Dekoráció 

A tantál fém jellemzői és tulajdonságai. A tantál kémiai tulajdonságai A tantál atom elektronikus konfigurációja

Gyors fejlődés modern technológiák napjainkban minden bizonnyal olyan hatékony anyagok és anyagok használatához kötődnek, amelyek meglehetősen praktikus és nagyon hasznos tulajdonságokkal és tulajdonságokkal rendelkeznek.

Ebből a szempontból érdemes odafigyelni egy olyan egyedi kémiai elemre, mint a tantál. És ez nem meglepő, mert szilárdsági jellemzői miatt a tantál használata manapság az ipar számos területén meglehetősen aktuálissá válik.

A laikusok látókörének szélesítése érdekében ebben a témában részletesen leírjuk a tantál fizikai-kémiai jellemzőit, és beszélünk arról, hogy hol használják ezt a fémet ma nagyon sikeresen.

A tantál műszaki jellemzői

Először is meg kell érteni, hogy a tantál egy szürke fém, ragyogó árnyalattal, amely könnyen megmunkálható.

A fém jellemzői közül érdemes megjegyezni a következő fontos szempontokat:

  • sorszám a periódusos rendszerben - 73;
  • atomsúly - 180;
  • az anyag sűrűsége 60 g / cm 3;
  • olvadáspont - 3015 0 С;
  • az anyag forráspontja 5300 0 C.

fém tulajdonságai

Ezeknek a tulajdonságoknak köszönhetően a tantál kétségtelenül a következő előnyös tulajdonságokkal rendelkezik:

  1. A tantál egy tűzálló fém, és ennek eredményeként az elem a következő tulajdonságokkal rendelkezik:
  • kis lineáris tágulási index;
  • jó hővezető képesség;
  • nagy mechanikai szilárdság és rugalmasság.
  1. Kiváló korróziógátló tulajdonságokkal rendelkezik. Érdemes megjegyezni, hogy a tantál normál körülmények között gyakorlatilag inert a tengervízzel szemben, de ha oxigénnel telített, akkor a fém ebben az esetben csak elhomályosodik.
  2. A tantál jól ellenáll a következő típusú sóknak:
  • vas- és rézkloridok;
  • nitrátok;
  • szulfátok;
  • szerves savak sói azonban, feltéve, hogy összetételükben nem tartalmaznak fluort vagy fluoridokat.
  1. A tantál elveszíti szilárdsági jellemzőit, amikor fluorral reagál. Érdemes azt is figyelembe venni, hogy a tantál nem lép kémiai reakcióba brómmal, jóddal és folyékony klórral, hacsak nem éri el a 150 0 C hőmérsékletet.
  2. A tantál kellően ellenáll az alacsony olvadáspontú folyékony szerkezetű fémeknek.
  3. A tantál kiváló stabilitási jellemzőkkel rendelkezik a levegőben 400 0 C-ig, míg a tárolás vagy a feldolgozás során oxid védőréteg jelenik meg.
  4. Az elektronsugaras módszerrel megolvasztott tantál megnövekedett plaszticitási tulajdonsággal rendelkezik, ami a fém deformálódása esetén nagyobb fokú összenyomódást tesz lehetővé.
  5. Jól alakítható fémlemezré, ami jól kovácsolható.
  6. Jól használható hidegalakításhoz. Azonban meg kell értenie, hogy ezt a fémet nem szabad forró állapotban deformálni, mivel hevítéskor a tantál elkezdi felszívni a nitrogént, a szén-dioxidot, az oxigént, és ennek eredményeként az anyag meglehetősen törékennyé válik.
  7. A tantál feldolgozásának egyik fő művelete az anyag nagy sebességű berendezésen történő vágása.

Ami a tantál alkatrészek csatlakoztatását illeti, azt a következő módokon lehet megtenni:

  • hegesztés;
  • forrasztás;
  • szegecsekkel való kapcsolat.

Itt érdemes figyelembe venni azt a tényt, hogy az utóbbi két módszert meglehetősen ritkán alkalmazzák, így a tantál hegesztett kötések minősége mindig magas szinten marad.

A tantál felhasználási területei

Ezek a tulajdonságok lehetővé teszik, hogy széles körben alkalmazzák különböző területeken ipar. Nézzük meg részletesen az ilyen egyedi anyag, például a tantál használatának főbb irányait.

Kohászati ​​ipar

Ennek a fémnek a fő fogyasztója a kohászat. A kohászati ​​ipar a megtermelt tantál 45%-át fogyasztja el.

A tantál fő alkalmazási területe a következő fontos szempontok közül való:

  • a fém a fő ötvözőelem a hőálló és korrózióálló acélminőségek gyártásában;
  • A tantál-karbid megbízható védelmet nyújt az öntödék acélformáinak.

Villamos ipar

Először is érdemes megjegyezni, hogy a világon megtermelt tantál negyedét az elektromos iparban használják fel. És ez nem meglepő, mert a következő típusú elektromos termékeket gyártják ebből a fémből:

  • az elektrolit típusú tantál kondenzátorokat működésük stabilitása jellemzi;
  • széles körben használják a lámpák olyan szerkezeti elemeinek gyártásában, mint az anódok, közvetetten fűtött katódok és rácsok;
  • a tantálhuzalt kriotron alkatrészek gyártásához használják, amelyek a számítástechnika szerves részét képezik;
  • Ebből a fémből nagyon sikeresen készülnek a magas hőmérsékletű kemencék fűtőberendezései.

Érdekes tény! A tantál kondenzátorok hajlamosak önjavításra. Például a nagyfeszültség hirtelen fellépésekor egy szikra tönkretette a szigetelőréteget. Ebben az esetben a hiba helyén azonnal szigetelő oxidfilm képződik, miközben a kondenzátor normál üzemmódban tovább működik!


Vegyipar

Mindenekelőtt meg kell jegyezni azt a tényt, hogy a felhasznált tantál 20%-a a szükségletekre megy el vegyipar. Ezt a fémet különösen a következő esetekben használják:

  • a következő típusú savak előállítása:
  1. nitrogén;
  2. szarvas;
  3. kénsav;
  4. foszforsav;
  5. ecetsav.
  • hidrogén-peroxid, bróm és klór előállítása;
  • a következő típusú vegyi berendezések gyártása:
  1. levegőztetők;
  2. desztilláló üzemek;
  3. különböző típusú tekercsek;
  4. keverők;
  5. szelep.

NÁL NÉL orvosi ipar a világon bányászott tantál legfeljebb 5%-át használják fel. Az orvostudományban ezt a fémet nagyon sikeresen alkalmazzák a plasztikai és csontsebészetben, mivel tantál elemeket készítenek belőle csontok rögzítésére, varrásra stb. Ez annak köszönhető, hogy a tantál nem károsítja a szervezet létfontosságú tevékenységét, miközben nem irritálja az élő szöveteket.

A tantál (Ta) egy elem, amelynek rendszáma 73 és atomtömege 180,948. Ez az ötödik csoport másodlagos alcsoportjának eleme, Dmitrij Ivanovics Mengyelejev periodikus rendszerének hatodik periódusa. A szabad állapotú tantál normál körülmények között platinaszürke fém, enyhén ólom árnyalattal, ami az oxidfilm (Ta 2 O 5) képződésének a következménye. A tantál nehéz, tűzálló, meglehetősen kemény, de nem rideg fém, ugyanakkor nagyon képlékeny, jól megmunkálható, főleg tiszta formájában.

A természetben a tantál két izotóp formájában található: stabil 181 Ta (99,99%) és radioaktív 180 Ta (0,012%), felezési ideje 10 12 év. A mesterségesen nyert radioaktív 182 Ta-t (felezési idő 115,1 nap) izotóp nyomjelzőként használnak.

Az elemet 1802-ben fedezte fel A. G. Ekeberg svéd kémikus két Finnországban és Svédországban talált ásványban. Nevét az ókori görög mítoszok hőséről, Tantalusról kapta, az azonosítás nehézsége miatt. A kolumbiumot (nióbiumot) tartalmazó kolumbitot és a tantált tartalmazó tantalitot sokáig egynek tekintették. Hiszen ez a két elem gyakori kísérője egymásnak, és sok tekintetben hasonló. Ezt a véleményt sokáig minden ország vegyészei igaznak tartották, csak 1844-ben a német kémikus, Heinrich Rose ismét tanulmányozta a különböző helyekről származó kolumbitokat és tantalitokat, és talált bennük egy új, a tantálhoz hasonló tulajdonságú fémet. Nióbium volt. A műanyag tiszta fém tantál először W. von Bolton német tudóstól származott 1903-ban.

A tantál ásványok fő lelőhelyei Finnországban, Skandináviában, Észak-Amerikában, Brazíliában, Ausztráliában, Franciaországban, Kínában és számos más országban találhatók.

Annak a ténynek köszönhetően, hogy a tantálnak számos értékes tulajdonsága van - jó alakíthatóság, nagy szilárdság, hegeszthetőség, mérsékelt hőmérsékleti korrózióállóság, tűzállóság és számos egyéb tulajdonság fontos tulajdonságok- a hetvenharmadik elem alkalmazása igen széles. A tantál legfontosabb felhasználási területei az elektronika és a gépészet. A világ tantáltermelésének körülbelül egynegyede az elektromos és vákuumiparba kerül. Az elektronikában elektrolit kondenzátorok, nagy teljesítményű lámpák anódjai és rácsok készítésére használják. A vegyiparban a tantálból savak előállításához használt gépalkatrészeket készítenek, mert ez az elem kivételes vegyi ellenálló képességgel rendelkezik. A tantál még olyan kémiailag agresszív környezetben sem oldódik, mint az aqua regia! A tantál tégelyekben a fémek, például a ritkaföldfémek megolvadnak. Magas hőmérsékletű kemencék fűtőtestei készülnek belőle. Tekintettel arra, hogy a tantál nem lép kölcsönhatásba az emberi test élő szöveteivel, és nem károsítja azokat, a sebészetben használják csontok összetartására törések esetén. Az ilyen értékes fémek fő fogyasztója azonban a kohászat (több mint 45%). NÁL NÉL utóbbi évek A tantálot egyre gyakrabban használják ötvözőelemként speciális acélokban - nagy teherbírású, korrózióálló, hőálló. Emellett számos szerkezeti anyag gyorsan elveszíti hővezető képességét: felületükön rosszul hővezető oxid- vagy sófilm képződik. A tantálból és ötvözeteiből készült szerkezetek nem szembesülnek ilyen problémákkal. A rajtuk képződött oxidfilm vékony és jól vezeti a hőt, ráadásul korrózióvédő tulajdonságokkal rendelkezik.

Nemcsak a tiszta tantál értékes, hanem vegyületei is. Tehát a tantál-karbid nagy keménységét a nagy sebességű fémvágáshoz szükséges keményfém szerszámok gyártásához használják. A tantál-volfrám ötvözetek hőállóságot adnak a belőlük készült alkatrészeknek.

Biológiai tulajdonságok

Magas biológiai kompatibilitása miatt - az élő szövetekkel való boldogulás képessége miatt, anélkül, hogy irritációt és kilökődést okozna a szervezetben - a tantál széles körben alkalmazható az orvostudományban, elsősorban a rekonstrukciós sebészetben - az emberi test helyreállítására. A koponya sérülésére vékony tantállemezeket használnak - ezek lezárják a koponyatöréseket. Az orvostudomány ismeri azt az esetet, amikor tantállemezből műfül készült, miközben a combról átültetett bőr olyan jól és gyorsan gyökeret vert, hogy a műszervet hamarosan már nem lehetett megkülönböztetni a valóditól. A tantál szálakat a sérült izomszövet helyreállítására használják. A sebészek a műtétek után tantállemezekkel rögzítik a hasüreg falát. Tantál kapcsok segítségével még az erek is összekapcsolhatók. Ennek az egyedülálló anyagnak a hálózatait szemprotézisek gyártásához használják. Az inakat ebből a fémből készült szálakkal helyettesítik, és még az idegrostokat is összevarrják.

A Ta 2 O 5 tantál-pentoxidot nem kevésbé széles körben használják - kis mennyiségű vas-trioxiddal alkotott keverékét a véralvadás felgyorsítására javasolják.

Az elmúlt évtizedben az orvostudomány egy új ága fejlődött ki, amely a kis hatótávolságú statikus elektromos mezők felhasználásán alapul az emberi szervezetben zajló pozitív biológiai folyamatok serkentésére. Ráadásul az elektromos mezők nem a hagyományos, hálózati vagy akkumulátoros elektromos energiaforrások miatt jönnek létre, hanem az önállóan működő elektret bevonatoknak (olyan dielektrikum, amely hosszú ideig megőrzi a kompenzálatlan energiát). elektromos töltés) különféle célú implantátumokra alkalmazzák, széles körben használják az orvostudományban.

Jelenleg a tantál-pentoxid elektret filmek alkalmazásának pozitív eredményei az orvostudomány alábbi területein érhetők el: arc- állcsont-sebészet (a Ta 2 O 5-tel bevont implantátumok alkalmazása kiküszöböli a gyulladásos folyamatok előfordulását, csökkenti a beágyazódás idejét az implantátum); ortopédiai fogászat (az akril műanyagból készült protézisek tantál-pentoxid fóliával való bevonása kiküszöböli az akrilát intolerancia által okozott összes lehetséges kóros megnyilvánulást); sebészeti beavatkozás (elektret applikátor használata a bőr és a kötőszövet hibáinak kezelésében hosszan tartó, nem gyógyuló sebfolyamatokkal, felfekvésekkel, neurotróf fekélyekkel, termikus elváltozásokkal); traumatológia és ortopédia (a csontszövet fejlődésének felgyorsítása az emberi mozgásszervi rendszer törésének és betegségeinek kezelésében az elektret bevonófilm által létrehozott statikus mező hatására).

Mindezek az egyedülálló tudományos fejlesztések ennek köszönhetően váltak lehetővé tudományos munka a Szentpétervári Állami Elektrotechnikai Egyetem (LETI) szakemberei.

A fenti területeken kívül, ahol már alkalmaznak vagy vezetnek be egyedi tantál-pentoxid bevonatokat, vannak olyan fejlesztések, amelyek a kezdeti szakaszban vannak. Ezek közé tartoznak az orvostudomány alábbi területeire vonatkozó fejlesztések: kozmetológia (tantál-pentoxid bevonatokon alapuló anyag gyártása, amely felváltja az "aranyszálakat"); szívsebészet (elektret filmek alkalmazása belső felület mesterséges erek, megakadályozza a vérrögképződést); artroplasztika (a csontszövettel állandó kölcsönhatásban lévő protézisek kilökődésének kockázatának csökkentése). Emellett tantál-pentoxid filmmel bevont sebészeti műszert hoznak létre.

Ismeretes, hogy a tantál nagyon ellenáll az agresszív közegeknek, ezt számos tény tanúsítja. Tehát 200 ° C-os hőmérsékleten ezt a fémet nem befolyásolja a hetven százalékos salétromsav! A kénsavban 150 ° C-on a tantál korróziója szintén nem figyelhető meg, és 200 ° C-on a fém korrodálódik, de csak 0,006 mm-rel évente!

Ismeretes olyan eset, amikor egy gáznemű hidrogén-kloridot használó vállalkozásban pár hónap után meghibásodtak a rozsdamentes acél alkatrészek. Azonban amint az acélt tantálra cserélték, a legvékonyabb részek (0,3 ... 0,5 mm vastag) is gyakorlatilag határozatlannak bizonyultak - élettartamuk 20 évre nőtt!

A tantál a nikkellel és a krómmal együtt széles körben használatos korróziógátló bevonatként. Különféle formájú és méretű alkatrészeket fednek le: tégelyeket, csöveket, lemezeket, rakétafúvókákat és még sok mást. Ezenkívül az anyag, amelyre a tantál bevonatot felhordják, nagyon változatos lehet: vas, réz, grafit, kvarc, üveg és mások. A legérdekesebb az, hogy a tantál bevonat keménysége három-négyszer nagyobb, mint a műszaki tantál izzított formában!

Tekintettel arra, hogy a tantál nagyon értékes fém, nyersanyagának keresése ma is folytatódik. Ásványkutatók felfedezték, hogy a közönséges gránit más értékes elemek mellett tantált is tartalmaz. Brazíliában kísérletet tettek tantál kinyerésére gránitkőzetekből, a fémet megszerezték, de az ilyen termelés nem érte el az ipari méreteket - az eljárás rendkívül költségesnek és bonyolultnak bizonyult.

A modern elektrolit tantál kondenzátorok stabilan működnek, megbízhatóak és tartósak. Az ebből az anyagból készült miniatűr kondenzátorokat különféle területeken használják elektronikus rendszerek, a fenti előnyökön kívül egy egyedülálló tulajdonságuk van: saját maguk is elvégezhetik a javításokat! Hogyan történik ez? Tegyük fel, hogy a szigetelés sértetlensége feszültségesés miatt vagy más okból megsérül - azonnal újra szigetelő oxidfilm képződik a meghibásodás helyén, és a kondenzátor tovább működik, mintha mi sem történt volna!

Kétségtelen, hogy a 20. század közepén megjelent „smart metal” kifejezés, vagyis az okosgépek működését segítő fém joggal tulajdonítható a tantálnak.

Egyes területeken a tantál helyettesíti a platinát, sőt néha versenyez is vele! Így az ékszermunkában a tantál gyakran helyettesíti a drágább nemesfémet a karkötők, óratokok és egyéb ékszerek gyártásában. Egy másik területen a tantál sikeresen versenyez a platinával - az ebből a fémből készült szabványos analitikai súlyok minősége nem rosszabb, mint a platina.

Ezenkívül a tantál a drágább irídium helyettesítőjeként használatos az automata tollak hegyének gyártásában.

Egyedülálló kémiai tulajdonságainak köszönhetően a tantál katódanyagként is alkalmazásra talált. Tehát a tantál katódokat arany és ezüst elektrolitikus szétválasztására használják. Értékük abban rejlik, hogy a nemesfémek csapadéka aqua regiával lemosható róluk, ami nem károsítja a tantált.

Határozottan beszélhetünk arról, hogy van valami szimbolikus, ha nem is misztikus abban, hogy Ekeberg svéd kémikus, aki egy új anyagot savakkal próbált telíteni, megdöbbent a "szomjúságától", és tiszteletére elnevezte az új elemet. a mitikus gonosztevőről, aki megölte saját fiát, és elárulta az isteneket. És kétszáz évvel később kiderült, hogy ez az elem képes szó szerint „megvarrni” az embert, sőt „kicserélni” az inakat és az idegeket! Kiderül, hogy az alvilágban sínylődő, bűnösségét egy személy segítségével engesztelő vértanú az istenektől próbál bocsánatot kérni ...

Sztori

Tantalus az ókori görög mítoszok hőse, a lídiai vagy fríg király, Zeusz fia. Felfedte az olimpiai istenek titkait, ambróziát lopott lakomájukról, és az olimpikonokat saját fia, Pelops testéből készített étellel látta vendégül, akit szintén megölt. Atrocitásai miatt Tantalust az istenek az éhség, a szomjúság és a félelem örök gyötrelmére ítélték Hádész alvilágában. Azóta nyakig áll az átlátszó kristálytiszta vízben, feje felé hajlanak az ágak az érett gyümölcsök súlya alatt. Csak ő nem tudja csillapítani sem a szomjúságot, sem az éhséget – a víz lemegy, amint megpróbál berúgni, és az ágakat felemeli a szél, egy éhes gyilkos keze által. Tantalus feje fölött szikla lóg, amely bármelyik pillanatban összeomolhat, és a szerencsétlen bűnös örökké szenvedni kényszeríti a félelemtől. Ennek a mítosznak köszönhetően jelent meg a "tantál gyötrelem" kifejezés, amely az elviselhetetlen szenvedést, a kínoktól való megszabadulásra irányuló testetlen kísérleteket jelöli. Nyilvánvalóan ez a kifejezés jutott eszébe Ekeberg svéd kémikus sikertelen kísérletei során, hogy az általa 1802-ben felfedezett „földet” savakban feloldja és új elemet izoláljon belőle. A tudósnak nemegyszer úgy tűnt, hogy közel jár a célhoz, de nem sikerült egy új fémet tiszta formájában izolálnia. Így jelent meg az új elem „mártír” neve.

A tantál felfedezése szorosan összefügg egy másik elem - a nióbium - felfedezésével, amely egy évvel korábban jelent meg, és eredetileg Columbiának hívták, és amelyet a felfedező Gatchet adott neki. Ez az elem a tantál ikerpárja, amely számos tulajdonságában közel áll hozzá. Ez a közelség vezette félre a vegyészeket, akik hosszas vita után arra a téves következtetésre jutottak, hogy a tantál és a kolumbium egy és ugyanaz az elem. Ez a téveszme több mint negyven évig tartott, mígnem 1844-ben a híres német kémikus, Heinrich Rose a különböző lelőhelyekről származó kolumbitok és tantalitok újratanulmányozása során bebizonyította, hogy a kolumbium önálló elem. A Gatchet által vizsgált Columbia magas tantáltartalmú nióbium volt, ami félrevezette a tudományos világot. A két elem ilyen családi közelsége tiszteletére Rosa új nevet adott Kolumbiának, Niobium néven - a fríg király lánya, Tantalus Niobia tiszteletére. És bár Rose is elkövette azt a hibát, hogy állítólag egy másik új elemet is felfedezett, amelyet Pelopiusnak nevezett el (Tantalus fia, Pelops tiszteletére), munkája a nióbium (Columbium) és a tantál közötti szigorú megkülönböztetés alapja lett. Csak Rose bizonyítékai után a tantál és a nióbium sokáig összekeveredett. Tehát a tantált kolumbiumnak, Oroszországban kolumbiumnak nevezték. Hess A tiszta kémia alapjai című művében, egészen hatodik kiadásáig (1845), csak a tantálról beszél, a Columbia említése nélkül; Dvigubsky (1824) neve tantálium. Az ilyen hibák és fenntartások érthetőek – a tantál és a nióbium szétválasztására szolgáló módszert csak 1866-ban dolgozta ki Marignac svájci kémikus, és mint ilyen, a tiszta elemi tantál még nem létezett: végül is a tudósok ezt a fémet tiszta formában tudták előállítani. kompakt forma csak a 20. században. Az első, aki fémes tantálhoz jutott, von Bolton német vegyész volt, és ez csak 1903-ban történt. Korábban természetesen kísérletek történtek tiszta fémes tantál előállítására, de a vegyészek minden erőfeszítése sikertelen volt. Például a francia vegyész, Moissan fémport kapott, szerinte - tiszta tantál. Ez a por azonban, amelyet a Ta 2 O 5 tantál-pentoxid szénnel elektromos kemencében történő redukálásával kaptak, nem volt tiszta tantál, a por 0,5% szenet tartalmazott.

Ennek eredményeként a hetvenharmadik elem fizikai-kémiai tulajdonságainak részletes vizsgálata csak a huszadik század elején vált lehetővé. A tantál még néhány évig nem talált gyakorlati hasznot. Csak 1922-ben lehetett váltakozó áramú egyenirányítókban használni.

A természetben lenni

A földkéreg hetvenharmadik elemének (clarke) átlagos tartalma 2,5∙10-4 tömeg%. A tantál a savas kőzetek - gránit és üledékes héjak - jellegzetes eleme, amelyekben átlagos tartalma eléri a 3,5 ∙ 10 -4%-ot, mint az ultrabázikus és bázikus kőzeteknél - a köpeny felső részei és a földkéreg mély részei, koncentrációja a tantál mennyisége sokkal alacsonyabb: 1 ,8∙10 -6%. A magmás eredetű kőzetekben a tantál eloszlik, valamint a bioszférában, mivel sok kémiai elemmel izomorf.

A földkéreg alacsony tantáltartalma ellenére ásványai igen elterjedtek - több mint száz van belőlük, mind a tantál ásványok, mind a tantáltartalmú ércek, mindegyik magmás tevékenység kapcsán keletkezett (tantalit, kolumbit). , loparit, piroklór és mások). A tantálhoz minden ásványban nióbium társul, ami az elemek rendkívüli kémiai hasonlóságával és ionjaik közel azonos méretével magyarázható.

Valójában a tantálércek aránya Ta 2 O 5: Nb 2 O 5 ≥1. A tantálércek fő ásványai a kolumbit-tantalit (Ta 2 O 5 tartalom 30-45%), a tantalit és manganotantalit (Ta 2 O 5 45-80%), a wojinit (Ta, Mn, Sn) 3 O 6 (Ta 2 O 5 60-85%), mikrolit Ca 2 (Ta, Nb) 2 O 6 (F, OH) (Ta 2 O 5 50-80%) és mások. A tantalit (Fe, Mn)(Ta, Nb) 2 O 6-nak többféle változata van: ferrotantalit (FeO>MnO), manganotantalit (MnO>FeO). A tantalit sokféle árnyalatban kapható a feketétől a vörös-barnáig. A tantál-nióbium ércek fő ásványai, amelyekből a nióbiummal együtt jóval drágább tantált nyernek ki, a kolumbit (Ta 2 O 5 5-30%), a tantál tartalmú piroklór (Ta 2 O 5 1-4%). , loparit (Ta 2 O 5 0,4-0,8%), hatchettolit (Ca, Tr, U) 2 (Nb, Ta) 2 O 6 (F, OH)∙nH 2 O (Ta 2 O 5 8-28%), ixiolit (Nb, Ta, Sn, W, Sc) 3 O 6 és néhány más. Az U, Th, TR tartalmú tantaloniobátok metamiktikusak, erősen radioaktívak és változó mennyiségű vizet tartalmaznak; gyakoriak a polimorf módosulatok. A tantaloniobátok kis diszszeminációkat alkotnak, a nagy szegregációk ritkák (a kristályok főleg a loparitra, piroklórra és kolumbit-tantalitra jellemzőek). Színe fekete, sötétbarna, barnássárga. Általában áttetsző vagy enyhén áttetsző.

A tantálérc lelőhelyeknek számos fő ipari és genetikai típusa létezik. A nátrolítium típusú ritka fém pegmatitokat zónás vénás testek képviselik, amelyek albitból, mikroklinből, kvarcból és kisebb mértékben spodumenből vagy petalitból állnak. A ritkafém tantáltartalmú gránitokat (apogránitokat) a mikroklin-kvarc-albit gránitok kis készletei és kupolái képviselik, gyakran topázban és lítiumcsillámban dúsítva, és finom kolumbit-tantalitot és mikrolitot tartalmaznak. A pegmatitok pusztulása kapcsán keletkező mállási kéregek, deluviális-hordalékos és hordaléklerakók kasziritot és a kolumbit-tantalit csoport ásványait tartalmazzák. Lujavrit és foyalit összetételű loparittartalmú nefelin szienitek.

Ezen túlmenően a karbonatitok és a kapcsolódó forszterit-apatit-magnetit kőzetek által képviselt komplex tantál-nióbium ércek lelőhelyei részt vesznek az ipari felhasználásban; mikroklin-albit riebeckit lúgos gránit és granosyenit és mások. A greisen lerakódások wolframitjaiból kivonnak bizonyos mennyiségű tantált.

A legnagyobb titánérc lelőhelyek Kanadában (Manitoba, Bernick-tó), Ausztráliában (Greenbushes, Pilbara), Malajziában és Thaiföldön (tantáltartalmú ónlerakók), Brazíliában (Paraiba, Rio Grande do Norte) és számos afrikai államban találhatók. (Zaire, Nigéria, Dél-Rhodesia).

Alkalmazás

A tantál megtalálta a magáét műszaki alkalmazás elég későn - a 20. század elején elektromos lámpák izzószálainak anyagaként használták, ami ennek a fémnek a tűzállóságnak köszönhető. Azonban hamarosan elvesztette jelentőségét ezen a területen, kiszorította az olcsóbb és tűzállóbb volfrámot. A tantál ismét „technikailag alkalmatlanná” vált egészen a 20. század 20-as éveiig, amikor is váltakozó áramú egyenirányítókban kezdték használni (az oxidfilmmel bevont tantál csak egy irányba vezeti át az áramot), majd egy évvel később rádiócsövekben. . Ezt követően a fém elismertségre tett szert, és hamarosan az ipar újabb és újabb területeit kezdte meghódítani.

Napjainkban a tantál egyedülálló tulajdonságai miatt az elektronikában (nagy fajlagos kapacitású kondenzátorok gyártása) kerül felhasználásra. A világ tantáltermelésének körülbelül egynegyede az elektromos és vákuumiparba kerül. Maga a tantál és oxidfilmje nagy kémiai tehetetlensége miatt az elektrolitikus tantál kondenzátorok nagyon stabilak a működésben, megbízhatóak és tartósak: élettartamuk meghaladja a tizenkét évet. A rádiótechnikában a tantált radarberendezésekben használják. A mini tantál kondenzátorokat rádióadókban, radarberendezésekben és más elektronikus rendszerekben használják.

A tantál fő fogyasztója a kohászat, amely az előállított fém több mint 45%-át használja fel. A tantálot aktívan használják ötvözőelemként speciális acélokban - nagy teherbírású, korrózióálló, hőálló. Ennek az elemnek a közönséges krómacélokhoz való hozzáadása növeli azok szilárdságát és csökkenti az edzés és izzítás utáni ridegséget. A hőálló ötvözetek előállítása nagy szükségszerűség a rakéta- és űrtechnológiában. Azokban az esetekben, amikor a rakétafúvókákat folyékony fém hűti, amely korróziót okozhat (lítium vagy nátrium), egyszerűen lehetetlen tantál és volfrám ötvözete nélkül. Ezenkívül hőálló acélokat használnak magas hőmérsékletű vákuumkemencék fűtőberendezéseinek, fűtőtestek és keverők gyártásához. A tantál-karbidot (olvadáspont 3880 °C) keményötvözetek (volfrám- és tantál-karbid keverékek - TT indexű minőségek, a legnehezebb fémmegmunkálási körülményekhez és a legerősebb anyagok (kő, kompozitok) ütős forgófúrásához) gyártásához használják. .

A tantállal ötvözött acélokat széles körben használják például a vegyiparban. Hiszen az ilyen ötvözetek kivételes vegyszerállósággal rendelkeznek, képlékenyek, hőállóak és hőállóak, ezeknek a tulajdonságoknak köszönhetően vált a tantál a vegyipar nélkülözhetetlen szerkezeti anyagává. A tantál berendezést számos sav előállítására használják: sósav, kénsav, salétromsav, foszforsav, ecetsav, valamint bróm, klór és hidrogén-peroxid. Tekercsek, lepárlók, szelepek, keverők, levegőztetők és sok más vegyi berendezés alkatrésze készül belőle. Néha - az egész készüléket. A tantál katódokat arany és ezüst elektrolitikus szétválasztására használják. Ezeknek a katódoknak az az előnye, hogy az arany és ezüst lerakódása aqua regiával lemosható róluk, ami nem károsítja a tantált.

Ezenkívül a tantált műszerekben (röntgenberendezések, vezérlőműszerek, membránok) használják; az orvostudományban (a rekonstrukciós sebészet anyaga); atomenergiában - nukleáris energiarendszerek hőcserélőjeként (a tantál a legstabilabb az összes fém közül a túlhevített olvadékokban és a cézium-133 gőzben). A tantál nagy gázelnyelő képességét a mélyvákuum fenntartására használják (elektrovakuumos készülékek).

Az utóbbi években a tantált ékszeranyagként használták, mivel képes bármilyen színű tartós oxidfilmet képezni a felületen.

A tantálvegyületeket is széles körben használják. A tantál-pentoxidot a nukleáris technológiában használják gamma-sugárzást elnyelő üveg olvasztására. A kálium-fluor-tantalátot katalizátorként használják a szintetikus gumi gyártásában. A tantál-pentoxid ugyanilyen szerepet játszik a butadién etil-alkoholból történő előállításában is.

Termelés

Ismeretes, hogy a tantáltartalmú ércek ritkák és szegények ebben az elemben. A tantál és ötvözetei előállításának fő nyersanyagai a tantalit és loparit koncentrátumok, amelyek mindössze 8% Ta 2 O 5 -ot és több mint 60% Nb 2 O 5 -ot tartalmaznak. Ezenkívül még azokat az érceket is feldolgozzák, amelyek csak századszázalékos (Ta, Nb) 2 O 5 -ot tartalmaznak!

A tantál előállításának technológiája meglehetősen összetett, és három szakaszban történik: nyitás vagy lebontás; a tantál elválasztása a nióbiumtól és tiszta kémiai vegyületeik előállítása; a tantál visszanyerése és finomítása.

A tantál koncentrátum felnyitása, más szóval a tantál ércekből történő kinyerése lúgok (fúzió) vagy hidrogén-fluorid (bomlás) vagy hidrogén-fluorid és kénsav keveréke segítségével történik. Ezután továbblépnek a gyártás második szakaszába - az extrakciós extrakcióba, valamint a tantál és a nióbium elválasztásába. Ez utóbbi feladat e fémek kémiai tulajdonságainak hasonlósága és ionjaik közel azonos mérete miatt igen nehézkes. Egészen a közelmúltig a fémeket csak a Marignac svájci vegyész által már 1866-ban javasolt módszerrel választották szét, aki kihasználta a kálium-fluoro-tantalát és a kálium-fluoroniobát híg hidrogén-fluoridban való eltérő oldhatóságát. A modern iparban többféle módszert alkalmaznak a tantál és a nióbium szétválasztására: szerves oldószeres extrakció, nióbium-pentaklorid szelektív redukciója, komplex fluorid sók frakcionált kristályosítása, ioncserélő gyantákkal történő elválasztás, kloridok rektifikálása. Jelenleg a leggyakrabban alkalmazott (egyben a legtökéletesebb) elválasztási módszer a tantál- és nióbium-fluorid-vegyületek hidrogén-fluorid- és kénsavakat tartalmazó oldataiból történő extrakciója. Ugyanakkor a tantál és a nióbium más elemek szennyeződéseitől is megtisztul: szilícium, titán, vas, mangán és más kapcsolódó elemek. Ami a loparit érceket illeti, ezek koncentrátumait klóros módszerrel dolgozzák fel, tantál és nióbium-klorid kondenzátum előállításával, amelyeket rektifikációs módszerrel választanak el. A kloridok keverékének szétválasztása a következő lépésekből áll: előzetes rektifikálás (a tantál és nióbium-kloridok elválasztása a kísérő szennyeződésektől), fő rektifikálás (tiszta NbCl 5 és TaCl 5 koncentrátum előállításához) és a tantál frakció végső rektifikálása (tiszta TaCl előállítása) 5). A rokon fémek elválasztását követően a tantál fázist kicsapják és tisztítják, így nagy tisztaságú kálium-fluor-tantalátot kapnak (KCl felhasználásával).

A tantál fémet nagy tisztaságú vegyületeinek redukálásával nyerik, amelyre többféle módszer is alkalmazható. Ez vagy a tantál redukciója pentoxidból kormmal 1800–2000 °C hőmérsékleten (karbotermikus módszer), vagy a kálium-fluoro-tantalát redukálása nátriummal melegítés közben (nátrium-termikus módszer), vagy elektrokémiai redukció kálium-fluoro-tantalátot tartalmazó olvadékból. és tantál-oxid (elektrolitikus módszer). Így vagy úgy, a fémet por formájában nyerik, 98-99% tisztaságú. Annak érdekében, hogy a fémet rúdokban nyerjék, porból elősajtolt nyersdarabok formájában szinterelik. A szinterezés 2500–2700 °C-os áram átvezetésével vagy 2200–2500 °C-os vákuumban történő hevítéssel történik. Ezt követően a fém tisztasága jelentősen megnő, és 99,9-99,95% lesz.

A tantál bugák további finomítására és előállítására ívkemencékben fogyóelektródával elektromos vákuumolvasztást, mélyebb finomításhoz pedig elektronsugaras olvasztást alkalmaznak, ami jelentősen csökkenti a tantál szennyezőanyag-tartalmát, növeli plaszticitását és csökkenti az átmeneti hőmérsékletet. rideg állapotba. Az ilyen tisztaságú tantál az abszolút nullához közeli hőmérsékleten is megőrzi a nagy rugalmasságát! A tantál tuskó felületét megolvasztják (hogy a tuskó felületén a szükséges mutatókat adják) vagy esztergagépen megmunkálják.

Fizikai tulajdonságok

A tudósok csak a 20. század elején bukkantak rá a tiszta fémes tantálra, és tudták részletesen tanulmányozni ennek a világosszürke, enyhén kékes ólomárnyalatú fémnek a tulajdonságait. Milyen tulajdonságai vannak ennek az elemnek? A tantál minden bizonnyal nehézfém: sűrűsége 16,6 g / cm 3 20 ° C-on (összehasonlításképpen a vas sűrűsége 7,87 g / cm 3, az ólom sűrűsége 11,34 g / cm 3) és szállítására alkalmas. köbméter ehhez az elemhez hat darab háromtonnás teherautó kellene. A nagy szilárdság és keménység kiváló műanyag tulajdonságokkal párosul. A tiszta tantál jól megmunkálható, könnyen sajtolható, a legvékonyabb lapokká (kb. 0,04 mm vastag) és huzallá (a tantál rugalmassági modulusa 190 Gn/m 2 vagy 190 10 2 kgf/mm 2 25 °C-on) dolgozható fel. Hidegben a fém jelentősebb munkaedzés nélkül feldolgozható, közbenső kiégetés nélkül 99%-os kompressziós aránnyal deformálódik. A tantál képlékeny állapotból rideg állapotba való átmenete még -196 °C-ra hűtve sem figyelhető meg. A nagy tisztaságú lágyított tantál szakítószilárdsága 206 MN/m2 (20,6 kgf/mm2) 27°C-on és 190 MN/m2 (19 kgf/mm2) 490°C-on; nyúlás 36% (27 °C-on) és 20% (490 °C-on). A tantálnak van egy köbös testközpontú rácsa (a = 3,296 A); atomsugár 1,46 A, ionos sugarak Ta 2+ 0,88 A, Ta 5+ 0,66 A.

Mint korábban említettük, a tantál nagyon kemény fém (a tantál lemez Brinell-keménysége lágyított állapotban 450-1250 MPa, deformált állapotban 1250-3500 MPa). Ezen túlmenően lehetőség van a fém keménységének növelésére számos szennyeződés, például szén vagy nitrogén hozzáadásával (a tantál lemez Brinell-keménysége a hevítés közbeni gázok abszorpciója után 6000 MPa-ra nő). Ennek eredményeként az intersticiális szennyeződések hozzájárulnak a Brinell-keménység, a szakítószilárdság és a folyáshatár növekedéséhez, de csökkentik a hajlékonysági jellemzőket és növelik a hideg ridegséget, más szóval törékennyé teszik a fémet. A hetvenharmadik elem további jellemző tulajdonságai a magas hővezető képesség, 20-100 °C-on ez az érték 54,47 W / (m∙K) vagy 0,13 cal / (cm s ° C) és a tűzállóság (talán a legfontosabb a tantál fizikai tulajdonsága) - csaknem 3000 °C-on (pontosabban 2996 °C-on) megolvad, csak a volfrámnak és a réniumnak engedve. A tantál forráspontja is rendkívül magas: 5300 °C.

Ami a tantál egyéb fizikai tulajdonságait illeti, fajlagos hőkapacitása 0 és 100 °C közötti hőmérsékleten 0,142 kJ / (kg K) vagy 0,034 cal / (g ° C); a tantál lineáris tágulási hőmérsékleti együtthatója 8,0 10 -6 (20-1500 °C hőmérsékleten). A hetvenharmadik elem fajlagos elektromos ellenállása 0 ° C-on 13,2 10 -8 ohm m, 2000 ° C-on 87 10 -8 ohm m. 4,38 K-en a fém szupravezetővé válik. A tantál paramágneses, fajlagos mágneses szuszceptibilitása 0,849 10 -6 (18 °C-on).

Tehát a tantálnak egyedülálló fizikai tulajdonságai vannak: magas hőátbocsátási tényező, nagy gázelnyelő képesség, hőállóság, tűzállóság, keménység, plaszticitás. Ezenkívül nagy szilárdság jellemzi - minden létező módszerrel jól alkalmazható nyomáskezelésre: kovácsolás, bélyegzés, hengerlés, húzás, csavarás. A tantálra a jó hegeszthetőség jellemző (hegesztés és forrasztás argonban, héliumban vagy vákuumban). Ezen kívül a tantál kivételes vegyszer- és korrózióállósággal (anódréteg kialakításával), alacsony gőznyomással és alacsony elektronmunka funkcióval rendelkezik, emellett jól kijön a test élő szöveteivel.

Kémiai tulajdonságok

A tantál egyik legértékesebb tulajdonsága minden bizonnyal kivételes vegyszerállósága: e tekintetben a nemesfémek mögött a második helyen áll, és még akkor sem mindig. Ellenáll minden koncentrációjú sósavnak, kénsavnak, salétromsavnak, foszforsavnak és szerves savnak (150 °C hőmérsékletig). Kémiai stabilitását tekintve a tantál az üveghez hasonló - savakban és ezek keverékeiben nem oldódik, még a víz sem oldja fel, amivel szemben az arany, a platina és számos más értékes fém tehetetlen. A hetvenharmadik elem csak hidrogén-fluorid és salétromsav keverékében oldódik. Ezenkívül a hidrogén-fluoriddal való reakció csak fémporral történik, és robbanás kíséri. A tantál még forró sósavban és kénsavban is stabilabb, mint ikertestvére, a nióbium. A tantál azonban kevésbé ellenáll a lúgoknak - a maró lúgok forró oldatai korrodálják a fémet. A tantálsav sói (tantalátok) kifejeződnek általános képlet: xMe 2 O yTa 2 O 5 H 2 O, ezek közé tartoznak a MeTaO 3 metatantalátok, a Me 3 TaO 4 ortotantalátok, a Me 5 TaO 5 típusú sók, ahol Me egy alkálifém; hidrogén-peroxid jelenlétében pertantalátok is képződnek. A legfontosabbak az alkálifém-tantalátok - KTaO 3 és NaTaO 3; ezek a sók ferroelektromos anyagok.

A tantál magas korrózióállóságát a légköri oxigénnel való kölcsönhatása is jelzi, vagy inkább az ezzel szembeni nagy ellenállás. A fém csak 280 ° C-on kezd oxidálódni, és Ta 2 O 5 védőfóliával van bevonva (a tantál-pentoxid az egyetlen stabil fém-oxid), amely megvédi a fémet a kémiai reagensek hatásától és megakadályozza az elektromos áram áramlását. a fémtől az elektrolitig. Azonban ahogy a hőmérséklet 500 °C-ra emelkedik, az oxidfilm fokozatosan porózussá válik, rétegeződik és elválik a fémtől, megfosztva a felületet a korrózióval szembeni védőrétegtől. Ezért célszerű a hőnyomásos kezelést vákuumban végezni, mivel a fém levegőben jelentős mélységig oxidálódik. A nitrogén és az oxigén jelenléte növeli a tantál keménységét és szilárdságát, ezzel egyidejűleg csökkenti a képlékenységét és törékennyé teszi a fémet, és amint korábban említettük, a tantál szilárd oldatot képez, és oxigénnel oxidálja a Ta 2 O 5-öt (az O növekedésével). 2 tantál tartalom esetén a szilárdsági tulajdonságok meredek növekedése következik be, valamint a hajlékonyság és a korrózióállóság erősen csökken). A tantál nitrogénnel reagál, és három fázist képez - nitrogén szilárd oldata tantálban, tantál-nitridek: Ta 2 N és TaN - 300 és 1100 ° C közötti hőmérséklet-tartományban. A tantálban lévő nitrogéntől és oxigéntől nagy vákuum körülmények között (2000 °C feletti hőmérsékleten) meg lehet szabadulni.

A tantál 350 °C-ra melegítésig gyengén reagál a hidrogénnel, a reakciósebesség csak 450 °C-tól növekszik jelentősen (tantál-hidrid képződik és a tantál törékennyé válik). Ugyanaz a vákuumban (800 ° C feletti) melegítés, amelynél redukció történik, segít megszabadulni a hidrogéntől. mechanikai tulajdonságok tantál, és a hidrogént teljesen eltávolítjuk.

A fluor már szobahőmérsékleten hat a tantálra, a hidrogén-fluorid is reakcióba lép a fémmel. A száraz klór, bróm és jód kémiai hatást gyakorol a tantálra 150 °C-os és magasabb hőmérsékleten. A klór 250 °C-on, a bróm és a jód 300 °C-on kezd aktív kölcsönhatásba lépni a fémmel. A tantál nagyon magas hőmérsékleten kezd kölcsönhatásba lépni a szénnel: 1200-1400°C, ilyenkor tűzálló tantál-karbidok keletkeznek, amelyek nagyon ellenállnak a savaknak. A bórral a tantál boridokká egyesül – szilárd, tűzálló vegyületek, amelyek ellenállnak az aqua regiának. Sok fémmel a tantál folyamatos szilárd oldatokat képez (molibdén, nióbium, titán, volfrám, vanádium és mások). Az arannyal, alumíniummal, nikkellel, berilliummal és szilíciummal a tantál korlátozott mennyiségű szilárd oldatot képez. Nem képez tantál vegyületet magnéziummal, lítiummal, káliummal, nátriummal és néhány más elemmel. A tiszta tantál számos folyékony fémnek ellenáll (Na, K, Li, Pb, U-Mg és Pu-Mg ötvözetek).

Intelligens fém. Ez a kifejezés a 20. század közepén jelent meg az üzleti világban. Az intelligens fémeket csúcstechnológiás elektronikai és robotikai alkalmazások anyagaként használták. Az egyik ilyen csúcstechnológiás fém a tantál. Ma elválaszthatatlanul kapcsolódik olyan fogalmakhoz, mint a műholdas kommunikáció, a fedélzeti rendszerek és a távközlési berendezések.

Mi az a tantál? Történelmi tények

A tantálot először 1802-ben fedezte fel a svéd tudós, A.G. Ekeberg két ásványban található Svédországban és Finnországban. Ennek az elemnek az oxidja nagyon stabil volt, és még nagy mennyiségű sav sem tudta tönkretenni szerkezetét. A tudós azt a benyomást keltette, hogy a fém nem telíthető savval. Ekeberg emlékezett Tantalus király legendájára, aki Zeusz fia volt, és a büntetés következtében nem tudta csillapítani éhségét és szomját. Szenvedését tantállisztnek nevezték.

Így a tudós, bármennyire is próbálkozott, nem tudta elkülöníteni a tiszta fémet az oxidtól, ezért munkáját a tantálliszttel hasonlította össze. A kémiai elemet tantálnak nevezte, és az ásványt, amely ezt a fémet tartalmazta, tantalitnak nevezte. A német Bolton W. csak 1903-ban szerezte meg tiszta formában a képlékeny fém tantált. Ipari termelése csak 1922-ben kezdődött. A tantál ipari előállításának első mintája csak akkora volt, mint egy gyufafej. Az Egyesült Államokban gyártották először, és 1942-ben üzembe helyezték ezt a fémet.

A tantál fizikai tulajdonságai

Mi az a tantál? ezüstös fehér. Egy erős oxidfilm rajta ad hasonlóságot megjelenésólommal. A fém nagy szilárdsággal és keménységgel, ugyanakkor rugalmassággal rendelkezik. A plaszticitást tekintve az arannyal hasonlítják össze.

Tiszta formájában tökéletesen ki van téve a mechanikai feldolgozásnak. Könnyen bélyegezhető, nagyon vékony rétegre tekerve 0,04 mm-ig. Kiváló minőségű huzalt állít elő. Tantál, mi az? Ez egy tűzálló fém, amelynek olvadáspontja körülbelül 3000 fok. Ebben a tulajdonságban csak a wolfram és a rénium múlja felül. Egyik különleges tulajdonsága a magas hővezető képessége. Még a rajta képződő oxidfilm sem csökkenti ezt a tulajdonságot.

Kémiai tulajdonságok

Számos szerves és szervetlen sav – klór, kénsav, sósav, salétromsav és egyéb agresszív közeg – nem okoz korróziót a tantálban. A fém 200-300 fokra melegítve oxidálódik, és az oxidfilm alatt gázzal telített réteg keletkezik rajta. A tantál gyenge kémiai tulajdonságai még a platinát és az aranyat megolvasztó vízben sem engedik feloldódni.

A gyakorlatban bebizonyosodott, hogy a rozsdamentes acélok működés közben kevésbé ellenállóak, és a belőlük készült alkatrészek jóval rövidebb ideig szolgálnak, mint a tantálból készült termékek. Az összes létező sav közül csak a hidrogén-fluorid képes feloldani ezt a fémet.

Ötvözetek

A tantál savakkal szembeni stabil ellenállása lehetővé teszi a fémszerkezetek gyártásában használt különféle ötvözetek adalékaihoz való felhasználását. Hengerelt termékek - huzal, szalagok, lemezek, csövek - gyártásához tantál és hafnium ötvözetet használnak. a wolframot és a tantálot különféle célokra szolgáló vágóbetétek készítésére használják. Az ilyen ötvözeteket a következők jellemzik:

  • nagy szilárdságú;
  • fokozott keménység;
  • ne oxidáljon;
  • magas kopásállósággal rendelkeznek;
  • kopásállóak;
  • jelentős viszkozitásúak;
  • kiváló szilárdságot biztosítanak a szerszám vágóélének.

A 7% volfrámot tartalmazó tantál-volfrám ötvözet akár 1900 fokos hőmérsékletet is képes ellenállni. Ez komoly érdeklődést mutat a szakemberek számára. A 10% volfrámot tartalmazó tantál ötvözetből rakétahajtóművek fúvókáit készítik. Az űrtechnológiában olyan anyagokat használnak, amelyeknek jó a hőkapacitása vagy infúziós képessége, ezért a tantálötvözetek széles körben használatosak az előállításához.

A selejt szerepe

A tantálhulladék a teljes mennyiség jelentős részét, akár 30%-át teszi ki a piacra szállított mennyiségnek. A legtöbb fém hulladékkondenzátorokból származik. Ezért az ellátása közvetlenül függ az elektronikai iparban végzett munkától.

Ezt pedig a globális határozza meg gazdasági feltételek. A hulladék egyéb forrásai a kiégett karbidok. Az ötvözethulladék, melynek fő eleme a nikkel, tantált is tartalmaz. A jövőben a fogyasztói hulladék fontos forrása lesz ennek a fémnek.

Tantál használata

Magát a fémet és ötvözeteit széles körben használják az iparban. A következők készítésére szolgál:

  • száraz elektrolit kondenzátorok;
  • fűtőberendezések vákuumkemencékhez;
  • közvetett fűtési katódok;
  • korróziógátló berendezések;
  • atomreaktorok;
  • szupravezetők;
  • megnövelt áthatolóerővel rendelkező lőszerek;
  • nagy pontosságú tömegszabványok;
  • nagy tartósságú vágószerszámok.

A fém korrózióval szembeni nagy ellenállása segít meghosszabbítani az elektronikus rendszerek tantál kondenzátorainak élettartamát akár 12 évre.

Az ékszeripar ebből a fémből platina helyett óratokokat és karkötőket készít. A tantál termékeket az orvosi iparban is használják. Az emberi szervezet nem utasítja el, ezért belőle állítják elő:

  • lemezek koponya és hasüreg számára;
  • Gémkapcsok, amelyeket edények összekötésére használnak;
  • vastag szálak, amelyek helyettesítik az inakat;
  • vékony szálak az idegrostok varrásához.

GOST fém

Számos módszer létezik a tantál és oxidja GOST meghatározására, például fotometrikus és spektrális.

A spektrális módszer (GOST 18904.8) meghatározza a kalcium, volfrám, réz, kobalt, nátrium, molibdén szennyezőanyag-tartalmát a tantálban és oxidjában. Az elemzés eredménye a 2 különböző súlyú meghatározás számtani átlaga.

A fotometriás módszer (GOST 18904.1) meghatározza a volfrám és molibdén tömeghányad tartalmát tantálban és oxidban. Ebben az esetben az elemzés eredményét 3 meghatározás számtani átlagaként számítjuk ki, amelyeket egyedi mintákból végeznek.

Tantál lelőhelyek és bányászat

Mi az a tantál? Ez egy nagyon ritka fém. Tiszta formájában gyakorlatilag nem figyelhető meg. Ásványi összetételben és saját vegyületei formájában is találkozhat vele. Az ásványokban mindig a nióbiummal együtt található, amely tulajdonságaiban nagyon hasonló a tantálhoz. Tantálvegyületeket és ásványi anyagokat tartalmazó lerakódások a világ számos országában találhatók.

A legnagyobb Franciaországban található. Ennek a fémnek a készletei Kínában és Thaiföldön magasak. A FÁK-országokban a betétek jóval kisebbek. A világ éves termelése mintegy 420 tonna tantál. A fő fémfeldolgozó üzemek Németországban és az Egyesült Államokban találhatók. Az elektronika rohamos fejlődése miatt, amelyben a tantál használata nem utolsó helyen áll, hiány van ebből a ritka fémből, ami új lelőhelyek felkutatásához vezet.

Tantál árak

A tantál nagy része, és ez akár 60%, körülbelül 20%-ban fogyasztja el. Ennek a ritka fémnek az ára gyorsan változhat. A kereslet helyreáll, majd ismét csökken. Elemzők azt jósolják, hogy a következő években a kereslet-kínálat ingadozni fog, ez elsősorban a gazdasági tényezőktől függ.

A tantál becsült ára 1 kg-onként rubelben orosz piac ez:

  • lap - 65 660;
  • rúdban - 73 030;
  • vezeték - 73 700.

kilátások

Egyre többen kezdik használni ezt az intelligens fémet az orvosi iparban a rekonstrukciós sebészet szükségleteihez. Implantátumok készítésére használják. A tantálfonal az izomszövetet kompenzálja, a drótot a csontok rögzítésére, a szálakat pedig a varrásra. A világ légitársaságainak a repülőgépipar igényeire történő jelentős átszerelése kapcsán ez tovább fog növekedni. A repülőgépiparban ötvözeteket használnak repülőgép-hajtóművekhez. Ezenkívül a tantálot továbbra is aktívan használják számítógépes berendezések gyártásához: processzorok, nyomtatók.

Ennek a fémnek a kereslete a vegyiparban sem csökken. Széles körben használják klór, hidrogén-peroxid és sok sav előállítására. A vegyészmérnökök széles körben használják agresszív közegekkel érintkező berendezések gyártásában. A tantálötvözetek legkomolyabb fogyasztója továbbra is megmarad kohászati ​​ipar. Az atomenergia-iparban is növekszik iránta az igény, ahol a hővezető képességet elsősorban a tantál plaszticitásával és keménységével kombinálják.

A tantál olvadáspontja magas -- 3290 K (3017 °C); forráspontja 5731 K (5458 °C).

A tantál sűrűsége 16,65 g/cm. Keménysége ellenére műanyag, akár az arany. A tiszta tantál jól megmunkálható, könnyen sajtolható, huzallá és legvékonyabb lapokká tekerhető, századmilliméter vastagságban. A tantál kiváló getter (gáz getter), 800 °C-on 740 térfogatnyi gázt képes elnyelni. A tantálnak testközpontú köbös rácsa van. Paramágneses tulajdonságokkal rendelkezik. 4,38 K-en szupravezetővé válik. A tiszta tantál képlékeny fém, amelyet hidegben nyomással dolgoznak fel jelentősebb keményedés nélkül. Közbenső izzítás nélkül 99%-os redukciós arányra deformálható. A tantál átalakulását a képlékeny állapotból a rideg állapotba -196 °C-ra hűtve nem észlelték. A tantál tulajdonságai nagymértékben függnek a tisztaságától; a hidrogén-, nitrogén-, oxigén- és szénszennyeződések törékennyé teszik a fémet.

Az atom elektronszerkezete.

1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d3

sorozatszám-73

A csoporthoz tartozó - A

d- elem

A tantál (V)-oxid fehér por, nem oldódik sem vízben, sem savakban (a H2F2 kivételével). Nagyon tűzálló (olvadáspont = 1875 °C). Az oxid savas jellege meglehetősen gyengén kifejeződik, és főként a lúgos olvadékokkal való reakcióban nyilvánul meg: a nióbium tantál atomos oxidációja

Ta2O5 + 2NaOH = 2NaTaO3 + H2O

vagy karbonátok:

Ta2O5 + 3Na2CO3 = 2Na3TaO4 + 3CO2

A -4, -5 oxidációs állapotú tantál tartalmú sók többféle lehetnek: NaTaO3 metatantalátok, Na3TaO4 ortotantalátok, de vannak penta- és hexa-poliionok, amelyek vízmolekulákkal együtt kristályosodnak, 7- és 8-. Az öttöltött tantál savakkal reagálva TaO3+ kationt és TaO(NO3)3 vagy Nb2O5(SO4)3 sókat képez, folytatva a VO2+ vanádium ion által bevezetett mellék alcsoport "hagyományát".

1000°C-on a Ta2O5 kölcsönhatásba lép klórral és hidrogén-kloriddal:

Ta2O5 + 10HC1 \u003d\u003d 2TaC15 + 5H2O

Ezért vitatható, hogy a tantál (V)-oxidra is jellemző az amfoteritás, és a savas tulajdonságok felülmúlják a bázis tulajdonságait.

A tantál (V)-oxidnak megfelelő hidroxidot a tantál-tetraklorid savas oldatainak semlegesítésével állítják elő. Ez a reakció is megerősíti a +4 oxidációs állapot instabilitását.

Alacsony oxidációs fokon a legstabilabb vegyületek a halogenidek (lásd a 3. ábrát), amelyeket legkönnyebben piridin-komplexekkel lehet előállítani. A TaX5-pentahalogenidek (ahol X jelentése C1, Br, I) könnyen redukálhatók piridinnel (Py-vel jelölve), MX4(Py)2 összetételű komplexek képződésével.

Tantál sói. A hatodik alcsoport sói túlnyomórészt színtelen kristályok vagy fehér porok. Sok közülük nagyon higroszkópos és a levegőben elfolyósodik. Ezeknek a fémeknek az oxidjai amfoter tulajdonságúak, ezért sóik nagy része könnyen hidrolizálódik, és vízben alig vagy teljesen oldhatatlan bázikus sókká alakul; ismertek olyan sók is, ahol ezek a fémek az anionok részét képezik (pl. niobátok, ill. tantalates) Hidratálás és kiszáradás. Minden ebbe az osztályba tartozó katalizátor erős affinitást mutat a vízhez. A b osztály fő képviselője az alumínium-oxid. A foszforsavat vagy savas sóit olyan hordozóanyagokon is alkalmazzák, mint az alumínium-szilikátgél és a szilikagél tantál-, cirkónium- vagy hafnium-oxiddal. A tantál és a nióbium frakcionált extrakcióval történő szétválasztására vonatkozó első munkákban a sósav-xilol-metil-dioktil-amin (1952), valamint a sósav-fluorsav-diizopropil-keton (1953) rendszert javasolták. Mindkét fémet savak vizes oldatában sók formájában feloldják, majd a tantált szerves oldószerrel extrahálják. A rendszerben 6/W kénsav--9 Ai fluorhidrogén

7. A tantálból fonalhúzó fonókat készítenek a mesterséges szálak gyártása során. Korábban az ilyen szerszámokat platinából és aranyból készítettek. A legkeményebb ötvözetek tantál-karbidból készülnek, nikkellel cementáló adalékként. Olyan kemények, hogy még a keménység mércéjének számító gyémánton is karcolásokat hagynak.

A szupravezető állapotba való átmenet kritikus hőmérséklete tekintetében az első helyet az Nb3Ge nióbium-germanid kapta. Kritikus hőmérséklete 23,2 K (kb. -250 °C). Egy másik vegyület, a nióbium-stannid valamivel alacsonyabb hőmérsékleten, -255°C-on válik szupravezetővé. Hogy ezt a tényt jobban megértsük, rámutatunk arra, hogy a legtöbb szupravezető csak a folyékony hélium hőmérsékletéről (2,172 K) ismert. A nióbium anyagokból készült szupravezetők lehetővé teszik olyan mágnestekercsek gyártását, amelyek rendkívül erős mágneses teret hoznak létre. Egy 16 cm átmérőjű és 11 cm magas mágnes, ahol a tekercs egy ilyen anyagú szalag, kolosszális intenzitású mezőt képes létrehozni. Csak a mágnest szupravezető állapotba kell vinni, azaz lehűteni, és az alacsonyabb hőmérsékletre hűtés természetesen könnyebben előállítható.

A nióbium szerepe a hegesztésben fontos. Míg a közönséges acélt hegesztették, ez az eljárás nem okozott különösebb nehézséget és nem okozott nehézséget. Amikor azonban bonyolult kémiai összetételű speciális acélokból készült szerkezeteket kezdtek hegeszteni, a hegesztések elvesztették a hegesztendő fém értékes tulajdonságait. Sem az elektródák összetételének megváltoztatása, sem a hegesztőgépek kialakításának javítása, sem a légköri hegesztés inert gázok nem adott hatást. Itt jött a nióbium segítségére. Az acél, amelybe kis adalékként nióbiumot adnak, hegeszthető anélkül, hogy félni kellene a varrat minőségétől (4. ábra). A varrat törékenységét a hegesztés során keletkező karbidok adják, de a nióbium azon képessége, hogy a szénnel egyesül, és megakadályozza az ötvözetek tulajdonságait sértő más fémek karbidjainak képződését, megmentette a helyzetet. Maga a nióbium karbidja, akárcsak a tantál, megfelelő viszkozitású. Ez különösen értékes nyomás alatt és agresszív környezetben működő kazánok és gázturbinák hegesztésekor.

A nióbium és a tantál jelentős mennyiségű gázt, például hidrogént, oxigént és nitrogént képes elnyelni. Szobahőmérsékleten 1 g nióbium 100 cm3 hidrogén elnyelésére képes. De még erős fűtés mellett is ez a tulajdonság gyakorlatilag nem gyengül. 500°C-on a nióbium még 75 cm3 hidrogént, a tantál pedig 10-szer többet képes elnyelni. Ezt a tulajdonságot nagyvákuumú alkalmazásokban vagy elektronikus alkalmazásokban használják, ahol szükség van a pontos teljesítmény fenntartására magas hőmérsékleten. Az alkatrészek felületén lerakódott nióbium és tantál szivacsszerűen felszívja a gázokat, biztosítva az eszközök stabil működését. Ezen fémek segítségével a helyreállító sebészet nagy sikereket ért el. Nemcsak a tantállemezek, hanem a tantál- és nióbiumszálak is bekerültek az orvosi gyakorlatba. A sebészek sikeresen használták ezeket a varratokat a szakadt inak, erek és idegek javítására. A tantál "fonal" az izomerő kompenzálására szolgál. Segítségével a sebészek a műtét után megerősítik a hasüreg falait. A tantálnak rendkívül erős kötése van az atomok között. Ez magyarázza rendkívül magas olvadáspontját és forráspontját. A mechanikai tulajdonságok és a vegyszerállóság a tantált közelebb hozza a platinához. A vegyipar a tantál tulajdonságainak ezt a kedvező kombinációját használja. Ebből készítik elő a vegyi üzemek saválló berendezéseinek alkatrészeit, a fűtő- és hűtőberendezéseket, amelyek agresszív környezettel érintkeznek.

A gyorsan fejlődő atomenergia-iparban a nióbium két tulajdonságát használják fel. A nióbium elképesztő "átlátszósággal" rendelkezik a termikus neutronok számára, vagyis képes átengedni azokat egy fémrétegen, gyakorlatilag anélkül, hogy neutronokkal reagálna. A nióbium mesterséges radioaktivitása (ami radioaktív anyagokkal érintkezve keletkezik) kicsi. Ezért felhasználható radioaktív hulladék tárolására szolgáló konténerek és ezek feldolgozására szolgáló berendezések készítésére. A nióbium egy másik nem kevésbé értékes (nukleáris reaktor számára) tulajdonsága, hogy még 1000 °C hőmérsékleten sincs észrevehető kölcsönhatás az uránnal és más fémekkel. °C. Az olvadt nátrium és kálium, amelyeket bizonyos típusú atomreaktorokban hűtőközegként használnak, szabadon keringhet a nióbiumcsöveken anélkül, hogy kárt okozna.

Sztori

A tantálot 1802-ben fedezte fel A. G. Ekeberg svéd kémikus két Finnországban és Svédországban található ásványban. Tiszta formájában azonban nem lehetett elkülöníteni. Ennek az elemnek a megszerzésének nehézségei miatt az ókori görög mitológia hőséről, Tantalusról nevezték el.

Ezt követően a tantál és a "kolumbium" (nióbium) azonosnak számított. Csak 1844-ben a német kémikus, Heinrich Rose bebizonyította, hogy a kolumbit-tantalit ásvány két különböző elemet tartalmaz - nióbiumot és tantált.

A világ legnagyobb tantálérc lelőhelye, a Greenbushes Ausztráliában, Nyugat-Ausztrália államban található, Perthtől 250 km-re délre.

Fizikai tulajdonságok

4,45 K alatti hőmérsékleten szupravezető állapotba kerül.

izotópok

A természetes tantál egy stabil izotóp és egy stabil izomer keverékéből áll: 181 Ta (99,9877%) és 180 m Ta (0,0123%). Ez utóbbi a 180 Ta izotóp rendkívül stabil izomerje (gerjesztett állapota), felezési ideje valamivel több, mint 8 óra.

Kémiai tulajdonságok

Normál körülmények között a tantál inaktív, levegőn csak 280 ° C feletti hőmérsékleten oxidálódik, és Ta 2 O 5 oxidfilm borítja; 250 °C feletti hőmérsékleten reagál halogénekkel. Melegítéskor reakcióba lép C, B, Si, P, Se, Te, H 2 O, CO, CO 2, NO, HCl, H 2 S.

A kémiailag tiszta tantál kivételesen ellenáll a folyékony alkálifémeknek, a legtöbb szervetlen és szerves savnak és sok más agresszív közegnek (kivéve az olvadt lúgokat).

A reagensekkel szembeni kémiai ellenállás szempontjából a tantál az üveghez hasonló. A tantál nem oldódik savakban és ezek keverékeiben, kivéve a hidrogén-fluorid és a salétromsav keverékét; még aqua regia sem oldja fel. A hidrogén-fluoriddal való reakció csak fémporral megy végbe, és robbanás kíséri. Nagyon ellenáll a kénsavnak bármilyen koncentrációban és hőmérsékleten (200 °C-on a fém savban csak 0,006 milliméterrel korrodál évente), stabil oxigénmentesített olvadt alkálifémekben és azok túlhevített gőzeiben (lítium, nátrium, kálium, rubídium, cézium) .

Toxikológia

Prevalencia

Nyugta

A tantál és ötvözetei előállításának fő nyersanyagai a körülbelül 8% Ta 2 O 5 tartalmú tantalit és loparit koncentrátumok, valamint 60% vagy annál több Nb 2 O 5 . A koncentrátumokat savak vagy lúgok bontják, a loparit koncentrátumokat klórozzák. A Ta és Nb elválasztását extrakcióval végezzük. A tantál fémet általában Ta 2 O 5 szénnel történő redukálásával vagy elektrokémiai úton olvadékból nyerik. A kompakt fémet vákuumívvel, plazma olvasztással vagy porkohászattal állítják elő.

1 tonna tantál koncentrátum előállításához legfeljebb 3000 tonna ércet kell feldolgozni.

Ár

Alkalmazás

Eredetileg izzólámpák vezetékének gyártására használták. Manapság a tantált és ötvözeteit a következők előállítására használják:

  • hőálló és korrózióálló ötvözetek;
  • korrózióálló berendezések a vegyipar számára, fonók, laboratóriumi üvegedények és olvasztótégelyek ritkaföldfém elemek, valamint ittrium és szkandium kinyerésére, olvasztására és öntésére;
  • nukleáris energiarendszerek hőcserélői (a túlhevített olvadékokban és céziumgőzben a tantál a legstabilabb az összes fém közül);
  • a sebészetben tantállemezeket, fóliát és drótot használnak szövetek, idegek rögzítésére, varrásra, protézisek készítésére, amelyek helyettesítik a sérült csontrészeket (a biológiai kompatibilitás miatt);
  • a tantálhuzalt kriotronokban használják - a számítástechnikában telepített szupravezető elemeket;
  • a lőszergyártás során a tantálból fejlett formájú töltetek fém bélését készítik, ami javítja a páncél áthatolását;
  • tantálból és nióbiumból elektrolitkondenzátorokat készítenek (jobb minőségűek, mint az alumínium elektrolitkondenzátorok, de alacsonyabb feszültségre tervezték);
  • a tantált az utóbbi években ékszerként használták, mivel képes tartós, gyönyörű szivárványszínű oxidfilmeket képezni a felületen;
  • az atomreaktorok szerkezeti anyagaiban felhalmozódó tantál-180m2 nukleáris izomer a hafnium-178m2 mellett gamma- és energiaforrásként szolgálhat fegyverek és speciális járművek fejlesztésében.
  • Az Egyesült Államok Szabványügyi Hivatala és a Nemzetközi Súly- és Mértékiroda Franciaországban tantált használ platina helyett nagy pontosságú standard analitikai súlyok készítéséhez;
  • A tantál-berillid rendkívül kemény és ellenáll a levegőben történő oxidációnak 1650 ° C-ig, amelyet az űrtechnológiában használnak;
  • A tantál-karbidot (olvadáspontja 3880 °C, keménysége a gyémánthoz közeli) keményötvözetek - volfrám- és tantál-karbidok keveréke (TT-index osztályok) - előállításához használják, a legnehezebb fémmegmunkálási körülményekhez és a ütős forgófúráshoz. legerősebb anyagok (kő, kompozitok), és fúvókákra, rakéták fúvókáira is alkalmazhatók;
  • A tantál(V)-oxidot a nukleáris technológiában abszorbeáló üveg olvasztására használják