Металл тантал характеристики и свойства. Свойства и применение тантала Металл тантал

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.

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 .

Изотопы

Природный тантал состоит из смеси стабильного изотопа и стабильного изомера: 181 Та (99,9877 %) и 180m Та (0,0123 %). Последний является чрезвычайно стабильным изомером (возбуждённым состоянием) изотопа 180 Та, период полураспада которого всего чуть более 8 часов .

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 ядерных 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 ядерной технике для варки стекла, поглощающего

История

Физические свойства

При температуре ниже 4,45 К переходит в сверхпроводящее состояние .

Изотопы

Химические свойства

Токсикология

Распространённость

Получение

Для получения 1 тонны танталового концентрата необходимо переработать до 3000 тонн руды.

Стоимость

Применение

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 ядерных 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 ядерной технике для варки стекла, поглощающего

До второй половины 50-х годов основное внимание уделялось танталу, нашедшему весьма разнообразное применение в различных областях техники. Когда же были открыты большие запасы ниобиевых руд, то положение резко изменилось и сейчас ниобий считается одним из важнейших металлов, которому предстоит большое будущее. Достаточно сказать, что ниобий находит применение в атомной энергетике в качестве конструкционного материала, так как обладает высокой жаропрочностью, химической стойкостью благоприятным сечением захвата нейтронов. В Англии и США давно работают атомные реакторы, для сооружения которых был применен ниобий. Физические свойства ниобия обусловливают также его применение в ракетной технике, реактивных самолетах, газовых турбинах. Широкое применение для этих целей найдут также сплавы ниобия с другими металлами.

Исключительная устойчивость тантала по отношению к кислотам позволяет использовать его в качестве кислотоупорного материала для производственных и лабораторных целей. Он применяется для змеевиков, мешалок, для покрытия внутренних стенок реакторов (для сильнокислых горячих растворов и органических жидкостей), как заменитель платины для производства лабораторной посуды.

В последнее время стали применять трубопроводы из тантала в производстве соляной кислоты, причем высокая стоимость установки, вполне окупается ее долгой службой. Кроме того теплоотдача от тантала в жидкой среде очень высока, поэтому тепловые потери малы, а скорость процессов нагрева велика.

Танталовые катоды рекомендуется применять при электрическом выделении золота и серебра. Преимущество их заключается в том, что осадок золота и серебра можно растворить царской водкой, не действующей на тантал. Танталовые электроды можно применять в потенциометрии при работе с так называемыми «биметаллическими» электродами: один электрод танталовый, другой - графитовый, вольфрамовый или платиновый, в зависимости от определяемого вещества и титрующего реактива. Применяют тантал и для электролитических конденсаторов.

Танталовые пластинки, стержни и проволока применяются в восстановительной хирургии.

Механические свойства, как тантала, так и ниобия очень высоки. Широкое применение этих металлов ограничено высокой стоимостью. В настоящее время тантал играет особую роль в производстве электронных ламп. Потребление его для этой цели за последние годы возросло во много раз. Радиоприборы с танталовыми лампами находят широкое применение в технике. Способность тантала (а также и ниобия) поглощать газы используется в вакуумной технике для удаления следов газа.

Тантал является важнейшим металлом при изготовлении так называемой «горячей арматуры»- анодов, сеток, катодов, косвенного накала в важнейших электровакуумных приборах; тантал способствует созданию высокого вакуума и не распылается, так как обладает высокой температурой плавления. Известно также, что на тантале при анодной поляризации легко образуется анодная пленка, быстро восстанавливающаяся при пробе. Это свойство позволяет применять тантал для выпрямителей и грозовых разрядников. Тантал входит в состав специальных оптических стекол. Сплавы тантала с вольфрамом и молибденом обладают повышенным электросопротивлением и применяются для изготовления термопар.

Ниобий и тантал относятся к числу карбидообразующих элементов и находят себе применение в сталелитейном производстве в качестве легирующих примесей. Ниобий долгое время считался вредной примесью к танталу. В настоящее время считается, что ниобий даже эффективнее тантала в том смысле, что благодаря меньшему атомному весу может заменять тантал в половинном количестве по весу, давая такой же эффект. Ниобий наряду с хромом и никелем в ходят в состав железного сплава, применяемого для изготовления сварочных электродов. Частично можно заменять ниобий танталом без ухудшения качества электродов. Ниобий и тантал находят применение для сверхтвердых сплавов благодаря способности образовывать весьма твердые карбиды. Намечается также применение ниобия для улучшения свойств сплавов цветных металлов (мельхиора, нихрома) и некоторых сплавов алюминия.

Ниобий и тантал могут применяться для выпрямителей, так как обладают способностью пропускать электрический ток только в одном направлении (униполярной проводимостью). Оба металла применяются для анодов мощных генераторных и усилительных ламп.

Мы предлагаем следующую продукцию из тантала: танталовый круг, танталовый лист, танталовую проволоку, танталовую ленту.

ТАНТАЛ (химический элемент) ТАНТАЛ (химический элемент)

ТАНТА́Л (лат. Tantalum, по имени мифического Тантала (см. ТАНТАЛ (в мифологии)) ), Та (читается «тантал»), химический элемент с атомным номером 73, атомная масса 180,9479. Природный тантал состоит из стабильного изотопа 181 Ta (99,988 % по массе) и радиоактивного 180 Ta (0,0123%, Т 1/2 10 13 лет). Конфигурация двух внешних электронных слоев 5s 2 p 6 d 3 6s 2 . Степень окисления +5, реже +4, +3, +2 (валентность V, IV, III и II). Расположен в группе VВ, в 6 периоде периодической системы элементов.
Радиус атома 0,146 нм, радиус ионов (координационное число 6) Та 5+ - 0,078 нм, Та 4+ - 0,082 нм, иона Та 3+ - 0,086 нм. Энергии последовательной ионизации 7,89, 16,2 эВ. Работа выхода электронов 4,12 эВ. Электроотрицательность по Полингу (см. ПОЛИНГ Лайнус) 1,5.
История открытия
Открыт в 1802 шведским химиком А. Экебергом (см. ЭКЕБЕРГ Андерс Густав) . До 1844 тантал считали разновидностью колумбия, когда немецкий химик Г. Розе (см. РОЗЕ (немецкие ученые, братья)) установил, что речь идет о двух разных, близких по свойствам элементах.
Металлический тантал впервые получил в 1903-1905 В. фон Болтону.
Нахождение в природе
Содержание в земной коре 2,5·10 -4 % по массе. В свободном виде не встречается, обычно сопутствует ниобию. Входит в состав минералов: танталит-колумбит и пирохлор. Как примесь содержится в касситерите (см. КАССИТЕРИТ) .
Получение
Промышленное получение тантала начинается с обогащения сырья. Приготовленные танталитовые (колумбитовые) или пирохлоровые концентраты с суммарным содержанием Та 2 О 5 и Nb 2 O 5 до 50% далее растворяют в плавиковой кислоте и затем получают фтортанталат K 2 TaF 7 и фторниобат K 2 NbF 7 Эти соли затем разделяют многократной дробной кристаллизацией. В последнее время для разделения ниобия и тантала все более широко используют экстракцию.
Для получения металла из K 2 TaF 7 применяют натрийтермию:
K 2 TaF 7 +5Na=Та+2КF+5NaF.
Полученный порошкообразный тантал далее спекают в вакууме в электродуговых или электроннолучевых печах.
Физические и химические свойства
Блестящий серебристо-серый металл, с кубической объемно-центрированной решеткой типа a-Fe (а =0,3296 нм). Температура плавления 3014°C, кипения 5500°C, плотность 16,60 кг/дм 3 . Характеризуется высокой химической инертностью, тяжелый металл. При комнатной температуре не реагирует с кислородом (см. КИСЛОРОД) , галогенами (см. ГАЛОГЕНЫ) , кислотами (см. КИСЛОТЫ) и щелочами (см. ЩЕЛОЧИ) . Окисляется кислородом только при температуре выше 300°C, образуя оксид Та 2 О 5 .
При сплавлении Та 2 О 5 с различными оксидами получают танталаты - соли гипотетических мета-НТаО 3 , орто-Н 3 ТаО 4 и политанталовых кислот Н 2 О·х Та 2 О 5 .
Кроме оксида Та 2 О 5 , тантал образует также диоксид ТаО 2 .
С галогенами тантал при нагревании образует пентагалогениды ТаHal 5 . Восстановлением ТаHal 5 (Hal=Cl, Br или I) получают тетрагалогениды ТаHal 4 . Пентагалогениды тантала (кроме пентафторида) легко гидролизуются водой. Уже при температурах выше 200-250°C эти пентагалогениды сублимируют.
В присутствии паров воды и кислорода ТаCl 5 образует оксихлорид ТаOCl 3 .
Вcаимодействуя с графитом, образует карбиды Та 2 C и ТаC - твердые, химически стойкие и очень жаропрочные соединения. В системе Тl - С установлены три фазы переменного состава. Сходным образом ведет себя тантал в системах с фосфором,азотом и мышьяком. При взаимодействии тантала с серой синтезированы сульфиды: ТаS 2 и ТаS 3 .
Применение
Из тантала изготовляют теплообменники, нагреватели, тигли для вакуумной плавки металлов. Применяют при изготовлении электролитических конденсаторов и ответственных деталей электронных приборов.
Благодаря хорошей биосовместимости с живыми тканями человека, используют для костного протезирования. Из нитрида тантала TaN возможно создание устойчивых к истиранию покрытий. Служит легирующей добавкой к некоторым сталям (см. СТАЛЬ) . Танталат лития - хороший сегнетоэлектрик (см. СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ) .

Энциклопедический словарь . 2009 .

Смотреть что такое "ТАНТАЛ (химический элемент)" в других словарях:

Тантал (латинское 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 181Та… … Большая советская энциклопедия

Тантал: Тантал химический элемент. Тантал царь Сипила во Фригии. Тантал внук старшего Тантала. ОАО «Тантал» завод в Саратове. Тантал одна из резиденций президента Российской Федерации на берегу реки Волги в… … Википедия

- (лат. Tantalus, греч. Tantalos). В мифологии: царь фригийский, допущенный Юпитером к столу богов, но за разглашение божеских тайн в преисподнем царстве наказанный тем, что висящие над ним плоды и доходящая до его подбородка вода, как скоро он их… … Словарь иностранных слов русского языка

Тантал (элемент) химический элемент. Тантал (мифология) царь Сипила во Фригии. Тантал (сын Бротея) (либо Фиеста) внук старшего Тантала. ОАО «Тантал» завод в Саратове … Википедия

- (Tantalum), Ta, химический элемент V группы периодической системы, атомный номер 73, атомная масса 180,9479; металл, tпл 3014шC. Используют в химическом машиностроении, медицине для костного протезирования (биосовместимый материал) и др. Тантал… … Современная энциклопедия

- (символ Та), редко встречающийся блестящий голубовато серый металл, химический элемент, открытый в 1802 г. Его основной источник колумбит танталит. Твердый, но пластичный, тантал используется в виде проволоки, а также в электрических элементах, в … Научно-технический энциклопедический словарь

Тантал (хим.) - ТАНТАЛ (Tantalum), Ta, химический элемент V группы периодической системы, атомный номер 73, атомная масса 180,9479; металл, tпл 3014°C. Используют в химическом машиностроении, медицине для костного протезирования (биосовместимый материал) и др.… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

тантал - Та Химический элемент; напр. используется при изготовлении ядерных реакторов, в качестве радиоактивного индикатора и др. [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом Синонимы Та EN tantalum … Справочник технического переводчика

73 Гафний ← Тантал → Вольфрам … Википедия

А; м. [греч. Tantalos] Химический элемент (Та), твёрдый тугоплавкий металл серо стального цвета (используется в медицине и технике). ◊ Муки Тантала. Мучения, вызываемые созерцанием желанной цели и сознанием невозможности её достичь. ● Герой… … Энциклопедический словарь

Открытие тантала тесно связано с открытием ниобия. На протяжении нескольких десятилетий химики считали открытый английским химиком Хэтчеттом в 1802 г. элемент "колумбий" и открытый в 1802 г. шведом Экебергом тантал одним элементом. Лишь в 1844 г. немецкий химик Розе окончательно доказал, что это два разных элемента, очень близких по своим свойствам. А поскольку тантал был назван по имени героя древнегреческих мифов Тантала, предложил назвать "колумбий" ниобием по имени дочери Тантала Ниобеи. Сам же тантал получил свое название от выражения "муки Тантала", из-за тщетности попыток Экеберга растворить в кислотах полученный им оксид этого элемента.

Получение:

Тантал почти всегда сопутствует ниобию в танталитах и ниобитах. Основные месторождения танталита находятся в Финляндии, Скандинавии и в Северной Америке.
Разложение танталовых руд в технике осуществляют нагреванием их с гидросульфатом калия в железных сосудах, выщелачиванием сплава горячей водой и растворением HF остающегося порошкообразного остатка танталовой кислоты загрязненной ниобиевой кислотой. Затем оксид тантала восстанавливают углем при 1000°С и получают металл отделяют в виде черного порошка содержащего небольшое количество оксида. Также порошок металла можно получить восстанавливая TaCl 5 водородом или магнием, а также фтортанталат калия натрием: K 2 TaF 7 + 5Na = Ta + 2KF + 5NaF.
Порошок металла перерабатывают в компактный металл методами поршковой металлургии, прессуя в "штабики", с последующей их плазменной или электролучевой плавкой.

Физические свойства:

Тантал тяжелый, платиново-серый с синеватым оттенком блестящий металл, довольно твердый, но черезвычайно ковкий, пластичный; пластичность его повышается по мере очистки. Тпл.= 3027°С (уступает только вольфраму и рению). Тяжелый, плотность 16,65 г/см 3

Химические свойства:

При комнатной температуре обладает исключительной химической стойкостью. Кроме плавиковой кислоты, на тантал не действуют никакие другие кислоты, даже царская водка. Взаимодействует со смесью плавиковой и азотной кислот, серным ангидридом, растворами и расплавами щелочей, при нагревании до 300-400°С с галогенами, водородом, кислородом, азотом, выше 1000°С - с углеродом.
В соединениях проявляет степень окисления +5. Однако известны также соединения тантала с более низкими степенями окисления: TaCl 4 , TaCl 3 , TaCl 2 .

Важнейшие соединения:

Оксид тантала(V), Та 2 О 5 в чистом состоянии удобнее всего получать прокаливанием чистого металлического тантала в токе кислорода или разложением гидроксида Та(ОH) 5 . Оксид тантала(V) - белый, нерастворимый в воде и кислотах (за исключением плавиковой) порошок с удельным весом 8,02. Он не меняется при прокаливании на воздухе, в отмосфере сероводорода или в парах серы. Однако при температуре выше 1000°С оксид взаимодействует с хлором и с хлористым водородом. Оксид тантала(V) диморфен. При обычной температуре устойчива его ромбическая модификация.

Танталаты и танталовая кислота. Сплавлением оксида тантала(V) со щелочами или карбонатами щелочных металлов получают танталаты - соли метатанталовой HTaO 3 и ортотанталовой кислот H 3 TaO 4 . Существуют и соли состава M 5 TaO 5 . Кристаллические вещества. применяются как сегнетоэлектрики.
Танталовые кислоты - белые студенистые осадки с переменным содержанием воды, даже свежеприготовленные не растворяются в соляной и азотной кислотах. Хорошо растворяются в HF и растворах щелочей. В технике танталовую кислоту получают обычно разложением серной кислотой двойного фторида тантала и калия (гептафторотанталата калия).
Хлорид тантала (V) , кристаллы, гигроскопичен, гидролизуется водой, растворим в CS 2 и CCl 4 . Применяется при получении тантала и нанесении покрытий.
Пентафторид тантала. Может быть получен взаимодействием пентахлорида с житким фтористым водородом. Он образует бесцветные призмы, гидролизуется водой. Тпл=96,8°С,Ткип=229°С. Используется для нанесения танталовых покрытий.
Гептафторотанталат калия - K 2 TaF 7 - комплексное соединение, Может быть получен взаимодействием пентафторида тантала с фторидом калия. Белые кристаллы, устойчивые на воздухе. Гидролизуется водой: K 2 TaF 7 + H 2 O -> Ta 2 O 5 *nH 2 O + KF + HF

Применение:

Так как тантал объединяет превосходные металические свойства с исключительной химической стойкостью, он оказался весьма подходящим для изготовления хирургических и зубоврачебных инструментов, например концов пинцетов, игл для инъекций,стрелок и т.д. В некоторых случаях он может заменить платину.
Применяют также для изготовления конденсаторов, катодов электронных ламп, аппаратуры в химической промышленности и ядерной энергетике, фильер для производства искуственных волокон. Карбид, силицид, нитрид тантала - жаростойкие материалы, компоненты твердых и жаростойких сплавов.
Термостойкие сплавы тантала с ниобием и вольфрамом используются в ракетной и космической технике.

Е. Розенберг.

Источники: Тантал //Популярная библиотека химических элементов Издательство «Наука», 1977.
Тантал // Википедия. Дата обновления: 12.12.2017. (дата обращения: 20.05.2018).
// С. И. Левченков. Краткий очерк истории химии/ ЮФУ.