Властивості танталу

ТАНТАЛ (Tantalum; по імені міфологічного фрігійського царя Тантала), Та – хім. елемент V групи періодичної системи елементів; ат. н. 73, ат. м. 180,9479. Пластичний метал сіро-сталевого кольору з синюватим відтінком. Найбільш типова для Т. ступінь окислення + 5; відомі також з’єднання зі ступенями окислення – 1, + 1, + 2, + 3 і + 4. Природний Т. складається з стабільного ізотопу 181Та і радіоактивного ізотопу 180Та з періодом напіврозпаду 1 012 років. Отримано 15 радіоактивних ізотопів. Т. вперше виявив (1802) швед, хімік А. Г. Екеберг в мінералах Скандинавського півострова. Внаслідок близькості фізико-хім. св-в тантал і ніобій завжди супроводжують один одного, і їх довго вважали ідентичними. У чистому вигляді Т. отримав (1903) нем. хімік В. фон Болтон. Пром. произ-во Т. почалося в 1922 (США).

Зміст Т. в земній корі 2 <10-4%. Т. в природі зустрічається спільно з ніобієм у вигляді ізоморфних танталіту і ниобатов, Відомо більше 100 мінералів, що містять тантал. Основні з них: колтан, мікроліт, лопаріт, деякі титанові мінерали (напр., Ільменорутіл). Більшість танталових руд містить значну колічествоніобія. Кристалічна решітка Т.об’емноцентрірованная кубіческаяс періодом а – 3,3025 А. Щільність 16,65 г / см9; tпл +2996 ° С; tкип 53009 С; температурний коеф. лінійного розширення (град): 6,55 х 10-6 (т-ра 0-100 ° С); 6,6 х 10-6 (т-ра 0-500 ° С) і 8,0 х 10-6 (т-ра 20-1500 ° С); коеф. теплопровідності (при кімнатній т-рі) 0,130 кал / см х сек х град. Питома теплоємність (кал / г-град): 0,03322 (т-ра 0 ° С); 0,03364 (т-ра 100 ° С); 0,03495 (т-ра 400 ° С); 0,03679 (т-ра 800 ° С); 0,03873 (т-ра 1200 ° С); 0,04078 (т-ра 1600 ° С) і 0,044 (т-ра 2000 ° С). Питомий електричний опір (мком х см), 12,4 (т-ра 18 ° С); 54 (т-ра 1000 ° С); 71 (т-ра 1500 ° С) і 87 (т-ра 2000 ° С). Прихована теплота плавлення 6,9 ккал / мол’; теплота випаровування становить 180 ккал / г-атом. Твердість 90-150 кгс / мм2 при чистоті 99,95-99,9%; твердість після електроннопроменевою або зонної плавки 70-90 кгс / мм2, при т-рі 1200 ° С вона становить 20 кгс / мм2. Межа міцності Т. високої чистоти 19-23 кгс / мм2; межа плинності 18,4 кгс / мм2; відносне подовження 36-38%; відносне звуження поперечного перерізу близько 90%. Залежно від змісту домішок межа міцності сягає 126 кгс / мм2. З підвищенням т-ри межа міцності знижується до 5кгс / мм2 при т-рі 1 550 ° С і до 3,6 кгс / мм2 при т-рі +1980 ° С. Модуль пружності 19000 кгс / мм2; модуль зсуву +7000 кгс / мм2; коеф. стисливості 0,52-10 6 см2 / кгс.

Перехід з пластичного стану в крихке невиявлений аж до т-ри – 250 ° С. Температура рекристалізації 1050 – 1500 ° С в залежності від чис-стоти і ступеня деформації. Іонізаційний потенціал 7,3 ± 0,3 ев. Робота виходу електронів 4,1 ев. ена Т-ра переходу в надпровідний стан 4,38 К. Перетин захоплення теплових нейтронів 21,3 барн / атом. Металевий Т. стійок в ї більшості агресивних середовищ, Вт ч. в «царській горілці». Взаємодіє з плавиковою к-ту, з розплавами лугів, з сірчаною і ортофосфорної к-тами вище т-ри 50-100 ° С. Стійкість металевого Т. обумовлена ​​наявністю на поверхні тонкої міцної плівки пятиокиси Та205.

Здатністю руйнувати таку плівку володіють іони фтору, сірчаний ангідрид і розплави лугів. Т. в значних кількостях абсорбує водень, кисень і азот. Стійок на холоду в середовищі повітря. При нагріванні вище т-ри 300 ° С починає окислюватися, на поверхні утворюється пористий шар пятиокиси Т. з амфотерними св-вами, переважно. кислотними. З підставами п’яти-окис Т. утворює солі, к-які є похідними гіпотетичної танталовой к-ти, – танталат. Т. взаємодіє з фтором при кімнатній т-рі, з хлором – вище т-ри 250 ° С, з бромом – вище т-ри 300 ° С, з йодом не взаємодіє аж до т-ри червоного розжарювання. Вуглець і углеродсодержащие гази при т-рі 1200-1400 ° С взаємодіють з Т. з утворенням карбідів. При т-рі ~ 500 ° С утворюються гідриди. Т. не взаємодіє з газоподібним хлористим воднем до т-ри 400 ° С, а з бромистим воднем – до т-ри 375 ° С. Утворює интерметаллические з’єднання переважно. з перехідними металами VII-VIII і металами Hie – IVe підгруп періодичної системи елементів. Т. стійкий до дії деяких розплавлених металів, напр. вісмуту – до т-ри 980 ° С, свинцю – до т-ри 1000 ° С.

Переробка рудної сировини на металевий Т. включає отримання концентратів, що містять до 40- 65% Та2Об (гравітаційним збагаченням з подальшою електромагнітної або електростатичної сепарацією, флотацією або із застосуванням комплексних магнітно-хімічних методів); розтин концентратів (сплавом з лугами або розкладанням к-тами, зокрема плавиковою), в результаті догрого отримують тантал і супутній йому ніобій у вигляді оксидів, хлоридів або фтористих компл. солей; поділ з’єднань танталу і ніобію (рідинної екстракцією органічними реагентами, дробової кристалізацією комплексних фтористих сполук, ректифікацією хлоридів, а також поділом за допомогою іонообмінних смол); отримання металевого Т. з його сполук (електролізом розплавлених фтористих середовищ; відновленням натрієм з комплексних фтористих солей, зокрема з K2TaF7; відновленням галогенідів магнієвої стружкою або натрієм; термічною дисоціацією галогенідів).

Зазвичай Т. отримують у вигляді танталового порошку чистотою 98-99%. Щоб одержати метал в компактному вигляді, вдаються до спікання попередньо спресованих заготовок прямим пропусканням струму при т-рі 2500- 2700 ° С або непрямим нагріванням при т-рі 2200-2500 ° С у вакуумі; при цьому чистота металу підвищується до 99,9-99,95%. J Для отримання великих злитків і для рафінування застосовують електровакуумні плавку в дугових печах з витрачаються електродом і в Електроннопроменева печах. У процесі вакуумного переплаву загальний вміст кисню, азоту та вуглецю знижується від 0,1-0,5 до 0,01-0,05%. Для произова стрижнів високої чистоти і виготовлення монокристалів вдаються до зонної плавці. Т. піддають обробці тиском на холоду (куванні, прокатці, штампуванню, екструзії, волочіння), отримуючи прутки, дріт, листи, труби та фасонні вироби. Щоб зняти напруження, в процесі деформування виробів здійснюють проміжний відпал у високому вакуумі або в середовищі очищеного інертного газу при т-рі 1200-1650 ° С. Т. має гарну зварюваність, у зв’язку з чим застосовують різні види дугового зварювання в аргоні або гелії, перспективна зварювання електронним пучком.

Можлива пайка спец. припоями з дотриманням запобіжних заходів. Т. можна покривати нержавіючими сталями і тугоплавкими металами і сплавами, обробляти різанням (при наявності мастила). Області застосування Т. визначаються сприятливим поєднанням високої температури плавлення, пластичності, міцності, зварюваності, корозійної стійкості, теплопровідності, здатності поглинати гази і низькою пружності пари. Основна кількість Т. (60- 75%) використовують в електровакуумної техніці: він служить матеріалом для геттеров, анодів, сіток та ін. І деталей електронних ламп. В електротехнічній проммсти Т. застосовують для виготовлення нагревателейелементов конструкцій (екранів, контактів та ін.) Печей, експлуатованих при т-рі вище 1700 ° С у вакуумі або середовищі інертного газу; для виготовлення електролітичних конденсаторів, випрямлячів.

Близько 20-30% металу використовують в произове деталей хім. апаратури. Т.- замінник платини в произове лабораторного посуду, аналітичних важків. З Т. виготовляють прядильні фільєри, службовці для отримання ниток штучного шовку. Т. використовують як легуючої добавки при произове високоміцних, корозійностійких і жароміцних сталей і спец. сплавів. З’єднання Т. (напр., Фтористі комплексні солі) застосовують як каталізаторів, п’ятиокис танталу використовують в произове стекол і кераміки зі спец. властивостями. Див. Також Тантала сплави.

Характеристика елементів. Тантал є металам, але в стані окислення +5 проявляють неметалічні якості. Він майже не утворюють катіонів, але відомо досить велику кількість складних аніонів, куди входять цей елемент.
Властивості простих речовин і сполук. За своїм вільним станом і за хімічними взаємодіям члени підгрупи VB – тантал – різко відрізняються від сурми і вісмуту.
Метал – тантал – дуже тугоплавкий, твердий, хімічно малоактивний. Кристалізуються в кубічної об’емноцентрірованной решітці. Хімічна активність приблизно однакова з ніобієм.
Ні вода, ні більшість кислот на нього не діють. На повітрі він покритий щільним шаром оксидів, який перешкоджає при звичайній температурі їх подальшій взаємодії навіть з такими активними хімічними реагентами, як кисень, галогени і сірка. Тільки досить значне нагрівання здатне вивести його з настільки пасивного стану. На тантал навіть «царська горілка» – суміш, здатна розчиняти золото, не діє. Він може розчинитися тільки в ще більш грізною суміші плавикової та азотної кислот. Взаємодія з воднем йде досить легко, проте при поглинанні водню цим металам певних сполук не утворюється. Склад максимально насичених воднем продуктів наближається до формули ЕН, т. Е. На кожен атом металу припадає один атом водню. Якщо розглядати властивості металів в змозі зі степеньюьокісленія +5, потрібно відзначити наступне: оксиди – щільні, стійкі, інертні речовини. За розмірами атома і іона тантал і ніобію близькі один до одного. Це відбивається і на властивостях оксидів, температура утворення яких в ніобію і танталу висока, як і температура плавлення оксидів, а вищі оксиди Nb2Os і Та205 практично нерозчинні у воді. Кислотні властивості гідроксидів вище, ніж в підгрупі титану, і падають від ванадію до танталу. Гідроксид ванадія- слабка кислота, а танталу – сполуки амфотерні. Так як у цього елемента не заповнені d орбіталі, то значить він способty утворювати комплексні сполуки. Взаємодіючи з сумішшю азотної і плавикової кислот, він дає комплекси типу H (TaF6].
Отримання і використання. Тантал отримують з поліметалічних руд, що містять залізо, титан, цирконій та ін. Його перетворюють на пентоксид Та205 або пентагалогеніди, а потім відновлюють до металу воднем, кальцієм або
алюмінотермічеським способом отримують ферротантал. Тантал мають цінне поєднанням якостей. Хімічна інертність дозволяє його використовувати в високо агресивних середовищах, аж до атомних реакторів, а так само в кісткової і пластичну хірургію. Він анітрохи не шкодить діяльності живих тканин організму. Тонкі пластинки і дріт з танталу-найцінніший медичний матеріал. Танталові латки черепа, скріплення кісток і навіть зшивання нервів стали можливі завдяки такому надзвичайній властивості цього металу. Суміш Ta2Os з Fe203 запропоновано використовувати для прискорення згортання крові.
Застосування танталу дозволило різко розширити асортимент сталей і сплавів. Найтвердіші сплави роблять з карбіду танталу з добавкою нікелю в якості цементуючою добавки. Ці сплави настільки тверді, що залишають подряпини навіть на алмазі, який вважається еталоном твердості.

Посилання на основну публікацію