Где встречается тантал. Физические свойства

Несомненно, самое ценное свойство тантала - его исключительная химическая стойкость: в этом отношении он уступает только благородным металлам, да и не всегда. не растворяется даже в такой химически агрессивной среде, как царская водка, которая без труда растворяет и , и платину, и другие . 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 - 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 , 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 (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 электролитическомвы делении золота и серебра. Достоинство этих катодов включается в том, что осадок золота и серебра можно смыть с них царской водкой, которая не причиняет вредатанталу.Тантал важен не только для химической промышленности. С ним встречаются и многие химики-исследователи в своей повседневной лабораторной практике. Танта-довые 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 глазныхпротезов. Нитями из этого металла заменяют сухожилия и даже сшивают нервные волокна. И если выражение «железные нервы» мы обычно употребляем в переносном смысле, 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. ..

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.

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 натриетермиче-ский способ получения тантала. В этом процессе взаимодействуют фтортанталат калия и металлический :

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.

Статья на тему Тантал химические свойства

Тантал - химический элемент с зарядом ядра 73, при обычных условиях - металл серого цвета.

Нахождение в природе тантала

В 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.

в земной коре 2,4·10 −4 %
в ультраосновных породах 1·10 −6 %
в основных породах 4,8·10 −5 %
в кислых породах 3,5·10 −4 %
в полукислых породах 7·10 −4 %

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 тантала

При 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 тантала

Основным 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:

жаропрочные и коррозионностойкие сплавы;
коррозионно-устойчивую аппаратуру для химической промышленности, фильеры, лабораторную посуду и тигли для получения, плавки, и литья редкоземельных элементов, а так же иттрия и скандия;
теплообменники для ядерно-энергетических систем (тантал наиболее из всех металлов устойчив в перегретых расплавах и парах цезия-133);
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 (температура плавления 3880 °С) 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);
в производстве боеприпасов тантал применяется для изготовления металлической облицовки перспективных кумулятивных зарядов улучшающей бронепробиваемость;
тантал и ниобий используют для производства электролитических конденсаторов высокой удельной емкости (но тантал позволяет производить более качественные конденсаторы);
тантал используется в последние годы в качестве ювелирного металла, в связи с его способностью образовывать на поверхности прочные пленки оксида любого цвета;
тантал-182 используется в ядерно-физических лабораториях МВД.
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.

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 — «умный металл»

Тантал, свойства и характеристики которого оказались поистине уникальными, в наше время получил название «умный металл».

Немного истории

Тантал был открыт в 1802 г. Шведский химик А.Г. Экеберг изучал найденные минералы и обнаружил, что в них находится неизвестный в то время элемент, но выделить его в чистом виде он не смог. Неизвестный металл был назван в честь древнегреческого мифологического героя Тантала. На протяжении 4-х десятилетий химики ошибочно считали, что тантал и известный к тому времени ниобий - это один и тот же химический элемент. Получить его в чистом виде удалось немецким химикам в 1903 г, а в промышленных целях он начал активно использоваться в годы Второй мировой войны.

Описание и свойства тантала

В периодической таблице этот металл занимает 73-ю позицию, обозначается Ta.

При нормальных условиях имеет серебристый цвет, внешне похож на серебро и некоторые другие благородные металлы. За счет окисления в воздухе покрывается оксидной пленкой, темнеет, становится более похожим на свинец. При комнатной температуре окисление протекает очень медленно, поэтому металл долго сохраняет свой характерный цвет. Активное окисление в воздухе начинается при температуре выше 280°С.

С галогенами металл вступает в реакции при низких температурах, но сразу покрывается поверхностной пленкой, которая защищает его от дальнейших реакций по всему объему.

Температура плавления относительно высокая, составляет 3017°С. Она намного выше, чем у многих металлов. Для сравнения:

свинец — 327°С;
алюминий — 660°С;
латунь - до 1000°С;
золото — 1064°С;
медь — 1083°С;
железо — 1540°С.

Благодаря высочайшей прочности металла тантала, его используют во многих отраслях производства

Среди материалов, широко используемых в промышленности, по температуре плавления тантал уступает вольфраму, у которого эта величина равна 3420°С.

Плотность тантала равна 16700 кг/м3, этот металл намного плотнее, чем распространенные железо и медь, у которых она равна соответственно 7870 и 8940 кг/м3. По плотности его можно сравнить с золотом, плотностью которого 19320 кг/м3. Тантал обладает высокой твердостью. Несмотря на свойства, это очень пластичный металл. Материал можно раскатать до толщины 1 мкм. Такой пластичностью обладает только золото.

Прокат материала проводится без нагревания, что значительно упрощает его обработку. Механическую прочность можно повысить наклепом. При температуре ниже — 196°С свойство пластичности исчезает, металл становится хрупким.

По магнитным свойствам тантал относят к парамагнетикам. Свойства парамагнетика хорошо проявляются при температурах ниже 3420°С, затем металл становится ферромагнетиком.

Тантал обладает высочайшей устойчивостью к агрессивным действиям среды. Его не разрушает азотная кислота с концентрацией 70%. На него не действует серная кислота, нагретая до 150°С, но при повышении температуры кислоты до 200°С начинается медленное разрушение металла.

Такая антикоррозийная стойкость металла, превышающая стойкость нержавеющей стали, сделала его незаменимым в целом ряде производственных процессов.

Для выделения драгоценных металлов из растворов и расплавов их солей применяется электролиз. Но катоды, на которые осаждаются благородные металлы, при этом быстро разрушаются. Замена катодов, изготовленных из обычных металлов, на танталовые сделала процесс электролиза намного эффективнее и дешевле. Этот способ применяется и для выделения из руд редкоземельных элементов.

Тантал обладает высокой биологической совместимостью, поэтому получил широкое применение в медицине. Протезы и имплантаты из него не оказывают химического воздействия на организмы, не окисляются, поэтому организмом не отторгаются.

К хорошим проводникам электрического тока тантал отнести нельзя, его удельное сопротивление при 20°С составляет 0,13 Ом*мм²/м, оно больше, чем у железа (0,1 Ом*мм²/м). Но он обладает относительно высокой температурой перехода в состояние сверхпроводимости, она равна 4,5К. При более высокой температуре в состояние сверхпроводимости переходят ванадий (5,3К), свинец (7,2К) и его «близнец» ниобий (9,2К). Это свойство тантала сделало его востребованным в производстве сверхпроводников криотонов, используемых в электронно-вычислительной технике. В радиоэлектронике используются конденсаторы с танталовыми обкладками. Они оказались самыми эффективными, но работать могут при небольших значениях напряжения.

В военной промышленности сплавы тантала используются для увеличения пробивной способности снарядов.

В научных и военных целях радиоактивные изотопы используются для создания источников гамма-излучения. Радиоактивные изотопы входят в состав ископаемых, но в гораздо большей концентрации они содержатся в отходах, остающихся после работы ядерных реакторов.

Тантал применяется при строительстве защиты ядерных реакторов, так как это один из немногих элементов, не разрушающихся от действия паров цезия.

На поверхности режущего инструмента для придания ему особой прочности наносится карбид тантала. Такой инструмент используется для резки и сверления особо прочных материалов, при бурении глубинных скважин в твердых породах.

Тантал благодаря высочайшей прочности, устойчивости к окислению и высокой температуре плавления используется в производстве авиационных и ракетных двигателей.

Детали, изготовленные из тантала, в агрессивных средах служат на десятки лет дольше, чем изготовленные из других материалов с высокой коррозийной стойкостью.

Все физические характеристики материала можно изменять, внося в него легирующие добавки.

Добыча тантала

Благодаря изыскательским работам были найдены новые месторождения металла тантал

В земной коре тантала содержится около 0,0002%, поэтому он относится к редким элементам. Но практически во всех странах имеются месторождения его соединений. В Европе самые большие и богатые месторождения находятся во Франции, небольшие месторождения есть в большинстве стран бывшего СССР. Среди африканских стран самыми большими запасами сырья обладает Египет. Но самые крупные и богатые месторождения, известные и разработанные на сегодняшний день располагаются в Австралии.

Встречается элемент в виде собственных солей, или он входит в состав других минералов. Во втором случае ему обязательно сопутствует ниобий. Минералы могут быть стабильными и радиоактивными.

Добыча этого металла составляет 420 тонн в год. Лидирующие государства по добыче и переработке - США и ФРГ.

Из-за мирового кризиса спрос на тантал несколько снизился, но с 2010 г. опять возрос. В последнее время проводятся активные изыскательские работы. Благодаря им были открыты новые месторождения в США, Бразилии, ЮАР.

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.

Тантал №73 Ta

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.

Умный металл. Этот термин появился в деловом мире в середине XX века. Умные металлы использовались в качестве материалов для высоких технологий, применяемых в электронике и робототехнике. Одним из таких высокотехнологичных металлов и стал тантал. Сегодня он неразрывно связан с такими понятиями, как спутниковая связь, бортовые системы, телекоммуникационное оборудование.

Что такое тантал? Исторические факты

Впервые тантал был обнаружен в 1802 году шведским ученым А.Г. Экебергом в составе двух минералов, найденных в Швеции и Финляндии. Оксид этого элемента был очень устойчив, и даже большое количество кислоты не могло разрушить его структуры. У ученого сформировалось впечатление, что металл не может напитаться кислотой. Экеберг вспомнил легенду о царе Тантале, который являлся сыном Зевса и в результате наказания не мог утолить голод и жажду. Его страдания назвали танталовы муки.

Так и ученый, как не старался, не мог выделить чистый металл из окисла, поэтому свою работу сравнивал с танталовыми муками. Химическому элементу он дал название тантал, а минерал, который содержал этот металл, назвал танталитом. Лишь в 1903 году немецкий Болтон В. получил в чистом виде пластичный металл тантал. Промышленный выпуск его начался только в 1922 году. Первый образец промышленного изготовления тантала был всего со спичечную головку. США первыми стали производить его, и в 1942 году был запущен завод по выпуску этого металла.

Физические свойства тантала

Что такое тантал? серебристо-белого цвета. Прочная оксидная пленка на нем придает схожесть по внешнему виду со свинцом. Металл обладает высокой прочностью и твердостью и в то же время пластичностью. По пластичности его сравнивают с золотом.

В чистом виде он прекрасно подчиняется механической обработке. Его легко штамповать, раскатывается в очень тонкий слой до 0,04 мм. Из него получают качественную проволоку. Тантал, что такое? Это тугоплавкий металл, температура плавления которого составляет примерно 3000 градусов. Только вольфрам и рений превосходят его по этому свойству. Одно из специфических его качеств - это высокая теплопроводность. Даже оксидная пленка, которая на нем образуется, не уменьшает этого свойства.

Химические свойства

Многие органические и неорганические кислоты - хлорная, серная, соляная, азотная и другие агрессивные среды - не вызывают у тантала коррозии. Металл окисляется при нагревании от 200 до 300 градусов, и на нем образуется под оксидной пленкой газонасыщенный слой. Слабые химические свойства тантала не дают ему возможности раствориться даже в царской водке, которая расплавляет платину и золото.

На практике доказано, что нержавеющие стали менее стойкие при эксплуатации, и детали из них служат значительно меньший срок, чем изделия из тантала. Из всех существующих кислот только плавиковая может растворить этот металл.

Сплавы

Стойкая устойчивость тантала к воздействию кислот позволяет использовать его для добавок к различным сплавам, которые применяются при производстве металлических конструкций. Для изготовления проката - проволоки, полос, листов, трубок - используют сплав тантала с гафнием. вольфрама и тантала используется для изготовления режущих пластин разного назначения. Такие сплавы характеризуются:

высокой прочностью;
повышенной твердостью;
не окисляются;
имеют высокую абразивную стойкость;
являются износостойкими;
имеют значительную вязкость;
снабжают отличной прочностью режущую кромку инструмента.

Тантало-вольфрамовый сплав, в состав которого входит 7% вольфрама, способен выдерживать температуру до 1900 градусов. Он вызывает значительный интерес у специалистов. А из сплава тантала с 10% вольфрама изготовляют сопла для ракетных двигателей. В космической технике применяются материалы, которые обладают хорошей теплоемкостью или тугоплавкостью, поэтому сплавы с танталом находят широкое применение для ее изготовления.

Роль лома

Танталовый лом составляет существенную долю, до 30% поставок на рынок, от общего объема. Большая часть металла выделяется из лома конденсаторов. Поэтому его поставки находятся в прямой зависимости от активности работы в электронной промышленности.

А это, в свою очередь, определяется глобальными экономическими условиями. Другими источниками лома являются отработавшие карбиды. В ломе сплавов, основным элементом которого является никель, также содержится тантал. В будущем отходы потребителей будут являться важным источником этого металла.

Использование тантала

Сам металл и его сплавы находят широкое применение в промышленности. Его используют для изготовления:

сухих электролитических конденсаторов;
нагревателей для вакуумных печей;
катодов косвенного нагрева;
антикоррозийной аппаратуры;
ядерных реакторов;
сверхпроводников;
боеприпасов с повышенной пробивной способностью;
эталонов массы, которые имеют высокую точность;
режущих инструментов высокой стойкости.

Высокая стойкость металла к коррозии способствует удлинению срока службы конденсаторов из тантала в электронных системах до 12 лет.

Ювелирная промышленность использует этот металл для изготовления корпусов часов и браслетов вместо платины. Изделия из тантала находят применение и в медицинской промышленности. Он не отторгается организмом человека, поэтому из него производят:

пластины для черепных коробок и брюшной полости;
скрепки, которые используют для соединения сосудов;
толстые нити, которыми заменяют сухожилия;
тонкие нити для сшивания нервных волокон.

ГОСТ металла

Существует несколько методов установления ГОСТа тантала и его окиси, например, фотометрический и спектральный.

Спектральный метод (ГОСТ 18904.8) устанавливает содержание примесей кальция, вольфрама, меди, кобальта, натрия, молибдена в тантале и его окиси. Результатом анализа служит среднее арифметическое, полученное от 2 определений различных навесок.

Фотометрический метод (ГОСТ 18904.1) определяет содержание массовой доли вольфрама и молибдена в тантале и окиси. В этом случае результат анализа подсчитывают как среднее арифметическое 3 определений, которые выполняют из отдельных навесок.

Месторождения и добыча тантала

Что такое тантал? Это очень редкий металл. В чистом виде он практически не наблюдается. Встретить его можно в составе минералов и в виде собственных соединений. В минералах он всегда встречается вместе с ниобием, который по свойствам очень схож с танталом. Месторождения с танталовыми соединениями и минералами находятся во многих странах мира.

Самое большое расположено во Франции. Высоки запасы этого металла в Китае и Таиланде. В странах СНГ месторождения значительно меньшего размера. Около 420 тонн тантала составляет годовая добыча в мире. Основные комбинаты, которые занимаются переработкой металла, расположены в Германии и США. В связи с бурным развитием электроники, в которой применение тантала занимает не последнее место, наблюдается нехватка этого редкого металла, что приводит к поиску новых месторождений.

Цены на тантал

Большую часть тантала, а это до 60%, потребляет Использование его на составляет около 20%. Цены на этот редкий металл могут быстро изменяться. Спрос на него то восстанавливается, то снова падает. Аналитики предсказывают, что в ближайшие годы спрос и предложение будут колебаться, это, в основном, зависит от экономических факторов.

Ориентировочная цена тантала за 1 кг в рублях на российском рынке составляет:

листового - 65 660;
в прутках - 73 030;
проволоке - 73 700.

Перспективы

Все больше начинают использовать этот умный металл в медицинской промышленности для нужд восстановительной хирургии. Его применяют для изготовления имплантатов. Танталовой пряжей возмещают мускульную ткань, проволока идет для скрепления костей, а нити используют для наложения швов. В связи с крупным перевооружением мировых авиалиний для нужд авиастроения продолжит свой рост. Сплавы в авиапромышленности используются для двигателей самолетов. Кроме этого, тантал продолжает активно использоваться для производства вычислительной техники: процессоров, принтеров.

Не уменьшается спрос на этот металл и в химической промышленности. Его широко применяют для производства хлора, пероксида водорода, многих кислот. Химическое машиностроение широко использует его при изготовлении оборудования, контактирующего с агрессивными средами. Самым серьезным потребителем танталовых сплавов остается металлургическая промышленность. Растет спрос на него и в ядерной энергетике, где в основном используют теплопроводность в сочетании с пластичностью и твердостью тантала.