Innredning 

Tantalmetallegenskaper og egenskaper. Kjemiske egenskaper til tantal Elektronisk konfigurasjon av tantalatomet

Rask utvikling moderne teknologier i dag er absolutt forbundet med bruk av effektive materialer og stoffer som har ganske praktiske og svært nyttige egenskaper og funksjoner.

Fra dette perspektivet er det verdt å ta hensyn til et så unikt kjemisk element som tantal. Og dette er ikke overraskende, for på grunn av styrkeegenskapene blir bruken av tantal i dag ganske relevant i mange industriområder.

For å utvide horisonten til lekmannen i dette emnet, vil vi beskrive i detalj de fysisk-kjemiske egenskapene til tantal og snakke om hvor dette metallet er svært vellykket brukt i dag.

Tekniske egenskaper ved tantal

Først av alt bør det forstås at tantal er et grått metall med en strålende fargetone, som lett kan bearbeides.

Blant egenskapene til metallet er det verdt å merke seg en rekke av følgende viktige aspekter:

  • serienummer i det periodiske systemet - 73;
  • atomvekt - 180;
  • tettheten til stoffet er 60 g / cm 3;
  • smeltepunkt - 3015 0 C;
  • Kokepunktet til stoffet er 5300 0 C.

metallegenskaper

Takket være disse egenskapene har tantal utvilsomt følgende fordelaktige egenskaper:

  1. Tantal er et ildfast metall, og som et resultat har elementet følgende egenskaper:
  • liten indeks for lineær ekspansjon;
  • godt nivå av termisk ledningsevne;
  • høy mekanisk styrke og duktilitet.
  1. Den har utmerkede anti-korrosjonsegenskaper. Det er verdt å merke seg at tantal under normale forhold er praktisk talt inert for sjøvann, men hvis det er mettet med oksygen, blir metallet i dette tilfellet bare anløpet.
  2. Tantal har god motstand mot følgende typer salter:
  • klorider av jern og kobber;
  • nitrater;
  • sulfater;
  • salter av organiske syrer, forutsatt at de ikke inneholder fluor eller fluorider i sammensetningen.
  1. Tantal begynner å miste sine styrkeegenskaper når det reagerer med fluor. Det er også verdt å vurdere det faktum at tantal ikke inngår en kjemisk reaksjon med brom, jod og flytende klor, med mindre en temperatur på 150 0 C nås.
  2. Tantal er tilstrekkelig motstandsdyktig mot flytende strukturmetaller med lav smeltetemperatur.
  3. Tantal har utmerkede stabilitetsegenskaper i luft ved temperaturer opp til 400 0 C, mens en beskyttende film av oksid vises under lagring eller bearbeiding.
  4. Tantal, smeltet ved elektronstrålemetoden, har en økt plastisitetsegenskap, som, når metallet deformeres, gjør det mulig å utføre en større grad av kompresjon.
  5. Det er godt omdannet til platemetall, som egner seg godt til smiing.
  6. Fungerer godt til kaldforming. Du må imidlertid forstå at dette metallet ikke skal deformeres i en varm tilstand, siden når det oppvarmes, begynner tantal å absorbere nitrogen, karbondioksid, oksygen, og som et resultat blir materialet ganske sprøtt.
  7. En av hovedoperasjonene for behandling av tantal er å kutte materialet på høyhastighetsutstyr.

Når det gjelder tilkobling av tantaldeler, kan det gjøres på følgende måter:

  • sveising;
  • lodding;
  • forbindelse med nagler.

Her er det verdt å ta hensyn til det faktum at de to siste metodene brukes ganske sjelden, så kvaliteten på tantalsveisede ledd forblir alltid på et høyt nivå.

Bruksområder for tantal

Disse egenskapene gjør at den kan brukes mye i ulike områder industri. La oss merke seg i detalj hovedinstruksjonene for bruk av et så unikt materiale som tantal.

Metallurgisk industri

Metallurgi er hovedforbrukeren av dette metallet. Den metallurgiske industrien bruker 45 % av det produserte tantal.

Hovedanvendelsen av tantal er i en rekke av følgende viktige aspekter:

  • metall er det viktigste legeringselementet i produksjonen av varmebestandige og korrosjonsbestandige stålkvaliteter;
  • Tantalkarbid er en pålitelig beskyttelse for stålformer i støperier.

Elektrisk industri

Først av alt er det verdt å merke seg det faktum at en fjerdedel av tantal som produseres i verden brukes i den elektriske industrien. Og dette er ikke overraskende, fordi følgende typer elektriske produkter produseres ved hjelp av dette metallet:

  • tantalkondensatorer av elektrolytisk type er preget av stabiliteten i deres funksjon;
  • mye brukt i produksjonen av slike strukturelle elementer av lamper som anoder, indirekte oppvarmede katoder og gitter;
  • tantaltråd brukes i produksjon av kryotrondeler, som er integrerte elementer i datateknologi;
  • varmeovner for ovner med høytemperaturdrift er svært vellykket laget av dette metallet.

Interessant fakta! Tantalkondensatorer har en tendens til å reparere seg selv. For eksempel, med en plutselig forekomst av høy spenning, ødela en gnist det isolerende laget. I dette tilfellet dannes det øyeblikkelig en isolerende oksidfilm på stedet for defekten, mens kondensatoren vil fortsette å fungere i normal driftsmodus!


Kjemisk industri

Det er først og fremst nødvendig å merke seg at 20% av det brukte tantalet går til behovene kjemisk industri. Spesielt brukes dette metallet i følgende tilfeller:

  • produksjon av følgende typer syrer:
  1. nitrogen;
  2. hjort;
  3. svovelsyre;
  4. fosforsyre;
  5. eddiksyre.
  • produksjon av hydrogenperoksid, brom og klor;
  • produksjon av kjemisk utstyr av følgende typer:
  1. luftere;
  2. destillasjonsanlegg;
  3. spoler av ulike typer;
  4. agitatorer;
  5. ventil.

PÅ medisinsk industri ikke mer enn 5 % av tantal som utvinnes i verden brukes. I medisin er dette metallet svært vellykket brukt i plastikk- og beinkirurgi, da det brukes til å lage tantalelementer for å feste bein, suturering og så videre. Dette oppnås på grunn av det faktum at tantal ikke skader den vitale aktiviteten til organismen, mens det ikke irriterer levende vev.

Tantal (Ta) er et grunnstoff med atomnummer 73 og atomvekt 180,948. Det er et element i en sekundær undergruppe av den femte gruppen, den sjette perioden periodisk system Dmitri Ivanovich Mendeleev. Tantal i fri tilstand under normale forhold er et platinagrått metall med en lett blyfarge, som er en konsekvens av dannelsen av en oksidfilm (Ta 2 O 5). Tantal er et tungt, ildfast, ganske hardt, men ikke sprøtt metall, samtidig er det veldig formbart, godt bearbeidbart, spesielt i sin rene form.

I naturen finnes tantal i form av to isotoper: stabil 181 Ta (99,99 %) og radioaktiv 180 Ta (0,012 %) med en halveringstid på 10 12 år. Av de kunstig oppnådde radioaktive stoffene brukes 182 Ta (halveringstid 115,1 dager) som isotopsporer.

Grunnstoffet ble oppdaget i 1802 av den svenske kjemikeren A. G. Ekeberg i to mineraler funnet i Finland og Sverige. Den ble oppkalt etter helten fra antikke greske myter Tantalus på grunn av vanskeligheten med å identifisere den. I lang tid ble mineralene columbite inneholdende columbium (niob) og tantalite inneholdende tantal ansett som ett og samme. Tross alt er disse to elementene hyppige følgesvenner av hverandre og ligner på mange måter. Denne oppfatningen ble ansett som sann i lang tid blant kjemikere i alle land, bare i 1844 studerte den tyske kjemikeren Heinrich Rose igjen columbites og tantalites fra forskjellige steder og fant i dem et nytt metall som i egenskaper ligner tantal. Det var niob. Plast rent metallisk tantal ble først oppnådd av den tyske forskeren W. von Bolton i 1903.

De viktigste forekomstene av tantalmineraler er lokalisert i Finland, Skandinavia, Nord-Amerika, Brasil, Australia, Frankrike, Kina og en rekke andre land.

På grunn av det faktum at tantal har en rekke verdifulle egenskaper - god duktilitet, høy styrke, sveisbarhet, korrosjonsbestandighet ved moderate temperaturer, ildfasthet og en rekke andre viktige egenskaper- Anvendelsen av det syttitredje elementet er veldig bredt. De viktigste bruksområdene for tantal er elektronikk og maskinteknikk. Omtrent en fjerdedel av verdens tantalproduksjon går til elektro- og vakuumindustrien. I elektronikk brukes den til å lage elektrolytiske kondensatorer, anoder for høyeffektlamper og gitter. I den kjemiske industrien brukes tantal til å lage maskindeler som brukes i produksjon av syrer, fordi dette elementet har eksepsjonell kjemisk motstand. Tantal løses ikke selv i et så kjemisk aggressivt miljø som regiavann! I tantal-digler smeltes metaller, som sjeldne jordarter. Varmere av høytemperaturovner er laget av det. På grunn av det faktum at tantal ikke samhandler med levende vev i menneskekroppen og ikke skader dem, brukes det i kirurgi for å holde bein sammen i tilfelle brudd. Imidlertid er hovedforbrukeren av et slikt verdifullt metall metallurgi (over 45%). PÅ i fjor tantal brukes i økende grad som legeringselement i spesialstål - kraftig, korrosjonsbestandig, varmebestandig. I tillegg mister mange strukturelle materialer raskt sin varmeledningsevne: en dårlig varmeledende oksid- eller saltfilm dannes på overflaten. Strukturer laget av tantal og dets legeringer møter ikke slike problemer. Oksydfilmen som dannes på dem er tynn og leder varme godt, dessuten har den beskyttende anti-korrosjonsegenskaper.

Ikke bare rent tantal er av verdi, men også dets forbindelser. Så den høye hardheten til tantalkarbid brukes til fremstilling av karbidverktøy for høyhastighetsskjæring av metall. Tantal-wolfram-legeringer gir varmebestandighet til deler laget av dem.

Biologiske egenskaper

På grunn av sin høye biologiske kompatibilitet - evnen til å komme overens med levende vev uten å forårsake irritasjon og avvisning av kroppen - har tantal funnet bred anvendelse i medisin, hovedsakelig i rekonstruktiv kirurgi - for å gjenopprette menneskekroppen. Tynne plater av tantal brukes til skade på kraniet - de lukker bruddene i hodeskallen. Medisinen kjenner til tilfellet da et kunstig øre ble laget av en tantalplate, mens huden transplantert fra låret slo rot så godt og raskt at det kunstige organet snart ikke kunne skilles fra det virkelige. Tantaltråder brukes i restaurering av skadet muskelvev. Kirurger fester veggene i bukhulen med tantalplater etter operasjoner. Selv blodårer kan kobles sammen ved hjelp av tantalstifter. Nettverk av dette unike materialet brukes til fremstilling av øyeproteser. Sener erstattes med tråder av dette metallet og til og med nervetråder er sydd sammen.

Tantalpentoksid Ta 2 O 5 er ikke mindre mye brukt - blandingen med en liten mengde jerntrioksid foreslås brukt for å akselerere blodkoagulasjonen.

I det siste tiåret har en ny gren av medisin utviklet seg, basert på bruk av kortdistanse statiske elektriske felt for å stimulere positive biologiske prosesser i menneskekroppen. Og elektriske felt dannes ikke på grunn av tradisjonelle elektriske energikilder med nett- eller batteristrømforsyning, men på grunn av autonomt fungerende elektretbelegg (et dielektrikum som beholder en ukompensert elektrisk ladning i lang tid) avsatt på implantater for ulike formål, mye brukt i medisin.

For tiden er positive resultater av bruken av elektretfilmer av tantalpentoksid oppnådd innen følgende områder av medisin: maxillofacial kirurgi (bruk av implantater belagt med Ta 2 O 5 eliminerer forekomsten av inflammatoriske prosesser, reduserer tiden for innpodning av implantatet); ortopedisk tannbehandling (dekker proteser laget av akrylplast med en film av tantalpentoksid eliminerer alle mulige patologiske manifestasjoner forårsaket av intoleranse mot akrylater); kirurgi (bruk av en elektretapplikator ved behandling av defekter i hud og bindevev med langsiktige ikke-helende sårprosesser, liggesår, nevrotrofiske sår, termiske lesjoner); traumatologi og ortopedi (akselerasjon av beinvevsutvikling ved behandling av brudd og sykdommer i det menneskelige muskel- og skjelettsystemet under påvirkning av et statisk felt skapt av en elektretbeleggfilm).

Alle disse unike vitenskapelige utviklingene ble mulig takket være vitenskapelig arbeid spesialister fra St. Petersburg State Electrotechnical University (LETI).

I tillegg til de ovennevnte områdene hvor unike belegg av tantalpentoksid allerede påføres eller introduseres, er det utviklinger som er i de aller første stadiene. Disse inkluderer utviklingen for følgende områder av medisin: kosmetikk (produksjon av et materiale basert på belegg av tantalpentoksid, som vil erstatte de "gyldne trådene"); hjertekirurgi (påføring av elektretfilmer på indre overflate kunstige blodårer, forhindrer dannelsen av blodpropp); artroplastikk (reduserer risikoen for avstøtning av proteser som er i konstant interaksjon med beinvev). I tillegg lages et kirurgisk instrument belagt med en film av tantalpentoksid.

Det er kjent at tantal er svært motstandsdyktig mot aggressive medier, en rekke fakta vitner om dette. Så ved en temperatur på 200 ° C påvirkes ikke dette metallet av sytti prosent salpetersyre! I svovelsyre ved en temperatur på 150 ° C observeres heller ikke tantalkorrosjon, og ved 200 ° C korroderer metallet, men bare med 0,006 mm per år!

Det er kjent et tilfelle når i en virksomhet som bruker gassformig hydrogenklorid, sviktet deler av rustfritt stål etter et par måneder. Men så snart stål ble erstattet av tantal, viste selv de tynneste delene (0,3 ... 0,5 mm tykke) seg å være praktisk talt ubestemt - levetiden deres økte til 20 år!

Tantal, sammen med nikkel og krom, er mye brukt som anti-korrosjonsbelegg. De dekker deler av et bredt spekter av former og størrelser: digler, rør, plater, rakettdyser og mye mer. Dessuten kan materialet som tantalbelegget påføres være svært mangfoldig: jern, kobber, grafitt, kvarts, glass og andre. Det som er mest interessant er at hardheten til tantalbelegget er tre til fire ganger høyere enn hardheten til teknisk tantal i glødet form!

På grunn av det faktum at tantal er et svært verdifullt metall, fortsetter søket etter råvarene i dag. Mineraloger har oppdaget at vanlige granitter, i tillegg til andre verdifulle grunnstoffer, også inneholder tantal. Et forsøk på å utvinne tantal fra granittbergarter ble gjort i Brasil, metallet ble oppnådd, men slik produksjon nådde ikke industriell skala - prosessen viste seg å være ekstremt dyr og komplisert.

Moderne elektrolytiske tantalkondensatorer er stabile i drift, pålitelige og holdbare. Miniatyr kondensatorer laget av dette materialet som brukes i ulike elektroniske systemer, i tillegg til fordelene ovenfor, har de en unik kvalitet: de kan gjøre sine egne reparasjoner på egen hånd! Hvordan skjer dette? Anta at integriteten til isolasjonen blir krenket på grunn av et spenningsfall, eller av en annen grunn - øyeblikkelig dannes en isolerende oksidfilm igjen på sammenbruddsstedet, og kondensatoren fortsetter å fungere som om ingenting hadde skjedd!

Uten tvil kan begrepet "smart metall", som dukket opp på midten av 1900-tallet, det vil si et metall som hjelper smarte maskiner med å fungere, med rette tilskrives tantal.

I noen områder erstatter tantal, og noen ganger til og med konkurrerer med, platina! Så i smykkearbeid erstatter tantal ofte det dyrere edelmetallet ved fremstilling av armbånd, urkasse og andre smykker. På et annet område konkurrerer tantal med hell med platina - standard analytiske vekter laget av dette metallet er ikke dårligere i kvalitet enn platina.

I tillegg brukes tantal som erstatning for det dyrere iridium i produksjonen av nibs for automatiske penner.

På grunn av sine unike kjemiske egenskaper har tantal funnet anvendelse som materiale for katoder. Så tantalkatoder brukes i elektrolytisk separasjon av gull og sølv. Deres verdi ligger i det faktum at bunnfallet av edle metaller kan vaskes av dem med aqua regia, som ikke skader tantal.

Man kan definitivt snakke om det faktum at det er noe symbolsk, om ikke engang mystisk, i det faktum at den svenske kjemikeren Ekeberg, som forsøkte å mette et nytt stoff med syrer, ble slått av sin "tørst" og kalt det nye grunnstoffet til ære. av den mytiske skurken som drepte sin egen sønn og som forrådte gudene. Og to hundre år senere viste det seg at dette elementet er i stand til å bokstavelig talt "sy" en person og til og med "erstatte" hans sener og nerver! Det viser seg at martyren som forsvinner i underverdenen, soner for sin skyld ved hjelp av en person, prøver å be om tilgivelse fra gudene ...

Historie

Tantalus er helten fra gamle greske myter, den lydiske eller frygiske kongen, sønn av Zevs. Han røpet hemmelighetene til de olympiske gudene, stjal ambrosia fra festen deres og ga olympierne en rett tilberedt av kroppen til hans egen sønn Pelops, som han også drepte. For sine grusomheter ble Tantalus dømt av gudene til evig pine av sult, tørst og frykt i Hades underverden. Siden den gang har han stått opp til nakken i gjennomsiktig krystallklart vann, grener lener seg mot hodet under vekten av modne frukter. Bare han kan ikke slukke verken tørst eller sult - vannet går ned så snart han prøver å bli full, og grenene løftes av vinden, i hendene på en sulten morder. En stein henger over hodet til Tantalus, som kan kollapse når som helst, og tvinger den uheldige synderen til å lide for alltid av frykt. Takket være denne myten oppsto uttrykket "tantalpine", som betegner uutholdelig lidelse, ukroppslige forsøk på å frigjøre seg fra pine. Tilsynelatende, i løpet av mislykkede forsøk fra den svenske kjemikeren Ekeberg på å oppløse "jorden" oppdaget av ham i 1802 i syrer og isolere et nytt grunnstoff fra den, var det dette uttrykket som kom til hans sinn. Mer enn en gang virket det for forskeren som om han var nær målet, men han klarte ikke å isolere et nytt metall i sin rene form. Dette er hvordan "martyr"-navnet til det nye elementet dukket opp.

Oppdagelsen av tantal er nært knyttet til oppdagelsen av et annet grunnstoff - niob, som dukket opp et år tidligere og opprinnelig ble kalt Columbia, som ble gitt til det av oppdageren Gatchet. Dette elementet er en tvilling av tantal nær det i en rekke egenskaper. Det var denne nærheten som villedet kjemikere, som etter mye debatt kom til den feilaktige konklusjonen at tantal og columbium var ett og samme grunnstoff. Denne vrangforestillingen varte i mer enn førti år, inntil den berømte tyske kjemikeren Heinrich Rose i 1844, i løpet av å studere columbites og tantalites fra forskjellige forekomster, beviste at columbium er et uavhengig element. Columbia studert av Gatchet var niob med et høyt innhold av tantal, noe som førte den vitenskapelige verden på villspor. Til ære for en slik familie nærhet til de to elementene, ga Rosa Colombia et nytt navn, Niobium - til ære for datteren til den frygiske kongen Tantalus Niobia. Og selv om Rose også gjorde feilen ved å angivelig oppdage et annet nytt grunnstoff, som han kalte Pelopius (til ære for Tantalus sønn Pelops), ble hans arbeid grunnlaget for et strengt skille mellom niob (columbium) og tantal. Bare, selv etter Roses bevis, ble tantal og niob forvirret i lang tid. Så tantal ble kalt columbium, i Russland columbum. Hess, i sin Foundations of Pure Chemistry, frem til deres sjette utgave (1845), snakker bare om tantal, uten å nevne Columbia; Dvigubsky (1824) har et navn - tantalium. Slike feil og forbehold er forståelige - en metode for å skille tantal og niob ble utviklet først i 1866 av den sveitsiske kjemikeren Marignac, og som sådan eksisterte ikke rent elementært tantal ennå: tross alt var forskere i stand til å skaffe dette metallet i en ren kompakt form først på 1900-tallet. Den første som var i stand til å skaffe metallisk tantal var den tyske kjemikeren von Bolton, og dette skjedde først i 1903. Tidligere ble det selvfølgelig gjort forsøk på å skaffe rent metallisk tantal, men all innsats fra kjemikere var mislykket. For eksempel mottok den franske kjemikeren Moissan et metallpulver, ifølge ham - rent tantal. Dette pulveret, oppnådd ved å redusere tantalpentoksid Ta 2 O 5 med karbon i en elektrisk ovn, var imidlertid ikke rent tantal, pulveret inneholdt 0,5 % karbon.

Som et resultat ble en detaljert studie av de fysisk-kjemiske egenskapene til det syttitredje elementet mulig først på begynnelsen av det tjuende århundre. I flere år til fant ikke tantal praktisk bruk. Først i 1922 kunne den brukes i AC likerettere.

Å være i naturen

Gjennomsnittlig innhold av det syttitredje elementet i jordskorpen (clarke) er 2,5∙10 -4 vekt%. Tantal er et karakteristisk element av sure bergarter - granitt og sedimentære skjell, der dets gjennomsnittlige innhold når 3,5 ∙ 10 -4%, som for ultrabasiske og grunnleggende bergarter - de øvre delene av mantelen og dype deler av jordskorpen, konsentrasjonen av tantal er det mye lavere: 1,8∙10 -6%. I bergarter av magmatisk opprinnelse er tantal spredt, så vel som i biosfæren, siden det er isomorft med mange kjemiske elementer.

Til tross for det lave innholdet av tantal i jordskorpen, er mineralene svært utbredt - det er mer enn hundre av dem, både egentlige tantalmineraler og tantalholdige malmer, alle ble dannet i forbindelse med magmatisk aktivitet (tantalitt, kolumbitt). , loparitt, pyroklor og andre). I alle mineraler er tantal ledsaget av niob, som forklares av den ekstreme kjemiske likheten mellom elementene og de nesten identiske størrelsene på ionene deres.

Faktisk har tantalmalmer et forhold på Ta 2 O 5: Nb 2 O 5 ≥1. Hovedmineralene i tantalmalmer er kolumbitt-tantalitt (Ta 2 O 5-innhold 30-45 %), tantalitt og manganotantalitt (Ta 2 O 5 45-80 %), wojinitt (Ta, Mn, Sn) 3 O 6 (Ta 2 O 5 60-85 %), mikrolitt Ca 2 (Ta, Nb) 2 O 6 (F, OH) (Ta 2 O 5 50-80 %) og andre. Tantalitt (Fe, Mn)(Ta, Nb) 2 O 6 har flere varianter: ferrotantalitt (FeO>MnO), manganotalitt (MnO>FeO). Tantalite kommer i mange nyanser fra svart til rødbrun. Hovedmineralene i tantal-niob-malmer, som det sammen med niob ekstraheres mye dyrere tantal fra, er kolumbitt (Ta 2 O 5 5-30%), tantalholdig pyroklor (Ta 2 O 5 1-4%) , loparitt (Ta 2 O 5 0,4-0,8 %), hatchettolitt (Ca, Tr, U) 2 (Nb, Ta) 2 O 6 (F, OH)∙nH 2 O (Ta 2 O 5 8-28 %), ixiolitt (Nb, Ta, Sn, W, Sc) 3 O 6 og noen andre. Tantaloniobater som inneholder U, Th, TR er metamiske, svært radioaktive og inneholder variable mengder vann; polymorfe modifikasjoner er vanlige. Tantaloniobater danner små spredninger, store segregeringer er sjeldne (krystaller er typiske hovedsakelig for loparitt, pyroklor og kolumbitt-tantalitt). Farge svart, mørk brun, brungul. Vanligvis gjennomskinnelig eller litt gjennomskinnelig.

Det er flere industrielle og genetiske hovedtyper av tantalmalmforekomster. Sjeldne metall-pegmatitter av natro-litium-typen er representert av sonerte venelegemer som består av albitt, mikroklin, kvarts og, i mindre grad, spodumen eller petalitt. Tantalholdige granitter av sjeldne metaller (apogranitter) er representert av små bestander og kupler av mikroklin-kvarts-albittgranitter, ofte anriket på topas- og litiumglimmer, som inneholder fin spredning av kolumbitt-tantalitt og mikrolitt. Forvitringsskorper, deluvial-alluvial og alluvial placers, som oppstår i forbindelse med ødeleggelse av pegmatitter, inneholder kassiteritt og mineraler fra columbite-tantalite-gruppen. Loparittbærende nefelinsyenitter av lujavritt- og foyalittsammensetning.

I tillegg er forekomster av komplekse tantal-niob-malmer, representert av karbonatitter og tilhørende forsteritt-apatitt-magnetittbergarter, involvert i industriell bruk; mikroklin-albitt riebeckitt alkaliske granitter og granosyenitter og andre. En viss mengde tantal utvinnes fra wolframitter av greisenforekomster.

De største forekomstene av titanmalm er lokalisert i Canada (Manitoba, Bernick Lake), Australia (Greenbushes, Pilbara), Malaysia og Thailand (tantalholdige tinnplasseringer), Brasil (Paraiba, Rio Grande do Norte), en rekke afrikanske stater (Zaire, Nigeria, Sør-Rhodesia).

applikasjon

Tantal fant sin tekniske anvendelse ganske sent - på begynnelsen av 1900-tallet ble det brukt som materiale for glødetrådene til elektriske lamper, noe som skyldtes en slik kvalitet på dette metallet som ildfasthet. Imidlertid mistet den snart sin betydning i dette området, erstattet av den rimeligere og mer ildfaste wolfram. Igjen ble tantal "teknisk uegnet" frem til tjueårene av det 20. århundre, da det begynte å bli brukt i AC-likerettere (tantal, belagt med en oksidfilm, passerer strøm i bare én retning), og et år senere, i radiorør . Etter det fikk metallet anerkjennelse og begynte snart å erobre flere og flere nye industriområder.

I dag brukes tantal, på grunn av sine unike egenskaper, i elektronikk (produksjon av kondensatorer med høy spesifikk kapasitans). Omtrent en fjerdedel av verdensproduksjonen av tantal går til elektro- og vakuumindustrien. På grunn av den høye kjemiske tregheten til både tantal selv og dens oksidfilm, er elektrolytiske tantalkondensatorer veldig stabile i drift, pålitelige og holdbare: deres levetid kan nå mer enn tolv år. I radioteknikk brukes tantal i radarutstyr. Minitantalkondensatorer brukes i radiosendere, radarinstallasjoner og andre elektroniske systemer.

Hovedforbrukeren av tantal er metallurgi, som bruker over 45 % av metallet som produseres. Tantal brukes aktivt som legeringselement i spesialstål - kraftig, korrosjonsbestandig, varmebestandig. Tilsetningen av dette elementet til vanlige kromstål øker deres styrke og reduserer sprøhet etter herding og gløding. Produksjon av varmebestandige legeringer er en stor nødvendighet for rakett- og romteknologi. I tilfeller der rakettdyser avkjøles av et flytende metall som kan forårsake korrosjon (litium eller natrium), er det rett og slett umulig å klare seg uten en legering av tantal og wolfram. I tillegg brukes varmebestandige stål til å produsere varmeovner for høytemperaturvakuumovner, varmeovner og rørere. Tantalkarbid (smeltepunkt 3880 °C) brukes i produksjon av harde legeringer (blandinger av wolfram og tantalkarbider - kvaliteter med TT-indeksen, for de vanskeligste metallbearbeidingsforholdene og sjokkboring av de sterkeste materialene (stein, kompositter) .

Stål legert med tantal er mye brukt, for eksempel i kjemiteknikk. Tross alt har slike legeringer eksepsjonell kjemisk motstand, de er plastiske, varmebestandige og varmebestandige, det er takket være disse egenskapene at tantal har blitt et uunnværlig strukturelt materiale for den kjemiske industrien. Tantalutstyr brukes i produksjon av mange syrer: saltsyre, svovelsyre, salpetersyre, fosforsyre, eddiksyre, samt brom, klor og hydrogenperoksid. Spoler, destillatorer, ventiler, miksere, luftere og mange andre deler av kjemiske apparater er laget av det. Noen ganger - hele apparatet. Tantalkatoder brukes i elektrolytisk separasjon av gull og sølv. Fordelen med disse katodene er at forekomsten av gull og sølv kan vaskes av dem med aqua regia, som ikke skader tantal.

I tillegg brukes tantal i instrumentering (røntgenutstyr, kontrollinstrumenter, diafragma); i medisin (materiale for rekonstruktiv kirurgi); innen kjernekraft - som varmeveksler for kjernekraftsystemer (tantal er det mest stabile av alle metaller i overopphetet smelter og cesium-133-damp). Tantals høye evne til å absorbere gasser brukes til å opprettholde et dypt vakuum (elektrovakuumenheter).

De siste årene har tantal blitt brukt som et smykkemateriale, på grunn av dets evne til å danne holdbare oksidfilmer av hvilken som helst farge på overflaten.

Tantalforbindelser er også mye brukt. Tantalpentoksid brukes i kjernefysisk teknologi for å smelte glass som absorberer gammastråling. Kaliumfluortantalat brukes som katalysator i produksjonen av syntetisk gummi. Tantalpentoksid spiller også den samme rollen i produksjonen av butadien fra etylalkohol.

Produksjon

Det er kjent at malmer som inneholder tantal er sjeldne og fattige på dette spesielle grunnstoffet. De viktigste råvarene for produksjon av tantal og dets legeringer er tantalitt- og loparittkonsentrater som inneholder kun 8 % Ta 2 O 5 og mer enn 60 % Nb 2 O 5 . I tillegg blir selv de malmene som inneholder bare hundredeler av en prosent (Ta, Nb) 2 O 5 bearbeidet!

Teknologien for produksjon av tantal er ganske kompleks og utføres i tre stadier: åpning eller dekomponering; skille tantal fra niob og oppnå deres rene kjemiske forbindelser; utvinning og raffinering av tantal.

Åpningen av tantalkonsentrat, med andre ord, utvinning av tantal fra malm, utføres ved hjelp av alkalier (fusjon) eller ved hjelp av flussyre (dekomponering) eller en blanding av flussyre og svovelsyre. Deretter fortsetter de til det andre produksjonsstadiet - ekstraksjonsekstraksjon og separasjon av tantal og niob. Sistnevnte oppgave er svært vanskelig på grunn av likheten mellom de kjemiske egenskapene til disse metallene og den nesten identiske størrelsen på ionene deres. Inntil nylig ble metaller kun separert etter metoden som ble foreslått allerede i 1866 av den sveitsiske kjemikeren Marignac, som utnyttet den forskjellige løseligheten til kaliumfluortantalat og kaliumfluorniobat i fortynnet flussyre. I moderne industri brukes flere metoder for å separere tantal og niob: ekstraksjon med organiske løsningsmidler, selektiv reduksjon av niobpentaklorid, fraksjonert krystallisering av komplekse fluoridsalter, separasjon ved bruk av ionebytterharpikser og rektifisering av klorider. For tiden er den mest brukte separasjonsmetoden (den er også den mest perfekte) ekstraksjon fra løsninger av tantal- og niobfluoridforbindelser som inneholder flussyre og svovelsyre. Samtidig blir tantal og niob også renset fra urenheter fra andre elementer: silisium, titan, jern, mangan og andre relaterte elementer. Når det gjelder loparittmalmer, behandles deres konsentrater ved hjelp av klormetoden, med produksjon av et kondensat av tantal og niobiumklorider, som separeres ytterligere ved rektifikasjonsmetoden. Separasjon av en blanding av klorider består av følgende trinn: foreløpig destillasjon (separering av tantal og niobiumklorider fra medfølgende urenheter), hoveddestillasjon (for å oppnå rent NbCl 5 og TaCl 5 konsentrat) og endelig destillasjon av tantalfraksjonen (oppnå ren TaCl) 5). Etter separering av beslektede metaller blir tantalfasen utfelt og renset for å oppnå høyrent kaliumfluortantalat (ved bruk av KCl).

Tantalmetall oppnås ved å redusere dets forbindelser med høy renhet, som flere metoder kan brukes for. Dette er enten reduksjon av tantal fra pentoksid med sot ved en temperatur på 1800–2000 °C (karbotermisk metode), eller reduksjon av kaliumfluortantalat med natrium ved oppvarming (natriumtermisk metode), eller elektrokjemisk reduksjon fra en smelte som inneholder kaliumfluortantalat og tantaloksid (elektrolytisk metode). På en eller annen måte oppnås metallet i pulverform med en renhet på 98-99%. For å oppnå metall i ingots, sintres det i form av emner som er forhåndskomprimert fra pulver. Sintring skjer ved å føre strøm ved en temperatur på 2 500–2 700 °C eller ved oppvarming i vakuum ved 2 200–2 500 °C. Etter det øker renheten til metallet betydelig, og blir lik 99,9-99,95%.

For videre raffinering og oppnåelse av tantalblokker brukes elektrisk vakuumsmelting i lysbueovner med en forbrukbar elektrode, og for dypere raffinering brukes elektronstrålesmelting, som reduserer innholdet av urenheter i tantal betydelig, øker plastisiteten og reduserer overgangstemperaturen. til en sprø tilstand. Tantal av en slik renhet beholder høy duktilitet ved temperaturer nær absolutt null! Overflaten til tantalblokken smeltes (for å gi de nødvendige indikatorene på overflaten av barren) eller behandles på en dreiebenk.

Fysiske egenskaper

Først på begynnelsen av 1900-tallet fikk forskerne tak i rent metallisk tantal og var i stand til å studere i detalj egenskapene til dette lysegrå metallet med en litt blåaktig blyfarge. Hva er egenskapene til dette elementet? Definitivt, tantal er et tungmetall: tettheten er 16,6 g / cm 3 ved 20 ° C (til sammenligning har jern en tetthet på 7,87 g / cm 3, tettheten av bly er 11,34 g / cm 3) og for transport av en kubikkmeter dette elementet ville kreve seks tre-tonns lastebiler. Høy styrke og hardhet er kombinert i den med utmerkede plastegenskaper. Ren tantal egner seg godt til maskinering, er lett stemplet, bearbeidet til de tynneste arkene (ca. 0,04 mm tykke) og tråd (tantal elastisitetsmodul 190 Gn / m 2 eller 190 10 2 kgf / mm 2 ved 25 ° C). I kulde kan metallet bearbeides uten betydelig arbeidsherding, det utsettes for deformasjon med et kompresjonsforhold på 99% uten mellombrenning. Overgangen av tantal fra en plastisk tilstand til en sprø tilstand observeres ikke selv når den er avkjølt til -196 °C. Strekkfasthet av høyrent glødet tantal er 206 MN/m2 (20,6 kgf/mm2) ved 27°C og 190 MN/m2 (19 kgf/mm2) ved 490°C; forlengelse 36% (ved 27°C) og 20% ​​(ved 490°C). Tantal har et kubisk kroppssentrert gitter (a = 3.296 A); atomradius 1,46 A, ioniske radier Ta 2+ 0,88 A, Ta 5+ 0,66 A.

Som nevnt tidligere er tantal et veldig hardt metall (Brinell-hardheten til platetantal i glødet tilstand er 450-1250 MPa, i deformert tilstand 1250-3500 MPa). Dessuten er det mulig å øke hardheten til metallet ved å tilsette en rekke urenheter til det, for eksempel karbon eller nitrogen (Brinell-hardheten til et tantalark etter absorpsjon av gasser under oppvarming øker til 6000 MPa). Som et resultat bidrar interstitielle urenheter til en økning i Brinell-hardhet, strekkstyrke og flytestyrke, men reduserer duktilitetsegenskaper og øker kaldsprøhet, med andre ord gjør metallet sprøtt. Andre karakteristiske trekk ved det syttitredje elementet er dets høye varmeledningsevne, ved 20-100 ° C er denne verdien 54,47 W / (m∙K) eller 0,13 cal / (cm sek ° C) og ildfasthet (kanskje den viktigste fysiske egenskapen til tantal) - det smelter ved nesten 3000 ° C (mer presist, ved 2996 ° C), og gir etter dette bare til wolfram og rhenium. Kokepunktet til tantal er også ekstremt høyt: 5300 °C.

Når det gjelder andre fysiske egenskaper til tantal, er dens spesifikke varmekapasitet ved temperaturer fra 0 til 100 ° C 0,142 kJ / (kg K) eller 0,034 cal / (g ° C); temperaturkoeffisient for lineær ekspansjon av tantal 8,0 10 -6 (ved temperaturer på 20-1500 °C). Den spesifikke elektriske motstanden til det syttitredje elementet ved 0 ° C er 13,2 10 -8 ohm m, ved 2000 ° C 87 10 -8 ohm m. Ved 4,38 K blir metallet en superleder. Tantal er paramagnetisk, spesifikk magnetisk følsomhet er 0,849 10 -6 (ved 18 °C).

Så, tantal har et unikt sett med fysiske egenskaper: høy varmeoverføringskoeffisient, høy evne til å absorbere gasser, varmebestandighet, ildfasthet, hardhet, plastisitet. I tillegg kjennetegnes den av høy styrke - den egner seg godt til trykkbehandling med alle eksisterende metoder: smiing, stempling, rulling, tegning, vridning. Tantal kjennetegnes ved god sveisbarhet (sveising og lodding i argon, helium eller i vakuum). I tillegg har tantal eksepsjonell kjemisk og korrosjonsbestandighet (med dannelse av en anodefilm), lavt damptrykk og lav elektronarbeidsfunksjon, og i tillegg kommer det godt overens med levende vev i kroppen.

Kjemiske egenskaper

Definitivt, en av de mest verdifulle egenskapene til tantal er dens eksepsjonelle kjemiske motstand: i denne henseende er den nest etter edle metaller, og selv da ikke alltid. Den er motstandsdyktig mot saltsyre, svovelsyre, salpetersyre, fosforsyre og organiske syrer i alle konsentrasjoner (opp til en temperatur på 150 °C). Når det gjelder sin kjemiske stabilitet, ligner tantal på glass - det er uløselig i syrer og deres blandinger; selv aqua regia løser det ikke opp, mot hvilket gull og platina og en rekke andre verdifulle metaller er maktesløse. Det syttitredje elementet er løselig bare i en blanding av flussyre og salpetersyre. Dessuten skjer reaksjonen med flussyre bare med metallstøv og er ledsaget av en eksplosjon. Selv i varme salt- og svovelsyrer er tantal mer stabil enn tvillingbroren niob. Tantal er imidlertid mindre motstandsdyktig mot alkalier - varme løsninger av kaustiske alkalier korroderer metallet. Salter av tantalsyrer (tantalater) uttrykkes med den generelle formelen: xMe 2 O yTa 2 O 5 H 2 O, disse inkluderer MeTaO 3-metatantalater, Me 3 TaO 4-ortotantalater, salter av Me 5 TaO 5-typen, hvor Me er en alkalimetall; i nærvær av hydrogenperoksid dannes også pertantalater. De viktigste er alkalimetalltantalater - KTaO 3 og NaTaO 3; disse saltene er ferroelektriske.

Den høye korrosjonsmotstanden til tantal er også indikert av dens interaksjon med atmosfærisk oksygen, eller rettere sagt høy motstand mot denne effekten. Metallet begynner å oksidere bare ved 280 ° C, og blir dekket med en beskyttende film av Ta 2 O 5 (tantalpentoksid er det eneste stabile metalloksidet), som beskytter metallet mot virkningen av kjemiske reagenser og forhindrer strømmen av elektrisk strøm fra metallet til elektrolytten. Men når temperaturen stiger til 500 °C, blir oksidfilmen gradvis porøs, stratifiserer og skiller seg fra metallet, og fratar overflaten av det beskyttende laget mot korrosjon. Derfor er det tilrådelig å utføre varmtrykkbehandling i vakuum, siden metallet oksideres til en betydelig dybde i luft. Tilstedeværelsen av nitrogen og oksygen øker hardheten og styrken til tantal, reduserer samtidig dets duktilitet og gjør metallet sprøtt, og, som nevnt tidligere, danner tantal en fast løsning og oksiderer Ta 2 O 5 med oksygen (med en økning i O 2 innhold i tantal, en kraftig økning i styrkeegenskaper oppstår og en sterk reduksjon i duktilitet og korrosjonsmotstand). Tantal reagerer med nitrogen for å danne tre faser - en fast løsning av nitrogen i tantal, tantalnitrider: Ta 2 N og TaN - i temperaturområdet fra 300 til 1100 ° C. Det er mulig å kvitte seg med nitrogen og oksygen i tantal under høyvakuumforhold (ved temperaturer over 2000 °C).

Tantal reagerer svakt med hydrogen opp til oppvarming til 350 °C, reaksjonshastigheten øker betraktelig kun fra 450 °C (tantalhydrid dannes og tantal blir sprø). All den samme oppvarmingen i et vakuum (over 800 ° C), hvor reduksjon skjer, hjelper til med å kvitte seg med hydrogen. mekaniske egenskaper tantal, og hydrogenet fjernes fullstendig.

Fluor virker på tantal allerede ved romtemperatur, hydrogenfluorid reagerer også med metallet. Tørr klor, brom og jod har en kjemisk effekt på tantal ved en temperatur på 150 °C og over. Klor begynner å aktivt samhandle med metallet ved en temperatur på 250 °C, brom og jod ved en temperatur på 300 °C. Tantal begynner å samhandle med karbon ved svært høye temperaturer: 1200–1400 °C, med dannelse av ildfaste tantalkarbider, som er svært motstandsdyktige mot syrer. Med bor kombineres tantal for å danne borider - faste ildfaste forbindelser som er motstandsdyktige mot vannvann. Med mange metaller danner tantal kontinuerlige faste løsninger (molybden, niob, titan, wolfram, vanadium og andre). Med gull, aluminium, nikkel, beryllium og silisium danner tantal begrensede faste løsninger. Danner ingen forbindelser av tantal med magnesium, litium, kalium, natrium og noen andre elementer. Rent tantal er motstandsdyktig mot mange flytende metaller (Na, K, Li, Pb, U-Mg og Pu-Mg legeringer).

Smart metall. Dette begrepet dukket opp i næringslivet på midten av 1900-tallet. Smarte metaller har blitt brukt som materialer for høyteknologiske applikasjoner innen elektronikk og robotikk. Et av disse høyteknologiske metallene er tantal. I dag er det uløselig knyttet til konsepter som satellittkommunikasjon, ombordsystemer og telekommunikasjonsutstyr.

Hva er tantal? Historiske fakta

Tantal ble først oppdaget i 1802 av den svenske forskeren A.G. Ekeberg i to mineraler funnet i Sverige og Finland. Oksydet av dette elementet var veldig stabilt, og selv en stor mengde syre kunne ikke ødelegge strukturene. Forskeren fikk inntrykk av at metallet ikke kan mettes med syre. Ekeberg husket legenden om kong Tantalus, som var sønn av Zevs og som et resultat av straff ikke kunne stille sin sult og tørst. Hans lidelse ble kalt tantalmel.

Så forskeren, uansett hvor hardt han prøvde, kunne ikke isolere rent metall fra oksid, så han sammenlignet arbeidet sitt med tantalmel. Han ga navnet tantal til det kjemiske elementet, og han kalte mineralet som inneholdt dette metallet tantalitt. Først i 1903 fikk tyskeren Bolton W. det duktile metalltantal i sin rene form. Dens industrielle produksjon begynte først i 1922. Den første prøven av industriell produksjon av tantal var bare på størrelse med et fyrstikkhode. USA var de første som produserte det, og i 1942 ble et anlegg for produksjon av dette metallet lansert.

Fysiske egenskaper til tantal

Hva er tantal? sølvhvit. En sterk oksidfilm på den gir en likhet i utseende med bly. Metallet har høy styrke og hardhet og samtidig duktilitet. Når det gjelder plastisitet, sammenlignes det med gull.

I sin rene form er den perfekt gjenstand for mekanisk bearbeiding. Den er lett å stemple, rullet inn i et veldig tynt lag opptil 0,04 mm. Den produserer ledning av høy kvalitet. Tantal, hva er det? Det er et ildfast metall, hvis smeltepunkt er omtrent 3000 grader. Bare wolfram og rhenium overgår det i denne egenskapen. En av dens spesifikke kvaliteter er dens høye varmeledningsevne. Selv oksidfilmen som dannes på den reduserer ikke denne egenskapen.

Kjemiske egenskaper

Mange organiske og uorganiske syrer - klor, svovelsyre, saltsyre, salpetersyre og andre aggressive medier - forårsaker ikke korrosjon i tantal. Metallet oksideres når det varmes opp fra 200 til 300 grader, og et gassmettet lag dannes på det under oksidfilmen. De svake kjemiske egenskapene til tantal tillater ikke at det løses opp selv i vannvann, som smelter platina og gull.

I praksis er det bevist at rustfrie stål er mindre motstandsdyktige under drift, og deler laget av dem tjener en mye kortere periode enn produkter laget av tantal. Av alle de eksisterende syrene er det bare flussyre som kan løse dette metallet.

Legeringer

Den stabile motstanden til tantal mot syrer gjør det mulig å bruke det til tilsetningsstoffer til forskjellige legeringer som brukes til fremstilling av metallstrukturer. For fremstilling av valsede produkter - tråd, strimler, ark, rør - brukes en legering av tantal med hafnium. wolfram og tantal brukes til å lage skjæreinnsatser til ulike formål. Slike legeringer er preget av:

  • høy styrke;
  • økt hardhet;
  • ikke oksider;
  • har høy slitebestandighet;
  • er slitesterke;
  • har en betydelig viskositet;
  • gir utmerket styrke til verktøyets skjærekant.

Tantal-wolfram-legering, som inkluderer 7 % wolfram, er i stand til å tåle temperaturer opp til 1900 grader. Det er av stor interesse for spesialister. Og fra en legering av tantal med 10% wolfram lages dyser for rakettmotorer. I romteknologi brukes materialer som har god varmekapasitet eller ildfasthet, så tantallegeringer er mye brukt til fremstillingen.

Rollen som skrot

Tantalskrot utgjør en betydelig andel, opptil 30 % av leveransene til markedet, av det totale volumet. Det meste av metallet kommer fra skrapkondensatorer. Derfor er dets forsyninger direkte avhengig av aktiviteten til arbeid i elektronikkindustrien.

Og dette bestemmes i sin tur av det globale økonomiske tilstander. Andre kilder til skrap er brukte karbider. Legeringsskrotet, hvis hovedelement er nikkel, inneholder også tantal. I fremtiden vil forbrukeravfall være en viktig kilde til dette metallet.

Bruk av tantal

Selve metallet og dets legeringer er mye brukt i industrien. Det brukes til å lage:

  • tørre elektrolytiske kondensatorer;
  • varmeovner for vakuumovner;
  • indirekte oppvarming katoder;
  • anti-korrosjon utstyr;
  • atomreaktorer;
  • superledere;
  • ammunisjon med økt penetreringskraft;
  • massestandarder som har høy nøyaktighet;
  • skjæreverktøy med høy holdbarhet.

Metallets høye motstand mot korrosjon bidrar til å forlenge levetiden til tantalkondensatorer i elektroniske systemer opp til 12 år.

Smykkeindustrien bruker dette metallet til å lage urbokser og armbånd i stedet for platina. Tantalprodukter brukes også i medisinsk industri. Det blir ikke avvist av menneskekroppen, derfor produseres det fra det:

  • plater for kranier og bukhule;
  • binders som brukes til å koble sammen kar;
  • tykke tråder som erstatter sener;
  • tynne tråder for å sy nervetråder.

GOST metall

Det er flere metoder for å etablere GOST av tantal og dets oksid, for eksempel fotometrisk og spektral.

Spektralmetoden (GOST 18904.8) bestemmer innholdet av urenheter av kalsium, wolfram, kobber, kobolt, natrium, molybden i tantal og dets oksid. Resultatet av analysen er det aritmetiske gjennomsnittet oppnådd fra 2 bestemmelser med forskjellig vekt.

Den fotometriske metoden (GOST 18904.1) bestemmer innholdet av massefraksjonen av wolfram og molybden i tantal og oksid. I dette tilfellet beregnes resultatet av analysen som det aritmetiske gjennomsnittet av 3 bestemmelser, som utføres fra individuelle prøver.

Forekomster og utvinning av tantal

Hva er tantal? Dette er et svært sjeldent metall. I sin rene form blir det praktisk talt ikke observert. Du kan møte det i sammensetningen av mineraler og i form av sine egne forbindelser. I mineraler finnes den alltid sammen med niob, som i egenskaper er svært lik tantal. Forekomster med tantalforbindelser og mineraler finnes i mange land i verden.

Den største ligger i Frankrike. Lagrene av dette metallet er høye i Kina og Thailand. I CIS-landene er forekomstene mye mindre. Omtrent 420 tonn tantal er den årlige produksjonen i verden. Hovedanleggene som behandler metall er lokalisert i Tyskland og USA. På grunn av den raske utviklingen av elektronikk, der bruken av tantal ikke er det siste stedet, er det mangel på dette sjeldne metallet, noe som fører til leting etter nye forekomster.

Tantalpriser

Det meste av tantal, og dette er opptil 60 %, bruker omtrent 20 %. Prisene for dette sjeldne metallet kan endre seg raskt. Etterspørselen etter det gjenopprettes, for så å falle igjen. Analytikere spår at tilbud og etterspørsel vil svinge de neste årene, dette avhenger hovedsakelig av økonomiske faktorer.

Den omtrentlige prisen på tantal per 1 kg i rubler på det russiske markedet er:

  • ark - 65 660;
  • i barer - 73 030;
  • ledning - 73.700.

prospekter

Flere og flere mennesker begynner å bruke dette smarte metallet i medisinsk industri for behovene til rekonstruktiv kirurgi. Det brukes til å lage implantater. Tantalgarn kompenserer for muskelvev, tråd brukes til å feste bein, og tråder brukes til suturering. I forbindelse med den store omutstyret av verdens flyselskaper for behovene til flyindustrien, vil det fortsette å vokse. Legeringer i flyindustrien brukes til flymotorer. I tillegg fortsetter tantal å bli aktivt brukt til produksjon av datautstyr: prosessorer, skrivere.

Etterspørselen etter dette metallet i den kjemiske industrien er heller ikke avtagende. Det er mye brukt til produksjon av klor, hydrogenperoksid og mange syrer. Kjemiteknikk bruker det mye i produksjon av utstyr i kontakt med aggressive medier. Den mest seriøse forbrukeren av tantallegeringer gjenstår metallurgisk industri. Etterspørselen etter det er også økende i kjernekraftindustrien, hvor termisk ledningsevne hovedsakelig brukes i kombinasjon med plastisiteten og hardheten til tantal.

Tantal har et høyt smeltepunkt -- 3290 K (3017 °C); koker ved 5731 K (5458 °C).

Tettheten av tantal er 16,65 g/cm. Til tross for hardheten er den plast, som gull. Ren tantal egner seg godt til maskinering, er lett stemplet, rullet inn i tråd og de tynneste arkene med en tykkelse på hundredeler av en millimeter. Tantal er en utmerket getter (gass getter), ved 800 °C er den i stand til å absorbere 740 volumer gass. Tantal har et kroppssentrert kubisk gitter. Den har paramagnetiske egenskaper. Ved 4,38 K blir den en superleder. Rent tantal er et formbart metall, bearbeidet ved trykk i kulde uten betydelig arbeidsherding. Den kan deformeres til et reduksjonsforhold på 99 % uten mellomgløding. Overgangen av Tantal fra den duktile til den sprø tilstanden ved avkjøling til -196 °C ble ikke oppdaget. Tantals egenskaper avhenger i stor grad av renheten; urenheter av hydrogen, nitrogen, oksygen og karbon gjør metallet sprøtt.

Den elektroniske strukturen til atomet.

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

serienummer-73

Tilhørighet til gruppen - A

d- element

Tantal (V) oksid er et hvitt pulver, uløselig i enten vann eller syrer (unntatt H2F2). Meget ildfast (smelte = 1875°C). Den sure naturen til oksidet er ganske svakt uttrykt og manifesterer seg hovedsakelig i reaksjonen med alkalismelter: tantalatomoksidasjon av niob

Ta2O5 + 2NaOH = 2NaTaO3 + H2O

eller karbonater:

Ta2O5 + 3Na2CO3 = 2Na3TaO4 + 3CO2

Salter som inneholder tantal i oksidasjonstilstanden -4, -5 kan være av flere typer: NaTaO3 metatantalater, Na3TaO4 ortotantalater, men det er penta- og heksapolyioner som krystalliserer sammen med vannmolekyler, 7- og 8-. Femladet tantal reagerer med syrer for å danne TaO3+-kationet og TaO(NO3)3- eller Nb2O5(SO4)3-salter, og fortsetter "tradisjonen" til sideundergruppen introdusert av vanadiumionet VO2+.

Ved 1000 ° С interagerer Ta2O5 med klor og hydrogenklorid:

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

Derfor kan det hevdes at tantal (V) oksid også er preget av amfoterisitet med overlegenhet av syreegenskaper over egenskapene til en base.

Hydroksydet som tilsvarer tantal (V) oksid oppnås ved å nøytralisere sure oppløsninger av tantaltetraklorid. Denne reaksjonen bekrefter også ustabiliteten til +4-oksidasjonstilstanden.

Ved lave oksidasjonsgrader er de mest stabile forbindelsene halogenider (se fig. 3) Den enkleste måten å få dem på er gjennom pyridinkomplekser. TaX5-pentahalider (hvor X er C1, Br, I) reduseres lett av pyridin (betegnet med Py) med dannelse av komplekser av sammensetningen MX4(Py)2.

Salter av tantal. Salter av den sjette undergruppen er overveiende fargeløse krystaller eller hvite pulvere. Mange av dem er svært hygroskopiske og smelter i luft. Oksidene til disse metallene har amfotere egenskaper, så de fleste av deres salter hydrolyseres lett, og blir til basiske salter som er lite eller fullstendig uløselige i vann, salter er også kjent der disse metallene er en del av anionene (for eksempel niobater og tantalater ) Hydrering og dehydrering. Alle katalysatorer av denne klassen har en sterk affinitet for vann. Hovedrepresentanten for klasse b er alumina. Fosforsyre eller dens sure salter brukes også på bærere som aluminosilikatgel og silikagel med tantal-, zirkonium- eller hafniumoksider. I de første arbeidene om separasjon av tantal og niob ved fraksjonert ekstraksjon ble systemene saltsyre - xylen - metyldioktylamin (1952), samt saltsyre - flussyre - diisopropylketon (1953) foreslått. Begge metallene løses opp i vandige løsninger av syrer i form av salter, og deretter ekstraheres tantal med et organisk løsningsmiddel. I systemet 6/W svovelsyre--9 Ai flussyre

7. Tantal brukes til å lage spinndyser for å trekke tråder i produksjon av kunstige fibre. Tidligere ble slike dyser laget av platina og gull. De hardeste legeringene er laget av tantalkarbid med nikkel som sementeringstilsetning. De er så harde at de etterlater riper selv på diamant, som regnes som standarden for hardhet.

Den første plassen når det gjelder den kritiske temperaturen for overgangen til superledende tilstand ble gitt til niobgermanid Nb3Ge. Dens kritiske temperatur er 23,2K (omtrent -250 °C). En annen forbindelse, niobstannid, blir en superleder ved en litt lavere temperatur på -255°C. For å verdsette dette faktum mer fullstendig, påpeker vi at de fleste superledere bare er kjent for flytende heliumtemperaturer (2,172 K). Superledere laget av niobmaterialer gjør det mulig å produsere magnetiske spoler som genererer ekstremt kraftige magnetfelt. En magnet med en diameter på 16 cm og en høyde på 11 cm, der viklingen er et bånd av slikt materiale, er i stand til å skape et felt med kolossal intensitet. Det er bare nødvendig å overføre magneten til en superledende tilstand, dvs. å avkjøle den, og avkjøling til lavere temperatur er selvfølgelig lettere å oppnå.

Rollen til niob i sveising er viktig. Mens vanlig stål ble sveiset, ga denne prosessen ingen spesielle vanskeligheter og skapte ingen vanskeligheter. Men når strukturer fra spesialstål med kompleks kjemisk sammensetning begynte å bli sveiset, begynte sveiser å miste mange verdifulle kvaliteter av metallet som ble sveiset. Verken endringer i sammensetningen av elektrodene, eller forbedring av designene til sveisemaskiner, eller sveising i en atmosfære av inerte gasser ga noen effekt. Det var her niob kom til unnsetning. Stål, der niob er introdusert som et lite tilsetningsstoff, kan sveises uten frykt for kvaliteten på sveisesømmen (fig. 4). Skjørheten til sømmen er gitt av karbidene som oppstår under sveising, men evnen til niob til å kombinere med karbon og forhindre dannelse av karbider av andre metaller som bryter med egenskapene til legeringene reddet situasjonen. Karbidene av niob i seg selv, som tantal, har tilstrekkelig viskositet. Dette er spesielt verdifullt ved sveising av kjeler og gassturbiner som opererer under trykk og i aggressive miljøer.

Niob og tantal er i stand til å absorbere betydelige mengder gasser som hydrogen, oksygen og nitrogen. Ved romtemperatur er 1 g niob i stand til å absorbere 100 cm3 hydrogen. Men selv med sterk oppvarming svekkes denne egenskapen praktisk talt ikke. Ved 500°C kan niob fortsatt absorbere 75 cm3 hydrogen, og tantal kan absorbere 10 ganger mer. Denne egenskapen brukes i høyvakuumapplikasjoner eller i elektroniske applikasjoner der det er nødvendig å opprettholde nøyaktig ytelse ved høye temperaturer. Niob og tantal, avsatt på overflaten av deler, absorberer gasser som en svamp, og sikrer stabil drift av enhetene. Ved hjelp av disse metallene har rekonstruktiv kirurgi oppnådd stor suksess. Ikke bare tantalplater, men også tantal- og niobtråder kom inn i medisinsk praksis. Kirurger har med hell brukt disse suturene til å reparere revne sener, blodårer og nerver. Tantal "garn" tjener til å kompensere for muskelstyrke. Med sin hjelp styrker kirurger veggene i bukhulen etter operasjonen. Tantal har en usedvanlig sterk binding mellom atomer. Dette forklarer dets ekstremt høye smelte- og kokepunkt. Mekaniske egenskaper og kjemisk motstand bringer tantal nærmere platina. Den kjemiske industrien bruker denne gunstige kombinasjonen av tantalkvaliteter. Deler av syrefast utstyr til kjemiske anlegg, varme- og kjøleenheter som har kontakt med et aggressivt miljø, er forberedt fra det.

I den raskt utviklende kjernekraftindustrien brukes to egenskaper av niob. Niob har en fantastisk "gjennomsiktighet" for termiske nøytroner, det vil si at det er i stand til å føre dem gjennom et lag av metall, praktisk talt uten å reagere med nøytroner. Den kunstige radioaktiviteten til niob (oppnådd ved kontakt med radioaktive materialer) er liten. Derfor kan den brukes til å lage beholdere for lagring av radioaktivt avfall og installasjoner for deres behandling. En annen ikke mindre verdifull (for en atomreaktor) egenskap til niob er fraværet av merkbar interaksjon med uran og andre metaller selv ved en temperatur på 1000 °C. Smeltet natrium og kalium, som brukes som kjølevæsker i noen typer atomreaktorer, kan fritt sirkulere gjennom niobiumrør uten å skade dem.

Historie

Tantal ble oppdaget i 1802 av den svenske kjemikeren A. G. Ekeberg i to mineraler funnet i Finland og Sverige. Det var imidlertid ikke mulig å isolere den i sin rene form. På grunn av vanskeligheten med å få tak i dette elementet, ble det oppkalt etter helten fra gammel gresk mytologi, Tantalus.

Deretter ble tantal og "columbium" (niob) ansett som identiske. Først i 1844 beviste den tyske kjemikeren Heinrich Rose at mineralet kolumbitt-tantalitt inneholder to forskjellige grunnstoffer - niob og tantal.

Verdens største forekomst av tantalmalm, Greenbushes, ligger i Australia i delstaten Vest-Australia, 250 km sør for Perth.

Fysiske egenskaper

Ved temperaturer under 4,45 K går den over i superledende tilstand.

isotoper

Naturlig tantal består av en blanding av en stabil isotop og en stabil isomer: 181 Ta (99,9877%) og 180m Ta (0,0123%). Sistnevnte er en ekstremt stabil isomer (eksitert tilstand) av 180 Ta isotopen, med en halveringstid på litt over 8 timer.

Kjemiske egenskaper

Under normale forhold er tantal inaktivt, det oksiderer i luft bare ved temperaturer over 280 ° C, og blir dekket med en oksidfilm av Ta 2 O 5; reagerer med halogener ved temperaturer over 250 °C. Ved oppvarming reagerer den med C, B, Si, P, Se, Te, H 2 O, CO, CO 2, NO, HCl, H 2 S.

Kjemisk rent tantal er eksepsjonelt motstandsdyktig mot flytende alkalimetaller, de fleste uorganiske og organiske syrer og mange andre aggressive medier (med unntak av smeltede alkalier).

Når det gjelder kjemisk motstand mot reagenser, ligner tantal på glass. Tantal er uløselig i syrer og deres blandinger, bortsett fra en blanding av flussyre og salpetersyre; selv aqua regia løser det ikke opp. Reaksjonen med flussyre skjer bare med metallstøv og er ledsaget av en eksplosjon. Svært motstandsdyktig mot svovelsyre uansett konsentrasjon og temperatur (ved 200 ° C korroderer metallet i syre med bare 0,006 millimeter per år), stabilt i deoksygenerte smeltede alkalimetaller og deres overopphetede damper (litium, natrium, kalium, rubidium, cesium) .

Toksikologi

Utbredelse

Kvittering

De viktigste råvarene for produksjon av tantal og dets legeringer er tantalitt- og loparittkonsentrater som inneholder ca. 8 % Ta 2 O 5 , samt 60 % eller mer Nb 2 O 5 . Konsentrater spaltes av syrer eller alkalier, loparittkonsentrater kloreres. Separasjonen av Ta og Nb utføres ved ekstraksjon. Tantalmetall oppnås vanligvis ved reduksjon av Ta 2 O 5 med karbon, eller elektrokjemisk fra smelter. Kompakt metall produseres ved vakuumbue, plasmasmelting eller pulvermetallurgi.

For å få 1 tonn tantalkonsentrat er det nødvendig å behandle opptil 3000 tonn malm.

Pris

applikasjon

Den ble opprinnelig brukt til å lage ledning til glødelamper. I dag brukes tantal og dets legeringer til å lage:

  • varmebestandige og korrosjonsbestandige legeringer;
  • korrosjonsbestandig utstyr for kjemisk industri, spinnedyser, laboratorieglassvarer og digler for å oppnå, smelte og støpe sjeldne jordartselementer, samt yttrium og skandium;
  • varmevekslere for kjernekraftsystemer (tantal er det mest stabile av alle metaller i overopphetede smelter og cesiumdamp);
  • i kirurgi brukes tantalplater, folie og tråd til å feste vev, nerver, suturering, lage proteser som erstatter skadede deler av bein (på grunn av biologisk kompatibilitet);
  • tantaltråd brukes i kryotroner - superledende elementer installert i datateknologi;
  • i produksjon av ammunisjon brukes tantal til å lage metallforing av avanserte ladninger, noe som forbedrer panserpenetrasjon;
  • tantal og niob brukes til å lage elektrolytiske kondensatorer (høyere kvalitet enn elektrolytiske kondensatorer av aluminium, men designet for lavere spenning);
  • tantal har blitt brukt de siste årene som et smykkemetall, på grunn av dets evne til å danne holdbare oksidfilmer av vakre regnbuefarger på overflaten;
  • kjernefysiske isomeren tantal-180m2, som akkumuleres i konstruksjonsmaterialene til atomreaktorer, kan sammen med hafnium-178m2 tjene som en kilde til gammastråler og energi i utviklingen av våpen og spesialkjøretøyer.
  • US Bureau of Standards og International Bureau of Weights and Measures of France bruker tantal i stedet for platina for å lage analytiske vekter med høy presisjon;
  • Tantalberyllid er ekstremt hardt og motstandsdyktig mot oksidasjon i luft opp til 1650 ° C, brukt i romfartsteknologi;
  • Tantalkarbid (smeltepunkt 3880 ° C, hardhet nær diamantens) brukes i produksjon av harde legeringer - en blanding av wolfram og tantalkarbider (TT-indekskvaliteter), for de vanskeligste metallbearbeidingsforholdene og perkussiv rotasjonsboring av sterkeste materialer (stein, kompositter), og også brukt på dyser, dyser av raketter;
  • Tantal(V)oksid brukes i kjernefysisk teknologi for å smelte glass som absorberer