Тантал — ценный металл для современной промышленности. Металл тантал характеристики и свойства

Тантал — «умный металл»

Тантал, свойства и характеристики которого оказались поистине уникальными, в наше время получил название «умный металл».

Немного истории

Тантал был открыт в 1802 г. Шведский химик А.Г. Экеберг изучал найденные минералы и обнаружил, что в них находится неизвестный в то время элемент, но выделить его в чистом виде он не смог. Неизвестный металл был назван в честь древнегреческого мифологического героя Тантала. На протяжении 4-х десятилетий химики ошибочно считали, что тантал и известный к тому времени ниобий - это один и тот же химический элемент. Получить его в чистом виде удалось немецким химикам в 1903 г, а в промышленных целях он начал активно использоваться в годы Второй мировой войны.

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.

Тантал обладает высочайшей устойчивостью к агрессивным действиям среды. Его не разрушает азотная кислота с концентрацией 70%. На него не действует серная кислота, нагретая до 150°С, но при повышении температуры кислоты до 200°С начинается медленное разрушение металла.

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.

К хорошим проводникам электрического тока тантал отнести нельзя, его удельное сопротивление при 20°С составляет 0,13 Ом*мм²/м, оно больше, чем у железа (0,1 Ом*мм²/м). Но он обладает относительно высокой температурой перехода в состояние сверхпроводимости, она равна 4,5К. При более высокой температуре в состояние сверхпроводимости переходят ванадий (5,3К), свинец (7,2К) и его «близнец» ниобий (9,2К). Это свойство тантала сделало его востребованным в производстве сверхпроводников криотонов, используемых в электронно-вычислительной технике. В радиоэлектронике используются конденсаторы с танталовыми обкладками. Они оказались самыми эффективными, но работать могут при небольших значениях напряжения.

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.

Детали, изготовленные из тантала, в агрессивных средах служат на десятки лет дольше, чем изготовленные из других материалов с высокой коррозийной стойкостью.

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

Добыча тантала

Благодаря изыскательским работам были найдены новые месторождения металла тантал

В земной коре тантала содержится около 0,0002%, поэтому он относится к редким элементам. Но практически во всех странах имеются месторождения его соединений. В Европе самые большие и богатые месторождения находятся во Франции, небольшие месторождения есть в большинстве стран бывшего СССР. Среди африканских стран самыми большими запасами сырья обладает Египет. Но самые крупные и богатые месторождения, известные и разработанные на сегодняшний день располагаются в Австралии.

Встречается элемент в виде собственных солей, или он входит в состав других минералов. Во втором случае ему обязательно сопутствует ниобий. Минералы могут быть стабильными и радиоактивными.

Добыча этого металла составляет 420 тонн в год. Лидирующие государства по добыче и переработке - США и ФРГ.

Из-за мирового кризиса спрос на тантал несколько снизился, но с 2010 г. опять возрос. В последнее время проводятся активные изыскательские работы. Благодаря им были открыты новые месторождения в США, Бразилии, ЮАР.

Несомненно, самое ценное свойство тантала - его исключительная химическая стойкость: в этом отношении он уступает только благородным металлам, да и не всегда. не растворяется даже в такой химически агрессивной среде, как царская водка, которая без труда растворяет и , и платину, и другие . О высочайшей коррозионной стойкости тантала свидетельствуют и такие факты. При 200° С он не подвержен коррозии в 70%-ной азотной кислоте, в серной кислоте при 150° С коррозии тантала также не наблюдается, а при 200° С металл корродирует, но лишь на 0,006 мм в год.

К тому же - металл пластичный, из него можно изготовлять тонкостенные изделия и изделия сложной формы. Неудивительно, что он стал незаменимым конструкционным материалом для химической промышленности. Танталовую аппаратуру применяют в производстве многих кислот (соляной, серной, азотной, фосфорной, уксусной), брома, хлора, перекиси водорода. На одном из предприятий, использующих газообразный хлористый , детали из нержавеющей стали выходили из строя уже через два месяца. Но, как только сталь была заменена танталом, даже самые тонкие детали (толщиной 0,3-0,5 мм) оказались практически бессрочными - срок службы их увеличился до 20 лет.

Из всех кислот лишь плавиковая способна растворять (особенно при высокой температуре). Из него изготовляют змеевики, дистилляторы, клапаны, мешалки, аэраторы и многие другие детали химических аппаратов. Реже - аппараты целиком.Многие конструкционные материалы довольно быстро теряют теплопроводность: на их поверхности образуется плохо проводящая тепло окисная или солевая пленка. Танталовая аппаратура свободна от этого недостатка, вернее, пленка окисла может на нем образоваться, но она тонка и хорошо проводит тепло.

Кстати, именно высокая теплопроводность в сочетании с пластичностью сделали тантал прекрасным материалом для теплообменников.Танталовые катоды применяют при электролитическомвы делении золота и серебра. Достоинство этих катодов включается в том, что осадок золота и серебра можно смыть с них царской водкой, которая не причиняет вредатанталу.Тантал важен не только для химической промышленности. С ним встречаются и многие химики-исследователи в своей повседневной лабораторной практике. Танта-довые тигли, чашки, шпатели - вовсе не редкость«Нужно иметь танталовые нервы…»Уникальное качество тантала - его высокая биологическая совместимость, т. е. способность приживаться в организме, не вызывая раздражения окружающих тканей. На этом свойстве основано широкое применение тантала в медицине, главным образом в восстановительной хирургии - для ремонта человеческого организма.

Пластинки из этого металла используют, например, при повреждениях черепа - ими закрывают проломы черепной коробки. В литературе описан случай, когда из танталовой пластинки было сделано искусственное ухо, причем пересаженная с бедра кожа при этом настолько хорошо прижилась, что вскоре танталовое ухо трудно было отличить от настоящего. Танталовой пряжей иногда возмещают потери мускульной ткани. С помощью тонких танталовых пластин хирурги укрепляют после операции стенки брюшной полости. Танталовыми скрепками, подобными тем, которыми сшивают тетради, надежно соединяют кровеносные сосуды. Сетки из тантала применяют при изготовлении глазныхпротезов. Нитями из этого металла заменяют сухожилия и даже сшивают нервные волокна. И если выражение «железные нервы» мы обычно употребляем в переносном смысле, людей с танталовыми нервами, быть может, вам приходилось встречать.Право, есть что-то символическое в том, что именно на долю металла, названного в честь мифологического мученика, выпала гуманная миссия - облегчать людские муки. ..

Как тантал разлучают с ниобием.

Земная кора содержит всего лишь 0,0002% Та, но минералов его известно много - свыше 130. Тантал в этих минералах, как правило, неразлучен с ниобием, что объясняется чрезвычайным химическим сходством элементов и почти одинаковыми размерами их ионов.Трудность разделения этих металлов долгое время тормозила развитие промышленности тантала и ниобия. До недавних пор их выделяли лишь способом, предложенным еще в 1866 г. швейцарским химиком Мариньяком, который воспользовался различной растворимостью фтор-танталата и фторниобата калия в разбавленной плавиковой кислоте.

В последние годы важное значение приобрели также экстракционные методы выделения тантала, основанные на различной растворимости солей тантала и ниобия в некоторых органических растворителях. Опыт показал, что наилучшими экстракционными свойствами обладают метилизобутилкетон и циклогексанон.В наши дни основной способ производства металлического тантала - расплавленного фтортантала-та калия в графитовых, чугунных или никелевых тиглях, служащих по совместительству катодами. Танталовый порошок осаждается на стенках тигля.

Извлеченный из тигля, этот порошок подвергают сначала прессованию в пластины прямоугольного сечения (если заготовка предназначена для прокатки в листы) либо в штабики квадратного сечения (для волочения проволоки), а затем - спеканию.Некоторое применение находит также натриетермиче-ский способ получения тантала. В этом процессе взаимодействуют фтортанталат калия и металлический :

K 2 TaF 7 + 5Na → Та + 2KF + 5NaF.

Конечный продукт реакции - порошкообразный тантал, который затем спекают. В последние два десятилетия стали применять и другие методы обработки порошка -дуговую или индукционную плавку в вакууме и электронно-лучевую плавку.

Статья на тему Тантал химические свойства

В наукоемких и стратегических отраслях промышленности ведущих стран мира непрерывно растет. Динамика этого роста объясняется двумя взаимосвязанными причинами. Первая заключается в необходимости повышения качественных характеристик высокотехнологичной продукции гражданского и военного назначения. Вторая же, в том, что тантал наилучшим образом подходит для решения первой задачи, поскольку обладает внушительным перечнем ценнейших свойств, среди которых:

• исключительная коррозионная стойкость;
• уникальная стойкость к химическому воздействию газов и кислот;
• высокая плотность (16,6 г/см 3) и удельная электроемкость;
• сверхтвердость и пластичность;
• хорошая технологичность (механическая обрабатываемость, свариваемость);
• жаропрочность и жаростойкость (температура плавления 3000°C);
• способность поглощать газы (в сотни раз больше собственного объема);
• высокий коэффициент теплопередачи;
• уникальная биологическая совместимость и многое другое.

Формы выпуска тантала

Для производства высокотехнологичных изделий тантал применяется как в чистом виде, так и в виде сплавов. Широким спектром его применения обусловлен большой выбор танталовых и танталосодержащих полуфабрикатов. Для дальнейшей обработки выпускается танталовый пруток и лента , пластины, диски, слитки (марки ЭЛП-1, ЭЛП-2, ЭЛП-3). Наиболее востребованы танталовая проволока и листы , а также фольга (марки ТВЧ и ТВЧ-1) и металлический порошок конденсаторной квалификации. На порошок приходится около 60% мирового производства тантала, который потребляется радиоэлектронной отраслью для создания элементной базы современной «умной» техники. Около 25% рынка занимает танталовый лист и проволока, плюс фольга.

Рисунок 1. Продукция из тантала.

Области применения тантала

• производство электровакуумных приборов;
• электротехника и электроника;
• телекоммуникации и связь;
• аэрокосмическая промышленность;
• химическое машиностроение;
• ядерная индустрия;
• металлургия твердых сплавов;
• медицина и т.д.

Тантал в электровакуумных приборах

Рабочее пространство электровакуумных приборов заполнено специальным газом или вакуумом, в котором находятся два (анод и катод) или более электрода, образующих в пространстве ток эмиссии. К таким устройствам относятся электровакуумные СВЧ-приборы магнетронного типа, приборы радиолокационных, навигационных и гидроакустических станций, осциллографы, счетчики элементарных частиц, электровакуумные фотоэлементы, рентгеновская аппаратура, электронные лампы и многое другое. В ряде электровакуумных устройств тантал служит материалом для геттеров – газопоглотителей, поддерживающих в камерах состояние глубокого вакуума. В некоторых приборах электроды очень быстро и сильно нагреваются, поэтому в них, в качестве «горячей арматуры», применяется тонкая танталовая лента (марка Т или ТВЧ) или проволока (марка ТВЧ), способная долго (десятки тысяч часов) и стабильно работать при высоких напряжениях и пульсирующих температурах.

Тантал в металлургии твердых сплавов

В металлургической промышленности тантал используют для создания сверхтвердых тугоплавких сплавов, компонентами которых выступают карбиды тантала (марки ТТ) и вольфрама. Из танталовольфрамовых сплавов (марки ТВ-15,ТВ-10,ТВ-5) производят металлорежущий и обрабатывающий инструмент, сверхпрочные «коронки» для бурения отверстий в камне и композитах. Сплавы из карбида тантала и никеля с легкостью обрабатывают поверхность алмазов, не уступая им в твердости. Из тантала (твердость по Бринеллю до 1250–3500 МПа) делают детали криогенных установок, фильеры и тигли для плавки и очистки редкоземельных металлов, сосуды для холодного прессования металлических порошков.

Тантал в химическом машиностроении

В химическом машиностроении бесшовная холоднодеформированная танталовая труба (марка ТВЧ) и лист применяются в конструкциях коррозионностойкой аппаратуры, работающей в химически агрессивной среде. Из тантала производят различные кислотоупорные конструкции (змеевики, мешалки, дистилляторы, аэраторы, трубопроводы), лабораторное оборудование, устройства нагрева и охлаждения, функционирующие в контакте с кислотами, в том числе, с концентрированными субстанциями. Танталовая фольга используется для плакировки (тонкого термомеханического покрытия) поверхности деталей и оборудования на линиях по производству серной кислоты, аммиака и т.п.

Тантал в медицине

Тантал обладает уникальной совместимостью с живыми тканями и не отторгается ими. В медицине танталовая проволока применяется в виде нитей и скоб для скрепления мускульных тканей, сухожилий, нервных волокон, кровеносных сосудов. Из нее же делают сетки для глазных протезов, а из листа – корпуса сердечных электростимуляторов. В восстановительной хирургии танталовый пруток и лента считаются безальтернативными материалами для костного протезирования и замещения. Исключительную важность танталовый лист представляет как «ремонтный» материал при повреждениях черепа.

Тантал в аэрокосмической промышленности

Как высокотемпературный конструкционный материал, в аэрокосмической промышленности танталовый лист применяется для производства ответственных компонентов ракет и самолетов. Например, из тантала изготавливают носовые части ракет и жаропрочные лопатки газовых турбин турбореактивных двигателей на жидком топливе. Из танталовых сплавов производят сопловые детали, форсажные камеры и т.д.

Тантал в ядерной индустрии

Из танталовой трубы (марка ТВЧ) изготавливают теплообменники для ядерно-энергетических систем, устойчивые к перегретым расплавам и парам цезия. Из тантала производятся диффузионные барьеры для сверхпроводников термоядерных реакторов. Радиоактивный изотоп тантал-182 используется в лучевой терапии. Тонкая танталовая проволока (50-100 мкм) с покрытием из платины применяется как внутритканевый источник гамма-излучения, точечно воздействующий на раковые клетки. В начале 2018 года в СМИ появилась информация, что китайские ученые проводят опыты с тантал-182 в военных целях. Суть экспериментов не разглашается, но, скорее всего, речь может идти об использовании изотопа тантала в качестве «размножающего» агента для «грязных» бомб.

Тантал в электротехнике и электронике

Танталовый порошок (ТУ95.250-74) используют при изготовлении современных конденсаторов для телекоммуникационного, микроэлектронного и компьютерного оборудования. При миниатюрных размерах они превосходят большинство других электролитических конденсаторов по удельной емкости на единицу объема, отличаются большим диапазоном рабочих температур, высокой надежностью. Танталовые конденсаторы сохраняют свои характеристики до 25 лет в режиме хранения, а в режиме эксплуатации способны работать до 150 тысяч часов. Сегодня танталовые конденсаторы присутствуют на микросхемах практически каждого смартфона, компьютера, игровой приставки, а также в военной аппаратуре. Тантал используется в выпрямителях электрического тока, поскольку он обладает способностью пропускать его только в одном направлении.

Рисунок 2. Конденсатор из тантала.

Заключение

Помимо перечисленного, танталовый пруток и лист, фольга, проволока, порошок, используются для решения десятков и сотен других задач. В металлургии тантал применяется в качестве легирующего стабилизирующего компонента при производстве сверхпрочных, коррозионностойких, жаропрочных сталей и сплавов . Соединения тантала выступают в роли катализаторов в процессах химических производств, например, синтетического каучука. Тантал показал высокую эффективность в оптике, поскольку при добавлении в стекло, он увеличивает его коэффициент преломления, что позволяет делать линзы не сферическими, а более тонкими и плоскими, даже при больших диоптриях. В ювелирном деле тантал используется наравне с платиной при производстве браслетов, часов, перьев авторучек. Нет никаких сомнений, что тантал является одним из самых востребованных и перспективных металлов, используемых в высокотехнологичных областях промышленности, и как мы видим, не только в них.

Открытие тантала тесно связано с открытием ниобия. На протяжении нескольких десятилетий химики считали открытый английским химиком Хэтчеттом в 1802 г. элемент "колумбий" и открытый в 1802 г. шведом Экебергом тантал одним элементом. Лишь в 1844 г. немецкий химик Розе окончательно доказал, что это два разных элемента, очень близких по своим свойствам. А поскольку тантал был назван по имени героя древнегреческих мифов Тантала, предложил назвать "колумбий" ниобием по имени дочери Тантала Ниобеи. Сам же тантал получил свое название от выражения "муки Тантала", из-за тщетности попыток Экеберга растворить в кислотах полученный им оксид этого элемента.

Получение:

Тантал почти всегда сопутствует ниобию в танталитах и ниобитах. Основные месторождения танталита находятся в Финляндии, Скандинавии и в Северной Америке.
Разложение танталовых руд в технике осуществляют нагреванием их с гидросульфатом калия в железных сосудах, выщелачиванием сплава горячей водой и растворением HF остающегося порошкообразного остатка танталовой кислоты загрязненной ниобиевой кислотой. Затем оксид тантала восстанавливают углем при 1000°С и получают металл отделяют в виде черного порошка содержащего небольшое количество оксида. Также порошок металла можно получить восстанавливая TaCl 5 водородом или магнием, а также втортанталат калия натрием: K 2 TaF 7 + 5Na = Ta + 2KF + 5NaF.
Порошок металла перерабатывают в компактный металл методами поршковой металлургии, прессуя в "штабики", с последующей их плазменной или электролучевой плавкой.

Физические свойства:

Тантал тяжелый, платиново-серый с синеватым оттенком блестящий металл, довольно твердый, но черезвычайно ковкий, пластичный; пластичность его повышается по мере очистки. Тпл.= 3027°С (уступает только вольфраму и рению). Тяжелый, плотность 16,65 г/см 3

Химические свойства:

При комнатной температуре обладает исключительной химической стойкостью. Кроме плавиковой кислоты, на тантал не действуют никакие другие кислоты, даже царская водка. Взаимодействует со смесью плавиковой и азотной кислот, серным ангидридом, растворами и расплавами щелочей, при нагревании до 300-400°С с галогенами, водородом, кислородом, азотом, выше 1000°С - с углеродом.
В соединениях проявляет степень окисления +5. Однако известны также соединения тантала с более низкими степенями окисления: TaCl 4 , TaCl 3 , TaCl 2 .

Важнейшие соединения:

Оксид тантала(V), Та 2 О 5 в чистом состоянии удобнее всего получать прокаливанием чистого металлического тантала в токе кислорода или разложением гидроксида Та(ОH) 5 . Оксид тантала(V) - белый, нерастворимый в воде и кислотах (за исключением плавиковой) порошок с удельным весом 8,02. Он не меняется при прокаливании на воздухе, в отмосфере сероводорода или в парах серы. Однако при температуре выше 1000°С оксид взаимодействует с хлором и с хлористым водородом. Оксид тантала(V) диморфен. При обычной температуре устойчива его ромбическая модификация.

Танталаты и танталовая кислота. Сплавлением оксида тантала(V) со щелочами или карбонатами щелочных металлов получают танталаты - соли метатанталовой HTaO 3 и ортотанталовой кислот H 3 TaO 4 . Существуют и соли состава M 5 TaO 5 . Кристаллические вещества. применяются как сегнетоэлектрики.
Танталовые кислоты - белые студенистые осадки с переменным содержанием воды, даже свежеприготовленные не растворяются в соляной и азотной кислотах. Хорошо растворяются в HF и растворах щелочей. В технике танталовую кислоту получают обычно разложением серной кислотой двойного фторида тантала и калия (гептафторотанталата калия).
Хлорид тантала (V) , кристаллы, гигроскопичен, гидролизуется водой, растворим в CS 2 и CCl 4 . Применяется при получении тантала и нанесении покрытий.
Пентафторид тантала. Может быть получен взаимодействием пентахлорида с житким фтористым водородом. Он образует бесцветные призмы, гидролизуется водой. Тпл=96,8°С,Ткип=229°С. Используется для нанесения танталовых покрытий.
Гептафторотанталат калия - K 2 TaF 7 - комплексное соединение, Может быть получен взаимодействием пентафторида тантала с фторидом калия. Белые кристаллы, устойчивые на воздухе. Гидролизуется водой: K 2 TaF 7 + H 2 O -> Ta 2 O 5 *nH 2 O + KF + HF

Применение:

Так как тантал объединяет превосходные металические свойства с исключительной химической стойкостью, он оказался весьма подходящим для изготовления хирургических и зубоврачебных инструментов, например концов пинцетов, игл для инъекций,стрелок и т.д. В некоторых случаях он может заменить платину.
Применяют также для изготовления конденсаторов, катодов электронных ламп, аппаратуры в химической промышленности и ядерной энергетике, фильер для производства искуственных волокон. Карбид, силицид, нитрид тантала - жаростойкие материалы, компоненты твердых и жаростойких сплавов.
Термостойкие сплавы тантала с ниобием и вольфрамом используются в ракетной и космической технике.

Е. Розенберг.

Источники: Тантал //Популярная библиотека химических элементов Издательство «Наука», 1977.
Тантал // Википедия. Дата обновления: 12.12.2017. (дата обращения: 20.05.2018).
// С. И. Левченков. Краткий очерк истории химии/ ЮФУ.