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 (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).
Тантал – особый вид металла, который относиться к группе благородных. Был открыт в далеком 1802 году, но считается молодым элементом. Несмотря на свою редкость, он широко используется не только в ювелирном деле, но и в промышленности. Особенно часто встречается в электронике — практически каждое устройство содержит его в составе.
Массовое использование этого металла началось в 40-х годах прошлого века и продолжается до сих пор. Свою популярность он обрел благодаря повышенным прочностным свойствам. При этом он имеет множество уникальных физических и химических свойств.
Физические и химические свойства
Среди физических свойств этого металла следует выделить высокую температуру плавления, которая составляет 3017 градусов Цельсия, что выделяет его среди многих аналогов. Благодаря этому его используют в тех сферах, где необходима повышенная устойчивость к экстремальным условиям. При этом к характеристикам тантала стоит отнести пластичность и твердость, сочетание которых довольно редко встречается в природе.
Температура плавления тантала 3017 °C.
Вышеупомянутые свойства тантала позволяют обрабатывать металл без особых усилий, создавать необходимые формы и размеры. Особое строение атома очень важно для создания деталей и механизмов конструкций повышенной ответственности. Тантал хорошо поддается ковке и прокату. При этом можно также успешно использовать метод холодной деформации. Следует выделить высокую теплопроводность.
Благодаря высокой плотности металл можно использовать для производства мелких шестеренок, деталей электроприборов, которые устойчивы к износу и не подвергаются разрушению после длительного периода использования.
В некоторых случаях его используют как поглотитель газа. Следует выделить электронную конфигурацию: металл имеет различные свойства электропроводности в обычном состоянии и при высоких температурах.
Соединение танталовых деталей можно проводить с помощью пайки, сварки или клепочным методом. Наиболее часто используют метод сваривания, так как качество сварного шва отличается высокой прочностью и стойкостью к физическому напряжению.
Среди химических свойств стоит выделить высокую устойчивость к окислению и воздействию щелочи. Однако, при расплавлении он частично подвержен воздействию щелочи. Окисление невозможно при температуре менее 250 градусов.
Химическими свойствами этот металл очень похож на стекло. Его практически невозможно растворить в кислоте, если не использовать плавиковую и азотную. Даже воздействие серной кислоты не влияет на структуру и форму металла. Возможно лишь появление небольшой пленки на поверхности. Также он не подвержен разрушению при длительном воздействии морской водой.
Нахождение в природе и производство тантала
Тантал, как химический элемент, очень редко встречается в природе, составляет всего 0,0002% от земной коры. Очень редко встречается в чистом виде, чаще всего в составе различных минералов, в соседстве с другим металлом – ниобием.
Месторождения этого элемента встречаются в многих странах. Большие месторождения встречаются во Франции, Египте, Китае и Таиланде. Но наибольшие залежи этого элемента находятся в Австралии. Тантал добывается в размерах более чем 400 тонн ежегодно. При этом потребность в его использовании постоянно растет, что связано с увеличением объема производимой электротехники с использованием данного метала. Исходя из этого, наблюдается постоянная разработка новых месторождений.
В нашей стране производство тантала сосредоточено на Соликамском магниевом заводе. Металл получают после переработки лопаритовых концентратов. В других странах используют также другие минералы, такие как рутил, стрюверит, танталит и колумбит.
Крупнейшими производителями этого металла в мире являются США, Япония и Китай. Количество мировых производителей не превышает 40 фирм. Стоимость — от 1000 долларов за кг.
Сплавы на основе тантала
Благодаря особым физическим свойствам данный металл в чистом виде очень часто используется в промышленности. Однако для повышения прочности и устойчивость к высоким температурам могут использоваться сплавы на его основе, добавляться соответствующие легирующие компоненты.
Сплавы тантала могут сохранять твердое состояние при температуре около 1700 градусов. Это необходимо при использовании соединений тантала в энергетической сфере, химической промышленности, производстве приборов повышенной точности и металлургии. Очень часто различные сплавы используются при строении космических ракет.
Тип используемых легирующих компонентов зависит от требуемых конечных свойств. Для повышения качества работ используют элементы, придающие сплаву улучшенные свойства пластичности.
Следует отметить, что очень часто тантал в сплавах используется не как основа, а как легирующий компонент. Его добавление к различным материалам позволяет добиться повышенной устойчивости к высоким температурам и коррозии.
Схема танталового конденсатора 
Тантал ТАВ-10 – широко используемый сплав на основе этого металла. Его производят с добавлением вольфрама, количество которого в составе около 10%. Благодаря этому получается материал с улучшенными показателями жаропрочности. Его применяют для производства нагревательных элементов и в медицинских целях, так как его компоненты не раздражают кожный покров человека.
Применение тантала
Применение тантала не ограничивается одной сферой. Следует выделить сферы, в которых наиболее широко используются изделия из тантала:
- Металлургия. Практически половина этого металла используется в металлургической промышленности. Это связано с тем, что его легко использовать для создания различных сплавов, особенно антикоррозийных марок стали, устойчивых к высоким температурам. Проволоку из тантала используют в различных сферах, где требуется повышенная прочность и жаростойкость. Также широко используется карбид тантала при производстве тиглей для тугоплавких металлов.
- Электротехника. Около 25% применяет при производстве электротехники и электроприборов. Конденсаторы с использованием этого элемента отличаются повышенной стабильностью функционирования. Причем в случае разрушения поверхности конденсатора, образуется пленка из оксида тантала, которая защищает его. Также следует выделить такие элементы, как аноды, катоды, лампы и другие металлические детали, которые также производятся на его основе.
- Химическая промышленность. Пятая часть производимого объема применяется в химической отрасли. Это связано с тем, что он устойчив к воздействию большинства кислот, солей и щелочей.
- Медицина. Тантал в медицине применяется в таких отраслях, как костная и пластическая хирургия. Элементами из этого материала скрепляют кости для достижения повышенной прочности без раздражения органической ткани.
- Военная сфера. В военной сфере производят мишени из тантала и оболочку кумулятивных снарядов.
- Приборостроение. Этот метал применяется для производства точных приборов, контрольного оборудования и различных диафрагм, а также вакуумных приборов, так как он отличается свойством поглощения газов.
- Ядерная энергетика. В этой сфере металл выступает в качестве теплообменника.
Следует отметить, что сфера применения тантала ограничивается лишь малым объемом его добычи. Если объем добычи вырастет, область применения значительно расширится.
Тантал (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.
В наукоемких и стратегических отраслях промышленности ведущих стран мира непрерывно растет. Динамика этого роста объясняется двумя взаимосвязанными причинами. Первая заключается в необходимости повышения качественных характеристик высокотехнологичной продукции гражданского и военного назначения. Вторая же, в том, что тантал наилучшим образом подходит для решения первой задачи, поскольку обладает внушительным перечнем ценнейших свойств, среди которых:
- исключительная коррозионная стойкость;
- уникальная стойкость к химическому воздействию газов и кислот;
- высокая плотность (16,6 г/см 3) и удельная электроемкость;
- сверхтвердость и пластичность;
- хорошая технологичность (механическая обрабатываемость, свариваемость);
- жаропрочность и жаростойкость (температура плавления 3000°C);
- способность поглощать газы (в сотни раз больше собственного объема);
- высокий коэффициент теплопередачи;
- уникальная биологическая совместимость и многое другое.
Формы выпуска тантала
Для производства высокотехнологичных изделий тантал применяется как в чистом виде, так и в виде сплавов. Широким спектром его применения обусловлен большой выбор танталовых и танталосодержащих полуфабрикатов. Для дальнейшей обработки выпускается танталовый пруток и лента , пластины, диски, слитки (марки ЭЛП-1, ЭЛП-2, ЭЛП-3). Наиболее востребованы танталовая проволока и листы , а также фольга (марки ТВЧ и ТВЧ-1) и металлический порошок конденсаторной квалификации. На порошок приходится около 60% мирового производства тантала, который потребляется радиоэлектронной отраслью для создания элементной базы современной «умной» техники. Около 25% рынка занимает танталовый лист и проволока, плюс фольга.
Рисунок 1. Продукция из тантала.
Области применения тантала
- производство электровакуумных приборов;
- электротехника и электроника;
- телекоммуникации и связь;
- аэрокосмическая промышленность;
- химическое машиностроение;
- ядерная индустрия;
- металлургия твердых сплавов;
- медицина и т.д.
Тантал в электровакуумных приборах
Рабочее пространство электровакуумных приборов заполнено специальным газом или вакуумом, в котором находятся два (анод и катод) или более электрода, образующих в пространстве ток эмиссии. К таким устройствам относятся электровакуумные СВЧ-приборы магнетронного типа, приборы радиолокационных, навигационных и гидроакустических станций, осциллографы, счетчики элементарных частиц, электровакуумные фотоэлементы, рентгеновская аппаратура, электронные лампы и многое другое. В ряде электровакуумных устройств тантал служит материалом для геттеров – газопоглотителей, поддерживающих в камерах состояние глубокого вакуума. В некоторых приборах электроды очень быстро и сильно нагреваются, поэтому в них, в качестве «горячей арматуры», применяется тонкая танталовая лента (марка Т или ТВЧ) или проволока (марка ТВЧ), способная долго (десятки тысяч часов) и стабильно работать при высоких напряжениях и пульсирующих температурах.
Тантал в металлургии твердых сплавов
В металлургической промышленности тантал используют для создания сверхтвердых тугоплавких сплавов, компонентами которых выступают карбиды тантала (марки ТТ) и вольфрама. Из танталовольфрамовых сплавов (марки ТВ-15,ТВ-10,ТВ-5) производят металлорежущий и обрабатывающий инструмент, сверхпрочные «коронки» для бурения отверстий в камне и композитах. Сплавы из карбида тантала и никеля с легкостью обрабатывают поверхность алмазов, не уступая им в твердости. Из тантала (твердость по Бринеллю до 1250–3500 МПа) делают детали криогенных установок, фильеры и тигли для плавки и очистки редкоземельных металлов, сосуды для холодного прессования металлических порошков.
Тантал в химическом машиностроении
В химическом машиностроении бесшовная холоднодеформированная танталовая труба (марка ТВЧ) и лист применяются в конструкциях коррозионностойкой аппаратуры, работающей в химически агрессивной среде. Из тантала производят различные кислотоупорные конструкции (змеевики, мешалки, дистилляторы, аэраторы, трубопроводы), лабораторное оборудование, устройства нагрева и охлаждения, функционирующие в контакте с кислотами, в том числе, с концентрированными субстанциями. Танталовая фольга используется для плакировки (тонкого термомеханического покрытия) поверхности деталей и оборудования на линиях по производству серной кислоты, аммиака и т.п.
Тантал в медицине
Тантал обладает уникальной совместимостью с живыми тканями и не отторгается ими. В медицине танталовая проволока применяется в виде нитей и скоб для скрепления мускульных тканей, сухожилий, нервных волокон, кровеносных сосудов. Из нее же делают сетки для глазных протезов, а из листа – корпуса сердечных электростимуляторов. В восстановительной хирургии танталовый пруток и лента считаются безальтернативными материалами для костного протезирования и замещения. Исключительную важность танталовый лист представляет как «ремонтный» материал при повреждениях черепа.
Тантал в аэрокосмической промышленности
Как высокотемпературный конструкционный материал, в аэрокосмической промышленности танталовый лист применяется для производства ответственных компонентов ракет и самолетов. Например, из тантала изготавливают носовые части ракет и жаропрочные лопатки газовых турбин турбореактивных двигателей на жидком топливе. Из танталовых сплавов производят сопловые детали, форсажные камеры и т.д.
Тантал в ядерной индустрии
Из танталовой трубы (марка ТВЧ) изготавливают теплообменники для ядерно-энергетических систем, устойчивые к перегретым расплавам и парам цезия. Из тантала производятся диффузионные барьеры для сверхпроводников термоядерных реакторов. Радиоактивный изотоп тантал-182 используется в лучевой терапии. Тонкая танталовая проволока (50-100 мкм) с покрытием из платины применяется как внутритканевый источник гамма-излучения, точечно воздействующий на раковые клетки. В начале 2018 года в СМИ появилась информация, что китайские ученые проводят опыты с тантал-182 в военных целях. Суть экспериментов не разглашается, но, скорее всего, речь может идти об использовании изотопа тантала в качестве «размножающего» агента для «грязных» бомб.
Тантал в электротехнике и электронике
Танталовый порошок (ТУ95.250-74) используют при изготовлении современных конденсаторов для телекоммуникационного, микроэлектронного и компьютерного оборудования. При миниатюрных размерах они превосходят большинство других электролитических конденсаторов по удельной емкости на единицу объема, отличаются большим диапазоном рабочих температур, высокой надежностью. Танталовые конденсаторы сохраняют свои характеристики до 25 лет в режиме хранения, а в режиме эксплуатации способны работать до 150 тысяч часов. Сегодня танталовые конденсаторы присутствуют на микросхемах практически каждого смартфона, компьютера, игровой приставки, а также в военной аппаратуре. Тантал используется в выпрямителях электрического тока, поскольку он обладает способностью пропускать его только в одном направлении.
Рисунок 2. Конденсатор из тантала.
Заключение
Помимо перечисленного, танталовый пруток и лист, фольга, проволока, порошок, используются для решения десятков и сотен других задач. В металлургии тантал применяется в качестве легирующего стабилизирующего компонента при производстве сверхпрочных, коррозионностойких, жаропрочных сталей и сплавов . Соединения тантала выступают в роли катализаторов в процессах химических производств, например, синтетического каучука. Тантал показал высокую эффективность в оптике, поскольку при добавлении в стекло, он увеличивает его коэффициент преломления, что позволяет делать линзы не сферическими, а более тонкими и плоскими, даже при больших диоптриях. В ювелирном деле тантал используется наравне с платиной при производстве браслетов, часов, перьев авторучек. Нет никаких сомнений, что тантал является одним из самых востребованных и перспективных металлов, используемых в высокотехнологичных областях промышленности, и как мы видим, не только в них.
