Цена, распространение, добыча и использование тантала

Тантал [ˈtantalum] - химический элемент с символом Ta и атомным номером 73; в периодической таблице он находится в пятой подгруппе или группе ванадия. Это редко встречающийся, пластичный, графитово-серый блестящий переходный металл. Тантал в основном используется для конденсаторов с большой емкостью и в то же время небольшого размера. Поскольку металл нетоксичен и инертен к биологическим жидкостям, он также используется для имплантатов, например, в качестве костного гвоздя.

Элемент был обнаружен в 1802 году Андерсом Густавом Экебергом в финской колумбитовой руде. Он отделил очень стабильный оксид (оксид тантала (V)), который не растворялся ни в какой кислоте. Он назван в честь Тантала, персонажа из греческой мифологии. По словам Экеберга, причина этого названия в том, что очень стойкий оксид «должен томиться и не может утолить свою жажду, как Тантал в подземном мире».

Почти в то же время Чарльз Хэтчетт обнаружил нечто очень похожее в колумбийской руде. ниобий. Эти два элемента считались идентичными до 1844 года, когда Генрих Роуз признал, что в колумбитовых рудах присутствуют два разных элемента, а именно тантал и колумбий. Он назвал последний ниобием.

После открытия нового элемента различные химики пытались представить тантал как элемент. Первым, кто произвел элементарный тантал путем восстановления фторида тантала калием, был Йенс Якоб Берцелиус в 1815 году. Однако, как и тантал, представленный Роуз, его металл на 50% состоит только из тантала. В 1902 году Анри Муассан попытался произвести тантал в электрической печи, но содержащийся в нем углерод сделал его продукт очень твердым и хрупким.

Первым, кто смог произвести чистый, пластичный тантал, был Вернер фон Болтон в 1903 году. Он добился этого, уменьшив количество раскаленных оксидов в вакууме и расплавив нечистый металлический тантал в вакууме и используя электрическую дугу пламени.

Первое применение нового элемента было в качестве нити накала в лампочках. Причина перехода с осмия, который ранее использовался, на тантал заключалась в том, что его легче обрабатывать, и он имеет более высокую возможную рабочую температуру до 2300 ° C. Позже он был заменен вольфрамом, который имеет еще более высокую температуру плавления и, таким образом, обеспечивает световой спектр, более близкий к солнечному, и более высокий световой поток.

В 1922 году тантал нашел новое применение в выпрямителях, а год спустя - в радиолампах.

Вхождение 

Тантал - редкий элемент на Земле с содержанием 2 частей на миллион в континентальной коре и 8 частей на миллион в земной оболочке. Частота сопоставима с таковой мышьяка и германия. Внутри группы частота уменьшается в десять раз. Тантал не встречается в природе, а только в виде его соединений в различных минералах. Из-за схожести этих двух элементов танталовые руды всегда содержат ниобий и наоборот (социализация). Наиболее важными минералами являются минералы ряда колумбита и тапиолита, в которых различные минералы с общей формулой (Mn, Fe²⁺) (Nb, Та)₂O₆ Подводя итог. Коламбиты тантала также называют танталит назначен. Примерами минералов, содержащих тантал в этой серии, являются ферротапиолит (Fe²⁺, Мин²⁺) (Та, Nb)₂O₆ и марганцево-танталит MnTa₂O₆. Эти руды часто называют колтаном. Менее распространенные минералы - микролит или тореаулит.

Самыми крупными странами-производителями танталовых руд в 2007 году были Австралия - 850 тонн и Бразилия - 250 тонн. Колтан также встречается в Канаде и различных африканских странах, таких как Эфиопия, Мозамбик и Руанда. О месторождениях на востоке Демократической Республики Конго, которые яростно оспаривали во время войны в Конго 1996-2008 годов, стало известно в СМИ.

Извлечение и презентация 

Поскольку тантал и ниобий всегда присутствуют вместе в рудах, используемых для извлечения тантала, их необходимо отделить для извлечения чистых металлов. Это осложняется большим сходством двух элементов.

Первый метод разделения был разработан Жаном Шарлем Галиссаром де Мариньяком в 1866 году. Он использовал различную растворимость двух элементов в разбавленной плавиковой кислоте. Тантал образует малорастворимый K₂TaF₇Ниобий хорошо растворимый К₃NbOF₅ · 2 H₂O.

Технически используемый сегодня процесс основан на экстракции и использует различную растворимость сложных солей фтора в воде и некоторых органических растворителях. Рудную смесь сначала растворяют в концентрированной плавиковой кислоте или смесях плавиковой и серной кислот. Комплексные фториды [NbOF₅]^2- и [TaF₇]^2-. После того как нерастворимые компоненты отфильтрованы, разделение может быть проведено экстракцией жидкость-жидкость с помощью метилизобутилкетона. Если к раствору добавляют метилизобутилкетон, комплексы ниобия и тантала переходят в органическую фазу, в то время как другие элементы, такие как железо или марганец, остаются в водной фазе. При добавлении воды к отделенной органической фазе в ней растворяется только комплекс ниобия, тантал остается в метилизобутилкетоне.

С помощью фторида калия тантал можно превратить в малорастворимый калий.₂[TaF₇] быть срубленным. Восстановление до элементарного тантала в основном осуществляется натрием.

Восстановление натрием

Возможная альтернатива экстракции - фракционная перегонка. Для этой цели используются разные температуры кипения двух хлоридов пентахлорида ниобия и пентахлорида тантала. Их можно извлечь из руд с помощью хлора и кокса при высоких температурах. После разделения хлорид тантала также восстанавливается до металла натрием.

Помимо колумбит-танталитовых руд, шлак от плавки олова является важным источником для извлечения тантала (содержит несколько процентов тантала).

Физические свойства 

Тантал - это отчетливо пурпурно-серый, твердый как сталь (твердость по Виккерсу: 60–120 HV), тугоплавкий тяжелый металл, который по большинству своих свойств похож на ниобий. Он кристаллизуется в объемно-центрированной кубической кристаллической структуре. С температурой плавления около 3000 ° C тантал имеет самую высокую температуру плавления из всех элементов после вольфрама, углерода и рения. Если в металле хранится лишь небольшое количество углерода или водорода, температура плавления значительно увеличивается. Карбид тантала с температурой плавления 3880 ° C имеет одну из самых высоких температур плавления среди всех веществ.

Тантал становится сверхпроводником при температуре перехода ниже 4,3 Кельвина.

Хотя чистый тантал пластичен и может значительно растягиваться (предел прочности при растяжении: 240 МПа), даже небольшое количество углерода или водорода, добавленных к нему, значительно изменяет механическую прочность. Материал становится хрупким и трудно поддается обработке. Этот эффект используется для производства танталового порошка. В технологии в него добавляют водород и, таким образом, он охрупчивается, затем соответствующим образом измельчается и прокаливается или освобождается от водорода при более высокой температуре.

Химические свойства

Тантал является неблагородным металлом и при высоких температурах реагирует с большинством неметаллов, такими как кислород, галогены или углерод. Однако при комнатной температуре металл защищен тонким слоем оксида тантала (V) и, таким образом, пассивирован. Реакция протекает только при температуре около 300 ° C.

В большинстве кислот тантал не растворяется из-за пассивации, даже царская водка не может растворить металл. На тантал воздействуют только плавиковая кислота, олеум (смесь серной кислоты и триоксида серы) и расплавленные соли.

Изотоп 

Всего имеется 30 изотопов и 26 ядерных изомеров ¹⁵⁵Та вверх ¹⁸⁵Та известен. Природный тантал состоит почти исключительно (99,988%) из изотопа ¹⁸¹Ta. Кроме того, основной изомер составляет 0,012% ^180mТа раньше. Хотя теоретически он может быть радиоактивным, распада до сих пор не наблюдалось. Следовательно, период полураспада должен превышать 1 · 10¹⁵ быть лет.

Использовать 

Большая часть тантала (мировой годовой объем производства 1.400 т) используется для изготовления очень маленьких конденсаторов с высокой емкостью. В 2007 году 60% тантала было использовано в производстве конденсаторов. Эти танталовые электролитические конденсаторы используются повсеместно в современной микроэлектронике, например, в сотовых телефонах и в автомобилестроении. Эффект основан на слое оксида тантала на поверхности намотанной танталовой фольги, которая остается стабильной и надежно изолирующей даже в очень тонкой версии. Чем тоньше слой между электродами, тем больше емкость при одинаковой поверхности фольги; Оксид тантала также имеет чрезвычайно высокую диэлектрическую проницаемость, что также увеличивает емкость.

Поскольку тантал нетоксичен и не вступает в реакцию с тканями или жидкостями организма, элементарный тантал используется для изготовления медицинских имплантатов и инструментов. Например, костные гвозди, протезы, зажимы и винты для челюстей изготавливаются из тантала. Кроме того, это рентгеноконтрастное вещество, которое мало используется из-за своей высокой стоимости.

В химической промышленности тантал используется из-за его прочности. Он служит облицовочным материалом для реакционных сосудов и используется для теплообменников и насосов. Для этих целей обычно используют не чистый тантал, а сплавы, содержащие 2,5–10% вольфрама. Они более стабильны и устойчивы, чем чистый тантал. При этом желаемая пластичность сохраняется. Другое применение - лабораторное оборудование, фильеры и катоды электронных ламп. Здесь тантал извлекает выгоду из того факта, что он способен поглощать до 800 частей по объему газа при 740 ° C (геттерный эффект), что обеспечивает высокий вакуум в трубках.

Суперсплавы, которые используются в конструкции турбин и авиационных двигателей, содержат до 9% тантала. Добавление 3–4% тантала в никелевый суперсплав увеличивает прочность материала при высоких температурах.

безопасности 

Работа с танталом и его соединениями обычно не вызывает никаких проблем в лабораторных условиях. Элементарные соединения тантала и тантала не токсичны. Однако есть неопределенные указания на то, что некоторые соединения тантала являются канцерогенными. Танталовый порошок и пыль, как и другие мелкодисперсные металлы, представляют собой высокий риск возгорания и взрыва.

Связи 

Оксид тантала (V) Ta₂O₅ это белый порошок, используемый для изготовления высоко преломляющих стекол и специальных кристаллических материалов.

Карбид тантала TaC с температурой плавления 3880 ° C и твердостью, близкой к алмазной, служит защитным слоем на жаропрочных сплавах двигателей и режущих инструментов.

Общий
Имя, символ, атомный номер	Тантал, Та, 73
серия	Переходные металлы
Группа, период, блок	5, 6, д
Внешний вид	серый
номер CAS	7440-25-7
Массовая доля земной оболочки	8 частей на миллион
ядерной
атомная масса	180,9479 XNUMX человека
Атомный радиус (рассчитанный)	145 (200) вечера
Ковалентный радиус	138 м.
электронная конфигурация	[Xe] 4f14 5d3 6s2
1. ионизация	761 кДж / моль
2. ионизация	1500 кДж / моль
физически
Физическое состояние	Праздник
кристаллическая структура	кубическое тело-центрированное
плотность	16,65 г / см3 (20 ° С)
твердость по Моосу	6,5
магнетизм	парамагнитный ( = 1,8 10-4)
точка плавления	3290 К (3017 ° С)
Температура кипения	5731 К (5458 ° С)
Молярный объем	10,85 · 10-6 m3/ моль
Теплота парообразования	735 кДж / моль
теплота плавления	36 кДж / моль
скорость звука	3400 м / с на 293,15 K
Удельная теплоемкость	140 Дж / (кг · К)
Электропроводность	7,61 · 106 А / (В · м)
теплопроводность	57 Вт / (м · К)
Химический
состояния окисления	5
нормальный потенциал	−0,81 В (½ Ta2O5 + 5 H.+ + 5 е- → Ta + 2½ H2O)
электроотрицательность	1,5 (шкала Полинга)
Изотоп
изотоп NH t1/2 ZA ZE (МэВ) ZP 177Ta {Син.} 56,56 ч ε 1,166 177Hf 178Ta {Син.} 2,36 ч ε 1,910 178Hf 179Ta {Син.} 1,82 а ε 0,110 179Hf 180Ta {Син.} 8,125 ч ε 0,854 180Hf β- 0,708 180W 180mTa 0,012% > 1,2 · 1015 a ε 0,929 180Hf β- 0,783 180W IT 0,075 180Ta 181Ta 99,988 % стабильный 182Ta {Син.} 114,43 г β- 1,814 182W 183Ta {Син.} 5,1 г β- 1,070 183W
свойства ЯМР
Вращение γ в рад * Т-1· с-1 Er(1H) fL в W = 4,7 т в МГц 181Ta 7/2 3,202 · 107 0,036 23,9
безопасности
СГС опасные вещества маркировки порошка Опасность H и P фразы Высота: 228 EUH: нет ставок EUH Т: 210-370 + 378 Опасная информация(Порошок) легкий легковоспламеняющийся (F) R и S фразы R: 11 (порошок) С: 43

Цены на тантал

Диаграмма Тантал 2009-2012

Текущие цены на тантал