Тантал - Властивості хімічних елементів
Властивості дорогоцінних мінералів
Тантал(лат. Tantalum), Та, хімічний елемент V групи періодичної системи Менделєєва; атомний номер 73, атомна маса 180948; метал сірого кольору із злегка свинцевим відтінком. У природі знаходиться у вигляді двох ізотопів: стабільного 181 Та (99,99%) та радіоактивного 180 Та (0,012%; T½ = 10 12 років). З штучно отриманих радіоактивний 182 Та (Т½ = 115,1 діб) використовують як радіоактивний індикатор.
Елемент відкрито 1802 року шведським хіміком А. Р. Ексбергом; названий на ім'я героя давньогрецької міфології Тантала (через труднощі отримання Tантала в чистому вигляді). Пластичний металевий Тантал уперше отримав у 1903 році німецький хімік В. Больтон.
Фізичні властивості тантал. Тантал має кубічні об'ємноцентровані грати (а = 3,296 Å); атомний радіус 1,46 Å, іонні радіуси Та 2+ 0,88 Å, Та 5+ 0,66 Å; густина 16,6 г/см 3 при 20 °С; tпл 2996 ° С; Ткіп 5300 ° С; питома теплоємність при 0-100°З 0,142 кдж/(кг·К) [0,034 кал/(г·°С)]; теплопровідність при 20-100 °С 54,47 Вт/(м·К) [0,13 кал/(см·сек·°С)]. Температурнийкоефіцієнт лінійного розширення 8,0 · 10 -6 (20-1500 ° С); питомий електроопір при 0 ° С 13,2 · 10 -8 ом · м, при 2000 ° С 87 · 10 -8 ом · м. При 4,38 К стає надпровідником. Тантал парамагнітний, питома магнітна сприйнятливість 0,849 · 10 -6 (18 ° С). Чистий Тантал – пластичний метал, обробляється тиском на холоду без значної наклепу. Його можна деформувати зі ступенем обтиснення 99% без проміжного відпалу. Перехід Тантала із пластичного в крихкий стан при охолодженні до -196 °С не виявлено. Модуль пружності Тантала 190 Гн/м 2 (190 10 2 кгс/мм 2 ) при 25 °С. Межа міцності при розтягуванні відпаленого Танталу високої чистоти 206 Мн/м 2 (20,6 кгс/мм 2 ) за 27 °С та 190 Мн/м 2 (19 кгс/мм 2 ) за 490 °С; відносне подовження 36% (27 ° С) та 20 % (490 ° С). Твердість по Брінеллю чистого рекристалізованого Танталу 500 Мн/м2 (50 кгс/мм2). Властивості Тантала великою мірою залежить від його чистоти; домішки водню, азоту, кисню та вуглецю роблять метал крихким.
Хімічні властивості тантал. Конфігурація зовнішніх електронів атома Та 5d 3 6s 2 . Найбільш характерна міра окислення Тантала +5; відомі сполуки з нижчим ступенем окислення (наприклад, ТаСl4, ТаСl3, ТаCl2), проте їх утворення для Тантал менш характерне, ніж для ніобію.
У хімічному відношенні Тантал за звичайних умов малоактивний (подібний до ніобію). На повітрі чистий компактний тантал стійкий; окислюватися починає за 280 °С. Має лише один стабільний оксид - (V) Та2О5, який існує у двох модифікаціях: α-формі білого кольору нижче 1320 ° С та β-формі сірого кольору вище 1320 ° С; має кислотний характер. З воднем за нормальної температури близько 250 °З Тантал утворює твердий розчин, що містить до 20 ат.% водню при 20 °З; при цьому Тантал стає крихким; при800-1200 ° С у високому вакуумі водень виділяється з металу та його пластичність відновлюється. З азотом при температурі близько 300 ° С утворює твердий розчин та нітриди Ta2N та TaN; у глибокому вакуумі вище 2200 °З поглинений азот знову виділяється з металу. У системі Та - З при температурі до 2800 ° С встановлено існування трьох фаз: твердого розчину вуглецю в Танталі, нижчого карбіду Т2С та вищого карбіду ТаС. Тантал реагує з галогенами при температурі вище 250 ° С (з фтором при кімнатній температурі), утворюючи галогеніди переважно типу ТаХ3 (де X = F, Cl, B, I). При нагріванні Та взаємодіє з, В, Si, Р, Se, Ті, водою, СО, СО2, NO, HCl, H2S.
Чистий Тантал винятково стійкий до дії багатьох рідких металів: Na, К та їх сплавів, Li, Pb та інших, а також сплавів U – Mg та Pu – Mg. Тантал характеризується надзвичайно високою корозійною стійкістю до дії більшості неорганічних та органічних кислот: азотної, соляної, сірчаної, хлорної та інших, царської горілки, а також багатьох інших агресивних середовищ. Діють на Тантал фтор, фтористий водень, плавикова кислота та її суміш із азотною кислотою, розчини та розплави лугів. Відомі солі танталових кислот - танталати загальної формули xMe2O·yТа2О5·H2O: метатанталати МеТаО3, ортотанталати Ме3ТаО4, солі типу Me5TaO5, де Me - лужний метал; у присутності перекису водню утворюються також пертанталати. Найбільш важливі танталати лужних металів - КТаО3 та NaTaO3; ці солі-сегнетоелектрики.
Здобуття Тантала. Руди, що містять тантал, рідкісні, комплексні, бідні тантал; переробляють руди, що містять до сотих часток відсотка (Та, Nb)2O5, і шлаки відновлювальної плавки олов'яних концентратів. Основною сировиною для виробництва Танталу, його сплавів та сполук служать танталітовіі лопаритові концентрати, що містять відповідно близько 8% Ta2O5 та 60% і більше Nb2O5. Концентрати переробляють зазвичай у три стадії: 1) розтин, 2) поділ Та та Nb та отримання їх чистих сполук, 3) відновлення та рафінування Та. Танталітові концентрати розкладають кислотами чи лугами, лопаритові – хлорують. Розділяють Та і Nb з одержанням чистих сполук екстракцією, наприклад, трибутилфосфатом з плавиковокислих розчинів, або ректифікацією хлоридів.
Для виробництва металевого Тантала застосовують відновлення його з Ta2O5 сажі в одну або дві стадії (з попереднім отриманням ТаС із суміші Ta2O5 з сажею в атмосфері СО або Н2 при 1800-2000 °С); електрохімічне відновлення з розплавів, що містять K2TaF7 та Та2О5, та відновлення натрієм K2TaF7 при нагріванні. Можливі також процеси термічної дисоціації хлориду або відновлення Танталу з нього воднем. Компактний метал виробляють або вакуумною дуговою, електроннопроменевою або плазмовою плавкою, або методами порошкової металургії. Злитки або спечені із порошків штабики обробляють тиском; монокристали особливо чистого Тантала одержують безтигельною електроннопроменевою зонною плавкою.
Застосування тантал. Тантал володіє комплексом цінних властивостей - гарною пластичністю, міцністю, зварюваністю, корозійною стійкістю при помірних температурах, тугоплавкістю, низьким тиском пари, високим коефіцієнтом теплопередачі, невеликою роботою виходу електронів, здатністю утворювати анодну плівку (Та2О5) з особливими діелектричними характеристиками живої тканини організму. Завдяки цим властивостям Тантал знаходить застосування в електроніці, хімічному машинобудуванні, ядерній енергетиці, металургії (виробництво жароміцних сплавів,нержавіючих сталей), у медицині; як ТаС його застосовують у виробництві твердих сплавів. З чистого Танталу виготовляють електричні конденсатори для напівпровідникових приладів, деталі електронних ламп, корозійностійку апаратуру для хімічної промисловості, фільєри у виробництві штучного волокна, лабораторний посуд, тиглі для плавки металів (наприклад, рідкісноземельних) та сплавів, нагрівачі високотемператур теплообмінники для ядерно-енергетичних систем У хірургії листи, фольгу, дріт із Тантала застосовують для скріплення кісток, нервів, накладання швів та ін. Застосування знаходять танталові сплави та з'єднання.