ТАНТАЛ , Та, химический элемент V группы периодической системы, аналог ванадия и ниобия. Атомный вес 181,4; порядковое число 73. Тантал - металл стально-серого, в отполированном виде белого цвета; удельный вес ~ 16,6, температура плавления 2800°С, температура кипения выше 4400°С, т. о. тантал - третий по плавкости металл [выше плавятся вольфрам (3370 ±50°С) и рений (3167±60°С)]. Сопротивление на разрыв незакаленного тантала около 100 кг/см 2 ; твердость по Бринеллю 45,9. Чистый тантал легко поддается механической обработке: ковке, прокатке, волочению на холоде. Путем термической обработки его твердость м. б. значительно повышена. При нагревании тантал легко поглощает газы и становится хрупким; вследствие этого нагревание предназначенного к механической обработке тантал ведут в вакууме. Поглощенный водород тантал отдает с трудом; при температуре плавления легко поддается сварке. Удельная теплоемкость тантала 0,0365 при 0°С. Термический коэффициент расширения при 20°С - 0,0000065. В химическом отношении тантал чрезвычайно стоек при низких температурах, благодаря чему может заменять во многих случаях платину. При нагревании на воздухе при температуре около 400°С тантал начинает покрываться синей пленкой окислов, а при температуре красного каления сгорает полностью до пятиокиси тантала (см. ниже).
Непосредственно соединяется также при высоких температурах с азотом с образованием нитрида, с водородом с образованием гидрида и с углеродом с образованием карбида тантала; при обычной температуре соединяется с фтором. Минеральные кислоты, концентрированные и разбавленные, на него практически не действуют; исключением является плавиковая кислота, особенно в смеси с азотной, в которой тантал растворяется относительно быстро. Элементарный хлор практически на тантал не действует. Относительно быстро разрушается тантал щелочами, особенно горячими концентрированными растворами.
Соединения тантала . Важнейшие соединения производятся от пятивалентного тантала. Соединения низших степеней валентности менее стабильны и не имеют технического значения.
Пятиокись тантала Та 2 О 5 получается путем сильного прокаливания металлического тантала или его соединений с летучими веществами в кислороде или на воздухе. Практически получают ее путем прокаливания танталовой кислоты (см. ниже). Та 2 О 5 - белый порошок, удельный вес 8,70, нерастворимый в воде и кислотах за исключением плавиковой. При сильном прокаливании в вакууме Та 2 О 5 отщепляет кислород и образует металлический тантал. Путем сплавления Та 2 О 5 с едкими или углекислыми щелочами получают соли танталовой кислоты, танталаты : метатанталаты , например, NaTaО 3 , ортотанталаты , например, Na 3 TaО 4 , пиротанталаты , например, минерал иттротанталит, и политанталаты типа Me 8 Ta 6 O 19 . При воздействии минеральных кислот на растворы танталитов выделяется аморфный осадок гидратированной пятиокиси тантала непостоянного состава, т.н. танталовая кислота . Свежеосажденная танталовая кислота слабо растворяется в щелочах и минеральных кислотах; из последних осаждается при разбавлении. Пятифтористый тантал TaF 5 получается путем воздействия фтористого водорода на TaCl 5 (см. ниже). Кристаллизуется в виде бесцветных призм, температура плавления 96,8°С, температура кипения 229°С. С водой гидролизуется с образованием танталовой кислоты. Та F 5 обнаруживает большую склонность к образованию комплексных солей, которые получаются при добавлении соответствующих фтористых солей к раствору тантала в плавиковой кислоте. Большинство этих солей соответствует типу 2MeF TaF 5 , но известны и другие, как 2TaF 5 3BaF 2 ; TaF 5 3NaF; TaF 5 ·NaF. Флюoтанталат калия TaF 5 2KF, или K 2 TaF 7 , получают из растворов TaF 5 при добавлении солей калия, чем пользуются для отделения тантала от ниобия и титана. В виду большого термического коэффициента растворимости эта соль хорошо перекристаллизовывается из горячей воды. Во избежание гидролиза эту операцию необходимо вести в присутствии небольшого избытка плавиковой кислоты. Пятихлористый тантал ТаС l 5 - желтое кристаллическое вещество, удельный вес 3,68, температура плавления 211°С и температура кипения 242°С, получается при воздействии хлора на металлический тантал. При нагревании на воздухе превращается в Та 2 О 5 . Вода разлагает ТаС l 5 с образованием хлористого водорода и танталовой кислоты. При нагревании ТаС l 5 в вакууме или при осторожном восстановлении его получают кристаллические низшие хлориды тантала зеленого цвета. Треххлористый тантал ТаС l 5 растворяется в воде без разложения; из зеленого раствора щелочи осаждается зеленый аморфный осадок гидроокиси тантала Та(ОН) 3 , обнаруживающей амфотерные свойства и растворимой как в избытке щелочи, так и в кислотах. При кипячении Та(ОН) 3 разлагает воду с образованием танталовой кислоты по реакции
Та(ОН) 3 + 2Н 2 О=Та(ОН) 5 + Н 2 .
При упаривании растворов ТаС l 3 с избытком соляной кислоты образуется своеобразная хлорокись Та 3 С l 7 O·ЗН 2 O. При сильном нагревании ТаС l 3 распадается на ТаС l 5 и ТаС l 2 . Карбид тантала ТаС чрезвычайно твердый, латунно-жёлтого цвета, получается путем нагревания в вакууме смеси порошков металлического тантала или Та 2 О 5 с углем; плавится при температуре около 3900°С.
Распространение тантала в земной коре определяется цифрой 2·10 -7 . В минералах он обычно в виде изоморфной примеси сопровождает ниобий . Важнейшим промышленным минералом является танталит, метатанталат железа Fe(TaО 3) 2 , в котором часть железа м. б. замещена железом , а часть тантала - ниобием (танталитами условно называют минералы изоморфного ряда (Fe, Mn) [(Ta, Nb)О 3 ] 2 , в которых тантал преобладает над ниобием). Важнейшие месторождения танталитов - Финляндия, Скандинавия и США (Коннектикут и Дакота), месторождения мирового значения в западной и северной Австралии. Во многих минералах тантал связан с редкими землями, как в фергусоните , ортотанталате (и ниобате) иттриевых земель Y [(Ta, Nb)О 4 ], иттротанталите , пиротанталате (и ниобате) тех же оснований Y 4 [(Ta, Nb) 2 О7] 3 и самарските , сложном ниоботанталате, найденном на Урале, содержащем также и уран. Редко встречающийся микролит представляет собой пиротанталат кальция Са 2 (Та 2 О 7). Пирохлор , эйксенит и поликраз - сложные титанониобаты, содержащие колеблющиеся количества тантала.
Для извлечения тантала из минералов последние сплавляют обычно с щелочными пиросульфатами в железных сосудах и выщелачивают плав водой. Остающуюся нерастворенной танталовую и ниобиевую кислоты растворяют в плавиковой. Для отделения от ниобиевой кислоты пользуются гл. обр. дробной кристаллизацией солей, чаще всего фторотанталатом калия K 2 TaF 7 . Путем восстановления фторотанталата калия металлическими натрием по реакции K 2 TaF 7 +5Na = 5NaF+2KF+Ta получают элементарный тантал в виде загрязненного окислами черного порошка. Для очистки его прокаливают в вакуумной электропечи до высоких температур, при которых окислы распадаются; образующийся порошок тантала прессуют и в вакууме же плавят.
Применение тантала довольно разнообразно; оно обусловливается его высокой температурой плавления, механическими свойствами и химической стойкостью. Тантал является первым металлом, из которого изготовляли (с 1903 до 1911 г.) нити для электроламп. Позднее он был вытеснен вольфрамом. В настоящее время из него готовят электроды электронных ламп. Тантал пользуются как материалом для изготовления химической аппаратуры (тиглей, чашек), физических приборов и хирургических, главным образом зубоврачебных инструментов, вечных перьев (самопишущих ручек), а также фильер в производстве искусственного шелка. Благодаря химической стойкости он применяется иногда как материал для электродов, особенно в электроанализе. В серной кислоте катод из тантала покрывается синей пленкой окислов, которая пропускает электрический ток только в одном направлении, благодаря чему тантал применяется в мокрых выпрямителях переменного тока. Сплавы тантала с железом , хромом, ванадием, молибденом и вольфрамом обладают большой твердостью, тугоплавкостью и химической стойкостью, в частности сплав с железом химически весьма стоек. До сих пор эти сплавы вследствие высокой цены тантала производились в относительно небольших масштабах. Из соединений тантала практическое значение имеет только карбид - одно из наиболее тугоплавких известных веществ, - обладающий очень большой твердостью. Он начинает находить применение в производстве режущих инструментов и как материал для высокотемпературных печей.
Тантал — «умный металл»
Тантал, свойства и характеристики которого оказались поистине уникальными, в наше время получил название «умный металл».
Немного истории
Тантал был открыт в 1802 г. Шведский химик А.Г. Экеберг изучал найденные минералы и обнаружил, что в них находится неизвестный в то время элемент, но выделить его в чистом виде он не смог. Неизвестный металл был назван в честь древнегреческого мифологического героя Тантала. На протяжении 4-х десятилетий химики ошибочно считали, что тантал и известный к тому времени ниобий - это один и тот же химический элемент. Получить его в чистом виде удалось немецким химикам в 1903 г, а в промышленных целях он начал активно использоваться в годы Второй мировой войны.
Описание и свойства тантала
В периодической таблице этот металл занимает 73-ю позицию, обозначается Ta.
При нормальных условиях имеет серебристый цвет, внешне похож на серебро и некоторые другие благородные металлы. За счет окисления в воздухе покрывается оксидной пленкой, темнеет, становится более похожим на свинец. При комнатной температуре окисление протекает очень медленно, поэтому металл долго сохраняет свой характерный цвет. Активное окисление в воздухе начинается при температуре выше 280°С.
С галогенами металл вступает в реакции при низких температурах, но сразу покрывается поверхностной пленкой, которая защищает его от дальнейших реакций по всему объему.
Температура плавления относительно высокая, составляет 3017°С. Она намного выше, чем у многих металлов. Для сравнения:
- свинец — 327°С;
- алюминий — 660°С;
- латунь - до 1000°С;
- золото — 1064°С;
- медь — 1083°С;
- железо — 1540°С.
Благодаря высочайшей прочности металла тантала, его используют во многих отраслях производства
Среди материалов, широко используемых в промышленности, по температуре плавления тантал уступает вольфраму, у которого эта величина равна 3420°С.
Плотность тантала равна 16700 кг/м3, этот металл намного плотнее, чем распространенные железо и медь, у которых она равна соответственно 7870 и 8940 кг/м3. По плотности его можно сравнить с золотом, плотностью которого 19320 кг/м3. Тантал обладает высокой твердостью. Несмотря на свойства, это очень пластичный металл. Материал можно раскатать до толщины 1 мкм. Такой пластичностью обладает только золото.
Прокат материала проводится без нагревания, что значительно упрощает его обработку. Механическую прочность можно повысить наклепом. При температуре ниже — 196°С свойство пластичности исчезает, металл становится хрупким.
По магнитным свойствам тантал относят к парамагнетикам. Свойства парамагнетика хорошо проявляются при температурах ниже 3420°С, затем металл становится ферромагнетиком.
Тантал обладает высочайшей устойчивостью к агрессивным действиям среды. Его не разрушает азотная кислота с концентрацией 70%. На него не действует серная кислота, нагретая до 150°С, но при повышении температуры кислоты до 200°С начинается медленное разрушение металла.
Такая антикоррозийная стойкость металла, превышающая стойкость нержавеющей стали, сделала его незаменимым в целом ряде производственных процессов.
Для выделения драгоценных металлов из растворов и расплавов их солей применяется электролиз. Но катоды, на которые осаждаются благородные металлы, при этом быстро разрушаются. Замена катодов, изготовленных из обычных металлов, на танталовые сделала процесс электролиза намного эффективнее и дешевле. Этот способ применяется и для выделения из руд редкоземельных элементов.
Тантал обладает высокой биологической совместимостью, поэтому получил широкое применение в медицине. Протезы и имплантаты из него не оказывают химического воздействия на организмы, не окисляются, поэтому организмом не отторгаются.
К хорошим проводникам электрического тока тантал отнести нельзя, его удельное сопротивление при 20°С составляет 0,13 Ом*мм²/м, оно больше, чем у железа (0,1 Ом*мм²/м). Но он обладает относительно высокой температурой перехода в состояние сверхпроводимости, она равна 4,5К. При более высокой температуре в состояние сверхпроводимости переходят ванадий (5,3К), свинец (7,2К) и его «близнец» ниобий (9,2К). Это свойство тантала сделало его востребованным в производстве сверхпроводников криотонов, используемых в электронно-вычислительной технике. В радиоэлектронике используются конденсаторы с танталовыми обкладками. Они оказались самыми эффективными, но работать могут при небольших значениях напряжения.
В военной промышленности сплавы тантала используются для увеличения пробивной способности снарядов.
В научных и военных целях радиоактивные изотопы используются для создания источников гамма-излучения. Радиоактивные изотопы входят в состав ископаемых, но в гораздо большей концентрации они содержатся в отходах, остающихся после работы ядерных реакторов.
Тантал применяется при строительстве защиты ядерных реакторов, так как это один из немногих элементов, не разрушающихся от действия паров цезия.
На поверхности режущего инструмента для придания ему особой прочности наносится карбид тантала. Такой инструмент используется для резки и сверления особо прочных материалов, при бурении глубинных скважин в твердых породах.
Тантал благодаря высочайшей прочности, устойчивости к окислению и высокой температуре плавления используется в производстве авиационных и ракетных двигателей.
Детали, изготовленные из тантала, в агрессивных средах служат на десятки лет дольше, чем изготовленные из других материалов с высокой коррозийной стойкостью.
Все физические характеристики материала можно изменять, внося в него легирующие добавки.
Добыча тантала
Благодаря изыскательским работам были найдены новые месторождения металла тантал
В земной коре тантала содержится около 0,0002%, поэтому он относится к редким элементам. Но практически во всех странах имеются месторождения его соединений. В Европе самые большие и богатые месторождения находятся во Франции, небольшие месторождения есть в большинстве стран бывшего СССР. Среди африканских стран самыми большими запасами сырья обладает Египет. Но самые крупные и богатые месторождения, известные и разработанные на сегодняшний день располагаются в Австралии.
Встречается элемент в виде собственных солей, или он входит в состав других минералов. Во втором случае ему обязательно сопутствует ниобий. Минералы могут быть стабильными и радиоактивными.
Добыча этого металла составляет 420 тонн в год. Лидирующие государства по добыче и переработке - США и ФРГ.
Из-за мирового кризиса спрос на тантал несколько снизился, но с 2010 г. опять возрос. В последнее время проводятся активные изыскательские работы. Благодаря им были открыты новые месторождения в США, Бразилии, ЮАР.
Различие свойств тантала в виде кусков и порошкообразного так велико, что кажется, будто это два разных металла. Порошок при нагревании довольно энергично взаимодействует с кислородом (280°С):
4Та+5О2 = 2Та2О5,
с галогенами (250 - 300°С):
2Ta + 5Cl2 = 2TaCl5,
и даже с азотом (при накаливании до 600о С в токе азота):
Металлический тантал же устойчив в подавляющем большинстве агрессивных сред. На него не действуют никакие кислоты и даже «царская водка». Исключение составляет лишь плавиковая кислота H2F2, но это из-за присутствия в ней иона фтора. Очень слабо действуют на него даже расплавы щелочей.
Секрет устойчивости металлического тантала состоит в том, что на его поверхности всегда имеется тонкая, но прочнейшая пленка оксида Ta2O5. Если вещество или соединение может вступать во взаимодействие с этой пленкой или проникать сквозь нее, то оно будет разрушать металл, а если нет, то тантал будет сохранять свою «неприступность». К реагентам, обладающим разрушительной способностью, относятся: ионы фтора, оксид серы (VI) да еще расплавы щелочей. Эта же пленка препятствует протеканию электрического тока от металла в раствор при электролизе (когда танталовый электрод служит анодом). Поэтому тантал используется в электронной технике для изготовления выпрямителей тока.
В отсутствие кислорода и азота тантал устойчив ко многим жидким металлам. Обескислороженный металлический натрий не действует на него даже при 1200°С, магний и сплавы - уран-магний и плутоний-магний - при 1150°С. Это позволяет использовать тантал для изготовления некоторых деталей ядерных реакторов.
Тантал способен поглощать довольно значительные количества (до 1%) водорода, кислорода и азота. Происходит процесс, который называется абсорбцией, - явление поглощения какого-либо вещества всем объемом поглотителя без образования прочных соединений. Подобный процесс обратим. Поглощенный водород при нагревании металла в вакууме при 600°С весь выделяется. Металл, которому водород придал хрупкость, восстанавливает свои прежние механические качества. Свойством тантала растворять газы пользуются, когда вводят его в качестве добавки в сталь.
При. повышенной температуре происходит образование соединений. При 500°С могут существовать гидриды Та2Н или ТаН в зависимости от содержания водорода в металле. Выше 600 - 700°С при взаимодействии с кислородом возникает оксид Та2О5, примерно при такой же температуре идет реакция с азотом - появляется нитрид тантала TaN. Углерод при высокой температуре (1200-1400°С) соединяется с танталом, давая ТаС - тугоплавкий и твердый карбид.
В расплавленных щелочах тантал окисляется с образованием солей танталовой кислоты, которые скорее можно считать смешанными оксидами 4Na2O.
3Та2О5.
25Н2О; 4К2О.
3Та2О5.
16Н2О. В плавиковой кислоте тантал растворяется с образованием фторидных комплексов типа [ТаF6]-, 2-, 3-. Так как комплексы неустойчивы и гидролизуются, то в растворе находятся комплексы - продукты гидролиза [ТаОF5]2-, 3-.
