Тантал (элемент)

73 Гафний ← Тантал → Вольфрам Nb ↑ Ta ↓ Db 73Ta
Внешний вид простого вещества
Тяжёлый твёрдый металл серого цвета
Свойства атома
Имя, символ, номер	Танта́л / Tantalum (Ta), 73
Атомная масса (молярная масса)	180,9479 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.)	16,654 г/см³
Температура плавления	3290 K, 3017 °C
Температура кипения	5731 K, 5458 °C
Теплота плавления	24,7 кДж/моль
Теплота испарения	758 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	25,39 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)

73	Тантал
Ta 180,948
4f145d36s2

Танта́л — химический элемент с зарядом ядра 73, при обычных условиях — металл серого цвета (со слабым свинцовым оттенком вследствие образования плотной оксидной плёнки).

История

Тантал открыт в 1802 г. шведским химиком А. Г. Экебергом в двух минералах, найденных в Финляндии и Швеции. В последующем тантал и колумбий считали тождественными. Лишь в 1844 г. немецкий химик Розе доказал, что минерал колумбит содержит два различных элемента — ниобий и тантал.

Пластичный металлический тантал впервые получен немецким учёным В. Больтеном в 1903 г.

Нахождение в природе

В природе встречается в виде двух изотопов: стабильного ¹⁸¹Та (99,9877 %) и радиоактивного с периодом полураспада не менее 10¹⁵ лет ^180mТа (0,0123 %). Последний является чрезвычайно стабильным изомером (возбуждённым состоянием) изотопа ¹⁸⁰Та, период полураспада которого всего чуть более 8 часов.

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

Самые крупные месторождения танталовых руд находятся во Франции, Египте, Таиланде, Китае.

Также есть месторождения танталовых руд в Мозамбике, Австралии, Нигерии.

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

Происхождение названия

Элемент назван по имени героя древнегреческой мифологии Тантала, из-за трудностей его получения в чистом виде.

Физические свойства

Обладает высокой температурой плавления (3017 °C), температура кипения 5458 °C, цвет в чистом виде серо-стальной, плотность 16,6, несмотря на твёрдость пластичен, как золото.

Химические свойства

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 идет только с пылью металла и сопровождается взрывом. Очень устойчив к воздействию серной кислоты любой концентрации и температуры, устойчив в обескислороженных расплавленных щелочных металлах и перегретых парах их (литий, натрий, калий, рубидий, цезий).

Токсикология

ПДК 5 мг/м³.

Распространённость

Среднее содержание тантала (по массе):

• в земной коре 2,4·10⁻⁴ %
• 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

Основным сырьём для производства тантала и его сплавов служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие около 8 % Та₂О₅, 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.

Стоимость

Стоимость тантала — 1800—2500$ за 1 кг (сентябрь 2011). Особо чистый тантал (от 99,985 %) имеет цену порядка 4500$ за 1 кг.

Применение

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, фильеры, 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);
• карбид тантала (температура плавления 3880 °C) 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);
• в производстве боеприпасов тантал применяется для изготовления металлической облицовки перспективных кумулятивных зарядов улучшающей бронепробиваемость;
• тантал и ниобий используют для производства электролитических конденсаторов высокой удельной емкости (но тантал позволяет производить более качественные конденсаторы);
• тантал используется в последние годы в качестве ювелирного металла, в связи с его способностью образовывать на поверхности прочные пленки оксида любого цвета;
• тантал-182 используется в ядерно-физических лабораториях МВД.
• 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.

Бериллид тантала чрезвычайно тверд и устойчив к окислению на воздухе до 1650 °C, применяется в авиакосмической технике.

Пятиокись тантала используется в атомной технике для варки стекла поглощающего гамма-излучение. Один из наиболее широко применяемых составов такого стекла: кремния двуокись — 2 %, монооксид свинца (глет) — 82 %, оксид бора — 14 %, пятиокись тантала — 2 %.

См. также

• Колумбит-танталит (колтан)

Ссылки

• Тантал на сайте «Webelements»
• Тантал в Популярной библиотеке химических элементов