Открытие тантала состоялось в 1802 году, однако для получения первого образца чистого металла понадобилось еще 100 лет. Нахождение этого редкого элемента в земной коре крайне незначительно (0,0002 %). При этом он встречается как в виде стабильного (181Та), так и в виде радиоактивного изотопа (180mТа).
Тантал находят в гранитных, щелочных, кабонатитных месторождениях, где он может присутствовать в составе более чем 60-ти минералов, включая колумбит-танталит, манганотанталит, воджинит, лопарит и др. Этот металл добывается Египте, Таиланде, Франции, Нигерии, Канаде, странах СНГ. Самым же крупным месторождением танталовых руд в мире считается австралийское – Гринбушес.
Свойства тантала
Главная особенность тантала – исключительная химическая стойкость перед сильными кислотами и расплавами щелочных металлов. Нагрев этого металла на воздухе до 200-300 о С приводит к его окислению, сопровождаемому образованием газонасыщенного слоя под окисной пленкой.
Физические характеристики тантала:
- плотность – 16,6 г/см 3
- температура плавления – 2996°С
- температура кипения – 5425°С
- теплота сгорания – 1346 кал/г
- теплопроводность при 20 о С – 0,13 кал/см-сек-град
- коэффициент линейного расширения при 20-500 о С – 6,6*10 -6
Сплавы тантала
Чтобы понять, для чего нужен тантал, стоит обратить внимание на его химические характеристики. Этот металл наделен слабыми химическими свойствами, поэтому не растворяется даже в царской водке. Эта его устойчивость используется при создании различных сплавов, в том числе идущих на изготовление металлических конструкций.
Лучшей легирующей добавкой тантала считают вольфрам, ниобий и молибден. Наиболее популярным и востребованным является сплав тантала и вольфрама (в количестве 10%), который отличается очень высоким пределом прочности – 96 кГ/мм 2 . Не менее распространен сплав тантала с гафнием, который выпускается в виде проката: листов, проволоки, полос, трубок и т.д.
Применение тантала
Применение тантала и его многочисленных сплавов весьма разнообразно:
- сухие электролитические конденсаторы
- нагреватели в вакуумных печах
- катоды косвенного нагрева
- основа для производства ряда кислот (H 2 SO 4 , HCl, HNO 3 и др.)
Благодаря стойкости металла к коррозии применение танталовых конденсаторов в радарных аппаратах и других электронных системах позволяет увеличить срок эксплуатации передатчиков до 10-12 лет. Используют тантал и ювелиры: этим металлом они часто заменят платину при изготовлении оболочек браслетов и часов.
Интересна и биологическая роль тантала, ведь он прекрасно воспринимается человеческим организмом, а потому идёт на производство пластин для черепных коробок, глазных протезов и материалов для сшивания нервных волокон.
Стоимость тантала
Стоимость тантала зависит от вида проката и на 05.15 г. составляла (за 1 кг):
- лист – $780
- пентаоксид – $300
- порошок – $590
- проволока – $1360
- пруток – $1180
Тантал - это разумный выбор для всех сфер применения, где требуется высокая коррозионная стойкость. Хотя тантал и не относится к благородным металлам, он сравним с ними по своей химической устойчивости. Кроме того, тантал легко поддается формовке даже при температуре ниже комнатной благодаря своей объемноцентрированной кубической кристаллической структуре. Высокая коррозионная стойкость тантала делает его ценным материалом для использования в самых различных химических средах. Мы используемый наш "неподатливый" материал, например, для теплообменников для сектора приборостроения, загрузочных поддонов для строительства печей, имплантатов для медицинской техники и компонентов конденсаторов для электронной промышленности.
Гарантированная чистота.
Вы можете быть уверенными в качестве нашей продукции. Мы изготавливаем наши продукты из тантала сами - от металлического порошка до готового продукта. В качестве исходного материала мы используем только чистейший танталовый порошок. Так мы гарантируем вам чрезвычайно высокую чистоту материала.
Мы гарантируем качество чистоты спеченного тантала - 99,95 % (чистота металла без ниобия). Согласно химическим анализам, остаточное содержание состоит из следующих элементов:
| Элемент | Типичная макс. величина [мкг] | Гарантированное макс. значение [мкг] |
|---|---|---|
| Fe | 17 | 50 |
| Mo | 10 | 50 |
| Nb | 10 | 100 |
| Ni | 5 | 50 |
| Si | 10 | 50 |
| Ti | 1 | 10 |
| W | 20 | 50 |
| C | 11 | 50 |
| H | 2 | 15 |
| N | 5 | 50 |
| O | 81 | 150 |
| Cd | 5 | 10 |
| Hg* | -- | 1 |
| Pb | 5 | 10 |
Мы гарантируем качество чистоты тантала полученного путем плавки - 99,95 % (чистота металла без ниобия) Согласно химическим анализам, остаточное содержание состоит из следующих элементов:
| Элемент | Типичное значение макс. (µg/g) | Гарантированное значение (µg/g) |
|---|---|---|
| Fe | 5 | 100 |
| Mo | 10 | 100 |
| Nb | 19 | 400 |
| Ni | 5 | 50 |
| Si | 10 | 50 |
| Ti | 1 | 50 |
| W | 20 | 100 |
| C | 10 | 30 |
| H | 4 | 15 |
| N | 5 | 50 |
| O | 13 | 100 |
| Cd | -- | 10 |
| Hg* | -- | 1 |
| Pb | -- | 10 |
Присутствие Сr(VI) и органических примесей исключено производственным процессом (многократная термообработка при температуре выше 1000 °C в атмосфере высокого вакуума) * исходная величина
Материал с особыми талантами.
Насколько уникальны свойства нашего тантала, настолько же специфичны и сферы его применения в промышленности. Ниже мы кратко представим вам две из них:
Индивидуально подобранные химические и электрические свойства.
Благодаря чрезвычайно мелкой микроструктуре тантал является идеальным материалом для производства ультратонкой проволоки с безупречной, исключительно чистой поверхностью для использования в танталовых конденсаторах. Мы можем с высокой степенью точности определять химические, электрические и механические свойства такой проволоки. Так, мы обеспечиваем нашим клиентам индивидуально подобранные и стабильные свойства компонентов, которые мы постоянно развиваем и улучшаем.
Превосходная стойкость и высокая пластичность в холодном состоянии.
Превосходная стойкость в сочетании с отличной формуемостью и свариваемостью делают тантал идеальным материалом для теплообменников. Наши танталовые теплообменники исключительно стабильны и устойчивы в целом ряду агрессивных сред. Обладая многолетним опытом обработки тантала, мы также можем изготовлять продукты сложной геометрии, точно отвечающие вашим требованиям.
Чистый тантал или все же сплав?
Мы оптимальным образом подготавливаем наш тантал к любым применениям. При помощи различных легирующих элементов мы можем изменять следующие свойства вольфрама:
- физические свойства (например, температура плавления, давление пара, плотность, электропроводность, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость)
- механические свойства (например, прочность, механизм разрушения, пластичность)
- химические свойства (например, коррозионная стойкость, травимость)
- обрабатываемость (например, машинная обработка, формуемость, свариваемость)
- структура и характеристики рекристаллизации (например, температура рекристаллизации, склонность к появлению хрупкости, эффект старения, размер зерен)
И это еще не все: используя наши специальные технологии производства, мы можем изменять различные другие свойства тантала в широком диапазоне. Результат: две различные технологии производства тантала и сплавы, обладающие различными свойствами, точно отвечающие требованиям конкретного применения.
Тантал, полученный спеканием (TaS).
Чистый тантал, полученный спеканием, и чистый тантал, полученный плавкой, обладают следующими общими характеристиками:
- высокая температура плавления, составляющая 2 996 °C
- превосходная пластичность в холодном состоянии
- рекристаллизация при температуре от 900 °C до 1 450 °C (в зависимости от степени деформации и чистоты)
- превосходная стойкость в водных растворах и расплавах металлов
- сверхпроводимость
- высокий уровень биологической совместимости
Когда предстоит чрезвычайно тяжелая работа, поможет наш тантал, полученный спеканием: благодаря используемому нами методу порошковой металлургии тантал, полученный спеканием , (TaS) обладает чрезвычайно мелкозернистой структурой и высокой чистотой. В связи с этим материал и отличается высочайшим качеством поверхности и хорошими механическими свойствами.
Для использования в конденсаторах мы рекомендуем одну из разновидностей нашего тантала с чрезвычайно высоким качеством поверхности (TaK ). Такой тантал используется в виде проволоки в танталовых конденсаторах. Высокую емкость, низкий ток утечки и низкое сопротивление можно гарантировать только тогда, когда используется проволока, не имеющая дефектов и примесей.
Тантал, полученный плавкой (TaM).
Не всегда требуется лучшее из лучшего. Тантал, полученный плавкой , (TaM), как правило, более экономичен в производстве, чем тантал, полученный спеканием, а его качества достаточно для многих сфер применения. Однако этот материал не такой мелкозернистый и однородный, как тантал, полученный спеканием. Просто свяжитесь с нами. Мы будем рады проконсультировать вас.
Стабилизированный тантал (TaKS).
Мы легируем наш спеченный стабилизированный тантал кремнием , что позволяет предотвратить рост зерен даже при высокой температуре. Это делает наш тантал пригодным для использования даже при крайне высокой температуре. Мелкозернистая микроструктура остается стабильной даже после отжига при температуре до 2 000 °C. Этот процесс позволяет сохранить превосходные механические свойства материала, такие как его пластичность и прочность. Стабилизированный тантал в виде проволоки или листов идеально подходит для производства танталовых анодов методом спекания или для использования в секторе строительства печей.
Тантал-вольфрам (TaW) отличается хорошими механическими свойствами и превосходной коррозионной стойкостью. Мы добавляем в чистый вольфрам от 2,5 до 10 масс. % вольфрама. Хотя получаемый сплав в 1,4 раза прочнее , чем чистый тантал, он так же легко поддается формовке при температуре до 1 600 °C. Наш материал оптимально подходит для теплообменников и нагревательных элементов, используемых в сфере производства химического оборудования.
Хорош во всех отношениях. Характеристики тантала.
Тантал относится к группе тугоплавких металлов . Тугоплавкие металлы имеют температуру плавления выше температуры плавления платины (1 772 °C). Энергия, связывающая отдельные атомы, чрезвычайно высока. Высокая температура плавления тугоплавких металлов сочетается с низким давлением пара. Тугоплавкие металлы также отличаются высокой плотностью и низким коэффициентом теплового расширения.
В периодической системе химических элементов тантал находится в том же периоде, что и вольфрам. Как и вольфрам, тантал имеет чрезвычайно высокую плотность - 16.6 г/см3. Однако, в отличие от вольфрама, тантал становится хрупким при обработке в водородной среде. По этой причине материал изготовляется в высоком вакууме.
Тантал, несомненно, является наиболее устойчивым из тугоплавких металлов . Он устойчив во всех кислотах и основаниях и обладает крайне специфическими свойствами:
| Свойства | |||
|---|---|---|---|
| Атомное число | 73 | ||
| Атомная масса | 180.95 | ||
| Температура плавления | 2 996 °C / 3 269 K | ||
| Температура кипения | 6 100 °C / 6 373 K | ||
| Атомный объем | 1.80 · 10-29 [м3] | ||
| Давление пара | при 1 800 °C при 2 200 °C | 5 · 10-8 [Пa] 7 · 10-5 [Пa] | |
| Плотность при 20 °C (293 K) | 16.60 [г/см3] | ||
| Кристаллическая структура | объемноцентрированная кубическая | ||
| Постоянная кристаллической решетки | 3.303 · 10-10 [м] | ||
| Твердость при 20 °C (293 K) | деформированный рекристаллизованный | 120 - 220 80 - 125 | |
| Модуль упругости при 20 °C (293 K) | 186 [ГПa] | ||
| Коэффициент Пуассона | 0.35 | ||
| Коэффициент линейного теплового расширения при 20 °C (293 K) | 6.4 · 10-6 [м/(м·K)] | ||
| Теплопроводность при 20 °C (293 K) | 54 [Вт/(м K)] | ||
| Удельная теплоемкость при 20 °C (293 K) | 0.14 [Дж/(г·K)] | ||
| Электропроводность при 20 °C (293 K) | 8 · 10 6 | ||
| Удельное электрическое сопротивление при 20 °C (293 K) | 0.13 [(Ом·мм2)/м] | ||
| Скорость звука при 20 °C (293 K) | Продольная волна Поперечная волна | 4 100 [м/с] 2 900 [м/с] | |
| Работа выхода электрона | 4.3 [эВ] | ||
| Сечение захвата тепловых нейтронов | 2.13 · 10-27 [м2] | ||
| Температура рекристаллизации (продолжительность отжига: 1 час) | 900 - 1 450 °C | ||
| Сверхпроводящий (температура перехода) | < -268.65 °C / < 4.5 K | ||
Теплофизические свойства.
Тугоплавкие металлы, как правило, имеют низкий коэффициент теплового расширения и относительно высокую плотность .. Это касается и тантала. Хотя теплопроводность тантала ниже, чем у вольфрама и молибдена, материал имеет более высокий коэффициент теплового расширения, чем многие другие металлы.
Теплофизические свойства тантала изменяются при изменении температуры. На графиках ниже показаны кривые изменения наиболее важных переменных:
Механические свойства.
Даже малые количества таких элементов, образующих твердый раствор внедрения, как кислород, азот, водород и углерод, могут изменить механические свойства тантала. Кроме того, для изменения его механических свойств используются такие факторы, как чистота металлического порошка, технология производства (спекание или плавка), степень холодной обработки и тип термической обработки.
Как и вольфрам и молибден, тантал имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую решетку . Температура хрупко-вязкого перехода тантала составляет -200 °C, что значительно ниже комнатной температуры. Благодаря этому металл крайне легко поддается формовке . В процессе холодной обработки повышается предел прочности и твердость металла, но одновременно снижается удлинение при разрыве. Хотя материал теряет пластичность, он не становится хрупким.
Термостойкость материала ниже, чем у вольфрама, но сравнима с термостойкостью чистого молибдена. Для повышения термостойкости мы добавляем в наш тантал тугоплавкие металлы, например, вольфрам.
Модуль упругости тантала ниже, чем у вольфрама и молибдена, и сравним с модулем упругости чистого железа. Модуль упругости снижается при повышении температуры.
Механические свойства.
Благодаря высокой пластичности тантал оптимально подходит для формовочных процессов , таких как гибка, штамповка, прессование или глубокая вытяжка. Тантал с трудом поддается машинной обработке . Стружка плохо отделяется. По этой причине мы рекомендуем использовать стружкоотводные ступеньки. Тантал отличается превосходной свариваемостью в сравнении с вольфрамом и молибденом.
У вас есть вопросы о механической обработке тугоплавких металлов? Мы будем рады помочь вам, используя наш многолетний опыт.
Химические свойства.
Поскольку тантал устойчив в химических веществах любого типа, этот материал часто сравнивают с драгоценными металлами. Однако, с точки зрения термодинамики, тантал представляет собой недрагоценный металл, который, тем не менее, может образовывать устойчивые соединения с различными элементами. На воздухе тантал образует очень плотный слой оксида , (Ta2O5) который защищает основной материал от химического воздействия. Таким образом, слой оксида делает тантал коррозионностойким .
При комнатной температуре тантал не является устойчивым только в следующих неорганических веществах: концентрированная серная кислота, фтор, фтороводород, фтористоводородная кислота и растворы кислот, содержащие ионы фтора. Щелочные растворы, расплавленный гидроксид натрия и гидроксид калия также оказывают химическое воздействие на тантал. В то же время материал устойчив в водном растворе аммиака. Если тантал подвергается химическому воздействию, водород проникает в его кристаллическую решетку, и материал становится хрупким. Коррозионная стойкость тантала постепенно снижается при повышении температуры.
Тантал является инертным по отношению ко многим растворам. Однако, если тантал подвергается воздействию смешанного раствора, то его коррозионная стойкость может снизиться, даже если он устойчив в отдельных компонентах такого раствора. У вас есть сложные вопросы по коррозии? Мы будем рады помочь вам, используя наш опыт и нашу собственную лабораторию по исследованию коррозии.
| Коррозионная стойкость в воде, водных растворах и в среде неметаллов | ||
|---|---|---|
| Вода | Горячая вода < 150 °C | стойкий |
| Неорганические кислоты | Соляная кислота < 30 % до 190 °C Серная кислота < 98 % до 190 °C Азотная кислота < 65 % до 190 °C Фтористо-водородная кислота < 60 % Фосфорная кислота < 85 % до 150 °C | стойкий стойкий стойкий нестойкий стойкий |
| Органические кислоты | Уксусная кислота < 100 % до 150 °C Щавелевая кислота < 10 % до 100 °C Молочная кислота < 85 % до 150 °C Винная кислота < 20 % до 150 °C | |
| Щелочные растворы | Гидроксид натрия < 5 % до 100 °C Гидроксид калия < 5 % до 100 °C Аммиачные растворы < 17 % до 50 °C Карбонат натрия < 20 % до 100 °C | стойкийстойкийстойкийстойкий |
| Соляные растворы | Хлорид аммония < 150 °C Хлорид кальция < 150 °C Хлорид железа < 150 °C Хлорат калия < 150 °C Биологические жидкости < 150 °C Сульфат магния < 150 °C Нитрат натрия < 150 °C Хлорид олова < 150 °C | стойкийcтойкийстойкийстойкийстойкийстойкийстойкийстойкий |
| Неметаллы | Фтор Хлор < 150 °C Бром < 150 °C Йод < 150 °C Сера < 150 °C Фосфор < 150 °C Бор < 1 000 °C | нестойкийстойкийcтойкийстойкийстойкийстойкийстойкий |
Тантал устойчив в некоторых расплавах металлов, таких как Ag, Bi, Cd, Cs, Cu, Ga, Hg, K, Li, Mg, Na и Pb, при условии что эти расплавы содержат малое количество кислорода. Однако этот материал подвержен воздействию Al, Fe, Be, Ni и Co.
| Коррозионная стойкость в расплавах металлов | |||
|---|---|---|---|
| Алюминий | нестойкий | Литий | стойкий при температуре < 1 000 °C |
| Бериллий | нестойкий | Магний | стойкий при температуре < 1 150 °C |
| Свинец | стойкий при температуре < 1 000 °C | Натрий | стойкий при температуре < 1 000 °C |
| Кадмий | стойкий при температуре < 500 °C | Никель | нестойкий |
| Цезий | стойкий при температуре < 980 °C | Ртуть | стойкий при температуре < 600 °C |
| Железо | нестойкий | Серебро | стойкий при температуре < 1 200 °C |
| Галлий | стойкий при температуре < 450 °C | Висмут | стойкий при температуре < 900 °C |
| Калий | стойкий при температуре < 1 000 °C | Цинк | стойкий при температуре < 500 °C |
| медь | стойкий при температуре < 1 300 °C | Олово | стойкий при температуре < 260 °C |
| Кобальт | нестойкий | ||
Когда неблагородный металл, например, тантал, вступает в контакт с благородными металлами, например, платиной, очень быстро возникает химическая реакция. В связи с этим необходимо учитывать реакцию тантала с другими материалами, присутствующими в системе, особенно при высокой температуре.
Тантал не вступает в реакцию с инертными газами. По этой причине инертные газы высокой чистоты могут использоваться в качестве защитных газов. Однако при повышении температуры тантал активно вступает в реакцию с кислородом или воздухом и может поглощать большое количество водорода и азота. Это делает материал хрупким. Устранить эти примеси позволяет отжиг тантала в высоком вакууме. Водород исчезает при температуре 800 °C, а азот - при 1 700 °C.
В высокотемпературных печах тантал может вступать в реакцию с деталями конструкции, изготовленными из тугоплавких оксидов или графита. Даже очень устойчивые оксиды, такие как оксид алюминия, магния или циркония, могут подвергаться восстановлению при высокой температуре, если они вступают в контакт с танталом. При контакте с графитом может образовываться карбид тантала, что приводит к повышению хрупкости тантала. Хотя обычно тантал можно легко комбинировать с другими тугоплавкими металлами, например, молибденом или вольфрамом, он может вступать в реакцию с гексагональным нитридом бора и нитридом кремния.
В таблице ниже указана коррозионная стойкость материала по отношению к термостойким материалам, используемым при строительстве промышленных печей. Указанные предельные температуры действительны для вакуума. При использовании защитного газа эти температуры примерно на 100-200 °C ниже.
| Коррозионная стойкость по отношению к термостойким материалам, используемым при строительстве промышленных печей | |||
|---|---|---|---|
| Оксид алюминия | стойкий при температуре < 1 900 °C | Молибден | стойкий |
| Оксид бериллия | стойкий при температуре < 1 600 °C | Нитрид кремния | стойкий при температуре < 700 °C |
| Гексагональный. нитрид бора | стойкий при температуре < 700 °C | Оксид тория | стойкий при температуре < 1 900 °C |
| Графит | стойкий при температуре < 1 000 °C | вольфрам | стойкий |
| Оксид магния | стойкий при температуре < 1 800 °C | Оксид циркония | стойкий при температуре < 1 600 °C |
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.
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 жив 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 колумбий, 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).
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 Та 2 0 5 углеродом в электрической печи, не был чистым танталом, порошок содержал 0,5% углерода.
Итак, в начале нашего века в руки исследователей попал чистый тантал, и теперь они уже могли детально изучить свойства этого светло-серого металла со слегка синеватым оттенком. Что же он собой представляет? Прежде всего - это тяжелый металл: его плотность 16,6 г/см 3 (заметим, что для перевозки кубометра тантала понадобилось бы шесть трехтонных грузовиков).
Высокая прочность и твердость сочетаются в нем с отличными пластическими характеристиками. Чистый тантал хорошо поддается механической обработке, легко 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° С (точнее, при 2996°С), 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% Та, но минералов его известно много - свыше 130. Тантал в этих минералах , как правило, неразлучен с ниобием, что объясняется чрезвычайным химическим сходством элементов и почти одинаковыми размерами их ионов.
Трудность разделения этих металлов долгое время тормозила развитие промышленности тантала и ниобия. До недавних пор их выделяли лишь способом, предложенным еще в 1866 г. швейцарским химиком Мариньяком, который воспользовался различной растворимостью фтор-танталата и фторниобата калия в разбавленной плавиковой кислоте.
В последние годы важное значение приобрели также экстракционные методы выделения тантала, основанные на различной растворимости солей тантала и ниобия в некоторых органических растворителях. Опыт показал, что наилучшими экстракционными свойствами обладают метилизобутилкетон и циклогексанон.
В наши дни основной способ производства металлического тантала - 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:
K 2 TaF 7 + 5Na → Та + 2KF + 5NaF.
Конечный продукт реакции - порошкообразный тантал, который затем спекают. В последние два десятилетия стали применять и другие методы обработки порошка - дуговую или индукционную плавку в вакууме и электронно-лучевую плавку.
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.
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.
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°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.
Ta
↓
Db
История
Тантал открыт в 1802 году шведским химиком А. Г. Экебергом в двух минералах, найденных в Финляндии и Швеции . Однако в чистом виде выделить его не удалось. Из-за трудностей получения этот элемент был назван по имени героя древнегреческой мифологии Тантала .
В последующем тантал и «колумбий» (ниобий) считали тождественными. Лишь в 1844 году немецкий химик Генрих Розе доказал, что минерал колумбит-танталит содержит два различных элемента - ниобий и тантал.
Известно около 20 собственных минералов тантала - серия колумбит-танталит , воджинит, лопарит , манганотанталит и другие, а также более 60 минералов , содержащих тантал. Все они связаны с эндогенным минералообразованием. В минералах тантал всегда находится совместно с ниобием вследствие сходства их физических и химических свойств. Тантал - типично рассеянный элемент, так как изоморфен со многими химическими элементами. Месторождения тантала приурочены к гранитным пегматитам, карбонатитам и щелочным расслоенным интрузиям.
Месторождения
Самые крупные месторождения танталовых руд находятся во Франции , Египте , Таиланде , Китае . Месторождения танталовых руд имеются также в Мозамбике , Австралии , Нигерии , Канаде , Бразилии , СНГ , ДРК , Малайзии .
Крупнейшее мировое месторождение танталовых руд, Гринбушес , расположено в Австралии в штате Западная Австралия в 250 км к югу от Перта .
Физические свойства
При температуре ниже 4,45 К переходит в сверхпроводящее состояние .
Химические свойства
При нормальных условиях тантал малоактивен, на воздухе окисляется лишь при температуре свыше 280 °C , покрываясь оксидной плёнкой Ta 2 O 5 ; с галогенами реагирует при температуре свыше 250 °C . При нагревании реагирует с С, В, Si, P, Se, Те, Н 2 О, СО, СО 2 , NO, HCl, H 2 S.
Химически чистый тантал исключительно устойчив к действию жидких щелочных металлов , большинства неорганических и органических кислот, а также многих других агрессивных сред (за исключением расплавленных щелочей).
В отношении химической устойчивости к реагентам, тантал подобен стеклу. Тантал нерастворим в кислотах и их смесях, кроме смеси плавиковой и азотной кислот; его не растворяет даже царская водка . Реакция с плавиковой кислотой идёт только с пылью металла и сопровождается взрывом . Очень устойчив к воздействию серной кислоты любой концентрации и температуры (при 200 °C металл корродирует в кислоте лишь на 0,006 миллиметра в год) , устойчив в обескислороженных расплавленных щелочных металлах и их перегретых пара́х (литий, натрий, калий, рубидий, цезий).
Токсикология
Распространённость
Получение
Основным сырьём для производства тантала и его сплавов служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие около 8 % Та 2 О 5 , а также 60 % и более Nb 2 O 5 . Концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые - хлорируют. Разделение Та и Nb производят с помощью экстракции . Металлический тантал обычно получают восстановлением Ta 2 O 5 углеродом , либо электрохимически из расплавов. Компактный металл производят вакуумно-дуговой, плазменной плавкой или методом порошковой металлургии .
Для получения 1 тонны танталового концентрата необходимо переработать до 3000 тонн руды.
Стоимость
Применение
Первоначально использовался для изготовления проволоки для ламп накаливания. Сегодня из тантала и его сплавов изготовляют:
- жаропрочные и коррозионностойкие сплавы;
- коррозионно-устойчивую аппаратуру для химической промышленности, фильерные пластины , лабораторную посуду и тигли для получения, плавки, и литья редкоземельных элементов, а также иттрия и скандия ;
- теплообменники для ядерно-энергетических систем (тантал наиболее из всех металлов устойчив в перегретых расплавах и парах цезия);
- в хирургии листы, фольгу и проволоку из тантала используют для скрепления тканей, нервов, наложения швов, изготовления протезов, заменяющих повреждённые части костей (ввиду биологической совместимости);
- танталовая проволока используется в криотронах - сверхпроводящих элементах, устанавливаемых в вычислительной технике;
- в производстве боеприпасов тантал применяется для изготовления металлической облицовки перспективных кумулятивных зарядов, улучшающей бронепробиваемость ;
- тантал и ниобий используют для производства электролитических конденсаторов (более качественных, чем алюминиевые электролитические конденсаторы, но рассчитанных на меньшее напряжение);
- тантал используется в последние годы в качестве ювелирного металла, в связи с его способностью образовывать на поверхности прочные плёнки оксида красивых радужных цветов;
- ядерный изомер тантал-180m2, накапливающийся в конструкционных материалах атомных реакторов, может наряду с гафнием-178m2 служить источником гамма-лучей и энергии при разработке оружия и специальных транспортных средств.
- Бюро стандартов США и Международное бюро мер и весов Франции используют тантал вместо платины для изготовления стандартных аналитических разновесов большой точности;
- Бериллид тантала чрезвычайно твёрд и устойчив к окислению на воздухе до 1650 °C , применяется в авиакосмической технике;
- карбид тантала (температура плавления 3880 °C , твёрдость близка к твёрдости алмаза) применяется в производстве твёрдых сплавов - смеси карбидов вольфрама и тантала (марки с индексом ТТ), для тяжелейших условий металлообработки и ударно-поворотного бурения крепчайших материалов (камень, композиты), а также наносится на сопла, форсунки ракет;
- Оксид тантала(V) используется в атомной технике для варки стекла, поглощающего гамма-излучение . Один из наиболее широко применяемых составов такого стекла: двуокись кремния - 2 %, монооксид свинца (глет) - 82 %, оксид бора - 14 %, пятиокись тантала - 2 %;
- В нумизматике. С 2006 год
