Тантал что за металл

Обновлено: 17.06.2024

Металлов на нашей планете немало. Среди них есть тяжелые, редкие, дорогие, прочные, пластичные, благородные. Все эти качества относятся к танталу (Та), расположенному в таблице Менделеева в V группе под номером 73. Что такое тантал – об этом узнаем прямо сейчас.

История открытия

Тантал относится к тяжелым металлам. Был открыт в 1802 году шведским химиком. Андерс Экеберг изучал образцы минералов и обнаружил новый химический элемент, который посчитал разновидностью колумбия (ниобия). Его долго не могли выделить в чистом виде, поэтому он получил название в честь Тантала, имя которого связано с выражением «Танталовы муки».

Впервые чистый металл получили в лаборатории лишь 100 лет спустя. Промышленное производство стартовало только в 1922 г. – была отлита первая заготовка, размером не более спичечной головки. Массовое использование нового вещества началось в конце 40-х годов прошлого столетия. И сейчас отмечается повышенный спрос на химический элемент №73.

Добыча и производство

Тантал – это редкий в природе металл, и в чистом виде не встречается. В земной коре его содержание – 0,0002%. Обычно его обнаруживают рядом с ниобием. Этот металл содержится в составе более 60 различных минералов. Существуют также и собственные руды тантала – лопарит, танталит, тапиолит, колумбит-танталит (колтан), манганотанталит и другие (около 20 видов).

Месторождения тантала находятся на всех континентах, самые крупные в Бразилии (40-50%), Австралии (20%), Китае, Франции, Египте, Канаде, Конго, Эфиопии. По подсчетам ученых, мировых запасов осталось на 50 лет. Планируется разработка танталовых рудников в Саудовской Аравии, с предполагаемым ресурсом на 200 лет.

В России залежи танталсодержащих концентратов находятся в Мурманском регионе, Якутии, Забайкалье, Сибири.

В мире насчитывается не более 40 компаний, производителей тантала. По масштабам производства лидируют США, Бразилия, Китай, Япония. В СНГ производят тантал на Соликамском магниевом заводе из лопаритовых руд (50 т за год), а в Усть-Каменогорске (Казахстан) – из колтана.

Свойства тантала

Данный химический элемент – тугоплавкий металл. Это означает, что он имеет одну из самых высоких температур плавления – 3017 °C! Из этого следует, что танталовые изделия обладают исключительной износостойкостью и могут работать в экстремальных условиях длительный срок. При температуре свыше 280 °C Та окисляется, и на поверхности образуется защитная радужная пленка.

Тантал обладает уникальными свойствами. Одно из них – сочетание твердости и пластичности. По своим пластическим возможностям Та успешно конкурирует с золотом. О его твердости говорит тот факт, что он сохраняет свои свойства даже в жидком азоте (при −196 °C). И только неметаллические примеси (C, O, N, H) способны снизить его качества.

В чистом виде металл легко поддается обработке и созданию нужной формы. Он легко прокатывается в тончайший лист или нить, штампуется, куется, обрабатывается на токарном станке. Его электропроводность в обычных условиях средняя, но при температурах ниже −300 °C он превращается в сверхпроводник.

Тантал обладает также высокой теплопроводностью и парамагнитными свойствами, хорошо поглощает газы.

Важное химическое свойство – устойчивость к агрессивным средам, в том числе кислым, поэтому Та нашел применение в медицине. Он не растворяется даже в царской водке, хотя не может устоять перед смесью плавиковой и азотной кислот. У тантала самая высокая стойкость к коррозии.

Зачем нужен тантал

Сферы использования тантала:

военная и химическая промышленность;
авиакосмическая отрасль;
атомная энергетика;
приборостроение;
медицина;
лабораторные цели.

Из него изготавливают слитки, пластины, диски, фольгу, ленты, прутки, проволоку и следующую продукцию:

Конденсаторы, а точнее их анод, в виде пористой таблетки. На это тратится примерно треть производимого металла. Используются в военных комплексах и бытовых приборах, компьютерной технике.
Оболочки снарядов и мишени.
Трубки и теплообменники для атомной энергетики.
Нагревательные элементы.
Устройства для подачи кислот, транспортирования жидкого металла, изготовление лабораторной посуды.
Точные и вакуумные измерительные приборы.
Тигли для получения редкоземельных элементов в металлургии.
Скобы для протезирования, нейрохирургии, пластической хирургии, танталовые нити для сшивания тканей в организме.

Используется тантал и в ювелирном деле. В чистом виде он имеет серебристый цвет, с легкой голубизной. За ним легко ухаживать, изделие годами сохраняет свой первоначальный вид, комфортно и безопасно в носке, поэтому танталовые обручальные кольца для мужчин так популярны. Это атрибут для людей с достатком, потому что цена за 1 грамм тантала выше, чем у платины.

Нужен тантал и для улучшения физико-химических свойств других металлов, поэтому используется в качестве легирующей добавки, а также как основа для производства сплавов с титаном, вольфрамом, молибденом, кремнием.

Ложка дегтя

Несмотря на свои превосходные качества, металл тантал нельзя назвать безобидным. Он инертен и в чистом виде нетоксичен, но его пыль, некоторые сплавы и соединения с неметаллами способны вызывать тяжелые патологии зрения, органов дыхания и кожи.

Тантал подвержен возгоранию, взрывоопасен, поэтому работа с ним может привести к травмам. Его получение считается вредным производством, потому что требует использования опасных химикатов.

Тантал как металлолом

Сдать тантал в металлолом не просто. Во-первых, малое количество приемных пунктов, которые могли бы его принять. Кроме этого, существует серьезный ограничительный фактор: перед сдачей соответствующие органы должны определить происхождение лома и законность сделки. Особенно это касается слитков, прутков, листов, проволоки и готовых изделий.

Цена тантала в виде лома в среднем $400-500 за 1 кг.

Сколько стоит

Тантал не продается – торгуют только танталовым минеральным сырьем. Цена колеблется в зависимости от спроса. Наибольшая цена на танталит была зафиксирована в 2010 году – около 270 $/кг. 1 кг очищенного порошка ТаП МВ-5Б продается по цене 25 000 руб.

Тантал продолжает быть востребованным металлом, хотя спрос на него уменьшился. Одна из причин – возросшая популярность ниобия, обладающего похожими свойствами.

Металл тантал: открытие, применение, будущее

Тантал металл — серый, тяжелый и очень твердый металл с температурой плавления более 3000 С и назван в честь дочери Тантала. Он классифицируется как «тугоплавкий», поэтому может выдерживать высокие температуры и противостоять коррозии. Он хороший проводник тепла и электричества, что делает его полезным в современной электронике. Чистый тантал можно втянуть в тонкую проволочную нить, которая используется для испарения других металлов. Он почти невосприимчив к химическим воздействиям при температуре ниже 150 C. Пленки оксида тантала очень стабильны и имеют хорошие выпрямляющие и диэлектрические свойства. Превалирующий спрос на тантал связан с его промышленным применением в производстве танталовых конденсаторов, жизненно важного компонента для смартфона.

Тантал: конденсаторный порошок

Общие сведения и история

Тантал металл (Та) был обнаружен Андерсом Г. Экебергом в 1802 году в Уппсале (Швеция), в минералах танталите из Финляндии и иттротанталите из Швеции. К несчастью для Экеберга, в 1809 году известный английский химик Виллиан Волластон утверждал, что не было никакого открытия нового элемента.

Волластон считал, что новым элементом Экеберга был ниобий, который также был обнаружен в 1802 году. Научное сообщество в то время пришло к выводу, что Волластон был прав. На самом деле тантал и ниобий трудно отделить друг от друга, что привело к ошибке Волластона.

В 1846 году немецкий минералог Генрих Роуз окончательно доказал, что тантал и ниобий (дочь Тантала) являются разными элементами. В 1903 году Вернер фон Болтон впервые рафинировал металл Та. Экеберг назвал металл в честь дочки Тантала. Сегодня Та в основном получают из минералов: колумбит ((Fe, Mn, Mg) (Nb, Ta) 2 O 6), танталит ((Fe, Mn) (Ta, Nb) 2 O 6) и эвксенит ((Y, Ca, Er, La, Ce, U, Th) (Nb, Ta, Ti) 2 O 6).

Андерс Густав Экеберг – первооткрыватель тантала

Характеристика и свойства металла

Та представляет собой тяжелый сине-серый металлический элемент с температурой плавления 3 017 С. Он обладает отличной коррозионной стойкостью, хорошей пластичностью и устойчив к большинству кислот. В электронике он составляет основу высокопроизводительных конденсаторов, в химическом производстве, где при легировании железом обеспечивает превосходную коррозионную стойкость металлам, используемых в агрессивных средах, таких как нефте- и газопроводы. Свойства тантала в алюминиевых сплавах предотвращают окисление, позволяя безопасно использовать более легкие компоненты. Благодаря высокой температуре плавления его применяют для цементирования карбида вольфрама в станках и в сплавах для лопастей турбины реактивного двигателя.

Атомный номер: 73;
атомный вес: 180,94788;
температура плавления: 3290 К (3017 C или 5463 F);
точка кипения: 5731 К (5458 С или 9856 F);
плотность: 16,4 грамм /см3;
фаза при комнатной температуре: твердый;
классификация элементов: металл;
номер периода: 6;
номер группы: 5;
название группы: нет.

Месторождения и добыча тантала

Та встречается в природе в минерале колумбит-танталит, который встречается в танталовых месторождениях в Австралии, Бразилии, Мозамбике, Таиланде, Португалии, Нигерии, Заире и Канаде. Для отделения Та от ниобия требуется либо электролиз, либо восстановление фтортанталата калия натрием, либо взаимодействие карбида с оксидом.

За последние 15 лет источник добычи Та изменился. Это связано с тем, что он находился в основном в Австралии, но добычу ведут преимущественно в Руанде и ДР Конго, что вызывает обеспокоенность по поводу его статуса в качестве конфликтного минерала в охваченных войной странах. Закон Додда-Франка означает, что компании должны отслеживать источник этих полезных ископаемых и использовать только аккредитованные ресурсы. Полезные ископаемые, используемые для финансирования вооруженных повстанцев и насилия, встречаются во всем мире. К ним относятся олово, вольфрам и тантал, присутствующих во многих остро популярных товарах, например, как смартфоны и ноутбуки.

Тантал обнаружен в залежах твердых пород, таких как граниты, карбониты и пегматиты — магматическая порода, состоящая из крупного гранита. Он не относится к широко распространённым металлам на планете, а добыча его сложна. Та происходит от переработки и рафинирования танталита — это общее название для любой его содержащей минеральной руды.

Большинство танталовых рудников находятся в открытых карьерах, некоторые находятся под землей. Процесс добычи Та включает взрыв, дробление и транспортировку полученной руды. Затем руда концентрируется на или вблизи площадки шахты, чтобы увеличить процентное содержание по весу оксида тантала и ниобия. Материал концентрируется с помощью методов мокрой гравитации, электростатики и электромагнетизма.

Танталовый концентрат транспортируется в процессор для химической обработки. Затем его обрабатывают смесью плавиковой и серной кислот при высоких температурах. Это приводит к тому, что Та и ниобий растворяются в виде фторидов. Концентрат переводят в жидкий раствор. Суспензия фильтруется и далее обрабатывается экстракцией растворителем.

Использование метилизобутилкетона (MIBK) или жидкого ионного обмена с применением аминного экстрагента в керосинах дает высокоочищенные растворы тантала и ниобия. Наконец, оксид тантала восстанавливается расплавленным натрием с образованием металлического Та.

Область применения тантала

В последнее время тантал вызвал большой интерес из-за его использования в конденсаторах в электронном оборудовании. Преимущество его в высокой объемной эффективности, которая обеспечивает миниатюризацию, высокую надежность и стабильность в широком диапазоне температур от -55 С до 125 С.

Тантал используется в различных сплавах для придания высокой прочности, пластичности и температуры плавления. При втягивании в тонкую проволоку она может использоваться в качестве нити для испарения металлов, таких как алюминий. Элемент также используется для изготовления химического технологического оборудования, ядерных реакторов, авиационных и ракетных деталей.

Оксид тантала используется для изготовления специального стекла с высоким показателем преломления для таких предметов, как, например, объективы камер. Та используется для изготовления электролитических проводников, авиационных двигателей, деталей вакуумных печей, ядерных реакторов и деталей ракет. Та не подвержен воздействию жидкостей организма и не вызывает раздражения, что делает его полезным для хирургических приборов.

Распространено его применение в производстве сотовых телефонов, персональных компьютеров, микросхем зажигания в автомобильных подушках безопасности, режущих инструментов, сверл, зубьев для экскаваторов, пуль и теплозащитных экранов. Поскольку металл является электрическим проводником, он полезен во многих электронных приборах, таких как микропроцессоры для плазменных телевизоров.

Танталовый пруток

Цена за грамм

Танталом не торгует ни одна товарная биржа. На самом деле, он не покупается и не продается в чистом виде, а только в виде танталитных руд, из которых затем можно извлечь металл. Цена определяется путем прямых переговоров между продавцом и покупателем, по многим оценкам, отправная точка сделок по прайсам в Москве составляет 150-170 дол. за кг.

В 2010 году сообщалось, что Бразилия и другие страны Южной Америки производят около 40% мирового годового предложения, Австралия занимает второе место с 21%, а на Центральную Африку приходится менее 10%.

Ученые считают, что в резерве Та осталось не более чем на 50 лет из учета достигнутого уровня современного потребления, и требуют выполнения мировой программы утилизации Та.

Цена на танталит очень сильно зависит от спроса. Цена на танталитовую руду выросла с примерно 75 дол. за кг в 2010 году до более чем 270 дол. за кг в 2011 и 2012 годах, но с тех пор цена снизилась и больше на рынке применяется договорная цена.

ТАНТАЛ — твёрдый, редкий и дорогой

История мифологического Тантала похожа на историю открытия героя нашей статьи.

История

Тантал — металл не только редкий, но и трудноуловимый. Шведский химик Экеберг, исследуя образец руды, открыл новый элемент и назвал его танталом. Окисел металла был очень устойчивым, он словно не мог «напиться» кислотой — так же, как его тезка не мог напиться, стоя по горло в воде.

Однако оказалось, что это была смесь нового элемента с ниобием.

Чистый элемент удалось выделить только через 40 лет.

Свойства

Тантал (Tantalum, обозначается в формулах Ta) относится к тяжелым металлам.

Удивительно: при высоких плотности и твердости металл пластичен, как золото. Из него можно вытянуть тонкую проволоку и получить листы, сопоставимые с фольгой по толщине.

Характеристики:

Цвет «свежего» металла голубовато-серебристый; на воздухе быстро покрывается окисной пленкой пентаоксида тантала.
Высокая тугоплавкость (3017 °С); более высокая температура плавления только у вольфрама и рения.
Парамагнитен.
Высокая пластичность сохраняется до -198°С.
Структура кристаллической решетки объемноцентрированная, кубическая.

Химические свойства:

Устойчив к воздействию сильных кислот (серной, азотной, соляной). Упрямый металл «игнорирует» даже «царскую водку».
Менее устойчив к воздействию щелочей.
Защитная пленка Ta2O5 (это единственный стабильный окисел) препятствует коррозии.
Тантал уступает воздействию концентрированной H2SO4, фтору и его соединениям.

Наш герой — отличный газопоглотитель.

Сплавы

В основном покупают чистый тантал, но есть в продаже и сплавы.

В их состав входят гафний, ниобий, вольфрам, молибден. Такие сплавы по структуре аналогичны ниобиевым однофазным сплавам.

Больше всего в промышленности востребован сплав с вольфрамом (ТВ-5, ТВ-10, ТВ-15).

Сплавы из карбидов тантала (химическая формула Ta4HfC5) и вольфрама незаменимы для бурения самых твердых пород.

Плюсы и минусы

Достоинства	Недостатки
Исключительно стойкий к коррозии в химически агрессивных средах	Редкоземельный металл (для получения тонны танталового концентрата нужно «перелопатить» до 3000 тонн минералов).

Минералы, производство

Наш элемент — металл редкий, в природе встречается в виде танталовой руды (общая формула (Fe,Mn) [(Nb,Ta)O3]2.

Предварительный этап для любого способа — получение концентратов из руды.

Есть несколько способов получения чистого продукта:

Карботермический метод.
Na-термическое восстановление из фторидов.
Al-термический метод.
Методом электролиза.

Познавательно: тантал и ниобий — всегда рядом, во всех минералах и рудах; их трудно отличить. Сложность производства в разъединении этих металлов.

порошок;
проволока;
прутки;
фольга;
листы.

Применение

Востребованной продукцией из метала и его сплавов являются:

Теплообменники для атомной промышленности.
Лабораторная посуда (тигли) для химической промышленности.
ВПК — облицовка для кумулятивных снарядов.
Ювелирная промышленность использует оксидные танталовые пленки на своих изделиях.
Изотоп Та182 применяют в работе ядерные физики.

Сплавы находят применение в радиоэлектронике, электровакуумной промышленности для изготовления сухих электролитических конденсаторов, в нагревателях вакуумных печей. Востребованы в химическом аппаратостроении.

Тантал — идеальный материал для медицины. Танталовыми нитями сшивают разрывы тканей в организме, они применяются в кардио-, остео-, нейрохирургии. Металл незаменим в протезировании зубов, изготовлении костных имплантов, хирургических инструментов.

Познавательно: первой «работой» металла было освещение помещений в качестве нити накаливания в лампочке.

Стоимость

Цена высока — 1 килограмм танталового порошка (ТаП МВ-5Б) чистотой 99, 9% стоит 25000 рублей.

Мне 42 года и я специалист в области минералогии. Здесь на сайте я делюсь информацией про камни и их свойства — задавайте вопросы и пишите комментарии!

Тантал

Тантал – особый вид металла, который относиться к группе благородных. Был открыт в далеком 1802 году, но считается молодым элементом. Несмотря на свою редкость, он широко используется не только в ювелирном деле, но и в промышленности. Особенно часто встречается в электронике — практически каждое устройство содержит его в составе.

Массовое использование этого металла началось в 40-х годах прошлого века и продолжается до сих пор. Свою популярность он обрел благодаря повышенным прочностным свойствам. При этом он имеет множество уникальных физических и химических свойств.

Физические и химические свойства

Среди физических свойств этого металла следует выделить высокую температуру плавления, которая составляет 3017 градусов Цельсия, что выделяет его среди многих аналогов. Благодаря этому его используют в тех сферах, где необходима повышенная устойчивость к экстремальным условиям. При этом к характеристикам тантала стоит отнести пластичность и твердость, сочетание которых довольно редко встречается в природе.

Температура плавления тантала 3017 °C.

Вышеупомянутые свойства тантала позволяют обрабатывать металл без особых усилий, создавать необходимые формы и размеры. Особое строение атома очень важно для создания деталей и механизмов конструкций повышенной ответственности. Тантал хорошо поддается ковке и прокату. При этом можно также успешно использовать метод холодной деформации. Следует выделить высокую теплопроводность.

Благодаря высокой плотности металл можно использовать для производства мелких шестеренок, деталей электроприборов, которые устойчивы к износу и не подвергаются разрушению после длительного периода использования.

В некоторых случаях его используют как поглотитель газа. Следует выделить электронную конфигурацию: металл имеет различные свойства электропроводности в обычном состоянии и при высоких температурах.

Соединение танталовых деталей можно проводить с помощью пайки, сварки или клепочным методом. Наиболее часто используют метод сваривания, так как качество сварного шва отличается высокой прочностью и стойкостью к физическому напряжению.

Внешний вид тантала

Среди химических свойств стоит выделить высокую устойчивость к окислению и воздействию щелочи. Однако, при расплавлении он частично подвержен воздействию щелочи. Окисление невозможно при температуре менее 250 градусов.

Химическими свойствами этот металл очень похож на стекло. Его практически невозможно растворить в кислоте, если не использовать плавиковую и азотную. Даже воздействие серной кислоты не влияет на структуру и форму металла. Возможно лишь появление небольшой пленки на поверхности. Также он не подвержен разрушению при длительном воздействии морской водой.

Нахождение в природе и производство тантала

Тантал, как химический элемент, очень редко встречается в природе, составляет всего 0,0002% от земной коры. Очень редко встречается в чистом виде, чаще всего в составе различных минералов, в соседстве с другим металлом – ниобием.

Месторождения этого элемента встречаются в многих странах. Большие месторождения встречаются во Франции, Египте, Китае и Таиланде. Но наибольшие залежи этого элемента находятся в Австралии. Тантал добывается в размерах более чем 400 тонн ежегодно. При этом потребность в его использовании постоянно растет, что связано с увеличением объема производимой электротехники с использованием данного метала. Исходя из этого, наблюдается постоянная разработка новых месторождений.

В нашей стране производство тантала сосредоточено на Соликамском магниевом заводе. Металл получают после переработки лопаритовых концентратов. В других странах используют также другие минералы, такие как рутил, стрюверит, танталит и колумбит.

Крупнейшими производителями этого металла в мире являются США, Япония и Китай. Количество мировых производителей не превышает 40 фирм. Стоимость — от 1000 долларов за кг.

Сплавы на основе тантала

Благодаря особым физическим свойствам данный металл в чистом виде очень часто используется в промышленности. Однако для повышения прочности и устойчивость к высоким температурам могут использоваться сплавы на его основе, добавляться соответствующие легирующие компоненты.

Сплавы тантала могут сохранять твердое состояние при температуре около 1700 градусов. Это необходимо при использовании соединений тантала в энергетической сфере, химической промышленности, производстве приборов повышенной точности и металлургии. Очень часто различные сплавы используются при строении космических ракет.

Тип используемых легирующих компонентов зависит от требуемых конечных свойств. Для повышения качества работ используют элементы, придающие сплаву улучшенные свойства пластичности.

Следует отметить, что очень часто тантал в сплавах используется не как основа, а как легирующий компонент. Его добавление к различным материалам позволяет добиться повышенной устойчивости к высоким температурам и коррозии.

Схема танталового конденсатора Конденсаторы с танталом

Тантал ТАВ-10 – широко используемый сплав на основе этого металла. Его производят с добавлением вольфрама, количество которого в составе около 10%. Благодаря этому получается материал с улучшенными показателями жаропрочности. Его применяют для производства нагревательных элементов и в медицинских целях, так как его компоненты не раздражают кожный покров человека.

Применение тантала

Применение тантала не ограничивается одной сферой. Следует выделить сферы, в которых наиболее широко используются изделия из тантала:

Металлургия. Практически половина этого металла используется в металлургической промышленности. Это связано с тем, что его легко использовать для создания различных сплавов, особенно антикоррозийных марок стали, устойчивых к высоким температурам. Проволоку из тантала используют в различных сферах, где требуется повышенная прочность и жаростойкость. Также широко используется карбид тантала при производстве тиглей для тугоплавких металлов.
Электротехника. Около 25% применяет при производстве электротехники и электроприборов. Конденсаторы с использованием этого элемента отличаются повышенной стабильностью функционирования. Причем в случае разрушения поверхности конденсатора, образуется пленка из оксида тантала, которая защищает его. Также следует выделить такие элементы, как аноды, катоды, лампы и другие металлические детали, которые также производятся на его основе.
Химическая промышленность. Пятая часть производимого объема применяется в химической отрасли. Это связано с тем, что он устойчив к воздействию большинства кислот, солей и щелочей.
Медицина. Тантал в медицине применяется в таких отраслях, как костная и пластическая хирургия. Элементами из этого материала скрепляют кости для достижения повышенной прочности без раздражения органической ткани.
Военная сфера. В военной сфере производят мишени из тантала и оболочку кумулятивных снарядов.
Приборостроение. Этот метал применяется для производства точных приборов, контрольного оборудования и различных диафрагм, а также вакуумных приборов, так как он отличается свойством поглощения газов.
Ядерная энергетика. В этой сфере металл выступает в качестве теплообменника.

Следует отметить, что сфера применения тантала ограничивается лишь малым объемом его добычи. Если объем добычи вырастет, область применения значительно расширится.

Тантал: факты и фактики

Кто нашел тантал? Это сделал швед Андерс Густав Экеберг, который после окончания в 1748 году Упсальского университета заинтересовался минералогией и открытием элементов. Например, он внес свой вклад в идентификацию бериллия в изумруде и берилле, подтвердил открытие гадолиния в черном минерале из карьера вблизи шведского Иттербю. В другом же минерале из Иттербю (сейчас его называют иттротанталит) исследователь и обнаружил новый элемент, который не удалось растворить ни в какой кислоте. Подивившись такой стойкости, Экеберг — а он с детства увлекался рассказами про древнегреческих героев — в 1802 году назвал новый элемент в честь сына Зевса Тантала, обреченного вечно претерпевать невыносимые страдания от жажды и голода.

Открытие Экеберга попытался закрыть англичанин Уильям Волластон: в 1806 году он утверждал, что нет разницы между танталом и ранее открытым колумбием. И это неудивительно, ведь различие между этими элементами ничтожно. Только в 1844 году немец Генрих Розе сумел распознать, что колумбий проявляет две степени окисления — +3 и +5, а вот тантал — только последнюю. Розе и переназвал колумбий ниобием в честь дочери Тантала — Ниобы, чем обеспечил изрядную путаницу: ИЮПАК только в 1943 году принял название Розе, американцы же до сих пор именуют спутника тантала колумбием. Надежно разделить эти два элемента, которые обязательно вместе присутствуют в минералах, сумел в 1866 году швейцарец Жан Маринья. Он использовал ничтожное химическое различие и заставил ниобий сформировать соль K₂NbOF₇, а тантал — K₂TaF₇. Растворимость первой гораздо выше, чем второй, отчего стало возможным разделение этих элементов. Как бы то ни было, отцом тантала считают Экеберга и танталовой медалью с его профилем награждают за успехи в изучении этого элемента.

Откуда берется тантал? Из минералов, которые могут быть двух типов. Во-первых, те, что содержат тантал и ниобий. Если первого больше — это танталит, если второго — колумбит. Во-вторых, там может быть еще и титан; примером служит добываемый в Кольской области лопарит. Для производства тантала идет минерал с содержанием этого элемента в 20–30%. Когда там есть ниобий (а он обязательно есть), то его в расчет цены не принимают. Аналогично за колумбит, содержащий более 50% ниобия, платят только в соответствии с его содержанием, тантал же в цену не включают. Если переработчикам удается извлечь такой, сопутствующий, элемент, он им достается в качестве подарка. Однако у тантала есть еще спутники, крайне неприятные, — уран и торий. Из-за присущей им радиоактивности перевозить танталовый и ниобиевый концентраты приходится с повышенными мерами предосторожности. Главный источник тантала — Бразилия, где расположена крупнейшая шахта по добыче танталита — Мибра. Из нее ежегодно извлекают 220 тонн пентоксида тантала, или 15% современной мировой добычи. А совсем недавно ее доля была лишь 5–10% — кризис 2008 года сильно ударил по танталовой промышленности, и были закрыты шахты в Австралии, Канаде, Мозамбике. А в 2012 году из-за проблем с транспортировкой прекратила работать шахта и в Эфиопии: порты находятся в Сомали, а там гражданская война и пираты. Поэтому сейчас из крупных шахт остались еще Питинга в той же Бразилии, Ичунь в КНР и российская Ловозеро.

Как обстоит дело с производством тантала в РФ? На Соликамском магниевом комбинате из лопаритового концентрата, добытого на шахте в Ловозере, получают практически весь отечественный тантал — 50 тонн в год в виде пентоксида тантала, который идет на производство электрических конденсаторов и твердых сплавов. До 1992 года советское производство тантала было сосредоточено на Ульбинском металлургическом заводе в Усть-Каменогорске, и в 1992 году он выдал 200 тонн металла в виде разного вида проката, однако впоследствии предприятие стало испытывать существенные трудности. Был еще завод в эстонском Силламяэ, но он отказался от лопарита из-за радиоактивности и сейчас выпускает 60 тонн тантала из бразильского и африканского сырья. О непростой судьбе отечественного танталового производства можно составить представление, проследив за историей Ловозерского горно-обогатительного комбината, которая изложена на сайте этого предприятия. Вот как она выглядит в кратком виде. Разрабатываемое им месторождение находится в заполярной тундре между Ловозером и Умбозером в Мурманской области. Геологи нашли его в середине 30-х, а в 1940 году заработала небольшая фабрика на северном склоне горы Аллуайв — фабрику и назвали по имени горы. В апреле 1941 года было принято решение о создании крупного металлургического комбината, для чего на строительство направили 17 тысяч заключенных — военнослужащих, побывавших в плену в ходе Финской кампании. Но вскоре началась война, строителей забрали на фронт, а неподалеку, в районе Сейдозера, организовали базу партизанского отряда. Только в 1947 году стройку Аллуайвского комбината возобновили, и в 1951 году он выдал первый лопаритовый концентрат. Производство быстро развивалось, были освоены два рудника — Карнасурт и Умбозерский, на западном склоне горы; построен поселок Ревда со школами, в том числе музыкальной, детскими садами и больницей. В 1957 запущен цех щелочных металлов, который выпускал особо чистые металлы, однако основную прибыль приносило выращивание монокристаллов из их соединений. Были открыты уникальные минералогические объекты — пегматитовые жилы, одна из которых получила характерное название — Шкатулка. Дело в том, что пегматит — это вулканическая лава, которая застывала в последнюю очередь; сформировавший ее расплав обогащен тугоплавкими элементами, и они порождают драгоценные камни и другие интересные минералы. Минералы, сложенные в Шкатулке, были уникальны; она известна геологам всего мира и представляет собой геологический памятник.

Но вот пришел 1991 год. С распадом СССР были разрушены производственные цепочки и комбинат остался без потребителей. Предприятие стало работать вполсилы, многие производства были закрыты. Цех щелочных металлов перешел на выпуск сувениров. К 1998 году кризис дошел до того, что работники комбината стали получать гуманитарную помощь из-за рубежа. Бедственное положение привело к массовым акциям протеста, и они дали некоторый успех: в результате переговоров правительственным чиновникам удалось наладить поставку лопаритового концентрата на Соликамский магниевый завод. Для выполнения контракта стали реанимировать один из рудников — Карнасурт. Вот как об этом вспоминает начальник обогатительной фабрики «Умбозеро» И. Б. Конюхов: «У нас кампания по запуску карнасуртской фабрики в шутку называлась „факельным шествием“. Мороз, костры в цехе, а люди с факелами ходят, чтобы замерзшие трубы отогреть. Фабрика уже, по сути, два лета подряд не крутилась, неизвестно было, где какой металл „устал“, как поведет себя под нагрузкой. В кратчайшие сроки специалисты привели хозяйство в норму». Однако с возобновлением производства бедствия не закончились. Так, в сентябре 2009 года через устье ствола шахты рудника Умбозеро хлынула вода — за месяц до этого из-за банкротства рудника на нем отключили электричество и, соответственно, насосы. Шахтные воды заполнили нижние горизонты и выходили на поверхность через транспортные ходы. Так была затоплена знаменитая Шкатулка. Тем не менее в 2008 году производство вышло на стабильный уровень в 9 тысяч тонн ежегодно, что весьма примечательно, если вспомнить печальную судьбу шахт Австралии, Канады, Мозамбика, закрытых как раз после 2008 года.

Теплообменник с танталовыми трубами

Где еще добывают тантал? Есть два важных источника. Первый — мелкие шахты, копанки, — кустарные разработки, которыми занимаются жители Демократической Республики Конго. Считается, что объем такого, добытого вручную из речных наносов, танталита, значительный, однако точных подсчетов сделать невозможно. Такой способ добычи, конечно, опасен для здоровья людей, ведь танталит радиоактивен. Но это не главная беда. Проблема в том, что доход от продажи танталита долгое время шел на финансирование деятельности военных Руанды, которые во время многолетнего конфликта поддерживали повстанцев из племени тутси в их борьбе с конголезским правительством. Этот конфликт унес с 1998 года почти 6 млн жизней людей. Побочной жертвой конфликта оказались гориллы — залежи танталита распложены как раз в местах их обитания. Национальные парки, созданные для защиты горилл, были разграблены, а самих животных работники рудников время от времени отстреливают и употребляют в пищу. Мировое сообщество пытается бороться с конголезским копанками, однако не очень успешно — видимо, у такого тантала очень привлекательная цена.

Второй важный источник: вторсырье. После кризиса 2008 года его доля заметно выросла и составляет сейчас 30% от общего объем производства. Получают тантал и при переработке шлака, образующегося от выплавки олова, а плавят его в Бразилии, Малайзии и Таиланде: такой шлак дает до 20% металлического тантала.

Как выделяют тантал из руды? Сложным химическим процессом. Концентрат можно обработать кислотами — серной и плавиковой, получить раствор, где будет множество элементов — от урана и тория до тантала и ниобия; затем в несколько стадий раствор разделяют. А можно превратить тантал-ниобий-титан в газ за счет реакции с хлором и уже затем эти газы как разделять между собой, так и очищать от опасных примесей вроде того же тория. На выходе получается порошок металла, который либо сразу используют, либо сначала чистят, а потом пускают в дело.

Где применяют тантал? У него есть три большие области использования. Прежде всего, это электроника. Из тантала делают прекрасные электрические конденсаторы, при этом обкладками служит металлический тантал, а разделяющим их диэлектриком — его оксид. Миниатюрные — толщина слоя оксида исчисляется нанометрами, выдерживающие высокие вибрации, работающие при температуре от −55 до 200°C, они есть везде. Это слуховые аппараты, системы активации подушек безопасности автомобиля и прочая автоэлектроника, приемники GPS, ноутбуки, смартфоны, видеокамеры, телевизоры — список далеко не полон. Оксид титана входит в состав стекол для оптики — от видеокамер до тех же телефонов: у такого стекла высокие показатели преломления, что позволяет уменьшать толщину линз. Вторая важная область — химически стойкое оборудование. Из тантала делают трубопроводы, теплообменники, сосуды для химической промышленности — по своей стойкости он соперничает со стеклом, многократно превосходя его по механическим свойствам. Тантал же незаменимый компонент жаростойких никелевых сверхсплавов для турбин электростанций и реактивных двигателей, его содержание в них может достигать 10%. Еще тантал вместе с вольфрамом входит в состав быстрорежущих сплавов и других твердых материалов. А третья важная область — это медицина, а именно изготовление имплантов. Медиков в тантале привлекают два обстоятельства: его высочайшая коррозионная стойкость и способность ускорять развитие клеток, оказавшихся на его поверхности. Есть у тантала и отрицательная черта: он слишком жесткий. Поэтому целиком из него импланты для лечения как зубов, так и суставов конечностей не делают, а наносят пористое покрытие из спеченного танталового порошка. В таком качестве этот металл оказывается серьезным конкурентом титану — танталовый имплант вызывает меньше осложнений.

Коленная чашечка, спеченная из танталового порошка на 3D-принтере

Чем вызвано благотворное влияние тантала на живые клетки? Этот вопрос пока остается без ответа. Вот один из экспериментов, в котором прямо была поставлена задача найти ответ. В принципе способность материала ускорять развитие помещенных на него клеток может зависеть от нескольких факторов, прежде всего от физико-химических свойств и от морфологии поверхности. Покрытия из обоих конкурентов — пористого тантала и пористого титана — очевидно, имеют разный рельеф поверхности. Чтобы убрать этот фактор из рассмотрения, исследователи из шанхайского Шестого народного госпиталя в 2018 году специально сделали образцы из отполированных до зеркального блеска титана и тантала. Такой чистый эксперимент показал: действительно, ускорять рост клеток — черта, присущая танталу как химическому элементу; по динамике развития живой ткани он опередил металл-конкурент на треть. Видимо, продолжая расследование, уже в 2019 году исследователи из того же госпиталя установили, что танталовое покрытие на титане обладает прекрасными антибактериальными свойствами, но только после вживления в организм: при исследовании в чашке Петри микробы чувствовали себя на нем вполне комфортно. Наблюдение показало, что покрытие активизирует систему врожденного иммунитета: усиливает способность нейтрофилов поглощать бактерии и увеличивает производство сигнальных молекул другими участниками иммунного ответа — макрофилами. Загадка же состоит в том, что тантал — коррозионностоек. И, более того, покрыт пленкой прочнейшего оксида. То есть никакое проникновение ионов или атомов тантала в живые клетки совершенно невозможно. И где же тот действующий фактор, который ускоряет развитие костной ткани на танталовом импланте? Единственное, что приходит в голову, — электрическая активность: танталовая подложка как-то по-своему сказывается на собственных электрических полях живой клетки, вызывая наблюдаемые последствия. Может быть, когда-нибудь медикам удастся проверить эту гипотезу.

Танталовые пластины и шурупы для ремонта черепа

Ожидает ли нас в будущем дефицит тантала? Скорее всего, нет: эксперты оценивают рост его потребления как умеренный. Более того, борьба с углекислым газом ведет к сокращению сжигания ископаемого топлива и, соответственно, к сокращению потребности в жаропрочных материалах, а это важная область использования тантала. Производство машин требует большого числа самых разных металлов, однако в будущем для защиты климата автомобили должны перейти с бензина на электропитание. А как показывает практика, время жизни электромобиля в полтора-два раза больше, чем у собрата с двигателем внутреннего сгорания. То есть потребность в новых автомобилях растет с меньшей скоростью, чем численность населения, и это накладывает ограничения на рост потребности в тантале. В результате если сейчас мир потребляет 1,2 тысяч т тантала в год, то в 2050-м ему потребуется 2,2–8,2 тысяч т, если борьба за климат останется на бумаге, и 2,3–6,3 тысяч т если все-таки удастся выполнить цели Парижского соглашения и удержать к этому времени потепление в пределах двух градусов. Так ли уж этот рост умерен? Сравним с неодимом, без которого в альтернативной энергетике не обойтись, — из сплава NdFeB делают постоянные магниты для электрогенераторов. Сейчас используют 23 тыс. тонн этого металла, а в 2050-м при относительно успешной борьбе с потеплением прогноз дает 78–450 тысяч тонн.

Читайте также: