Тантал, подобно ванадию, относят к V группе периодической системы. Однако, в отличие от ванадия, тантал значительно труднее восстанавливается до низших степеней валентности.Поэтому приходится иметь дело с их пятивалентным соединением, как наиболее устройчивым, что следует из строения электронных оболочек атомов: тантал - 2,8,18,32,11,2.
Химические свойства тантала и ниобия очень близки, чем и объясняется их совместное нахождение в природе и трудность как аналитического, так и технологического разделения обоих металлов.Металлический тантал напоминает по внешнему виду платину (тантал намного темнее). Тантал обладает высокими физико-механическими свойствами, которые, однако, сильно зависят от способа получения и чистоты металла. Поэтому данные о твердости, пластичности и других механических свойствах тантала, приводимые в различных источниках, не всегда совпадают.
Основные характеристики тантала:
- Порядковый номер73
- Атомный вес180,95
- Плотность16,6
- Радиус атома1,46
- Радиус пятивалентного иона0,69
- Электросопротивление13,5*10-5
- Температура плавления2997
Наличие растворенных газов в металлическом тантале сильно уменьшает его пластичность.Чистые металлы (99,9%) в отожженом состоянии хорошо поддаются механической обработке, легко (вхолодную) прокатываются (в листы толщиной около 0,04 мм и в тонкую проволоку) и штампуются. Микротвердость металлического тантала 108 кг/мм2.
Наиболее ценным свойством, определяющим применение тантала, является в первую очередь его исключительная устойчивость по отношению к кислотам; тантал не растворяется в царской водке и концентрированной азотной кислоте. Тантал отличается особенной устойчивостью. Растворы щелочей почти не действуют на тантал.Совершенно не действуют на тантал также расплавы некоторых солей и различные органические соединения. Другим важным свойством металлического тантала является способность поглощать газы - водород, азот и другие - с образованием соответствующих твердых растворов, являющихся фазами внедрения. Растворимость водорда в тантале резко падает с повышением температуры.
Растворимость водорода в металлическом тантале в зависимости от температуры показана на графике слева.
Тантал растворяет также кислородв количестве до 0,8% по весу. Растворимость кислорода в тантале и ниобии при различных температурах подробно изучал ученый Стейболт., показавший ход изменения твердости с увеличением содержания кислорода в металле.
По- видимому, часть кислорода находится в металле в виде твердого раствора, а часть образует окисел.
Изучение систем тантал-водород и тантал-кислород особенно важно в связи с исследованиями по применению металла в качестве жаростойкого трудноплавкого конструкционного материала.
Коррозия металлического тантала в кислотах.
Перекисные соединения тантала
При действии перекиси водорода на растворы щелочных тантала и ниобия образуются бесцветные или слегка желтоватые перекисные соединения - перниобаты и пертанталаты которые могут быть выделены в свободном состоянии, например при добавлении спирта к водному раствору. При окислении раствора перниобатов и пертанталатов серной кислотой образуются свободные надкислоты - надниобиевая и над танталовая кислота. Кислоты тантала весьма устойчивы в свободном состоянии.
Соединения тантала с углеродом
Тантал образует карбиды различного состава. Карбиды тантала существуют в двух модификациях. Наибольшее значение имеют монокарбиды тантала, которые могут быть получены разными способами: непосредственным соединением расплавленного металла с углеродом, восстановлением пятиокиси углерода при температурах 1600-1700 °C. По внешнему виду карбид тантала представляет собой золотисто - желтые кристаллы. Карбид тантала устойчив на воздухе до температур 1100-1400°C и с трудом растворяется в кислотах. Монокарбиды тантала применяются для изготовления некоторых марок твердых сплавов, для нагревательных элементов различных высокотемпературных установок и для некоторых других целей.
Соединения тантала с азотом, бором и кремнием.
Нитриды тантала получаются при нагревании порошковидных металлов в токе азота или аммиака при высоких температурах. Тантал также образует нитриды, напоминающие по свойствам металлический тантал. Тантал образует ряд соединений с бором; особенно интересны дибориды тантала, обладающие очень высокими температурами плавления 3100 °C и устойчивые по отношению к кислота, причем тантал превосходит в этом отношении даже ниобий. С кремнием тантал образует три силицида. Силициды обладают высокой твердостью и высокими температурами плавления.
Аналитическая характеристика тантала
Методы определения малых количеств тантала было предложено весьма много. Тантал соосаждают с перекисью марганца, осадок сплавляют с бисульфатом натрия, растворяют в винной кислоте и определяют тантал фотоколориметрическим роданидным методом в ацетоно- водной среде. Соединение тантала при этом получается не окрашено.Для определения тантала раньше применялись только реакции с пирогаллолом, который дает желтое соединение с танталом в кислой среде, тогда как например ниобий в кислой среде окрашенного соединения не образует. Для определения тантала пирогаллолом подготавливается подготавливается в щелочной среде сульфит натрия для предотвращения возможного окисления. Пирогаллоловый метод был применен также для определения тантала в металлическом ниобии: после экстракции тантала последний удаляют выпариванием в кварцевом тигле в лучах инфракрасной лампы и остаток, после соответствующей обработки колориметрируют. Более высокой чувствительностью обладают новые органические реактивы, в частности арсеназо, позволяющий определять до 0,3 мкг тантала в миллилитре раствора. В прошлом столетии для определения тантала и ниобия применялись методы хлорирования с отгонкой получающихся хлоридов ниобия и тантала. В связи с трудностью разделения обоих металлов обычными мокрыми методами метод хлорирования может иметь некоторое значение. В 1962 году этот метод был предложен для разделения ниобия и тантала, причем хлорирование рекомендуется производить октохлорпропаном при 300 °C. При использовании метода нужно иметь в виду, что сильно прокаленные окиси тантала и ниобия не поддаются хлорированию. Для отделения тантала применяется метод ионного обмена и метод хроматографии на целлюлозе. Полярографические методы для тантала вообще неприложимы, так как он не восстанавливается ни на платиновом, ни на ртутном электроде.
Металлургия тантала.
Существует множество химических реакций, по которым получение тантала из его окислов и галогеноидов оказывается термодинамически вероятным, однако почти весь промышленный тантал получают двумя методами: электролизом расплавленной смеси и натриетермическим восстановлением. Металлический тантал, осаждающийся на катоде в виде кека с дендритной структурой, дробят, промывают водой и царской водкой. Порошок затем прессуют, спекают и окончательно переплавляют дуговой или электронно-лучевой плавкой в вакууме. При получении тантала натриетермическим методом в стальную бомбу со свободно лежащей крышкой укладывают слоями натрий. Реакция инициируется нагреванием с помощью кольцевых нагревателей, расположенных в верхней части бомбы, и постепенно распространяется на весь объем шихты. Бомбу охлаждают, непрореагирующий натрий выщелачивают спиртом, а порошок тантала промывают поочередно водой, царской водкой и плавиковой кислотой, прессуют, спекают и переплавляют. Как показали эксперименты, проведенные в лабораторном масштабе, экономичным способом получения пластичного тантала может также оказаться кролль-процесс, с успехом применяемый для промышленного производства титана, циркония и гафния.Тантал подобно алюминию может быть подвергнут анодному окислению. Образующийся при этом плотно прилегающий поверхностный слой обладает такими же свойствами, что и окисный слой на поверхности алюминия. Одним из первых промышленных применений листового пластичного тантала, в частности в США, было использование его в качестве анодов и электролитических выпрямителей.Купить тантал по привлекательным ценам вы можете перейдя по ссылкам ниже.
Применение тантала.
В начале 20 века, когда зарождалось производство ламп накаливания, основным материалом являлся тантал. Однако через несколько лет его вытеснил более конкурентоспособный вольфрам. Свой потенциал тантал смог раскрыть в производстве электровакуумной техники, а именно: рентгеновской, радиотехнической и локационной аппаратуре. Тантал обладает уникальными свойствами, что позволяет применять его в радиотехнике и других значимых отраслях. В химической и металлургической промышленности благодаря уникальной способности металла оставаться устойчивым в кислотах и не разрушаться во время воздействия высоких температур стало прорывом. Для получения тантала специалисты компании Урал-Металл используют лопаритовые концентраты. В процессе хлорирования танталитовые концентраты разлагаются под воздействием кислот и щелочей. Отделение тантала и ниобия осуществляется методом экстракции. Металл получают методом порошковой металлургии или вакуумно дуговой плавкой.Подробнее прочитать про применение тантала.
Купить тантал
В компании ТК Урал-Металл вы всегда можете приобрести продукцию из тантала по самым низким ценам на отечественном рынке. Продукция выпускаемая на современном иностранном оборудовании известных марок, с учетом соблюдения международных сертификатов качества ISO, отечественных ГОСТА и ТУ, самая конкурентоспособная во всем Уральском регионе. На сайте компании вы всегда можете заказать: танталовый пруток, танталовый лист, танталовую проволоку, танталовый круг, танталовую ленту, прокат из тантала и многое другое. Все ваши заказы мы принимаем и обрабатываем точно в срок. В нашей компании вы всегда можете приобрести тантал и его сплавы следующих марок: ТВЧ, ТВ, ТН.
- Мы предлагаем следующую продукцию из тантала: танталовый круг, танталовый лист, танталовую проволоку, танталовую ленту.
Металл Тантал открыт довольно недавно, а именно в 1802 году. Обнаружить этот металл посчастливилось шведскому химику А.Г. Экебергу. При исследовании двух новых минералов, которые были найдены в скандинавских странах, выяснилось, что помимо известных элементов содержится и ранее неизученный. Ученому так и не удалось выделить металл из минерала в чистом виде, так как с этим возникли большие трудности.
В связи с этим, неисследованный металл получил название в честь героя из мифологии Древней Греции, и по которому был написан миф о Тантале . После этого, на протяжении 40 с лишним лет, считалось, что тантал и ниобий – это один и тот же металл. Однако один немецкий химик доказал различие металлов, а после этого еще один немец выделил тантал в чистом виде, и произошло это только в 1903 году.
Серийное производство проката и изделий из тантала началось только в ходе Второй Мировой войны. Сегодня этому элементу присвоено название «умного металла», так как без него не обходись в интенсивно развивающейся электронике.
Описание и свойства тантала
Тантал – это металл с высокой твердость и атомной плотностью. В периодической химических элементов, тантал расположился на 73 позиции. В мировой практике принято обозначать этот металл сочетанием двух букв, а именно Ta. При атмосферном давлении и комнатной температуре тантал имеет характерный серебристо-металлический цвет. Образовывающаяся на поверхности оксидная пленка на металле придет ему свинцовый оттенок.
Тантал элемент при комнатной температуре малоактивный. Окисление воздухом поверхности этого металла возможно только при температурах свыше 280 градусов. С галогенами тантал реагирует при температуре на 30 градусов ниже, чем с воздухом. При этом на поверхности образуется защитная пленка, которая препятствует дальнейшему проникновению окисляющих элементов по глубине металла.
Тантал химический элемент с довольно высокой температурой плавления. Так, она составляет 3290 К, а температура кипения достигает 5731 К. Несмотря на высокую плотность (16,7 г/см 3) и твердость, он достаточно пластичен. По пластичности тантал можно сравнить с . С чистым металлом очень просто и удобно работать.
Он прост в механической обработке, например, его можно раскатать в прокат с толщиной в 1-10 мкм. Также необходимо заметить, что тантал является парамагнетиком. Интересная особенность этого металла начинает проявляться при температуре 800 градусов: тантал поглощает 740 своих объемов газа.
В мировой практике есть уже целый ряд фактов, которые говорят о превосходной стойкости этого металла в очень агрессивных средах. Например, известно, что тантал не повреждается даже 70% азотной кислотой. Серная кислота до 150 градусов также не приводит к коррозионному разрушению, но уже при 200 градусах металл начнет растворяться со скоростью 0,006 мм/год.
Некоторые производственные факты говорят и том, что тантал намного более стойкий, чем нержавеющие стали аустенитного класса. Поэтому поводу известен случай, в котором детали из тантала проработали на 20 лет дольше деталей из нержавеющей стали.
Еще одним интересным фактом является то, что тантал используется для каталитического выделения и золота. Из него делаются катоды, на которые в свою очередь осаждается благородный металл, а после смывается царской водкой. При этом катод и тантала благодаря своей восхитительной стойкости к кислотам, остается целым.
Применение тантала
Когда давно этот металл, использовался для производства нитей в лампы накаливания. Сегодня же тантал и сплавы тантала используются в следующих отраслях и изделиях:
— при выплавке жаропрочных и коррозионностойких сплавов (например, деталей авиационных двигателей);
— в химической промышленности для создания коррозионностойкой аппаратуры;
— в металлургическом производстве по производству редкоземельных металлов;
— при сооружении ядерных реакторов (тантал является самым устойчивым металлом к парам цезия);
— за счет своей высокой биосовместимости, тантал используется для изготовления медицинских имплантатов и протезов;
— для производства сверхпроводников — криотронов (это элементы вычислительной техники);
— используется в военной промышленности для изготовления снарядов. Использование этого металла увеличивает пробивную способность боеприпасов;
— из тантала делаются более эффективные конденсаторы низкого напряжения;
— в последнее время тантал прочно вошел в дело. Это связано с возможностью металла образовывать прочные пленки оксидов на поверхности, которые могут быть различных цветов и оттенков;
— большое количество модификаций тантала накапливается в ядерных реакторах. В лабораторных или военных целях эта модификация металла может использоваться в качестве источника гамма излучения;
— этот металл используется в качестве основного (после платины) для изготовления эталонов массы, которые обладают повышенной точностью;
— некоторые интерметаллидные соединения тантала имеют очень высокую твердость и прочность, а также повышенную устойчивость к окислению. Эти соединения используются в авиационно и космической отраслях;
— карбиды тантала используются для изготовления режущего инструмента повышенной красностойкости. Инструмент получается методом спекания смеси порошков карбидов. Используются данные инструменты в очень тяжелых условиях, например, при ударном бурении;
— пятивалентный оксид тантала необходим для сварки стекол атомной техники.
Месторождения и добыча тантала
Тантал относится к редким металлам. Его количество в земной коре составляет всего 0,0002 %. В это количество входят две модификации металла: стабильная и радиоактивная. Этот редкий металл встречается в виде собственных соединений и входит в состав многих минералов. Если тантал входит в минерал, то он постоянно будет вместе с ниобием.
Месторождения танталовых соединений и минералов есть во многих странах. Самое большое месторождение этого элемента в Европе находится во Франции. На африканском континенте больше всего тантала в Египте. Также высокими запасами этого металла располагают Китай и Таиланд. Месторождения меньшего размера расположены в СНГ, Нигерии, Канаде, Австралии и других странах. Однако самые крупные залежи, открытые на сегодняшний день находятся в Австралии.
В год в мире добывается около 420 тонн тантала. Основные перерабатывающие комбинаты этого металла расположены в США и ФРГ. Стоит отметить, что мировое сообщество заявляет о необходимости увеличения добычи этого редкого металла. Такие заявления в-первую очередь связаны с увеличением выпуска электроники, в которой интенсивно используется этот элемент.
Таким образом, количество разрабатываемых месторождений с каждым годом увеличивается. Так, например, к основным мировым, разрабатываемым месторождениям, добавились еще места в Бразилии, США и ЮАР. Однако стоит отметить, тот факт, что в последнее 10-ти летите, наблюдается интенсивное снижение добычи тантала . Самый низкий показатель в 21 веке по добыче пришелся на 2010 год.
Цена тантала
Стоимость тантала за последние 15 лет колебалась очень сильно. Так, в 2002-2003 годах купить тантал можно было по самой минимальной цене. В текущем году цена тантала колебалась от 340 до 375 долларов за килограмм. В России на сегодняшний день можно купить тантал, цена которого составляет 2950 рублей за один килограмм.
Тантал (лат. Tantalum), Та, химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 73, атомная масса 180,948; металл серого цвета со слегка свинцовым оттенком. В природе находится в виде двух изотопов: стабильного 181 Та (99,99%) и радиоактивного 180 Та (0,012%; T ½ = 10 12 лет). Из искусственно полученных радиоактивный 182 Та (Т ½ = 115,1 сут) используют как радиоактивный индикатор.
Элемент открыт в 1802 году шведским химиком А. Г. Эксбергом; назван по имени героя древнегреческой мифологии Тантала (из-за трудностей получения Tантала в чистом виде). Пластичный металлический Тантал впервые получил в 1903 году немецкий химик В. Больтон.
Распространение Тантала в природе
Среднее содержание Тантала в земной коре (кларк) 2,5·10 -4 % по массе. Характерный элемент гранитной и осадочной оболочек (среднее содержание достигает 3,5·10 -4 %); в глубинных частях земной коры и особенно в верх, мантии Тантал мало (в ультраосновных породах 1,8·10 -6 %). В большинстве магматических пород и биосфере Тантал рассеян; его содержание в гидросфере и организмах не установлено. Известно 17 собственных минералов Тантал и более 60 танталсодержащих минералов; все они образовались в связи с магматической деятельностью (танталит, колумбит, лопарит, пирохлор и другие). В минералах Тантал находится совместно с ниобием вследствие сходства их физических и химических свойств. Руды Тантала известны в пегматитах гранитных и щелочных пород, карбонатитах, в гидротермальных жилах, а также в россыпях, которые имеют наибольшее практическое значение.
Физические свойства Тантала
Тантал имеет кубическую объемноцентрированную решетку (а = 3,296 Å); атомный радиус 1,46 Å, ионные радиусы Та 2+ 0,88 Å, Та 5+ 0,66 Å; плотность 16,6 г/см 3 при 20 °С; t пл 2996 °С; Т кип 5300 °С; удельная теплоемкость при 0-100°С 0,142 кдж/(кг·К) ; теплопроводность при 20-100 °С 54,47 Вт/(м·К) . Температурный коэффициент линейного расширения 8,0·10 -6 (20-1500 °С); удельное электросопротивление при 0 °С 13,2·10 -8 ом·м, при 2000 °С 87·10 -8 ом·м. При 4,38 К становится сверхпроводником. Тантал парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 0,849·10 -6 (18 °С). Чистый Тантал - пластичный металл, обрабатывается давлением на холоду без значительного наклепа. Его можно деформировать со степенью обжатия 99% без промежуточного отжига. Переход Тантала из пластичного в хрупкое состояние при охлаждении до -196 °С не обнаружен. Модуль упругости Тантала 190 Гн/м 2 (190·10 2 кгс/мм 2) при 25 °С. Предел прочности при растяжении отожженного Тантала высокой чистоты 206 Мн/м 2 (20,6 кгс/мм 2) при 27 °С и 190 Мн/м 2 (19 кгс/мм 2) при 490 °С; относительное удлинение 36% (27 °С) и 20% (490 °С). Твердость по Бринеллю чистого рекристаллизованного Тантала 500 Мн/м 2 (50 кгс/мм 2). Свойства Тантала в большой степени зависят от его чистоты; примеси водорода, азота, кислорода и углерода делают металл хрупким.
Химические свойства Тантала
Конфигурация внешних электронов атома Та 5d 3 6s 2 . Наиболее характерная степень окисления Тантала +5; известны соединения с низшей степенью окисления (например, ТаСl 4 , ТаСl 3 , ТаCl 2), однако их образование для Тантал менее характерно, чем для ниобия.
В химическом отношении Тантал при обычных условиях малоактивен (сходен с ниобием). На воздухе чистый компактный Тантал устойчив; окисляться начинает при 280 °С. Имеет лишь один стабильный оксид - (V) Та 2 О 5 , который существует в двух модификациях: α-форме белого цвета ниже 1320 °С и β-форме серого цвета выше 1320 °С; имеет кислотный характер. С водородом при температуре около 250 °С Тантал образует твердый раствор, содержащий до 20 ат.% водорода при 20 °С; при этом Тантал становится хрупким; при 800-1200 °С в высоком вакууме водород выделяется из металла и его пластичность восстанавливается. С азотом при температуре около 300 °С образует твердый раствор и нитриды Ta 2 N и TaN; в глубоком вакууме выше 2200 °С поглощенный азот вновь выделяется из металла. В системе Та - С при температуре до 2800 °С установлено существование трех фаз: твердого раствора углерода в Тантале, низшего карбида Т 2 С и высшего карбида ТаС. Тантал реагирует с галогенами при температуре выше 250 °С (с фтором при комнатной температуре), образуя галогениды преимущественно типа ТаХ 3 (где X = F, Cl, Вг, I). При нагревании Та взаимодействует с С, В, Si, Р, Se, Те, водой, СО, СО 2 , NO, HCl, H 2 S.
Чистый Тантал исключительно устойчив к действию многих жидких металлов: Na, К и их сплавов, Li, Pb и других, а также сплавов U - Mg и Pu - Mg. Тантал характеризуется чрезвычайно высокой коррозионной устойчивостью к действию большинства неорганических и органических кислот: азотной, соляной, серной, хлорной и других, царской водки, а также многих других агрессивных сред. Действуют на Тантал фтор, фтористый водород, плавиковая кислота и ее смесь с азотной кислотой, растворы и расплавы щелочей. Известны соли танталовых кислот - танталаты общей формулы xMe 2 O·yТа 2 О 5 ·H 2 O: метатанталаты МеТаО 3 , ортотанталаты Ме 3 ТаО 4 , соли типа Me 5 TaO 5 , где Me - щелочной металл; в присутствии перекиси водорода образуются также пертанталаты. Наиболее важны танталаты щелочных металлов - КТаО 3 и NaTaO 3 ; эти соли -сегнетоэлектрики.
Получение Тантала
Руды, содержащие Тантал, редки, комплексны, бедны Танталом; перерабатывают руды, содержащие до сотых долей процента (Та, Nb) 2 O 5 , и шлаки восстановительной плавки оловянных концентратов. Основным сырьем для производства Тантала, его сплавов и соединений служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие соответственно около 8% Ta 2 O 5 и 60% и более Nb 2 O 5 . Концентраты перерабатывают обычно в три стадии: 1) вскрытие, 2) разделение Та и Nb и получение их чистых соединений, 3) восстановление и рафинирование Та. Танталитовые концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые - хлорируют. Разделяют Та и Nb с получением чистых соединений экстракцией, например, трибутилфосфатом из плавиковокислых растворов, или ректификацией хлоридов.
Для производства металлического Тантала применяют восстановление его из Ta 2 O 5 сажей в одну или в две стадии (с предварительным получением ТаС из смеси Ta 2 O 5 с сажей в атмосфере СО или Н 2 при 1800-2000 °С); электрохимическое восстановление из расплавов, содержащих K 2 TaF 7 и Та 2 О 5 , и восстановление натрием K 2 TaF 7 при нагревании. Возможны также процессы термической диссоциации хлорида или восстановление из него Тантала водородом. Компактный металл производят либо вакуумной дуговой, электроннолучевой или плазменной плавкой, либо методами порошковой металлургии. Слитки или спеченные из порошков штабики обрабатывают давлением; монокристаллы особо чистого Тантала получают бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.
Применение Тантала
Тантал обладает комплексом ценных свойств - хорошей пластичностью, прочностью, свариваемостью, коррозионной устойчивостью при умеренных температурах, тугоплавкостью, низким давлением пара, высоким коэффициентом теплопередачи, небольшой работой выхода электронов, способностью образовывать анодную пленку (Та 2 О 5) с особыми диэлектрическими характеристиками и "уживаться" с живой тканью организма. Благодаря этим свойствам Тантал находит применение в электронике, химические машиностроении, ядерной энергетике, в металлургии (производство жаропрочных сплавов, нержавеющих сталей), в медицине; в виде ТаС его применяют в производстве твердых сплавов. Из чистого Тантала изготовляют электрические конденсаторы для полупроводниковых приборов, детали электронных ламп, коррозионноустойчивую аппаратуру для химические промышленности, фильеры в производстве искусственного волокна, лабораторную посуду, тигли для плавки металлов (например, редкоземельных) и сплавов, нагреватели высокотемпературных печей; теплообменники для ядерно-энергетических систем. В хирургии листы, фольгу, проволоку из Тантала применяют для скрепления костей, нервов, наложения швов и др. Применение находят танталовые сплавы и соединения.
Обнаружение тантала датируется 1802 годом. Впервые миру он был представлен ученым А. Г. Экебергом. Он обнаружил в Финляндии и Швеции два минерала. Именно в их составе было это вещество. Однако отдельно выделить его в то время не получилось. Именно из-за столь высокой сложности его добычи в чистом виде его и назвали в честь одного из героев мифов Древней Греции. Сегодня этот элемент нашел свое широкое применение во многих отраслях промышленности.
Тантал относится к разряду металлов. Он обладает серебристо-белым оттенком. Он чем-то по своему внешнему виду напоминает свинец, потому что на нем имеется прочная оксидная пленка.
Данный металл относится к категории наиболее редко встречающихся в природе. На сегодняшний день известно лишь двадцать минералов тантала. Однако есть еще шестьдесят минералов, в которых имеется данный металл. Наряду с ним в таких минералах обязательно присутствует ниобий. Он обладает с ним похожими химическими свойствами.
Месторождения тантала
Танталовые руды встречаются очень редко.
Однако самые крупные из них расположены в таких странах, как:
- Египет,
- Франция,
- Таиланд,
- Австралия,
- Мозамбик.
В мире самая крупная танталова руда находится в Гринбуше в Австралии.
Танталу присуща высокая температура плавления. Она составляет более трех тысяч градусов Цельсия. Температура кипения данного металла превышает пяти тысяч градусов Цельсия. Свойства тантала представлены и другими характеристиками. Это вещество обладает достаточно твердой структурой. Однако металл имеет высокий уровень пластичности. По этому своему параметру он сравним с золотом. Он отлично подходит для механической обработки изделий. Благодаря нему можно создавать тончайшие виды проволоки или листы для отделки изделий.
Тантал относится к разряду малоактивных металлов. Его скорость окисления под воздействием воздуха является довольно не высокой. На воздухе он подвергается окислению только, если его температура достигает 250 градусов Цельсия.
Таблица. Характеристики слюдяных конденсаторов на основе поликарбоната, полистирена и тантала.
Изначально в промышленности данный металл применялся только в целях созданий тонкой проволоки для производства всем известных ламп накаливания. Сегодня же тантал применение имеет достаточно широкое. Его используют и для производства промышленных и бытовых предметов, и при создании новых видов оружия в военной промышленности.
Такой металл, как тантал незаменим при производстве предметов и оборудования, которые были бы устойчивы к появлению коррозии. К тому же многие из этих изделий обладают высоким уровнем жаропрочности.
В медицинской отрасли использование тантала давно уже считается нормой. Фольга и проволока из этого уникального материала применяются для того, что восстановить деятельность тканей, нервов пациентов. Также они активно используются для того, чтобы наложить пострадавшему швы.
Из-за прочности тантала его начали использовать для производства космических аппаратов. Бериллид тантала имеет отличную сопротивляемость к процессу окисления на воздухе.
Данный металл нашел свое применение в металлургической промышленности. Его используют для того чтобы производить твердые сплавы для металлообработки. Смесь тантала, карбидов вольфрама применяется для создания твердых сплавов, которые можно использовать для бурения отверстий самых прочных материалов, представленных камнями и композитами.
Данный материал приобрел широкую популярность военной промышленности. С его помощью создаются боевые припасы, которые обладают высоким уровнем прочности. Их практически невозможно пробить. Металл применяется в лабораториях при МВД для создания ядерного оружия.
Самыми большими запасами тантала обладает Австралия. Именно это государство по праву считается лидером по производству этого вещества.
Важно: В нашей стране тоже ест возможность добывать тантал. Однако есть ряд сложностей, которые объясняются труднодоступностью месторождений.
Производство тантала в России
В нашей стране уже многие производство тантала лежит на плечах Соликамского магниевого завода. Здесь данный металл получают из лопаритовых концентратов. Они поступают на завод из Ловозерского месторождения. В некоторых случаях для этой цели используется импортное сырье, которое представлено такими веществами, как рутил, колумбит, танталит, стрюверит.
Лидерами в области производства тантала являются Соединенные Штаты Америки, Китай и Япония. В мире насчитывается приблизительно сорок компаний, которые занимаются изготовления такого материала, как тантал. Крупнейшей фирмой по изготовлению этого металла является компания из Соединенных Штатов Америки Cabot Corporation. Ее филиалы открыты на территориях разных стран мира.
Тантал цена за грамм является достаточно не высокой. В среднем производители продают тантал в размере одного грамма за пол доллара. Килограмм обходится сегодня более одной тысячи долларов.
Статьи по теме
Огнезащита металлоконструкций
Ни для кого не секрет, что металлу не свойственна горючесть. Однако, не смотря на это, воздействие высоких температур приводит к изменению его твердости, в результате чего металл становится мягким, гибким и в результате способен деформироваться. Все это является причинами, по которым несущая способность металла утрачивается, что может стать причиной обрушения целого здания или его отдельной части во время пожара. Несомненно, это очень опасно для человеческой жизни. Для того, чтобы не допустить такого, при строительстве применяются разнообразные составы, способные сделать металлоконструкцию более устойчивой к высоким температурам.
Тантал (Ta) — элемент с атомным номером 73 и атомным весом 180,948. Является элементом побочной подгруппы пятой группы, шестого периода периодической системы Дмитрия Ивановича Менделеева. Тантал в свободном состоянии при нормальных условиях представляет собой металл платиново-серого цвета со слегка свинцовым оттенком, что является следствием образования оксидной пленки (Ta 2 O 5). Тантал — тяжелый, тугоплавкий, достаточно твердый, но не хрупкий металл, в то же самое время он очень ковкий, хорошо поддающийся механической обработке, особенно в чистом виде.
В природе тантал находится в виде двух изотопов: стабильного 181 Ta (99,99 %) и радиоактивного 180 Ta (0,012 %) с периодом полураспада 10 12 лет. Из искусственно полученных радиоактивный 182 Ta (период полураспада 115,1 суток) используется как изотопный индикатор.
Элемент открыт в 1802 году шведским химиком А. Г. Экебергом в двух минералах, найденных в Финляндии и Швеции. Назван был в честь героя древнегреческих мифов Тантала по причине трудности его выделения. Долгое время минералы колумбит, содержащий колумбий (ниобий) и танталит, содержащий тантал, считались одним и тем же. Ведь эти два элемента частые спутники друг друга и во многом схожи. Данное мнение долгое время считалось верным в среде химиков всех стран, лишь в 1844 году немецкий химик Генрих Розе вновь изучал колумбиты и танталиты из различных мест и нашел в них новый металл, близкий по свойствам к танталу. Это был ниобий. Пластичный чистый металлический тантал впервые получен немецким учёным В. фон Болтоном в 1903 году.
Основные месторождения минералов тантала расположены в Финляндии, странах Скандинавии, Северной Америки, Бразилии, Австралии, Франции, Китае и ряде других государств.
В связи с тем, что тантал обладает рядом ценных свойств — хорошей пластичностью, высокой прочностью, свариваемостью, коррозионной устойчивостью в умеренных температурах, тугоплавкостью и рядом других важных качеств — применение семьдесят третьего элемента весьма широко. Наиболее важные области применения тантала — электронная техника и машиностроение. Приблизительно четвертая часть мирового производства тантала идет в электротехническую и электровакуумную промышленность. В электронике он используется для изготовления электролитических конденсаторов, анодов мощных ламп, сеток. В химической промышленности из тантала изготовляют детали машин, применяемых в производстве кислот, ведь этот элемент обладает исключительной химической стойкостью. Тантал не растворяется даже в такой химически агрессивной среде, как царская водка! В танталовых тиглях плавят металлы, например, редкоземельные. Из него изготовляют нагреватели высокотемпературных печей. Благодаря тому, что тантал не взаимодействует с живыми тканями организма человека и не вредит им, он применяется в хирургии для скрепления костей при переломах. Однако главным потребителем столь ценного металла является металлургия (свыше 45 %). В последние годы тантал все чаще используют в качестве легирующего элемента в специальных сталях — сверхпрочных, коррозионностойких, жаропрочных. Кроме того, многие конструкционные материалы довольно быстро теряют теплопроводность: на их поверхности образуется плохо проводящая тепло окисная или солевая пленка. Конструкции из тантала и его сплавов с такими проблемами не сталкиваются. Образующаяся на них окисная пленка тонка и хорошо проводит тепло, к тому же имеет защитные антикоррозионные свойства.
Ценность имеет не только чистый тантал, но и его соединения. Так высокая твердость карбида тантала используется при изготовлении твердосплавного инструмента для скоростного резания металла. Тантало-вольфрамовые сплавы придают жаропрочность деталям, изготовляемым из них.
Биологические свойства
Благодаря своей высокой биологической совместимости — способности уживаться с живыми тканями, не вызывая раздражения и отторжения организма — тантал нашел широкое применение в медицине, главным образом в восстановительной хирургии — для восстановления человеческого организма. Тонкие пластины из тантала применяют при повреждениях черепной коробки — ими закрывают проломы в черепе. Медицине известен случай, когда из танталовой пластинки было сделано искусственное ухо, при этом, кожа, пересаженная с бедра, прижилась настолько хорошо и быстро, что вскоре искусственный орган нельзя было отличить от настоящего. Танталовые нити используют при восстановлении поврежденной мускульной ткани. Танталовыми пластинками хирурги скрепляют стенки брюшной полости после операций. Даже кровеносные сосуды можно соединить, для этого используют скрепки из тантала. Сети из этого уникального материала применяют при изготовлении глазных протезов. Нитями из этого металла заменяют сухожилия и даже сшивают нервные волокна.
Не менее широко применение пятиокиси тантала Та 2 О 5 — ее смесь с небольшим количеством трехокиси железа предложено использовать для ускорения свертывания крови.
Последнее десятилетие развивается новая отрасль медицины, основанная на использовании близкодействующих статических электрических полей для стимулирования позитивных биологических процессов в организме человека. Причем электрические поля образуются не за счет традиционных электротехнических источников энергии с сетевым или аккумуляторным электропитанием, а за счет автономно функционирующих электретных покрытий (диэлектрик, сохраняющий продолжительное время некомпенсированный электрический заряд), нанесенных на имплантаты различного назначения, широко применяемые в медицине.
В настоящее время положительные результаты применения электретных пленок пятиокиси тантала получены в следующих областях медицины: челюстно-лицевая хирургия (использование имплантантов с покрытием из Та 2 О 5 исключает возникновение воспалительных процессов, сокращает сроки приживления имплантанта); ортопедическая стоматология (покрытие протезов из акриловых пластмасс пленкой из пятиокиси тантала устраняет все возможные патологические проявления, обусловленные непереносимостью акрилатов); хирургия (применение электретного аппликатора при лечении дефектов кожных покровов и соединительной ткани при длительно незаживающих раневых процессах, пролежнях, нейротрофических язвах, термических поражениях); травматология и ортопедия (ускорение развития костной ткани при лечении переломов и болезней опорно-двигательной системы человека под действием статического поля, создаваемого пленкой электретного покрытия).
Все эти уникальные научные разработки стали возможны благодаря научной работе специалистов из Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического Университета (ЛЭТИ).
Помимо выше перечисленных областей, где уже применяются или внедряются уникальные покрытия из пятиокиси тантала, существуют разработки, находящиеся на самых начальных стадиях. К ним относятся разработки для следующих областей медицины: косметология (изготовления материала на основе покрытий из пятиокиси тантала, который заменит «золотые нити»); кардиохирургия (нанесении электретных пленок на внутреннюю поверхность искусственных кровеносных сосудов, препятствует образованию тромбов); эндопротезирование (снижение риска отторжения протезов, находящихся в постоянном взаимодействии с костной тканью). Кроме того, создается хирургический инструмент с покрытием из пленки пятиокиси тантла.
Известно, что тантал весьма стоек в отношении агрессивных сред, об этом свидетельствует ряд фактов. Так при температуре в 200 °C этот металл не подвержен воздействию семидесяти процентной азотной кислоты! В серной кислоте при температуре 150 °C коррозии тантала также не наблюдается, а при 200 °C металл корродирует, но всего лишь на 0,006 мм в год!
Известен случай, когда на одном предприятии, использовавшем газообразный хлористый водород, детали из нержавеющей стали выходили из строя уже через пару месяцев. Однако, 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!
Тантал наряду с никелем и хромом широко используется в качестве антикоррозионного покрытия. Им покрывают детали самых разнообразных форм и размеров: тигли, трубы, листы, сопла ракет и многое другое. Причем материал, на который наносится танталовое покрытие, может быть самым разнообразным: железо, медь, графит, кварц, стекло и другие. Что самое интересное — твердость танталового покрытия выше твердости технического тантала в отожженном виде в три-четыре раза!
В связи с тем, что тантал весьма ценный металл, поиски его сырья продолжаются и в наши дни. Минералоги обнаружили, что в обычных гранитах, помимо других ценных элементов, содержится и тантал. Попытка добычи тантала из гранитных пород предпринималась в Бразилии, металл был получен, однако промышленного масштаба такая добыча не получила — крайне дорогим и сложным оказался процесс.
Современные электролитические танталовые конденсаторы стабильны в работе, надежны и долговечны. Миниатюрные конденсаторы, изготовленные из этого материала, используемые в различных электронных системах, помимо выше перечисленных достоинств, имеют одно уникальное качество: они могут производить собственный ремонт самостоятельно! Каким же образом это происходит? Предположим, что от возникшего перепада напряжения, либо по другой причине, нарушается целостность изоляции — мгновенно в месте пробоя вновь образуется изолирующая пленка окисла, и конденсатор продолжает работать, как ни в чем не бывало!
Несомненно, появившийся в середине XX века термин «умный металл», то есть металл, помогающий работать умным машинам, по праву можно присвоить танталу.
В некоторых областях тантал заменяет, а иногда даже конкурирует с платиной! Так в ювелирной работе тантал часто заменяет более дорогой благородный металл при изготовлении браслетов, часовых корпусов и других ювелирных изделий. В другой же области тантал успешно конкурирует с платиной — стандартные аналитические разновесы из этого металла по качеству не уступают платиновым.
Кроме того, танталом заменяют более дорогой иридий в производстве наконечников для перьев автоматических ручек.
Благодаря своим уникальным химическим свойствам, тантал нашел применение, как материал для катодов. Так танталовые катоды применяют при электролитическом выделении золота и серебра. Их ценность заключается в том, что осадок благородных металлов можно смыть с них царской водкой, которая не причиняет вреда танталу.
Определенно можно говорить о том факте, что есть нечто символическое, если даже не мистическое в том, что шведский химик Экеберг, пытаясь насытить кислотами новое вещество, был поражен его «жаждой» и дал новому элементу имя в честь мифического злодея, убившего собственного сына и предавшего богов. А спустя двести лет оказалось, что этот элемент способен буквально «сшить» человека и даже «заменить» ему сухожилия и нервы! Получается, что томимый в подземном царстве мученик искупая свою вину помощью человеку, пытается выпросить прощение у богов…
История
Тантал — герой древнегреческих мифов, лидийский или фригийский царь, сын Зевса. Разгласил тайны олимпийских богов, похитил с их пира амбросию и угостил олимпийцев блюдом, приготовленным из тела собственного сына Пелопса, которого он же и убил. За свои злодеяния Тантал был приговорен богами на вечные муки голода, жажды и страха в подземном царстве Аида. С тех пор он стоит по горло в прозрачной кристально чистой воде, к его голове склоняются ветви под тяжестью спелых плодов. Только не может он утолить ни жажду, ни голод - вода уходит вниз, как только он пытается напиться, а ветви поднимает ветер, от рук голодного убийцы. Над головой Тантала нависает скала, которая в любой миг может обрушиться, заставляя несчастного грешника вечно мучиться от страха. Благодаря этому мифу возникло выражение «танталовы муки», обозначающее непереносимые страдания, бесплотные попытки освободиться от мучений. Видимо, в ходе безуспешных попыток шведского химика Экеберга растворить в кислотах «землю», открытую им в 1802 году, и выделить из нее новый элемент, именно это выражение и пришло ему в голову. Не раз ученому казалось, что он близок к цели, но выделить новый металл в чистом виде ему так и не удалось. Так появилось «мученическое» название нового элемента.
Открытие тантала тесно связано с открытием другого элемента - ниобия, который появился на свет годом раньше и первоначально получил название Колумбия, которое дал ему первооткрыватель Гатчет. Этот элемент - двойник тантала близкий ему по ряду свойств. Именно эта близость и ввела в заблуждение химиков, которые после долгих споров пришли к ошибочному выводу о том, что тантал и колумбий - один и тот же элемент. Данное заблуждение длилось более сорока лет, пока в 1844 году известный немецкий химик Генрих Розе, в ходе повторного изучения колумбитов и танталитов из различных месторождений, не доказал, что колумбий - это самостоятельный элемент. Колумбий, изучаемый Гатчетом был ниобием с большим содержанием тантала, что и ввело в заблуждение ученый мир. В честь такой родственной близости двух элементов Розе присвоил колумбию новое название Ниобий - в честь дочери фригийского царя Тантала Ниобии. И хотя Розе также допустил ошибку, якобы открыв еще один новый элемент, который он назвал Пелопием (в честь сына Тантала Пелопса), его работы стали основой для строгого различия ниобия (колумбия) и тантала. Только, даже после доказательств Розе тантал и ниобий долгое время путали. Так тантал называли колумбием, в России колумбом. Гесс в своих «Основаниях чистой химии» вплоть до их шестого издания (1845) говорит только о тантале, не упоминая о Колумбии; у Двигубского (1824) встречается название - танталий. Такие ошибки и оговорки понятны - способ разделения тантала и ниобия был разработан лишь в 1866 году швейцарским химиком Мариньяком, а как такового чистого элементарного тантала еще не существовало: ведь в чистом компактном виде этот металл ученые смогли получить лишь в XX веке. Первым, кто смог получить металлический тантал, был немецкий химик фон Болтон, а произошло это лишь в 1903 году. Ранее, конечно же, предпринимались попытки получения чистого металлического тантала, но все старания химиков были безуспешны. Например, французский химик Муассан получил металлический порошок, по его утверждению - чистый тантал. Однако этот порошок, полученный восстановлением пятиокиси тантала Ta 2 O 5 углеродом в электрической печи, не был чистым танталом, порошок содержал 0,5 % углерода.
В итоге детальное изучение физико-химических свойств семьдесят третьего элемента стало возможно лишь в начале двадцатого века. В течение еще нескольких лет тантал не находил практического применения. Лишь в 1922 г. его смогли использовать в выпрямителях переменного тока.
Нахождение в природе
Среднее содержание семьдесят третьего элемента в земной коре (кларк) 2,5∙10 -4 % по массе. Тантал характерный элемент кислых пород — гранитных и осадочных оболочек, в которых его среднее содержание достигает 3,5∙10 -4 %, что касается ультраосновных и основных пород - верхние участки мантии и глубинные части земной коры, то концентрация тантала там значительно ниже: 1,8∙10 -6 %. В породах магматического происхождения тантал рассеян, также как и в биосфере, так как изоморфен со многими химическими элементами.
Несмотря на малое содержание тантала в земной коре, весьма широко распространение его минералов - их насчитывается более сотни, как собственно минералов тантала, так и танталосодержащих руд, все они образовались в связи с магматической деятельностью (танталит, колумбит, лопарит, пирохлор и другие). Во всех минералах спутником тантала является ниобий, что объясняется чрезвычайным химическим сходством элементов и почти одинаковыми размерами их ионов.
Собственно танталовые руды имеют соотношение Ta 2 O 5: Nb 2 O 5 ≥1. Главными минералами танталовых руд являются колумбит-танталит (содержание Ta 2 O 5 30-45 %), танталит и манганотанталит (Ta 2 O 5 45-80 %), воджинит (Ta, Mn, Sn) 3 O 6 (Ta 2 O 5 60-85 %), микролит Ca 2 (Ta, Nb) 2 O 6 (F, OH) (Ta 2 O 5 50-80 %) и другие. Танталит (Fe, Mn)(Ta, Nb) 2 O 6 имеет несколько разновидностей: ферротанталит (FeO>MnO), манганотанталит (MnO>FeO). Танталит бывает разных оттенков от черного до красно-коричневого. Главными минералами тантало-ниобиевых руд, из которых наряду с ниобием извлекают значительно более дорогой тантал - это колумбит (Ta 2 O 5 5-30 %), танталсодержащий пирохлор (Ta 2 O 5 1-4 %), лопарит (Ta 2 O 5 0,4-0,8 %), гатчеттолит (Ca, Tr, U) 2 (Nb, Ta) 2 O 6 (F, OH)∙nH 2 O (Ta 2 O 5 8-28 %), иксиолит (Nb, Ta, Sn, W, Sc) 3 O 6 и некоторые другие. Тантало-ниобаты, содержащие U, Th, TR, метамиктны, сильно радиоактивны и содержат переменное количество воды; обычны полиморфные модификации. Тантало-ниобаты образуют мелкую вкрапленность, крупные выделения редки (кристаллы типичны в основном для лопарита, пирохлора и колумбит-танталита). Окраска черная, темно-бурая, буровато-желтая. Обычно полупрозрачные или слабо просвечивают.
Различается несколько главных промышленных и генетических типов месторождений танталовых руд. Редкометальные пегматиты натро-литиевого типа представлены зональными жильными телами, состоящими из альбита, микроклина, кварца, в меньшей степени сподумена или петалита. Редкометальные танталоносные граниты (апограниты) представлены небольшими штоками и куполами микроклин-кварц-альбитовых гранитов, часто обогащенных топазом и литиевыми слюдами, содержащими тонкую вкрапленность колумбита-танталита и микролита. Коры выветривания, делювиально-аллювиальные и аллювиальные россыпи, возникающие в связи с разрушением пегматитов, содержат касситерит и минералы группы колумбита-танталита. Лопаритсодержащие нефелиновые сиениты состава луявритов, фойялитов.
Кроме того, в промышленное использование вовлекаются месторождения комплексных тантало-ниобиевых руд, представленных карбонатитами и ассоциирующими с ними форстерит-апатит-магнетитовыми породами; микроклин-альбитовыми рибекитовыми щелочными гранитами и граносиенитами и другими. Некоторое количество тантала извлекается из вольфрамитов грейзеновых месторождений.
Крупнейшие месторождения титановых руд расположены в Канаде (Манитоба, Берник-Лейк), Австралии (Гринбушес, Пилбара), Малайзии и Тайланде (танталосодержащие оловянные россыпи), Бразилии (Параиба, Риу-Гранди-ду-Норти), ряде африканских государств (Заир, Нигерия, Южная Родезия).
Применение
Тантал нашел свое техническое применение довольно поздно — в начале XX века его использовали в качестве материала для нитей накаливания электроламп, что обуславливалось таким качеством этого металла, как тугоплавкость. Однако вскоре он потерял свое значение в этой области, вытесненный менее дорогим и более тугоплавким вольфрамом. Вновь тантал стал «технически непригодным» вплоть до двадцатых годов XX века, когда его стали использовать в выпрямителях переменного тока (тантал, покрытый окисной пленкой, пропускает ток лишь в одном направлении), а спустя еще год — в радиолампах. После чего металл получил признание и вскоре стал завоевывать все новые и новые области промышленности.
В наше время тантал благодаря своим уникальным свойствам используется в электронике (производство конденсаторов высокой удельной емкости). Примерно 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 может достигать более двенадцати лет. В радиотехнике тантал используется в радиолокационной аппаратуре. Мини конденсаторы из тантала используют в передатчиках радиостанций, радарных установках и других электронных системах.
Основной потребитель тантала — металлургия, использующая свыше 45 %, производимого металла. Тантал активно используют в качестве легирующего элемента в специальных сталях — сверхпрочных, коррозионностойких, жаропрочных. Добавка этого элемента к обычным хромистым сталям повышает их прочность и уменьшает хрупкость после закалки и отжига. Производство жаропрочных сплавов — большая необходимость для ракетной и космической техники. В тех случаях, когда сопла ракет охлаждаются жидким металлом, способным вызвать коррозию (литием или натрием), без сплава тантала с вольфрамом просто невозможно обойтись. Кроме того, из жаропрочных сталей изготовляют нагреватели высокотемпературных вакуумных печей, подогревателей, мешалок. Карбид тантала (температура плавления 3 880 °C) 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).
Стали, легированные танталом имеют широкое применение, например в химическом машиностроении. Ведь такие сплавы имеют исключительную химическую стойкость, они пластичны, жаростойки и жаропрочны, именно благодаря этим свойствам тантал стал незаменимым конструкционным материалом для химической промышленности. Танталовую аппаратуру применяют в производстве многих кислот: соляной, серной, азотной, фосфорной, уксусной, а также брома, хлора и перекиси водорода. Из него изготовляют змеевики, дистилляторы, клапаны, мешалки, аэраторы и многие другие детали химических аппаратов. Иногда — аппараты целиком. 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.
Кроме того, тантал используют в приборостроении (рентгеновская аппаратура, контрольный инструмент, диафрагмы); в медицине (материал для восстановительной хирургии); в ядерной энергетике — в качестве теплообменника для ядерно-энергетических систем (тантал наиболее из всех металлов устойчив в перегретых расплавах и парах цезия-133). Высокая способность тантала поглощать газы используется для поддержания глубокого вакуума (электровакуумные приборы).
Последние годы тантал используется в качестве ювелирного материала, в связи с его способностью образовывать на поверхности прочные пленки оксида любого цвета.
Широкое применение находят и соединения тантала. Пятиокись тантала используется в атомной технике для варки стекла поглощающего гамма-излучение. Фтортанталат калия используют как катализатор в производстве синтетического каучука. В этой же роли выступает и пятиокись тантала при получении бутадиена из этилового спирта.
Производство
Известно, что руды содержащие тантал редки и бедны именно этим элементом. Основное сырье для производства тантала и его сплавов — танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие всего 8 % Та 2 О 5 , и более 60 % Nb 2 O 5 . Кроме того, в переработку идут даже те руды, которые содержат всего сотые доли процента (Та, Nb) 2 O 5 !
Технология производства тантала довольно сложна и осуществляется в три стадии: вскрытие или разложение; отделение тантала от ниобия и получение их чистых химических соединений; восстановление и рафинирование тантала.
Вскрытие танталового концентрата, иначе говоря, извлечение тантала из руд осуществляется с помощью щелочей (сплавление) либо при помощи плавиковой кислоты (разложение) или смеси плавиковой и серной кислот. После чего переходят ко второй стадии производства — экстракционное извлечение и разделение тантала и ниобия. Последняя задача весьма сложна по причине схожести химических свойств этих металлов и почти одинаковым размером их ионов. До недавних пор металлы разделяли лишь способом, предложенным еще в 1866 году швейцарским химиком Мариньяком, который воспользовался различной растворимостью фтортанталата и фторниобата калия в разбавленной плавиковой кислоте. В современной промышленности используется несколько способов разделения тантала и ниобия: экстракция органическими растворителями, избирательное восстановление пятихлористого ниобия, дробная кристаллизация комплексных фтористых солей, разделение с помощью ионообменных смол, ректификация хлоридов. В настоящее время чаще всего используемый способ разделения (он же и самый совершенный) — экстракция из растворов фтористых соединений тантала и ниобия, содержащих плавиковую и серную кислоты. При этом также происходит очистка тантала и ниобия от примесей других элементов: кремния, титана, железа, марганца и других сопутствующих элементов. Что касается лопаритовых руд, то их концентраты перерабатываются хлорным методом, с получением конденсата хлоридов тантала и ниобия, которые разделяют в дальнейшем методом ректификации. Разделение смеси хлоридов складывается из следующих стадий: предварительная ректификация (происходит отделение хлоридов тантала и ниобия от сопутствующих примесей), основная ректификация (с получением чистого NbCl 5 и концентрата TaCl 5) и завершающая ректификация танталовой фракции (получение чистого TaCl 5). Вслед за разделением родственных металлов происходит осаждение и очистка танталовой фазы с получением фтортанталата калия повышенной чистоты (с использованием KCl).
Металлический тантал получают путем восстановления его соединений высокой чистоты, для чего возможно применение нескольких способов. Это либо восстановление тантала из пентооксида сажей при температуре 1800—2000 °C (карботермический способ), либо восстановление натрием фтортанталата калия при нагревании (натриетермический способ), либо электрохимическое восстановление из расплава, содержащего фтортанталат калия и оксид тантала (электролитический способ). Так или иначе, получают металл в порошкообразном виде с чистотой 98—99 %. Дабы получить металл в слитках, его спекают в виде предварительно спрессованных из порошка заготовок. Спекание происходит посредством пропускания тока при температуре 2 500—2 700 °C или нагреванием в вакууме при 2 200—2 500 °C. После чего чистота металла значительно увеличивается, становясь равной 99,9—99,95 %.
Для дальнейшего рафинирования и получения танталовых слитков используют электровакуумную плавку в дуговых печах с расходуемым электродом, а для более глубокого рафинирования применяют электронно-лучевую плавку, которая значительно снижает содержание в тантале примесей, повышает его пластичность и снижает температуру перехода в хрупкое состояние. Тантал такой чистоты сохраняет высокую пластичность при температурах, близких к абсолютному нулю! Поверхность слитка из тантала оплавляют (для придания требуемых показателей по поверхности слитка) или обрабатывают на токарном станке.
Физические свойства
Только в начале XX века ученые получили в свои руки чистый металлический тантал и смогли детально изучить свойства этого светло-серого металла со слегка синеватым свинцовым оттенком. Какими же качествами обладает этот элемент? Определенно, тантал — тяжелый металл: его плотность 16,6 г/см 3 при 20 °C (для сравнения у железа плотность 7,87 г/см 3 , плотность свинца — 11,34 г/см 3) и для транспортировки одного кубометра данного элемента потребовалось 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 (модуль упругости тантала 190 Гн/м 2 или 190·10 2 кгс/мм 2 при 25 °С). На холоде металл поддается обработке без значительного наклепа, подвергается деформации со степенью сжатия 99 % без промежуточного обжига. Переход тантала из пластичного состояния в хрупкое не наблюдается даже при его охлаждении до -196 °C. Предел прочности при растяжении отожженного тантала высокой чистоты 206 Мн/м 2 (20,6 кгс/мм 2) при 27 °C и 190 Мн/м 2 (19 кгс/мм 2) при 490 °C; относительное удлинение 36 % (при 27 °С) и 20 % (при 490 °С). Тантал имеет кубическую объемноцентрированную решетку (а = 3,296 A); атомный радиус 1,46 A, ионные радиусы Та 2+ 0,88 A, Та 5+ 0,66 A.
Как говорилось ранее — тантал очень твердый металл (твердость по Бринеллю листового тантала в отожженном состоянии составляет 450—1250 МПа, в деформированном состоянии 1250—3500 МПа). Более того, можно повысить твердость металла путем добавления в него ряда примесей, например углерода или азота (твердость по Бринеллю танталового листа после поглощения газов при нагревании увеличивается до 6000 МПа). В итоге примеси внедрения способствуют повышению твердости по Бринеллю, временного сопротивления, предела текучести, но снижают характеристики пластичности и усиливают хладноломкость, проще говоря — делают металл хрупким. Другие характерные черты семьдесят третьего элемента — его высокая теплопроводность, при 20—100 °C эта величина составляет 54,47 вт/(м∙К) или 0,13 кал/(см·сек·°С) и тугоплавкость (возможно, самое важное физическое свойство тантала) — он плавится почти при 3 000 °C (точнее, при 2 996 °C), уступая в этом лишь вольфраму и рению. Температура кипения тантала также чрезвычайно высока: 5 300 °C.
Что касается других физических свойств тантала, то его удельная теплоемкость при температурах от 0 до 100 °C составляет 0,142 кдж/(кг·К) или 0,034 кал/(г·°С); температурный коэффициент линейного расширения тантала 8,0·10 -6 (при температурах 20—1 500 °С). Удельное электросопротивление семьдесят третьего элемента при 0 °С 13,2·10 -8 ом·м, при 2000 °С 87·10 -8 ом·м. При 4,38 К металл становится сверхпроводником. Тантал парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 0,849·10 -6 (при 18 °С).
Итак, тантал обладает уникальным комплексом физических свойств: высоким коэффициентом теплопередачи, высокой способностью поглощать газы, жаропрочностью, тугоплавкостью, твердостью, пластичностью. Кроме того, его отличает высокая прочность — он хорошо поддается обработке давлением всеми существующими методами: ковка, штамповка, прокатка, волочение, скручивание. Тантал характеризуется хорошей свариваемостью (сварка и пайка в среде аргона, гелия, либо в вакууме). Кроме того, тантал обладает исключительной химической и коррозионной стойкостью (с образованием анодной пленки), низким давлением пара и небольшой работой выхода электронов и, вдобавок, он прекрасно уживается с живой тканью организма.
Химические свойства
Определенно, одно из самых ценных свойств тантала — его исключительная химическая стойкость: в этом отношении он уступает только благородным металлам, да и то не всегда. Он устойчив к соляной, серной, азотной, фосфорной и органическим кислотам всех концентраций (вплоть до температуры 150 °С). По своей химической устойчивости тантал подобен стеклу — нерастворим в кислотах и их смесях, его не растворяет даже царская водка, против которой бессильны золото и платина и ряд других ценных металлов. Семьдесят третий элемент растворим только в смеси плавиковой и азотной кислот. Причем реакция с плавиковой кислотой происходит только с пылью металла и сопровождается взрывом. Даже в горячих соляной и серной кислотах тантал более стоек, чем его брат-близнец ниобий. Однако к воздействию щелочей тантал менее устойчив — горячие растворы едких щелочей разъедают металл. Соли танталовых кислот (танталаты) выражаются общей формулой: xMe 2 O·yТа 2 О 5 ·H 2 O, к ним относятся метатанталаты МеТаО 3 , ортотанталаты Ме 3 ТаО 4 , соли типа Me 5 TaO 5 , где Me — щелочной металл; в присутствии перекиси водорода образуются также пертанталаты. Наиболее важны танталаты щелочных металлов — КТаО 3 и NaTaO 3 ; эти соли — сегнетоэлектрики.
О высокой коррозионной стойкости тантала говорит и его взаимодействием с кислородом воздуха, а точнее высокая стойкость против данного воздействия. Металл начинает окисляться лишь при 280 °С, покрываясь защитной плёнкой Ta 2 O 5 (пентаоксид тантала — единственный стабильный окисел металла), которая защищает металл от действия химических реагентов и препятствует протеканию электрического тока от металла к электролиту. Однако с повышением температуры до 500 °С оксидная пленка постепенно становится пористой, расслаивается и отделяется от металла, лишая поверхность защитного слоя от коррозии. Поэтому целесообразно горячую обработку давлением производить в вакууме, так как на воздухе металл окисляется на значительную глубину. Присутствие азота и кислорода увеличивает твердость и прочность тантала, одновременно снижая его пластичность и делая металл хрупким, причем, как говорилось ранее, с кислородом тантал образует твердый раствор и оксид Ta 2 O 5 (с увеличением содержания O 2 в тантале происходит резкое повышение прочностных свойств и сильное снижение пластичности и коррозионной стойкости). С азотом тантал реагирует с образованием трех фаз — твердый раствор азота в тантале, нитриды тантала: Ta 2 N и TaN — в интервале температур от 300 до 1 100 °С. Избавиться от азота и кислорода в тантале возможно в условиях высокого вакуума (при температурах выше 2 000 °С).
С водородом тантал реагирует слабо вплоть до нагревания до 350 °С, скорость реакции значительно возрастает лишь с 450 °С (образуется гидрид тантала и тантал становится хрупким). Избавиться от водорода помогает все то же нагревание в вакууме (свыше 800 °С), при котором происходит восстановление механических свойств тантала, а водород полностью удаляется.
Фтор действует на тантал уже при комнатной температуре, фтористый водород также вступает в реакцию с металлом. Сухие хлор, бром и йод оказывают химическое действие на тантал при температуре 150 °С и выше. Активно взаимодействовать с металлом хлор начинает при температуре 250 °С, бром и йод при температуре 300 °С. С углеродом у тантала начинается взаимодействие при очень высоких температурах: 1 200—1 400 °С, при этом происходит образование тугоплавких карбидов тантала, которые весьма устойчивы к кислотам. С бором тантал соединяется в бориды — твердые тугоплавкие соединения, устойчивые к воздействию царской водки. Со многими металлами тантал образует непрерывные твердые растворы (молибден, ниобий, титан, вольфрам, ванадий и другие). С золотом, алюминием, никелем, бериллием и кремнием тантал образует ограниченные твердые растворы. Не образует никаких соединений тантал с магнием, литием, калием, натрием и некоторыми другими элементами. Чистый тантал устойчив к действию многих жидких металлов (Na, K, Li, Pb, к сплавам U-Mg и Pu-Mg).