Металл Тантал открыт довольно недавно, а именно в 1802 году. Обнаружить этот металл посчастливилось шведскому химику А.Г. Экебергу. При исследовании двух новых минералов, которые были найдены в скандинавских странах, выяснилось, что помимо известных элементов содержится и ранее неизученный. Ученому так и не удалось выделить металл из минерала в чистом виде, так как с этим возникли большие трудности.
В связи с этим, неисследованный металл получил название в честь героя из мифологии Древней Греции, и по которому был написан миф о Тантале . После этого, на протяжении 40 с лишним лет, считалось, что тантал и ниобий – это один и тот же металл. Однако один немецкий химик доказал различие металлов, а после этого еще один немец выделил тантал в чистом виде, и произошло это только в 1903 году.
Серийное производство проката и изделий из тантала началось только в ходе Второй Мировой войны. Сегодня этому элементу присвоено название «умного металла», так как без него не обходись в интенсивно развивающейся электронике.
Описание и свойства тантала
Тантал – это металл с высокой твердость и атомной плотностью. В периодической химических элементов, тантал расположился на 73 позиции. В мировой практике принято обозначать этот металл сочетанием двух букв, а именно Ta. При атмосферном давлении и комнатной температуре тантал имеет характерный серебристо-металлический цвет. Образовывающаяся на поверхности оксидная пленка на металле придет ему свинцовый оттенок.
Тантал элемент при комнатной температуре малоактивный. Окисление воздухом поверхности этого металла возможно только при температурах свыше 280 градусов. С галогенами тантал реагирует при температуре на 30 градусов ниже, чем с воздухом. При этом на поверхности образуется защитная пленка, которая препятствует дальнейшему проникновению окисляющих элементов по глубине металла.
Тантал химический элемент с довольно высокой температурой плавления. Так, она составляет 3290 К, а температура кипения достигает 5731 К. Несмотря на высокую плотность (16,7 г/см 3) и твердость, он достаточно пластичен. По пластичности тантал можно сравнить с . С чистым металлом очень просто и удобно работать.
Он прост в механической обработке, например, его можно раскатать в прокат с толщиной в 1-10 мкм. Также необходимо заметить, что тантал является парамагнетиком. Интересная особенность этого металла начинает проявляться при температуре 800 градусов: тантал поглощает 740 своих объемов газа.
В мировой практике есть уже целый ряд фактов, которые говорят о превосходной стойкости этого металла в очень агрессивных средах. Например, известно, что тантал не повреждается даже 70% азотной кислотой. Серная кислота до 150 градусов также не приводит к коррозионному разрушению, но уже при 200 градусах металл начнет растворяться со скоростью 0,006 мм/год.
Некоторые производственные факты говорят и том, что тантал намного более стойкий, чем нержавеющие стали аустенитного класса. Поэтому поводу известен случай, в котором детали из тантала проработали на 20 лет дольше деталей из нержавеющей стали.
Еще одним интересным фактом является то, что тантал используется для каталитического выделения и золота. Из него делаются катоды, на которые в свою очередь осаждается благородный металл, а после смывается царской водкой. При этом катод и тантала благодаря своей восхитительной стойкости к кислотам, остается целым.
Применение тантала
Когда давно этот металл, использовался для производства нитей в лампы накаливания. Сегодня же тантал и сплавы тантала используются в следующих отраслях и изделиях:
— при выплавке жаропрочных и коррозионностойких сплавов (например, деталей авиационных двигателей);
— в химической промышленности для создания коррозионностойкой аппаратуры;
— в металлургическом производстве по производству редкоземельных металлов;
— при сооружении ядерных реакторов (тантал является самым устойчивым металлом к парам цезия);
— за счет своей высокой биосовместимости, тантал используется для изготовления медицинских имплантатов и протезов;
— для производства сверхпроводников — криотронов (это элементы вычислительной техники);
— используется в военной промышленности для изготовления снарядов. Использование этого металла увеличивает пробивную способность боеприпасов;
— из тантала делаются более эффективные конденсаторы низкого напряжения;
— в последнее время тантал прочно вошел в дело. Это связано с возможностью металла образовывать прочные пленки оксидов на поверхности, которые могут быть различных цветов и оттенков;
— большое количество модификаций тантала накапливается в ядерных реакторах. В лабораторных или военных целях эта модификация металла может использоваться в качестве источника гамма излучения;
— этот металл используется в качестве основного (после платины) для изготовления эталонов массы, которые обладают повышенной точностью;
— некоторые интерметаллидные соединения тантала имеют очень высокую твердость и прочность, а также повышенную устойчивость к окислению. Эти соединения используются в авиационно и космической отраслях;
— карбиды тантала используются для изготовления режущего инструмента повышенной красностойкости. Инструмент получается методом спекания смеси порошков карбидов. Используются данные инструменты в очень тяжелых условиях, например, при ударном бурении;
— пятивалентный оксид тантала необходим для сварки стекол атомной техники.
Месторождения и добыча тантала
Тантал относится к редким металлам. Его количество в земной коре составляет всего 0,0002 %. В это количество входят две модификации металла: стабильная и радиоактивная. Этот редкий металл встречается в виде собственных соединений и входит в состав многих минералов. Если тантал входит в минерал, то он постоянно будет вместе с ниобием.
Месторождения танталовых соединений и минералов есть во многих странах. Самое большое месторождение этого элемента в Европе находится во Франции. На африканском континенте больше всего тантала в Египте. Также высокими запасами этого металла располагают Китай и Таиланд. Месторождения меньшего размера расположены в СНГ, Нигерии, Канаде, Австралии и других странах. Однако самые крупные залежи, открытые на сегодняшний день находятся в Австралии.
В год в мире добывается около 420 тонн тантала. Основные перерабатывающие комбинаты этого металла расположены в США и ФРГ. Стоит отметить, что мировое сообщество заявляет о необходимости увеличения добычи этого редкого металла. Такие заявления в-первую очередь связаны с увеличением выпуска электроники, в которой интенсивно используется этот элемент.
Таким образом, количество разрабатываемых месторождений с каждым годом увеличивается. Так, например, к основным мировым, разрабатываемым месторождениям, добавились еще места в Бразилии, США и ЮАР. Однако стоит отметить, тот факт, что в последнее 10-ти летите, наблюдается интенсивное снижение добычи тантала . Самый низкий показатель в 21 веке по добыче пришелся на 2010 год.
Цена тантала
Стоимость тантала за последние 15 лет колебалась очень сильно. Так, в 2002-2003 годах купить тантал можно было по самой минимальной цене. В текущем году цена тантала колебалась от 340 до 375 долларов за килограмм. В России на сегодняшний день можно купить тантал, цена которого составляет 2950 рублей за один килограмм.
ТАНТАЛ, Ta (по имени героя древне-греческой мифологии Тантала; лат. Tantalum * а. tantalum; н. Tantal; ф. tantale; и. tantalo), — химический элемент V группы периодической системы Менделеева , атомный номер 73, атомная масса 180,9479. В природе встречается в виде двух изотопов: 181 Ta (99,9877%) и 180 Ta (0,0123%). Известно 13 искусственных радиоактивных изотопов тантала с массовыми числами от 172 до 186. Тантал открыт в 1802 шведским химиком А. Г. Экебергом. Пластичный металлический тантал впервые получен немецким учёным В. Больтеном в 1903.
Примнение и использование
Основной сырьём для производства тантала и его сплавов служат танталитовые и лопаритовые концентраты , содержащие около 8% Ta 2 O 5 , 60% и более Nb 2 O 5 . Концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые — хлорируют. Разделение Ta и Nb производят с помощью экстракции . Металлический тантал обычно получают восстановлением Ta 2 O 5 углеродом , либо электрохимически из расплавов.
Компактный металл производят вакуумно-дуговой, плазменной плавкой или методом порошковой металлургии. Из тантала и его сплавов изготовляют коррозионно-устойчивую аппаратуру для химической промышленности, фильеры, лабораторную посуду и тигли; теплообменники для ядерно-энергетических систем. В хирургии листы, фольгу и проволоку из тантала используют для скрепления тканей, нервов, наложения швов, изготовления протезов, заменяющих повреждённые части костей (ввиду биологической совместимости). Карбид тантала применяется в производстве твёрдых сплавов.
До второй половины 50-х годов основное внимание уделялось танталу, нашедшему весьма разнообразное применение в различных областях техники. Когда же были открыты большие запасы ниобиевых руд, то положение резко изменилось и сейчас ниобий считается одним из важнейших металлов, которому предстоит большое будущее. Достаточно сказать, что ниобий находит применение в атомной энергетике в качестве конструкционного материала, так как обладает высокой жаропрочностью, химической стойкостью благоприятным сечением захвата нейтронов. В Англии и США давно работают атомные реакторы, для сооружения которых был применен ниобий. Физические свойства ниобия обусловливают также его применение в ракетной технике, реактивных самолетах, газовых турбинах. Широкое применение для этих целей найдут также сплавы ниобия с другими металлами.
Исключительная устойчивость тантала по отношению к кислотам позволяет использовать его в качестве кислотоупорного материала для производственных и лабораторных целей. Он применяется для змеевиков, мешалок, для покрытия внутренних стенок реакторов (для сильнокислых горячих растворов и органических жидкостей), как заменитель платины для производства лабораторной посуды.
В последнее время стали применять трубопроводы из тантала в производстве соляной кислоты, причем высокая стоимость установки, вполне окупается ее долгой службой. Кроме того теплоотдача от тантала в жидкой среде очень высока, поэтому тепловые потери малы, а скорость процессов нагрева велика.
Танталовые катоды рекомендуется применять при электрическом выделении золота и серебра. Преимущество их заключается в том, что осадок золота и серебра можно растворить царской водкой, не действующей на тантал. Танталовые электроды можно применять в потенциометрии при работе с так называемыми «биметаллическими» электродами: один электрод танталовый, другой - графитовый, вольфрамовый или платиновый, в зависимости от определяемого вещества и титрующего реактива. Применяют тантал и для электролитических конденсаторов.
Танталовые пластинки, стержни и проволока применяются в восстановительной хирургии.
Механические свойства, как тантала, так и ниобия очень высоки. Широкое применение этих металлов ограничено высокой стоимостью. В настоящее время тантал играет особую роль в производстве электронных ламп. Потребление его для этой цели за последние годы возросло во много раз. Радиоприборы с танталовыми лампами находят широкое применение в технике. Способность тантала (а также и ниобия) поглощать газы используется в вакуумной технике для удаления следов газа.
Тантал является важнейшим металлом при изготовлении так называемой «горячей арматуры»- анодов, сеток, катодов, косвенного накала в важнейших электровакуумных приборах; тантал способствует созданию высокого вакуума и не распылается, так как обладает высокой температурой плавления. Известно также, что на тантале при анодной поляризации легко образуется анодная пленка, быстро восстанавливающаяся при пробе. Это свойство позволяет применять тантал для выпрямителей и грозовых разрядников. Тантал входит в состав специальных оптических стекол. Сплавы тантала с вольфрамом и молибденом обладают повышенным электросопротивлением и применяются для изготовления термопар.
Ниобий и тантал относятся к числу карбидообразующих элементов и находят себе применение в сталелитейном производстве в качестве легирующих примесей. Ниобий долгое время считался вредной примесью к танталу. В настоящее время считается, что ниобий даже эффективнее тантала в том смысле, что благодаря меньшему атомному весу может заменять тантал в половинном количестве по весу, давая такой же эффект. Ниобий наряду с хромом и никелем в ходят в состав железного сплава, применяемого для изготовления сварочных электродов. Частично можно заменять ниобий танталом без ухудшения качества электродов. Ниобий и тантал находят применение для сверхтвердых сплавов благодаря способности образовывать весьма твердые карбиды. Намечается также применение ниобия для улучшения свойств сплавов цветных металлов (мельхиора, нихрома) и некоторых сплавов алюминия.
Ниобий и тантал могут применяться для выпрямителей, так как обладают способностью пропускать электрический ток только в одном направлении (униполярной проводимостью). Оба металла применяются для анодов мощных генераторных и усилительных ламп.
Мы предлагаем следующую продукцию из тантала: танталовый круг, танталовый лист, танталовую проволоку, танталовую ленту.
Тантал (Та) — относится к категории тугоплавких , атомный номер — 73, атомная масса — 180,9, плотность — 16,6г/см3, температура плавления — 2996ОС, коэффициент линейного расширения — 6,5.10-6, удельная электропроводность — 6,85м/ом.мм2, удельное электрическое сопротивление — 15,0мком/см3(20ОС);0,156ом/мм2/м, модуль упругости — 19000 кг/мм2, предел прочности при растяжении — 91,5 кг/мм2, относительное удлинение — 50% для тонкого листа, 1,5% — для прутков, твёрдость по Бринелю — 75-125кг/мм2.
Тантал был открыт в 1802 году. Шведский химик Экеберг нашёл новый элемент в минералах Скандинавского полуострова и назвал его танталом, из-за того, что его окисел оказался нерастворимым даже в кислотах. По греческой мифологии — Тантал, любимый сын Зевса, который за совершённые им преступления был обречён на вечные муки голода и жажды (танталовы муки). Название тантала символизирует трудности его получения. Тантал был открыт вместе с ниобием в минерале колумбите, они же вместе присутствуют в минералах танталите, манганотанталите, ферротанталите. Тантал и ниобий всегда находятся в минералах вместе и очень трудно разделимы.
В природе известно около120 минералов содержащих ниобий и тантал, но только некоторые из них являются промышленными-ниобий добывается из колумбита (до 77% пентаксида ниобия, есть тантал), тантал из танталита (до 84% пентаксида тантала). Общие мировые запасы пентаксида тантала оцениваются в 150 млн тонн, подтверждённые — одна треть от общих.
Тантал — серебристо-белый металл, по своей химической стойкости против действия ряда реагентов (HCl,H2SO4,HNO3) не уступает платине, а по стойкости против царской водки, даже превосходит её. Чистый от примесей металл весьма пластичен: куётся, прокатывается в тонкий лист и проволоку. Присутствие примесей, в том числе растворённых в металле газов, сильно увеличивает твёрдость и снижает пластичность тантала.
Тантал немагнитен, его можно сваривать, но не дуговой сваркой. При нагреве на воздухе до 400ОС, поверхность тантала покрывается голубой плёнкой окисла, при 600ОС цвет переходит в чёрно-серый, при более высокой температуре окись становится белой.
При нагреве до температуры каления тантал поглощает 740 объёмов водорода, который может быть удалён только в вакууме при температуре, близкой к температуре плавления тантала. Присутствие водорода в тантале делает его твёрдым и хрупким.
Углерод и азот дают с танталом карбиды и нитриды. Тантал достаточно стоек против действия большинства кислот, из них активны только олеум (H2SO4+SO2),фосфорная кислота (выше 145ОС), плавиковая кислота, смесь HNO3+HF. Щёлочи действуют на тантал только в виде горячих концентрированных растворов или в расплавленном состоянии.
ПОЛУЧЕНИЕ.
Исходным сырьём для получения тантала являются танталит Fe(TaO3)2, тантало-колумбит и некоторые другие минералы, выделяемые в виде богатых концентратов. Способов «вскрытия» танталовых, так же как и ниобиевых концентратов существует несколько, в том числе:
а) тонкоизмельчённый концентрат сплавляется с NaOH, образуя танталаты натрия и щелочные соединения примесей; обработкой плава слабой, затем крепкой соляной кислотой удаляют примеси, остающийся осадок Ta2O3 растворяют в HF и добавкой KF переводят в двойную соль K2TaOF7, которая плохо растворима в воде, что способствует её отделению от соли ниобия K2NbOF5, хорошо растворяющейся в воде.
б) концентрат обрабатывают смесью серной и щавелевой кислот при нагревании, тантал переходит в раствор, из которого выделяется в виде окиси.
Кроме этого способа, тантал может быть получен восстановлением его соединений такими активными металлами как кальций, натрий, магний. Наиболее чистый металл получается посредством нагревом тантала, содержащего примеси, в глубоком вакууме при температуре выше 2000ОС. Малая летучесть тантала, в этих условиях, и сильная летучесть примесей, включая связанные водород, кислород и углерод, даёт возможность получить чистый и пластичный металл тантал.
Очень чистый металл тантал получают электролизом расплавленных солей, в которых содержится 0,06%С, 0,02%Fe, 0,01%Ni, 0,002%Mn.
Наиболее широкое промышленное применение нашли способы восстановления комплексных фтористых солей (K2TaF7 и K2NbF7), так как эти соли конечный продукт переработки танталовых и колумбитовых концентратов. В результате длительных и сложных технологических процессов ниобий и тантал получают в виде порошка. Переработка порошков в компактные слитки, пригодные для различных целей, осуществляется главным образом спеканием порошков или плавкой их в высоком вакууме.
ПРИМЕНЕНИЕ.
Области применения тантала весьма разнообразны. Первоначально тантал служил заменой угольных нитей накаливания в электрических лампах, пока его не вытеснил вольфрам. Благодаря высокой стойкости против действия ряда кислот тантал находит широкое применение в химической промышленности: лопасти мешалок турбин, аэраторы, теплообменники, конденсаторы для соляной кислоты. Тюбинги покрывают танталом для обеспечения большей стойкости и сохранности. Особое значение тантал приобрёл в электронной технике. Сплавы тантала с вольфрамом, никелем и другими металлами широко применяются. На базе тантала готовят высокотвёрдые сплавы.
При термической обработке тантал приобретает высокую твёрдость. Тантал обладает свойством пропускать электрический ток только в одном направлении и, в этом качестве, применяется в выпрямителях переменного тока. Из тантала и его сплавов изготавливают режущие инструменты, нержавеющие части машин, нити ламп накаливания, детали электронных ламп, фильеры для протяжки целлюлозных нитей, покрытия внутренних стенок химических реакторов, лабораторную посуду.
Сплавы ниобия с цирконием и танталом, благодаря их термостойкости — замечательные материалы для изготовления корпусов космических кораблей, ракет, управляемых снарядов. Сплавы тантала (90%) с вольфрамом(10%), выдерживающие температурные режимы до 2500-3000ОС, применяются для производства выхлопных труб, форсунок, деталей систем газового контроля и других узлов двигателей ракет. Тантал, подобно ниобию, отличается сверхпроводимостью и используется в этом качестве в электронных приборах.
Карбиды тантала приближаются по твёрдости к алмазу и обладают чрезвычайно высокой тугоплавкостью. Самые тугоплавкие из всех веществ на Земле сегодня — это твёрдый раствор карбидов тантала и гафния, температура плавления которых составляет 4215ОС.
Благодаря своим свойствами внешней красоте, тантал в ювелирных изделиях иногда заменяет платину, так как дешевле её во много раз. Из тантала изготавливают часы, браслеты. Международное бюро мер и весов во Франции и Бюро стандартов в США, используют тантал для изготовления эталонов высокой точности.
Самой важной отраслью применения тантала, является химическое машиностроение. Из тантала изготавливают нагреватели, реакторы, клапаны трубопроводы и другие детали оборудования для производства сильно агрессивных веществ, соляной, серной и других кислот и многих органических и неорганических соединений. Относительно высокая стоимость танталовой аппаратуры окупается длительностью срока службы.