dic.academic.ru

Тантал (химический элемент)

Тантал – химический элемент с символом Ta и порядковым номером 73. Редкий, твердый, тяжелый, серовато-голубоватый на срезе, сверкающий переходный металл, имеет очень высокую стойкость к коррозии. В природе встречается в минерале танталит и некоторых других, но всегда вместе с химически близким ниобием. Относится к группе металлов, широко применяются как лигатура. Химическая стойкость тантала делает его достойным материалом для изготовления химического специального оборудования и замены более дорогой платины. Но его наибольшее применение сегодня – это изготовление танталовых электролитических конденсаторов для электроники.

1. История

Тантал был открыт в Швеции в 1802 году Андерсом Густафом Экеберг. Годом ранее, Чарльз Гатчета открыл элемент Колумбий. ^[1] В 1809 году, английский химик Уильям Воластон сравнил свойства “земель” ( оксидов) полученных с колумбита, что имел плотность 5,918 г / см ^3, и Танталита, имевший плотность 7,935 г / см ^3, и сделал вывод, что несмотря на большую разницу в плотности, они химически идентичны. Он предложил все же оставить имя “Тантал”. ^[2] Позже Фридрих Велер подтвердил его результат, он был уверен что колумбий и тантал это то самое. Этот вывод был поставлен под сомнение в 1846 немецким химиком Генрихом Розе, которой доказал, что в Танталит содержится 2 отдельных элементы, и он назвал их танталом в честь детей Тантала : ниобием (в честь Ниобы, богини слез), и пелопием (в честь Пелопа). ^{[3] [4]} Элемент “Пелопа” был позже идентифицирован как смесь тантала с ниобием, а также установлено, что ниобий был идентичен Колумбию, открытом Хатчет в 1801 году.

Разницу между танталом и ниобием было однозначно продемонстрировано в 1864 году Христианом Вильгельмом Бломстрандом, ^[5] и Анри Этьен Сент-Клер Девиль, и Льюис Дж. Труст, которые определили эмпирические формулы некоторых его соединений в 1865. ^[5][6] Другое подтверждение пришло от шведского химика Жана Шарля Галисарда где Мариньяк, ^[7] в 1866 году, которой показал, что это два разных элемента. Однако эти опыты не остановили ученых публиковать статьи о так называемом Ильмень до 1871 года. ^[8] Где Мариньяк был первым, кто получил металлический тантал (в 1864 году), когда восстановил хлорид тантала нагревом в атмосфере водорода. ^[9] Однако все ранние образцы тантала были недостаточно чистые, и относительно чистый металлический тантал был впервые получен Вернером фон Болтоном в 1903 году. Танталовые нити были очень распространены в то время в электрических лампах. ^[10]

Название элемента происходит от имени царя Тантала, отца Ниобы с греческой мифологии. По мифу, он был наказан после смерти, и он был вынужден стоять в воде по-колено и не мог ею напиться, потому что она исчезала, если он нагибался, и с замечательными фруктами над его головой, которых он не мог дотянуться, потому что ветер сразу поднимал ветви. Оба эти проблемы вечно “тантализувалы” его. ^[11] Экеберг писал: “Этот металл я назвал Танталом … некоторой степени имея в виду его неспособность” насытиться “кислотой, в которую он может быть погружен и не может поглотить хоть немножко, чтобы насытиться” (This metal I call tantalum… partly in allusion to its incapacity, when immersed in acid, to absorb any and be saturated. “) ^[12]

На протяжении многих десятилетий единственным методом отделения тантала от ниобия был процесс фракционной кристаллизации из флуоридного раствора гептафлуортанаталату калия от оксипентафторониобату калия, открытый Жаном Чарльзом Галисаром где Мариньяк в 1866 году. Сейчас разделение проводят путем фракционного растворения ^[6]

2. Свойства

2.1. Физические свойства

Металлический тантал темного серо-голубого цвета металл, ^[13] плотный, ковкий, очень прочный, хорошо поддается обработке и очень хорошо проводит электричество и тепло. Этот металл очень устойчивой к коррозии в кислотах; фактически при температурах до 150 ? C он совсем не взаимодействует с царской водкой. Его можно растворить в растворах, содержащих фторид и триоксид серы, или в расплаве щелочей. Тантал имеет наивысшую из металлов температуру плавления 3017 ? C, выше которой плавятся только вольфрам, рений и осмий.

Металлический тантал состоит из двух кристаллических фаз: альфа и бета. Альфа-фаза более ковка и мягкая, она имеет обьемоцентровану кубическую решетку (типа Im3m, константа решетки a = 0,33058 nm), Показатель твердости по Кнупом 200-400 HN и удельное электрическое сопротивление 15-60 μΩ ּ cm. Бета-фаза хрупкая и твердая, ее кристаллическая симметрия тетрагональная (тип P42/mnm, a = 1,0194 нм, c = 0,5313 нм), твердость по Кнупом 1000-1300 HN и удельное сопротивление 170-210 μΩ ּ cm. Бета-фаза являются метастабильными и переходит в альфа-фазу при нагревании 750-775 ? C. Основная масса тантала находится в альфа-фазе, и бета-фаза обычно получается путем магнетронного напыления, химического нанесения или электролиза с эвтектического солевого расплава. ^[14]

2.2. Химические свойства

Тантал формирует оксиды со степенями окисления +5 (Ta ₂ O ₅₎ и +4 (TaO _2).^[15] Наиболее стабильный степень окисления это +5, пентаоксид тантала. ^[15] пентаоксида тантала являются исходным материалом для получения многих производных тантала. Сплавлением его с щелочами получают соли танталовой кислоты – танталата. Например, танталата лития (LiTaO ₃₎ и танталата лантана (LaTaO _4). В танталата лития, ион танталата TaO – 3 не содержится, вместо него там содержится цепь TaO 7 – 6 октаэдр, формирующий решетку типа перовскит; Wа танталата лантана в свою очередь содержит тетраэдрические ионы TaO 3 – 4 . ^[15]

Фториды тантала могут быть использованы для отделения его от ниобия. ^[16] С галогенами тантал образует соединения в степенях окисления +5, +4, и +3 типа TaX _5, TaX ₅ и TaX _3, однако также известные багатометалеви комплексные ионы и не стехиометрические соединения. ^{[15] [17]} Пентафторид тантала (TaF ₅₎ это белое кристаллическое вещество с температурой плавления 97,0 ? C а пентахлорид тантала (TaCl ₅₎ это также белое кристаллическое вещество с температурой плавления 247,4 ? C. Пентахлорид тантала гидролиз легко гидролизует водой, и способен реагировать с металлическим танталом, образуя черный и високогигроскопичний тетрахлорид тантала (TaCl _4). Широкий ряд галогенпроизводных тантала может быть получен шляхлм восстановления пентахлоридом тантала водородом, дигалогенпохидни для тантала неизвестны. ^[15] Тантал-теллур сплавы образуют квазикристаллы. ^[15] О соединения Тантала со степенью окислення меньше -1 было сообщено в 2008 году. ^[18]

Как и большинство тугоплавких металлов, тантал образует очень тугоплавкие карбиды и нитриды. Карбид тантала, TaC, как и широко известный карбид вольфрама используется для изготовления режущего инструмента. Тантала (III) нитрид используется как изолятор в виде тонких пленок в электронная промышленности. ^[19] Химики Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) разработали карбид-тантало-графитный композитный материал – один из найпрочниших из всех известных. Корейские исследователи разработали тантало-вольфрамо-медный сплав которой намного упругой и гибкий, и в несколько раз прочнее чем стальной. ^[20] Известно 2 алюминидов тантала, TaAl ₃ и Ta ₃ Al. Они очень стабильны, жаростойкие, и имеют высокую способность отражать свет, и предложены ^[21] как покрытие для зеркал инфракрасного излучения.

2.3. Изотопы

Природный тантал состоит из двух изотопов : ^180m Ta (0,012%) and ¹⁸¹ Ta (99,988%). ¹⁸¹ Ta это стабильный изотоп. Для ^180m Ta (m обозначает метастабильное состояние) предусмотрено три пути распада: изомерное преобразования в основное состояние – ¹⁸⁰ Ta, испытывающий бета-распад в ¹⁸⁰W, или электронное захвата до ¹⁸⁰ Hf. Кстати, радиоактивность этого ядерного изомера никогда не наблюдалась. Только нижняя оценка его периода полураспада составляет более 10 ¹⁵ лет. Основное состояние, изотоп ¹⁸⁰ Ta имеет период полураспада всего 8 часов. ^180m Ta является единственным естественным ядерным изомером (исключая те, которые образовались в результате радиогенных и космических воздействий). Это также самый редкий из изотопов в Вселенной ^[22]

Теоретически, тантал может быть использован для создания “Радиологического загрязнения” как материал для использования в ядерном оружии ( кобальт это лучший гипотетический материал для “грязной бомбы”). Внешняя оболочка ядерного устройства, изготовлена ​​из ¹⁸¹ Ta будет облучен высокоэнергетическими нейтронами при гипотетическом ядерном взрыве. Это превратит тантал в радиоактивный изотоп ¹⁸² Ta, с периодом полураспада 114,4 дней, и излучает гамма-лучи с энергией 1,12 МЭО (MeV), которое сильно повысит эффективность радиоактивного заражения местности в течение нескольких месяцев. “Грязная” ядерное оружие никогда не конструировалась и не испытывалась, крайней мере, об этом публично не известно. ^[23]

2.4. Поширеннисть

Танталит, район Pilbara, Австралия

Содержание Тантала примерно оценивается как 1 ppm ^[24] или 2 ppm ^[17] в земной коре по весу. Он формирует много танталовых минералов, лишь некоторые из которых используются как сырье: танталит, микролит, вудгенит, евксенит, поликраз. Танталит ( Fe, Mn) Ta ₂O _{6 Важнейших} минерал тантала. Танталит имеет структуру, схожую с колумбита ( Fe, Mn) (Ta, Nb) ₂O _6; когда тантала более Nb он называется танталит, в обратном случае – колумбит или ниобата. Высокий удельный вес минералов тантала очень облегчает их гравитационное обогащение. Другие минералы самарськит и фергюсонит.

Главный добыча тантала обеспечивает Австралия, где расположен крупнейший компания, добывающая тантал Global Advanced Metals – Talison Minerals, которая разрабатывает шахты в Западной Австралии, Гринбущи, Юго-западе и Wodgina в Pilbara. Шахты Wodgina были вновь открыты в начале 2011 году после того как они были закрыты в 2008 году в результате мирового финансового кризиса. ^[25] Эта шахта производит танталовый концентрат, которой затем обрабатывается в Гринбущи и поставляется покупателям. ^[26] Крупные производители ниобия находятся в Бразилии и Канаде (руда, которую они перерабатывают содержит небольшое количество тантала), а также других странах, таких как Китай, Эфиопия, Мозамбик (руды которых содержат более тантала) и эти страны попутно производят существенную количество тантала в мире. Тантал также производят в Таиланде и Малайзии как попутный продукт добычи олова. Путем гравитационного обогащения, они отделяют не только касситерит (SnO _2), но и небольшое количество Танталита. Отходы от переплавки олова содержат экономически целесообразные количества тантала. ^{[6] [27]} Ресурсы танталовой сырья, разработка которых в будущем станет целесообразной, в порядке оцененных запасов, содержащихся в Саудовской Аравии, Египте, Гренландии, Китае, Мозамбике, Канаде, Австралии, США, Финляндии, и Бразилии. ^{[28] [29]}

В Центральной Африке часто применяют термин Колтан используется для минералов, содержащих ниобий (Колумба) и тантала. Организация United States Geological Survey сообщила в своей годовой книге 2006 года, этот регион производит лишь около 1% мировой добычи тантала, с пиком в 10% в 2000 и 2008. ^[27] Этнические вопросы, вопросы деловой этики, прав человека и защиты окружающей среды всегда сопровождают добычу “колтана” в регионе военного конфликта в бассейне Конго. ^{[30] [31] [32] [33]}

Согласно отчету ООН от 23.10.2003, ^[34] контрабанда и экспорт колтана является поводом для войны в Конго, кризис, который привел к гибели 5,4 миллиона людей в 1998 году ^[35] – наиболее крупная по количеству погибших после Второй мировой войны.

3. Производство

Добыча тантала проходит через несколько шагов: во-первых, минерал измельчают и обогащают гравитационным методом. Обычно, обогатительная фабрика располагается рядом с местом добычи. Затем проводят процесс химического разделения, как правило, с помощью обработки сырья смесью фтороводневои кислоты и серной при температуре 90 ? C. Это приводит к образованию комплексных фторидов и перехода тантала и ниобия в раствор, где они очищаются от примесей.

Ta ₂ O ₅ + 14 HF → ₂ H 2 [TaF _7] + 5 H ₂ O

Nb ₂ O ₅ + 10 HF → ₂ H 2 [NbOF _5] + 3 H ₂ O

Впервые очистки в промышленном масштабе был разработан где Мариньяком, используя разницу в растворимости K ₂ [NbOF _5] ? H ₂ O и K ₂ [TaF _7] в воде. Современный процесс использует жидкостную экстракцию из водных растворов органическими растворителями, такими как циклогексанон. ^[16] Комплексные фториды ниобия и тантала экстрагируются отдельно водой органических растворителей и переводятся в осадок с помощью фторида калия в виде калийных солей комплексных фторидов, или аммиаком, в виде пентаоксида. ^[15]

H ₂ [TaF _7] + KF → K ₂ [TaF _7] ↓ + HF

₂ H 2 [TaF _7] + 14 NH ₃ + 5 H ₂ O → Ta ₂ O ₅ ↓ + 14 NH ₄ F

Полученный фторотанталат калия обычно обрабатывают расплавленным натрием для получения сырого порошка тантала. ^[36]

4. Применение

4.1. Электроника

Tantalum electrolytic capacitor

Большинство добытого тантала в виде порошка используется для производства электронных компонентов, преимущественно конденсаторов и некоторых высоко резисторов. ^[37] Танталовые конденсаторы используют тенденцию тантала образовывать прочную и плотную оксидную пленку на поверхности. Танталовый порошок, спрессованный в брикет используется как один из обложек конденсатора, оксид в качестве диэлектрике, и раствор электролита, или твердый электролит в качестве второй обложки. Поскольку слой диэлектрике может быть очень тонким, (тоньше чем, например, в алюминиевом конденсаторе), большая емкость может быть сосредоточена в меньшем объеме. Вес и размер танталовых конденсаторов является привлекательной для мобильных телефонов, ноутбуков, и автомобильной электроники. ^[38]

4.2. Сплавы

Тантал также используют для получения сплавов, имеющих высокую температуру плавления, ковкость и прочность. Сплавленный с другими металлами, он также используется для изготовления карбид-метательных инструментов для металлообработки, в производстве суперсплавов для ракетных двигателей, химического оборудования, частей ядерного реактора. ^[38][39] Высокая температура плавления обеспечивает его применение для изготовления нитей спиралей, для испарения таких металлов как алюминий. Устойчивость к жидкостям организма и химическая пассивность обеспечивают широкое применение тантала и его сплавов для изготовления хирургических инструментов и имплантантов. Например, танталовые пористые слои используются для ортопедической имплантации, используя зданисть тантала образовывать прямое соединение с твердыми тканями. ^[40]

Тантал инертен к большинству кислот, исключая плавиковую кислоту и горячую серную кислоту, а также горячие щелочные растворы, в которых тантал подвергается коррозии. Это делает его идеальным материалом для изготовления химической посуды для агрессивных веществ. Теплообменники для нагрева паров соляной кислоты изготавливают из тантала. ^[41] Тантал широко использовался для изготовления сверхвысокочастотных вакуумных ламп для радиопередатчиков. Тантал обладает способностью при высокой температуре поглощать кислород и азот, и используется в качестве гетеру в высоковакуумной технике. ^{[16] [41]}

4.3. Другие использования

Оксид тантала используется для создания стекла с высоким коэффициентом преломления для оптических линз. ^[42] Высокая температура плавления, низкое давление пара и прочность к окислению делает тантал хорошим материалом для частей вакуумных печей. Используя его высокую плотность, были созданы оболочки и устройства, формирующие кумулятивная струя. ^[43] Тантал вследствие его высокой плотности и температуры плавления эффективно повышает проникающую способность бронебойных снарядов. ^{[44] [45]} Также он иногда используется в дорогих часах и авторучки например от Hublot, Montblanc и Panerai. Также, тантал является високобиоинертним и используется в качестве материала для имплантантов. ^[46]

5. Предупреждение

Вещества, содержащие тантал довольно редко встречаются в лаборатории, и исследованы мало. Сам металл очень биосовместимым и используется для изготовления имплантантов и оберток для костей, однако, надо сосредоточить внимание на иных элементах, содержащихся в сплавах и соединениях тантала. ^[47] Простое изучение ^[48] литературы приводит к выводу, что использование тантала иногда связано с саркомой. Возможно, под действием других факторов, не указанных исследователями. Мнение цитировалась с IARC Monograph vol. 74 содержащего “Метки для читателя”: “Включение данного канцерогенного агента в Монография не означает, что он достаточно исследовался. “(Inclusion of an agent in the Monographs does not imply that it is a carcinogen, only that the published data have been examined) ^[49]

nado.znate.ru

Тантал №73 химический элемент

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

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

Споры и заблуждения

Спустя некоторое время выяснилось, что у тантала есть двойник, который появился на свет годом раньше. Этот двойник —элемент № 41, открытый в 1801 г. и первоначально названный Колумбией. Позже его переименовали в ниобий. Сходство ниобия и тантала ввело в заблуждение химиков. После долгих споров они пришли к выводу, что тантал и колумбий — одно и то же.
Поначалу такого же мнения придерживался и известнейший химик того времени Йенс Якоб Берцелиус, однако в дальнейшем он усомнился в этом. В письме к своему Ученику немецкому химику Фридриху Вёлеру Берцелиус писал:
«Посылаю тебе обратно твой X, которого я вопрошал, как мог, но от которого я получил уклончивые ответы. X титан? — спрашивал я. Он отвечал: Вёлер же тебе сказал, что я не титан.

Как тантал разлучают с ниобием

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

На службе химии

Несомненно самое ценное свойство тантала — его исключительная химическая стойкость: в этом отношении он уступает только благородным металлам, да и то не всегда.
Тантал не растворяется даже в такой химически агрессивной среде, как царская водка, которая без труда растворяет и золото, и платину, и другие благородные металлы. О высочайшей коррозионной стойкости тантала свидетельствуют и такие факты. При 200° С он не подвержен коррозии в 70%-ной азотной кислоте, в серной кислоте при 150° С коррозии тантала также не наблюдается, а при 200° С металл корродирует, но лишь на 0,006 мм в год.
К тому же тантал — металл пластичный, из него можно изготовлять тонкостенные изделия и изделия сложной формы. Неудивительно, что он стал незаменимым конструкционным материалом для химической промышленности.

Основной заказчик — металлургия

Однако на медицинские нужды расходуется лишь 5% производимого в мире тантала, около 20% потребляет химическая промышленность. Основная часть тантала — свыше 45% — идет в металлургию. В последние годы тантал все чаще используют в качестве легирующего элемента в специальных сталях — сверхпрочных, коррозионностойких, жаропрочных. Действие, оказываемое на сталь танталом, подобно действию ниобия. Добавка этих элементов к обычным хромистым сталям повышает их прочность и уменьшает хрупкость после закалки и отжига.
Очень важная область применения тантала — производство жаропрочных сплавов, в которых все больше и больше нуждается ракетная и космическая техника. Замечательными свойствами обладает сплав, состоящий из 90% тантала и 10% вольфрама. В форме листов такой сплав работоспособен при температуре до 2500°С, а более массивные детали выдерживают свыше 3300С! За рубежом этот сплав считают вполне надежным для изготовления форсунок, выхлопных труб, деталей систем газового контроля и регулирования и многих других ответственных узлов космических кораблей. В тех случаях, когда сопла ракет охлаждаются жидким металлом, способным вызвать коррозию (литием или натрием), без сплава тантала с вольфрамом просто невозможно обойтись.
Еще большую жаропрочность детали из тантало-вольфрамового сплава приобретают, если на них нанесен слой карбида тантала (температура плавления этого покрытия — свыше 4000° С). При опытных запусках ракет такие сопла выдерживали колоссальные температуры, при которых сам сплав быстро корродирует и разрушается.
Другое достоинство карбида тантала — его твердость, близкая к твердости алмаза, — привело этот материал в производство твердосплавного инструмента для скоростного резания металла.

Работа под напряжением

Приблизительно четвертая часть мирового производства тантала идет в электротехническую и электровакуумную промышленность. Благодаря высокой химической инертности как самого тантала, так и его окисной пленки, электролитические танталовые конденсаторы весьма стабильны в работе, надежны и долговечны: срок их службы достигает 12 лет, а иногда и больше. Миниатюрные танталовые конденсаторы используют в передатчиках радиостанций, радарных установках и других электронных системах. Любопытно, что эти конденсаторы могут сами себя ремонтировать: предположим, возникшая при высоком напряжении искра разрушила изоляцию — тотчас же в месте пробоя вновь образуется изолирующая пленка окисла, и конденсатор продолжает работать как ни в чем не бывало.
Окись тантала обладает ценнейшим для электротехники свойством: если через раствор, в который погружен тантал, покрытый тончайшей (всего несколько микрон!) пленкой окиси, пропускать переменный электрический ток, он пойдет лишь в одном направлении — от раствора к металлу. На этом принципе основаны танталовые выпрямители, которые применяют, например, в сигнальной службе железных дорог, телефонных коммутаторах, противопожарных сигпальных системах.
Тантал служит материалом для различных деталей электровакуумных приборов. Как и ниобий, он отлично справляется с ролью геттера, т. е. газопоглотителя. Так, при 800° С – тантал способен поглотить количество газа, в 740 раз больше его собственного объема. А еще из тантала делают горячую арматуру ламп — аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие нагреваемые детали. Тантал особенно нужен лампам, которые, работая при высоких температурах и напряжениях, должны долго сохранять точные характеристики. Танталовую проволоку используют в криотронах — сверхпроводящих элементах, нужных, например, в вычислительной технике.

natural-museum.ru

Популярная библиотека химических элементов. Раритетные издания. Наука и техника

Тантал

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

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

Споры и заблуждения

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

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

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

Я также установил это.

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

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

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

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

Первые шаги

На протяжении многих десятилетий конструкторы и технологи не проявляли к танталу никакого интереса. Да собственно говоря, тантала, как такового, попросту и не существовало: ведь в чистом компактном виде этот металл ученые смогли получить лишь в XX в. Первым это сделал немецкий химик фон Болтон в 1903 г. Еще раньше попытки выделить тантал в чистом виде предпринимали многие ученые, в частности Муассан. Но металлический порошок, полученный Муассаном, восстановившим пятиокись тантала Ta₂O₅ углеродом в электрической печи, не был чистым танталом, порошок содержал 0,5% углерода.

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

Что же он собой представляет? Прежде всего – это тяжелый металл: его плотность 16,6 г/см³ (заметим, что для перевозки кубометра тантала понадобилось бы шесть трехтонных грузовиков).

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

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

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

Как тантал разлучают с ниобием

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

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

В последние годы важное значение приобрели также экстракционные методы выделения тантала, основанные на различной растворимости солей тантала и ниобия в некоторых органических растворителях. Опыт показал, что наилучшими экстракционными свойствами обладают метилизобутилкетон и циклогексанон.

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

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

K₂TaF₇ + 5Na → Ta + 2KF + 5NaF.

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

На службе химии

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

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

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

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

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

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

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

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

«Нужно иметь танталовые нервы…»

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

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

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

Основной заказчик – металлургия

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

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

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

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

Работа под напряжением

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

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

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

Побочные «специальности» тантала

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

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

Окись тантала иногда применяют и в стеклоделии – для изготовления стекол с высоким коэффициентом преломления. Смесь пятиокиси тантала Ta₂O₅ с небольшим количеством трехокиси железа предложено использовать для ускорения свертывания крови. Гидриды тантала успешно служат для припаивания контактов на кремниевых полупроводниках.

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

Тантал тверже… тантала

Танталовые покрытия не менее привлекательны, чем, скажем, никелевые и хромовые. Привлекательны не только внешне. Разработаны способы, позволяющие покрывать танталовым слоем различной толщины изделия больших размеров (тигли, трубы, листы, сопла ракет), причем покрытие может быть нанесено на самые разнообразные материалы – сталь, железо, медь, никель, молибден, окись алюминия, графит, кварц, стекло, фарфор и другие. Характерно, что твердость танталового покрытия, по Бринелю, составляет 180…200 кг/мм², в то время как твердость технического тантала в виде отожженных прутков или листов колеблется в пределах 50…80 кг/мм².

Дешевле платины, дороже серебра

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

Металл из гранита

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

Только один окисел

Раньше считалось, что, подобно многим другим переходным металлам, тантал при взаимодействии с кислородом может образовывать несколько окислов разного состава. Однако более поздние исследования показали, что кислород окисляет тантал всегда до пятиокиси Ta₂O₅. Существовавшая путаница объясняется образованием твердых растворов кислорода в тантале. Растворенный кислород удаляется при нагревании выше 2200°C в вакууме. Образование твердых растворов кислорода сильно сказывается на физических свойствах тантала. Повышаются его прочность, твердость, электрическое сопротивление, но зато снижаются магнитная восприимчивость и коррозионная стойкость.

• Вольфрам

• Оглавление

Дата публикации:

29 августа 2003 года

n-t.ru

ТАНТАЛ (химический элемент) – это… Что такое ТАНТАЛ (химический элемент)?