Тантал - химический элемент с зарядом ядра 73, при обычных условиях - металл серого цвета.
Нахождение в природе танталаВ природе встречается в виде двух изотопов: стабильного 181 Та (99,9877 %) и радиоактивного с периодом полураспада 10 12 лет 180 Та (0,0123 %).
Известно около 20 собственно минералов тантала - серия колумбит - танталит, воджинит, лопарит, манганотанталит и другие. и 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.
Физические свойства тантала
Обладает высокой температурой плавления (3015°С), цвет в чистом виде серо-стальной, плотность 16,6, несмотря на твёрдость пластичен, как золото.
При обычной температуре тантал устойчив на воздухе. Начало окисления наблюдается при нагревании до 200 - 300°С. Выше 500° происходит быстрое окисление с образованием окисла Ta 2 O 5 .
Тантал имеет кубическую объемноцентрированную решетку (а = 3,296 Å); атомный радиус 1,46 Å, ионные радиусы Та 2+ 0,88 Å, Та 5+ 0,66 Å; плотность 16,6 г/см 3 при 20 °С; t пл 2996 °С; Т кип 5300 °С; удельная теплоемкость при 0-100°С 0,142 кдж/(кг·К) ; теплопроводность при 20-100 °С 54,47 Вт/(м·К) . Температурный коэффициент линейного расширения 8,0·10 -6 (20-1500 °С); удельное электросопротивление при 0 °С 13,2·10 -8 ом·м, при 2000 °С 87·10 -8 ом·м. При 4,38 К становится сверхпроводником. Тантал парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 0,849·10 -6 (18 °С). Чистый Тантал - пластичный металл, обрабатывается давлением на холоду без значительного наклепа. Его можно деформировать со степенью обжатия 99% без промежуточного отжига. Переход Тантала из пластичного в хрупкое состояние при охлаждении до -196 °С не обнаружен. Модуль упругости Тантала 190 Гн/м 2 (190·10 2 кгс/мм 2) при 25 °С. Предел прочности при растяжении отожженного Тантала высокой чистоты 206 Мн/м 2 (20,6 кгс/мм 2) при 27 °С и 190 Мн/м 2 (19 кгс/мм 2) при 490 °С; относительное удлинение 36% (27 °С) и 20% (490 °С). Твердость по Бринеллю чистого рекристаллизованного Тантала 500 Мн/м 2 (50 кгс/мм 2). Свойства Тантала в большой степени зависят от его чистоты; примеси водорода, азота, кислорода и углерода делают металл хрупким.
Химические свойства танталаПри нормальных условиях тантал малоактивен, на воздухе окисляется лишь при температуре свыше 280 °C, покрываясь защитной 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, его не растворяет даже царская водка. Растворим только в смеси плавиковой и азотной кислот. Реакция с плавиковой кислотой идет только с пылью металла и сопровождается взрывом. Очень устойчив к воздействию серной кислоты любой концентрации и температуры, устойчив в обескислороженных расплавленных щелочных металлах и перегретых парах их - (литий, натрий, калий, рубидий, цезий-133).
Характерное свойство тантала - способность поглощать газы: водород, азот и кислород. Небольшие примеси этих элементов сильно влияют на механические и электрические свойства металла. При низкой температуре водород поглощается медленно, при температуре примерно 500°С водород поглощается с максимальной скоростью, причём происходит не только адсорбция, но и образуются химические соединения - гидриды (ТаН). Поглощённый водород придаёт металлу хрупкость, но при нагревании в вакууме выше 600°С почти весь водород выделяется и прежние механические свойства восстанавливаются.
Тантал поглощает азот уже при 600°С, при более высокой температуре образуется нитрид TaN, который плавится при 3087°С.
Углерод и углеродсодержащие газы (СН 4 , СО) при высокой температуре в 1200 - 1400°С взаимодействуют с металлом с образованием твёрдого и тугоплавкого карбида ТаС (плавится при 3880°С).
С бором и кремнием тантал образует тугоплавкий и твёрдый борид и силицид: ТаВ 2 (плавится при 3000°С) и NaSi 2 (плавится при 3500°С).
Тантал устойчив против действия соляной, серной, азотной, фосфорной и органических кислот любой концентрации на холоду и при 100 - 150°С. По стойкости в горячих соляной и серной кислотах тантал превосходит ниобий. Тантал растворяется в плавиковой кислоте и особенно интенсивно - в смеси плавиковой и азотной кислот.
Менее устойчив тантал в щелочах. Горячие растворы едких щелочей заметно разъедают металл, в расплавленных щелочах и соде он быстро окисляется с образованием натриевой соли танталовой кислоты.
Получение танталаОсновным сырьём для производства тантала и его сплавов служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие около 8 % Та 2 О 5 , 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.
Крупнейшее мировое месторождение танталовых руд Гринбушес расположено в Австралии в штате Западная Австралия в 250 км к югу от Перта.
|
Массовая доля примесей в тантале в % не более |
||||
|
Nb (ниобий) 0,05 |
O (кислород) 0,01 |
Na (натрий) 0,0002 |
Mn (марганец) 0,0001 |
Sn (олово) 0,0001 |
|
Fe (железо) 0,0015 |
N (азот) 0,01 |
Mg (магний) 0,0002 |
Co (кобальт) 0,0001 |
Cr (хром) 0,0005 |
|
Ti (титан) 0,0005 |
C (углерод) 0,005 |
Al (алюминий) 0,0005 |
Ni (никель) 0,0003 |
Zr (цирконий) 0,0005 |
|
Si (кремний) 0,0015 |
H (водород) 0,0005 |
Ca (кальций) 0,001 |
Cu (медь) 0,0005 |
W (вольфрам) 0,01 |
Применение тантала
Первоначально использовался для изготовления проволоки для
ламп накаливания.
Тантал впервые был применён в 1900 - 1903 гг. для изготовления нитей накаливания в электролампах, но позже, в 1909 - 1910 гг., его заменили вольфрамом.
Широкое применение тантала было связано с развитием электровакуумной техники, к которой относится производство радиотехнической, радиолокационной и рентгеновской аппаратуры.
Тантал обладает сочетанием ценных свойств (высокой температурой плавления, высокой эмиссионной способностью и способностью поглощать газы), позволяющих применять его для изготовления деталей электровакуумной аппаратуры. Способность поглощать газы используется для поддержания глубокого вакуума в радиолампах и других электровакуумных приборах.
Из танталовых листов и штабиков изготовляют «горячую арматуру» (нагреваемые детали) - аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие детали электронных ламп, особенно мощных генераторных ламп.
Кроме чистых металлов для тех же целей применяют танталониобиевые сплавы.
В конце 50-х - начале 60-х годов важное значение приобрело применение тантала для изготовления электролитических конденсаторов и выпрямителей тока. Здесь использована способность тантала к образованию устойчивой окисной плёнки при анодном окислении. Окисная плёнка устойчива в кислых электролитах и пропускает ток только в направлении от электролита к металлу. Удельное электросопротивление плёнки Та 2 О 5 в направлении, не проводящем ток, очень высокое (7, 5 . 10 12 ом. см), диэлектрическая постоянная плёнки 11, 6.
Танталовые конденсаторы с твёрдым электролитом отличаются высокой ёмкостью при малых размерах, высоким сопротивлением изоляции (в 2 - 3 раза выше, чем у алюминиевых конденсаторов), стойкостью плёнки. Положительная обкладка у этих конденсаторов выполнена в виде таблетки, спрессованной из танталового порошка и спечённой в нейтральной среде при высокой температуре. Эффективная поверхность такой пористой таблетки в 50 - 100 раз больше, чем геометрическая, что позволяет получить очень малые габаритные размеры конденсатора при относительно большой ёмкости его. Положительная обкладка помещается в корпус, заполненный электролитом, служащим отрицательной обкладкой, соединённой с корпусом. Выпускались конденсаторы типа ЭТО четырёх видов: ЭТО-1 (ЭТО-С), ЭТО-2, ЭТО-3, ЭТО-4. Конденсаторы вида ЭТО-1, предназначенные для использования в аппаратуре особо ответственного назначения, обозначаются ЭТО-С. Также существуют конденсаторы типа ЭТ и ЭТН: электролитические танталовые и электролитические танталовые неполярные. Конденсаторы можно применять в широком интервале температур от -80 до +200°С. Танталовые конденсаторы широко используют в радиостанциях, различной военной аппаратуре и других приборах.
Коррозионная стойкость тантала в кислотах и других средах, в сочетании с высокой теплопроводностью и пластичностью делает его ценным конструкционным материалом для аппаратуры в химических и металлургических производствах. Тантал служит материалом фильер (взамен платины) для формирования волокон в производстве искусственного шёлка.
Тантал входит в состав различных жаропрочных сплавов для газовых турбин реактивных двигателей. Легирование танталом молибдена, титана, циркония, алюминия и меди резко улучшает свойства этих металлов, а также их сплавов.
Карбиды тантала входят в состав некоторых марок металлокерамических твёрдых сплавов на основе карбида вольфрама, используемых для резания сталей. Тантал используется как легирующая добавка в сталях. Также тантал входит в состав различных жаропрочных сталей (например, для газовых турбин), в состав инструментальных и магнитных сталей.
Тантал в виде проволоки и листов применяют в медицине - в костной и пластической хирургии (скрепление костей, «заплатки» при повреждении черепа, наложение швов и т.д.). Металл совершенно не раздражает живую ткань и не вредит жизнедеятельности организма.
В органическом синтезе применяют некоторые соединения тантала (фтористые комплексные соли, окислы) как катализаторы.
Сегодня из тантала и его сплавов изготовляют:
Бериллид тантала чрезвычайно тверд и устойчив к окислению на воздухе до 1650 °C, применяется в авиакосмической технике.
Пятиокись тантала используется в атомной технике для варки стекла поглощающего гамма-излучение. Один из наиболее широко применяемых составов такого стекла: кремния двуокись - 2%, монооксид свинца (глет) - 82%, оксид бора - 14%, пятиокись тантала - 2%.
ТАНТАЛ, Ta (по имени героя древне-греческой мифологии Тантала; лат. Tantalum * а. tantalum; н. Tantal; ф. tantale; и. tantalo), — химический элемент V группы периодической системы Менделеева , атомный номер 73, атомная масса 180,9479. В природе встречается в виде двух изотопов: 181 Ta (99,9877%) и 180 Ta (0,0123%). Известно 13 искусственных радиоактивных изотопов тантала с массовыми числами от 172 до 186. Тантал открыт в 1802 шведским химиком А. Г. Экебергом. Пластичный металлический тантал впервые получен немецким учёным В. Больтеном в 1903.
Основной сырьём для производства тантала и его сплавов служат танталитовые и лопаритовые концентраты , содержащие около 8% Ta 2 O 5 , 60% и более Nb 2 O 5 . Концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые — хлорируют. Разделение Ta 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. Из тантала и его сплавов изготовляют коррозионно-устойчивую аппаратуру для химической промышленности, фильеры, лабораторную посуду и тигли; теплообменники для ядерно-энергетических систем. В хирургии листы, фольгу и проволоку из тантала используют для скрепления тканей, нервов, наложения швов, изготовления протезов, заменяющих повреждённые части костей (ввиду биологической совместимости). Карбид тантала применяется в производстве твёрдых сплавов.
ТАНТАЛ , Та, химический элемент V группы периодической системы, аналог ванадия и ниобия. Атомный вес 181,4; порядковое число 73. Тантал - металл стально-серого, в отполированном виде белого цвета; удельный вес ~ 16,6, температура плавления 2800°С, температура кипения выше 4400°С, т. о. тантал - третий по плавкости металл [выше плавятся вольфрам (3370 ±50°С) и рений (3167±60°С)]. Сопротивление на разрыв незакаленного тантала около 100 кг/см 2 ; твердость по Бринеллю 45,9. Чистый тантал легко поддается механической обработке: ковке, прокатке, волочению на холоде. Путем термической обработки его твердость м. б. значительно повышена. При нагревании тантал легко поглощает газы и становится хрупким; вследствие этого нагревание предназначенного к механической обработке тантал ведут в вакууме. Поглощенный водород тантал отдает с трудом; при температуре плавления легко поддается сварке. Удельная теплоемкость тантала 0,0365 при 0°С. Термический коэффициент расширения при 20°С - 0,0000065. В химическом отношении тантал чрезвычайно стоек при низких температурах, благодаря чему может заменять во многих случаях платину. При нагревании на воздухе при температуре около 400°С тантал начинает покрываться синей пленкой окислов, а при температуре красного каления сгорает полностью до пятиокиси тантала (см. ниже).
Непосредственно соединяется также при высоких температурах с азотом с образованием нитрида, с водородом с образованием гидрида и с углеродом с образованием карбида тантала; при обычной температуре соединяется с фтором. Минеральные кислоты, концентрированные и разбавленные, на него практически не действуют; исключением является плавиковая кислота, особенно в смеси с азотной, в которой тантал растворяется относительно быстро. Элементарный хлор практически на тантал не действует. Относительно быстро разрушается тантал щелочами, особенно горячими концентрированными растворами.
Соединения тантала . Важнейшие соединения производятся от пятивалентного тантала. Соединения низших степеней валентности менее стабильны и не имеют технического значения.
Пятиокись тантала Та 2 О 5 получается путем сильного прокаливания металлического тантала или его соединений с летучими веществами в кислороде или на воздухе. Практически получают ее путем прокаливания танталовой кислоты (см. ниже). Та 2 О 5 - белый порошок, удельный вес 8,70, нерастворимый в воде и кислотах за исключением плавиковой. При сильном прокаливании в вакууме Та 2 О 5 отщепляет кислород и образует металлический тантал. Путем сплавления Та 2 О 5 с едкими или углекислыми щелочами получают соли танталовой кислоты, танталаты : метатанталаты , например, NaTaО 3 , ортотанталаты , например, Na 3 TaО 4 , пиротанталаты , например, минерал иттротанталит, и политанталаты типа Me 8 Ta 6 O 19 . При воздействии минеральных кислот на растворы танталитов выделяется аморфный осадок гидратированной пятиокиси тантала непостоянного состава, т.н. танталовая кислота . Свежеосажденная танталовая кислота слабо растворяется в щелочах и минеральных кислотах; из последних осаждается при разбавлении. Пятифтористый тантал TaF 5 получается путем воздействия фтористого водорода на TaCl 5 (см. ниже). Кристаллизуется в виде бесцветных призм, температура плавления 96,8°С, температура кипения 229°С. С водой гидролизуется с образованием танталовой кислоты. Та F 5 обнаруживает большую склонность к образованию комплексных солей, которые получаются при добавлении соответствующих фтористых солей к раствору тантала в плавиковой кислоте. Большинство этих солей соответствует типу 2MeF TaF 5 , но известны и другие, как 2TaF 5 3BaF 2 ; TaF 5 3NaF; TaF 5 ·NaF. Флюoтанталат калия TaF 5 2KF, или K 2 TaF 7 , получают из растворов TaF 5 при добавлении солей калия, чем пользуются для отделения тантала от ниобия и титана. В виду большого термического коэффициента растворимости эта соль хорошо перекристаллизовывается из горячей воды. Во избежание гидролиза эту операцию необходимо вести в присутствии небольшого избытка плавиковой кислоты. Пятихлористый тантал ТаС l 5 - желтое кристаллическое вещество, удельный вес 3,68, температура плавления 211°С и температура кипения 242°С, получается при воздействии хлора на металлический тантал. При нагревании на воздухе превращается в Та 2 О 5 . Вода разлагает ТаС l 5 с образованием хлористого водорода и танталовой кислоты. При нагревании ТаС l 5 в вакууме или при осторожном восстановлении его получают кристаллические низшие хлориды тантала зеленого цвета. Треххлористый тантал ТаС l 5 растворяется в воде без разложения; из зеленого раствора щелочи осаждается зеленый аморфный осадок гидроокиси тантала Та(ОН) 3 , обнаруживающей амфотерные свойства и растворимой как в избытке щелочи, так и в кислотах. При кипячении Та(ОН) 3 разлагает воду с образованием танталовой кислоты по реакции
Та(ОН) 3 + 2Н 2 О=Та(ОН) 5 + Н 2 .
При упаривании растворов ТаС l 3 с избытком соляной кислоты образуется своеобразная хлорокись Та 3 С l 7 O·ЗН 2 O. При сильном нагревании ТаС l 3 распадается на ТаС l 5 и ТаС l 2 . Карбид тантала ТаС чрезвычайно твердый, латунно-жёлтого цвета, получается путем нагревания в вакууме смеси порошков металлического тантала или Та 2 О 5 с углем; плавится при температуре около 3900°С.
Распространение тантала в земной коре определяется цифрой 2·10 -7 . В минералах он обычно в виде изоморфной примеси сопровождает ниобий . Важнейшим промышленным минералом является танталит, метатанталат железа Fe(TaО 3) 2 , в котором часть железа м. б. замещена железом , а часть тантала - ниобием (танталитами условно называют минералы изоморфного ряда (Fe, Mn) [(Ta, Nb)О 3 ] 2 , в которых тантал преобладает над ниобием). Важнейшие месторождения танталитов - Финляндия, Скандинавия и США (Коннектикут и Дакота), месторождения мирового значения в западной и северной Австралии. Во многих минералах тантал связан с редкими землями, как в фергусоните , ортотанталате (и ниобате) иттриевых земель Y [(Ta, Nb)О 4 ], иттротанталите , пиротанталате (и ниобате) тех же оснований Y 4 [(Ta, Nb) 2 О7] 3 и самарските , сложном ниоботанталате, найденном на Урале, содержащем также и уран. Редко встречающийся микролит представляет собой пиротанталат кальция Са 2 (Та 2 О 7). Пирохлор , эйксенит и поликраз - сложные титанониобаты, содержащие колеблющиеся количества тантала.
Для извлечения тантала из минералов последние сплавляют обычно с щелочными пиросульфатами в железных сосудах и выщелачивают плав водой. Остающуюся нерастворенной танталовую и ниобиевую кислоты растворяют в плавиковой. Для отделения от ниобиевой кислоты пользуются гл. обр. дробной кристаллизацией солей, чаще всего фторотанталатом калия K 2 TaF 7 . Путем восстановления фторотанталата калия металлическими натрием по реакции K 2 TaF 7 +5Na = 5NaF+2KF+Ta получают элементарный тантал в виде загрязненного окислами черного порошка. Для очистки его прокаливают в вакуумной электропечи до высоких температур, при которых окислы распадаются; образующийся порошок тантала прессуют и в вакууме же плавят.
Применение тантала довольно разнообразно; оно обусловливается его высокой температурой плавления, механическими свойствами и химической стойкостью. Тантал является первым металлом, из которого изготовляли (с 1903 до 1911 г.) нити для электроламп. Позднее он был вытеснен вольфрамом. В настоящее время из него готовят электроды электронных ламп. Тантал пользуются как материалом для изготовления химической аппаратуры (тиглей, чашек), физических приборов и хирургических, главным образом зубоврачебных инструментов, вечных перьев (самопишущих ручек), а также фильер в производстве искусственного шелка. Благодаря химической стойкости он применяется иногда как материал для электродов, особенно в электроанализе. В серной кислоте катод из тантала покрывается синей пленкой окислов, которая пропускает электрический ток только в одном направлении, благодаря чему тантал применяется в мокрых выпрямителях переменного тока. Сплавы тантала с железом , хромом, ванадием, молибденом и вольфрамом обладают большой твердостью, тугоплавкостью и химической стойкостью, в частности сплав с железом химически весьма стоек. До сих пор эти сплавы вследствие высокой цены тантала производились в относительно небольших масштабах. Из соединений тантала практическое значение имеет только карбид - одно из наиболее тугоплавких известных веществ, - обладающий очень большой твердостью. Он начинает находить применение в производстве режущих инструментов и как материал для высокотемпературных печей.
Тантал – особый вид металла, который относиться к группе благородных. Был открыт в далеком 1802 году, но считается молодым элементом. Несмотря на свою редкость, он широко используется не только в ювелирном деле, но и в промышленности. Особенно часто встречается в электронике — практически каждое устройство содержит его в составе.
Массовое использование этого металла началось в 40-х годах прошлого века и продолжается до сих пор. Свою популярность он обрел благодаря повышенным прочностным свойствам. При этом он имеет множество уникальных физических и химических свойств.
Среди физических свойств этого металла следует выделить высокую температуру плавления, которая составляет 3017 градусов Цельсия, что выделяет его среди многих аналогов. Благодаря этому его используют в тех сферах, где необходима повышенная устойчивость к экстремальным условиям. При этом к характеристикам тантала стоит отнести пластичность и твердость, сочетание которых довольно редко встречается в природе.
Температура плавления тантала 3017 °C.
Вышеупомянутые свойства тантала позволяют обрабатывать металл без особых усилий, создавать необходимые формы и размеры. Особое строение атома очень важно для создания деталей и механизмов конструкций повышенной ответственности. Тантал хорошо поддается ковке и прокату. При этом можно также успешно использовать метод холодной деформации. Следует выделить высокую теплопроводность.
Благодаря высокой плотности металл можно использовать для производства мелких шестеренок, деталей электроприборов, которые устойчивы к износу и не подвергаются разрушению после длительного периода использования.
В некоторых случаях его используют как поглотитель газа. Следует выделить электронную конфигурацию: металл имеет различные свойства электропроводности в обычном состоянии и при высоких температурах.
Соединение танталовых деталей можно проводить с помощью пайки, сварки или клепочным методом. Наиболее часто используют метод сваривания, так как качество сварного шва отличается высокой прочностью и стойкостью к физическому напряжению.
Среди химических свойств стоит выделить высокую устойчивость к окислению и воздействию щелочи. Однако, при расплавлении он частично подвержен воздействию щелочи. Окисление невозможно при температуре менее 250 градусов.
Химическими свойствами этот металл очень похож на стекло. Его практически невозможно растворить в кислоте, если не использовать плавиковую и азотную. Даже воздействие серной кислоты не влияет на структуру и форму металла. Возможно лишь появление небольшой пленки на поверхности. Также он не подвержен разрушению при длительном воздействии морской водой.
Тантал, как химический элемент, очень редко встречается в природе, составляет всего 0,0002% от земной коры. Очень редко встречается в чистом виде, чаще всего в составе различных минералов, в соседстве с другим металлом – ниобием.
Месторождения этого элемента встречаются в многих странах. Большие месторождения встречаются во Франции, Египте, Китае и Таиланде. Но наибольшие залежи этого элемента находятся в Австралии. Тантал добывается в размерах более чем 400 тонн ежегодно. При этом потребность в его использовании постоянно растет, что связано с увеличением объема производимой электротехники с использованием данного метала. Исходя из этого, наблюдается постоянная разработка новых месторождений.
В нашей стране производство тантала сосредоточено на Соликамском магниевом заводе. Металл получают после переработки лопаритовых концентратов. В других странах используют также другие минералы, такие как рутил, стрюверит, танталит и колумбит.
Крупнейшими производителями этого металла в мире являются США, Япония и Китай. Количество мировых производителей не превышает 40 фирм. Стоимость — от 1000 долларов за кг.
Благодаря особым физическим свойствам данный металл в чистом виде очень часто используется в промышленности. Однако для повышения прочности и устойчивость к высоким температурам могут использоваться сплавы на его основе, добавляться соответствующие легирующие компоненты.
Сплавы тантала могут сохранять твердое состояние при температуре около 1700 градусов. Это необходимо при использовании соединений тантала в энергетической сфере, химической промышленности, производстве приборов повышенной точности и металлургии. Очень часто различные сплавы используются при строении космических ракет.
Тип используемых легирующих компонентов зависит от требуемых конечных свойств. Для повышения качества работ используют элементы, придающие сплаву улучшенные свойства пластичности.
Следует отметить, что очень часто тантал в сплавах используется не как основа, а как легирующий компонент. Его добавление к различным материалам позволяет добиться повышенной устойчивости к высоким температурам и коррозии.
Схема танталового конденсатора
Тантал ТАВ-10 – широко используемый сплав на основе этого металла. Его производят с добавлением вольфрама, количество которого в составе около 10%. Благодаря этому получается материал с улучшенными показателями жаропрочности. Его применяют для производства нагревательных элементов и в медицинских целях, так как его компоненты не раздражают кожный покров человека.
Применение тантала не ограничивается одной сферой. Следует выделить сферы, в которых наиболее широко используются изделия из тантала:
Следует отметить, что сфера применения тантала ограничивается лишь малым объемом его добычи. Если объем добычи вырастет, область применения значительно расширится.
Тантал (лат. Tantalum), Та, химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 73, атомная масса 180,948; металл серого цвета со слегка свинцовым оттенком. В природе находится в виде двух изотопов: стабильного 181 Та (99,99%) и радиоактивного 180 Та (0,012%; T ½ = 10 12 лет). Из искусственно полученных радиоактивный 182 Та (Т ½ = 115,1 сут) используют как радиоактивный индикатор.
Элемент открыт в 1802 году шведским химиком А. Г. Эксбергом; назван по имени героя древнегреческой мифологии Тантала (из-за трудностей получения Tантала в чистом виде). Пластичный металлический Тантал впервые получил в 1903 году немецкий химик В. Больтон.
Распространение Тантала в природе. Среднее содержание Тантала в земной коре (кларк) 2,5·10 -4 % по массе. Характерный элемент гранитной и осадочной оболочек (среднее содержание достигает 3,5·10 -4 %); в глубинных частях земной коры и особенно в верх, мантии Тантал мало (в ультраосновных породах 1,8·10 -6 %). В большинстве магматических пород и биосфере Тантал рассеян; его содержание в гидросфере и организмах не установлено. Известно 17 собственных минералов Тантал и более 60 танталсодержащих минералов; все они образовались в связи с магматической деятельностью (танталит, колумбит, лопарит, пирохлор и другие). В минералах Тантал находится совместно с ниобием вследствие сходства их физических и химических свойств. Руды Тантала известны в пегматитах гранитных и щелочных пород, карбонатитах, в гидротермальных жилах, а также в россыпях, которые имеют наибольшее практическое значение.
Физические свойства Тантала. Тантал имеет кубическую объемноцентрированную решетку (а = 3,296 Å); атомный радиус 1,46 Å, ионные радиусы Та 2+ 0,88 Å, Та 5+ 0,66 Å; плотность 16,6 г/см 3 при 20 °С; t пл 2996 °С; Т кип 5300 °С; удельная теплоемкость при 0-100°С 0,142 кдж/(кг·К) ; теплопроводность при 20-100 °С 54,47 Вт/(м·К) . Температурный коэффициент линейного расширения 8,0·10 -6 (20-1500 °С); удельное электросопротивление при 0 °С 13,2·10 -8 ом·м, при 2000 °С 87·10 -8 ом·м. При 4,38 К становится сверхпроводником. Тантал парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 0,849·10 -6 (18 °С). Чистый Тантал - пластичный металл, обрабатывается давлением на холоду без значительного наклепа. Его можно деформировать со степенью обжатия 99% без промежуточного отжига. Переход Тантала из пластичного в хрупкое состояние при охлаждении до -196 °С не обнаружен. Модуль упругости Тантала 190 Гн/м 2 (190·10 2 кгс/мм 2) при 25 °С. Предел прочности при растяжении отожженного Тантала высокой чистоты 206 Мн/м 2 (20,6 кгс/мм 2) при 27 °С и 190 Мн/м 2 (19 кгс/мм 2) при 490 °С; относительное удлинение 36% (27 °С) и 20% (490 °С). Твердость по Бринеллю чистого рекристаллизованного Тантала 500 Мн/м 2 (50 кгс/мм 2). Свойства Тантала в большой степени зависят от его чистоты; примеси водорода, азота, кислорода и углерода делают металл хрупким.
Химические свойства Тантала. Конфигурация внешних электронов атома Та 5d 3 6s 2 . Наиболее характерная степень окисления Тантала +5; известны соединения с низшей степенью окисления (например, ТаСl 4 , ТаСl 3 , ТаCl 2), однако их образование для Тантал менее характерно, чем для ниобия.
В химическом отношении Тантал при обычных условиях малоактивен (сходен с ниобием). На воздухе чистый компактный Тантал устойчив; окисляться начинает при 280 °С. Имеет лишь один стабильный оксид - (V) Та 2 О 5 , который существует в двух модификациях: α-форме белого цвета ниже 1320 °С и β-форме серого цвета выше 1320 °С; имеет кислотный характер. С водородом при температуре около 250 °С Тантал образует твердый раствор, содержащий до 20 ат.% водорода при 20 °С; при этом Тантал становится хрупким; при 800-1200 °С в высоком вакууме водород выделяется из металла и его пластичность восстанавливается. С азотом при температуре около 300 °С образует твердый раствор и нитриды Ta 2 N и TaN; в глубоком вакууме выше 2200 °С поглощенный азот вновь выделяется из металла. В системе Та - С при температуре до 2800 °С установлено существование трех фаз: твердого раствора углерода в Тантале, низшего карбида Т 2 С и высшего карбида ТаС. Тантал реагирует с галогенами при температуре выше 250 °С (с фтором при комнатной температуре), образуя галогениды преимущественно типа ТаХ 3 (где X = F, Cl, Вг, I). При нагревании Та взаимодействует с С, В, Si, Р, Se, Те, водой, СО, СО 2 , NO, HCl, H 2 S.
Чистый Тантал исключительно устойчив к действию многих жидких металлов: Na, К и их сплавов, Li, Pb и других, а также сплавов U - Mg и Pu - Mg. Тантал характеризуется чрезвычайно высокой коррозионной устойчивостью к действию большинства неорганических и органических кислот: азотной, соляной, серной, хлорной и других, царской водки, а также многих других агрессивных сред. Действуют на Тантал фтор, фтористый водород, плавиковая кислота и ее смесь с азотной кислотой, растворы и расплавы щелочей. Известны соли танталовых кислот - танталаты общей формулы xMe 2 O·yТа 2 О 5 ·H 2 O: метатанталаты МеТаО 3 , ортотанталаты Ме 3 ТаО 4 , соли типа Me 5 TaO 5 , где Me - щелочной металл; в присутствии перекиси водорода образуются также пертанталаты. Наиболее важны танталаты щелочных металлов - КТаО 3 и NaTaO 3 ; эти соли -сегнетоэлектрики.
Получение Тантала. Руды, содержащие Тантал, редки, комплексны, бедны Танталом; перерабатывают руды, содержащие до сотых долей процента (Та, Nb) 2 O 5 , и шлаки восстановительной плавки оловянных концентратов. Основным сырьем для производства Тантала, его сплавов и соединений служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие соответственно около 8% Ta 2 O 5 и 60% и более Nb 2 O 5 . Концентраты перерабатывают обычно в три стадии: 1) вскрытие, 2) разделение Та и Nb и получение их чистых соединений, 3) восстановление и рафинирование Та. Танталитовые концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые - хлорируют. Разделяют Та и Nb с получением чистых соединений экстракцией, например, трибутилфосфатом из плавиковокислых растворов, или ректификацией хлоридов.
Для производства металлического Тантала применяют восстановление его из Ta 2 O 5 сажей в одну или в две стадии (с предварительным получением ТаС из смеси Ta 2 O 5 с сажей в атмосфере СО или Н 2 при 1800-2000 °С); электрохимическое восстановление из расплавов, содержащих K 2 TaF 7 и Та 2 О 5 , и восстановление натрием K 2 TaF 7 при нагревании. Возможны также процессы термической диссоциации хлорида или восстановление из него Тантала водородом. Компактный металл производят либо вакуумной дуговой, электроннолучевой или плазменной плавкой, либо методами порошковой металлургии. Слитки или спеченные из порошков штабики обрабатывают давлением; монокристаллы особо чистого Тантала получают бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.
Применение Тантала. Тантал обладает комплексом ценных свойств - хорошей пластичностью, прочностью, свариваемостью, коррозионной устойчивостью при умеренных температурах, тугоплавкостью, низким давлением пара, высоким коэффициентом теплопередачи, небольшой работой выхода электронов, способностью образовывать анодную пленку (Та 2 О 5) с особыми диэлектрическими характеристиками и "уживаться" с живой тканью организма. Благодаря этим свойствам Тантал находит применение в электронике, химические машиностроении, ядерной энергетике, в металлургии (производство жаропрочных сплавов, нержавеющих сталей), в медицине; в виде ТаС его применяют в производстве твердых сплавов. Из чистого Тантала изготовляют электрические конденсаторы для полупроводниковых приборов, детали электронных ламп, коррозионноустойчивую аппаратуру для химические промышленности, фильеры в производстве искусственного волокна, лабораторную посуду, тигли для плавки металлов (например, редкоземельных) и сплавов, нагреватели высокотемпературных печей; теплообменники для ядерно-энергетических систем. В хирургии листы, фольгу, проволоку из Тантала применяют для скрепления костей, нервов, наложения швов и др. Применение находят танталовые сплавы и соединения.
