Применение тантала в высокотехнологичных областях промышленности. Свойства и применение тантала

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.

Фригийского царя Тантала боги наказали за неоправданную жестокость. Они обрекли Тантала на вечные муки жажды, голода и страха. С тех пор стоит он в преисподней по горло в прозрачной воде. Под тяжестью созревших плодов склоняются к нему ветви деревьев. Когда томимый жаждой Тантал пытается напиться, вода уходит вниз. Стоит ему протянуть руку к сочным плодам, ветер поднимает ветвь, и обессилевший от голода грешник не может ее достать. А прямо над его головой нависла скала, грозя в любой миг обрушиться.

Так мифы Древней Греции повествуют о муках Тантала. Должно быть, не раз шведскому химику Экебергу пришлось вспомнить о танталовых муках, когда он безуспешно пытался растворить в кислотах «землю», открытую им в 1802 г., и выделить из нее новый элемент. Сколько раз, казалось, ученый был близок к цели, но выделить новый металл в чистом виде ему так и не удалось. Отсюда – «мученическое» название элемента №73.

Споры и заблуждения

Спустя некоторое время выяснилось, что у тантала есть двойник, который появился на свет годом раньше. Этот двойник – элемент №41, открытый в 1801 г. и первоначально названный Колумбией. Позже его переименовали в ниобий. Сходство ниобия и тантала ввело в заблуждение химиков. После долгих споров они пришли к выводу, что тантал и Колумбии – одно и то же.

Поначалу такого же мнения придерживался и известнейший химик того времени Йене Якоб Берцелиус, однако в дальнейшем он усомнился в этом. В письме к своему ученику немецкому химику Фридриху Вёлеру Берцелиус писал:

«Посылаю тебе обратно твой X, которого я вопрошал, как мог, но от которого я получил уклончивые ответы. Ты титан? – спрашивал я. Он отвечал: Вёлер же тебе сказал, что я не титан.

Я также установил это.

– Ты цирконий? – Нет, – отвечал он, – я же растворяюсь в соде, чего не делает циркониевая земля. – Ты олово? – Я содержу олово, но очень мало. – Ты тантал? Я с ним родствен, – отвечал он, – но я растворяюсь в едком кали и осаждающий из него желто-коричневым. – Ну что же ты тогда за дьявольская вещь? – спросил я. Тогда мне показалось, что он ответил: мне не дали имени.

Между прочим, я не вполне уверен, действительно ли я это слышал, потому что он был справа от меня, а я очень плохо слышу на правое ухо. Так как твой слух лучше моего, то я тебе шлю этого сорванца назад, чтобы учинить ему новый допрос…»

Речь в этом письме шла об аналоге тантала – элементе, открытом англичанином Чарльзом Хэтчетом в 1801 г.

Но и Вёлеру не удалось внести ясность во взаимоотношения тантала с Колумбией. Ученым суждено было заблуждаться более сорока лет. Лишь в 1844 г. немецкому химику Генриху Розе удалось разрешить запутанную проблему и доказать, что Колумбии, как и тантал, имеет полное право на «химический суверенитет». А уж поскольку налицо были родственные связи этих элементов, Розе дал Колумбию новое имя – ниобий, которое подчеркивало их родство (в древнегреческой мифологии Ниобея – дочь Тантала ).

Первые шаги

На протяжении многих десятилетий конструкторы и технологи не проявляли к танталу никакого интереса. Да собственно говоря, тантала, как такового, попросту и не существовало: ведь в чистом компактном виде этот металл ученые смогли получить лишь в XX в. Первым это сделал немецкий химик фон Болтон в 1903 г. Еще раньше попытки выделить тантал в чистом виде предпринимали многие ученые, в частности Муассан. Но металлический порошок, полученный Муассаном, восстановившим пятиокись тантала Ta 2 O 5 углеродом в электрической печи, не был чистым танталом , порошок содержал 0,5% углерода.

Итак, в начале нашего века в руки исследователей попал чистый тантал, и теперь они уже могли детально изучить свойства этого светло-серого металла со слегка синеватым оттенком.

Что же он собой представляет? Прежде всего – это тяжелый металл: его плотность 16,6 г/см 3 (заметим, что для перевозки кубометра тантала понадобилось бы шесть трехтонных грузовиков).

Высокая прочность и твердость сочетаются в нем с отличными пластическими характеристиками. Чистый тантал хорошо поддается механической обработке, легко штампования, перерабатывается в тончайшие листы (толщиной около 0,04 мм) и проволоку. Характерная черта тантала – его высокая теплопроводность. Но, пожалуй, самое важное физическое свойство тантала – тугоплавкость: он плавится почти при 3000°C (точнее, при 2996°C), уступая в этом лишь вольфраму и рению.

Когда стало известно, что тантал весьма тугоплавок, у ученых возникла мысль использовать его в качестве материала для нитей электроламп. Однако уже спустя несколько лет тантал вынужден был уступить это поприще еще более тугоплавкому и не столь дорогому вольфраму.

В течение еще нескольких лет тантал не находил практического применения. Лишь в 1922 г. его смогли использовать в выпрямителях переменного тока (тантал, покрытый окисной пленкой, пропускает ток лишь в одном направлении), а спустя еще год – в радиолампах. Тогда же началась разработка промышленных методов получения этого металла. Первый промышленный образец тантала, полученный одной из американских фирм в 1922 г., был величиной со спичечную головку. Спустя двадцать лет та же фирма ввела в эксплуатацию специализированный завод по производству тантала.

Как тантал разлучают с ниобием

Земная кора содержит всего лишь 0,0002% Ta, но минералов его известно много – свыше 130. Тантал в этих минералах, как правило, неразлучен с ниобием, что объясняется чрезвычайным химическим сходством элементов и почти одинаковыми размерами их ионов.

Трудность разделения этих металлов долгое время тормозила развитие промышленности тантала и ниобия. До недавних пор их выделяли лишь способом, предложенным еще в 1866 г. швейцарским химиком Мариньяком, который воспользовался различной растворимостью фтор танталата и фтор ниобата калия в разбавленной плавиковой кислоте.

В наши дни основной способ производства металлического тантала – электролиз расплавленного фтор танталата калия в графитовых, чугунных или никелевых тиглях, служащих по совместительству катодами. Танталовый порошок осаждается на стенках тигля. Извлеченный из тигля, этот порошок подвергают сначала прессованию в пластины прямоугольного сечения (если заготовка предназначена для прокатки в листы) либо в штабики квадратного сечения (для волочения проволоки), а затем – спеканию.

Некоторое применение находит также натриетермический способ получения тантала. В этом процессе взаимодействуют фтор танталат калия и металлический натрий:

K 2 TaF 7 + 5Na → Ta + 2KF + 5NaF.

Конечный продукт реакции – порошкообразный тантал, который затем спекают. В последние два десятилетия стали применять и другие методы обработки порошка – дуговую или индукционную плавку в вакууме и электронно-лучевую плавку.

На службе химии

Несомненно, самое ценное свойство тантала – его исключительная химическая стойкость: в этом отношении он уступает только благородным металлам, да и то не всегда.

Тантал не растворяется даже в такой химически агрессивной среде, как царская водка, которая без труда растворяет и золото, и платину, и другие благородные металлы. О высочайшей коррозионной стойкости тантала свидетельствуют и такие факты. При 200°C он не подвержен коррозии в 70%-ной азотной кислоте, в серной кислоте при 150°C коррозии тантала также не наблюдается, а при 200°C металл корродирует, но лишь на 0,006 мм в год.

К тому же тантал – металл пластичный, из него можно изготовлять тонкостенные изделия и изделия сложной формы. Неудивительно, что он стал незаменимым конструкционным материалом для химической промышленности.

Танталовую аппаратуру применяют в производстве многих кислот (соляной, серной, азотной, фосфорной, уксусной), брома, хлора, перекиси водорода. На одном из предприятий, использующих газообразный хлористый водород, детали из нержавеющей стали выходили из строя уже через два месяца. Но, как только сталь была заменена танталом, даже самые тонкие детали (толщиной 0,3…0,5 мм) оказались практически бессрочными – срок службы их увеличился до 20 лет.

Из всех кислот лишь плавиковая способна растворять тантал (особенно при высокой температуре). Из него изготовляют змеевики, дистилляторы, клапаны, мешалки, аэраторы и многие другие детали химических аппаратов. Реже – аппараты целиком.

Многие конструкционные материалы довольно быстро теряют теплопроводность: на их поверхности образуется плохо проводящая тепло окисная или солевая пленка. Танталовая аппаратура свободна от этого недостатка, вернее, пленка окисла может на нем образоваться, но она тонка и хорошо проводит тепло. Кстати, именно высокая теплопроводность в сочетании с пластичностью сделали тантал прекрасным материалом для теплообменников.

Танталовые катоды применяют при электролитическом выделении золота и серебра. Достоинство этих катодов заключается в том, что осадок золота и серебра можно смыть с них царской водкой, которая не причиняет вреда танталу.

Тантал важен не только для химической промышленности. С ним встречаются и многие химики-исследователи в своей повседневной лабораторной практике. Танталовые тигли, чашки, шпатели – вовсе не редкость.

«Нужно иметь танталовые нервы…»

Уникальное качество тантала – его высокая биологическая совместимость, т.е. способность приживаться в организме, не вызывая раздражения окружающих тканей. На этом свойстве основано широкое применение тантала в медицине, главным образом в восстановительной хирургии – для ремонта человеческого организма. Пластинки из этого металла используют, например, при повреждениях черепа – ими закрывают проломы черепной коробки. В литературе описан случай, когда из танталовой пластинки было сделано искусственное ухо, причем пересаженная с бедра кожа при этом настолько хорошо прижилась, что вскоре танталовое ухо трудно было отличить от настоящего.

Танталовой пряжей иногда возмещают потери мускульной ткани. С помощью тонких танталовых пластин хирурги укрепляют после операции стенки брюшной полости. Танталовыми скрепками, подобными тем, которыми сшивают тетради, надежно соединяют кровеносные сосуды. Сетки из тантала применяют при изготовлении глазных протезов. Нитями из этого металла заменяют сухожилия и даже сшивают нервные волокна. И если выражение «железные нервы» мы обычно употребляем в переносном смысле, то людей с танталовыми нервами, быть может, вам приходилось встречать.

Право, есть что-то символическое в том, что именно на долю металла, названного в честь мифологического мученика, выпала гуманная миссия – облегчать людские муки…

Основной заказчик – металлургия

Однако на медицинские нужды расходуется лишь 5% производимого в мире тантала, около 20% потребляет химическая промышленность. Основная часть тантала – свыше 45% – идет в металлургию. В последние годы тантал все чаще используют в качестве легирующего элемента в специальных сталях – сверхпрочных, коррозиестойких, жаропрочных. Действие, оказываемое на сталь танталом, подобно действию ниобия. Добавка этих элементов к обычным хромистым сталям повышает их прочность и уменьшает хрупкость после закалки и отжига.

Очень важная область применения тантала – производство жаропрочных сплавов, в которых все больше и больше нуждается ракетная и космическая техника. Замечательными свойствами обладает сплав, состоящий из 90% тантала и 10% вольфрама. В форме листов такой сплав работоспособен при температуре до 2500°C, а более массивные детали выдерживают свыше 3300°C! За рубежом этот сплав считают вполне надежным для изготовления форсунок, выхлопных труб, деталей систем газового контроля и регулирования и многих других ответственных узлов космических кораблей. В тех случаях, когда сопла ракет охлаждаются жидким металлом, способным вызвать коррозию (литием или натрием), без сплава тантала с вольфрамом просто невозможно обойтись.

Еще большую жаропрочность детали из тантал-вольфрамового сплава приобретают, если на них нанесен слой карбида тантала (температура плавления этого покрытия – свыше 4000°C). При опытных запусках ракет такие сопла выдерживали колоссальные температуры, при которых сам сплав быстро корродирует и разрушается.

Другое достоинство карбида тантала – его твердость, близкая к твердости алмаза, – привело этот материал в производство твердосплавного инструмента для скоростного резания металла.

Работа под напряжением

Приблизительно четвертая часть мирового производства тантала идет в электротехническую и электровакуумную промышленность. Благодаря высокой химической инертности как самого тантала, так и его окисной пленки, электролитические танталовые конденсаторы весьма стабильны в работе, надежны и долговечны: срок их службы достигает 12 лет, а иногда и больше. Миниатюрные танталовые конденсаторы используют в передатчиках радиостанций, радарных установках и других электронных системах. Любопытно, что эти конденсаторы могут сами себя ремонтировать: предположим, возникшая при высоком напряжении искра разрушила изоляцию – тотчас же в месте пробоя вновь образуется изолирующая пленка окисла, и конденсатор продолжает работать как ни в чем не бывало.

Окись тантала обладает ценнейшим для электротехники свойством: если через раствор, в который погружен тантал, покрытый тончайшей (всего несколько микрон!) пленкой окиси, пропускать переменный электрический ток, он пойдет лишь в одном направлении – от раствора к металлу. На этом принципе основаны танталовые выпрямители, которые применяют, например, в сигнальной службе железных дорог, телефонных коммутаторах, противопожарных сигнальных системах.

Тантал служит материалом для различных деталей электровакуумных приборов. Как и ниобий, он отлично справляется с ролью геттера, т.е. газопоглотителя. Так, при 800°C тантал способен поглотить количество газа, в 740 раз больше его собственного объема. А еще из тантала делают горячую арматуру ламп – аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие нагреваемые детали. Тантал особенно нужен лампам, которые, работая при высоких температурах и напряжениях, должны долго сохранять точные характеристики. Танталовую проволоку используют в кенотронах – сверхпроводящих элементах, нужных, например, в вычислительной технике.

Побочные «специальности» тантала

Тантал – довольно частый гость в мастерских ювелиров, во многих случаях им заменяют платину. Из тантала делают корпуса часов, браслеты и другие ювелирные изделия. И еще в одной области элемент №73 конкурирует с платиной: стандартные аналитические разновесы из этого металла по качеству не уступают платиновым. В производстве наконечников для перьев автоматических ручек танталом заменяют более дорогой иридий. Но и этим послужной список тантала не исчерпывается. Специалисты по военной технике считают, что из тантала целесообразно изготовлять некоторые детали управляемых снарядов и реактивных двигателей.

Широкое применение находят и соединения тантала. Так, фтортанталат калия используют как катализатор в производстве синтетического каучука. В этой же роли выступает и пятиокись тантала при получении бутадиена из этилового спирта.

Окись тантала иногда применяют и в стеклоделии – для изготовления стекол с высоким коэффициентом преломления. Смесь пяти окиси тантала Ta 2 O 5 с небольшим количеством трехокиси железа предложено использовать для ускорения свертывания крови. Гидриды тантала успешно служат для припаивания контактов на кремниевых полупроводниках.

Спрос на тантал постоянно растет, и поэтому можно не сомневаться, что в ближайшие годы производство этого замечательного металла будет увеличиваться быстрее, чем сейчас.

Тантал тверже… тантала

Танталовые покрытия не менее привлекательны, чем, скажем, никелевые и хромовые. Привлекательны не только внешне. Разработаны способы, позволяющие покрывать танталовым слоем различной толщины изделия больших размеров (тигли, трубы, листы, сопла ракет), причем покрытие может быть нанесено на самые разнообразные материалы – сталь, железо, медь, никель, молибден, окись алюминия, графит, кварц, стекло, фарфор и другие. Характерно, что твердость танталового покрытия, по Бринелю, составляет 180…200 кг/мм 2 , в то время как твердость технического тантала в виде отожженных прутков или листов колеблется в пределах 50…80 кг/мм 2 .

Дешевле платины, дороже серебра

Замена платины танталом, как правило, весьма выгодна – он дешевле ее в несколько раз. Тем не менее дешевым тантал не назовешь. Относительная дороговизна тантала объясняется высокой ценой материалов, используемых в его производстве, и сложностью технологии получения элемента №73: для получения тонны танталового концентрата необходимо переработать до 3 тыс. т руды.

Металл из гранита

Поиски танталового сырья продолжаются и в наши дни. Ценные элементы, в том числе тантал, есть в обычных гранита. В Бразилии уже пробовали добывать тантал из гранитов. Правда, промышленного значения этот процесс получения тантала и других элементов пока не имеет – он весьма сложен и дорог, но получить тантал из такого необычного сырья сумели.

Только один окисел

Раньше считалось, что, подобно многим другим переходным металлам, тантал при взаимодействии с кислородом может образовывать несколько окислов разного состава. Однако более поздние исследования показали, что кислород окисляет тантал всегда до пятиокиси Ta 2 O 5 . Существовавшая путаница объясняется образованием твердых растворов кислорода в тантале. Растворенный кислород удаляется при нагревании выше 2200°C в вакууме. Образование твердых растворов кислорода сильно сказывается на физических свойствах тантала. Повышаются его прочность, твердость, электрическое сопротивление, но зато снижаются магнитная восприимчивость и коррозионная стойкость.

Ta
↓
Db

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.

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 расслоенным 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

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

Химические свойства

При нормальных условиях тантал малоактивен, на воздухе окисляется лишь при температуре свыше 280 °C , покрываясь оксидной плёнкой Ta 2 O 5 ; с галогенами реагирует при температуре свыше 250 °C . При нагревании реагирует с С, В, Si, P, Se, Те, Н 2 О, СО, СО 2 , NO, HCl, H 2 S.

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

Получение

Основным сырьём для производства тантала и его сплавов служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие около 8 % Та 2 О 5 , а также 60 % и более Nb 2 O 5 . Концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые - хлорируют. Разделение Та и Nb производят с помощью экстракции . Металлический тантал обычно получают восстановлением Ta 2 O 5 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

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 атомных 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 атомной технике для варки стекла, поглощающего гамма-излучение . Один из наиболее широко применяемых составов такого стекла: двуокись кремния - 2 %, монооксид свинца (глет) - 82 %, оксид бора - 14 %, пятиокись тантала - 2 %;
В нумизматике. С 2006 год

Несомненно, самое ценное свойство тантала - его исключительная химическая стойкость: в этом отношении он уступает только благородным металлам, да и не всегда. не растворяется даже в такой химически агрессивной среде, как царская водка, которая без труда растворяет и , и платину, и другие . О высочайшей коррозионной стойкости тантала свидетельствуют и такие факты. При 200° С он не подвержен коррозии в 70%-ной азотной кислоте, в серной кислоте при 150° С коррозии тантала также не наблюдается, а при 200° С металл корродирует, но лишь на 0,006 мм в год.

К тому же - металл пластичный, из него можно изготовлять тонкостенные изделия и изделия сложной формы. Неудивительно, что он стал незаменимым конструкционным материалом для химической промышленности. Танталовую аппаратуру применяют в производстве многих кислот (соляной, серной, азотной, фосфорной, уксусной), брома, хлора, перекиси водорода. На одном из предприятий, использующих газообразный хлористый , детали из нержавеющей стали выходили из строя уже через два месяца. Но, как только сталь была заменена танталом, даже самые тонкие детали (толщиной 0,3-0,5 мм) оказались практически бессрочными - срок службы их увеличился до 20 лет.

Из всех кислот лишь плавиковая способна растворять (особенно при высокой температуре). Из него изготовляют змеевики, дистилляторы, клапаны, мешалки, аэраторы и многие другие детали химических аппаратов. Реже - аппараты целиком.Многие конструкционные материалы довольно быстро теряют теплопроводность: на их поверхности образуется плохо проводящая тепло окисная или солевая пленка. Танталовая аппаратура свободна от этого недостатка, вернее, пленка окисла может на нем образоваться, но она тонка и хорошо проводит тепло.

Кстати, именно высокая теплопроводность в сочетании с пластичностью сделали тантал прекрасным материалом для теплообменников.Танталовые катоды применяют при электролитическомвы делении золота и серебра. Достоинство этих катодов включается в том, что осадок золота и серебра можно смыть с них царской водкой, которая не причиняет вредатанталу.Тантал важен не только для химической промышленности. С ним встречаются и многие химики-исследователи в своей повседневной лабораторной практике. Танта-довые тигли, чашки, шпатели - вовсе не редкость«Нужно иметь танталовые нервы…»Уникальное качество тантала - его высокая биологическая совместимость, т. е. способность приживаться в организме, не вызывая раздражения окружающих тканей. На этом свойстве основано широкое применение тантала в медицине, главным образом в восстановительной хирургии - для ремонта человеческого организма.

Пластинки из этого металла используют, например, при повреждениях черепа - ими закрывают проломы черепной коробки. В литературе описан случай, когда из танталовой пластинки было сделано искусственное ухо, причем пересаженная с бедра кожа при этом настолько хорошо прижилась, что вскоре танталовое ухо трудно было отличить от настоящего. Танталовой пряжей иногда возмещают потери мускульной ткани. С помощью тонких танталовых пластин хирурги укрепляют после операции стенки брюшной полости. Танталовыми скрепками, подобными тем, которыми сшивают тетради, надежно соединяют кровеносные сосуды. Сетки из тантала применяют при изготовлении глазныхпротезов. Нитями из этого металла заменяют сухожилия и даже сшивают нервные волокна. И если выражение «железные нервы» мы обычно употребляем в переносном смысле, людей с танталовыми нервами, быть может, вам приходилось встречать.Право, есть что-то символическое в том, что именно на долю металла, названного в честь мифологического мученика, выпала гуманная миссия - облегчать людские муки. ..

Как тантал разлучают с ниобием.

Земная кора содержит всего лишь 0,0002% Та, но минералов его известно много - свыше 130. Тантал в этих минералах, как правило, неразлучен с ниобием, что объясняется чрезвычайным химическим сходством элементов и почти одинаковыми размерами их ионов.Трудность разделения этих металлов долгое время тормозила развитие промышленности тантала и ниобия. До недавних пор их выделяли лишь способом, предложенным еще в 1866 г. швейцарским химиком Мариньяком, который воспользовался различной растворимостью фтор-танталата и фторниобата калия в разбавленной плавиковой кислоте.

В последние годы важное значение приобрели также экстракционные методы выделения тантала, основанные на различной растворимости солей тантала и ниобия в некоторых органических растворителях. Опыт показал, что наилучшими экстракционными свойствами обладают метилизобутилкетон и циклогексанон.В наши дни основной способ производства металлического тантала - расплавленного фтортантала-та калия в графитовых, чугунных или никелевых тиглях, служащих по совместительству катодами. Танталовый порошок осаждается на стенках тигля.

Извлеченный из тигля, этот порошок подвергают сначала прессованию в пластины прямоугольного сечения (если заготовка предназначена для прокатки в листы) либо в штабики квадратного сечения (для волочения проволоки), а затем - спеканию.Некоторое применение находит также натриетермиче-ский способ получения тантала. В этом процессе взаимодействуют фтортанталат калия и металлический :

K 2 TaF 7 + 5Na → Та + 2KF + 5NaF.

Конечный продукт реакции - порошкообразный тантал, который затем спекают. В последние два десятилетия стали применять и другие методы обработки порошка -дуговую или индукционную плавку в вакууме и электронно-лучевую плавку.

Статья на тему Тантал химические свойства

Открытие тантала состоялось в 1802 году, однако для получения первого образца чистого металла понадобилось еще 100 лет. Нахождение этого редкого элемента в земной коре крайне незначительно (0,0002 %). При этом он встречается как в виде стабильного (181Та), так и в виде радиоактивного изотопа (180mТа).

Тантал находят в гранитных, щелочных, кабонатитных месторождениях, где он может присутствовать в составе более чем 60-ти минералов, включая колумбит-танталит, манганотанталит, воджинит, лопарит и др. Этот металл добывается Египте, Таиланде, Франции, Нигерии, Канаде, странах СНГ. Самым же крупным месторождением танталовых руд в мире считается австралийское – Гринбушес.

Свойства тантала

Главная особенность тантала – исключительная химическая стойкость перед сильными кислотами и расплавами щелочных металлов. Нагрев этого металла на воздухе до 200-300 о С приводит к его окислению, сопровождаемому образованием газонасыщенного слоя под окисной пленкой.

Физические характеристики тантала:

плотность – 16,6 г/см 3
температура плавления – 2996°С
температура кипения – 5425°С
теплота сгорания – 1346 кал/г
теплопроводность при 20 о С – 0,13 кал/см-сек-град
коэффициент линейного расширения при 20-500 о С – 6,6*10 -6

Сплавы тантала

Чтобы понять, для чего нужен тантал, стоит обратить внимание на его химические характеристики. Этот металл наделен слабыми химическими свойствами, поэтому не растворяется даже в царской водке. Эта его устойчивость используется при создании различных сплавов, в том числе идущих на изготовление металлических конструкций.

Лучшей легирующей добавкой тантала считают вольфрам, ниобий и молибден. Наиболее популярным и востребованным является сплав тантала и вольфрама (в количестве 10%), который отличается очень высоким пределом прочности – 96 кГ/мм 2 . Не менее распространен сплав тантала с гафнием, который выпускается в виде проката: листов, проволоки, полос, трубок и т.д.

Применение тантала

Применение тантала и его многочисленных сплавов весьма разнообразно:

сухие электролитические конденсаторы
нагреватели в вакуумных печах
катоды косвенного нагрева
основа для производства ряда кислот (H 2 SO 4 , HCl, HNO 3 и др.)

Благодаря стойкости металла к коррозии применение танталовых конденсаторов в радарных аппаратах и других электронных системах позволяет увеличить срок эксплуатации передатчиков до 10-12 лет. Используют тантал и ювелиры: этим металлом они часто заменят платину при изготовлении оболочек браслетов и часов.

Интересна и биологическая роль тантала, ведь он прекрасно воспринимается человеческим организмом, а потому идёт на производство пластин для черепных коробок, глазных протезов и материалов для сшивания нервных волокон.