(Tantalum; по имени мифологического фригийского царя Тантала), Та - хим. элемент V группы периодической системы элементов; ат. н. 73, ат. м. 180,9479. Пластичный металл серо-стального цвета с синеватым оттенком. Наиболее типична для Т. степень окисления + 5; известны также соединения со степенями окисления - 1, + 1, + 2, + 3 и + 4. Природный Т. состоит из стабильного изотопа 181Та и радиоактивного изотопа 180Та с периодом полураспада 1012 лет. Получены 15 радиоактивных изотопов. Т. впервые обнаружил (1802) швед, химик А. Г. Экеберг в минералах Скандинавского полуострова. Вследствие близости физико-хим. св-в тантал и всегда сопутствуют друг другу, и их долго считали идентичными. В чистом виде Т. получил (1903) нем. химик В. фон Болтон. Пром. произ-во Т. началось в 1922 (США).
Содержание Тантал в земной коре 2 < 10-4 %. Т. в природе встречается совместно с ниобием в виде изоморфных танталитов и ниобатов, Известно более 100 минералов, содержащих тантал. Основные из них: колумбит-танталит, микролит, некоторые титановые (напр., ильменорутил). Большинство танталовых руд содержит значительное количествониобия. Кристаллическая решетка Т.объемноцентрированная кубическаяс периодом а - 3,3025 А. Плотность 16,65 г/см9; tпл 2996° С; tкип 53009 С;температурный коэфф. линейного расширения (град): 6,55 х 10-6 (т-ра 0-100° С); 6,6 х 10-6 (т-ра 0-500° С) и 8,0 х 10-6 (т-ра 20-1500° С); коэфф. теплопроводности (при комнатной т-ре) 0,130 кал/см х сек х град. Удельная теплоемкость (кал/г-град): 0,03322 (т-ра 0° С); 0,03364 (т-ра 100° С); 0,03495 (т-ра 400° С); 0,03679 (т-ра 800° С); 0,03873 (т-ра 1200° С); 0,04078 (т-ра 1600° С) и 0,044 (т-ра 2000° С). Удельное электрическое сопротивление (мком х см), 12,4 (т-ра 18° С); 54 (т-ра 1000° С); 71 (т-ра 1500° С) и 87 (т-ра 2000° С). Скрытая теплота плавления 6,9 ккал/молъ; теплота испарения составляет 180 ккал/г-атом. Твердость 90-150 кгс/мм2 при чистоте 99,95-99,9%; твердость после электроннолучевой или зонной плавки 70-90 кгс/мм2, при т-ре 1200° С она составляет 20 кгс/мм2. Предел прочности Т. высокой чистоты 19-23 кгс/мм2; предел текучести 18,4 кгс/мм2; относительное удлинение 36-38%; относительное сужение поперечного сечения около 90%. В зависимости от содержания примесей предел прочности достигает 126 кгс/мм2. С повышением т-ры предел прочности снижается до 5кгс/мм2 при т-ре 1550° С и до 3,6 кгс/мм2 при т-ре 1980° С. Модуль упругости 19 000 кгс/мм2; модуль сдвига 7000 кгс/мм2; коэфф. сжимаемости 0,52-10 6 см2/кгс.
Переход из пластичного состояния в хрупкое не обнаружен вплоть до т-ры - 250 ° С. Температура рекристаллизации 1050 — 1500° С в зависимости от чис-стоты и степени деформации. Ионизационный потенциал 7,3 ± 0,3 эв. Работа выхода электронов 4,1 эв. эна Т-ра перехода в сверхпроводящее состояние 4,38 К. Сечение захвата тепловых нейтронов 21,3 барн/атом. Металлический Тантал стоек в й большинстве агрессивных сред, вт. ч. в «царской водке». Взаимодействует с плавиковой к-той, с расплавами щелочей, с серной и ортофосфорной к-тами выше т-ры 50-100° С. Стойкость металлического Т. обусловлена наличием на поверхности тонкой прочной пленки пятиокиси Та205.
Способностью разрушать такую пленку обладают ионы фтора, серный ангидрид и расплавы щелочей. Т. в значительных количествах абсорбирует , и . Стоек на холоду в среде воздуха. При нагревании выше т-ры 300° С начинает окисляться, на поверхности образуется пористый слой пятиокиси Т. с амфотерными св-вами, преим. кислотными. С основаниями пяти-окись Т. образует соли, к-рые являются производными гипотетической танталовой к-ты,- танталаты. Т. взаимодействует с фтором при комнатной т-ре, с хлором - выше т-ры 250° С, с бромом - выше т-ры 300° С, с йодом не взаимодействует вплоть до т-ры красного каления. и углеродсодержащие газы при т-ре 1200-1400° С взаимодействуют с Т. с образованием карбидов. При т-ре ~ 500° С образуются гидриды. Тантал не взаимодействует с газообразным хлористым водородом до т-ры 400° С, а с бромистым водородом - до т-ры 375° С. Образует интерметаллические соединения преим. с переходными металлами VII-VIII и металлами Hie - IVe подгрупп периодической системы элементов. Т. стоек к действию некоторых расплавленных металлов, напр. висмута - до т-ры 980° С, свинца - до т-ры 1000° С.
Переработка рудного сырья на металлический Тантал включает получение концентратов, содержащих до 40- 65% Та2Об (гравитационным обогащением с последующей электромагнитной или электростатической сепарацией, флотацией или с применением комплексных магнитно-химических методов); вскрытие концентратов (сплавлением со щелочами или разложением к-тами, в частности плавиковой), в результате к-рого получают тантал и сопутствующий ему в виде окислов, хлоридов или фтористых компл. солей; разделение соединений тантала и ниобия (жидкостной экстракцией органическими реагентами, дробной кристаллизацией комплексных фтористых соединений, ректификацией хлоридов, а также разделением с помощью ионообменных смол); получение металлического Т. из его соединений (электролизом расплавленных фтористых сред; восстановлением натрием из комплексных фтористых солей, в частности из K2TaF7; восстановлением галогенидов магниевой стружкой или натрием; термической диссоциацией галогенидов).
Обычно Т. получают в виде танталового порошка чистотой 98-99%. Чтобы получить металл в компактном виде, прибегают к спеканию предварительно спрессованных заготовок прямым пропусканием тока при т-ре 2500- 2700° С или косвенным нагреванием при т-ре 2200-2500° С в вакууме; при этом чистота металла повышается до 99,9-99,95%. J Для получения больших слитков и для рафинирования применяют электровакуумную плавку в дуговых печах с расходуемым электродом и в электроннолучевых печах. В процессе вакуумного переплава общее содержание кислорода, азота и углерода снижается от 0,1-0,5 до 0,01-0,05%. Для произ-ва стержней высокой чистоты и изготовления монокристаллов прибегают к зонной плавке. Тантал подвергают обработке давлением на холоду (ковке, прокатке, штампованию, экструзии, волочению), получая прутки, проволоку, листы, трубы и фасонные изделия. Чтобы снять напряжения, в процессе деформирования изделий осуществляют промежуточный отжиг в высоком вакууме или в среде очищенного инертного газа при т-ре 1200-1650° С. Т. обладает хорошей свариваемостью, в связи с чем применяют различные виды дуговой сварки в аргоне или гелии, перспективна сварка электронным пучком.
Возможна пайка спец. припоями с соблюдением мер предосторожности. Т. можно покрывать нержавеющими сталями и тугоплавкими металлами и сплавами, обрабатывать резанием (при наличии смазки). Области применения Т. определяются благоприятным сочетанием высокой температуры плавления, пластичности, прочности, свариваемости, коррозионной стойкости, теплопроводности, способности поглощать газы и низкой упругости пара. Основное количество Т. (60- 75%) используют в электровакуумной технике: он служит материалом для геттеров, анодов, сеток и др. и деталей электронных ламп. В электротехнической пром-сти Т. применяют для изготовления нагревателейэлементов конструкций (экранов, контактов и др.) печей, эксплуатируемых при т-ре выше 1700° С в вакууме или среде инертного газа; для изготовления электролитических конденсаторов, выпрямителей.
Около 20-30% металла используют в произ-ве деталей хим. аппаратуры. Т.- заменитель платины в произ-ве лабораторной посуды, аналитических разновесов. Из Т. изготовляют прядильные фильеры, служащие для получения нитей искусственного шелка. Т. используют в качестве легирующей добавки при произ-ве высокопрочных, коррозионностойких и жаропрочных сталей и спец. сплавов. Соединения Т. (напр., фтористые комплексные соли) применяют в качестве катализаторов, пятиокись тантала используют в произ-ве стекол и керамики со спец. свойствами. См. также Тантала .
Характеристика элементов
Тантал являются металлам, но в состоянии окисления +5 проявляют неметаллические качества. Он почти не образуют катионов, но известно довольно большое количество сложных анионов, куда входят этот элемент.
Свойства простых веществ и соединений
По своему свободному состоянию и по химическим взаимодействиям члены подгруппы VB - тантал - резко отличаются от сурьмы и висмута.
Металл - тантал - очень тугоплавок, тверд, химически малоактивен. Кристаллизуются в кубической объемноцентрированной решетке. Химическая активность примерно одинакова с ниобием.
Ни , ни большинство кислот на него не действуют. На воздухе он покрыт плотным слоем оксидов, который препятствует при обычной температуре их дальнейшему взаимодействию даже с такими активными химическими реагентами, как , и . Только довольно значительное нагревание способно вывести его из столь пассивного состояния. На тантал даже «царская водка» - смесь, способная растворять , не действует. Он может раствориться только в еще более грозной смеси плавиковой и азотной кислот. Взаимодействие с водородом идет довольно легко, однако при поглощении водорода этим металлам определенных соединений не образуется. Состав максимально насыщенных водородом продуктов приближается к формуле ЭН, т. е. на каждый атом металла приходится один атом водорода. Если рассматривать свойства металлов в состоянии со степенью окисления +5, нужно отметить следующее: оксиды - плотные, устойчивые, инертные . По размерам атома и иона тантал и ниобия близки друг к другу. Это отражается и на свойствах оксидов, температура образования которых у ниобия и тантала высокая, как и температура плавления оксидов, а высшие оксиды Nb2Os и Та205 практически нерастворимы в воде. Кислотные свойства гидроксидов выше, чем в подгруппе титана, и падают от ванадия к танталу. Гидроксид ванадия- слабая кислота, а тантала - соединения амфотерные. Так как у этого элемента не заполнены d -орбитали, значит он способty образовывать комплексные соединения. Взаимодействуя со смесью азотной и плавиковой кислот, он даёт комплексы типа H(TaF6] .
Получение и использование
Открытие тантала тесно связано с открытием ниобия. На протяжении нескольких десятилетий химики считали открытый английским химиком Хэтчеттом в 1802 г. элемент "колумбий" и открытый в 1802 г. шведом Экебергом тантал одним элементом. Лишь в 1844 г. немецкий химик Розе окончательно доказал, что это два разных элемента, очень близких по своим свойствам. А поскольку тантал был назван по имени героя древнегреческих мифов Тантала, предложил назвать "колумбий" ниобием по имени дочери Тантала Ниобеи. Сам же тантал получил свое название от выражения "муки Тантала", из-за тщетности попыток Экеберга растворить в кислотах полученный им оксид этого элемента.
Получение:
Тантал почти всегда сопутствует ниобию в танталитах и ниобитах. Основные месторождения танталита находятся в Финляндии, Скандинавии и в Северной Америке.
Разложение танталовых руд в технике осуществляют нагреванием их с гидросульфатом калия в железных сосудах, выщелачиванием сплава горячей водой и растворением HF остающегося порошкообразного остатка танталовой кислоты загрязненной ниобиевой кислотой. Затем оксид тантала восстанавливают углем при 1000°С и получают металл отделяют в виде черного порошка содержащего небольшое количество оксида. Также порошок металла можно получить восстанавливая TaCl 5 водородом или магнием, а также втортанталат калия натрием: K 2 TaF 7 + 5Na = Ta + 2KF + 5NaF.
Порошок металла перерабатывают в компактный металл методами поршковой металлургии, прессуя в "штабики", с последующей их плазменной или электролучевой плавкой.
Физические свойства:
Тантал тяжелый, платиново-серый с синеватым оттенком блестящий металл, довольно твердый, но черезвычайно ковкий, пластичный; пластичность его повышается по мере очистки. Тпл.= 3027°С (уступает только вольфраму и рению). Тяжелый, плотность 16,65 г/см 3
Химические свойства:
При комнатной температуре обладает исключительной химической стойкостью. Кроме плавиковой кислоты, на тантал не действуют никакие другие кислоты, даже царская водка. Взаимодействует со смесью плавиковой и азотной кислот, серным ангидридом, растворами и расплавами щелочей, при нагревании до 300-400°С с галогенами, водородом, кислородом, азотом, выше 1000°С - с углеродом.
В соединениях проявляет степень окисления +5. Однако известны также соединения тантала с более низкими степенями окисления: TaCl 4 , TaCl 3 , TaCl 2 .
Важнейшие соединения:
Оксид тантала(V), Та 2 О 5 в чистом состоянии удобнее всего получать прокаливанием чистого металлического тантала в токе кислорода или разложением гидроксида Та(ОH) 5 . Оксид тантала(V) - белый, нерастворимый в воде и кислотах (за исключением плавиковой) порошок с удельным весом 8,02. Он не меняется при прокаливании на воздухе, в отмосфере сероводорода или в парах серы. Однако при температуре выше 1000°С оксид взаимодействует с хлором и с хлористым водородом. Оксид тантала(V) диморфен. При обычной температуре устойчива его ромбическая модификация.
Танталаты и танталовая кислота.
Сплавлением оксида тантала(V) со щелочами или карбонатами щелочных металлов получают танталаты - соли метатанталовой HTaO 3 и ортотанталовой кислот H 3 TaO 4 . Существуют и соли состава M 5 TaO 5 . Кристаллические вещества. применяются как сегнетоэлектрики.
Танталовые кислоты - белые студенистые осадки с переменным содержанием воды, даже свежеприготовленные не растворяются в соляной и азотной кислотах. Хорошо растворяются в HF и растворах щелочей. В технике танталовую кислоту получают обычно разложением серной кислотой двойного фторида тантала и калия (гептафторотанталата калия).
Хлорид тантала (V)
, кристаллы, гигроскопичен, гидролизуется водой, растворим в CS 2 и CCl 4 . Применяется при получении тантала и нанесении покрытий.
Пентафторид тантала.
Может быть получен взаимодействием пентахлорида с житким фтористым водородом. Он образует бесцветные призмы, гидролизуется водой. Тпл=96,8°С,Ткип=229°С. Используется для нанесения танталовых покрытий.
Гептафторотанталат калия
- K 2 TaF 7 - комплексное соединение, Может быть получен взаимодействием пентафторида тантала с фторидом калия. Белые кристаллы, устойчивые на воздухе. Гидролизуется водой: K 2 TaF 7 + H 2 O -> Ta 2 O 5 *nH 2 O + KF + HF
Применение:
Так как тантал объединяет превосходные металические свойства с исключительной химической стойкостью, он оказался весьма подходящим для изготовления хирургических и зубоврачебных инструментов, например концов пинцетов, игл для инъекций,стрелок и т.д. В некоторых случаях он может заменить платину.
Применяют также для изготовления конденсаторов, катодов электронных ламп, аппаратуры в химической промышленности и ядерной энергетике, фильер для производства искуственных волокон.
Карбид, силицид, нитрид тантала - жаростойкие материалы, компоненты твердых и жаростойких сплавов.
Термостойкие сплавы тантала с ниобием и вольфрамом используются в ракетной и космической технике.
Е. Розенберг.
Источники: Тантал //Популярная библиотека химических элементов Издательство «Наука», 1977.
Тантал // Википедия. Дата обновления: 12.12.2017. (дата обращения: 20.05.2018).
// С. И. Левченков. Краткий очерк истории химии/ ЮФУ.
Тантал занимает особое место в группе известных химических элементов. Данный металл не относится к благородным, однако эксплуатационные качества делают его востребованным в самых разных сферах. Причем это касается не только строительных и производственных отраслей, но и ювелирного искусства. На сегодняшний день само применение тантала весьма ограничено в силу его редкости. И все же на рынке представлен широкий ассортимент изделий из этого материала.
Общие сведения о металле
В природе не существует тантала в чистом виде. Обычно его добывают вместе с другими минералами, схожими с ним по характеристикам. Эта особенность элемента и обусловила его довольно позднее открытие. Но в наши дни существуют эффективные способы выделения тантала, одним из которых является экстракционный метод. Специально для получения металлического материала применяется также электролиз. С помощью графитового тигля основу с содержанием элемента расплавляют, после чего на стенках емкости остается порошок. Дальнейшая технология обработки исходного сырья зависит от того, каким будет применение тантала: ему можно придавать вид слитка, проволоки, листа, детали определенной формы или же оставить в форме смеси для распыления. Популярны и технологии формирования сплавов из порошка тантала. Комбинация с легирующими веществами позволяет усилить отдельные свойства материала.
Физические свойства
Металл отличается повышенной температурой плавления порядка 3017 °C, что позволяет его использовать в экстремальных термических условиях на производствах. В то же время он обладает редкой комбинацией свойств пластичности и твердости. Что касается первого, то он мягкий как золото. При этом твердость тантала составляет 16,65 г/см 3 . Такое сочетание физических качеств позволяет с легкостью обрабатывать материал, придавая ему разные формы и размеры, а также использовать в ответственных механизмах и конструкциях. Мелкие элементы хорошо себя проявляются в качестве шестеренок и деталей электроприборов. Тантал стоек к износу и долговечен, поэтому из него делают расходные компоненты с расчетом на длительную эксплуатацию. Кроме того, этот металл может выступать эффективным поглотителем газа. При высоких температурах у деталей из тантала также раскрываются высокие токопроводящие свойства.
Химические свойства
В чистом виде металл эффективно противостоит воздействию щелочей, органических и неорганических кислотных веществ, а также влиянию других активных сред. Разве что в расплавленном виде щелочи оказывают на тантал заметное воздействие. Процессы окисления происходят при температурном режиме не ниже 280 °C, а с галогенными компонентами он вступает в реакцию при 250 °C. Химические свойства тантала в контактах с реагентами можно сравнить со стеклом. Он не растворяется в кислотных средах за исключением азотной и плавиковой. Проявляет стойкость данный материал и к серной кислоте независимо от ее концентрации. Однако процессы активности в большинстве случаев оказывают несущественное влияние на структуру металла. Обычно изменения проявляются или в форме покрытия пленкой, или в виде корродирования.
Где применяется тантал?
Данный металл не является массовым, но сфер его использования очень много. В первую очередь это промышленность. Элемент задействуется в металлургии, в пищевом секторе, в обрабатывающих отраслях, радиотехнике, машиностроении и т. д. В строительной сфере этот металл не так востребован именно из-за ограниченности объемов добычи, но отдельные элементы конструкций все же выполняются из этого материала - как правило, метизы, предназначенные для ответственных задач усиления конструкций. Чтобы понять, где используется тантал, важно обращать внимание и на его эксплуатационные свойства. Уже отмечалось, что он может выступать неплохим проводником. Поэтому его используют в качестве сверхпроводника в электротехнике. С другой стороны, жаропрочность открывает возможности для его применения в термической обработке других металлов. Благодаря повышенной плотности тантал стал оптимальным решением и в оборонной промышленности. Из него делают снаряды, обладающие высокой пробивной мощностью.
Проволока из тантала
Металлопрокат в целом является наиболее обширной формой представления данного материала на рынке. Существенную нишу в сегменте занимает проволока. Она необычна тем, что благодаря скромным размерам может использоваться как нить. Это объясняет ценность тантала для медицинской сферы - изделия такого рода применяются для накладывания швов и повязок. Но это лишь пример, демонстрирующий одно из отличительных качеств такой проволоки. Более крупные форматы применяются в машино-, авиа-, станкостроении и капитальном строительстве. Причем в зависимости от назначения может использоваться мягкий и твердый металл. Тантал, благодаря податливости с точки зрения обработки, позволяет выпускать длинную проволоку от 1500 см при толщине от 0,15 мм и более. На готовых изделиях, как отмечают пользователи, редко встречаются заусенцы, трещины и прочие дефекты. Однако тонкая структура все же накладывает требования на условия хранения и транспортировки - в частности, проволоку не рекомендуется подвергать контактам с влагой и агрессивными средами.
Лента из тантала
Этот формат выпуска металлопроката также имеет широкое распространение. Ленты применяются в той же медицине, в нефтяной промышленности, машиностроении и даже в энергетической отрасли. Потребители ценят этот продукт за биосовместимость, высокую прочность при тонкой структуре, хорошую обрабатываемость и стойкость к процессам коррозии. Если сравнивать подобные изделия из тантала с аналогами из стали или алюминия, то на первый план выйдет износостойкость и долговечность. Лента способна выдерживать большие нагрузки на разрыв и химические воздействия. С другой стороны, высокая пластичность не позволяет таким изделиям стабильно поддерживать определенную форму. Даже незначительное давление приводит к деформации.
Сплавы на основе тантала
Модифицированные легирующими компонентами сплавы преимущественно обретают более высокие качества физической прочности и жаростойкости. Достаточно сказать, что среднее по характеристикам изделие сможет выдерживать температурные воздействия в режиме 1650 °С, не утрачивая своих эксплуатационных качеств. Собственно, это и позволяет применять сплавы тантала в химической промышленности, энергетике, металлургии и приборостроении. Более того, некоторые предприятия используют данный материал в изготовлении элементов для ракетно-космической сферы. В зависимости от направления использования, технологи разрабатывают разные составы для легирования тантала. В одних случаях модификация позволяет добиться более высокой пластичности, а в других, к примеру, сделать материал пригодным для выполнения сварочных операций электронно-лучевым методом. Также и сам тантал может выступать в качестве легирующего компонента. Обычно такой способ улучшения эксплуатационных свойств используют для придания основным металлам антикоррозийности и жаропрочности.
Тантал в радиотехнике
В сферах производства электротехнических устройств и деталей на первый план выходит возможность сохранения оптимальной токопроводности и поддержание частотных сигналов при сокращении размеров элементной базы. По этой причине тантал часто используется в изготовлении конденсаторов, тиристоров, транзисторов и семисторов. Прежде для тех же конденсаторов применялись рулоны листового алюминия. Это решение предполагало возможность повышения эксплуатационных параметров только в случае увеличения размеров самой детали. И это не говоря об обратном понижении других характеристик, связанных с наращиванием объема конденсатора. Увеличить электрический объем при сохранении размеров детали позволило применение тантала, который также отличается стойкостью к негативным процессам, в которых участвуют радиоэлектронные компоненты. Другое дело, что и алюминий не выходит из строя в этой области, поскольку он доступнее по цене.
Заключение
Этот металл вовсе не обладает уникальными или нестандартными свойствами. У него немало привлекательных качеств, среди которых та же антикоррозийность, твердость или жаростойкость. Но эти характеристики по отдельности присутствуют и в других металлах. Причем в некоторых они выражены гораздо сильнее. Однако сочетание, на первый взгляд, противоположных свойств в одном элементе действительно является уникальным. Технологи стремятся достигать особых комбинаций в рабочих качествах материалов искусственными способами, а в данном случае они обуславливаются природой происхождения. Например, применение тантала в медицине и в металлургии ставит целью совершенно разные задачи. В одном случае ценится высокая прочность при небольших размерах изделия, а во втором - податливость в обработке. Но есть и негативное свойство тантала, которое распространяется на все сферы его использования, - это высокая стоимость, а в некоторых случаях и физическая недоступность.
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.
Фригийского царя Тантала боги наказали за неоправданную жестокость. Они обрекли Тантала на венчные муки жажды, голода и страха. С тех пор стоит он в преисподней по горло в прозрачной воде. Под тяжестью созревших плодов склоняются к нему ветви деревьев. Когда томимый жаждой Тантал пытается напиться, вода уходит вниз. Стоит ему протянуть руку к сочным плодам, ветер поднимает ветвь, и обессилевший от голода грешник не может ее достать. А прямо над его головой нависла скала, грозя в любой миг обрушиться.
Так мифы Древней Греции повествуют о муках Тантала. Должно быть, не раз шведскому химику Экебергу пришлось вспомнить о танталовых муках, когда он безуспешно пытался растворить в кислотах «землю», открытую им в 1802 г., и выделить из нее новый элемент. Сколько раз, казалось, ученый был близок к цели, но выделить новый металл в чистом виде ему так и не удалось. Отсюда - «мученическое» название элемента № 73.
Споры и заблуждения
Спустя некоторое время выяснилось, что у тантала есть двойник, который появился на свет годом раньше. Этот двойник -элемент № 41, открытый в 1801 г. и первоначально названный Колумбией. Позже его переименовали в ниобий. Сходство ниобия и тантала ввело в заблуждение химиков. После долгих споров они пришли к выводу, что тантал и колумбий - одно и то же.
Поначалу такого же мнения придерживался и известнейший химик того времени Йенс Якоб Берцелиус, однако в дальнейшем он усомнился в этом. В письме к своему Ученику немецкому химику Фридриху Вёлеру Берцелиус писал:
«Посылаю тебе обратно твой X, которого я вопрошал, как мог, но от которого я получил уклончивые ответы. X титан? - спрашивал я. Он отвечал: Вёлер же тебе сказал, что я не титан.
Я также установил это.
- Ты цирконий?-Нет,-отвечал он,-я же растворяюсь в соде, чего не делает цирконовая земля.- Ты олово?- Я содержу олово, но очень мало.- Ты тантал? Я с ним родствен,- отвечал он,- но я растворяюсь в едком кали и осаждаюсь из него желто-коричневым.- Ну что жив ты тогда за дьявольская вещь?-спросил я. Тогда мне показалось, что он ответил: мне не дали имени.
Между прочим, я не вполне уверен, действительно ли я это слышал, потому что он был справа от меня, а я очень плохо слышу на правое ухо. Так как твой слух лучше моего, то я тебе шлю* этого сорванца назад, чтобы учинить ему новый допрос...»
Речь в этом письме шла об аналоге тантала - элементе, открытом англичанином Чарльзом Хэтчетом в 1801 г.
Но и Вёлеру не удалось внести ясность во взаимоотношения тантала с Колумбией. Ученым суждено было заблуждаться более сорока лет. Лишь в 1844 г. немецкому химику Генриху Розе удалось разрешить запутанную проблему и доказать, что колумбий, как и тантал, имеет полное право на «химический суверенитет». А уж поскольку налицо были родственные связи этих элементов, Розе дал Колумбию новое имя - ниобий, которое подчеркивало их родство (в древнегреческой мифологии Ниобея - дочь Тантала).
На протяжении многих десятилетий конструкторы и технологи не проявляли к танталу никакого интереса. Да собственно говоря, тантала, как такового, попросту и не существовало: ведь в чистом компактном виде этот металл ученые смогли получить лишь в XX в. Первым это сделал немецкий химик фон Болтон в 1903 г. Еще раньше попытки выделить тантал в чистом виде предпринимали многие ученые, в частности Муассан. Но металлический порошок, полученный Муассаном, восстановившим пятиокись тантала Та 2 0 5 углеродом в электрической печи, не был чистым танталом, порошок содержал 0,5% углерода.
Итак, в начале нашего века в руки исследователей попал чистый тантал, и теперь они уже могли детально изучить свойства этого светло-серого металла со слегка синеватым оттенком. Что же он собой представляет? Прежде всего - это тяжелый металл: его плотность 16,6 г/см 3 (заметим, что для перевозки кубометра тантала понадобилось бы шесть трехтонных грузовиков).
Высокая прочность и твердость сочетаются в нем с отличными пластическими характеристиками. Чистый тантал хорошо поддается механической обработке, легко штампуется, перерабатывается в тончайшие листы (толщиной около 0,04 мм) и проволоку. Характерная черта тантала - его высокая теплопроводность. Но, пожалуй, самое важное физическое свойство тантала - тугоплавкость: он плавится почти при 3000° С (точнее, при 2996°С), уступая в этом лишь вольфраму и рению .
Когда стало известно, что тантал весьма тугоплавок, У ученых возникла мысль использовать его в качестве материала для нитей электроламп. Однако уже спустя несколько лет тантал вынужден был уступить это поприще еще более тугоплавкому и не столь дорогому вольфраму.
В течение еще нескольких лет тантал не находил практического применения. Лишь в 1922 г. его смогли использовать в выпрямителях переменного тока (тантал, покрытый окисной пленкой, пропускает ток лишь в одном направлении), а спустя еще год - в радиолампах. Тогда же началась разработка промышленных методов получения этого металла. Первый промышленный образец тантала, полученный одной из американских фирм в 1922 г., был величиной со спичечную головку. Спустя двадцать лет та же фирма ввела в эксплуатацию специализированный завод по производству тантала.
Как тантал разлучают с ниобием
Земная кора содержит всего лишь 0,0002% Та, но минералов его известно много - свыше 130. Тантал в этих минералах , как правило, неразлучен с ниобием, что объясняется чрезвычайным химическим сходством элементов и почти одинаковыми размерами их ионов.
Трудность разделения этих металлов долгое время тормозила развитие промышленности тантала и ниобия. До недавних пор их выделяли лишь способом, предложенным еще в 1866 г. швейцарским химиком Мариньяком, который воспользовался различной растворимостью фтор-танталата и фторниобата калия в разбавленной плавиковой кислоте.
В последние годы важное значение приобрели также экстракционные методы выделения тантала, основанные на различной растворимости солей тантала и ниобия в некоторых органических растворителях. Опыт показал, что наилучшими экстракционными свойствами обладают метилизобутилкетон и циклогексанон.
В наши дни основной способ производства металлического тантала - электролиз расплавленного фтортанталата калия в графитовых, чугунных или никелевых тиглях, служащих по совместительству катодами. Танталовый порошок осаждается на стенках тигля. Извлеченный из тигля, этот порошок подвергают сначала прессованию в пластины прямоугольного сечения (если заготовка предназначена для прокатки в листы) либо в штабики квадратного сечения (для волочения проволоки), а затем - спеканию.
Некоторое применение находит также натриетермический способ получения тантала. В этом процессе взаимодействуют фтортанталат калия и металлический натрий:
K 2 TaF 7 + 5Na → Та + 2KF + 5NaF.
Конечный продукт реакции - порошкообразный тантал, который затем спекают. В последние два десятилетия стали применять и другие методы обработки порошка - дуговую или индукционную плавку в вакууме и электронно-лучевую плавку.
На службе химии
Несомненно самое ценное свойство тантала - его исключительная химическая стойкость: в этом отношении он уступает только благородным металлам, да и то не всегда.
не растворяется даже в такой химически агрессивной среде, как царская водка, которая без труда растворяет и золото, и платину, и другие благородные металлы. О высочайшей коррозионной стойкости тантала свидетельствуют и такие факты. При 200° С он не подвержен коррозии в 70%-ной азотной кислоте, в серной кислоте при 150° С коррозии тантала также не наблюдается, а при 200° С металл корродирует, но лишь на 0,006 мм в год.
К тому же тантал - металл пластичный
, из него можно изготовлять тонкостенные изделия и изделия сложной формы. Неудивительно, что он стал незаменимым конструкционным материалом для химической промышленности.
Танталовую аппаратуру применяют в производстве многих кислот (соляной, серной, азотной, фосфорной, уксусной), брома, хлора, перекиси водорода. На одном из предприятий, использующих газообразный хлористый водород, детали из нержавеющей стали выходили из строя уже через два месяца. Но, как только сталь была заменена танталом, даже самые тонкие детали (толщиной 0,3-0,5 мм) оказались практически бессрочными - срок службы их увеличился до 20 лет.
Из всех кислот лишь плавиковая способна растворять тантал (особенно при высокой температуре). Из него изготовляют змеевики, дистилляторы, клапаны, мешалки, аэраторы и многие другие детали химических аппаратов. Реже - аппараты целиком.
Многие конструкционные материалы довольно быстро теряют теплопроводность: на их поверхности образуется плохо проводящая тепло окисная или солевая пленка. Танталовая аппаратура свободна от этого недостатка, вернее, пленка окисла может на нем образоваться, но она тонка и хорошо проводит тепло. Кстати, именно высокая теплопроводность в сочетании с пластичностью сделали тантал прекрасным материалом для теплообменников. Танталовые катоды применяют при электролитическом выделении золота и серебра . Достоинство этих катодов заключается в том, что осадок золота и серебра можно смыть с них царской водкой, которая не причиняет вреда танталу.
Тантал важен не только для химической промышленности. С ним встречаются и многие химики-исследователи в своей повседневной лабораторной практике. Танталовые тигли, чашки, шпатели - вовсе не редкость
«Нужно иметь танталовые нервы...»
Уникальное качество тантала - его высокая биологическая совместимость, т. е. способность приживаться в организме, не вызывая раздражения окружающих тканей. На этом свойстве основано широкое применение тантала в медицине, главным образом в восстановительной хирургии - для ремонта человеческого организма. Пластинки из этого металла используют, например, при повреждениях черепа - ими закрывают проломы черепной коробки. В литературе описан случай, когда из танталовой пластинки было сделано искусственное ухо, причем пересаженная с бедра кожа при этом настолько хорошо прижилась, что вскоре танталовое ухо трудно было отличить от настоящего.
Танталовой пряжей иногда возмещают потери мускульной ткани. С помощью тонких танталовых пластин хирурги укрепляют после операции стенки брюшной полости. Танталовыми скрепками, подобными тем, которыми сшивают тетради, надежно соединяют кровеносные сосуды. Сетки из тантала применяют при изготовлении глазных протезов. Нитями из этого металла заменяют сухожилия и даже сшивают нервные волокна. И если выражение «железные нервы» мы обычно употребляем в переносном смысле, то людей с танталовыми нервами, быть может, вам приходилось встречать.
Право, есть что-то символическое в том, что именно на долю металла, названного в честь мифологического мученика, выпала гуманная миссия - облегчать людские муки. ..
Основной заказчик - металлургия
Однако на медицинские нужды расходуется лишь 5% производимого в мире тантала, около 20% потребляет химическая промышленность. Основная часть тантала - свыше 45% - идет в металлургию. В последние годы тантал все чаще используют в качестве легирующего элемента в специальных сталях - сверхпрочных, коррозионностойких, жаропрочных. Действие, оказываемое на сталь танталом, подобно действию ниобия. Добавка этих элементов к обычным хромистым сталям повышает их прочность и уменьшает хрупкость после закалки и отжига.
Очень важная область применения тантала - производство жаропрочных сплавов, в которых все больше и больше нуждается ракетная и космическая техника. Замечательными свойствами обладает сплав, состоящий из 90% тантала и 10% вольфрама. В форме листов такой сплав работоспособен при температуре до 2500°С, а более массивные детали выдерживают свыше 3300С! За рубежом этот сплав считают вполне надежным для изготовления форсунок, выхлопных труб, деталей систем газового контроля и регулирования и многих других ответственных узлов космических кораблей. В тех случаях, когда сопла ракет охлаждаются жидким металлом, способным вызвать коррозию (литием или натрием), без сплава тантала с вольфрамом просто невозможно обойтись.
Еще большую жаропрочность детали из тантало-вольфрамового сплава приобретают, если на них нанесен слой карбида тантала (температура плавления этого покрытия - свыше 4000° С). При опытных запусках ракет такие сопла выдерживали колоссальные температуры, при которых сам сплав быстро корродирует и разрушается.
Другое достоинство карбида тантала - его твердость , близкая к твердости алмаза , - привело этот материал в производство твердосплавного инструмента для скоростного резания металла.
Работа под напряжением
Приблизительно четвертая часть мирового производства тантала идет в электротехническую и электровакуумную промышленность. Благодаря высокой химической инертности как самого тантала, так и его окисной пленки, электролитические танталовые конденсаторы весьма стабильны в работе, надежны и долговечны: срок их службы достигает 12 лет, а иногда и больше. Миниатюрные танталовые конденсаторы используют в передатчиках радиостанций, радарных установках и других электронных системах. Любопытно, что эти конденсаторы могут сами себя ремонтировать: предположим, возникшая при высоком напряжении искра разрушила изоляцию - тотчас же в месте пробоя вновь образуется изолирующая пленка окисла, и конденсатор продолжает работать как ни в чем не бывало.
Окись тантала обладает ценнейшим для электротехники свойством: если через раствор, в который погружен тантал, покрытый тончайшей (всего несколько микрон!) пленкой окиси, пропускать переменный электрический ток, он пойдет лишь в одном направлении - от раствора к металлу. На этом принципе основаны танталовые выпрямители, которые применяют, например, в сигнальной службе железных дорог, телефонных коммутаторах, противопожарных сигпальных системах.
Тантал служит материалом для различных деталей электровакуумных приборов. Как и ниобий, он отлично справляется с ролью геттера, т. е. газопоглотителя. Так, при 800° С - тантал способен поглотить количество газа, в 740 раз больше его собственного объема. А еще из тантала делают горячую арматуру ламп - аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие нагреваемые детали. Тантал особенно нужен лампам, которые, работая при высоких температурах и напряжениях, должны долго сохранять точные характеристики. Танталовую проволоку используют в криотронах - сверхпроводящих элементах, нужных, например, в вычислительной технике.
