Тантал

Распространение в природе

Физические свойства

Химические свойства

Получение

Применение

Тантал (лат. Tantalum), Та, химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 73, атомная масса 180,948; металл серого цвета со слегка свинцовым оттенком. В природе находится в виде двух изотопов: стабильного ¹⁸¹Та (99,99%) и радиоактивного ¹⁸⁰Та (0,012%; T_½ = 10¹² лет). Из искусственно полученных радиоактивный ¹⁸²Та (Т_½ = 115,1 сут) используют как радиоактивный индикатор.

Элемент открыт в 1802 году шведским химиком А. Г. Эксбергом; назван по имени героя древнегреческой мифологии Тантала (из-за трудностей получения Tантала в чистом виде). Пластичный металлический Тантал впервые получил в 1903 году немецкий химик В. Больтон.

Распространение Тантала в природе. Среднее содержание Тантала в земной коре (кларк) 2,5·10^-4% по массе. Характерный элемент гранитной и осадочной оболочек (среднее содержание достигает 3,5·10^-4%); в глубинных частях земной коры и особенно в верх, мантии Тантал мало (в ультраосновных породах 1,8·10^-6%). В большинстве магматических пород и биосфере Тантал рассеян; его содержание в гидросфере и организмах не установлено. Известно 17 собственных минералов Тантал и более 60 танталсодержащих минералов; все они образовались в связи с магматической деятельностью (танталит, колумбит, лопарит, пирохлор и другие). В минералах Тантал находится совместно с ниобием вследствие сходства их физических и химических свойств. Руды Тантала известны в пегматитах гранитных и щелочных пород, карбонатитах, в гидротермальных жилах, а также в россыпях, которые имеют наибольшее практическое значение.

Физические свойства Тантала. Тантал имеет кубическую объемноцентрированную решетку (а = 3,296 Å); атомный радиус 1,46 Å, ионные радиусы Та²⁺ 0,88 Å, Та⁵⁺ 0,66 Å; плотность 16,6 г/см³ при 20 °С; t_пл 2996 °С; Т_кип 5300 °С; удельная теплоемкость при 0-100°С 0,142 кдж/(кг·К) [0,034 кал/(г·°С)]; теплопроводность при 20-100 °С 54,47 Вт/(м·К) [0,13 кал/ (см·сек·°С)]. Температурный коэффициент линейного расширения 8,0·10^-6 (20-1500 °С); удельное электросопротивление при 0 °С 13,2·10^-8 ом·м, при 2000 °С 87·10^-8 ом·м. При 4,38 К становится сверхпроводником. Тантал парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 0,849·10^-6 (18 °С). Чистый Тантал - пластичный металл, обрабатывается давлением на холоду без значительного наклепа. Его можно деформировать со степенью обжатия 99% без промежуточного отжига. Переход Тантала из пластичного в хрупкое состояние при охлаждении до -196 °С не обнаружен. Модуль упругости Тантала 190 Гн/м² (190·10² кгс/мм²) при 25 °С. Предел прочности при растяжении отожженного Тантала высокой чистоты 206 Мн/м² (20,6 кгс/мм²) при 27 °С и 190 Мн/м² (19 кгс/мм²) при 490 °С; относительное удлинение 36% (27 °С) и 20% (490 °С). Твердость по Бринеллю чистого рекристаллизованного Тантала 500 Мн/м² (50 кгс/мм²). Свойства Тантала в большой степени зависят от его чистоты; примеси водорода, азота, кислорода и углерода делают металл хрупким.

Химические свойства Тантала. Конфигурация внешних электронов атома Та 5d³6s². Наиболее характерная степень окисления Тантала +5; известны соединения с низшей степенью окисления (например, ТаСl₄, ТаСl₃, ТаCl₂), однако их образование для Тантал менее характерно, чем для ниобия.

В химическом отношении Тантал при обычных условиях малоактивен (сходен с ниобием). На воздухе чистый компактный Тантал устойчив; окисляться начинает при 280 °С. Имеет лишь один стабильный оксид - (V) Та₂О₅, который существует в двух модификациях: α-форме белого цвета ниже 1320 °С и β-форме серого цвета выше 1320 °С; имеет кислотный характер. С водородом при температуре около 250 °С Тантал образует твердый раствор, содержащий до 20 ат.% водорода при 20 °С; при этом Тантал становится хрупким; при 800-1200 °С в высоком вакууме водород выделяется из металла и его пластичность восстанавливается. С азотом при температуре около 300 °С образует твердый раствор и нитриды Ta₂N и TaN; в глубоком вакууме выше 2200 °С поглощенный азот вновь выделяется из металла. В системе Та - С при температуре до 2800 °С установлено существование трех фаз: твердого раствора углерода в Тантале, низшего карбида Т₂С и высшего карбида ТаС. Тантал реагирует с галогенами при температуре выше 250 °С (с фтором при комнатной температуре), образуя галогениды преимущественно типа ТаХ₃ (где X = F, Cl, Вг, I). При нагревании Та взаимодействует с С, В, Si, Р, Se, Те, водой, СО, СО₂, NO, HCl, H₂S.

Чистый Тантал исключительно устойчив к действию многих жидких металлов: Na, К и их сплавов, Li, Pb и других, а также сплавов U - Mg и Pu - Mg. Тантал характеризуется чрезвычайно высокой коррозионной устойчивостью к действию большинства неорганических и органических кислот: азотной, соляной, серной, хлорной и других, царской водки, а также многих других агрессивных сред. Действуют на Тантал фтор, фтористый водород, плавиковая кислота и ее смесь с азотной кислотой, растворы и расплавы щелочей. Известны соли танталовых кислот - танталаты общей формулы xMe₂O·yТа₂О₅·H₂O: метатанталаты МеТаО₃, ортотанталаты Ме₃ТаО₄, соли типа Me₅TaO₅, где Me - щелочной металл; в присутствии перекиси водорода образуются также пертанталаты. Наиболее важны танталаты щелочных металлов - КТаО₃ и NaTaO₃; эти соли -сегнетоэлектрики.

Получение Тантала. Руды, содержащие Тантал, редки, комплексны, бедны Танталом; перерабатывают руды, содержащие до сотых долей процента (Та, Nb)₂O₅, и шлаки восстановительной плавки оловянных концентратов. Основным сырьем для производства Тантала, его сплавов и соединений служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие соответственно около 8% Ta₂O₅ и 60% и более Nb₂O₅. Концентраты перерабатывают обычно в три стадии: 1) вскрытие, 2) разделение Та и Nb и получение их чистых соединений, 3) восстановление и рафинирование Та. Танталитовые концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые - хлорируют. Разделяют Та и Nb с получением чистых соединений экстракцией, например, трибутилфосфатом из плавиковокислых растворов, или ректификацией хлоридов.

Для производства металлического Тантала применяют восстановление его из Ta₂O₅ сажей в одну или в две стадии (с предварительным получением ТаС из смеси Ta₂O₅ с сажей в атмосфере СО или Н₂ при 1800-2000 °С); электрохимическое восстановление из расплавов, содержащих K₂TaF₇ и Та₂О₅, и восстановление натрием K₂TaF₇ при нагревании. Возможны также процессы термической диссоциации хлорида или восстановление из него Тантала водородом. Компактный металл производят либо вакуумной дуговой, электроннолучевой или плазменной плавкой, либо методами порошковой металлургии. Слитки или спеченные из порошков штабики обрабатывают давлением; монокристаллы особо чистого Тантала получают бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.

Применение Тантала. Тантал обладает комплексом ценных свойств - хорошей пластичностью, прочностью, свариваемостью, коррозионной устойчивостью при умеренных температурах, тугоплавкостью, низким давлением пара, высоким коэффициентом теплопередачи, небольшой работой выхода электронов, способностью образовывать анодную пленку (Та₂О₅) с особыми диэлектрическими характеристиками и "уживаться" с живой тканью организма. Благодаря этим свойствам Тантал находит применение в электронике, химические машиностроении, ядерной энергетике, в металлургии (производство жаропрочных сплавов, нержавеющих сталей), в медицине; в виде ТаС его применяют в производстве твердых сплавов. Из чистого Тантала изготовляют электрические конденсаторы для полупроводниковых приборов, детали электронных ламп, коррозионноустойчивую аппаратуру для химические промышленности, фильеры в производстве искусственного волокна, лабораторную посуду, тигли для плавки металлов (например, редкоземельных) и сплавов, нагреватели высокотемпературных печей; теплообменники для ядерно-энергетических систем. В хирургии листы, фольгу, проволоку из Тантала применяют для скрепления костей, нервов, наложения швов и др. Применение находят танталовые сплавы и соединения.