Configurația electronică a atomului de tantal. Proprietăți chimice tantal. Informații generale despre metal

Istorie

Tantalul a fost descoperit în 1802 de chimistul suedez A. G. Ekeberg în două minerale găsite în Finlanda și Suedia. Cu toate acestea, în formă pură nu a fost posibil să-l izoleze. Datorită dificultății de obținere, acest element a fost numit după eroul mitologiei grecești antice, Tantalus.

Ulterior, tantalul și „columbiul” (niobiul) au fost considerate identice. Abia în 1844, chimistul german Heinrich Rose a dovedit că mineralul columbit-tantalit conține două elemente diferite - niobiu și tantal.

Cel mai mare zăcământ de tantal din lume, Greenbushes, este situat în Australia, în Australia de Vest, la 250 km sud de Perth.

Proprietăți fizice

La temperaturi sub 4,45 K, intră într-o stare supraconductivă.

Izotopi

Tantalul natural constă dintr-un amestec dintr-un izotop stabil și un izomer stabil: 181 Ta (99,9877%) și 180m Ta (0,0123%). Acesta din urmă este un izomer (stare excitată) extrem de stabil al izotopului 180 Ta, cu un timp de înjumătățire de puțin peste 8 ore.

Proprietăți chimice

În condiții normale, tantalul este inactiv; se oxidează în aer numai la temperaturi peste 280 ° C, devenind acoperit cu o peliculă de oxid de Ta 2 O 5; reacționează cu halogenii la temperaturi peste 250 ° C. Când este încălzit, reacţionează cu C, B, Si, P, Se, Te, H2O, CO, CO2, NO, HCI, H2S.

Tantalul pur din punct de vedere chimic este extrem de rezistent la acțiunea metalelor alcaline lichide, a majorității acizilor anorganici și organici, precum și la multe alte medii agresive (cu excepția alcalinelor topite).

În ceea ce privește rezistența chimică la reactivi, tantalul este similar cu sticla. Tantalul este insolubil în acizi și amestecurile acestora, cu excepția unui amestec de acizi fluorhidric și acizi azotic; nici acva regia nu o dizolvă. Reacția cu acidul fluorhidric are loc numai cu praful metalic și este însoțită de o explozie. Este foarte rezistent la acid sulfuric de orice concentrație și temperatură (la 200 ° C, metalul corodează în acid doar 0,006 milimetri pe an), rezistent la metalele alcaline topite dezoxigenate și vaporii acestora supraîncălziți (litiu, sodiu, potasiu, rubidiu, cesiu). ).

Toxicologie

Prevalența

Primirea

Principalele materii prime pentru producerea tantalului și a aliajelor sale sunt concentratele de tantalit și loparit care conțin aproximativ 8% Ta 2 O 5, precum și 60% sau mai mult Nb 2 O 5. Concentratele se descompun cu acizi sau alcaline, loparit - clorurat. Separarea Ta și Nb se realizează prin extracție. Tantalul metalic se obține de obicei prin reducerea Ta 2 O 5 cu carbon sau electrochimic din topituri. Metalul compact este produs prin arc de vid, topirea cu plasmă sau prin metalurgia pulberilor.

Pentru a obține 1 tonă de concentrat de tantal, este necesar să procesați până la 3.000 de tone de minereu.

Preț

Aplicație

Inițial a fost folosit pentru a face sârmă pentru lămpi cu incandescență. Astăzi, tantalul și aliajele sale sunt folosite pentru a produce:

aliaje rezistente la căldură și coroziune;
echipamente rezistente la coroziune pentru industria chimică, plăci de matriță, sticlă de laborator și creuzete pentru obținerea, topirea și turnarea elementelor din pământuri rare, precum și ytriu și scandiu;
schimbătoare de căldură pentru sisteme nucleare (tantalul este cel mai stabil dintre toate metalele în topituri supraîncălzite și vapori de cesiu);
în chirurgie, foile de tantal, folie și sârmă sunt folosite pentru fixarea țesuturilor, nervilor, suturii, realizarea de proteze care înlocuiesc părțile deteriorate ale oaselor (datorită compatibilității biologice);
sârma de tantal este folosită în criotroni - elemente supraconductoare instalate în tehnologia informatică;
în producția de muniție, tantalul este utilizat pentru fabricarea de plăci metalice cu încărcături promițătoare, ceea ce îmbunătățește penetrarea armurii;
tantalul și niobiul sunt utilizate pentru producerea de condensatoare electrolitice (de calitate superioară decât condensatoarele electrolitice din aluminiu, dar proiectate pentru o tensiune mai mică);
tantalul este folosit în anul trecut ca metal de bijuterii, datorită capacității sale de a forma pelicule puternice de oxid de culori frumoase irizate la suprafață;
izomer nuclear tantal-180m2, acumulându-se în materialele structurale reactoare nucleare, poate servi, împreună cu hafniul-178m2, ca sursă de raze gamma și energie în dezvoltarea de arme și vehicule speciale.
Biroul de Standarde din SUA și Biroul Internațional de Greutăți și Măsuri din Franța folosesc tantal în loc de platină pentru fabricarea greutăților standard analitice de înaltă precizie;
Berilida de tantal este extrem de dura și rezistentă la oxidarea în aer până la 1650 ° C; este folosită în inginerie aerospațială;
Carbura de tantal (temperatura de topire 3880 ° C, duritatea este apropiată de duritatea diamantului) este utilizată în producția de aliaje dure - un amestec de carburi de wolfram și tantal (grade cu indicele TT), pentru cele mai dificile condiții de prelucrare a metalelor și găurirea șoc-rotativă a celor mai rezistente materiale (piatră, compozite), și, de asemenea, aplicată la duze, duze de rachetă;
Oxidul de tantal (V) este utilizat în tehnologia nucleară pentru topirea sticlei, absorbție

Tantalul are un punct de topire ridicat - 3290 K (3017 ° C); fierbe la 5731 K (5458 ° C).

Densitatea tantalului este de 16,65 g/cm3. În ciuda durității sale, este flexibil ca aurul. Tantalul pur se pretează bine prelucrare, ușor de ștanțat, rulat în sârmă și cele mai subțiri foi cu o grosime de sutimi de milimetru. Tantalul este un excelent getter (getter), la 800 ° C poate absorbi 740 de volume de gaz. Tantalul are o rețea cubică centrată pe corp. Posedă proprietăți paramagnetice. La 4,38 K, devine supraconductor. Tantalul pur este un metal ductil, prelucrat prin presiune la rece, fără întărire semnificativă. Poate fi deformat la o reducere de 99% fără recoacere intermediară. Tranziția tantalului de la starea ductilă la cea fragilă la răcire la -196 ° C nu a fost detectată. Proprietățile tantalului depind în mare măsură de puritatea acestuia; impuritățile de hidrogen, azot, oxigen și carbon fac metalul fragil.

Structura electronică a atomului.

1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d3

numărul de serie-73

Apartenența la grupa - A

d- element

Oxidul de tantal (V) este o pulbere albă, insolubilă nici în apă și nici în acizi (cu excepția H2F2). Foarte refractar (punct de topire = 1875 ° C). Natura acidă a oxidului este destul de slab exprimată și se manifestă în principal în reacția cu topituri alcaline: oxidarea atomului de tantal a niobiului

Ta2O5 + 2NаОН = 2NаТаО3 + Н2О

sau carbonați:

Ta2O5 + 3Na2CO3 = 2Na3TaO4 + 3СО2

Sărurile care conțin tantal în starea de oxidare -4, -5 pot fi de mai multe tipuri: metatantalații NaTaO3, ortotantalații Na3TaO4, dar există poliioni penta- și hexa- cristalizând împreună cu moleculele de apă, 7- și 8-. Tantalul cu cinci încărcări formează un cation TaO3 + și săruri TaO (NO3) 3 sau Nb2O5 (SO4) 3 în reacțiile cu acizii, continuând „tradiția” subgrupului lateral introdus de ionul vanadiu VO2+.

La 1000 ° С Ta2O5 interacționează cu clorul și clorura de hidrogen:

Ta2O5 + 10HC1 == 2TaC15 + 5H2O

Prin urmare, se poate susține că oxidul de tantal (V) se caracterizează și prin amfoteritate cu superioritatea proprietăților acide față de proprietățile bazei.

Hidroxidul corespunzător oxidului de tantal (V) se obține prin neutralizarea soluțiilor acide de tetraclorură de tantal. Această reacție confirmă și instabilitatea stării de oxidare +4.

În stări de oxidare scăzută, cei mai stabili compuși sunt halogenurile (vezi Fig. 3).Cea mai ușoară cale de a le obține este prin complecși de piridină. Pentalidele TaX5 (unde X este C1, Br, I) sunt ușor reduse cu piridină (notată Py) pentru a forma complecși din compoziția MX4 (Py) 2.

Săruri de tantal. Sărurile din al șaselea subgrup sunt predominant cristale incolore sau pulberi albe. Multe dintre ele sunt foarte higroscopice și difuze în aer. Oxizii acestor metale au proprietăți amfotere, astfel încât majoritatea sărurilor lor se hidroliză ușor, transformându-se în săruri bazice; sunt cunoscute și săruri care sunt puțin sau complet insolubile în apă, unde aceste metale fac parte din anioni (de exemplu, niobații și tantalati).Hidratare si deshidratare. Toți catalizatorii din această clasă au o afinitate puternică pentru apă. Principalul reprezentant al clasei L este alumina. De asemenea, este utilizat acidul fosforic sau sărurile sale acide pe purtători precum gel de aluminosilicat și gel de silice cu oxizi de tantal, zirconiu sau hafniu. În primele lucrări de separare a tantalului și niobiului prin extracție fracționată au fost propuse sistemele acid clorhidric - xilen - metildioctilamină (1952), precum și acid clorhidric - acid fluorhidric - diizopropilcetonă (1953). Ambele metale sunt dizolvate în soluții apoase de acizi sub formă de săruri, iar apoi tantalul este extras cu un solvent organic. În sistemul 6 / W acid sulfuric - 9 Ai fluorhidric

7. Tantalul este folosit la fabricarea filarelor pentru tragerea de filamente în producția de fibre artificiale. Anterior, astfel de matrițe erau fabricate din platină și aur. Cele mai dure aliaje sunt fabricate din carbură de tantal cu nichel ca agent de cimentare. Sunt atât de dure încât lasă zgârieturi chiar și pe diamant, care este considerat standardul de duritate.

Primul loc în ceea ce privește temperatura critică a tranziției la starea supraconductoare a fost acordat germanidei de niobiu Nb3Ge. Temperatura sa critică este de 23,2 K (aproximativ - 250 ° C). Un alt compus, stanidura de niobiu, devine un supraconductor la o temperatură puțin mai mică de --255 ° C. Pentru a aprecia mai pe deplin acest fapt, subliniem că majoritatea supraconductorilor sunt cunoscuți numai pentru temperaturile heliului lichid (2,172 K). Supraconductorii fabricați din materiale de niobiu fac posibilă fabricarea bobinelor magnetice care generează câmpuri magnetice extrem de puternice. Un magnet cu un diametru de 16 cm și o înălțime de 11 cm, unde o bandă dintr-un astfel de material servește ca înfășurare, este capabil să creeze un câmp de intensitate colosală. Este necesar doar să transferați magnetul într-o stare supraconductivă, adică să-l răciți, iar răcirea la o temperatură mai scăzută este, desigur, mai ușoară.

Rolul niobiului în sudare este important. În timp ce oțelul obișnuit era sudat, acest proces nu a prezentat dificultăți deosebite și nu a creat dificultăți. Cu toate acestea, atunci când au început să sude structuri din oțeluri speciale de complex compoziție chimică, cusăturile sudate au început să piardă multe calități valoroase ale metalului sudat. Fără modificări în compoziția electrozilor, fără îmbunătățiri de design aparate de sudat nici sudarea în atmosferă de gaze inerte nu a avut vreun efect. Aici a venit niobiul în ajutor. Oțelul, în care niobiul este introdus ca un mic aditiv, poate fi sudat fără teamă pentru calitatea cusăturii sudate (Fig. 4). Friabilitatea sudurii este dată de carburile apărute în timpul sudării, dar capacitatea niobiului de a se combina cu carbonul și de a preveni formarea de carburi ale altor metale, care încalcă proprietățile aliajelor, a salvat ziua. Carburele niobiului în sine, precum tantalul, au vâscozitate suficientă. Acest lucru este deosebit de valoros la sudarea cazanelor și turbine cu gaz lucrul sub presiune și în medii agresive.

Niobiul și tantalul sunt capabile să absoarbă cantități semnificative de gaze precum hidrogenul, oxigenul și azotul. La temperatura camerei, 1 g de niobiu poate absorbi 100 cm3 de hidrogen. Dar chiar și cu încălzire puternică, această proprietate practic nu slăbește. La 500 ° C, niobiul poate absorbi încă 75 cm3 de hidrogen, iar tantalul este de 10 ori mai mult. Această proprietate este utilizată pentru a crea un vid ridicat sau în dispozitive electronice unde este necesar să se mențină performanța precisă la temperaturi ridicate. Niobiul și tantalul, aplicate pe suprafața pieselor, ca un burete, absorb gazele, oferind muncă stabilă dispozitive. Cu ajutorul acestor metale, chirurgia reconstructivă a obținut un mare succes. Practica medicală include nu numai plăci de tantal, ci și fire de tantal și niobiu. Chirurgii au folosit cu succes aceste suturi pentru a sutura tendoanele rupte, vasele de sânge și nervii. „Fire” de tantalu servește la înlocuirea forței musculare. Cu ajutorul acestuia, chirurgii întăresc pereții cavității abdominale după operație. Tantalul are o legătură extrem de puternică între atomi. Acest lucru dă naștere la punctele sale de topire și fierbere extrem de ridicate. Proprietățile mecanice și rezistența chimică aduc tantalul mai aproape de platină. Industria chimică folosește această combinație favorabilă de calități de tantal. Se folosește la pregătirea pieselor pentru echipamente rezistente la acizi ale instalațiilor chimice, dispozitive de încălzire și răcire în contact cu un mediu agresiv.

Într-o dezvoltare rapidă energie nucleara două proprietăți ale niobiului își găsesc aplicație. Niobiul are o „transparență” uimitoare pentru neutronii termici, adică este capabil să-i transmită printr-un strat de metal, practic fără a reacționa cu neutronii. Radioactivitatea artificială a niobiului (rezultată din contactul cu materialele radioactive) este mică. Prin urmare, poate fi folosit pentru a realiza containere pentru depozitarea deșeurilor radioactive și instalații pentru prelucrarea acestora. O altă proprietate nu mai puțin valoroasă (pentru un reactor nuclear) a niobiului este absența interacțiunii vizibile cu uraniul și alte metale chiar și la o temperatură de 1000 °C. Sodiul și potasiul topit utilizate ca fluide de transfer de căldură în reactoare nucleare unele tipuri pot circula liber prin conductele de niobiu fără a provoca niciun rău.

Fără îndoială, cea mai valoroasă proprietate a tantalului este rezistența sa chimică excepțională: în acest sens, este al doilea după metalele nobile și nu întotdeauna. nu se dizolvă chiar și într-un mediu atât de agresiv din punct de vedere chimic precum aqua regia, care dizolvă cu ușurință atât platina, cât și altele. Următoarele fapte mărturisesc cea mai mare rezistență la coroziune a tantalului. La 200 °CUnu se corodează în acid azotic 70%, în acid sulfuric la 150 °Tantalul nu se observă nici la coroziune, iar la 200 ° C metalul corodează, ci doar cu 0,006 mm pe an.

LA în plus, este un metal ductil, din el este posibil să se facă produse cu pereți subțiri și produse de formă complexă. Deloc surprinzător, a devenit un material structural indispensabil pentru industria chimică.Echipamentele de tantal sunt folosite la producerea multor acizi (clorhidric, sulfuric, azotic, fosforic, acetic), brom, clor, peroxid de hidrogen. Într-o fabrică care folosea cloruri gazoase, piesele din oțel inoxidabil erau nefuncționale după doar două luni. Dar de îndată ce oțelul a fost înlocuit cu tantal, chiar și cel mai mult detalii subtile(0,3-0,5 grosimemm)s-a dovedit a fi practic nedeterminată - durata lor de viață a crescut la 20 de ani.

Dintre toți acizii, numai acidul fluorhidric este capabil să se dizolve (mai ales la temperaturi ridicate). Din el sunt fabricate bobine, distilatoare, supape, agitatoare, aeratoare și multe alte părți ale aparatului chimic. Rareori - aparat întreg. Multe materiale structurale își pierd destul de repede conductivitatea termică: pe suprafața lor se formează un oxid de căldură sau un film de sare slab conducător. Echipamentul cu tantal nu are acest dezavantaj sau, mai degrabă, se poate forma o peliculă de oxid pe el, dar este subțire și conduce bine căldura.

Apropo, conductivitatea termică ridicată în combinație cu plasticitatea a făcut din tantul un material excelent pentru schimbătoarele de căldură.împărțirea aurului și a argintului. Avantajul acestor catozi este că depozitul de aur și argint poate fispălați acva regia, care nu dăunează tantalului.Tantalul este important nu numai pentru industria chimică. Mulți chimiști cercetători se întâlnesc cu el în practica lor zilnică de laborator. Crezetele, cupele, spatulele din tantal nu sunt deloc neobișnuite „Trebuie să ai nervi de tantal...” Calitatea unică a tantalului este compatibilitatea sa biologică ridicată, adică capacitatea de a prinde rădăcini în organism fără a provoca iritații mediului înconjurător șervețele. Această proprietate este baza pentru utilizarea pe scară largă a tantalului în medicină, în principal în chirurgia reconstructivă - pentru repararea corpului uman.

Plăcile din acest metal sunt folosite, de exemplu, în caz de deteriorare a craniului - sunt folosite pentru a închide fracturile craniului.Vliteratura descrie un caz în care o ureche artificială a fost făcută dintr-o placă de tantal, iar pielea grefată de pe coapsă a fost atât de bine grefată încât în curând urechea de tantal a fost dificilă.distinge de prezent.Firele de tantal sunt uneori folosite pentru a înlocui pierderea de țesut muscular. Cu ajutorul plăcilor subțiri de tantal, chirurgii întăresc pereții cavității abdominale după intervenție chirurgicală. Capsele de tantal, precum cele folosite pentru a coase caiete, conectează în siguranță vasele de sânge. Ochiurile de tantal sunt folosite la fabricarea protezelor oculare. Firele acestui metal înlocuiesctendoaneși chiar sutura nervos fibre. ȘI dacă expresie „Nervii de fier” îi folosim de obicei figurativ sens, oameni cu nervi de tantal, a fi poate,Într-adevăr, există ceva simbolic în faptul că misiunea umană a metalului, numită după martirul mitologic, a căzut în sarcină - de a alina suferința umană. ..

Cum se separă tantalul de niobiu.

Scoarța terestră conține doar 0,0002% Ta, dar există multe minerale cunoscute ale acesteia - peste 130. Tantalul din aceste minerale, de regulă, este inseparabil de niobiu, ceea ce se explică prin similitudinea chimică extremă a elementelor și aproape de aceeași dimensiune. a ionilor lor.Dificultate la separarea acestor metale. perioadă lungă de timp a împiedicat dezvoltarea industriei tantalului și niobiului. Până de curând, au fost izolate doar prin metoda propusă încă din 1866 de chimistul elvețian Marignac, care a profitat de diferitele solubilități ale tantalatului de fluor și fluoroniobatului de potasiu în acid fluorhidric diluat.

Extrasă din creuzet, această pulbere este mai întâi presată în plăci dreptunghiulare (dacă piesa de prelucrat este destinată rulării în foi) sau bare pătrate (pentru tragere sârmă) și apoi sinterizată.Metoda sodiu-termică pentru producerea tantalului este, de asemenea, utilizată în unele cale. În acest proces, fluorotantalatul de potasiu și metalul reacționează:

K 2 TaF 7 + 5Na → Ta + 2KF + 5NaF.

Produsul final al reacției este tantalul sub formă de pulbere, care este apoi sinterizat. În ultimele două decenii au început să fie utilizate și alte metode de prelucrare a pulberilor - topirea cu arc sau prin inducție în vid și topirea cu fascicul de electroni.

articol de tantalu Proprietăți chimice

Tantal - „metal inteligent”

Tantalul, ale cărui proprietăți și caracteristici s-au dovedit a fi cu adevărat unice, este acum numit „metal inteligent”.

Un pic de istorie

Tantalul a fost descoperit în 1802 de chimistul suedez A.G. Ekeberg a studiat mineralele găsite și a constatat că acestea conțineau un element necunoscut în acel moment, dar nu a putut să-l izoleze în forma sa pură. Metalul necunoscut a fost numit după eroul mitologic grecesc antic Tantalus. Timp de 4 decenii, chimiștii au crezut în mod eronat că tantalul și niobiul cunoscute până atunci sunt unul și același element chimic... Chimiștii germani au reușit să-l obțină în forma sa pură în 1903 și a început să fie utilizat în mod activ în scopuri industriale în timpul celui de-al Doilea Război Mondial.

Descrierea și proprietățile tantalului

În tabelul periodic, acest metal ocupă poziția a 73-a, notat cu Ta.

În condiții normale, are o culoare argintie, arată ca argintul și alte metale nobile. Datorită oxidării în aer, acesta devine acoperit cu o peliculă de oxid, se întunecă și devine mai mult ca plumbul. La temperatura camerei, oxidarea are loc foarte lent, astfel încât metalul își păstrează culoarea caracteristică pentru o lungă perioadă de timp. Oxidarea activă în aer începe la temperaturi peste 280 ° C.

Metalul reacționează cu halogenii la temperaturi scăzute, dar este imediat acoperit cu o peliculă de suprafață, care îl protejează de reacții ulterioare pe întregul volum.

Punctul de topire este relativ ridicat, 3017 ° C. Este mult mai mare decât cea a multor metale. Pentru comparație:

plumb - 327 ° C;
aluminiu - 660 ° C;
alamă - până la 1000 ° С;
aur - 1064 ° C;
cupru - 1083 ° C;
fier - 1540 ° C.

Datorită celei mai mari rezistențe a metalului tantal, este utilizat în multe industrii.

Dintre materialele utilizate pe scară largă în industrie, tantul este inferior ca punct de topire decât wolfram, pentru care această valoare este de 3420 ° C.

Densitatea tantalului este de 16.700 kg / m3, acest metal este mult mai dens decât fierul și cuprul obișnuit, în care este egal cu 7870 și, respectiv, 8940 kg / m3. Din punct de vedere al densității, acesta poate fi comparat cu aurul, a cărui densitate este de 19320 kg/m3. Tantalul are o duritate mare. În ciuda proprietăților sale, este un metal foarte ductil. Materialul poate fi rulat la o grosime de 1 micron. Doar aurul are o asemenea plasticitate.

Materialul este rulat fără încălzire, ceea ce simplifică foarte mult manipularea acestuia. Rezistența mecanică poate fi crescută prin șlefuire. La temperaturi sub - 196 ° C, proprietatea plasticității dispare, metalul devine casant.

Conform proprietăților sale magnetice, tantalul este clasificat ca paramagnet. Proprietățile unui paramagnet se manifestă bine la temperaturi sub 3420 ° C, apoi metalul devine un feromagnet.

Tantalul are cea mai mare rezistență la influențele agresive ale mediului. Nu este distrus de acid azotic 70%. Nu merge la el acid sulfuric, încălzit la 150 ° C, dar când temperatura acidului crește la 200 ° C, metalul începe să se descompună încet.

Această rezistență la coroziune a metalului, care o depășește pe cea a oțelului inoxidabil, l-a făcut indispensabil într-o varietate de procese industriale.

Electroliza este folosită pentru a separa metalele prețioase de soluții și topituri ale sărurilor lor. Dar catozii, pe care sunt depuse metalele nobile, sunt distruși rapid. Înlocuirea catozilor din metale obișnuite cu cei din tantal a făcut ca procesul de electroliză să fie mult mai eficient și mai ieftin. Această metodă este utilizată și pentru extragerea elementelor pământurilor rare din minereuri.

Tantalul are o compatibilitate biologică ridicată, prin urmare este utilizat pe scară largă în medicină. Protezele dentare si implanturile din acesta nu au un efect chimic asupra organismelor, nu se oxideaza, deci nu sunt respinse de organism.

Tantalul nu poate fi atribuit unor buni conductori de curent electric, rezistivitatea sa la 20 ° С este de 0,13 Ohm * mm² / m, este mai mare decât cea a fierului (0,1 Ohm * mm² / m). Dar are o temperatură relativ ridicată de tranziție la starea de supraconductivitate, este egală cu 4,5K. La o temperatură mai mare, vanadiul (5.3K), plumbul (7.2K) și niobiul său „geamăn” (9.2K) intră în supraconductivitate. Această proprietate a tantalului l-a făcut să fie solicitat în producția de supraconductori criotoni folosiți în calculul electronic. În electronică, se folosesc condensatoare cu plăci de tantal. S-au dovedit a fi cele mai eficiente, dar pot lucra la valori joase de tensiune.

În industria militară, aliajele de tantal sunt folosite pentru a crește penetrarea proiectilelor.

În scopuri științifice și militare, izotopii radioactivi sunt utilizați pentru a crea surse de radiații gamma. Izotopii radioactivi se găsesc în fosile, dar se găsesc în concentrații mult mai mari în deșeurile rămase după funcționarea reactoarelor nucleare.

Tantalul este folosit în construcția de protecție a reactoarelor nucleare, fiind unul dintre puținele elemente care nu sunt distruse prin acțiunea vaporilor de cesiu.

Carbura de tantal este aplicată pe suprafața sculei de tăiere pentru a-i conferi o rezistență deosebită. Un astfel de instrument este folosit în special pentru tăiere și găurire materiale rezistente, la forarea puțurilor adânci în roci dure.

Tantalul este utilizat la fabricarea motoarelor de avioane și rachete datorită rezistenței sale superioare, stabilității la oxidare și punctului de topire ridicat.

Piesele din tantal, in medii corozive, servesc cu zeci de ani mai mult decat cele din alte materiale cu rezistenta mare la coroziune.

Toate caracteristicile fizice ale materialului pot fi modificate prin introducerea de aditivi de aliere în el.

Exploatarea tantalului

Datorită lucrărilor de prospectare, au fost găsite noi zăcăminte de tantal metal

În scoarța terestră, tantalul conține aproximativ 0,0002%, deci aparține elementelor rare. Dar în aproape toate țările există depozite ale compușilor săi. În Europa, cele mai mari și mai bogate zăcăminte se află în Franța, mici zăcăminte se găsesc în majoritatea țărilor fostei URSS. Dintre țările africane, Egiptul are cele mai mari rezerve de materii prime. Dar cele mai mari și mai bogate zăcăminte cunoscute și dezvoltate până în prezent se află în Australia.

Elementul se găsește sub formă de săruri proprii sau face parte din alte minerale. În al doilea caz, este însoțit în mod necesar de niobiu. Mineralele pot fi stabile și radioactive.

Extracția acestui metal este de 420 de tone pe an. Statele lider în ceea ce privește producția și prelucrarea sunt SUA și Germania.

Din cauza crizei globale, cererea de tantal a scăzut ușor, dar din 2010 a crescut din nou. Recent, au fost efectuate lucrări active de explorare. Datorită acestora, au fost descoperite noi zăcăminte în SUA, Brazilia, Africa de Sud.

Regele frigian Tantalus a fost pedepsit de zei pentru cruzime nejustificată. L-au condamnat pe Tantalus la durerile de sete, foame și frică. De atunci, a stat în lumea interlopă până la gât în apă limpede. Sub greutatea fructelor coapte, ramurile copacilor se înclină spre el. Când Tantalus însetat încearcă să se îmbată, apa coboară. De îndată ce întinde mâna spre fructul suculent, vântul ridică ramura, iar păcătosul, epuizat de foame, nu poate ajunge la el. Și o stâncă se profila direct peste capul lui, amenințănd să se prăbușească în orice moment.

Tantal Nr 73 Ta

Deci mituri Grecia antică spune despre chinul lui Tantal. Trebuie să fi fost de mai multe ori chimistul suedez Ekeberg a trebuit să-și amintească despre făina de tantal când a încercat, fără succes, să dizolve în acizi „pământul” pe care l-a descoperit în 1802 și să izoleze din acesta. articol nou... De câte ori, se părea, omul de știință a fost aproape de obiectiv, dar evidenția metal nouîn forma sa pură, nu a reușit. De aici și numele „martiriu” pentru elementul 73.

Dispute și concepții greșite

După ceva timp, s-a dovedit că tantalul are un dublu, care s-a născut cu un an mai devreme. Acest geamăn este Elementul 41, descoperit în 1801 și numit inițial Columbia. Ulterior a fost redenumit niobiu. Asemănările dintre niobiu și tantal i-au indus în eroare pe chimiști. După multe dezbateri, au ajuns la concluzia că tantalul și colombiul sunt una și aceeași.
La început, celebrul chimist din acea vreme, Jens Jacob Berzelius, a fost de aceeași părere, dar mai târziu s-a îndoit de acest lucru. Într-o scrisoare către studentul său, chimistul german Friedrich Wöhler, Berzelius a scris:
„Îți trimit înapoi X-ul tău, pe care l-am întrebat cât am putut, dar de la care am primit răspunsuri evazive. X titan? Am întrebat. El a răspuns: Wöhler ți-a spus că nu sunt un titan.

Am instalat si asta.
„Sunteți zirconiu?” „Nu”, a răspuns el, „mă dizolv în sodă, pe care pământul de zircon nu îl face.” „Sunteți staniu?” „Conțin staniu, dar foarte puțin.” „Sunteți tantal? Sunt rudă cu el, - răspunse el, - dar mă dizolv în potasiu caustic și precipit din el galben-brun. - Păi, ce mai trăiești atunci pentru chestia diavolească? - am întrebat. Atunci mi s-a părut că a răspuns: Nu mi s-a dat un nume.
Apropo, nu sunt sigur dacă am auzit cu adevărat asta, pentru că el era în dreapta mea și cu greu aud în urechea dreaptă. Deoarece auzul tău este mai bun decât al meu, trimit * acest băiețel înapoi la tine pentru a-i face un nou interogatoriu..."
Această scrisoare era despre un analog al tantalului - un element descoperit de englezul Charles Hatchet în 1801.
Dar Wöhler nu a reușit să clarifice nici relația dintre tantal și Columbia. Oamenii de știință au fost destinați să fie delirante de mai bine de patruzeci de ani. Abia în 1844 chimistul german Heinrich Rose a reușit să rezolve o problemă încurcată și să demonstreze că Colombium, ca și tantalul, are tot dreptul la „suveranitatea chimică”. Și deoarece au existat legături de familie ale acestor elemente, Rose a dat Columbia un nou nume - niobiu, care a subliniat relația lor (în mitologia greacă veche, Niobe este fiica lui Tantalus).
Timp de multe decenii, designerii și tehnologii nu s-au arătat interesați de tantal. De fapt, tantalul, ca atare, pur și simplu nu a existat: la urma urmei, oamenii de știință au reușit să obțină acest metal într-o formă compactă pură abia în secolul al XX-lea. Primul care a făcut acest lucru a fost chimistul german von Bolton în 1903. Chiar mai devreme, încercările de a izola tantalul în forma sa pură au fost întreprinse de mulți oameni de știință, în special de Moissan. Dar pulberea metalică obținută de Moissan, care a redus pentoxidul de tantal Ta 2 0 5 cu carbon într-un cuptor electric, nu era tantal pur, pulberea conținea 0,5% carbon.
Așadar, la începutul secolului nostru, tantalul pur a căzut în mâinile cercetătorilor, iar acum aceștia puteau deja studia în detaliu proprietățile acestui metal gri deschis, cu o tentă ușor albăstruie. Cum este el? În primul rând, este un metal greu: densitatea sa este de 16,6 g/cm 3 (rețineți că ar fi necesare șase camioane de trei tone pentru a transporta un metru cub de tantal).

Combină rezistența și duritatea ridicate cu proprietăți plastice excelente. Tantalul pur se pretează bine prelucrării mecanice, este ușor ștanțat, prelucrat în cele mai subțiri foi (aproximativ 0,04 mm grosime) și sârmă. O trăsătură caracteristică a tantalului este conductivitatea sa termică ridicată. Dar poate cel mai important proprietate fizică tantal - refractaritate: se topește la aproape 3000 ° C (mai precis, la 2996 ° C), al doilea după wolfram și reniu.
Când a devenit cunoscut faptul că tantalul este foarte refractar, oamenii de știință au avut ideea de a-l folosi ca material pentru filamentele lămpilor electrice. Cu toate acestea, câțiva ani mai târziu, tantalul a fost nevoit să renunțe la acest câmp la wolfram și mai refractar și nu atât de scump.
Încă câțiva ani, tantalul nu a fost găsit aplicație practică... Abia în 1922 a putut fi folosit în redresoare de curent alternativ (tantal, acoperit cu o peliculă de oxid, trece curentul într-o singură direcție), iar un an mai târziu - în tuburi radio. În același timp, a început dezvoltarea metodelor industriale de obținere a acestui metal. Primul model industrial tantalul, obținut de una dintre firmele americane în 1922, avea dimensiunea unui cap de chibrit. Douăzeci de ani mai târziu, aceeași firmă a pus în funcțiune o fabrică specializată de tantal.

Cum se separă tantalul de niobiu

Scoarța terestră conține doar 0,0002% Ta, dar există multe minerale cunoscute - peste 130. Tantalul din aceste minerale, de regulă, este inseparabil de niobiu, ceea ce se explică prin asemănarea chimică extremă a elementelor și aproape aceeași dimensiune a acestora. ionii.
Dificultatea de a separa aceste metale a împiedicat mult timp dezvoltarea industriilor tantalului și niobiului. Până de curând, au fost izolate doar prin metoda propusă încă din 1866 de chimistul elvețian Marignac, care a profitat de diferitele solubilități ale tantalatului de fluor și fluoroniobatului de potasiu în acid fluorhidric diluat.

În ultimii ani, au căpătat o mare importanță și metodele de extracție pentru izolarea tantalului, bazate pe diferitele solubilități ale sărurilor de tantal și niobiu în unii solvenți organici. Experiența a arătat că metil izobutil cetona și ciclohexanona au cele mai bune proprietăți de extracție.
În zilele noastre, principala metodă de producere a tantalului metalic este electroliza fluorotantalatului de potasiu topit în creuzete de grafit, fontă sau nichel, care servesc și ca catozi. Pe pereții creuzetului se depune pulberea de tantal. Extrasă din creuzet, această pulbere este mai întâi presată în plăci dreptunghiulare (dacă piesa de prelucrat este destinată rulării în foi) sau în bare pătrate (pentru sârmă), apoi sinterizată.
Metoda sodiu-termică pentru producerea tantalului își găsește și o anumită aplicație. În acest proces, fluorotantalatul de potasiu și sodiul metalic interacționează:
K 2 TaF 7 + 5Na → Ta + 2KF + 5NaF.
Produsul final al reacției este tantalul sub formă de pulbere, care este apoi sinterizat. În ultimele două decenii au început să fie utilizate și alte metode de prelucrare a pulberilor - topirea cu arc sau prin inducție în vid și topirea cu fascicul de electroni.

În slujba chimiei

Fără îndoială, cea mai valoroasă proprietate a tantalului este rezistența sa chimică excepțională: în acest sens, este al doilea după metalele nobile și chiar și atunci nu întotdeauna.
nu se dizolvă chiar și într-un mediu atât de agresiv din punct de vedere chimic precum aqua regia, care dizolvă cu ușurință aurul, platina și alte metale nobile. Următoarele fapte mărturisesc cea mai mare rezistență la coroziune a tantalului. La 200 ° C, nu se corodează în acid azotic 70%, în acid sulfuric la 150 ° C, nici coroziunea tantalului nu este observată, iar la 200 ° C metalul se corodează, dar numai cu 0,006 mm pe an.
in afara de asta tantal - metal plastic, din el se pot realiza produse cu pereți subțiri și produse de formă complexă. Deloc surprinzător, a devenit un material structural indispensabil pentru industria chimică.

Echipamentele de tantal sunt folosite la producerea multor acizi (clorhidric, sulfuric, azotic, fosforic, acetic), brom, clor, peroxid de hidrogen. Într-o fabrică care folosea acid clorhidric gazos, piesele din oțel inoxidabil au fost nefuncționale în decurs de două luni. Dar, de îndată ce oțelul a fost înlocuit cu tantal, chiar și cele mai subțiri părți (0,3-0,5 mm grosime) s-au dovedit a fi practic nedefinite - durata lor de viață a crescut la 20 de ani.
Dintre toți acizii, numai acidul fluorhidric este capabil să dizolve tantalul (mai ales la temperaturi ridicate). Din el sunt fabricate bobine, distilatoare, supape, agitatoare, aeratoare și multe alte părți ale aparatului chimic. Mai rar - întregul aparat.
Multe materiale structurale își pierd rapid conductivitatea termică: pe suprafața lor se formează o peliculă de oxid sau sare slab conductoare de căldură. Echipamentul cu tantal nu are acest dezavantaj sau, mai degrabă, se poate forma o peliculă de oxid pe el, dar este subțire și conduce bine căldura. Apropo, conductivitatea termică ridicată, combinată cu plasticitatea, a făcut din tantul un material excelent pentru schimbătoarele de căldură. Catozii de tantal sunt utilizați în separarea electrolitică a aurului și argintului. Avantajul acestor catozi este că precipitatul de aur și argint poate fi spălat de pe ei cu apă regia, care nu dăunează tantaliului.
Tantalul este important pentru mai mult decât pentru industria chimică. Mulți chimiști cercetători se întâlnesc cu el în practica lor zilnică de laborator. Crezetele, cupele, spatulele din tantal nu sunt deloc neobișnuite
„Trebuie să ai nervi de tantal...”
Calitatea unică a tantalului este compatibilitatea sa biologică ridicată, adică capacitatea de a prinde rădăcini în organism fără a provoca iritații țesuturilor din jur. Această proprietate este baza pentru utilizarea pe scară largă a tantalului în medicină, în principal în chirurgia reconstructivă - pentru repararea corpului uman. Plăcile din acest metal sunt folosite, de exemplu, în caz de deteriorare a craniului - sunt folosite pentru a închide fracturile craniului. Literatura descrie un caz în care o ureche artificială a fost făcută dintr-o placă de tantal, iar pielea grefată de pe coapsă a fost atât de bine grefată, încât în curând a fost dificil să distingem urechea de tantal de cea reală.

Firele de tantal sunt uneori folosite pentru a înlocui pierderea de țesut muscular. Cu ajutorul plăcilor subțiri de tantal, chirurgii întăresc pereții cavității abdominale după intervenție chirurgicală. Capsele de tantal, precum cele folosite pentru a coase caiete, conectează în siguranță vasele de sânge. Ochiurile de tantal sunt folosite la fabricarea protezelor oculare. Tendoanele sunt înlocuite cu fire din acest metal și chiar fibrele nervoase sunt suturate. Și dacă expresia „nervi de fier” o folosim de obicei într-un sens figurat, atunci oamenii cu nervi de tantal, poate, trebuia să întâlnești.
Într-adevăr, există ceva simbolic în faptul că tocmai la ponderea metalului, numit după martirul mitologic, a căzut misiunea umană de a alina suferința umană. ..

Clientul principal este metalurgia

Cu toate acestea, doar 5% din tantul produs în lume este cheltuit pentru nevoi medicale, aproximativ 20% este consumat industria chimica... Cea mai mare parte a tantalului - peste 45% - merge în metalurgie. În ultimii ani, tantalul este din ce în ce mai folosit ca element de aliere în oțelurile speciale - ultra-rezistente, rezistente la coroziune, rezistente la căldură. Acțiunea tantalului asupra oțelului este similară cu cea a niobiului. Adăugarea acestor elemente la oțelurile obișnuite cu crom crește rezistența acestora și reduce fragilizarea după călire și recoacere.
Un domeniu foarte important de aplicare a tantalului este producția de aliaje rezistente la căldură, care sunt din ce în ce mai necesare pentru rachetele și tehnologia spațială. Un aliaj format din 90% tantal și 10% wolfram are proprietăți remarcabile. Sub formă de foi, un astfel de aliaj este eficient la temperaturi de până la 2500 ° C, iar piesele mai masive pot rezista la peste 3300 ° C! În străinătate, acest aliaj este considerat destul de fiabil pentru fabricarea de duze, țevi de eșapament, piese pentru sistemele de control și reglare a gazelor și multe alte componente critice ale navelor spațiale. În cazurile în care duzele rachetei sunt răcite cu metal lichid care poate provoca coroziune (litiu sau sodiu), este pur și simplu imposibil să faci fără un aliaj de tantal-tungsten.
Piesele din aliaj de tantal-tungsten dobândesc o rezistență la căldură și mai mare dacă li se aplică un strat de carbură de tantal (temperatura de topire a acestei acoperiri este de peste 4000 ° C). În timpul lansărilor experimentale de rachete, astfel de duze au rezistat la temperaturi colosale la care aliajul însuși corodează și se prăbușește rapid.
Un alt avantaj al carburii de tantal - duritatea sa apropiată de cea a diamantului - a condus acest material la producerea de scule din carbură pentru tăierea metalelor de mare viteză.

Munca live

Aproximativ un sfert din producția mondială de tantal merge către industria electrică și electrică a vidului. Datorită inerției chimice ridicate atât a tantalului în sine, cât și a filmului său de oxid, condensatoarele electrolitice de tantal sunt foarte stabile în funcționare, fiabile și durabile: durata lor de viață ajunge la 12 ani și uneori chiar mai mult. Condensatoarele de tantal miniaturale sunt utilizate în transmițătoare radio, instalații radar și altele. sisteme electronice... Este curios că acești condensatori se pot repara singuri: să presupunem că o scânteie care a apărut la o tensiune ridicată a distrus izolația - imediat se formează o peliculă de oxid izolatoare la locul defectării, iar condensatorul continuă să funcționeze ca și cum nimic nu s-ar fi întâmplat.
Oxidul de tantal are cea mai valoroasă proprietate pentru inginerie electrică: dacă trece un curent electric alternativ printr-o soluție în care este scufundat tantal, acoperită cu o peliculă de oxid cea mai subțire (doar câțiva microni!), acesta va merge doar într-o singură direcție - de la soluție la metal. Pe acest principiu se bazează redresoarele din tantal, care sunt utilizate, de exemplu, în serviciul de semnal. căi ferate, comutatoare telefonice, sisteme de alarmare incendiu.
Tantalul servește ca material pentru diferite părți ale dispozitivelor electrice de vid. La fel ca niobiul, face o treabă excelentă de a juca rolul unui getter, adică un getter. Deci, la 800 ° C - tantalul este capabil să absoarbă cantitatea de gaz, de 740 de ori mai mult decât propriul său volum. Și, de asemenea, accesoriile pentru lămpi fierbinți sunt realizate din tantal - anozi, grile, catozi încălziți indirect și alte părți încălzite. Tantalul este necesar în special pentru lămpile care, lucrând la temperaturi și tensiuni ridicate, trebuie să mențină caracteristici precise pentru o perioadă lungă de timp. Sârma de tantal este folosită în criotroni - elemente supraconductoare necesare, de exemplu, în calcul.