Тантал металл в таблице менделеева

Обновлено: 04.10.2024

Тантал (хим. элемент) Тантал (латинское 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 181Та (99,99%) и радиоактивного 180Та (0,012%; Т 1/2 = 10 12 лет). Из искусственно полученных радиоактивный 182Та ( Т 1/2 = 115,1 сут ) используют как радиоактивный индикатор.

Элемент открыт в 1802 шведским химиком А. Г. Экебергом; назван по имени героя древнегреческой мифологии Тантала (из-за трудностей получения Т. в чистом виде). Пластичный металлический Т. впервые получил в 1903 немецкий химик В. Больтон.

Распространение в природе. Среднее содержание Т. 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 верхней мантии Т. мало (в ультраосновных породах 1,8×10 -6 %) . В большинстве магматических пород и биосфере Т. рассеян; его содержание в гидросфере и организмах не установлено. Известно 17 собственных минералов Т. и более 60 танталсодержащих минералов; все они образовались в связи с магматической деятельностью (танталит, колумбит, лопарит, пирохлор и др.). В минералах Т. находится совместно с ниобием вследствие сходства их физических и химических свойств (см. Танталовые руды и Ниобиевые руды ) . Руды Т. известны в пегматитах гранитных и щелочных пород, карбонатитах , в гидротермальных жилах, а также в россыпях, которые имеют наибольшее практическое значение.

Физические и химические свойства. Т. имеет кубическую объёмно-центрированную решётку ( а = 3,296 ); атомный радиус 1,46 , ионные радиусы Та 2+ 0,88 А, Та 5+ 0,66 А; плотность 16,6 г/см 3 при 20 °С; t пл 2996 °С; t кип 5300 °С; удельная теплоёмкость при 0—100 °С 0,142 кдж/ ( кг× К) [0,034 кал/ ( г × °С)]; теплопроводность при 20—100 °С 54,47 вт/ ( м×К ) [0,13 кал/ ( см × сек ×°С)]. 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. Т. парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 0,849×10 -6 (18 °С). Чистый Т. — пластичный металл, обрабатывается давлением на холоду без значительного наклёпа. Его можно деформировать со степенью обжатия 99% без промежуточного отжига. Переход Т. из пластичного в хрупкое состояние при охлаждении до -196 °С не обнаружен. Модуль упругости Т. 190 Гн/м 2 (190×10 2 кгс/мм 2 ) при 25 °С. Предел прочности при растяжении отожжённого Т. 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). Твёрдость по Бринеллю чистого рекристаллизованного Т. 500 Мн/м 2 (50 кгс/мм 2 ) . Свойства Т. в большой степени зависят от его чистоты; примеси водорода, азота, кислорода и углерода делают металл хрупким.

Конфигурация внешних электронов атома Та 5d 3 6s 2 . Наиболее характерная степень окисления Т. + 5; известны соединения с низшей степенью окисления (например, TaCl 4 , ТaCl з , TaCl 2 ), однако их образование для Т. менее характерно, чем для ниобия.

В химическом отношении Т. при обычных условиях малоактивен (сходен с ниобием). На воздухе чистый компактный Т. устойчив; окисляться начинает при 280 °С. Имеет лишь один стабильный окисел — пятиокись Ta 2 O 5 , которая существует в двух модификациях: a-форме белого цвета ниже 1320 °С и b-форме серого цвета выше 1320 °С; имеет кислотный характер. С водородом при температуре около 250 °С Т. образует твёрдый раствор, содержащий до 20 атомных % водорода при 20 °С; при этом Т. 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 твёрдый раствор и нитриды Ta 2 N и TaN; в глубоком вакууме выше 2200 °С поглощённый азот вновь выделяется из металла. В системе Та — С при температуре до 2800 °С установлено существование трёх фаз: твёрдого раствора углерода в Т., низшего карбида Т 2 С и высшего карбида TaC. Т. реагирует с галогенами при температуре выше 250 °С (с фтором при комнатной температуре), образуя галогениды преимущественно типа TaX 5 (где Х = F, Cl, Вг, I), При нагревании Та взаимодействует с С, В, Si, Р, Se, Те, водой, CO, CO 2 , NO, HCI, H 2 S.

Чистый Т. исключительно устойчив к действию многих жидких металлов: Na, К и их сплавов, Li, Pb и др., а также сплавов U — Mg и Pu — Mg. Т. характеризуется чрезвычайно высокой коррозионной устойчивостью к действию большинства неорганических и органических кислот: азотной, соляной, серной, хлорной и др., царской водки, а также многих др. агрессивных сред. Действуют на Т. фтор, фтористый водород, плавиковая кислота и её смесь с азотной кислотой, растворы и расплавы щелочей. Известны соли танталовых кислот — танталаты общей формулы x Me 2 O× у Та 2 О 5 ×Н 2 О: метатанталаты MeTaO 3 , ортотанталаты Me 3 TaO 4 , соли типа Me 5 TaO 5 , где Me — щелочной металл; в присутствии перекиси водорода образуются также пертанталаты. Наиболее важны танталаты щелочных металлов — KTaO 3 и NaTaO 3 ; эти соли — сегнетоэлектрики.

Получение. Руды, содержащие Т., редки, комплексны, бедны Т.; перерабатывают руды, содержащие до сотых долей процента (Та, Nb) 2 O 5 , и шлаки восстановительной плавки оловянных концентратов. Основным сырьём для производства Т., 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 плавиково-кислых растворов, или ректификацией хлоридов.

Для производства металлического Т. применяют восстановление его из Ta 2 O 5 сажей в одну или в две стадии (с предварительным получением TaC из смеси Ta 2 O 5 с сажей в атмосфере CO или H 2 при 1800—2000 °С); электрохимическое восстановление из расплавов, содержащих K 2 TaF 7 и Ta 2 O 3 , и восстановление натрием K 2 TaF 7 при нагревании. Возможны также процессы термической диссоциации хлорида или восстановление из него Т. водородом. Компактный металл производят либо вакуумной дуговой, электроннолучевой или плазменной плавкой, либо методами порошковой металлургии. Слитки или спечённые из порошков штабики обрабатывают давлением; монокристаллы особо чистого Т. получают бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.

Применение. Т. 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 плёнку (Ta 2 O 3 ) с особыми диэлектрическими характеристиками и «уживаться» с живой тканью организма. Благодаря этим свойствам Т. находит применение в электронике, химическом машиностроении, ядерной энергетике, в металлургии (производство жаропрочных сплавов, нержавеющих сталей), в медицине; в виде TaC его применяют в производстве твёрдых сплавов. Из чистого Т. изготовляют электрические конденсаторы для полупроводниковых приборов, детали электронных ламп, коррозионноустойчивую аппаратуру для химической 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 Т. применяют для скрепления костей, нервов, наложения швов и др. Применение находят танталовые сплавы и соединения.

Лит.: Зеликман А. Н., Меерсон Г. А., Металлургия редких металлов, М., 1973.,

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

Тантал

Тантал — химический элемент с атомным номером 73 в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, обозначается символом Ta (лат. Tantalum ). При стандартных условиях представляет собой блестящий серебристо-белый металл (со слабым свинцовым (синеватым) оттенком вследствие образования плотной оксидной плёнки).

Содержание

История

Тантал открыт в 1802 году шведским химиком А. Г. Экебергом в двух минералах, найденных в Финляндии и Швеции. Однако в чистом виде выделить его не удалось. Из-за трудностей получения этот элемент был назван по имени героя древнегреческой мифологии Тантала.

В последующем тантал и «колумбий» (ниобий) считали тождественными. Лишь в 1844 году немецкий химик Генрих Розе доказал, что минерал колумбит-танталит содержит два различных элемента — ниобий и тантал.

Пластичный металлический тантал впервые получен немецким учёным В. Болтоном в 1903 году.

Первый промышленный штабик тантала был получен в 1922 году, при этом он не превышал по величине спичечную головку. Тогда элемент начал применяться в выпрямителях тока и радиолампах. Активное производство тантала было развёрнуто в самом конце Второй Мировой войны.

Нахождение в природе

Тантал — редкий металл, в земной коре на его долю приходится 0,0002 %. Известно около 20 собственных минералов тантала — серия колумбит-танталит, воджинит, лопарит, манганотанталит и другие, а также более 60 минералов , содержащих тантал. Все они связаны с эндогенным минералообразованием. В минералах тантал всегда находится совместно с ниобием вследствие сходства их физических и химических свойств. Тантал — типично рассеянный элемент, так как изоморфен со многими химическими элементами. Месторождения тантала приурочены к гранитным пегматитам, карбонатитам и щелочным расслоённым интрузиям.

Месторождения

Самые крупные месторождения танталовых руд находятся во Франции, Египте, Таиланде, Китае. Месторождения танталовых руд имеются также в Мозамбике, Австралии, Нигерии, Канаде, Бразилии, СНГ, ДРК, Малайзии.

Крупнейшее мировое месторождение танталовых руд, Гринбушес, расположено в Австралии в штате Западная Австралия в 250 км к югу от Перта.

Физические свойства

Тантал обладает высокой температурой плавления — 3290 K ( 3017 °C ); кипит при 5731 K ( 5458 °C ). Плотность тантала — 16,65 г/см³ . 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. Кристаллическая решётка — кубическая, объёмноцентрированная. Обладает парамагнитными свойствами.

При температуре ниже 4,45 К переходит в сверхпроводящее состояние.

Изотопы

Известны изотопы тантала с массовыми числами от 155 до 190 (количество протонов 73, нейтронов от 82 до 117), и более 30 ядерных изомеров.

Природный тантал состоит из смеси стабильного изотопа и стабильного изомера: 181 Та (99,9877 %) и 180m Та (0,0123 %). Последний является чрезвычайно стабильным изомером (возбуждённым состоянием) изотопа 180 Та, период полураспада которого всего чуть более 8 часов .

Химические свойства

При нормальных условиях тантал малоактивен, на воздухе окисляется лишь при температуре свыше 280 °C , покрываясь оксидной плёнкой Ta₂O₅; с галогенами реагирует при температуре свыше 250 °C . При нагревании реагирует с С, В, Si, P, Se, Те, H₂O, СО, CO₂, NO, HCl, H₂S.

Химически чистый тантал исключительно устойчив к действию жидких щелочных металлов, большинства неорганических и органических кислот, а также многих других агрессивных сред (за исключением расплавленных щелочей).

В отношении химической устойчивости к реагентам, тантал подобен стеклу. Тантал нерастворим в кислотах и их смесях, кроме смеси плавиковой и азотной кислот; его не растворяет даже царская водка. Реакция с плавиковой кислотой идёт только с пылью металла и сопровождается взрывом. Очень устойчив к воздействию серной кислоты любой концентрации и температуры (при 200 °C металл корродирует в кислоте лишь на 0,006 миллиметра в год), устойчив в обескислороженных расплавленных щелочных металлах и их перегретых пара́х (литий, натрий, калий, рубидий, цезий).

Токсикология

Распространённость

Среднее содержание тантала (по массе):

в земной коре 2,5⋅10 −4 %
в ультраосновных породах 1⋅10 −6 %
в основных породах 4,8⋅10 −5 %
в кислых породах 3,5⋅10 −4 %
в полукислых породах 7⋅10 −4 %

Получение

Основным сырьём для производства тантала и его сплавов служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие около 8 % Та₂О₅, а также 60 % и более Nb₂O₅. Концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые — хлорируют. Разделение Та и Nb производят с помощью экстракции. Металлический тантал обычно получают восстановлением Ta₂O₅ углеродом, либо электрохимически из расплавов. Компактный металл производят вакуумно-дуговой, плазменной плавкой или методом порошковой металлургии.

Для получения 1 тонны танталового концентрата необходимо переработать до 3000 тонн руды.

Стоимость

Стоимость тантала — около 218 долл. за 1 кг (сентябрь 2019 г.). Особо чистый тантал (от 99,985 %) имеет цену порядка 3 585 долл. за 1 кг .

Применение

Первоначально использовался для изготовления проволоки для ламп накаливания. Сегодня из тантала и его сплавов изготовляют:

жаропрочные и коррозионностойкие сплавы;
коррозионно-устойчивую аппаратуру для химической промышленности, фильерные пластины, лабораторную посуду и тигли для получения, плавки, и литья редкоземельных элементов, а также иттрия и скандия;
теплообменники для ядерно-энергетических систем (тантал наиболее из всех металлов устойчив в перегретых расплавах и парах цезия);
в хирургии листы, фольгу и проволоку из тантала используют для скрепления тканей, нервов, наложения швов, изготовления протезов, заменяющих повреждённые части костей (ввиду биологической совместимости);
танталовая проволока используется в криотронах — сверхпроводящих элементах, устанавливаемых в вычислительной технике;
в производстве боеприпасов тантал применяется для изготовления металлической облицовки перспективных кумулятивных зарядов, улучшающей бронепробиваемость;
тантал и ниобий используют для производства электролитических конденсаторов (более качественных, чем алюминиевые электролитические конденсаторы, но рассчитанных на меньшее напряжение);
тантал используется в последние годы в качестве ювелирного металла, в связи с его способностью образовывать на поверхности прочные плёнки оксида красивых радужных цветов;
ядерный изомер тантал-180m2, накапливающийся в конструкционных материалах ядерных реакторов, может наряду с гафнием-178m2 служить источником гамма-лучей и энергии при разработке оружия и специальных транспортных средств.
Бюро стандартов США и Международное бюро мер и весов Франции используют тантал вместо платины для изготовления стандартных аналитических разновесов большой точности;
Бериллид тантала чрезвычайно твёрд и устойчив к окислению на воздухе до 1650 °C , применяется в авиакосмической технике;
Карбид тантала (температура плавления 3880 °C , твёрдость близка к твёрдости алмаза) применяется в производстве твёрдых сплавов — смеси карбидов вольфрама и тантала (марки с индексом ТТ), для тяжелейших условий металлообработки и ударно-поворотного бурения крепчайших материалов (камень, композиты), а также наносится на сопла, форсунки ракет;
Оксид тантала(V) используется в ядерной технике для варки стекла, поглощающего гамма-излучение. Один из наиболее широко применяемых составов такого стекла: двуокись кремния — 2 %, монооксид свинца (глёт) — 82 %, оксид бора — 14 %, пятиокись тантала — 2 %;
В нумизматике. С 2006 года Национальный банк Казахстана выпускает памятные биметаллические монеты 100 и 500 тенге из серебра и тантала.

Антимонид тантала (Ta₅Sb₄) Бромид тантала (II) (TaBr₂) Бромид тантала (III) (TaBr₃) Бромид тантала (V) (TaBr₅) Гексафторотанталовая кислота (H[TaF₆]) Гептафторотанталат (V) калия (K₂[TaF₇]) Диборид тантала (TaB₂) Иодид тантала (IV) (TaI₄) Иодид тантала (V) (TaI₅) Карбид тантала (TaC) Карбид тантала-гафния (Ta₄HfC₅) Нитрид тантала (TaN) Нитрид тантала (V) (Ta₃N₅) Оксигексафторотанталат калия (K₃[TaOF₆]) Оксид тантала (I) (Ta₂O) Оксид тантала (II) (TaO) Оксид тантала (III) (Ta₂O₃) Оксид тантала (IV) (TaO₂) Оксид тантала (V) (Ta₂O₅) Окситрибромид тантала (V) (TaOBr₃) Окситрихлорид тантала (V) (TaOCl₃) Сульфид тантала (IV) (TaS₂) Фторид тантала (III) (TaF₃) Фторид тантала (V) (TaF₅) Хлорид тантала (II) (TaCl₂) Хлорид тантала (III) (TaCl₃) Хлорид тантала (IV) (TaCl₄) Хлорид тантала (V) (TaCl₅)

Тантал — что это за металл: характеристики и стоимость

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.

Тантал – полезные свойства, особенности и опасность металла

Этот химический элемент обнаружился с трудом. Благодаря этому получил название, связанное с персонажем греческих мифов.

Что представляет собой

Тантал – это химический элемент, занимающий 73-ю ячейку таблицы Менделеева. Твердый, относится к металлам «тяжелой» группы.

В обычном микроклимате – блестящее сероватое вещество. На воздухе обретает легкую синеватость, свинцовость оттенка, что позволяет отличить его от других металлов.

Международное обозначение – Ta, Tantalum.

Как был открыт и назван

История открытия тантала извилиста:

«Отцом» считается химик Андерс Экеберг. Исследуя в 1802 году образцы минералов, откопанных в родной Швеции и соседней Финляндии, он открыл тантал.
Почти сорок лет колумбий (так тогда называли ниобий) и тантал считались одним и тем же элементом, пока немецкий ученый Генрих Розе не доказал обратное. Его правоту подтверждает формула колумбита-танталита – (Fe, Mn) (Nb, Ta, Ti)2O6).
Пластичный металлический образец получил в начале ХХ века немецкий естествоиспытатель Вернер фон Болтон.

Элемент вошел в историю под именем персонажа древнегреческой мифологии Тантала. Он был покаран богами за гордыню: умирал от голода и жажды, хотя еда и вода были рядом. Отсюда выражение «танталовы муки».

Так отобразились в названии трудности извлечения элемента.

Первый образец продукции из металла – штабик размером со спичечную головку – получен в 1922 году. Промышленное производство отладили через 30 лет.

Физико-химические характеристики

Тантал относится к тугоплавким металлам, однако по пластичности соперничает с золотом.

Будучи чистым, легко обрабатывается. Примеси газов разрушают кристаллическую структуру, сводя на нет это свойство.

Тяжёлый твёрдый металл серого цвета – тантал

У металла средняя электропроводимость, но он становится сверхпроводником при меньших температурах, чем другие.

Химические свойства проявляются при высоких температурах:

Окисляется, если воздух горячее 280°C. Результат – радужная пленка-оксид, защищающая от дальнейших трансформаций.
Беспримесный металл равнодушен к воздействию агрессивных сред (кроме щелочного расплава).

Химическая стойкость тантала аналогична стеклу.

Не растворяется кислотами (кроме плавиково-азотной смеси), включая царскую водку. С плавиковой взаимодействует порошковый тантал, реакция завершается взрывом.

Присутствие в природе

Тантал как чистый металл на планете не встречается:

Выявлено два десятка его минералов плюс 60 с танталом в составе.
В минералах пару танталу всегда составляет ниобий. Это следствие близости природных характеристик элементов.
Также представлен двумя изотопами, из которых на долю стабильного Та181 приходится 99,992%.

Тонна земной коры содержит два грамма тантала. Однако к группе редкоземельных металлов он не относится.

Месторождения формируются в гранитных, карбонатных массивах, щелочных слоях-интрузиях.

Технология получения

Для производства металла, сплавов используются танталиты и лопариты (оксид тантала – 8%, оксид ниобия – 60+%).

Процесс включает следующие этапы:

Концентрированную породу разлагают кислотами либо щелочами.
Тантал и ниобий выделяют экстрагированием.
Металлический тантал восстанавливают из расплавов (электролиз) либо оксида (углеродом).

Способы получения компактных модификаций: порошковая металлургия либо плавка (дуговая/плазменная).

Чистота металла важна для продавцов: цена кг продукции стандартных кондиций – $215-200, с содержанием тантала 99,98+% – в 15 раз дороже.

Где используется

Первой сферой применения стали лампы бытовой радиоэлектроники.

Сегодня достоинства металла – пластичность, тугоплавкость, устойчивость к агрессивным средам, коррозии, совместимость с биологическим материалом изучены досконально. Они обусловили применение продукции промышленностью, оборонным комплексом, медициной, наукой.

Промышленность, ВПК

Применение металла в гражданском сегменте:

Металлурги добавляют вещество в сплавы для устойчивости к жару, коррозии. Продукция идет на аппаратуру для химпрома, лабораторий, тигли для выплавки проблемных элементов (особенно редкоземельных металлов).
Благодаря низкому порогу сверхпроводимости востребован при производстве электронно-вычислительных приборов.
Карбид вещества – компонент сверхтвердых сплавов. Из сталей, маркированных индексом ТТ, делают оборудование для работы в экстремальных условиях (бурение скважин, композитов, других сверхтвердых материалов).
Супертвердый неокисляемый бериллид используют строители космических аппаратов (ракет, спутников, самолетов).
Танталово-ниобиевый сплав – материал конденсаторов для электролиза.

Оболочка снарядов с повышенной бронебойностью состоит из тантала.

Ядерный комплекс

Высшая из металлов устойчивость в жаре, неуязвимость к воздействию паров цезия обусловили применение металла в защитных оболочках объектов ядерной энергетики.

Тантал-180 «застревает» в конструкциях атомных реакторов. И служит источником энергии, гамма-излучения для лазерного оружия, транспорта специального назначения.

Пятиокись (2%) добавляют к стеклу, поглощающему гамма-лучи.

Другие сферы

Биологически совместимый с организмом человека металл – материал скелетных протезов. Хирурги используют танталовую фольгу, проволоку комплексно: наложение швов, скрепление нервных окончаний.
Ювелиры оценили способность металла образовывать на поверхности изделия прочные разноцветные пленки.
Казахстан радует нумизматов: Национальный банк страны чеканит коллекционные танталово-серебряные монеты.

Применение металла сдерживают недостатки: микроскопичная доля в составе земной коры, трудность получения, высокая цена.

Предупреждение

Тантал токсичен.

По стандартам РФ, один кубометр воздуха не должен содержать более 5 мг вещества.

ТАНТАЛ — твёрдый, редкий и дорогой

История мифологического Тантала похожа на историю открытия героя нашей статьи.

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.

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.

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!

Читайте также: