считалось, что тантал и ниобий – это один и тот же металл. Однако один немецкий химик доказал различие металлов, а после этого еще один немец выделил тантал в чистом виде, и произошло это только в 1903 году.
Серийное производство проката и изделий из тантала началось только в ходе Второй Мировой войны. Сегодня этому элементу присвоено название «умного металла», так как без него не обходись в интенсивно развивающейся электронике.
Описание и свойства тантала
Тантал – это металл с высокой твердость и атомной плотностью. В периодической химических элементов, тантал расположился на 73 позиции. В мировой практике принято обозначать этот металл сочетанием двух букв, а именно Ta. При атмосферном давлении и комнатной температуре тантал имеет характерный серебристо-металлический цвет. Образовывающаяся на поверхности оксидная пленка на металле придет ему свинцовый оттенок.
Тантал элемент при комнатной температуре малоактивный. Окисление воздухом поверхности этого металла возможно только при температурах свыше 280 градусов. С галогенами тантал реагирует при температуре на 30 градусов ниже, чем с воздухом. При этом на поверхности образуется защитная пленка, которая препятствует дальнейшему проникновению окисляющих элементов по глубине металла.
Тантал химический элемент с довольно высокой температурой плавления. Так, она составляет 3290 К, а температура кипения достигает 5731 К. Несмотря на высокую плотность (16,7 г/см 3) и твердость, он достаточно пластичен. По пластичности тантал можно сравнить с . С чистым металлом очень просто и удобно работать.
Он прост в механической обработке, например, его можно раскатать в прокат с толщиной в 1-10 мкм. Также необходимо заметить, что тантал является парамагнетиком. Интересная особенность этого металла начинает проявляться при температуре 800 градусов: тантал поглощает 740 своих объемов газа.
В мировой практике есть уже целый ряд фактов, которые говорят о превосходной стойкости этого металла в очень агрессивных средах. Например, известно, что тантал не повреждается даже 70% азотной кислотой. Серная кислота до 150 градусов также не приводит к коррозионному разрушению, но уже при 200 градусах металл начнет растворяться со скоростью 0,006 мм/год.
Некоторые производственные факты говорят и том, что тантал намного более стойкий, чем нержавеющие стали аустенитного класса. Поэтому поводу известен случай, в котором детали из тантала проработали на 20 лет дольше деталей из нержавеющей стали.
Еще одним интересным фактом является то, что тантал используется для каталитического выделения и золота. Из него делаются катоды, на которые в свою очередь осаждается благородный металл, а после смывается царской водкой. При этом катод и тантала благодаря своей восхитительной стойкости к кислотам, остается целым.
Применение тантала
Когда давно этот металл, использовался для производства нитей в лампы накаливания. Сегодня же тантал и сплавы тантала используются в следующих отраслях и изделиях:
— при выплавке жаропрочных и коррозионностойких сплавов (например, деталей авиационных двигателей);
— в химической промышленности для создания коррозионностойкой аппаратуры;
— в металлургическом производстве по производству редкоземельных металлов;
— при сооружении ядерных реакторов (тантал является самым устойчивым металлом к парам цезия);
— за счет своей высокой биосовместимости, тантал используется для изготовления медицинских имплантатов и протезов;
— для производства сверхпроводников — криотронов (это элементы вычислительной техники);
— используется в военной промышленности для изготовления снарядов. Использование этого металла увеличивает пробивную способность боеприпасов;
— из тантала делаются более эффективные конденсаторы низкого напряжения;
— в последнее время тантал прочно вошел в дело. Это связано с возможностью металла образовывать прочные пленки оксидов на поверхности, которые могут быть различных цветов и оттенков;
— большое количество модификаций тантала накапливается в ядерных реакторах. В лабораторных или военных целях эта модификация металла может использоваться в качестве источника гамма излучения;
— этот металл используется в качестве основного (после платины) для изготовления эталонов массы, которые обладают повышенной точностью;
— некоторые интерметаллидные соединения тантала имеют очень высокую твердость и прочность, а также повышенную устойчивость к окислению. Эти соединения используются в авиационно и космической отраслях;
— карбиды тантала используются для изготовления режущего инструмента повышенной красностойкости. Инструмент получается методом спекания смеси порошков карбидов. Используются данные инструменты в очень тяжелых условиях, например, при ударном бурении;
— пятивалентный оксид тантала необходим для сварки стекол атомной техники.
Месторождения и добыча тантала
Тантал относится к редким металлам. Его количество в земной коре составляет всего 0,0002 %. В это количество входят две модификации металла: стабильная и радиоактивная. Этот редкий металл встречается в виде собственных соединений и входит в состав многих минералов. Если тантал входит в минерал, то он постоянно будет вместе с ниобием.
Месторождения танталовых соединений и минералов есть во многих странах. Самое большое месторождение этого элемента в Европе находится во Франции. На африканском континенте больше всего тантала в Египте. Также высокими запасами этого металла располагают Китай и Таиланд. Месторождения меньшего размера расположены в СНГ, Нигерии, Канаде, Австралии и других странах. Однако самые крупные залежи, открытые на сегодняшний день находятся в Австралии.
В год в мире добывается около 420 тонн тантала. Основные перерабатывающие комбинаты этого металла расположены в США и ФРГ. Стоит отметить, что мировое сообщество заявляет о необходимости увеличения добычи этого редкого металла. Такие заявления в-первую очередь связаны с увеличением выпуска электроники, в которой интенсивно используется этот элемент.
Таким образом, количество разрабатываемых месторождений с каждым годом увеличивается. Так, например, к основным мировым, разрабатываемым месторождениям, добавились еще места в Бразилии, США и ЮАР. Однако стоит отметить, тот факт, что в последнее 10-ти летите, наблюдается интенсивное снижение добычи тантала . Самый низкий показатель в 21 веке по добыче пришелся на 2010 год.
Цена тантала
Стоимость тантала за последние 15 лет колебалась очень сильно. Так, в 2002-2003 годах купить тантал можно было по самой минимальной цене. В текущем году цена тантала колебалась от 340 до 375 долларов за килограмм. В России на сегодняшний день можно купить тантал, цена которого составляет 2950 рублей за один килограмм.
Тантал. Химический элемент, символ Ta (лат. Tantalum , англ. Tantalum, франц. Tantale, нем. Tantal ) . Имеет порядковый номер 73, атомный вес 180, 948, плотность 16, 60 г/см 3 , температуру плавления 3015 ° С, температуру кипения 5300 ° С.
Тантал - металл серо-стального цвета со слегка синеватым оттенком. При обычной температуре тантал устойчив на воздухе. Начало окисления наблюдается при нагревании до 200-300 ° С. Выше 500 ° происходит быстрое окисление с образованием окисла Ta 2 O 5 .
Характерное свойство тантала - способность поглощать газы: водород, азот и кислород. Небольшие примеси этих элементов сильно влияют на механические и электрические свойства металла. При низкой температуре водород поглощается медленно, при температуре примерно 500 ° С водород поглощается с максимальной скоростью, причём происходит не только адсорбция, но и образуются химические соединения - гидриды (ТаН). Поглощённый водород придаёт металлу хрупкость, но при нагревании в вакууме выше 600° С почти весь водород выделяется и прежние механические свойства восстанавливаются.
Тантал поглощает азот уже при 600° С, при более высокой температуре образуется нитрид TaN , который плавится при 3087° С.
Углерод и углеродсодержащие газы (СН 4 , СО) при высокой температуре в 1200-1400° С взаимодействуют с металлом с образованием твёрдого и тугоплавкого карбида ТаС (плавится при 3880° С).
С бором и кремнием тантал образует тугоплавкий и твёрдый борид и силицид: ТаВ 2 (плавится при 3000 ° С) и NaSi 2 (плавится при 3500 ° С).
Тантал устойчив против действия соляной , серной , азотной , фосфорной и органических кислот любой концентрации на холоду и при 100-150 ° С. По стойкости в горячих соляной и серной кислотах тантал превосходит ниобий . Тантал растворяется в плавиковой кислоте и особенно интенсивно - в смеси плавиковой и азотной кислот.
Менее устойчив тантал в щелочах. Горячие растворы едких щелочей заметно разъедают металл, в расплавленных щелочах и соде он быстро окисляется с образованием натриевой соли танталовой кислоты.
Тантал впервые был применён в 1900-1903 гг. для изготовления нитей накаливания в электролампах, но позже, в 1909-1910 гг., его заменили вольфрамом .
Широкое применение тантала было связано с развитием электровакуумной техники, к которой относится производство радиотехнической, радиолокационной и рентгеновской аппаратуры.
Тантал обладает сочетанием ценных свойств (высокой температурой плавления, высокой эмиссионной способностью и способностью поглощать газы), позволяющих применять его для изготовления деталей электровакуумной аппаратуры. Способность поглощать газы используется для поддержания глубокого вакуума в радиолампах и других электровакуумных приборах.
Из танталовых листов и штабиков изготовляют « горячую арматуру » (нагреваемые детали) - аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие детали электронных ламп, особенно мощных генераторных ламп.
Кроме чистых металлов для тех же целей применяют танталониобиевые сплавы.
В конце 50- х - начале 60- х годов важное значение приобрело применение тантала для изготовления электролитических конденсаторов и выпрямителей тока. Здесь использована способность тантала к образованию устойчивой окисной плёнки при анодном окислении. Окисная плёнка устойчива в кислых электролитах и пропускает ток только в направлении от электролита к металлу. Удельное электросопротивление плёнки Та 2 О 5 в направлении, не проводящем ток, очень высокое (7, 5 . 10 12 ом . см), диэлектрическая постоянная плёнки 11, 6.
Танталовые конденсаторы с твёрдым электролитом отличаются высокой ёмкостью при малых размерах, высоким сопротивлением изоляции (в 2-3 раза выше, чем у алюминиевых конденсаторов ), стойкостью плёнки. Положительная обкладка у этих конденсаторов выполнена в виде таблетки, спрессованной из танталового порошка и спечённой в нейтральной среде при высокой температуре. Эффективная поверхность такой пористой таблетки в 50-100 раз больше, чем геометрическая, что позволяет получить очень малые габаритные размеры конденсатора при относительно большой ёмкости его. Положительная обкладка помещается в корпус, заполненный электролитом, служащим отрицательной обкладкой, соединённой с корпусом. Выпускались конденсаторы типа ЭТО четырёх видов: ЭТО- 1 (ЭТО-С), ЭТО- 2, ЭТО- 3, ЭТО- 4. Конденсаторы вида ЭТО- 1, предназначенные для использования в аппаратуре особо ответственного назначения, обозначаются ЭТО-С. Также существуют конденсаторы типа ЭТ и ЭТН: электролитические танталовые и электролитические танталовые неполярные. Конденсаторы можно применять в широком интервале температур от - 80 до + 200 ° С. Танталовые конденсаторы широко используют в радиостанциях, различной военной аппаратуре и других приборах.
Коррозионная стойкость тантала в кислотах и других средах, в сочетании с высокой теплопроводностью и пластичностью делает его ценным конструкционным материалом для аппаратуры в химических и металлургических производствах. Тантал служит материалом фильер (взамен платины ) для формирования волокон в производстве искусственного шёлка.
Тантал входит в состав различных жаропрочных сплавов для газовых турбин реактивных двигателей. Легирование танталом молибдена , титана ,
Тантал в виде проволоки и листов применяют в медицине - в костной и пластической хирургии (скрепление костей, « заплатки » при повреждении черепа, наложение швов и т.д.). Металл совершенно не раздражает живую ткань и не вредит жизнедеятельности организма.
В органическом синтезе применяют некоторые соединения тантала (фтористые комплексные соли, окислы) как катализаторы.
Тантал обладает высокой температурой плавления -- 3290 K (3017 °C); кипит при 5731 K (5458 °C).
Плотность тантала -- 16,65 г/смі. Несмотря на твёрдость, пластичен, как золото. Чистый тантал хорошо поддаётся механической обработке, легко штампуется, раскатывается в проволоку и тончайшие листы толщиной в сотые доли миллиметра. Тантал является отличным геттером (газопоглотителем), при 800 °C он способен поглотить 740 объёмов газа. Тантал имеет кубическую объемноцентрированную решетку. Обладает парамагнитными свойствами. При 4,38 К становится сверхпроводником. Чистый Тантал - пластичный металл, обрабатывается давлением на холоде без значительного наклепа. Его можно деформировать со степенью обжатия 99% без промежуточного отжига. Переход Тантала из пластичного в хрупкое состояние при охлаждении до -196 °С не обнаружен. Свойства Тантала в большой степени зависят от его чистоты; примеси водорода, азота, кислорода и углерода делают металл хрупким.
Электронное строение атома.
1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d3
порядковый номер-73
Принадлежность к группе- А
d- элемент
Оксид тантала (V) --белый порошок, нерастворимый ни в воде, ни в кислотах (кроме H2F2). Очень тугоплавкий (tпл = 1875°С). Кислотный характер оксида выражен довольно слабо и в основном проявляется при реакции с расплавами щелочей: тантал атом окисление ниобий
Та2О5 + 2NаОН = 2NаТаО3 + Н2О
или карбонатов:
Та2О5 + 3Nа2СО3 = 2Nа3ТаО4 + 3СО2
Соли, содержащие тантал в состоянии окисления -4, -5, могут быть нескольких видов: метатанталаты NaTaO3, ортотанталаты Nа3ТаО4, но существуют полиионы пента-и гекса-, кристаллизующиеся вместе с молекулами воды, 7- и 8-. Пятизарядный тантал образует при реакциях с кислотами катион ТаО3+ и соли ТаО(NО3)3 или Nb2О5(SO4)3, продолжая «традицию» побочной подгруппы, введенную ионом ванадия VO2+.
При 1000°С Ta2O5 взаимодействует с хлором и хлороводородом:
Та2O5+ 10НС1==2ТаС15+5Н2О
Следовательно, можно утверждать, что и для оксида тантала (V) характерна амфотерность с превосходством кислотных свойств над свойствами основания.
Гидроксид, соответствующий оксиду тантала (V), получается нейтрализацией кислых растворов четырехлористого тантала. Эта реакция, также, подтверждает неустойчивость степени окисления +4.
При низких степенях окисления наиболее стабильные соединения -галогениды (см. рис. 3), Проще всего их получить через пиридиновые комплексы. Пентагалогениды TaX5 (где Х- это С1, Вг, I) легко восстанавливаются пиридином (обозначается Ру) с образованием комплексов состава МХ4(Ру)2.
Соли тантала. Соли шестой подгруппы преимущественно бесцветные кристаллы или белые порошки. Многие из них очень гигроскопичны и расплываются на воздухе. Окислы этих металлов обладают амфотерными свойствами, поэтому большинство их солей легко подвергается гидролизу, переходя в основные соли, мало или вовсе нерастворимые в воде известны также соли, где эти металлы входят в состав анионов (например, ниобаты и танталаты) Гидратация и дегидратация. Все катализаторы этого класса имеют сильное сродство к воде. Главный представитель Ь класса--глинозем. Применяется также фосфорная кислота или ее кислые соли на носителях, подобных алюмосиликатному гелю и силикагелю с окислами тантала, циркония или гафния. В первых работах по разделению тантала и ниобия путем фракционированной экстракции предложены системы соляная кислота-- ксилол--метилдиоктиламин (1952 г.), а также соляная кислота--фтористоводородная кислота--диизопропилкетон (1953 г.). Оба металла растворяются в водных растворах кислот в виде солей, а затем тантал экстрагируется органическим растворителем. В системе 6/W серной кислоты--9 Ai фтористоводородной
7. Из тантала изготовляют фильеры для протяжки нитей в производстве искусственных волокон. Раньше такие фильеры делали из платины и золота. Самые твердые сплавы получают из карбида тантала с никелем в качестве цементирующей добавки. Они настолько тверды, что оставляют царапины даже на алмазе, который считается эталоном твердости.
Первое место по величине критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние было отдано германиду ниобия Nb3Ge. Его критическая температура составляет 23,2К (примерно--250 °С). Другое соединение -- станнид ниобия -- становится сверхпроводником при немного более низкой температуре --255 °С. Чтобы полнее оценить этот факт, укажем, что большинство сверхпроводников известны лишь для температур жидкого гелия (2,172 К). Сверхпроводники из ниобиевых материалов позволяют изготавливать магнитные катушки, создающие чрезвычайно мощные магнитные поля. Магнит диаметром 16 см и высотой 11 см, где обмоткой служит лента из такого материала, способен создать поле колоссальной напряженностью. Необходимо только перевести магнит в сверхпроводящее состояние, т. е. охладить, а охлаждение до менее низкой температуры произвести, конечно, легче.
Важна роль ниобия в сварочном деле. Пока сваривали обычную сталь, никаких особых трудностей этот процесс не представлял и сложностей не создавал. Однако, когда начали сваривать конструкции из специальных сталей сложного химического состава, сварные швы стали терять многие ценные качества свариваемого металла. Ни изменения состава электродов, ни усовершенствование конструкций сварочных аппаратов, ни сварка в атмосфере инертных газов никакого эффекта не давали. Вот тут-то на помощь и пришел ниобий. Сталь, в которую как небольшая добавка введен ниобий, можно сваривать, не опасаясь за качество сварного (рис. 4) шва. Хрупкость шву придают возникающие при сварке карбиды, но способность ниобия соединяться с углеродом и препятствовать образованию карбидов других металлов, нарушающих свойства сплавов, спасли положение. Карбиды же самого ниобия, как и тантала, обладают достаточной вязкостью. Это особенно ценно при сварке котлов и газовых турбин, работающих под давлением и в агрессивной среде.
Ниобий и тантал способны поглотить значительные количества таких газов, как водород, кислород и азот. При комнатной температуре 1 г ниобия способен поглотить 100 см3 водорода. Но даже при сильном нагревании это свойство практически не слабеет. При 500°С ниобий еще может поглотить 75 см3 водорода, а тантал в 10 раз больше. Этим свойством пользуются для создания высокого вакуума или в электронных приборах, где необходимо сохранить точные характеристики при высоких температурах. Ниобий и тантал, нанесенные на поверхность деталей, как губка, поглощают газы, обеспечивая стабильную работу приборов. С помощью этих металлов больших успехов достигла восстановительная хирургия. В медицинскую практику вошли не только пластинки из тантала, но и нити из тантала и ниобия. Хирурги успешно используют такие нити для сшивания порванных сухожилий, кровеносных сосудов и нервов. Танталовая «пряжа» служит для возмещения мускульной силы. С ее помощью хирурги укрепляют после операции стенки брюшной полости. Тантал имеет исключительно прочную связь между атомами. Это обусловливает его чрезвычайно высокую температуру плавления и кипения. Механические качества и химическая стойкость приближают тантал к платине. Химическая промышленность использует такое благоприятное сочетание качеств тантала. Из него готовят детали кислотостойкого оборудования химических заводов, нагревательные и охладительные устройства, имеющие контакт с агрессивной средой.
В бурно развивающейся атомной энергетике находят применение два свойства ниобия. Ниобий обладает удивительной «прозрачностью» для тепловых нейтронов, т. е. способен пропускать их через слой металла, практически с нейтронами не реагируя. Искусственная радиоактивность ниобия (получающаяся при контакте с радиоактивными материалами) невелика. Поэтому из него можно делать контейнеры для хранения радиоактивных отходов и установки по их переработке. Другим не менее ценным (для ядерного реактора) свойством ниобия является отсутствие заметного взаимодействия с ураном и другими металлами даже при температуре 1000 °С. Расплавленные натрий и калий, применяемые в качестве теплоносителей в атомных реакторах некоторых типов, свободно могут циркулировать по ниобиевым трубам, не причиняя им никакого вреда.
Тантал (Та) — относится к категории тугоплавких , атомный номер — 73, атомная масса — 180,9, плотность — 16,6г/см3, температура плавления — 2996ОС, коэффициент линейного расширения — 6,5.10-6, удельная электропроводность — 6,85м/ом.мм2, удельное электрическое сопротивление — 15,0мком/см3(20ОС);0,156ом/мм2/м, модуль упругости — 19000 кг/мм2, предел прочности при растяжении — 91,5 кг/мм2, относительное удлинение — 50% для тонкого листа, 1,5% — для прутков, твёрдость по Бринелю — 75-125кг/мм2.
Тантал был открыт в 1802 году. Шведский химик Экеберг нашёл новый элемент в минералах Скандинавского полуострова и назвал его танталом, из-за того, что его окисел оказался нерастворимым даже в кислотах. По греческой мифологии — Тантал, любимый сын Зевса, который за совершённые им преступления был обречён на вечные муки голода и жажды (танталовы муки). Название тантала символизирует трудности его получения. Тантал был открыт вместе с ниобием в минерале колумбите, они же вместе присутствуют в минералах танталите, манганотанталите, ферротанталите. Тантал и ниобий всегда находятся в минералах вместе и очень трудно разделимы.
В природе известно около120 минералов содержащих ниобий и тантал, но только некоторые из них являются промышленными-ниобий добывается из колумбита (до 77% пентаксида ниобия, есть тантал), тантал из танталита (до 84% пентаксида тантала). Общие мировые запасы пентаксида тантала оцениваются в 150 млн тонн, подтверждённые — одна треть от общих.
Тантал — серебристо-белый металл, по своей химической стойкости против действия ряда реагентов (HCl,H2SO4,HNO3) не уступает платине, а по стойкости против царской водки, даже превосходит её. Чистый от примесей металл весьма пластичен: куётся, прокатывается в тонкий лист и проволоку. Присутствие примесей, в том числе растворённых в металле газов, сильно увеличивает твёрдость и снижает пластичность тантала.
Тантал немагнитен, его можно сваривать, но не дуговой сваркой. При нагреве на воздухе до 400ОС, поверхность тантала покрывается голубой плёнкой окисла, при 600ОС цвет переходит в чёрно-серый, при более высокой температуре окись становится белой.
При нагреве до температуры каления тантал поглощает 740 объёмов водорода, который может быть удалён только в вакууме при температуре, близкой к температуре плавления тантала. Присутствие водорода в тантале делает его твёрдым и хрупким.
Углерод и азот дают с танталом карбиды и нитриды. Тантал достаточно стоек против действия большинства кислот, из них активны только олеум (H2SO4+SO2),фосфорная кислота (выше 145ОС), плавиковая кислота, смесь HNO3+HF. Щёлочи действуют на тантал только в виде горячих концентрированных растворов или в расплавленном состоянии.
ПОЛУЧЕНИЕ.
Исходным сырьём для получения тантала являются танталит Fe(TaO3)2, тантало-колумбит и некоторые другие минералы, выделяемые в виде богатых концентратов. Способов «вскрытия» танталовых, так же как и ниобиевых концентратов существует несколько, в том числе:
а) тонкоизмельчённый концентрат сплавляется с NaOH, образуя танталаты натрия и щелочные соединения примесей; обработкой плава слабой, затем крепкой соляной кислотой удаляют примеси, остающийся осадок Ta2O3 растворяют в HF и добавкой KF переводят в двойную соль K2TaOF7, которая плохо растворима в воде, что способствует её отделению от соли ниобия K2NbOF5, хорошо растворяющейся в воде.
б) концентрат обрабатывают смесью серной и щавелевой кислот при нагревании, тантал переходит в раствор, из которого выделяется в виде окиси.
Кроме этого способа, тантал может быть получен восстановлением его соединений такими активными металлами как кальций, натрий, магний. Наиболее чистый металл получается посредством нагревом тантала, содержащего примеси, в глубоком вакууме при температуре выше 2000ОС. Малая летучесть тантала, в этих условиях, и сильная летучесть примесей, включая связанные водород, кислород и углерод, даёт возможность получить чистый и пластичный металл тантал.
Очень чистый металл тантал получают электролизом расплавленных солей, в которых содержится 0,06%С, 0,02%Fe, 0,01%Ni, 0,002%Mn.
Наиболее широкое промышленное применение нашли способы восстановления комплексных фтористых солей (K2TaF7 и K2NbF7), так как эти соли конечный продукт переработки танталовых и колумбитовых концентратов. В результате длительных и сложных технологических процессов ниобий и тантал получают в виде порошка. Переработка порошков в компактные слитки, пригодные для различных целей, осуществляется главным образом спеканием порошков или плавкой их в высоком вакууме.
ПРИМЕНЕНИЕ.
Области применения тантала весьма разнообразны. Первоначально тантал служил заменой угольных нитей накаливания в электрических лампах, пока его не вытеснил вольфрам. Благодаря высокой стойкости против действия ряда кислот тантал находит широкое применение в химической промышленности: лопасти мешалок турбин, аэраторы, теплообменники, конденсаторы для соляной кислоты. Тюбинги покрывают танталом для обеспечения большей стойкости и сохранности. Особое значение тантал приобрёл в электронной технике. Сплавы тантала с вольфрамом, никелем и другими металлами широко применяются. На базе тантала готовят высокотвёрдые сплавы.
При термической обработке тантал приобретает высокую твёрдость. Тантал обладает свойством пропускать электрический ток только в одном направлении и, в этом качестве, применяется в выпрямителях переменного тока. Из тантала и его сплавов изготавливают режущие инструменты, нержавеющие части машин, нити ламп накаливания, детали электронных ламп, фильеры для протяжки целлюлозных нитей, покрытия внутренних стенок химических реакторов, лабораторную посуду.
Сплавы ниобия с цирконием и танталом, благодаря их термостойкости — замечательные материалы для изготовления корпусов космических кораблей, ракет, управляемых снарядов. Сплавы тантала (90%) с вольфрамом(10%), выдерживающие температурные режимы до 2500-3000ОС, применяются для производства выхлопных труб, форсунок, деталей систем газового контроля и других узлов двигателей ракет. Тантал, подобно ниобию, отличается сверхпроводимостью и используется в этом качестве в электронных приборах.
Карбиды тантала приближаются по твёрдости к алмазу и обладают чрезвычайно высокой тугоплавкостью. Самые тугоплавкие из всех веществ на Земле сегодня — это твёрдый раствор карбидов тантала и гафния, температура плавления которых составляет 4215ОС.
Благодаря своим свойствами внешней красоте, тантал в ювелирных изделиях иногда заменяет платину, так как дешевле её во много раз. Из тантала изготавливают часы, браслеты. Международное бюро мер и весов во Франции и Бюро стандартов в США, используют тантал для изготовления эталонов высокой точности.
Самой важной отраслью применения тантала, является химическое машиностроение. Из тантала изготавливают нагреватели, реакторы, клапаны трубопроводы и другие детали оборудования для производства сильно агрессивных веществ, соляной, серной и других кислот и многих органических и неорганических соединений. Относительно высокая стоимость танталовой аппаратуры окупается длительностью срока службы.
Тантал (лат. Tantalum), Та, химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 73, атомная масса 180,948; металл серого цвета со слегка свинцовым оттенком. В природе находится в виде двух изотопов: стабильного 181 Та (99,99%) и радиоактивного 180 Та (0,012%; T ½ = 10 12 лет). Из искусственно полученных радиоактивный 182 Та (Т ½ = 115,1 сут) используют как радиоактивный индикатор.
Элемент открыт в 1802 году шведским химиком А. Г. Эксбергом; назван по имени героя древнегреческой мифологии Тантала (из-за трудностей получения Tантала в чистом виде). Пластичный металлический Тантал впервые получил в 1903 году немецкий химик В. Больтон.
Распространение Тантала в природе
Среднее содержание Тантала в земной коре (кларк) 2,5·10 -4 % по массе. Характерный элемент гранитной и осадочной оболочек (среднее содержание достигает 3,5·10 -4 %); в глубинных частях земной коры и особенно в верх, мантии Тантал мало (в ультраосновных породах 1,8·10 -6 %). В большинстве магматических пород и биосфере Тантал рассеян; его содержание в гидросфере и организмах не установлено. Известно 17 собственных минералов Тантал и более 60 танталсодержащих минералов; все они образовались в связи с магматической деятельностью (танталит, колумбит, лопарит, пирохлор и другие). В минералах Тантал находится совместно с ниобием вследствие сходства их физических и химических свойств. Руды Тантала известны в пегматитах гранитных и щелочных пород, карбонатитах, в гидротермальных жилах, а также в россыпях, которые имеют наибольшее практическое значение.
Физические свойства Тантала
Тантал имеет кубическую объемноцентрированную решетку (а = 3,296 Å); атомный радиус 1,46 Å, ионные радиусы Та 2+ 0,88 Å, Та 5+ 0,66 Å; плотность 16,6 г/см 3 при 20 °С; t пл 2996 °С; Т кип 5300 °С; удельная теплоемкость при 0-100°С 0,142 кдж/(кг·К) ; теплопроводность при 20-100 °С 54,47 Вт/(м·К) . Температурный коэффициент линейного расширения 8,0·10 -6 (20-1500 °С); удельное электросопротивление при 0 °С 13,2·10 -8 ом·м, при 2000 °С 87·10 -8 ом·м. При 4,38 К становится сверхпроводником. Тантал парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 0,849·10 -6 (18 °С). Чистый Тантал - пластичный металл, обрабатывается давлением на холоду без значительного наклепа. Его можно деформировать со степенью обжатия 99% без промежуточного отжига. Переход Тантала из пластичного в хрупкое состояние при охлаждении до -196 °С не обнаружен. Модуль упругости Тантала 190 Гн/м 2 (190·10 2 кгс/мм 2) при 25 °С. Предел прочности при растяжении отожженного Тантала высокой чистоты 206 Мн/м 2 (20,6 кгс/мм 2) при 27 °С и 190 Мн/м 2 (19 кгс/мм 2) при 490 °С; относительное удлинение 36% (27 °С) и 20% (490 °С). Твердость по Бринеллю чистого рекристаллизованного Тантала 500 Мн/м 2 (50 кгс/мм 2). Свойства Тантала в большой степени зависят от его чистоты; примеси водорода, азота, кислорода и углерода делают металл хрупким.
Химические свойства Тантала
Конфигурация внешних электронов атома Та 5d 3 6s 2 . Наиболее характерная степень окисления Тантала +5; известны соединения с низшей степенью окисления (например, ТаСl 4 , ТаСl 3 , ТаCl 2), однако их образование для Тантал менее характерно, чем для ниобия.
В химическом отношении Тантал при обычных условиях малоактивен (сходен с ниобием). На воздухе чистый компактный Тантал устойчив; окисляться начинает при 280 °С. Имеет лишь один стабильный оксид - (V) Та 2 О 5 , который существует в двух модификациях: α-форме белого цвета ниже 1320 °С и β-форме серого цвета выше 1320 °С; имеет кислотный характер. С водородом при температуре около 250 °С Тантал образует твердый раствор, содержащий до 20 ат.% водорода при 20 °С; при этом Тантал становится хрупким; при 800-1200 °С в высоком вакууме водород выделяется из металла и его пластичность восстанавливается. С азотом при температуре около 300 °С образует твердый раствор и нитриды Ta 2 N и TaN; в глубоком вакууме выше 2200 °С поглощенный азот вновь выделяется из металла. В системе Та - С при температуре до 2800 °С установлено существование трех фаз: твердого раствора углерода в Тантале, низшего карбида Т 2 С и высшего карбида ТаС. Тантал реагирует с галогенами при температуре выше 250 °С (с фтором при комнатной температуре), образуя галогениды преимущественно типа ТаХ 3 (где X = F, Cl, Вг, I). При нагревании Та взаимодействует с С, В, Si, Р, Se, Те, водой, СО, СО 2 , NO, HCl, H 2 S.
Чистый Тантал исключительно устойчив к действию многих жидких металлов: Na, К и их сплавов, Li, Pb и других, а также сплавов U - Mg и Pu - Mg. Тантал характеризуется чрезвычайно высокой коррозионной устойчивостью к действию большинства неорганических и органических кислот: азотной, соляной, серной, хлорной и других, царской водки, а также многих других агрессивных сред. Действуют на Тантал фтор, фтористый водород, плавиковая кислота и ее смесь с азотной кислотой, растворы и расплавы щелочей. Известны соли танталовых кислот - танталаты общей формулы xMe 2 O·yТа 2 О 5 ·H 2 O: метатанталаты МеТаО 3 , ортотанталаты Ме 3 ТаО 4 , соли типа Me 5 TaO 5 , где Me - щелочной металл; в присутствии перекиси водорода образуются также пертанталаты. Наиболее важны танталаты щелочных металлов - КТаО 3 и NaTaO 3 ; эти соли -сегнетоэлектрики.
Получение Тантала
Руды, содержащие Тантал, редки, комплексны, бедны Танталом; перерабатывают руды, содержащие до сотых долей процента (Та, Nb) 2 O 5 , и шлаки восстановительной плавки оловянных концентратов. Основным сырьем для производства Тантала, его сплавов и соединений служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие соответственно около 8% Ta 2 O 5 и 60% и более Nb 2 O 5 . Концентраты перерабатывают обычно в три стадии: 1) вскрытие, 2) разделение Та и Nb и получение их чистых соединений, 3) восстановление и рафинирование Та. Танталитовые концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые - хлорируют. Разделяют Та и Nb с получением чистых соединений экстракцией, например, трибутилфосфатом из плавиковокислых растворов, или ректификацией хлоридов.
Для производства металлического Тантала применяют восстановление его из Ta 2 O 5 сажей в одну или в две стадии (с предварительным получением ТаС из смеси Ta 2 O 5 с сажей в атмосфере СО или Н 2 при 1800-2000 °С); электрохимическое восстановление из расплавов, содержащих K 2 TaF 7 и Та 2 О 5 , и восстановление натрием K 2 TaF 7 при нагревании. Возможны также процессы термической диссоциации хлорида или восстановление из него Тантала водородом. Компактный металл производят либо вакуумной дуговой, электроннолучевой или плазменной плавкой, либо методами порошковой металлургии. Слитки или спеченные из порошков штабики обрабатывают давлением; монокристаллы особо чистого Тантала получают бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.
Применение Тантала
Тантал обладает комплексом ценных свойств - хорошей пластичностью, прочностью, свариваемостью, коррозионной устойчивостью при умеренных температурах, тугоплавкостью, низким давлением пара, высоким коэффициентом теплопередачи, небольшой работой выхода электронов, способностью образовывать анодную пленку (Та 2 О 5) с особыми диэлектрическими характеристиками и "уживаться" с живой тканью организма. Благодаря этим свойствам Тантал находит применение в электронике, химические машиностроении, ядерной энергетике, в металлургии (производство жаропрочных сплавов, нержавеющих сталей), в медицине; в виде ТаС его применяют в производстве твердых сплавов. Из чистого Тантала изготовляют электрические конденсаторы для полупроводниковых приборов, детали электронных ламп, коррозионноустойчивую аппаратуру для химические промышленности, фильеры в производстве искусственного волокна, лабораторную посуду, тигли для плавки металлов (например, редкоземельных) и сплавов, нагреватели высокотемпературных печей; теплообменники для ядерно-энергетических систем. В хирургии листы, фольгу, проволоку из Тантала применяют для скрепления костей, нервов, наложения швов и др. Применение находят танталовые сплавы и соединения.
