Обнаружение тантала датируется 1802 годом. Впервые миру он был представлен ученым А. Г. Экебергом. Он обнаружил в Финляндии и Швеции два минерала. Именно в их составе было это вещество. Однако отдельно выделить его в то время не получилось. Именно из-за столь высокой сложности его добычи в чистом виде его и назвали в честь одного из героев мифов Древней Греции. Сегодня этот элемент нашел свое широкое применение во многих отраслях промышленности.
Тантал относится к разряду металлов. Он обладает серебристо-белым оттенком. Он чем-то по своему внешнему виду напоминает свинец, потому что на нем имеется прочная оксидная пленка.
Данный металл относится к категории наиболее редко встречающихся в природе. На сегодняшний день известно лишь двадцать минералов тантала. Однако есть еще шестьдесят минералов, в которых имеется данный металл. Наряду с ним в таких минералах обязательно присутствует ниобий. Он обладает с ним похожими химическими свойствами.
Месторождения тантала
Танталовые руды встречаются очень редко.
Однако самые крупные из них расположены в таких странах, как:
- Египет,
- Франция,
- Таиланд,
- Австралия,
- Мозамбик.
В мире самая крупная танталова руда находится в Гринбуше в Австралии.
Танталу присуща высокая температура плавления. Она составляет более трех тысяч градусов Цельсия. Температура кипения данного металла превышает пяти тысяч градусов Цельсия. Свойства тантала представлены и другими характеристиками. Это вещество обладает достаточно твердой структурой. Однако металл имеет высокий уровень пластичности. По этому своему параметру он сравним с золотом. Он отлично подходит для механической обработки изделий. Благодаря нему можно создавать тончайшие виды проволоки или листы для отделки изделий.
Тантал относится к разряду малоактивных металлов. Его скорость окисления под воздействием воздуха является довольно не высокой. На воздухе он подвергается окислению только, если его температура достигает 250 градусов Цельсия.
Таблица. Характеристики слюдяных конденсаторов на основе поликарбоната, полистирена и тантала.
Изначально в промышленности данный металл применялся только в целях созданий тонкой проволоки для производства всем известных ламп накаливания. Сегодня же тантал применение имеет достаточно широкое. Его используют и для производства промышленных и бытовых предметов, и при создании новых видов оружия в военной промышленности.
Такой металл, как тантал незаменим при производстве предметов и оборудования, которые были бы устойчивы к появлению коррозии. К тому же многие из этих изделий обладают высоким уровнем жаропрочности.
В медицинской отрасли использование тантала давно уже считается нормой. Фольга и проволока из этого уникального материала применяются для того, что восстановить деятельность тканей, нервов пациентов. Также они активно используются для того, чтобы наложить пострадавшему швы.
Из-за прочности тантала его начали использовать для производства космических аппаратов. Бериллид тантала имеет отличную сопротивляемость к процессу окисления на воздухе.
Данный металл нашел свое применение в металлургической промышленности. Его используют для того чтобы производить твердые сплавы для металлообработки. Смесь тантала, карбидов вольфрама применяется для создания твердых сплавов, которые можно использовать для бурения отверстий самых прочных материалов, представленных камнями и композитами.
Данный материал приобрел широкую популярность военной промышленности. С его помощью создаются боевые припасы, которые обладают высоким уровнем прочности. Их практически невозможно пробить. Металл применяется в лабораториях при МВД для создания ядерного оружия.
Самыми большими запасами тантала обладает Австралия. Именно это государство по праву считается лидером по производству этого вещества.
Важно: В нашей стране тоже ест возможность добывать тантал. Однако есть ряд сложностей, которые объясняются труднодоступностью месторождений.
Производство тантала в России
В нашей стране уже многие производство тантала лежит на плечах Соликамского магниевого завода. Здесь данный металл получают из лопаритовых концентратов. Они поступают на завод из Ловозерского месторождения. В некоторых случаях для этой цели используется импортное сырье, которое представлено такими веществами, как рутил, колумбит, танталит, стрюверит.
Лидерами в области производства тантала являются Соединенные Штаты Америки, Китай и Япония. В мире насчитывается приблизительно сорок компаний, которые занимаются изготовления такого материала, как тантал. Крупнейшей фирмой по изготовлению этого металла является компания из Соединенных Штатов Америки Cabot Corporation. Ее филиалы открыты на территориях разных стран мира.
Тантал цена за грамм является достаточно не высокой. В среднем производители продают тантал в размере одного грамма за пол доллара. Килограмм обходится сегодня более одной тысячи долларов.
Статьи по теме
Огнезащита металлоконструкций
Ни для кого не секрет, что металлу не свойственна горючесть. Однако, не смотря на это, воздействие высоких температур приводит к изменению его твердости, в результате чего металл становится мягким, гибким и в результате способен деформироваться. Все это является причинами, по которым несущая способность металла утрачивается, что может стать причиной обрушения целого здания или его отдельной части во время пожара. Несомненно, это очень опасно для человеческой жизни. Для того, чтобы не допустить такого, при строительстве применяются разнообразные составы, способные сделать металлоконструкцию более устойчивой к высоким температурам.
Тантал - это разумный выбор для всех сфер применения, где требуется высокая коррозионная стойкость. Хотя тантал и не относится к благородным металлам, он сравним с ними по своей химической устойчивости. Кроме того, тантал легко поддается формовке даже при температуре ниже комнатной благодаря своей объемноцентрированной кубической кристаллической структуре. Высокая коррозионная стойкость тантала делает его ценным материалом для использования в самых различных химических средах. Мы используемый наш «неподатливый» материал, например, для теплообменников для сектора приборостроения, загрузочных поддонов для строительства печей, имплантатов для медицинской техники и компонентов конденсаторов для электронной промышленности.
Гарантированная чистота
Вы можете быть уверенными в качестве нашей продукции. Мы изготавливаем наши продукты из тантала сами - от металлического порошка до готового продукта. В качестве исходного материала мы используем только чистейший танталовый порошок. Так мы гарантируем вам чрезвычайно высокую чистоту материала.
Мы гарантируем качество чистоты спеченного тантала - 99,95 % (чистота металла без ниобия). Согласно химическим анализам, остаточное содержание состоит из следующих элементов:
| Элемент | Стандартное макс. значение [мкг/г] | Гарантированное макс. значение [мкг/г] |
|---|---|---|
| Fe | 17 | 50 |
| Mo | 10 | 50 |
| Nb | 10 | 100 |
| Ni | 5 | 50 |
| Si | 10 | 50 |
| Ti | 1 | 10 |
| W | 20 | 50 |
| C | 11 | 50 |
| H | 2 | 15 |
| N | 5 | 50 |
| O | 81 | 150 |
| Cd | 5 | 10 |
| Hg* | -- | 1 |
| Pb | 5 | 10 |
Мы гарантируем качество чистоты тантала полученного путем плавки - 99,95 % (чистота металла без ниобия) Согласно химическим анализам, остаточное содержание состоит из следующих элементов:
| Элемент | Типичное значение макс. [мкг/г] | Гарантированное значение [мкг/г] |
|---|---|---|
| Fe | 5 | 100 |
| Mo | 10 | 100 |
| Nb | 19 | 400 |
| Ni | 5 | 50 |
| Si | 10 | 50 |
| Ti | 1 | 50 |
| W | 20 | 100 |
| C | 10 | 30 |
| H | 4 | 15 |
| N | 5 | 50 |
| O | 13 | 100 |
| Cd | -- | 10 |
| Hg* | -- | 1 |
| Pb | -- | 10 |
Присутствие Сr(VI) и органических примесей исключено производственным процессом (многократная термообработка при температуре выше 1000 °C в атмосфере высокого вакуума). * Исходная величина.
Материал с особыми талантами
Насколько уникальны свойства нашего тантала, настолько же специфичны и сферы его применения в промышленности. Ниже мы кратко представим вам две из них:
Индивидуально подобранные химические и электрические свойства.
Благодаря чрезвычайно мелкой микроструктуре тантал является идеальным материалом для производства ультратонкой проволоки с безупречной, исключительно чистой поверхностью для использования в танталовых конденсаторах. Мы можем с высокой степенью точности определять химические, электрические и механические свойства такой проволоки. Так, мы обеспечиваем нашим клиентам индивидуально подобранные и стабильные свойства компонентов, которые мы постоянно развиваем и улучшаем.
Превосходная стойкость и высокая пластичность в холодном состоянии
Превосходная стойкость в сочетании с отличной формуемостью и свариваемостью делают тантал идеальным материалом для теплообменников. Наши танталовые теплообменники исключительно стабильны и устойчивы в целом ряду агрессивных сред. Обладая многолетним опытом обработки тантала, мы также можем изготовлять продукты сложной геометрии, точно отвечающие вашим требованиям.
Чистый тантал или все же сплав?
Мы оптимальным образом подготавливаем наш тантал к любым применениям. При помощи различных легирующих элементов мы можем изменять следующие свойства вольфрама:
- физические свойства (например, температура плавления, давление пара, плотность, электропроводность, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость)
- механические свойства (например, прочность, механизм разрушения, пластичность)
- химические свойства (например, коррозионная стойкость, травимость)
- обрабатываемость (например, машинная обработка, формуемость, свариваемость)
- структура и характеристики рекристаллизации (например, температура рекристаллизации, склонность к появлению хрупкости, эффект старения, размер зерен)
И это еще не все: используя наши специальные технологии производства, мы можем изменять различные другие свойства тантала в широком диапазоне. Результат: две различные технологии производства тантала и сплавы, обладающие различными свойствами, точно отвечающие требованиям конкретного применения.
Тантал, полученный спеканием (TaS).
Чистый тантал, полученный спеканием, и чистый тантал, полученный плавкой, обладают следующими общими характеристиками:
- высокая температура плавления, составляющая 2996 °C
- превосходная пластичность в холодном состоянии
- рекристаллизация при температуре от 900 до 1450 °C (в зависимости от степени деформации и чистоты)
- превосходная стойкость в водных растворах и расплавах металлов
- сверхпроводимость
- высокий уровень биологической совместимости
Когда предстоит чрезвычайно тяжелая работа, поможет наш тантал, полученный спеканием: благодаря используемому нами методу порошковой металлургии тантал, полученный спеканием , (TaS) обладает чрезвычайно мелкозернистой структурой и высокой чистотой. В связи с этим материал и отличается высочайшим качеством поверхности и хорошими механическими свойствами.
Для использования в конденсаторах мы рекомендуем одну из разновидностей нашего тантала с чрезвычайно высоким качеством поверхности (TaK ). Такой тантал используется в виде проволоки в танталовых конденсаторах. Высокую емкость, низкий ток утечки и низкое сопротивление можно гарантировать только тогда, когда используется проволока, не имеющая дефектов и примесей.
Тантал, полученный плавкой (TaM)
Не всегда требуется лучшее из лучшего. Тантал, полученный плавкой , (TaM), как правило, более экономичен в производстве, чем тантал, полученный спеканием, а его качества достаточно для многих сфер применения. Однако этот материал не такой мелкозернистый и однородный, как тантал, полученный спеканием. Просто свяжитесь с нами. Мы будем рады проконсультировать вас.
Стабилизированный тантал (TaKS)
Мы легируем наш спеченный стабилизированный тантал кремнием , что позволяет предотвратить рост зерен даже при высокой температуре. Это делает наш тантал пригодным для использования даже при крайне высокой температуре. Мелкозернистая микроструктура остается стабильной даже после отжига при температуре до 2000 °C. Этот процесс позволяет сохранить превосходные механические свойства материала, такие как его пластичность и прочность. Стабилизированный тантал в виде проволоки или листов идеально подходит для производства танталовых анодов методом спекания или для использования в секторе строительства печей.
Тантал-вольфрам (TaW) отличается хорошими механическими свойствами и превосходной коррозионной стойкостью. Мы добавляем от 2,5 до 10 процентов по весу вольфрама в чистый тантал. Хотя полученный сплав в 1,4 раза прочнее чистого тантала, его легко обрабатывать при температурах до 1600 °C. Поэтому наш сплав TaW особенно хорошо подходит для теплообменников и нагревательных элементов, используемых в химической промышленности.
Хорош во всех отношениях. Характеристики тантала.
Тантал относится к группе тугоплавких металлов . Тугоплавкие металлы имеют температуру плавления выше температуры плавления платины (1772 °C). Энергия, связывающая отдельные атомы, чрезвычайно высока. Высокая температура плавления тугоплавких металлов сочетается с низким давлением пара. Тугоплавкие металлы также отличаются высокой плотностью и низким коэффициентом теплового расширения.
В периодической таблице тантал находится в том же периоде, что и вольфрам. Как и вольфрам, тантал имеет очень высокую плотность - 16,6 г/см 3 . Однако, в отличие от вольфрама, тантал становится хрупким во время производственных операций с участием водородной атмосферы. Поэтому материал производится в высоком вакууме.
Тантал, несомненно, является наиболее устойчивым из тугоплавких металлов . Он устойчив во всех кислотах и основаниях и обладает крайне специфическими свойствами:
| Свойства | |||
|---|---|---|---|
| Атомное число | 73 | ||
| Атомная масса | 180,95 | ||
| Температура плавления | 2996 °C/3269 °K | ||
| Температура кипения | 5458 °C/5731 °K | ||
| Атомный объем | 1,80 · 10 -29 [м 3 ] | ||
| Давление пара | при 1800 °C при 2200 °C | 5 · 10 -8 [Па] 7 · 10 -5 [Па] |
|
| Плотность при 20 °C (293 °K) | 16,65 [г/см 3 ] | ||
| Кристаллическая структура | объемноцентрированная кубическая | ||
| Постоянная кристаллической решетки | 330 [пм] | ||
| Твердость при 20 °C (293 °K) | деформированный рекристаллизованный | 120–220 80–125 |
|
| Модуль упругости при 20 °C (293 °K) | 186 [ГПa] | ||
| Коэффициент Пуассона | 0,35 | ||
| Коэффициент линейного теплового расширения при 20 °C (293 °K) | 6,4 · 10 -6 [м/(м·K)] | ||
| Теплопроводность при 20 °C (293 °K) | 57,5 [Вт/(м K)] | ||
| Удельная теплоемкость при 20 °C (293 °K) | 0,14 [Дж/(г·K)] | ||
| Электропроводность при 20 °C (293 °K) | 8 · 10 6 | ||
| Удельное электрическое сопротивление при 20 °C (293 °K) | 0,125 [(Ом·мм 2)/м] | ||
| Скорость звука при 20 °C (293 °K) | Продольная волна Поперечная волна | 4100 [м/с] 2900 [м/с] |
|
| Работа выхода электрона | 4,3 [эВ] | ||
| Сечение захвата тепловых нейтронов | 2,13 · 10 -27 [м 2 ] | ||
| Температура рекристаллизации (продолжительность отжига: 1 час) | 900–1450 °C | ||
| Сверхпроводящий (температура перехода) | < -268,65 °C / < 4,5 °K | ||
Термофизические свойства
Тугоплавкие металлы, как правило, имеют низкий коэффициент теплового расширения и относительно высокую плотность . Это касается и тантала. Хотя теплопроводность тантала ниже, чем у вольфрама и молибдена, материал имеет более высокий коэффициент теплового расширения, чем многие другие металлы.
Теплофизические свойства тантала изменяются при изменении температуры. На графиках ниже показаны кривые изменения наиболее важных переменных:
Механические свойства
Даже малые количества таких элементов, образующих твердый раствор внедрения, как кислород, азот, водород и углерод, могут изменить механические свойства тантала. Кроме того, для изменения его механических свойств используются такие факторы, как чистота металлического порошка, технология производства (спекание или плавка), степень холодной обработки и тип термической обработки.
Как и вольфрам и молибден, тантал имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую решетку . Температура хрупко-вязкого перехода тантала составляет -200 °C, что значительно ниже комнатной температуры. Благодаря этому металл крайне легко поддается формовке . В процессе холодной обработки повышается предел прочности и твердость металла, но одновременно снижается удлинение при разрыве. Хотя материал теряет пластичность, он не становится хрупким.
Термостойкость материала ниже, чем у вольфрама, но сравнима с термостойкостью чистого молибдена. Для повышения термостойкости мы добавляем в наш тантал тугоплавкие металлы, например, вольфрам.
Модуль упругости тантала ниже, чем у вольфрама и молибдена, и сравним с модулем упругости чистого железа. Модуль упругости снижается при повышении температуры.
Механические свойства
Благодаря высокой пластичности тантал оптимально подходит для формовочных процессов , таких как гибка, штамповка, прессование или глубокая вытяжка. Тантал с трудом поддается машинной обработке . Стружка плохо отделяется. По этой причине мы рекомендуем использовать стружкоотводные ступеньки. Тантал отличается превосходной свариваемостью в сравнении с вольфрамом и молибденом.
У вас есть вопросы о механической обработке тугоплавких металлов? Мы будем рады помочь вам, используя наш многолетний опыт.
Химические свойства
Поскольку тантал является стойким к любым типам химических веществ, этот материал часто сравнивают с драгоценными металлами. Однако в термодинамическом отношении тантал является основным металлом, который, тем не менее, может образовывать стабильные соединения с широким спектром элементов. При воздействии воздуха тантал образует очень плотный оксидный слой (Ta 2 O 5), который защищает основной материал от агрессивного воздействия. Этот оксидный слой делает тантал устойчивым к коррозии .
При комнатной температуре тантал не является устойчивым только в следующих неорганических веществах: концентрированная серная кислота, фтор, фтороводород, фтористоводородная кислота и растворы кислот, содержащие ионы фтора. Щелочные растворы, расплавленный гидроксид натрия и гидроксид калия также оказывают химическое воздействие на тантал. В то же время материал устойчив в водном растворе аммиака. Если тантал подвергается химическому воздействию, водород проникает в его кристаллическую решетку, и материал становится хрупким. Коррозионная стойкость тантала постепенно снижается при повышении температуры.
Тантал является инертным по отношению ко многим растворам. Однако, если тантал подвергается воздействию смешанного раствора, то его коррозионная стойкость может снизиться, даже если он устойчив в отдельных компонентах такого раствора. У вас есть сложные вопросы по коррозии? Мы будем рады помочь вам, используя наш опыт и нашу собственную лабораторию по исследованию коррозии.
| Коррозионная стойкость в воде, водных растворах и в среде неметаллов | ||
|---|---|---|
| Вода | Горячая вода < 150 °C | стойкий |
| Неорганические кислоты | Соляная кислота < 30 % до 190 °C Серная кислота < 98 % до 190 °C Азотная кислота < 65 % до 190 °C Фтористо-водородная кислота < 60 % Фосфорная кислота < 85 % до 150 °C | стойкий стойкий стойкий нестойкий стойкий |
| Органические кислоты | Уксусная кислота < 100 % до 150 °C Щавелевая кислота < 10 % до 100 °C Молочная кислота < 85 % до 150 °C Винная кислота < 20 % до 150 °C | стойкий стойкий стойкий стойкий |
| Щелочные растворы | Гидроксид натрия < 5 % до 100 °C Гидроксид калия < 5 % до 100 °C Аммиачные растворы < 17 % до 50 °C Карбонат натрия < 20 % до 100 °C | стойкий стойкий стойкий стойкий |
| Соляные растворы | Хлорид аммония < 150 °C Хлорид кальция < 150 °C Хлорид железа < 150 °C Хлорат калия < 150 °C Биологические жидкости < 150 °C Сульфат магния < 150 °C Нитрат натрия < 150 °C Хлорид олова < 150 °C | стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий |
| Неметаллы | Фтор Хлор < 150 °C Бром < 150 °C Йод < 150 °C Сера < 150 °C Фосфор < 150 °C Бор < 1000 °C | не стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий |
Тантал устойчив в некоторых расплавах металлов, таких как Ag, Bi, Cd, Cs, Cu, Ga, Hg, °K, Li, Mg, Na и Pb, при условии что эти расплавы содержат малое количество кислорода. Однако этот материал подвержен воздействию Al, Fe, Be, Ni и Co.
| Коррозионная стойкость в расплавах металлов | |||
|---|---|---|---|
| Алюминий | нестойкий | Литий | стойкий при < 1000 °C |
| Бериллий | нестойкий | Магний | стойкий при температуре < 1150 °C |
| Свинец | стойкий при < 1000 °C | Натрий | стойкий при < 1000 °C |
| Кадмий | стойкий при < 500 °C | Никель | нестойкий |
| Цезий | стойкий при температуре < 980 °C | Ртуть | стойкий при температуре < 600 °C |
| Железо | нестойкий | Серебро | стойкий при < 1200 °C |
| Галлий | стойкий при температуре < 450 °C | Висмут | стойкий при температуре < 900 °C |
| Калий | стойкий при < 1000 °C | Цинк | стойкий при < 500 °C |
| Медь | стойкий при температуре < 1300 °C | Олово | стойкий при температуре < 260 °C |
| Кобальт | нестойкий | ||
Когда неблагородный металл, например тантал, вступает в контакт с благородными металлами, например платиной, очень быстро возникает химическая реакция. В связи с этим необходимо учитывать реакцию тантала с другими материалами, присутствующими в системе, особенно при высокой температуре.
Тантал не вступает в реакцию с инертными газами. По этой причине инертные газы высокой чистоты могут использоваться в качестве защитных газов. Однако при повышении температуры тантал активно вступает в реакцию с кислородом или воздухом и может поглощать большое количество водорода и азота. Это делает материал хрупким. Устранить эти примеси позволяет отжиг тантала в высоком вакууме. Водород исчезает при температуре 800 °C, а азот - при 1700 °C.
В высокотемпературных печах тантал может вступать в реакцию с деталями конструкции, изготовленными из тугоплавких оксидов или графита. Даже очень устойчивые оксиды, такие как оксид алюминия, магния или циркония, могут подвергаться восстановлению при высокой температуре, если они вступают в контакт с танталом. При контакте с графитом может образовываться карбид тантала, что приводит к повышению хрупкости тантала. Хотя обычно тантал можно легко комбинировать с другими тугоплавкими металлами, например, молибденом или вольфрамом, он может вступать в реакцию с гексагональным нитридом бора и нитридом кремния.
В таблице ниже указана коррозионная стойкость материала по отношению к термостойким материалам, используемым при строительстве промышленных печей. Указанные предельные температуры действительны для вакуума. При использовании защитного газа эти температуры примерно на 100–200 °C ниже.
| Коррозионная стойкость по отношению к термостойким материалам, используемым при строительстве промышленных печей | |||
|---|---|---|---|
| Оксид алюминия | стойкий при температуре < 1900 °C | Молибден | стойкий |
| Оксид бериллия | стойкий при температуре < 1600 °C | Нитрид кремния | стойкий при < 700 °C |
| Гексагональный. нитрид бора | стойкий при < 700 °C | Оксид тория | стойкий при температуре < 1900 °C |
| Графит | стойкий при < 1000 °C | Вольфрам | стойкий |
| Оксид магния | стойкий при температуре < 1800 °C | Оксид циркония | стойкий при температуре < 1600 °C |
Тантал (лат. Tantalum), Та, химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 73, атомная масса 180,948; металл серого цвета со слегка свинцовым оттенком. В природе находится в виде двух изотопов: стабильного 181 Та (99,99%) и радиоактивного 180 Та (0,012%; T ½ = 10 12 лет). Из искусственно полученных радиоактивный 182 Та (Т ½ = 115,1 сут) используют как радиоактивный индикатор.
Элемент открыт в 1802 году шведским химиком А. Г. Эксбергом; назван по имени героя древнегреческой мифологии Тантала (из-за трудностей получения Tантала в чистом виде). Пластичный металлический Тантал впервые получил в 1903 году немецкий химик В. Больтон.
Распространение Тантала в природе
Среднее содержание Тантала в земной коре (кларк) 2,5·10 -4 % по массе. Характерный элемент гранитной и осадочной оболочек (среднее содержание достигает 3,5·10 -4 %); в глубинных частях земной коры и особенно в верх, мантии Тантал мало (в ультраосновных породах 1,8·10 -6 %). В большинстве магматических пород и биосфере Тантал рассеян; его содержание в гидросфере и организмах не установлено. Известно 17 собственных минералов Тантал и более 60 танталсодержащих минералов; все они образовались в связи с магматической деятельностью (танталит, колумбит, лопарит, пирохлор и другие). В минералах Тантал находится совместно с ниобием вследствие сходства их физических и химических свойств. Руды Тантала известны в пегматитах гранитных и щелочных пород, карбонатитах, в гидротермальных жилах, а также в россыпях, которые имеют наибольшее практическое значение.
Физические свойства Тантала
Тантал имеет кубическую объемноцентрированную решетку (а = 3,296 Å); атомный радиус 1,46 Å, ионные радиусы Та 2+ 0,88 Å, Та 5+ 0,66 Å; плотность 16,6 г/см 3 при 20 °С; t пл 2996 °С; Т кип 5300 °С; удельная теплоемкость при 0-100°С 0,142 кдж/(кг·К) ; теплопроводность при 20-100 °С 54,47 Вт/(м·К) . Температурный коэффициент линейного расширения 8,0·10 -6 (20-1500 °С); удельное электросопротивление при 0 °С 13,2·10 -8 ом·м, при 2000 °С 87·10 -8 ом·м. При 4,38 К становится сверхпроводником. Тантал парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 0,849·10 -6 (18 °С). Чистый Тантал - пластичный металл, обрабатывается давлением на холоду без значительного наклепа. Его можно деформировать со степенью обжатия 99% без промежуточного отжига. Переход Тантала из пластичного в хрупкое состояние при охлаждении до -196 °С не обнаружен. Модуль упругости Тантала 190 Гн/м 2 (190·10 2 кгс/мм 2) при 25 °С. Предел прочности при растяжении отожженного Тантала высокой чистоты 206 Мн/м 2 (20,6 кгс/мм 2) при 27 °С и 190 Мн/м 2 (19 кгс/мм 2) при 490 °С; относительное удлинение 36% (27 °С) и 20% (490 °С). Твердость по Бринеллю чистого рекристаллизованного Тантала 500 Мн/м 2 (50 кгс/мм 2). Свойства Тантала в большой степени зависят от его чистоты; примеси водорода, азота, кислорода и углерода делают металл хрупким.
Химические свойства Тантала
Конфигурация внешних электронов атома Та 5d 3 6s 2 . Наиболее характерная степень окисления Тантала +5; известны соединения с низшей степенью окисления (например, ТаСl 4 , ТаСl 3 , ТаCl 2), однако их образование для Тантал менее характерно, чем для ниобия.
В химическом отношении Тантал при обычных условиях малоактивен (сходен с ниобием). На воздухе чистый компактный Тантал устойчив; окисляться начинает при 280 °С. Имеет лишь один стабильный оксид - (V) Та 2 О 5 , который существует в двух модификациях: α-форме белого цвета ниже 1320 °С и β-форме серого цвета выше 1320 °С; имеет кислотный характер. С водородом при температуре около 250 °С Тантал образует твердый раствор, содержащий до 20 ат.% водорода при 20 °С; при этом Тантал становится хрупким; при 800-1200 °С в высоком вакууме водород выделяется из металла и его пластичность восстанавливается. С азотом при температуре около 300 °С образует твердый раствор и нитриды Ta 2 N и TaN; в глубоком вакууме выше 2200 °С поглощенный азот вновь выделяется из металла. В системе Та - С при температуре до 2800 °С установлено существование трех фаз: твердого раствора углерода в Тантале, низшего карбида Т 2 С и высшего карбида ТаС. Тантал реагирует с галогенами при температуре выше 250 °С (с фтором при комнатной температуре), образуя галогениды преимущественно типа ТаХ 3 (где X = F, Cl, Вг, I). При нагревании Та взаимодействует с С, В, Si, Р, Se, Те, водой, СО, СО 2 , NO, HCl, H 2 S.
Чистый Тантал исключительно устойчив к действию многих жидких металлов: Na, К и их сплавов, Li, Pb и других, а также сплавов U - Mg и Pu - Mg. Тантал характеризуется чрезвычайно высокой коррозионной устойчивостью к действию большинства неорганических и органических кислот: азотной, соляной, серной, хлорной и других, царской водки, а также многих других агрессивных сред. Действуют на Тантал фтор, фтористый водород, плавиковая кислота и ее смесь с азотной кислотой, растворы и расплавы щелочей. Известны соли танталовых кислот - танталаты общей формулы xMe 2 O·yТа 2 О 5 ·H 2 O: метатанталаты МеТаО 3 , ортотанталаты Ме 3 ТаО 4 , соли типа Me 5 TaO 5 , где Me - щелочной металл; в присутствии перекиси водорода образуются также пертанталаты. Наиболее важны танталаты щелочных металлов - КТаО 3 и NaTaO 3 ; эти соли -сегнетоэлектрики.
Получение Тантала
Руды, содержащие Тантал, редки, комплексны, бедны Танталом; перерабатывают руды, содержащие до сотых долей процента (Та, Nb) 2 O 5 , и шлаки восстановительной плавки оловянных концентратов. Основным сырьем для производства Тантала, его сплавов и соединений служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие соответственно около 8% Ta 2 O 5 и 60% и более Nb 2 O 5 . Концентраты перерабатывают обычно в три стадии: 1) вскрытие, 2) разделение Та и Nb и получение их чистых соединений, 3) восстановление и рафинирование Та. Танталитовые концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые - хлорируют. Разделяют Та и Nb с получением чистых соединений экстракцией, например, трибутилфосфатом из плавиковокислых растворов, или ректификацией хлоридов.
Для производства металлического Тантала применяют восстановление его из Ta 2 O 5 сажей в одну или в две стадии (с предварительным получением ТаС из смеси Ta 2 O 5 с сажей в атмосфере СО или Н 2 при 1800-2000 °С); электрохимическое восстановление из расплавов, содержащих K 2 TaF 7 и Та 2 О 5 , и восстановление натрием K 2 TaF 7 при нагревании. Возможны также процессы термической диссоциации хлорида или восстановление из него Тантала водородом. Компактный металл производят либо вакуумной дуговой, электроннолучевой или плазменной плавкой, либо методами порошковой металлургии. Слитки или спеченные из порошков штабики обрабатывают давлением; монокристаллы особо чистого Тантала получают бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.
Применение Тантала
Тантал обладает комплексом ценных свойств - хорошей пластичностью, прочностью, свариваемостью, коррозионной устойчивостью при умеренных температурах, тугоплавкостью, низким давлением пара, высоким коэффициентом теплопередачи, небольшой работой выхода электронов, способностью образовывать анодную пленку (Та 2 О 5) с особыми диэлектрическими характеристиками и "уживаться" с живой тканью организма. Благодаря этим свойствам Тантал находит применение в электронике, химические машиностроении, ядерной энергетике, в металлургии (производство жаропрочных сплавов, нержавеющих сталей), в медицине; в виде ТаС его применяют в производстве твердых сплавов. Из чистого Тантала изготовляют электрические конденсаторы для полупроводниковых приборов, детали электронных ламп, коррозионноустойчивую аппаратуру для химические промышленности, фильеры в производстве искусственного волокна, лабораторную посуду, тигли для плавки металлов (например, редкоземельных) и сплавов, нагреватели высокотемпературных печей; теплообменники для ядерно-энергетических систем. В хирургии листы, фольгу, проволоку из Тантала применяют для скрепления костей, нервов, наложения швов и др. Применение находят танталовые сплавы и соединения.
Тантал занимает особое место в группе известных химических элементов. Данный металл не относится к благородным, однако эксплуатационные качества делают его востребованным в самых разных сферах. Причем это касается не только строительных и производственных отраслей, но и ювелирного искусства. На сегодняшний день само применение тантала весьма ограничено в силу его редкости. И все же на рынке представлен широкий ассортимент изделий из этого материала.
Общие сведения о металле
В природе не существует тантала в чистом виде. Обычно его добывают вместе с другими минералами, схожими с ним по характеристикам. Эта особенность элемента и обусловила его довольно позднее открытие. Но в наши дни существуют эффективные способы выделения тантала, одним из которых является экстракционный метод. Специально для получения металлического материала применяется также электролиз. С помощью графитового тигля основу с содержанием элемента расплавляют, после чего на стенках емкости остается порошок. Дальнейшая технология обработки исходного сырья зависит от того, каким будет применение тантала: ему можно придавать вид слитка, проволоки, листа, детали определенной формы или же оставить в форме смеси для распыления. Популярны и технологии формирования сплавов из порошка тантала. Комбинация с легирующими веществами позволяет усилить отдельные свойства материала.
Физические свойства
Металл отличается повышенной температурой плавления порядка 3017 °C, что позволяет его использовать в экстремальных термических условиях на производствах. В то же время он обладает редкой комбинацией свойств пластичности и твердости. Что касается первого, то он мягкий как золото. При этом твердость тантала составляет 16,65 г/см 3 . Такое сочетание физических качеств позволяет с легкостью обрабатывать материал, придавая ему разные формы и размеры, а также использовать в ответственных механизмах и конструкциях. Мелкие элементы хорошо себя проявляются в качестве шестеренок и деталей электроприборов. Тантал стоек к износу и долговечен, поэтому из него делают расходные компоненты с расчетом на длительную эксплуатацию. Кроме того, этот металл может выступать эффективным поглотителем газа. При высоких температурах у деталей из тантала также раскрываются высокие токопроводящие свойства.
Химические свойства
В чистом виде металл эффективно противостоит воздействию щелочей, органических и неорганических кислотных веществ, а также влиянию других активных сред. Разве что в расплавленном виде щелочи оказывают на тантал заметное воздействие. Процессы окисления происходят при температурном режиме не ниже 280 °C, а с галогенными компонентами он вступает в реакцию при 250 °C. Химические свойства тантала в контактах с реагентами можно сравнить со стеклом. Он не растворяется в кислотных средах за исключением азотной и плавиковой. Проявляет стойкость данный материал и к серной кислоте независимо от ее концентрации. Однако процессы активности в большинстве случаев оказывают несущественное влияние на структуру металла. Обычно изменения проявляются или в форме покрытия пленкой, или в виде корродирования.
Где применяется тантал?
Данный металл не является массовым, но сфер его использования очень много. В первую очередь это промышленность. Элемент задействуется в металлургии, в пищевом секторе, в обрабатывающих отраслях, радиотехнике, машиностроении и т. д. В строительной сфере этот металл не так востребован именно из-за ограниченности объемов добычи, но отдельные элементы конструкций все же выполняются из этого материала - как правило, метизы, предназначенные для ответственных задач усиления конструкций. Чтобы понять, где используется тантал, важно обращать внимание и на его эксплуатационные свойства. Уже отмечалось, что он может выступать неплохим проводником. Поэтому его используют в качестве сверхпроводника в электротехнике. С другой стороны, жаропрочность открывает возможности для его применения в термической обработке других металлов. Благодаря повышенной плотности тантал стал оптимальным решением и в оборонной промышленности. Из него делают снаряды, обладающие высокой пробивной мощностью.
Проволока из тантала
Металлопрокат в целом является наиболее обширной формой представления данного материала на рынке. Существенную нишу в сегменте занимает проволока. Она необычна тем, что благодаря скромным размерам может использоваться как нить. Это объясняет ценность тантала для медицинской сферы - изделия такого рода применяются для накладывания швов и повязок. Но это лишь пример, демонстрирующий одно из отличительных качеств такой проволоки. Более крупные форматы применяются в машино-, авиа-, станкостроении и капитальном строительстве. Причем в зависимости от назначения может использоваться мягкий и твердый металл. Тантал, благодаря податливости с точки зрения обработки, позволяет выпускать длинную проволоку от 1500 см при толщине от 0,15 мм и более. На готовых изделиях, как отмечают пользователи, редко встречаются заусенцы, трещины и прочие дефекты. Однако тонкая структура все же накладывает требования на условия хранения и транспортировки - в частности, проволоку не рекомендуется подвергать контактам с влагой и агрессивными средами.
Лента из тантала
Этот формат выпуска металлопроката также имеет широкое распространение. Ленты применяются в той же медицине, в нефтяной промышленности, машиностроении и даже в энергетической отрасли. Потребители ценят этот продукт за биосовместимость, высокую прочность при тонкой структуре, хорошую обрабатываемость и стойкость к процессам коррозии. Если сравнивать подобные изделия из тантала с аналогами из стали или алюминия, то на первый план выйдет износостойкость и долговечность. Лента способна выдерживать большие нагрузки на разрыв и химические воздействия. С другой стороны, высокая пластичность не позволяет таким изделиям стабильно поддерживать определенную форму. Даже незначительное давление приводит к деформации.
Сплавы на основе тантала
Модифицированные легирующими компонентами сплавы преимущественно обретают более высокие качества физической прочности и жаростойкости. Достаточно сказать, что среднее по характеристикам изделие сможет выдерживать температурные воздействия в режиме 1650 °С, не утрачивая своих эксплуатационных качеств. Собственно, это и позволяет применять сплавы тантала в химической промышленности, энергетике, металлургии и приборостроении. Более того, некоторые предприятия используют данный материал в изготовлении элементов для ракетно-космической сферы. В зависимости от направления использования, технологи разрабатывают разные составы для легирования тантала. В одних случаях модификация позволяет добиться более высокой пластичности, а в других, к примеру, сделать материал пригодным для выполнения сварочных операций электронно-лучевым методом. Также и сам тантал может выступать в качестве легирующего компонента. Обычно такой способ улучшения эксплуатационных свойств используют для придания основным металлам антикоррозийности и жаропрочности.
Тантал в радиотехнике
В сферах производства электротехнических устройств и деталей на первый план выходит возможность сохранения оптимальной токопроводности и поддержание частотных сигналов при сокращении размеров элементной базы. По этой причине тантал часто используется в изготовлении конденсаторов, тиристоров, транзисторов и семисторов. Прежде для тех же конденсаторов применялись рулоны листового алюминия. Это решение предполагало возможность повышения эксплуатационных параметров только в случае увеличения размеров самой детали. И это не говоря об обратном понижении других характеристик, связанных с наращиванием объема конденсатора. Увеличить электрический объем при сохранении размеров детали позволило применение тантала, который также отличается стойкостью к негативным процессам, в которых участвуют радиоэлектронные компоненты. Другое дело, что и алюминий не выходит из строя в этой области, поскольку он доступнее по цене.
Заключение
Этот металл вовсе не обладает уникальными или нестандартными свойствами. У него немало привлекательных качеств, среди которых та же антикоррозийность, твердость или жаростойкость. Но эти характеристики по отдельности присутствуют и в других металлах. Причем в некоторых они выражены гораздо сильнее. Однако сочетание, на первый взгляд, противоположных свойств в одном элементе действительно является уникальным. Технологи стремятся достигать особых комбинаций в рабочих качествах материалов искусственными способами, а в данном случае они обуславливаются природой происхождения. Например, применение тантала в медицине и в металлургии ставит целью совершенно разные задачи. В одном случае ценится высокая прочность при небольших размерах изделия, а во втором - податливость в обработке. Но есть и негативное свойство тантала, которое распространяется на все сферы его использования, - это высокая стоимость, а в некоторых случаях и физическая недоступность.
Тантал (лат. Tantalum), Та, химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 73, атомная масса 180,948; металл серого цвета со слегка свинцовым оттенком. В природе находится в виде двух изотопов: стабильного 181 Та (99,99%) и радиоактивного 180 Та (0,012%; T ½ = 10 12 лет). Из искусственно полученных радиоактивный 182 Та (Т ½ = 115,1 сут) используют как радиоактивный индикатор.
Элемент открыт в 1802 году шведским химиком А. Г. Эксбергом; назван по имени героя древнегреческой мифологии Тантала (из-за трудностей получения Tантала в чистом виде). Пластичный металлический Тантал впервые получил в 1903 году немецкий химик В. Больтон.
Распространение Тантала в природе. Среднее содержание Тантала в земной коре (кларк) 2,5·10 -4 % по массе. Характерный элемент гранитной и осадочной оболочек (среднее содержание достигает 3,5·10 -4 %); в глубинных частях земной коры и особенно в верх, мантии Тантал мало (в ультраосновных породах 1,8·10 -6 %). В большинстве магматических пород и биосфере Тантал рассеян; его содержание в гидросфере и организмах не установлено. Известно 17 собственных минералов Тантал и более 60 танталсодержащих минералов; все они образовались в связи с магматической деятельностью (танталит, колумбит, лопарит, пирохлор и другие). В минералах Тантал находится совместно с ниобием вследствие сходства их физических и химических свойств. Руды Тантала известны в пегматитах гранитных и щелочных пород, карбонатитах, в гидротермальных жилах, а также в россыпях, которые имеют наибольшее практическое значение.
Физические свойства Тантала. Тантал имеет кубическую объемноцентрированную решетку (а = 3,296 Å); атомный радиус 1,46 Å, ионные радиусы Та 2+ 0,88 Å, Та 5+ 0,66 Å; плотность 16,6 г/см 3 при 20 °С; t пл 2996 °С; Т кип 5300 °С; удельная теплоемкость при 0-100°С 0,142 кдж/(кг·К) ; теплопроводность при 20-100 °С 54,47 Вт/(м·К) . Температурный коэффициент линейного расширения 8,0·10 -6 (20-1500 °С); удельное электросопротивление при 0 °С 13,2·10 -8 ом·м, при 2000 °С 87·10 -8 ом·м. При 4,38 К становится сверхпроводником. Тантал парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 0,849·10 -6 (18 °С). Чистый Тантал - пластичный металл, обрабатывается давлением на холоду без значительного наклепа. Его можно деформировать со степенью обжатия 99% без промежуточного отжига. Переход Тантала из пластичного в хрупкое состояние при охлаждении до -196 °С не обнаружен. Модуль упругости Тантала 190 Гн/м 2 (190·10 2 кгс/мм 2) при 25 °С. Предел прочности при растяжении отожженного Тантала высокой чистоты 206 Мн/м 2 (20,6 кгс/мм 2) при 27 °С и 190 Мн/м 2 (19 кгс/мм 2) при 490 °С; относительное удлинение 36% (27 °С) и 20% (490 °С). Твердость по Бринеллю чистого рекристаллизованного Тантала 500 Мн/м 2 (50 кгс/мм 2). Свойства Тантала в большой степени зависят от его чистоты; примеси водорода, азота, кислорода и углерода делают металл хрупким.
Химические свойства Тантала. Конфигурация внешних электронов атома Та 5d 3 6s 2 . Наиболее характерная степень окисления Тантала +5; известны соединения с низшей степенью окисления (например, ТаСl 4 , ТаСl 3 , ТаCl 2), однако их образование для Тантал менее характерно, чем для ниобия.
В химическом отношении Тантал при обычных условиях малоактивен (сходен с ниобием). На воздухе чистый компактный Тантал устойчив; окисляться начинает при 280 °С. Имеет лишь один стабильный оксид - (V) Та 2 О 5 , который существует в двух модификациях: α-форме белого цвета ниже 1320 °С и β-форме серого цвета выше 1320 °С; имеет кислотный характер. С водородом при температуре около 250 °С Тантал образует твердый раствор, содержащий до 20 ат.% водорода при 20 °С; при этом Тантал становится хрупким; при 800-1200 °С в высоком вакууме водород выделяется из металла и его пластичность восстанавливается. С азотом при температуре около 300 °С образует твердый раствор и нитриды Ta 2 N и TaN; в глубоком вакууме выше 2200 °С поглощенный азот вновь выделяется из металла. В системе Та - С при температуре до 2800 °С установлено существование трех фаз: твердого раствора углерода в Тантале, низшего карбида Т 2 С и высшего карбида ТаС. Тантал реагирует с галогенами при температуре выше 250 °С (с фтором при комнатной температуре), образуя галогениды преимущественно типа ТаХ 3 (где X = F, Cl, Вг, I). При нагревании Та взаимодействует с С, В, Si, Р, Se, Те, водой, СО, СО 2 , NO, HCl, H 2 S.
Чистый Тантал исключительно устойчив к действию многих жидких металлов: Na, К и их сплавов, Li, Pb и других, а также сплавов U - Mg и Pu - Mg. Тантал характеризуется чрезвычайно высокой коррозионной устойчивостью к действию большинства неорганических и органических кислот: азотной, соляной, серной, хлорной и других, царской водки, а также многих других агрессивных сред. Действуют на Тантал фтор, фтористый водород, плавиковая кислота и ее смесь с азотной кислотой, растворы и расплавы щелочей. Известны соли танталовых кислот - танталаты общей формулы xMe 2 O·yТа 2 О 5 ·H 2 O: метатанталаты МеТаО 3 , ортотанталаты Ме 3 ТаО 4 , соли типа Me 5 TaO 5 , где Me - щелочной металл; в присутствии перекиси водорода образуются также пертанталаты. Наиболее важны танталаты щелочных металлов - КТаО 3 и NaTaO 3 ; эти соли -сегнетоэлектрики.
Получение Тантала. Руды, содержащие Тантал, редки, комплексны, бедны Танталом; перерабатывают руды, содержащие до сотых долей процента (Та, Nb) 2 O 5 , и шлаки восстановительной плавки оловянных концентратов. Основным сырьем для производства Тантала, его сплавов и соединений служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие соответственно около 8% Ta 2 O 5 и 60% и более Nb 2 O 5 . Концентраты перерабатывают обычно в три стадии: 1) вскрытие, 2) разделение Та и Nb и получение их чистых соединений, 3) восстановление и рафинирование Та. Танталитовые концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые - хлорируют. Разделяют Та и Nb с получением чистых соединений экстракцией, например, трибутилфосфатом из плавиковокислых растворов, или ректификацией хлоридов.
Для производства металлического Тантала применяют восстановление его из Ta 2 O 5 сажей в одну или в две стадии (с предварительным получением ТаС из смеси Ta 2 O 5 с сажей в атмосфере СО или Н 2 при 1800-2000 °С); электрохимическое восстановление из расплавов, содержащих K 2 TaF 7 и Та 2 О 5 , и восстановление натрием K 2 TaF 7 при нагревании. Возможны также процессы термической диссоциации хлорида или восстановление из него Тантала водородом. Компактный металл производят либо вакуумной дуговой, электроннолучевой или плазменной плавкой, либо методами порошковой металлургии. Слитки или спеченные из порошков штабики обрабатывают давлением; монокристаллы особо чистого Тантала получают бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.
Применение Тантала. Тантал обладает комплексом ценных свойств - хорошей пластичностью, прочностью, свариваемостью, коррозионной устойчивостью при умеренных температурах, тугоплавкостью, низким давлением пара, высоким коэффициентом теплопередачи, небольшой работой выхода электронов, способностью образовывать анодную пленку (Та 2 О 5) с особыми диэлектрическими характеристиками и "уживаться" с живой тканью организма. Благодаря этим свойствам Тантал находит применение в электронике, химические машиностроении, ядерной энергетике, в металлургии (производство жаропрочных сплавов, нержавеющих сталей), в медицине; в виде ТаС его применяют в производстве твердых сплавов. Из чистого Тантала изготовляют электрические конденсаторы для полупроводниковых приборов, детали электронных ламп, коррозионноустойчивую аппаратуру для химические промышленности, фильеры в производстве искусственного волокна, лабораторную посуду, тигли для плавки металлов (например, редкоземельных) и сплавов, нагреватели высокотемпературных печей; теплообменники для ядерно-энергетических систем. В хирургии листы, фольгу, проволоку из Тантала применяют для скрепления костей, нервов, наложения швов и др. Применение находят танталовые сплавы и соединения.
Загрузка...
