Тантал

Производство тантала

Самыми большими запасами тантала обладает Австралия. Именно это государство по праву считается лидером по производству этого вещества.

Производство тантала в России

В нашей стране уже многие производство тантала лежит на плечах Соликамского магниевого завода. Здесь данный металл получают из лопаритовых концентратов. Они поступают на завод из Ловозерского месторождения. В некоторых случаях для этой цели используется импортное сырье, которое представлено такими веществами, как рутил, колумбит, танталит, стрюверит.

Лидерами в области производства тантала являются Соединенные Штаты Америки, Китай и Япония. В мире насчитывается приблизительно сорок компаний, которые занимаются изготовления такого материала, как тантал. Крупнейшей фирмой по изготовлению этого металла является компания из Соединенных Штатов Америки Cabot Corporation. Ее филиалы открыты на территориях разных стран мира.

Тантал цена за грамм является достаточно не высокой. В среднем производители продают тантал в размере одного грамма за пол доллара. Килограмм обходится сегодня более одной тысячи долларов.

Шлакопортландцемент

Шлакопортландцементом называется искусственно полученное гидравлическое вещество, обладающее вяжущим эффектом.

Огнезащита металлоконструкций

Ни для кого не секрет, что металлу не свойственна горючесть. Однако, не смотря на это, воздействие высоких температур приводит к изменению его твердости, в результате чего металл становится мягким, гибким и в результате способен деформироваться. Все это является причинами, по которым несущая способность металла утрачивается, что может стать причиной обрушения целого здания или его отдельной части во время пожара. Несомненно, это очень опасно для человеческой жизни. Для того, чтобы не допустить такого, при строительстве применяются разнообразные составы, способные сделать металлоконструкцию более устойчивой к высоким температурам.

Металлизированная краска

Настоящего золота или серебра в современных металлических печатных красках, конечно же, нет. Но они очень удачно имитируют благородные металлы, так как на треть состоят из металлических пигментов серебристого или золотистого цвета.

Свойства фенола

Фенолы и их производные содержатся в древесине, торфе, буром и кам. углях, нефтяных остатках. В живой природе фенолы, гл. обр. в виде производных, присутствуют в клетках растений.

Вещества ускоряющие высыхание красок

Сиккативы — соединения свинца, кобальта, марганца и цинка, которые, будучи добавлены в высыхающие масла, ускоряют их высыхание.

Цинкование металла

Для защиты от коррозии сегодня создано большое количество методов. Они направлены на то, чтобы с помощью специальных растворов или веществ на поверхности металлических изделий появлялась тонкая защитная пленка, которая препятствует попаданию на металл кислорода и продуктов, имеющихся в агрессивной среде.

Защита металла от коррозии

Слово коррозия произошло от латинского corrodere. Оно в переводе означает «разъедать». Чаще всего встречается коррозия металла. Однако есть случаи, когда от коррозии страдают и изделия из других материалов.

Тантал
← Гафний | Вольфрам →

73	Nb ↑Ta ↓ Db

Внешний вид простого вещества

Тяжёлый твёрдый металл серого цвета

Свойства атома

Название, символ, номер Танта́л / Tantalum (Ta), 73

Атомная масса (молярная масса) 180,94788(2) а. е. м. (г/моль)

Электронная конфигурация 4f 14 5d 3 6s 2

Радиус атома 149 пм

Химические свойства

Ковалентный радиус 134 ? пм

Радиус иона (+5e) 68 пм

Электроотрицательность 1,5 (шкала Полинга)

Электродный потенциал −1,12

Степени окисления 5

Энергия ионизации (первый электрон) 760,1 (7,88) кДж/моль (эВ)

Термодинамические свойства простого вещества

Плотность (при н. у.) 16,65 г/см³

Температура плавления 3290 K (3017 °C)

Температура кипения 5731 K (5458 °C)

Уд. теплота плавления 24,7 кДж/моль

Уд. теплота испарения 758 кДж/моль

Молярная теплоёмкость 25,39 Дж/(K·моль)

Молярный объём 10,9 см³/моль

Кристаллическая решётка простого вещества

Структура решётки кубическаяобъёмноцентрированая

Параметры решётки 3,310 Å

Температура Дебая 225,00 K

Прочие характеристики

Теплопроводность (300 K) 57,5 Вт/(м·К)

Номер CAS 7440-25-7

Эмиссионный спектр

4f 14 5d 3 6s 2

Танта́л — химический элемент с атомным номером 73 в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, обозначается символом Ta (лат. Tantalum ). При стандартных условиях представляет собой блестящий серебристо-белый металл (со слабым свинцовым (синеватым) оттенком вследствие образования плотной оксидной плёнки).

тантал

Реакции вещества:

1. При 400°C окисляется на воздухе с образованием оксида тантала.
   4Ta + 5O₂ → 2Ta₂O₅
2. Быстро растворяется в горячих концентрированных растворах гидроксидов калия или натрия.
3. Реагирует с бромом выше 300 С.
4. Реагирует с хлором выше 250 С.
5. Реагирует со фтором при комнатной температуре.
6. При нагревании в атмосфере азота ниже 600 С образует нитрид танатала.

Реакции вещества:

1. Реакция фтора с кадмием, цирконием, ниобием, танталом, хромом, марганцем, кобальтом начинается при 300-350 С.
2. Тантал заметно реагирует с олеумом при комнатной температуре.
3. Тантал растворяется в плавиковой кислоте.
4. Тантал быстро растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот.
5. Выше 300 С тантал активно растворяет водород. Растворимость водорода в металле понижается с ростом температуры. Насыщению водородом соответствует гидрид тантала TaH, который обычно содержит водорода меньше стехиометрического. Насыщенный водородом металл хрупок и может быть легко измельчен.

Реакции, в которых вещество не участвует:

1. Устойчив к действию азотной, азотистой, бромистоводородной, мышьяковистой, фосфорной, серной, соляной, хлорной, хлорноватистой, хромовой, синильной кислот.
2. Устойчив в водном растворе аммиака.
3. Устойчив в водных растворах солей.
4. Устойчив к органическим веществам.
5. Устойчив к действию иода до температуры красного каления.

Реакции, в которых вещество не участвует:

1. Тантал устойчив к действию водных растворов соляной кислоты любой концентрации до температуры их кипения.
2. Тантал устойчив к газообразному хлороводороду до 400 С.
3. Тантал устойчив к газообразному бромоводороду до 375 С.
4. На тантал не действует царская водка.

Периоды полураспада:

155₇₃156₇₃+156m₇₃+157₇₃158₇₃158m₇₃158n₇₃159₇₃159m₇₃160₇₃160m₇₃161m₇₃162₇₃+163₇₃+164₇₃+165₇₃+166₇₃+167₇₃+168₇₃+169₇₃+170₇₃+171₇₃+172₇₃+173₇₃+174₇₃+175₇₃+176₇₃+176m₇₃176n₇₃176p₇₃177₇₃+177m₇₃177n₇₃177p₇₃177q₇₃178₇₃+178m₇₃+178n₇₃178p₇₃179₇₃179m₇₃179n₇₃179p₇₃179q₇₃179r₇₃179x₇₃180₇₃+180m₇₃180n₇₃180p₇₃180q₇₃181₇₃181m₇₃181n₇₃181p₇₃181q₇₃181r₇₃182₇₃-182m₇₃182n₇₃183₇₃-183m₇₃183n₇₃184₇₃-185₇₃-185m₇₃185n₇₃186₇₃-186m₇₃187₇₃187m₇₃188₇₃-188m₇₃189m₇₃190₇₃-190m₇₃192₇₃–

История:

Открыт шведским химиком А.Г. Экебергом в 1802 г. в минерале, найденном в 1746 г. в Кимито (Финляндия) и названном позднее танталитом. Название элементу Экеберг дал из-за трудов, которые он преодолел, пытаясь растворить содержащие тантал минералы в кислотах, по аналогии с именем Фригийского царя из греческой мифологии Тантала, осужденного за жестокость Зевсом на вечные муки.

Первый пластичный танатал в 1903 г. получил немецкий химик В. Болтон. Металл сразу же нашел промышленное применение для изготовления нитей накаливания электрических ламп. Большие партии этих ламп были изготовлены в 1905-1911 гг., затем тантал был заменен менее летучим при рабочей температуре вольфрамом.

Дополнительная информация::

Электронная конфигурация атома 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d36s2.

Не растворим в кислотах, царской водке.

Реагирует со смесью азотной и плавиковой кислот, расплавленными щелочами. Легко растворяется в смеси 40% плавиковой кислоты с 15% перекисью водорода. Растворяется в кипящих 40% растворах KOH или NaOH.

В виде мелкого порошка реагирует при нагревании с галогенами, серой, углеродом, азотом, водородом, кремнием.

Этимология названия:

От имени древне-греческого героя мифологии Тантала, осужденного на вечную неутолимую жажду. Назван так из-за трудности получения в чистом виде.

Источники информации:

1. Гибало И.М. Аналитическая химия ниобия и тантала. – М.: Наука, 1967. – С. 5-16
2. Ниобий и тантал. – М.: Металлургия, 1990
3. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. – Л.: Химия, 1977. – С. 102
4. Химическая энциклопедия. – Т. 4. – М.: Советская энциклопедия, 1995. – С. 494-495

• Написать вопрос на форум сайта (требуется зарегистрироваться на форуме). Там вам ответят или подскажут где вы ошиблись в запросе.
• Отправить пожелания для базы данных (анонимно).

Химические свойства

При нормальных условиях тантал малоактивен, на воздухе окисляется лишь при температуре свыше 280 °C, покрываясь оксидной плёнкой Ta2O5; с галогенами реагирует при температуре свыше 250 °C. При нагревании реагирует с С, В, Si, P, Se, Те, H2O, СО, CO2, NO, HCl, H2S.

Химически чистый тантал исключительно устойчив к действию жидких щелочных металлов, большинства неорганических и органических кислот, а также многих других агрессивных сред (за исключением расплавленных щелочей).

В отношении химической устойчивости к реагентам, тантал подобен стеклу. Тантал нерастворим в кислотах и их смесях, кроме смеси плавиковой и азотной кислот; его не растворяет даже царская водка. Реакция с плавиковой кислотой идёт только с пылью металла и сопровождается взрывом. Очень устойчив к воздействию серной кислоты любой концентрации и температуры (при 200 °C металл корродирует в кислоте лишь на 0,006 миллиметра в год), устойчив в обескислороженных расплавленных щелочных металлах и их перегретых пара́х (литий, натрий, калий, рубидий, цезий).

Электронная схема тантала

Одинаковую электронную конфигурацию имеют атом тантала и +1W, +2Re, +3Os, +4Ir

Порядок заполнения оболочек атома тантала (Ta) электронами: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p.

На подуровне ‘s’ может находиться до 2 электронов, на ‘s’ — до 6, на ‘d’ — до 10 и на ‘f’ до 14

Тантал имеет 73 электрона, заполним электронные оболочки в описанном выше порядке:

2 электрона на 1s-подуровне

2 электрона на 2s-подуровне

6 электронов на 2p-подуровне

2 электрона на 3s-подуровне

6 электронов на 3p-подуровне

2 электрона на 4s-подуровне

10 электронов на 3d-подуровне

6 электронов на 4p-подуровне

2 электрона на 5s-подуровне

10 электронов на 4d-подуровне

6 электронов на 5p-подуровне

2 электрона на 6s-подуровне

14 электронов на 4f-подуровне

3 электрона на 5d-подуровне

Степень окисления тантала

Атомы тантала в соединениях имеют степени окисления 5, 4, 3, 2, 1, -1, -3.

Степень окисления — это условный заряд атома в соединении: связь в молекуле между атомами основана на разделении электронов, таким образом, если у атома виртуально увеличивается заряд, то степень окисления отрицательная (электроны несут отрицательный заряд), если заряд уменьшается, то степень окисления положительная.

5+Ta 4+Ta 3+Ta 2+Ta 1+Ta 1-Ta 3-Ta

Ta 0

Валентность Ta

Атомы тантала в соединениях проявляют валентность V, IV, III, II, I.

Валентность тантала характеризует способность атома Ta к образованию хмических связей. Валентность следует из строения электронной оболочки атома, электроны, участвующие в образовании химических соединений называются валентными электронами. Более обширное определение валентности это:

Валентность не имеет знака.

Квантовые числа Ta

Квантовые числа определяются последним электроном в конфигурации, для атома Ta эти числа имеют значение N = 5, L = 2, Ml = 0, Ms = ½

Видео заполнения электронной конфигурации (gif):

Результат:

Основные характеристики тантала:

• Порядковый номер73
• Атомный вес180,95
• Плотность16,6
• Радиус атома1,46
• Радиус пятивалентного иона0,69
• Электросопротивление13,5*10-5
• Температура плавления2997

Наличие растворенных газов в металлическом тантале сильно уменьшает его пластичность.Чистые металлы (99,9%) в отожженом состоянии хорошо поддаются механической обработке, легко (вхолодную) прокатываются ( в листы толщиной около 0,04 мм и в тонкую проволоку) и штампуются. Микротвердость металлического тантала 108 кг/мм2.

Наиболее ценным свойством, определяющим применение тантала, является в первую очередь его исключительная устойчивость по отношению к кислотам; тантал не растворяется в царской водке и концентрированной азотной кислоте. Тантал отличается особенной устойчивостью. Растворы щелочей почти не действуют на тантал.Совершенно не действуют на тантал также расплавы некоторых солей и различные органические соединения. Другим важным свойством металлического тантала является способность поглощать газы – водород, азот и другие – с образованием соответствующих твердых растворов, являющихся фазами внедрения. Растворимость водорда в тантале резко падает с повышением температуры.

Растворимость водорода в металлическом тантале в зависимости от температуры показана на графике слева.

Тантал растворяет также кислородв количестве до 0,8% по весу

Растворимость кислорода в тантале и ниобии при различных температурах подробно изучал ученый Стейболт., показавший ход изменения твердости с увеличением содержания кислорода в металле.

По- видимому, часть кислорода находится в металле в виде твердого раствора, а часть образует окисел.

Изучение систем тантал-водород и тантал-кислород особенно важно в связи с исследованиями по применению металла в качестве жаростойкого трудноплавкого конструкционного материала.

 

Приложения

Электроника

Танталовый электролитический конденсатор

В основном тантал в виде металлического порошка используется в производстве электронных компонентов, в основном конденсаторов и некоторых мощных резисторов . Танталовые электролитические конденсаторы используют тенденцию тантала к образованию защитного оксидного поверхностного слоя с использованием танталового порошка, спрессованного в форму таблетки, в качестве одной «пластины» конденсатора, оксида в качестве диэлектрика и электролитического раствора или проводящего твердого вещества в качестве другая “тарелка”. Поскольку диэлектрический слой может быть очень тонким (тоньше, чем аналогичный слой, например, в алюминиевом электролитическом конденсаторе), высокая емкость может быть достигнута в небольшом объеме. Из-за преимуществ в размере и весе танталовые конденсаторы привлекательны для портативных телефонов , персональных компьютеров , автомобильной электроники и фотоаппаратов .

Сплавы

Тантал также используется для производства различных сплавов с высокими температурами плавления, прочностью и пластичностью. Легированный другими металлами, он также используется в производстве твердосплавных инструментов для металлообрабатывающего оборудования и в производстве суперсплавов для компонентов реактивных двигателей, химического технологического оборудования, ядерных реакторов , деталей ракет, теплообменников, резервуаров и сосудов. Из-за своей пластичности тантал можно втянуть в тонкую проволоку или нити, которые используются для испарения металлов, таких как алюминий . Поскольку тантал устойчив к воздействию жидкостей организма и не вызывает раздражения, он широко используется при изготовлении хирургических инструментов и имплантатов. Например, пористые танталовые покрытия используются при изготовлении ортопедических имплантатов из-за способности тантала образовывать прямую связь с твердой тканью.

Тантал инертен по отношению к большинству кислот, за исключением плавиковой кислоты и горячей серной кислоты , а горячие щелочные растворы также вызывают коррозию тантала. Это свойство делает его полезным металлом для химических реакционных сосудов и труб для агрессивных жидкостей. Теплообменные змеевики для парового нагрева соляной кислоты изготовлены из тантала. Тантал широко использовался в производстве сверхвысокочастотных электронных ламп для радиопередатчиков. Тантал способен улавливать кислород и азот, образуя нитриды и оксиды, и поэтому помогал поддерживать высокий вакуум, необходимый для трубок, когда они используются для внутренних деталей, таких как решетки и пластины.

Другое использование

Биметаллические монеты отчеканены Банком Казахстана с серебряным кольцом и танталовым центром. В них есть Аполлон-Союз и Международная космическая станция.

НАСА использовало тантал для защиты компонентов космических кораблей, таких как “Вояджер-1” и “Вояджер-2”, от радиации. Высокая температура плавления и стойкость к окислению позволяют использовать этот металл в производстве деталей вакуумных печей . Тантал чрезвычайно инертен и поэтому образует множество коррозионно-стойких деталей, таких как защитные гильзы , корпуса клапанов и танталовые крепежные детали. Из-за его высокой плотности кумулятивный заряд и гильзы пенетратора, образованные взрывчаткой , были изготовлены из тантала. Тантал значительно увеличивает бронепробиваемость кумулятивного заряда из-за его высокой плотности и высокой температуры плавления. Он также иногда используется в драгоценных часах, например, от Audemars Piguet , FP Journe , Hublot , Montblanc , Omega и Panerai . Тантал также очень биоинертен и используется в качестве материала для ортопедических имплантатов. Высокая жесткость тантала заставляет использовать его в качестве высокопористой пены или каркаса с меньшей жесткостью для имплантатов для замены тазобедренного сустава, чтобы избежать защиты от напряжений . Поскольку тантал является цветным немагнитным металлом, эти имплантаты считаются приемлемыми для пациентов, проходящих процедуры МРТ. Оксид используется для изготовления специальных стекол с высоким показателем преломления для объективов фотоаппаратов .

Медицинское использование

Тантал – металл, не вызывающий раздражения, и устойчивый к жидкостям организма, поэтому его используют в ортопедических костных имплантатах; Кроме того, из-за его пластичности были изготовлены металлические листы, используемые при ремонте поврежденных частей черепа. Эти листы также используются для соединения рваных ребер.

Тантал используется для изготовления трабекулярного металла, который похож на костный материал и приближается к его физическим свойствам. Его трабекулярно-пористая форма способствует образованию кости и быстрой и обширной инфильтрации тканей.

Эта процедура применяется при эндопротезировании бедра и колена, а также при лечении некроза костной ткани головки бедренной кости.

Гиалуронан – это гель, используемый для чрескожной транспортировки лекарств через катетер. Тантал включен в гель, чтобы сделать его непрозрачным для рентгеновских лучей и наблюдать за его поступлением в организм.

Кроме того, тантал был исследован для предотвращения остеоартрита и идиопатического сколиоза у подростков.

Сплавы на основе тантала

Модифицированные легирующими компонентами сплавы преимущественно обретают более высокие качества физической прочности и жаростойкости. Достаточно сказать, что среднее по характеристикам изделие сможет выдерживать температурные воздействия в режиме 1650 °С, не утрачивая своих эксплуатационных качеств. Собственно, это и позволяет применять сплавы тантала в химической промышленности, энергетике, металлургии и приборостроении. Более того, некоторые предприятия используют данный материал в изготовлении элементов для ракетно-космической сферы. В зависимости от направления использования, технологи разрабатывают разные составы для легирования тантала. В одних случаях модификация позволяет добиться более высокой пластичности, а в других, к примеру, сделать материал пригодным для выполнения сварочных операций электронно-лучевым методом. Также и сам тантал может выступать в качестве легирующего компонента. Обычно такой способ улучшения эксплуатационных свойств используют для придания основным металлам антикоррозийности и жаропрочности.

Химические соединения

Тантал образует соединения со степенями окисления от -III до + V. Чаще всего встречаются оксиды Ta (V), который включает все минералы. Химические свойства Ta и Nb очень похожи. В водных средах Ta проявляет только степень окисления + V. Как и ниобий, тантал плохо растворяется в разбавленных растворах соляной , серной , азотной и фосфорной кислот из-за осаждения водного оксида Ta (V). В основных средах Та может быть солюбилизирован за счет образования полиоксотанталатных соединений.

Оксиды, нитриды, карбиды, сульфиды

Пятиокись тантала (Ta 2 O 5 ) является наиболее важным соединением с точки зрения применения. Оксиды тантала в более низких степенях окисления многочисленны, включая много дефектных структур , и мало изучены или плохо охарактеризованы.

Танталаты, соединения, содержащие 3– или — многочисленны. Танталат лития (LiTaO 3 ) имеет структуру перовскита. Танталат лантана (LaTaO 4 ) содержит изолированный TaO 3- 4 тетраэдры.

Как и в случае с другими тугоплавкими металлами , самые твердые известные соединения тантала — это нитриды и карбиды. Карбид тантала TaC, как и более широко используемый карбид вольфрама , представляет собой твердую керамику, которая используется в режущих инструментах. Нитрид тантала (III) используется в качестве тонкопленочного изолятора в некоторых процессах изготовления микроэлектроники.

Наиболее изученным халькогенидом является TaS 2 , слоистый полупроводник , как видно из дихалькогенидов других переходных металлов . Сплав тантал-теллур образует квазикристаллы .

Галогениды

Галогениды тантала охватывают степени окисления +5, +4 и +3. Пентафторид тантала (TaF 5 ) представляет собой белое твердое вещество с температурой плавления 97,0 ° C. Анион 2- используется для его отделения от ниобия. Хлорид TaCl 5 , существующий в виде димера, является основным реагентом при синтезе новых соединений Ta. Легко гидролизуется до оксихлорида . Низшие галогениды TaX 4 и TaX 3 , имеют связи Ta-Ta.

Танталорганические соединения

Танталорганические соединения включают пентаметилтантал , смешанные хлориды алкилтантала, гидриды алкилтантала, алкилиденовые комплексы, а также их циклопентадиенильные производные. Известны разнообразные соли и замещенные производные гексакарбонил — и родственных изоцианидов .

Та (СН 3 ) 5 .

Характеристики тантала

• Свойства
• Применение
• Производство

Обнаружение тантала датируется 1802 годом. Впервые миру он был представлен ученым А. Г. Экебергом. Он обнаружил в Финляндии и Швеции два минерала. Именно в их составе было это вещество.

Однако отдельно выделить его в то время не получилось. Именно из-за столь высокой сложности его добычи в чистом виде его и назвали в честь одного из героев мифов Древней Греции. Сегодня этот элемент нашел свое широкое применение во многих отраслях промышленности.

Свойства тантала

Тантал относится к разряду металлов. Он обладает серебристо-белым оттенком. Он чем-то по своему внешнему виду напоминает свинец, потому что на нем имеется прочная оксидная пленка.

Данный металл относится к категории наиболее редко встречающихся в природе. На сегодняшний день известно лишь двадцать минералов тантала. Однако есть еще шестьдесят минералов, в которых имеется данный металл. Наряду с ним в таких минералах обязательно присутствует ниобий. Он обладает с ним похожими химическими свойствами.

• Танталовые руды встречаются очень редко.
• Однако самые крупные из них расположены в таких странах, как:

• Египет,
• Франция,
• КНР,
• Таиланд,
• Австралия,
• Мозамбик.

В мире самая крупная танталова руда находится в Гринбуше в Австралии.

Танталу присуща высокая температура плавления. Она составляет более трех тысяч градусов Цельсия. Температура кипения данного металла превышает пяти тысяч градусов Цельсия. Свойства тантала представлены и другими характеристиками.

Это вещество обладает достаточно твердой структурой. Однако металл имеет высокий уровень пластичности. По этому своему параметру он сравним с золотом. Он отлично подходит для механической обработки изделий.

Тантал относится к разряду малоактивных металлов. Его скорость окисления под воздействием воздуха является довольно не высокой. На воздухе он подвергается окислению только, если его температура достигает 250 градусов Цельсия.

Параметр конденсатораТип конденсатораНа основе поликарбонатаНа основе полистиренаНа основе тантала

Диапазон изменения емкости конденсаторов	От 10 нФ до 10 мкФ	От 10 пФ до 10 нФ	От 100 нФ до 100 мкФ
Точность (возможный разброс значений емкости конденсатора), %	± 20	± 2,5	± 20
Рабочее напряжение конденсаторов, В	63 — 630	160	6,3 — 35
Стабильность конденсатора	Отличная	Хорошая	Достаточная
Диапазон изменения температуры окружающей среды, оС	От -55 до +100	От -40 до +70	От -55 до +85

Применение тантала

Изначально в промышленности данный металл применялся только в целях созданий тонкой проволоки для производства всем известных ламп накаливания. Сегодня же тантал применение имеет достаточно широкое. Его используют и для производства промышленных и бытовых предметов, и при создании новых видов оружия в военной промышленности.

Такой металл, как тантал незаменим при производстве предметов и оборудования, которые были бы устойчивы к появлению коррозии. К тому же многие из этих изделий обладают высоким уровнем жаропрочности.

В медицинской отрасли использование тантала давно уже считается нормой. Фольга и проволока из этого уникального материала применяются для того, что восстановить деятельность тканей, нервов пациентов. Также они активно используются для того, чтобы наложить пострадавшему швы.

Из-за прочности тантала его начали использовать для производства космических аппаратов. Бериллид тантала имеет отличную сопротивляемость к процессу окисления на воздухе.

Сплавы

Стойкая устойчивость тантала к воздействию кислот позволяет использовать его для добавок к различным сплавам, которые применяются при производстве металлических конструкций. Для изготовления проката – проволоки, полос, листов, трубок – используют сплав тантала с гафнием. Сплав титана, вольфрама и тантала используется для изготовления режущих пластин разного назначения. Такие сплавы характеризуются:

• высокой прочностью;
• повышенной твердостью;
• не окисляются;
• имеют высокую абразивную стойкость;
• являются износостойкими;
• имеют значительную вязкость;
• снабжают отличной прочностью режущую кромку инструмента.

Тантало-вольфрамовый сплав, в состав которого входит 7% вольфрама, способен выдерживать температуру до 1900 градусов. Он вызывает значительный интерес у специалистов. А из сплава тантала с 10% вольфрама изготовляют сопла для ракетных двигателей. В космической технике применяются материалы, которые обладают хорошей теплоемкостью или тугоплавкостью, поэтому сплавы с танталом находят широкое применение для ее изготовления.

Свойства атома тантала:

200	Свойства атома
201	Атомная масса (молярная масса)	180,94788(2) а.е.м. (г/моль)
202	Электронная конфигурация	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 5s2 5p6 5d3 6s2
203	Электронная оболочка	K2 L8 M18 N32 O11 P2 Q0 R0
204	Радиус атома (вычисленный)	200 пм
205	Эмпирический радиус атома*	145 пм
206	Ковалентный радиус*	138 пм
207	Радиус иона (кристаллический)	Ta3+ 86 (6) пм, Ta4+ 82 (6) пм, Ta5+ 78 (6) пм (в скобках указано координационное число – характеристика, которая определяет число ближайших частиц (ионов или атомов) в молекуле или кристалле)
208	Радиус Ван-дер-Ваальса
209	Электроны, Протоны, Нейтроны	73 электрона, 73 протона, 108 нейтронов
210	Семейство (блок)	элемент d-семейства
211	Период в периодической таблице	6
212	Группа в периодической таблице	5-ая группа (по старой классификации – побочная подгруппа 5-ой группы)
213	Эмиссионный спектр излучения

Сплавы на основе тантала

Благодаря особым физическим свойствам данный металл в чистом виде очень часто используется в промышленности. Однако для повышения прочности и устойчивость к высоким температурам могут использоваться сплавы на его основе, добавляться соответствующие легирующие компоненты.

Сплавы тантала могут сохранять твердое состояние при температуре около 1700 градусов. Это необходимо при использовании соединений тантала в энергетической сфере, химической промышленности, производстве приборов повышенной точности и металлургии. Очень часто различные сплавы используются при строении космических ракет.

Следует отметить, что очень часто тантал в сплавах используется не как основа, а как легирующий компонент. Его добавление к различным материалам позволяет добиться повышенной устойчивости к высоким температурам и коррозии.

Схема танталового конденсатора Конденсаторы с танталом

Тантал ТАВ-10 – широко используемый сплав на основе этого металла. Его производят с добавлением вольфрама, количество которого в составе около 10%. Благодаря этому получается материал с улучшенными показателями жаропрочности. Его применяют для производства нагревательных элементов и в медицинских целях, так как его компоненты не раздражают кожный покров человека.

Описание и свойства тантала

В периодической таблице этот металл занимает 73-ю позицию, обозначается Ta.

При нормальных условиях имеет серебристый цвет, внешне похож на серебро и некоторые другие благородные металлы. За счет окисления в воздухе покрывается оксидной пленкой, темнеет, становится более похожим на свинец. При комнатной температуре окисление протекает очень медленно, поэтому металл долго сохраняет свой характерный цвет. Активное окисление в воздухе начинается при температуре выше 280°С.

С галогенами металл вступает в реакции при низких температурах, но сразу покрывается поверхностной пленкой, которая защищает его от дальнейших реакций по всему объему.

Температура плавления относительно высокая, составляет  3017°С. Она намного выше, чем у многих металлов. Для сравнения:

• свинец – 327°С;
• алюминий – 660°С;
• латунь — до 1000°С;
• золото – 1064°С;
• медь – 1083°С;
• железо – 1540°С.

Благодаря высочайшей прочности металла тантала, его используют во многих отраслях производства

Среди материалов, широко используемых в промышленности, по температуре плавления тантал уступает вольфраму, у которого эта величина равна 3420°С.

Плотность тантала равна 16700 кг/м3, этот металл намного плотнее, чем распространенные железо и медь, у которых она равна соответственно 7870 и 8940 кг/м3. По плотности его можно сравнить с золотом, плотностью которого 19320 кг/м3. Тантал обладает высокой твердостью. Несмотря на свойства, это очень пластичный металл. Материал можно раскатать до толщины 1 мкм. Такой пластичностью обладает только золото.

Прокат материала проводится без нагревания, что значительно упрощает его обработку. Механическую прочность можно повысить наклепом. При температуре ниже – 196°С свойство пластичности исчезает, металл становится хрупким.

По магнитным свойствам тантал относят к парамагнетикам. Свойства парамагнетика хорошо проявляются при температурах ниже 3420°С, затем металл становится ферромагнетиком.

Такая антикоррозийная стойкость металла, превышающая стойкость нержавеющей стали, сделала его незаменимым в целом ряде производственных процессов.

Для выделения драгоценных металлов из растворов и расплавов их солей применяется электролиз. Но катоды, на которые осаждаются благородные металлы, при этом быстро разрушаются. Замена катодов, изготовленных из обычных металлов, на танталовые сделала процесс электролиза намного эффективнее и дешевле. Этот способ применяется и для выделения из руд редкоземельных элементов.

Тантал обладает высокой биологической совместимостью, поэтому получил широкое применение в медицине. Протезы и имплантаты из него не оказывают химического воздействия на организмы, не окисляются, поэтому организмом не отторгаются.

В военной промышленности сплавы тантала используются для увеличения пробивной способности снарядов.

В научных и военных целях радиоактивные изотопы используются для создания источников гамма-излучения. Радиоактивные изотопы входят в состав ископаемых, но в гораздо большей концентрации они содержатся в отходах, остающихся после работы ядерных реакторов.

Тантал применяется при строительстве защиты ядерных реакторов, так как это один из немногих элементов, не разрушающихся от действия паров цезия.

На поверхности режущего инструмента для придания ему особой прочности наносится карбид тантала. Такой инструмент используется для резки и сверления особо прочных материалов, при бурении глубинных скважин в твердых породах.

Тантал благодаря высочайшей прочности, устойчивости к окислению и высокой температуре плавления используется в производстве авиационных и ракетных двигателей.

Все физические характеристики материала можно изменять, внося в него легирующие добавки.

Где используется

Первой сферой применения стали лампы бытовой радиоэлектроники.

Сегодня достоинства металла – пластичность, тугоплавкость, устойчивость к агрессивным средам, коррозии, совместимость с биологическим материалом изучены досконально. Они обусловили применение продукции промышленностью, оборонным комплексом, медициной, наукой.

Промышленность, ВПК

Применение металла в гражданском сегменте:

• Металлурги добавляют вещество в сплавы для устойчивости к жару, коррозии. Продукция идет на аппаратуру для химпрома, лабораторий, тигли для выплавки проблемных элементов (особенно редкоземельных металлов).
• Благодаря низкому порогу сверхпроводимости востребован при производстве электронно-вычислительных приборов.
• Карбид вещества – компонент сверхтвердых сплавов. Из сталей, маркированных индексом ТТ, делают оборудование для работы в экстремальных условиях (бурение скважин, композитов, других сверхтвердых материалов).
• Супертвердый неокисляемый бериллид используют строители космических аппаратов (ракет, спутников, самолетов).
• Танталово-ниобиевый сплав – материал конденсаторов для электролиза.

Оболочка снарядов с повышенной бронебойностью состоит из тантала.

Ядерный комплекс

Высшая из металлов устойчивость в жаре, неуязвимость к воздействию паров цезия обусловили применение металла в защитных оболочках объектов ядерной энергетики.

Тантал-180 «застревает» в конструкциях атомных реакторов. И служит источником энергии, гамма-излучения для лазерного оружия, транспорта специального назначения.

Пятиокись (2%) добавляют к стеклу, поглощающему гамма-лучи.

Другие сферы

• Биологически совместимый с организмом человека металл – материал скелетных протезов. Хирурги используют танталовую фольгу, проволоку комплексно: наложение швов, скрепление нервных окончаний.
• Ювелиры оценили способность металла образовывать на поверхности изделия прочные разноцветные пленки.
• Казахстан радует нумизматов: Национальный банк страны чеканит коллекционные танталово-серебряные монеты.