Тантал (элемент)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
73 ГафнийТанталВольфрам
Nb

Ta

Db
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Олово Сурьма Теллур Иод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Ртуть Таллий Свинец Висмут Полоний Астат Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклий Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Борий Хассий Мейтнерий Дармштадтий Рентгений Коперниций Унунтрий Флеровий Унунпентий Ливерморий Унунсептий УнуноктийПериодическая система элементов
73Ta
Unknown.svg
Electron shell 073 Tantalum.svg
Внешний вид простого вещества
Tantalum single crystal and 1cm3 cube.jpg
Тяжёлый твёрдый металл серого цвета
Свойства атома
Название, символ, номер

Танта́л / Tantalum (Ta), 73

Атомная масса
(молярная масса)

180,94788(2)[1] а. е. м. (г/моль)

Электронная конфигурация

[Xe] 4f14 5d3 6s2

Радиус атома

149 пм

Химические свойства
Ковалентный радиус

134 пм

Радиус иона

(+5e) 68 пм

Электроотрицательность

1,5 (шкала Полинга)

Электродный потенциал

0

Степени окисления

5

Энергия ионизации
(первый электрон)

 760,1 (7,88) кДж/моль (эВ)

Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)

16,65[2] г/см³

Температура плавления

3290 K (3017 °C, 5463 °F)[2]

Температура кипения

5731 K (5458 °C, 9856 °F)[2]

Уд. теплота плавления

24,7 кДж/моль

Уд. теплота испарения

758 кДж/моль

Молярная теплоёмкость

25,39[3] Дж/(K·моль)

Молярный объём

10,9 см³/моль

Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки

кубическая
объёмноцентрированая

Параметры решётки

3,310 Å

Температура Дебая

225,00 K

Прочие характеристики
Теплопроводность

(300 K) 57,5 Вт/(м·К)

Эмиссионный спектр

Tantalum spectrum visible.png

73
Тантал
Ta
180,948
4f145d36s2

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[3] (со слабым свинцовым оттенком вследствие образования плотной оксидной плёнки).

История[править | править вики-текст]

Тантал открыт в 1802 году шведским химиком А. Г. Экебергом[en] в двух минералах, найденных в Финляндии и Швеции. Однако в чистом виде выделить его не удалось. Из-за трудностей получения этот элемент был назван по имени героя древнегреческой мифологии Тантала.

В последующем тантал и «колумбий» (ниобий) считали тождественными. Лишь в 1844 году немецкий химик Розе доказал, что минерал колумбит-танталит содержит два различных элемента — ниобий и тантал.

Пластичный металлический тантал впервые получен немецким учёным В. Болтоном[en] в 1903 году.

Первый промышленный штабик тантала был получен в 1922 году, при этом он не превышал по величине спичечную головку. Тогда элемент начал применяться в выпрямителях тока и радиолампах. Активное производство тантала было развёрнуто в самом конце Второй Мировой войны.

Нахождение в природе[править | править вики-текст]

Тантал — редкий металл, в земной коре на его долю приходится 0,0002 %. В природе встречается в виде двух изотопов: стабильного 181Та (99,9877 %) и радиоактивного (вероятно) с периодом полураспада более 1015 лет 180mТа (0,0123 %). Последний является чрезвычайно стабильным изомером (возбуждённым состоянием) изотопа 180Та, период полураспада которого всего чуть более 8 часов[4].

Известно около 20 собственно минералов тантала — серия колумбит-танталит, воджинит, лопарит, манганотанталит и другие, а также более 60 минералов, содержащих тантал. Все они связаны с эндогенным минералообразованием. В минералах тантал всегда находится совместно с ниобием вследствие сходства их физических и химических свойств. Тантал — типично рассеянный элемент, так как изоморфен со многими химическими элементами. Месторождения тантала приурочены к гранитным пегматитам, карбонатитам и щелочным расслоенным интрузиям.

Месторождения[править | править вики-текст]

Самые крупные месторождения танталовых руд находятся во Франции, Египте, Таиланде[3], Китае. Mесторождения танталовых руд имеются также в Мозамбике, Австралии, Нигерии, Канаде, Бразилии, СНГ, ДРК, Малайзии[3].

Крупнейшее мировое месторождение танталовых руд, Гринбушес, расположено в Австралии в штате Западная Австралия в 250 км к югу от Перта[5].

Физические свойства[править | править вики-текст]

Тантал обладает высокой температурой плавления — 3290 K (3017 °C); кипит при 5731 K (5458 °C)[2]. Плотность тантала — 16,65 г/см³[2]. Несмотря на твёрдость, пластичен, как золото. Чистый тантал хорошо поддаётся механической обработке, легко штампуется, раскатывается в проволоку и тончайшие листы толщиной в сотые доли миллиметра. Тантал является отличным геттером (газопоглотителем), при 800 °C он способен поглотить 740 объёмов газа. Кристаллическая решётка — кубическая, объёмноцентрированная[3]. Обладает парамагнитными свойствами[3].

При температуре ниже 4,45 К переходит в сверхпроводящее состояние[3].

Химические свойства[править | править вики-текст]

При нормальных условиях тантал малоактивен, на воздухе окисляется лишь при температуре свыше 280 °C, покрываясь защитной плёнкой Ta2O5; с галогенами реагирует при температуре свыше 250 °C. При нагревании реагирует с С, В, Si, P, Se, Те, Н2О, СО, СО2, 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, его не растворяет даже царская водка. Растворим только в смеси плавиковой и азотной кислот. 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)[6], устойчив в обескислороженных расплавленных щелочных металлах и перегретых парах их (литий, натрий, калий, рубидий, цезий).

Токсикология[править | править вики-текст]

ПДК 5 мг/м³.

Распространённость[править | править вики-текст]

Среднее содержание тантала (по массе):

  • в земной коре 2,5·10−4 %[3]
  • в ультраосновных породах 1·10−6 %
  • в основных породах 4,8·10−5 %
  • в кислых породах 3,5·10−4 %
  • в полукислых породах 7·10−4 %

Получение[править | править вики-текст]

Основным сырьём для производства тантала и его сплавов служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие около 8 % Та2О5, а также 60 % и более Nb2O5. Концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые — хлорируют. Разделение Та и Nb производят с помощью экстракции. Металлический тантал обычно получают восстановлением Ta2O5 углеродом, либо электрохимически из расплавов. Компактный металл производят вакуумно-дуговой, плазменной плавкой или методом порошковой металлургии.

Для получения 1 тонны танталового концентрата необходимо переработать до 3000 тонн руды.

Стоимость[править | править вики-текст]

Стоимость тантала — около 530 долл. за 1 кг (июль 2013)[7]. Особо чистый тантал (от 99,985 %) имеет цену порядка 4500 долл. за 1 кг[8].

Применение[править | править вики-текст]

Первоначально использовался для изготовления проволоки для ламп накаливания. Сегодня из тантала и его сплавов изготовляют:

  • жаропрочные и коррозионностойкие сплавы;
  • коррозионно-устойчивую аппаратуру для химической промышленности, фильерные пластины, лабораторную посуду и тигли для получения, плавки, и литья редкоземельных элементов, а также иттрия и скандия;
  • теплообменники для ядерно-энергетических систем (тантал наиболее из всех металлов устойчив в перегретых расплавах и парах цезия);
  • в хирургии листы, фольгу и проволоку из тантала используют для скрепления тканей, нервов, наложения швов, изготовления протезов, заменяющих повреждённые части костей (ввиду биологической совместимости);
  • танталовая проволока используется в криотронах — сверхпроводящих элементах, устанавливаемых в вычислительной технике;
  • в производстве боеприпасов тантал применяется для изготовления металлической облицовки перспективных кумулятивных зарядов, улучшающей бронепробиваемость;
  • тантал и ниобий используют для производства электролитических конденсаторов (более качественных, чем алюминиевые электролитические конденсаторы, но на меньшее напряжение);
  • тантал используется в последние годы в качестве ювелирного металла, в связи с его способностью образовывать на поверхности прочные плёнки оксида красивых радужных цветов;
  • тантал-182 используется в ядерно-физических лабораториях МВД[источник не указан 143 дня].
  • ядерный изомер тантал-180m2, накапливающийся в конструкционных материалах атомных реакторов, может наряду с гафнием-178m2 служить источником гамма-лучей и энергии при разработке оружия и специальных транспортных средств.
  • Бюро стандартов США и Международное бюро мер и весов Франции используют тантал вместо платины для изготовления стандартных аналитических разновесов большой точности;
  • Бериллид тантала чрезвычайно твёрд и устойчив к окислению на воздухе до 1650 °C, применяется в авиакосмической технике;
  • карбид тантала (температура плавления 3880 °C, твёрдость близка к твёрдости алмаза) применяется в производстве твёрдых сплавов — смеси карбидов вольфрама и тантала (марки с индексом ТТ), для тяжелейших условий металлообработки и ударно-поворотного бурения крепчайших материалов (камень, композиты), а также наносится на сопла, форсунки ракет;
  • Оксид тантала(V) используется в атомной технике для варки стекла, поглощающего гамма-излучение. Один из наиболее широко применяемых составов такого стекла: двуокись кремния — 2 %, монооксид свинца (глет) — 82 %, оксид бора — 14 %, пятиокись тантала — 2 %.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Т. 85. — № 5. — С. 1047-1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02
  2. 1 2 3 4 5 Tantalum: physical properties (англ.). WebElements. Проверено 17 августа 2013.
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4. — С. 494. — 639 с. — 20 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8.
  4. G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties». Nuclear Physics A 729: 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Bibcode2003NuPhA.729....3A.
  5. Большая Российская энциклопедия: В 30 т. / Председатель науч.-ред. совета Ю. С. Осипов. Отв. ред С. Л. Кравец. Т. 8. Григорьев — Динамика. — М.: Большая Российская энциклопедия, 2007. — 767 с.: ил.: карт.
  6. Венецкий С. И. Рождённый в муках // Рассказы о металлах. — М.: Металлургия, 1979. — С. 167. — 240 с. — 60 000 экз.
  7. Тaнтaл, USD/кг цена на мировом рынке. Infogeo.ru. Проверено 17 августа 2013. Архивировано из первоисточника 19 августа 2013.
  8. Tantalum Element Facts (англ.). Chemicool.com. Проверено 17 августа 2013.

Ссылки[править | править вики-текст]