Физические и химические свойства тантала. Знаешь как Тантал химические свойства

Стремительное развитие современных технологий сегодня непременно связанно с использованием эффективных материалов и веществ, которые имеют достаточно практичные и весьма полезные свойства и особенности.

В этом ракурсе стоит обратить внимание на такой уникальный химический элемент, как тантал. И это неудивительно, ведь благодаря своим прочностным характеристикам, сегодня применение тантала становится достаточно актуальным во многих сферах промышленности.

Чтобы расширить кругозор обывателя в этой теме, опишем подробно физико-химические особенности тантала и расскажем о том, где сегодня весьма успешно применяется этот металл.

Технические особенности тантала

Прежде всего, стоит понимать, что тантал - это металл серого цвета с блестящим оттенком, который легко поддается обработке механическим способом.

Среди особенностей металла стоит отметить ряд следующих немаловажных аспектов:

• порядковый номер в таблице Менделеева - 73;
• атомный вес - 180;
• плотность вещества составляет 60 г/см 3 ;
• температура плавления - 3015 0 С;
• температура кипения вещества составляет 5300 0 С.

Свойства металла

Благодаря указанным характеристикам тантал, несомненно, обладает следующими преимущественными свойствами:

1. Тантал является тугоплавким металлом, и, как следствие, элемент имеет следующие свойства:

• небольшой показатель линейного расширения;
• хороший уровень теплопроводности;
• высокая механическая прочность и пластичность.

1. Имеет отличные антикоррозийные качества. Стоит отметить, что тантал при нормальных условиях практически инертен к морской воде, но если она насыщена кислородом, то металл в этом случае всего лишь тускнеет.
2. Тантал имеет хорошую устойчивость к следующим видам солей:

• хлориды железа и меди;
• нитраты;
• сульфаты;
• соли органических кислот, однако, при условии, когда в своем составе не имеют фтора или фторидов.

1. Тантал начинает терять свои характеристики прочности, когда вступает в реакцию с фтором. Также стоит учесть тот факт, что тантал не вступает в химическую реакцию с бромом, йодом и жидким хлором, если не достигнута температура на уровне 150 0 С.
2. Тантал достаточно устойчив к воздействию металлов жидкой структуры, имеющих низкую температуру расплавления.
3. Тантал имеет прекрасные характеристики устойчивости на воздухе при температуре до 400 0 С, при этом появляется защитная пленка из окисла, возникающая в процессе хранения или обработки.
4. Тантал, выплавленный электроннолучевым способом, обладает увеличенным свойством пластичности, которое при деформации металла позволяет выполнять большую степень сжатий.
5. Хорошо преобразуется в листовой прокат, который хорошо поддается ковке.
6. Хорошо поддается обработке при холодной деформации. Однако нужно понимать, что этот металл не стоит деформировать в горячем состоянии, так как при нагреве тантал начинает поглощать азот, двуокись углерода, кислород, и, как следствие, материал стает достаточно хрупким.
7. Одной из основных операций по обработке тантала является резка материала на высокоскоростном оборудовании.

Что же касается соединения танталовых деталей, то оно может быть выполнено следующими способами:

• сварка;
• пайка;
• соединение с помощью клепок.

Здесь стоит взять во внимание тот факт, что последние два способа применяются достаточно редко, так качество сварных соединений тантала всегда остается на высоком уровне.

Сферы применения тантала

Указанные свойства дают возможность весьма широко применять его в разных сферах промышленности. Отметим подробно основные направления использования такого уникального материала, как тантал.

Металлургическая промышленность

Металлургия является основным потребителем этого металла. На металлургическую отрасль приходится потребление 45% производимого тантала.

Основное применение тантала заключается в ряде следующих немаловажных аспектов:

• металл является основным легирующим элементом при изготовлении жаропрочных и антикоррозийных марок стали;
• карбид тантала является надежной защитой для стальных форм в литейном производстве.

Электротехническая промышленность

Прежде всего, стоит отметить тот факт, что четвертая часть производимого в мире тантала используется в электротехнической отрасли промышленности. И это неудивительно, ведь с применением этого металла производятся следующие виды электротехнической продукции:

• танталовые конденсаторы электролитического вида характеризируются стабильностью своего функционирования;
• широко применяется при изготовлении таких конструктивных элементов ламп, как аноды, катоды косвенного накала и сетки;
• проволоку из тантала используют при производстве криотронных деталей, являющихся неотъемлемыми элементами вычислительной техники;
• из этого металла весьма успешно изготавливают нагреватели для печей с высокотемпературным режимом работы.

Интересный факт! Танталовые конденсаторы имеют свойство самостоятельно ремонтироваться. Например, при резком возникновении высокого напряжения искра разрушила изоляционный слой. В этом случае на месте возникшего дефекта моментально образуется изолирующая оксидная пленка, при этом конденсатор будет дальше функционировать в нормальном рабочем режиме!

Химическая отрасль

Нужно, в первую очередь, отметить тот факт, что 20% используемого тантала уходит на потребности химической промышленности. В частности, этот металл применяется в следующих случаях:

• производство следующих видов кислот:

1. азотная;
2. оляная;
3. серная;
4. фосфорная;
5. уксусная.

• изготовление перекиси водорода, брома и хлора;
• изготовление химоборудования следующих видов:

1. аэраторы;
2. дистилляционные установки;
3. змеевики разных видов;
4. мешалки;
5. клапана.

В медицинской отрасли используется не более 5% добываемого в мире тантала. В медицине этот металл весьма успешно применяется в пластической и костной хирургии, так из него изготавливают танталовые элементы для скрепления костей, наложение швов и прочее. Достигается это благодаря тому, что тантал не вредит жизнедеятельности организма, при этом не оказывает раздражения на живую ткань.

(Tantalum; по имени мифологического фригийского царя Тантала), Та - хим. элемент V группы периодической системы элементов; ат. н. 73, ат. м. 180,9479. Пластичный металл серо-стального цвета с синеватым оттенком. Наиболее типична для Т. степень окисления + 5; известны также соединения со степенями окисления - 1, + 1, + 2, + 3 и + 4. Природный Т. состоит из стабильного изотопа 181Та и радиоактивного изотопа 180Та с периодом полураспада 1012 лет. Получены 15 радиоактивных изотопов. Т. впервые обнаружил (1802) швед, химик А. Г. Экеберг в минералах Скандинавского полуострова. Вследствие близости физико-хим. св-в тантал и всегда сопутствуют друг другу, и их долго считали идентичными. В чистом виде Т. получил (1903) нем. химик В. фон Болтон. Пром. произ-во Т. началось в 1922 (США).

Содержание Тантал в земной коре 2 < 10-4 %. Т. в природе встречается совместно с ниобием в виде изоморфных танталитов и ниобатов, Известно более 100 минералов, содержащих тантал. Основные из них: колумбит-танталит, микролит, некоторые титановые (напр., ильменорутил). Большинство танталовых руд содержит значительное количествониобия. Кристаллическая решетка Т.объемноцентрированная кубическаяс периодом а - 3,3025 А. Плотность 16,65 г/см9; tпл 2996° С; tкип 53009 С;температурный коэфф. линейного расширения (град): 6,55 х 10-6 (т-ра 0-100° С); 6,6 х 10-6 (т-ра 0-500° С) и 8,0 х 10-6 (т-ра 20-1500° С); коэфф. теплопроводности (при комнатной т-ре) 0,130 кал/см х сек х град. Удельная теплоемкость (кал/г-град): 0,03322 (т-ра 0° С); 0,03364 (т-ра 100° С); 0,03495 (т-ра 400° С); 0,03679 (т-ра 800° С); 0,03873 (т-ра 1200° С); 0,04078 (т-ра 1600° С) и 0,044 (т-ра 2000° С). Удельное электрическое сопротивление (мком х см), 12,4 (т-ра 18° С); 54 (т-ра 1000° С); 71 (т-ра 1500° С) и 87 (т-ра 2000° С). Скрытая теплота плавления 6,9 ккал/молъ; теплота испарения составляет 180 ккал/г-атом. Твердость 90-150 кгс/мм2 при чистоте 99,95-99,9%; твердость после электроннолучевой или зонной плавки 70-90 кгс/мм2, при т-ре 1200° С она составляет 20 кгс/мм2. Предел прочности Т. высокой чистоты 19-23 кгс/мм2; предел текучести 18,4 кгс/мм2; относительное удлинение 36-38%; относительное сужение поперечного сечения около 90%. В зависимости от содержания примесей предел прочности достигает 126 кгс/мм2. С повышением т-ры предел прочности снижается до 5кгс/мм2 при т-ре 1550° С и до 3,6 кгс/мм2 при т-ре 1980° С. Модуль упругости 19 000 кгс/мм2; модуль сдвига 7000 кгс/мм2; коэфф. сжимаемости 0,52-10 6 см2/кгс.

Переход из пластичного состояния в хрупкое не обнаружен вплоть до т-ры - 250 ° С. Температура рекристаллизации 1050 — 1500° С в зависимости от чис-стоты и степени деформации. Ионизационный потенциал 7,3 ± 0,3 эв. Работа выхода электронов 4,1 эв. эна Т-ра перехода в сверхпроводящее состояние 4,38 К. Сечение захвата тепловых нейтронов 21,3 барн/атом. Металлический Тантал стоек в й большинстве агрессивных сред, вт. ч. в «царской водке». Взаимодействует с плавиковой к-той, с расплавами щелочей, с серной и ортофосфорной к-тами выше т-ры 50-100° С. Стойкость металлического Т. обусловлена наличием на поверхности тонкой прочной пленки пятиокиси Та205.

Способностью разрушать такую пленку обладают ионы фтора, серный ангидрид и расплавы щелочей. Т. в значительных количествах абсорбирует , и . Стоек на холоду в среде воздуха. При нагревании выше т-ры 300° С начинает окисляться, на поверхности образуется пористый слой пятиокиси Т. с амфотерными св-вами, преим. кислотными. С основаниями пяти-окись Т. образует соли, к-рые являются производными гипотетической танталовой к-ты,- танталаты. Т. взаимодействует с фтором при комнатной т-ре, с хлором - выше т-ры 250° С, с бромом - выше т-ры 300° С, с йодом не взаимодействует вплоть до т-ры красного каления. и углеродсодержащие газы при т-ре 1200-1400° С взаимодействуют с Т. с образованием карбидов. При т-ре ~ 500° С образуются гидриды. Тантал не взаимодействует с газообразным хлористым водородом до т-ры 400° С, а с бромистым водородом - до т-ры 375° С. Образует интерметаллические соединения преим. с переходными металлами VII-VIII и металлами Hie - IVe подгрупп периодической системы элементов. Т. стоек к действию некоторых расплавленных металлов, напр. висмута - до т-ры 980° С, свинца - до т-ры 1000° С.

Переработка рудного сырья на металлический Тантал включает получение концентратов, содержащих до 40- 65% Та2Об (гравитационным обогащением с последующей электромагнитной или электростатической сепарацией, флотацией или с применением комплексных магнитно-химических методов); вскрытие концентратов (сплавлением со щелочами или разложением к-тами, в частности плавиковой), в результате к-рого получают тантал и сопутствующий ему в виде окислов, хлоридов или фтористых компл. солей; разделение соединений тантала и ниобия (жидкостной экстракцией органическими реагентами, дробной кристаллизацией комплексных фтористых соединений, ректификацией хлоридов, а также разделением с помощью ионообменных смол); получение металлического Т. из его соединений (электролизом расплавленных фтористых сред; восстановлением натрием из комплексных фтористых солей, в частности из K2TaF7; восстановлением галогенидов магниевой стружкой или натрием; термической диссоциацией галогенидов).

Обычно Т. получают в виде танталового порошка чистотой 98-99%. Чтобы получить металл в компактном виде, прибегают к спеканию предварительно спрессованных заготовок прямым пропусканием тока при т-ре 2500- 2700° С или косвенным нагреванием при т-ре 2200-2500° С в вакууме; при этом чистота металла повышается до 99,9-99,95%. J Для получения больших слитков и для рафинирования применяют электровакуумную плавку в дуговых печах с расходуемым электродом и в электроннолучевых печах. В процессе вакуумного переплава общее содержание кислорода, азота и углерода снижается от 0,1-0,5 до 0,01-0,05%. Для произ-ва стержней высокой чистоты и изготовления монокристаллов прибегают к зонной плавке. Тантал подвергают обработке давлением на холоду (ковке, прокатке, штампованию, экструзии, волочению), получая прутки, проволоку, листы, трубы и фасонные изделия. Чтобы снять напряжения, в процессе деформирования изделий осуществляют промежуточный отжиг в высоком вакууме или в среде очищенного инертного газа при т-ре 1200-1650° С. Т. обладает хорошей свариваемостью, в связи с чем применяют различные виды дуговой сварки в аргоне или гелии, перспективна сварка электронным пучком.

Возможна пайка спец. припоями с соблюдением мер предосторожности. Т. можно покрывать нержавеющими сталями и тугоплавкими металлами и сплавами, обрабатывать резанием (при наличии смазки). Области применения Т. определяются благоприятным сочетанием высокой температуры плавления, пластичности, прочности, свариваемости, коррозионной стойкости, теплопроводности, способности поглощать газы и низкой упругости пара. Основное количество Т. (60- 75%) используют в электровакуумной технике: он служит материалом для геттеров, анодов, сеток и др. и деталей электронных ламп. В электротехнической пром-сти Т. применяют для изготовления нагревателейэлементов конструкций (экранов, контактов и др.) печей, эксплуатируемых при т-ре выше 1700° С в вакууме или среде инертного газа; для изготовления электролитических конденсаторов, выпрямителей.

Около 20-30% металла используют в произ-ве деталей хим. аппаратуры. Т.- заменитель платины в произ-ве лабораторной посуды, аналитических разновесов. Из Т. изготовляют прядильные фильеры, служащие для получения нитей искусственного шелка. Т. используют в качестве легирующей добавки при произ-ве высокопрочных, коррозионностойких и жаропрочных сталей и спец. сплавов. Соединения Т. (напр., фтористые комплексные соли) применяют в качестве катализаторов, пятиокись тантала используют в произ-ве стекол и керамики со спец. свойствами. См. также Тантала .

Характеристика элементов

Тантал являются металлам, но в состоянии окисления +5 проявляют неметаллические качества. Он почти не образуют катионов, но известно довольно большое количество сложных анионов, куда входят этот элемент.

Свойства простых веществ и соединений

По своему свободному состоянию и по химическим взаимодействиям члены подгруппы VB - тантал - резко отличаются от сурьмы и висмута.

Металл - тантал - очень тугоплавок, тверд, химически малоактивен. Кристаллизуются в кубической объемноцентрированной решетке. Химическая активность примерно одинакова с ниобием.

Ни , ни большинство кислот на него не действуют. На воздухе он покрыт плотным слоем оксидов, который препятствует при обычной температуре их дальнейшему взаимодействию даже с такими активными химическими реагентами, как , и . Только довольно значительное нагревание способно вывести его из столь пассивного состояния. На тантал даже «царская водка» - смесь, способная растворять , не действует. Он может раствориться только в еще более грозной смеси плавиковой и азотной кислот. Взаимодействие с водородом идет довольно легко, однако при поглощении водорода этим металлам определенных соединений не образуется. Состав максимально насыщенных водородом продуктов приближается к формуле ЭН, т. е. на каждый атом металла приходится один атом водорода. Если рассматривать свойства металлов в состоянии со степенью окисления +5, нужно отметить следующее: оксиды - плотные, устойчивые, инертные . По размерам атома и иона тантал и ниобия близки друг к другу. Это отражается и на свойствах оксидов, температура образования которых у ниобия и тантала высокая, как и температура плавления оксидов, а высшие оксиды Nb2Os и Та205 практически нерастворимы в воде. Кислотные свойства гидроксидов выше, чем в подгруппе титана, и падают от ванадия к танталу. Гидроксид ванадия- слабая кислота, а тантала - соединения амфотерные. Так как у этого элемента не заполнены d -орбитали, значит он способty образовывать комплексные соединения. Взаимодействуя со смесью азотной и плавиковой кислот, он даёт комплексы типа H(TaF6] .

Получение и использование

Тантал (Ta) — элемент с атомным номером 73 и атомным весом 180,948. Является элементом побочной подгруппы пятой группы, шестого периода периодической системы Дмитрия Ивановича Менделеева. Тантал в свободном состоянии при нормальных условиях представляет собой металл платиново-серого цвета со слегка свинцовым оттенком, что является следствием образования оксидной пленки (Ta 2 O 5). Тантал — тяжелый, тугоплавкий, достаточно твердый, но не хрупкий металл, в то же самое время он очень ковкий, хорошо поддающийся механической обработке, особенно в чистом виде.

В природе тантал находится в виде двух изотопов: стабильного 181 Ta (99,99 %) и радиоактивного 180 Ta (0,012 %) с периодом полураспада 10 12 лет. Из искусственно полученных радиоактивный 182 Ta (период полураспада 115,1 суток) используется как изотопный индикатор.

Элемент открыт в 1802 году шведским химиком А. Г. Экебергом в двух минералах, найденных в Финляндии и Швеции. Назван был в честь героя древнегреческих мифов Тантала по причине трудности его выделения. Долгое время минералы колумбит, содержащий колумбий (ниобий) и танталит, содержащий тантал, считались одним и тем же. Ведь эти два элемента частые спутники друг друга и во многом схожи. Данное мнение долгое время считалось верным в среде химиков всех стран, лишь в 1844 году немецкий химик Генрих Розе вновь изучал колумбиты и танталиты из различных мест и нашел в них новый металл, близкий по свойствам к танталу. Это был ниобий. Пластичный чистый металлический тантал впервые получен немецким учёным В. фон Болтоном в 1903 году.

Основные месторождения минералов тантала расположены в Финляндии, странах Скандинавии, Северной Америки, Бразилии, Австралии, Франции, Китае и ряде других государств.

В связи с тем, что тантал обладает рядом ценных свойств — хорошей пластичностью, высокой прочностью, свариваемостью, коррозионной устойчивостью в умеренных температурах, тугоплавкостью и рядом других важных качеств — применение семьдесят третьего элемента весьма широко. Наиболее важные области применения тантала — электронная техника и машиностроение. Приблизительно четвертая часть мирового производства тантала идет в электротехническую и электровакуумную промышленность. В электронике он используется для изготовления электролитических конденсаторов, анодов мощных ламп, сеток. В химической промышленности из тантала изготовляют детали машин, применяемых в производстве кислот, ведь этот элемент обладает исключительной химической стойкостью. Тантал не растворяется даже в такой химически агрессивной среде, как царская водка! В танталовых тиглях плавят металлы, например, редкоземельные. Из него изготовляют нагреватели высокотемпературных печей. Благодаря тому, что тантал не взаимодействует с живыми тканями организма человека и не вредит им, он применяется в хирургии для скрепления костей при переломах. Однако главным потребителем столь ценного металла является металлургия (свыше 45 %). В последние годы тантал все чаще используют в качестве легирующего элемента в специальных сталях — сверхпрочных, коррозионностойких, жаропрочных. Кроме того, многие конструкционные материалы довольно быстро теряют теплопроводность: на их поверхности образуется плохо проводящая тепло окисная или солевая пленка. Конструкции из тантала и его сплавов с такими проблемами не сталкиваются. Образующаяся на них окисная пленка тонка и хорошо проводит тепло, к тому же имеет защитные антикоррозионные свойства.

Ценность имеет не только чистый тантал, но и его соединения. Так высокая твердость карбида тантала используется при изготовлении твердосплавного инструмента для скоростного резания металла. Тантало-вольфрамовые сплавы придают жаропрочность деталям, изготовляемым из них.

Биологические свойства

Благодаря своей высокой биологической совместимости — способности уживаться с живыми тканями, не вызывая раздражения и отторжения организма — тантал нашел широкое применение в медицине, главным образом в восстановительной хирургии — для восстановления человеческого организма. Тонкие пластины из тантала применяют при повреждениях черепной коробки — ими закрывают проломы в черепе. Медицине известен случай, когда из танталовой пластинки было сделано искусственное ухо, при этом, кожа, пересаженная с бедра, прижилась настолько хорошо и быстро, что вскоре искусственный орган нельзя было отличить от настоящего. Танталовые нити используют при восстановлении поврежденной мускульной ткани. Танталовыми пластинками хирурги скрепляют стенки брюшной полости после операций. Даже кровеносные сосуды можно соединить, для этого используют скрепки из тантала. Сети из этого уникального материала применяют при изготовлении глазных протезов. Нитями из этого металла заменяют сухожилия и даже сшивают нервные волокна.

Не менее широко применение пятиокиси тантала Та 2 О 5 — ее смесь с небольшим количеством трехокиси железа предложено использовать для ускорения свертывания крови.

Последнее десятилетие развивается новая отрасль медицины, основанная на использовании близкодействующих статических электрических полей для стимулирования позитивных биологических процессов в организме человека. Причем электрические поля образуются не за счет традиционных электротехнических источников энергии с сетевым или аккумуляторным электропитанием, а за счет автономно функционирующих электретных покрытий (диэлектрик, сохраняющий продолжительное время некомпенсированный электрический заряд), нанесенных на имплантаты различного назначения, широко применяемые в медицине.

В настоящее время положительные результаты применения электретных пленок пятиокиси тантала получены в следующих областях медицины: челюстно-лицевая хирургия (использование имплантантов с покрытием из Та 2 О 5 исключает возникновение воспалительных процессов, сокращает сроки приживления имплантанта); ортопедическая стоматология (покрытие протезов из акриловых пластмасс пленкой из пятиокиси тантала устраняет все возможные патологические проявления, обусловленные непереносимостью акрилатов); хирургия (применение электретного аппликатора при лечении дефектов кожных покровов и соединительной ткани при длительно незаживающих раневых процессах, пролежнях, нейротрофических язвах, термических поражениях); травматология и ортопедия (ускорение развития костной ткани при лечении переломов и болезней опорно-двигательной системы человека под действием статического поля, создаваемого пленкой электретного покрытия).

Все эти уникальные научные разработки стали возможны благодаря научной работе специалистов из Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического Университета (ЛЭТИ).

Помимо выше перечисленных областей, где уже применяются или внедряются уникальные покрытия из пятиокиси тантала, существуют разработки, находящиеся на самых начальных стадиях. К ним относятся разработки для следующих областей медицины: косметология (изготовления материала на основе покрытий из пятиокиси тантала, который заменит «золотые нити»); кардиохирургия (нанесении электретных пленок на внутреннюю поверхность искусственных кровеносных сосудов, препятствует образованию тромбов); эндопротезирование (снижение риска отторжения протезов, находящихся в постоянном взаимодействии с костной тканью). Кроме того, создается хирургический инструмент с покрытием из пленки пятиокиси тантла.

Известно, что тантал весьма стоек в отношении агрессивных сред, об этом свидетельствует ряд фактов. Так при температуре в 200 °C этот металл не подвержен воздействию семидесяти процентной азотной кислоты! В серной кислоте при температуре 150 °C коррозии тантала также не наблюдается, а при 200 °C металл корродирует, но всего лишь на 0,006 мм в год!

Известен случай, когда на одном предприятии, использовавшем газообразный хлористый водород, детали из нержавеющей стали выходили из строя уже через пару месяцев. Однако, 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!

Тантал наряду с никелем и хромом широко используется в качестве антикоррозионного покрытия. Им покрывают детали самых разнообразных форм и размеров: тигли, трубы, листы, сопла ракет и многое другое. Причем материал, на который наносится танталовое покрытие, может быть самым разнообразным: железо, медь, графит, кварц, стекло и другие. Что самое интересное — твердость танталового покрытия выше твердости технического тантала в отожженном виде в три-четыре раза!

В связи с тем, что тантал весьма ценный металл, поиски его сырья продолжаются и в наши дни. Минералоги обнаружили, что в обычных гранитах, помимо других ценных элементов, содержится и тантал. Попытка добычи тантала из гранитных пород предпринималась в Бразилии, металл был получен, однако промышленного масштаба такая добыча не получила — крайне дорогим и сложным оказался процесс.

Современные электролитические танталовые конденсаторы стабильны в работе, надежны и долговечны. Миниатюрные конденсаторы, изготовленные из этого материала, используемые в различных электронных системах, помимо выше перечисленных достоинств, имеют одно уникальное качество: они могут производить собственный ремонт самостоятельно! Каким же образом это происходит? Предположим, что от возникшего перепада напряжения, либо по другой причине, нарушается целостность изоляции — мгновенно в месте пробоя вновь образуется изолирующая пленка окисла, и конденсатор продолжает работать, как ни в чем не бывало!

Несомненно, появившийся в середине XX века термин «умный металл», то есть металл, помогающий работать умным машинам, по праву можно присвоить танталу.

В некоторых областях тантал заменяет, а иногда даже конкурирует с платиной! Так в ювелирной работе тантал часто заменяет более дорогой благородный металл при изготовлении браслетов, часовых корпусов и других ювелирных изделий. В другой же области тантал успешно конкурирует с платиной — стандартные аналитические разновесы из этого металла по качеству не уступают платиновым.

Кроме того, танталом заменяют более дорогой иридий в производстве наконечников для перьев автоматических ручек.

Благодаря своим уникальным химическим свойствам, тантал нашел применение, как материал для катодов. Так танталовые катоды применяют при электролитическом выделении золота и серебра. Их ценность заключается в том, что осадок благородных металлов можно смыть с них царской водкой, которая не причиняет вреда танталу.

Определенно можно говорить о том факте, что есть нечто символическое, если даже не мистическое в том, что шведский химик Экеберг, пытаясь насытить кислотами новое вещество, был поражен его «жаждой» и дал новому элементу имя в честь мифического злодея, убившего собственного сына и предавшего богов. А спустя двести лет оказалось, что этот элемент способен буквально «сшить» человека и даже «заменить» ему сухожилия и нервы! Получается, что томимый в подземном царстве мученик искупая свою вину помощью человеку, пытается выпросить прощение у богов…

История

Тантал — герой древнегреческих мифов, лидийский или фригийский царь, сын Зевса. Разгласил тайны олимпийских богов, похитил с их пира амбросию и угостил олимпийцев блюдом, приготовленным из тела собственного сына Пелопса, которого он же и убил. За свои злодеяния Тантал был приговорен богами на вечные муки голода, жажды и страха в подземном царстве Аида. С тех пор он стоит по горло в прозрачной кристально чистой воде, к его голове склоняются ветви под тяжестью спелых плодов. Только не может он утолить ни жажду, ни голод - вода уходит вниз, как только он пытается напиться, а ветви поднимает ветер, от рук голодного убийцы. Над головой Тантала нависает скала, которая в любой миг может обрушиться, заставляя несчастного грешника вечно мучиться от страха. Благодаря этому мифу возникло выражение «танталовы муки», обозначающее непереносимые страдания, бесплотные попытки освободиться от мучений. Видимо, в ходе безуспешных попыток шведского химика Экеберга растворить в кислотах «землю», открытую им в 1802 году, и выделить из нее новый элемент, именно это выражение и пришло ему в голову. Не раз ученому казалось, что он близок к цели, но выделить новый металл в чистом виде ему так и не удалось. Так появилось «мученическое» название нового элемента.

Открытие тантала тесно связано с открытием другого элемента - ниобия, который появился на свет годом раньше и первоначально получил название Колумбия, которое дал ему первооткрыватель Гатчет. Этот элемент - двойник тантала близкий ему по ряду свойств. Именно эта близость и ввела в заблуждение химиков, которые после долгих споров пришли к ошибочному выводу о том, что тантал и колумбий - один и тот же элемент. Данное заблуждение длилось более сорока лет, пока в 1844 году известный немецкий химик Генрих Розе, в ходе повторного изучения колумбитов и танталитов из различных месторождений, не доказал, что колумбий - это самостоятельный элемент. Колумбий, изучаемый Гатчетом был ниобием с большим содержанием тантала, что и ввело в заблуждение ученый мир. В честь такой родственной близости двух элементов Розе присвоил колумбию новое название Ниобий - в честь дочери фригийского царя Тантала Ниобии. И хотя Розе также допустил ошибку, якобы открыв еще один новый элемент, который он назвал Пелопием (в честь сына Тантала Пелопса), его работы стали основой для строгого различия ниобия (колумбия) и тантала. Только, даже после доказательств Розе тантал и ниобий долгое время путали. Так тантал называли колумбием, в России колумбом. Гесс в своих «Основаниях чистой химии» вплоть до их шестого издания (1845) говорит только о тантале, не упоминая о Колумбии; у Двигубского (1824) встречается название - танталий. Такие ошибки и оговорки понятны - способ разделения тантала и ниобия был разработан лишь в 1866 году швейцарским химиком Мариньяком, а как такового чистого элементарного тантала еще не существовало: ведь в чистом компактном виде этот металл ученые смогли получить лишь в XX веке. Первым, кто смог получить металлический тантал, был немецкий химик фон Болтон, а произошло это лишь в 1903 году. Ранее, конечно же, предпринимались попытки получения чистого металлического тантала, но все старания химиков были безуспешны. Например, французский химик Муассан получил металлический порошок, по его утверждению - чистый тантал. Однако этот порошок, полученный восстановлением пятиокиси тантала Ta 2 O 5 углеродом в электрической печи, не был чистым танталом, порошок содержал 0,5 % углерода.

В итоге детальное изучение физико-химических свойств семьдесят третьего элемента стало возможно лишь в начале двадцатого века. В течение еще нескольких лет тантал не находил практического применения. Лишь в 1922 г. его смогли использовать в выпрямителях переменного тока.

Нахождение в природе

Среднее содержание семьдесят третьего элемента в земной коре (кларк) 2,5∙10 -4 % по массе. Тантал характерный элемент кислых пород — гранитных и осадочных оболочек, в которых его среднее содержание достигает 3,5∙10 -4 %, что касается ультраосновных и основных пород - верхние участки мантии и глубинные части земной коры, то концентрация тантала там значительно ниже: 1,8∙10 -6 %. В породах магматического происхождения тантал рассеян, также как и в биосфере, так как изоморфен со многими химическими элементами.

Несмотря на малое содержание тантала в земной коре, весьма широко распространение его минералов - их насчитывается более сотни, как собственно минералов тантала, так и танталосодержащих руд, все они образовались в связи с магматической деятельностью (танталит, колумбит, лопарит, пирохлор и другие). Во всех минералах спутником тантала является ниобий, что объясняется чрезвычайным химическим сходством элементов и почти одинаковыми размерами их ионов.

Собственно танталовые руды имеют соотношение Ta 2 O 5: Nb 2 O 5 ≥1. Главными минералами танталовых руд являются колумбит-танталит (содержание Ta 2 O 5 30-45 %), танталит и манганотанталит (Ta 2 O 5 45-80 %), воджинит (Ta, Mn, Sn) 3 O 6 (Ta 2 O 5 60-85 %), микролит Ca 2 (Ta, Nb) 2 O 6 (F, OH) (Ta 2 O 5 50-80 %) и другие. Танталит (Fe, Mn)(Ta, Nb) 2 O 6 имеет несколько разновидностей: ферротанталит (FeO>MnO), манганотанталит (MnO>FeO). Танталит бывает разных оттенков от черного до красно-коричневого. Главными минералами тантало-ниобиевых руд, из которых наряду с ниобием извлекают значительно более дорогой тантал - это колумбит (Ta 2 O 5 5-30 %), танталсодержащий пирохлор (Ta 2 O 5 1-4 %), лопарит (Ta 2 O 5 0,4-0,8 %), гатчеттолит (Ca, Tr, U) 2 (Nb, Ta) 2 O 6 (F, OH)∙nH 2 O (Ta 2 O 5 8-28 %), иксиолит (Nb, Ta, Sn, W, Sc) 3 O 6 и некоторые другие. Тантало-ниобаты, содержащие U, Th, TR, метамиктны, сильно радиоактивны и содержат переменное количество воды; обычны полиморфные модификации. Тантало-ниобаты образуют мелкую вкрапленность, крупные выделения редки (кристаллы типичны в основном для лопарита, пирохлора и колумбит-танталита). Окраска черная, темно-бурая, буровато-желтая. Обычно полупрозрачные или слабо просвечивают.

Различается несколько главных промышленных и генетических типов месторождений танталовых руд. Редкометальные пегматиты натро-литиевого типа представлены зональными жильными телами, состоящими из альбита, микроклина, кварца, в меньшей степени сподумена или петалита. Редкометальные танталоносные граниты (апограниты) представлены небольшими штоками и куполами микроклин-кварц-альбитовых гранитов, часто обогащенных топазом и литиевыми слюдами, содержащими тонкую вкрапленность колумбита-танталита и микролита. Коры выветривания, делювиально-аллювиальные и аллювиальные россыпи, возникающие в связи с разрушением пегматитов, содержат касситерит и минералы группы колумбита-танталита. Лопаритсодержащие нефелиновые сиениты состава луявритов, фойялитов.

Кроме того, в промышленное использование вовлекаются месторождения комплексных тантало-ниобиевых руд, представленных карбонатитами и ассоциирующими с ними форстерит-апатит-магнетитовыми породами; микроклин-альбитовыми рибекитовыми щелочными гранитами и граносиенитами и другими. Некоторое количество тантала извлекается из вольфрамитов грейзеновых месторождений.

Крупнейшие месторождения титановых руд расположены в Канаде (Манитоба, Берник-Лейк), Австралии (Гринбушес, Пилбара), Малайзии и Тайланде (танталосодержащие оловянные россыпи), Бразилии (Параиба, Риу-Гранди-ду-Норти), ряде африканских государств (Заир, Нигерия, Южная Родезия).

Применение

Тантал нашел свое техническое применение довольно поздно — в начале XX века его использовали в качестве материала для нитей накаливания электроламп, что обуславливалось таким качеством этого металла, как тугоплавкость. Однако вскоре он потерял свое значение в этой области, вытесненный менее дорогим и более тугоплавким вольфрамом. Вновь тантал стал «технически непригодным» вплоть до двадцатых годов XX века, когда его стали использовать в выпрямителях переменного тока (тантал, покрытый окисной пленкой, пропускает ток лишь в одном направлении), а спустя еще год — в радиолампах. После чего металл получил признание и вскоре стал завоевывать все новые и новые области промышленности.

В наше время тантал благодаря своим уникальным свойствам используется в электронике (производство конденсаторов высокой удельной емкости). Примерно 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 может достигать более двенадцати лет. В радиотехнике тантал используется в радиолокационной аппаратуре. Мини конденсаторы из тантала используют в передатчиках радиостанций, радарных установках и других электронных системах.

Основной потребитель тантала — металлургия, использующая свыше 45 %, производимого металла. Тантал активно используют в качестве легирующего элемента в специальных сталях — сверхпрочных, коррозионностойких, жаропрочных. Добавка этого элемента к обычным хромистым сталям повышает их прочность и уменьшает хрупкость после закалки и отжига. Производство жаропрочных сплавов — большая необходимость для ракетной и космической техники. В тех случаях, когда сопла ракет охлаждаются жидким металлом, способным вызвать коррозию (литием или натрием), без сплава тантала с вольфрамом просто невозможно обойтись. Кроме того, из жаропрочных сталей изготовляют нагреватели высокотемпературных вакуумных печей, подогревателей, мешалок. Карбид тантала (температура плавления 3 880 °C) 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).

Стали, легированные танталом имеют широкое применение, например в химическом машиностроении. Ведь такие сплавы имеют исключительную химическую стойкость, они пластичны, жаростойки и жаропрочны, именно благодаря этим свойствам тантал стал незаменимым конструкционным материалом для химической промышленности. Танталовую аппаратуру применяют в производстве многих кислот: соляной, серной, азотной, фосфорной, уксусной, а также брома, хлора и перекиси водорода. Из него изготовляют змеевики, дистилляторы, клапаны, мешалки, аэраторы и многие другие детали химических аппаратов. Иногда — аппараты целиком. 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.

Кроме того, тантал используют в приборостроении (рентгеновская аппаратура, контрольный инструмент, диафрагмы); в медицине (материал для восстановительной хирургии); в ядерной энергетике — в качестве теплообменника для ядерно-энергетических систем (тантал наиболее из всех металлов устойчив в перегретых расплавах и парах цезия-133). Высокая способность тантала поглощать газы используется для поддержания глубокого вакуума (электровакуумные приборы).

Последние годы тантал используется в качестве ювелирного материала, в связи с его способностью образовывать на поверхности прочные пленки оксида любого цвета.

Широкое применение находят и соединения тантала. Пятиокись тантала используется в атомной технике для варки стекла поглощающего гамма-излучение. Фтортанталат калия используют как катализатор в производстве синтетического каучука. В этой же роли выступает и пятиокись тантала при получении бутадиена из этилового спирта.

Производство

Известно, что руды содержащие тантал редки и бедны именно этим элементом. Основное сырье для производства тантала и его сплавов — танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие всего 8 % Та 2 О 5 , и более 60 % Nb 2 O 5 . Кроме того, в переработку идут даже те руды, которые содержат всего сотые доли процента (Та, Nb) 2 O 5 !

Технология производства тантала довольно сложна и осуществляется в три стадии: вскрытие или разложение; отделение тантала от ниобия и получение их чистых химических соединений; восстановление и рафинирование тантала.

Вскрытие танталового концентрата, иначе говоря, извлечение тантала из руд осуществляется с помощью щелочей (сплавление) либо при помощи плавиковой кислоты (разложение) или смеси плавиковой и серной кислот. После чего переходят ко второй стадии производства — экстракционное извлечение и разделение тантала и ниобия. Последняя задача весьма сложна по причине схожести химических свойств этих металлов и почти одинаковым размером их ионов. До недавних пор металлы разделяли лишь способом, предложенным еще в 1866 году швейцарским химиком Мариньяком, который воспользовался различной растворимостью фтортанталата и фторниобата калия в разбавленной плавиковой кислоте. В современной промышленности используется несколько способов разделения тантала и ниобия: экстракция органическими растворителями, избирательное восстановление пятихлористого ниобия, дробная кристаллизация комплексных фтористых солей, разделение с помощью ионообменных смол, ректификация хлоридов. В настоящее время чаще всего используемый способ разделения (он же и самый совершенный) — экстракция из растворов фтористых соединений тантала и ниобия, содержащих плавиковую и серную кислоты. При этом также происходит очистка тантала и ниобия от примесей других элементов: кремния, титана, железа, марганца и других сопутствующих элементов. Что касается лопаритовых руд, то их концентраты перерабатываются хлорным методом, с получением конденсата хлоридов тантала и ниобия, которые разделяют в дальнейшем методом ректификации. Разделение смеси хлоридов складывается из следующих стадий: предварительная ректификация (происходит отделение хлоридов тантала и ниобия от сопутствующих примесей), основная ректификация (с получением чистого NbCl 5 и концентрата TaCl 5) и завершающая ректификация танталовой фракции (получение чистого TaCl 5). Вслед за разделением родственных металлов происходит осаждение и очистка танталовой фазы с получением фтортанталата калия повышенной чистоты (с использованием KCl).

Металлический тантал получают путем восстановления его соединений высокой чистоты, для чего возможно применение нескольких способов. Это либо восстановление тантала из пентооксида сажей при температуре 1800—2000 °C (карботермический способ), либо восстановление натрием фтортанталата калия при нагревании (натриетермический способ), либо электрохимическое восстановление из расплава, содержащего фтортанталат калия и оксид тантала (электролитический способ). Так или иначе, получают металл в порошкообразном виде с чистотой 98—99 %. Дабы получить металл в слитках, его спекают в виде предварительно спрессованных из порошка заготовок. Спекание происходит посредством пропускания тока при температуре 2 500—2 700 °C или нагреванием в вакууме при 2 200—2 500 °C. После чего чистота металла значительно увеличивается, становясь равной 99,9—99,95 %.

Для дальнейшего рафинирования и получения танталовых слитков используют электровакуумную плавку в дуговых печах с расходуемым электродом, а для более глубокого рафинирования применяют электронно-лучевую плавку, которая значительно снижает содержание в тантале примесей, повышает его пластичность и снижает температуру перехода в хрупкое состояние. Тантал такой чистоты сохраняет высокую пластичность при температурах, близких к абсолютному нулю! Поверхность слитка из тантала оплавляют (для придания требуемых показателей по поверхности слитка) или обрабатывают на токарном станке.

Физические свойства

Только в начале XX века ученые получили в свои руки чистый металлический тантал и смогли детально изучить свойства этого светло-серого металла со слегка синеватым свинцовым оттенком. Какими же качествами обладает этот элемент? Определенно, тантал — тяжелый металл: его плотность 16,6 г/см 3 при 20 °C (для сравнения у железа плотность 7,87 г/см 3 , плотность свинца — 11,34 г/см 3) и для транспортировки одного кубометра данного элемента потребовалось 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 (модуль упругости тантала 190 Гн/м 2 или 190·10 2 кгс/мм 2 при 25 °С). На холоде металл поддается обработке без значительного наклепа, подвергается деформации со степенью сжатия 99 % без промежуточного обжига. Переход тантала из пластичного состояния в хрупкое не наблюдается даже при его охлаждении до -196 °C. Предел прочности при растяжении отожженного тантала высокой чистоты 206 Мн/м 2 (20,6 кгс/мм 2) при 27 °C и 190 Мн/м 2 (19 кгс/мм 2) при 490 °C; относительное удлинение 36 % (при 27 °С) и 20 % (при 490 °С). Тантал имеет кубическую объемноцентрированную решетку (а = 3,296 A); атомный радиус 1,46 A, ионные радиусы Та 2+ 0,88 A, Та 5+ 0,66 A.

Как говорилось ранее — тантал очень твердый металл (твердость по Бринеллю листового тантала в отожженном состоянии составляет 450—1250 МПа, в деформированном состоянии 1250—3500 МПа). Более того, можно повысить твердость металла путем добавления в него ряда примесей, например углерода или азота (твердость по Бринеллю танталового листа после поглощения газов при нагревании увеличивается до 6000 МПа). В итоге примеси внедрения способствуют повышению твердости по Бринеллю, временного сопротивления, предела текучести, но снижают характеристики пластичности и усиливают хладноломкость, проще говоря — делают металл хрупким. Другие характерные черты семьдесят третьего элемента — его высокая теплопроводность, при 20—100 °C эта величина составляет 54,47 вт/(м∙К) или 0,13 кал/(см·сек·°С) и тугоплавкость (возможно, самое важное физическое свойство тантала) — он плавится почти при 3 000 °C (точнее, при 2 996 °C), уступая в этом лишь вольфраму и рению. Температура кипения тантала также чрезвычайно высока: 5 300 °C.

Что касается других физических свойств тантала, то его удельная теплоемкость при температурах от 0 до 100 °C составляет 0,142 кдж/(кг·К) или 0,034 кал/(г·°С); температурный коэффициент линейного расширения тантала 8,0·10 -6 (при температурах 20—1 500 °С). Удельное электросопротивление семьдесят третьего элемента при 0 °С 13,2·10 -8 ом·м, при 2000 °С 87·10 -8 ом·м. При 4,38 К металл становится сверхпроводником. Тантал парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 0,849·10 -6 (при 18 °С).

Итак, тантал обладает уникальным комплексом физических свойств: высоким коэффициентом теплопередачи, высокой способностью поглощать газы, жаропрочностью, тугоплавкостью, твердостью, пластичностью. Кроме того, его отличает высокая прочность — он хорошо поддается обработке давлением всеми существующими методами: ковка, штамповка, прокатка, волочение, скручивание. Тантал характеризуется хорошей свариваемостью (сварка и пайка в среде аргона, гелия, либо в вакууме). Кроме того, тантал обладает исключительной химической и коррозионной стойкостью (с образованием анодной пленки), низким давлением пара и небольшой работой выхода электронов и, вдобавок, он прекрасно уживается с живой тканью организма.

Химические свойства

Определенно, одно из самых ценных свойств тантала — его исключительная химическая стойкость: в этом отношении он уступает только благородным металлам, да и то не всегда. Он устойчив к соляной, серной, азотной, фосфорной и органическим кислотам всех концентраций (вплоть до температуры 150 °С). По своей химической устойчивости тантал подобен стеклу — нерастворим в кислотах и их смесях, его не растворяет даже царская водка, против которой бессильны золото и платина и ряд других ценных металлов. Семьдесят третий элемент растворим только в смеси плавиковой и азотной кислот. Причем реакция с плавиковой кислотой происходит только с пылью металла и сопровождается взрывом. Даже в горячих соляной и серной кислотах тантал более стоек, чем его брат-близнец ниобий. Однако к воздействию щелочей тантал менее устойчив — горячие растворы едких щелочей разъедают металл. Соли танталовых кислот (танталаты) выражаются общей формулой: xMe 2 O·yТа 2 О 5 ·H 2 O, к ним относятся 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.

О высокой коррозионной стойкости тантала говорит и его взаимодействием с кислородом воздуха, а точнее высокая стойкость против данного воздействия. Металл начинает окисляться лишь при 280 °С, покрываясь защитной плёнкой Ta 2 O 5 (пентаоксид тантала — единственный стабильный окисел металла), которая защищает металл от действия химических реагентов и препятствует протеканию электрического тока от металла к электролиту. Однако с повышением температуры до 500 °С оксидная пленка постепенно становится пористой, расслаивается и отделяется от металла, лишая поверхность защитного слоя от коррозии. Поэтому целесообразно горячую обработку давлением производить в вакууме, так как на воздухе металл окисляется на значительную глубину. Присутствие азота и кислорода увеличивает твердость и прочность тантала, одновременно снижая его пластичность и делая металл хрупким, причем, как говорилось ранее, с кислородом тантал образует твердый раствор и оксид Ta 2 O 5 (с увеличением содержания O 2 в тантале происходит резкое повышение прочностных свойств и сильное снижение пластичности и коррозионной стойкости). С азотом тантал реагирует с образованием трех фаз — твердый раствор азота в тантале, нитриды тантала: Ta 2 N и TaN — в интервале температур от 300 до 1 100 °С. Избавиться от азота и кислорода в тантале возможно в условиях высокого вакуума (при температурах выше 2 000 °С).

С водородом тантал реагирует слабо вплоть до нагревания до 350 °С, скорость реакции значительно возрастает лишь с 450 °С (образуется гидрид тантала и тантал становится хрупким). Избавиться от водорода помогает все то же нагревание в вакууме (свыше 800 °С), при котором происходит восстановление механических свойств тантала, а водород полностью удаляется.

Фтор действует на тантал уже при комнатной температуре, фтористый водород также вступает в реакцию с металлом. Сухие хлор, бром и йод оказывают химическое действие на тантал при температуре 150 °С и выше. Активно взаимодействовать с металлом хлор начинает при температуре 250 °С, бром и йод при температуре 300 °С. С углеродом у тантала начинается взаимодействие при очень высоких температурах: 1 200—1 400 °С, при этом происходит образование тугоплавких карбидов тантала, которые весьма устойчивы к кислотам. С бором тантал соединяется в бориды — твердые тугоплавкие соединения, устойчивые к воздействию царской водки. Со многими металлами тантал образует непрерывные твердые растворы (молибден, ниобий, титан, вольфрам, ванадий и другие). С золотом, алюминием, никелем, бериллием и кремнием тантал образует ограниченные твердые растворы. Не образует никаких соединений тантал с магнием, литием, калием, натрием и некоторыми другими элементами. Чистый тантал устойчив к действию многих жидких металлов (Na, K, Li, Pb, к сплавам U-Mg и Pu-Mg).

Тантал - это разумный выбор для всех сфер применения, где требуется высокая коррозионная стойкость. Хотя тантал и не относится к благородным металлам, он сравним с ними по своей химической устойчивости. Кроме того, тантал легко поддается формовке даже при температуре ниже комнатной благодаря своей объемноцентрированной кубической кристаллической структуре. Высокая коррозионная стойкость тантала делает его ценным материалом для использования в самых различных химических средах. Мы используемый наш «неподатливый» материал, например, для теплообменников для сектора приборостроения, загрузочных поддонов для строительства печей, имплантатов для медицинской техники и компонентов конденсаторов для электронной промышленности.

Гарантированная чистота

Вы можете быть уверенными в качестве нашей продукции. Мы изготавливаем наши продукты из тантала сами - от металлического порошка до готового продукта. В качестве исходного материала мы используем только чистейший танталовый порошок. Так мы гарантируем вам чрезвычайно высокую чистоту материала.

Мы гарантируем качество чистоты спеченного тантала - 99,95 % (чистота металла без ниобия). Согласно химическим анализам, остаточное содержание состоит из следующих элементов:

Элемент	Стандартное макс. значение [мкг/г]	Гарантированное макс. значение [мкг/г]
Fe	17	50
Mo	10	50
Nb	10	100
Ni	5	50
Si	10	50
Ti	1	10
W	20	50
C	11	50
H	2	15
N	5	50
O	81	150
Cd	5	10
Hg*	--	1
Pb	5	10

Мы гарантируем качество чистоты тантала полученного путем плавки - 99,95 % (чистота металла без ниобия) Согласно химическим анализам, остаточное содержание состоит из следующих элементов:

Элемент	Типичное значение макс. [мкг/г]	Гарантированное значение [мкг/г]
Fe	5	100
Mo	10	100
Nb	19	400
Ni	5	50
Si	10	50
Ti	1	50
W	20	100
C	10	30
H	4	15
N	5	50
O	13	100
Cd	--	10
Hg*	--	1
Pb	--	10

Присутствие Сr(VI) и органических примесей исключено производственным процессом (многократная термообработка при температуре выше 1000 °C в атмосфере высокого вакуума). * Исходная величина.

Материал с особыми талантами

Насколько уникальны свойства нашего тантала, настолько же специфичны и сферы его применения в промышленности. Ниже мы кратко представим вам две из них:

Индивидуально подобранные химические и электрические свойства.

Благодаря чрезвычайно мелкой микроструктуре тантал является идеальным материалом для производства ультратонкой проволоки с безупречной, исключительно чистой поверхностью для использования в танталовых конденсаторах. Мы можем с высокой степенью точности определять химические, электрические и механические свойства такой проволоки. Так, мы обеспечиваем нашим клиентам индивидуально подобранные и стабильные свойства компонентов, которые мы постоянно развиваем и улучшаем.

Превосходная стойкость и высокая пластичность в холодном состоянии

Превосходная стойкость в сочетании с отличной формуемостью и свариваемостью делают тантал идеальным материалом для теплообменников. Наши танталовые теплообменники исключительно стабильны и устойчивы в целом ряду агрессивных сред. Обладая многолетним опытом обработки тантала, мы также можем изготовлять продукты сложной геометрии, точно отвечающие вашим требованиям.

Чистый тантал или все же сплав?

Мы оптимальным образом подготавливаем наш тантал к любым применениям. При помощи различных легирующих элементов мы можем изменять следующие свойства вольфрама:

• физические свойства (например, температура плавления, давление пара, плотность, электропроводность, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость)
• механические свойства (например, прочность, механизм разрушения, пластичность)
• химические свойства (например, коррозионная стойкость, травимость)
• обрабатываемость (например, машинная обработка, формуемость, свариваемость)
• структура и характеристики рекристаллизации (например, температура рекристаллизации, склонность к появлению хрупкости, эффект старения, размер зерен)

И это еще не все: используя наши специальные технологии производства, мы можем изменять различные другие свойства тантала в широком диапазоне. Результат: две различные технологии производства тантала и сплавы, обладающие различными свойствами, точно отвечающие требованиям конкретного применения.

Тантал, полученный спеканием (TaS).

Чистый тантал, полученный спеканием, и чистый тантал, полученный плавкой, обладают следующими общими характеристиками:

• высокая температура плавления, составляющая 2996 °C
• превосходная пластичность в холодном состоянии
• рекристаллизация при температуре от 900 до 1450 °C (в зависимости от степени деформации и чистоты)
• превосходная стойкость в водных растворах и расплавах металлов
• сверхпроводимость
• высокий уровень биологической совместимости

Когда предстоит чрезвычайно тяжелая работа, поможет наш тантал, полученный спеканием: благодаря используемому нами методу порошковой металлургии тантал, полученный спеканием , (TaS) обладает чрезвычайно мелкозернистой структурой и высокой чистотой. В связи с этим материал и отличается высочайшим качеством поверхности и хорошими механическими свойствами.

Для использования в конденсаторах мы рекомендуем одну из разновидностей нашего тантала с чрезвычайно высоким качеством поверхности (TaK ). Такой тантал используется в виде проволоки в танталовых конденсаторах. Высокую емкость, низкий ток утечки и низкое сопротивление можно гарантировать только тогда, когда используется проволока, не имеющая дефектов и примесей.

Тантал, полученный плавкой (TaM)

Не всегда требуется лучшее из лучшего. Тантал, полученный плавкой , (TaM), как правило, более экономичен в производстве, чем тантал, полученный спеканием, а его качества достаточно для многих сфер применения. Однако этот материал не такой мелкозернистый и однородный, как тантал, полученный спеканием. Просто свяжитесь с нами. Мы будем рады проконсультировать вас.

Стабилизированный тантал (TaKS)

Мы легируем наш спеченный стабилизированный тантал кремнием , что позволяет предотвратить рост зерен даже при высокой температуре. Это делает наш тантал пригодным для использования даже при крайне высокой температуре. Мелкозернистая микроструктура остается стабильной даже после отжига при температуре до 2000 °C. Этот процесс позволяет сохранить превосходные механические свойства материала, такие как его пластичность и прочность. Стабилизированный тантал в виде проволоки или листов идеально подходит для производства танталовых анодов методом спекания или для использования в секторе строительства печей.

Тантал-вольфрам (TaW) отличается хорошими механическими свойствами и превосходной коррозионной стойкостью. Мы добавляем от 2,5 до 10 процентов по весу вольфрама в чистый тантал. Хотя полученный сплав в 1,4 раза прочнее чистого тантала, его легко обрабатывать при температурах до 1600 °C. Поэтому наш сплав TaW особенно хорошо подходит для теплообменников и нагревательных элементов, используемых в химической промышленности.

Хорош во всех отношениях. Характеристики тантала.

Тантал относится к группе тугоплавких металлов . Тугоплавкие металлы имеют температуру плавления выше температуры плавления платины (1772 °C). Энергия, связывающая отдельные атомы, чрезвычайно высока. Высокая температура плавления тугоплавких металлов сочетается с низким давлением пара. Тугоплавкие металлы также отличаются высокой плотностью и низким коэффициентом теплового расширения.

В периодической таблице тантал находится в том же периоде, что и вольфрам. Как и вольфрам, тантал имеет очень высокую плотность - 16,6 г/см 3 . Однако, в отличие от вольфрама, тантал становится хрупким во время производственных операций с участием водородной атмосферы. Поэтому материал производится в высоком вакууме.

Тантал, несомненно, является наиболее устойчивым из тугоплавких металлов . Он устойчив во всех кислотах и основаниях и обладает крайне специфическими свойствами:

Свойства
Атомное число		73
Атомная масса		180,95
Температура плавления		2996 °C/3269 °K
Температура кипения		5458 °C/5731 °K
Атомный объем		1,80 · 10 -29 [м 3 ]
Давление пара	при 1800 °C при 2200 °C	5 · 10 -8 [Па] 7 · 10 -5 [Па]
Плотность при 20 °C (293 °K)		16,65 [г/см 3 ]
Кристаллическая структура		объемноцентрированная кубическая
Постоянная кристаллической решетки		330 [пм]
Твердость при 20 °C (293 °K)	деформированный рекристаллизованный	120–220 80–125
Модуль упругости при 20 °C (293 °K)		186 [ГПa]
Коэффициент Пуассона		0,35
Коэффициент линейного теплового расширения при 20 °C (293 °K)		6,4 · 10 -6 [м/(м·K)]
Теплопроводность при 20 °C (293 °K)		57,5 [Вт/(м K)]
Удельная теплоемкость при 20 °C (293 °K)		0,14 [Дж/(г·K)]
Электропроводность при 20 °C (293 °K)		8 · 10 6
Удельное электрическое сопротивление при 20 °C (293 °K)		0,125 [(Ом·мм 2)/м]
Скорость звука при 20 °C (293 °K)	Продольная волна Поперечная волна	4100 [м/с] 2900 [м/с]
Работа выхода электрона		4,3 [эВ]
Сечение захвата тепловых нейтронов		2,13 · 10 -27 [м 2 ]
Температура рекристаллизации (продолжительность отжига: 1 час)		900–1450 °C
Сверхпроводящий (температура перехода)		< -268,65 °C / < 4,5 °K

Термофизические свойства

Тугоплавкие металлы, как правило, имеют низкий коэффициент теплового расширения и относительно высокую плотность . Это касается и тантала. Хотя теплопроводность тантала ниже, чем у вольфрама и молибдена, материал имеет более высокий коэффициент теплового расширения, чем многие другие металлы.

Теплофизические свойства тантала изменяются при изменении температуры. На графиках ниже показаны кривые изменения наиболее важных переменных:

Механические свойства

Даже малые количества таких элементов, образующих твердый раствор внедрения, как кислород, азот, водород и углерод, могут изменить механические свойства тантала. Кроме того, для изменения его механических свойств используются такие факторы, как чистота металлического порошка, технология производства (спекание или плавка), степень холодной обработки и тип термической обработки.

Как и вольфрам и молибден, тантал имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую решетку . Температура хрупко-вязкого перехода тантала составляет -200 °C, что значительно ниже комнатной температуры. Благодаря этому металл крайне легко поддается формовке . В процессе холодной обработки повышается предел прочности и твердость металла, но одновременно снижается удлинение при разрыве. Хотя материал теряет пластичность, он не становится хрупким.

Термостойкость материала ниже, чем у вольфрама, но сравнима с термостойкостью чистого молибдена. Для повышения термостойкости мы добавляем в наш тантал тугоплавкие металлы, например, вольфрам.

Модуль упругости тантала ниже, чем у вольфрама и молибдена, и сравним с модулем упругости чистого железа. Модуль упругости снижается при повышении температуры.

Механические свойства

Благодаря высокой пластичности тантал оптимально подходит для формовочных процессов , таких как гибка, штамповка, прессование или глубокая вытяжка. Тантал с трудом поддается машинной обработке . Стружка плохо отделяется. По этой причине мы рекомендуем использовать стружкоотводные ступеньки. Тантал отличается превосходной свариваемостью в сравнении с вольфрамом и молибденом.

У вас есть вопросы о механической обработке тугоплавких металлов? Мы будем рады помочь вам, используя наш многолетний опыт.

Химические свойства

Поскольку тантал является стойким к любым типам химических веществ, этот материал часто сравнивают с драгоценными металлами. Однако в термодинамическом отношении тантал является основным металлом, который, тем не менее, может образовывать стабильные соединения с широким спектром элементов. При воздействии воздуха тантал образует очень плотный оксидный слой (Ta 2 O 5), который защищает основной материал от агрессивного воздействия. Этот оксидный слой делает тантал устойчивым к коррозии .

При комнатной температуре тантал не является устойчивым только в следующих неорганических веществах: концентрированная серная кислота, фтор, фтороводород, фтористоводородная кислота и растворы кислот, содержащие ионы фтора. Щелочные растворы, расплавленный гидроксид натрия и гидроксид калия также оказывают химическое воздействие на тантал. В то же время материал устойчив в водном растворе аммиака. Если тантал подвергается химическому воздействию, водород проникает в его кристаллическую решетку, и материал становится хрупким. Коррозионная стойкость тантала постепенно снижается при повышении температуры.

Тантал является инертным по отношению ко многим растворам. Однако, если тантал подвергается воздействию смешанного раствора, то его коррозионная стойкость может снизиться, даже если он устойчив в отдельных компонентах такого раствора. У вас есть сложные вопросы по коррозии? Мы будем рады помочь вам, используя наш опыт и нашу собственную лабораторию по исследованию коррозии.

Коррозионная стойкость в воде, водных растворах и в среде неметаллов
Вода	Горячая вода < 150 °C	стойкий
Неорганические кислоты	Соляная кислота < 30 % до 190 °C Серная кислота < 98 % до 190 °C Азотная кислота < 65 % до 190 °C Фтористо-водородная кислота < 60 % Фосфорная кислота < 85 % до 150 °C	стойкий стойкий стойкий нестойкий стойкий
Органические кислоты	Уксусная кислота < 100 % до 150 °C Щавелевая кислота < 10 % до 100 °C Молочная кислота < 85 % до 150 °C Винная кислота < 20 % до 150 °C	стойкий стойкий стойкий стойкий
Щелочные растворы	Гидроксид натрия < 5 % до 100 °C Гидроксид калия < 5 % до 100 °C Аммиачные растворы < 17 % до 50 °C Карбонат натрия < 20 % до 100 °C	стойкий стойкий стойкий стойкий
Соляные растворы	Хлорид аммония < 150 °C Хлорид кальция < 150 °C Хлорид железа < 150 °C Хлорат калия < 150 °C Биологические жидкости < 150 °C Сульфат магния < 150 °C Нитрат натрия < 150 °C Хлорид олова < 150 °C	стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий
Неметаллы	Фтор Хлор < 150 °C Бром < 150 °C Йод < 150 °C Сера < 150 °C Фосфор < 150 °C Бор < 1000 °C	не стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий

Тантал устойчив в некоторых расплавах металлов, таких как Ag, Bi, Cd, Cs, Cu, Ga, Hg, °K, Li, Mg, Na и Pb, при условии что эти расплавы содержат малое количество кислорода. Однако этот материал подвержен воздействию Al, Fe, Be, Ni и Co.

Коррозионная стойкость в расплавах металлов
Алюминий	нестойкий	Литий	стойкий при < 1000 °C
Бериллий	нестойкий	Магний	стойкий при температуре < 1150 °C
Свинец	стойкий при < 1000 °C	Натрий	стойкий при < 1000 °C
Кадмий	стойкий при < 500 °C	Никель	нестойкий
Цезий	стойкий при температуре < 980 °C	Ртуть	стойкий при температуре < 600 °C
Железо	нестойкий	Серебро	стойкий при < 1200 °C
Галлий	стойкий при температуре < 450 °C	Висмут	стойкий при температуре < 900 °C
Калий	стойкий при < 1000 °C	Цинк	стойкий при < 500 °C
Медь	стойкий при температуре < 1300 °C	Олово	стойкий при температуре < 260 °C
Кобальт	нестойкий

Когда неблагородный металл, например тантал, вступает в контакт с благородными металлами, например платиной, очень быстро возникает химическая реакция. В связи с этим необходимо учитывать реакцию тантала с другими материалами, присутствующими в системе, особенно при высокой температуре.

Тантал не вступает в реакцию с инертными газами. По этой причине инертные газы высокой чистоты могут использоваться в качестве защитных газов. Однако при повышении температуры тантал активно вступает в реакцию с кислородом или воздухом и может поглощать большое количество водорода и азота. Это делает материал хрупким. Устранить эти примеси позволяет отжиг тантала в высоком вакууме. Водород исчезает при температуре 800 °C, а азот - при 1700 °C.

В высокотемпературных печах тантал может вступать в реакцию с деталями конструкции, изготовленными из тугоплавких оксидов или графита. Даже очень устойчивые оксиды, такие как оксид алюминия, магния или циркония, могут подвергаться восстановлению при высокой температуре, если они вступают в контакт с танталом. При контакте с графитом может образовываться карбид тантала, что приводит к повышению хрупкости тантала. Хотя обычно тантал можно легко комбинировать с другими тугоплавкими металлами, например, молибденом или вольфрамом, он может вступать в реакцию с гексагональным нитридом бора и нитридом кремния.

В таблице ниже указана коррозионная стойкость материала по отношению к термостойким материалам, используемым при строительстве промышленных печей. Указанные предельные температуры действительны для вакуума. При использовании защитного газа эти температуры примерно на 100–200 °C ниже.

Коррозионная стойкость по отношению к термостойким материалам, используемым при строительстве промышленных печей
Оксид алюминия	стойкий при температуре < 1900 °C	Молибден	стойкий
Оксид бериллия	стойкий при температуре < 1600 °C	Нитрид кремния	стойкий при < 700 °C
Гексагональный. нитрид бора	стойкий при < 700 °C	Оксид тория	стойкий при температуре < 1900 °C
Графит	стойкий при < 1000 °C	Вольфрам	стойкий
Оксид магния	стойкий при температуре < 1800 °C	Оксид циркония	стойкий при температуре < 1600 °C

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.