Что такое тантал? Особенности, изделия, свойства и применение. Тантал

Фригийского царя Тантала боги наказали за неоправданную жестокость. Они обрекли Тантала на венчные муки жажды, голода и страха. С тех пор стоит он в преисподней по горло в прозрачной воде. Под тяжестью созревших плодов склоняются к нему ветви деревьев. Когда томимый жаждой Тантал пытается напиться, вода уходит вниз. Стоит ему протянуть руку к сочным плодам, ветер поднимает ветвь, и обессилевший от голода грешник не может ее достать. А прямо над его головой нависла скала, грозя в любой миг обрушиться.

Тантал №73 Ta

Так мифы Древней Греции повествуют о муках Тантала. Должно быть, не раз шведскому химику Экебергу пришлось вспомнить о танталовых муках, когда он безуспешно пытался растворить в кислотах «землю», открытую им в 1802 г., и выделить из нее новый элемент. Сколько раз, казалось, ученый был близок к цели, но выделить новый металл в чистом виде ему так и не удалось. Отсюда - «мученическое» название элемента № 73.

Споры и заблуждения

Спустя некоторое время выяснилось, что у тантала есть двойник, который появился на свет годом раньше. Этот двойник -элемент № 41, открытый в 1801 г. и первоначально названный Колумбией. Позже его переименовали в ниобий. Сходство ниобия и тантала ввело в заблуждение химиков. После долгих споров они пришли к выводу, что тантал и колумбий - одно и то же.
Поначалу такого же мнения придерживался и известнейший химик того времени Йенс Якоб Берцелиус, однако в дальнейшем он усомнился в этом. В письме к своему Ученику немецкому химику Фридриху Вёлеру Берцелиус писал:
«Посылаю тебе обратно твой X, которого я вопрошал, как мог, но от которого я получил уклончивые ответы. X титан? - спрашивал я. Он отвечал: Вёлер же тебе сказал, что я не титан.

Я также установил это.
- Ты цирконий?-Нет,-отвечал он,-я же растворяюсь в соде, чего не делает цирконовая земля.- Ты олово?- Я содержу олово, но очень мало.- Ты тантал? Я с ним родствен,- отвечал он,- но я растворяюсь в едком кали и осаждаюсь из него желто-коричневым.- Ну что жив ты тогда за дьявольская вещь?-спросил я. Тогда мне показалось, что он ответил: мне не дали имени.
Между прочим, я не вполне уверен, действительно ли я это слышал, потому что он был справа от меня, а я очень плохо слышу на правое ухо. Так как твой слух лучше моего, то я тебе шлю* этого сорванца назад, чтобы учинить ему новый допрос...»
Речь в этом письме шла об аналоге тантала - элементе, открытом англичанином Чарльзом Хэтчетом в 1801 г.
Но и Вёлеру не удалось внести ясность во взаимоотношения тантала с Колумбией. Ученым суждено было заблуждаться более сорока лет. Лишь в 1844 г. немецкому химику Генриху Розе удалось разрешить запутанную проблему и доказать, что колумбий, как и тантал, имеет полное право на «химический суверенитет». А уж поскольку налицо были родственные связи этих элементов, Розе дал Колумбию новое имя - ниобий, которое подчеркивало их родство (в древнегреческой мифологии Ниобея - дочь Тантала).
На протяжении многих десятилетий конструкторы и технологи не проявляли к танталу никакого интереса. Да собственно говоря, тантала, как такового, попросту и не существовало: ведь в чистом компактном виде этот металл ученые смогли получить лишь в XX в. Первым это сделал немецкий химик фон Болтон в 1903 г. Еще раньше попытки выделить тантал в чистом виде предпринимали многие ученые, в частности Муассан. Но металлический порошок, полученный Муассаном, восстановившим пятиокись тантала Та 2 0 5 углеродом в электрической печи, не был чистым танталом, порошок содержал 0,5% углерода.
Итак, в начале нашего века в руки исследователей попал чистый тантал, и теперь они уже могли детально изучить свойства этого светло-серого металла со слегка синеватым оттенком. Что же он собой представляет? Прежде всего - это тяжелый металл: его плотность 16,6 г/см 3 (заметим, что для перевозки кубометра тантала понадобилось бы шесть трехтонных грузовиков).
Высокая прочность и твердость сочетаются в нем с отличными пластическими характеристиками. Чистый тантал хорошо поддается механической обработке, легко штампуется, перерабатывается в тончайшие листы (толщиной около 0,04 мм) и проволоку. Характерная черта тантала - его высокая теплопроводность. Но, пожалуй, самое важное физическое свойство тантала - тугоплавкость: он плавится почти при 3000° С (точнее, при 2996°С), уступая в этом лишь вольфраму и рению .
Когда стало известно, что тантал весьма тугоплавок, У ученых возникла мысль использовать его в качестве материала для нитей электроламп. Однако уже спустя несколько лет тантал вынужден был уступить это поприще еще более тугоплавкому и не столь дорогому вольфраму.
В течение еще нескольких лет тантал не находил практического применения. Лишь в 1922 г. его смогли использовать в выпрямителях переменного тока (тантал, покрытый окисной пленкой, пропускает ток лишь в одном направлении), а спустя еще год - в радиолампах. Тогда же началась разработка промышленных методов получения этого металла. Первый промышленный образец тантала, полученный одной из американских фирм в 1922 г., был величиной со спичечную головку. Спустя двадцать лет та же фирма ввела в эксплуатацию специализированный завод по производству тантала.

Как тантал разлучают с ниобием

Земная кора содержит всего лишь 0,0002% Та, но минералов его известно много - свыше 130. Тантал в этих минералах , как правило, неразлучен с ниобием, что объясняется чрезвычайным химическим сходством элементов и почти одинаковыми размерами их ионов.
Трудность разделения этих металлов долгое время тормозила развитие промышленности тантала и ниобия. До недавних пор их выделяли лишь способом, предложенным еще в 1866 г. швейцарским химиком Мариньяком, который воспользовался различной растворимостью фтор-танталата и фторниобата калия в разбавленной плавиковой кислоте.

В последние годы важное значение приобрели также экстракционные методы выделения тантала, основанные на различной растворимости солей тантала и ниобия в некоторых органических растворителях. Опыт показал, что наилучшими экстракционными свойствами обладают метилизобутилкетон и циклогексанон.
В наши дни основной способ производства металлического тантала - электролиз расплавленного фтортанталата калия в графитовых, чугунных или никелевых тиглях, служащих по совместительству катодами. Танталовый порошок осаждается на стенках тигля. Извлеченный из тигля, этот порошок подвергают сначала прессованию в пластины прямоугольного сечения (если заготовка предназначена для прокатки в листы) либо в штабики квадратного сечения (для волочения проволоки), а затем - спеканию.
Некоторое применение находит также натриетермический способ получения тантала. В этом процессе взаимодействуют фтортанталат калия и металлический натрий:
K 2 TaF 7 + 5Na → Та + 2KF + 5NaF.
Конечный продукт реакции - порошкообразный тантал, который затем спекают. В последние два десятилетия стали применять и другие методы обработки порошка - дуговую или индукционную плавку в вакууме и электронно-лучевую плавку.

На службе химии

Несомненно самое ценное свойство тантала - его исключительная химическая стойкость: в этом отношении он уступает только благородным металлам, да и то не всегда.
не растворяется даже в такой химически агрессивной среде, как царская водка, которая без труда растворяет и золото, и платину, и другие благородные металлы. О высочайшей коррозионной стойкости тантала свидетельствуют и такие факты. При 200° С он не подвержен коррозии в 70%-ной азотной кислоте, в серной кислоте при 150° С коррозии тантала также не наблюдается, а при 200° С металл корродирует, но лишь на 0,006 мм в год.
К тому же тантал - металл пластичный , из него можно изготовлять тонкостенные изделия и изделия сложной формы. Неудивительно, что он стал незаменимым конструкционным материалом для химической промышленности.

Танталовую аппаратуру применяют в производстве многих кислот (соляной, серной, азотной, фосфорной, уксусной), брома, хлора, перекиси водорода. На одном из предприятий, использующих газообразный хлористый водород, детали из нержавеющей стали выходили из строя уже через два месяца. Но, как только сталь была заменена танталом, даже самые тонкие детали (толщиной 0,3-0,5 мм) оказались практически бессрочными - срок службы их увеличился до 20 лет.
Из всех кислот лишь плавиковая способна растворять тантал (особенно при высокой температуре). Из него изготовляют змеевики, дистилляторы, клапаны, мешалки, аэраторы и многие другие детали химических аппаратов. Реже - аппараты целиком.
Многие конструкционные материалы довольно быстро теряют теплопроводность: на их поверхности образуется плохо проводящая тепло окисная или солевая пленка. Танталовая аппаратура свободна от этого недостатка, вернее, пленка окисла может на нем образоваться, но она тонка и хорошо проводит тепло. Кстати, именно высокая теплопроводность в сочетании с пластичностью сделали тантал прекрасным материалом для теплообменников. Танталовые катоды применяют при электролитическом выделении золота и серебра . Достоинство этих катодов заключается в том, что осадок золота и серебра можно смыть с них царской водкой, которая не причиняет вреда танталу.
Тантал важен не только для химической промышленности. С ним встречаются и многие химики-исследователи в своей повседневной лабораторной практике. Танталовые тигли, чашки, шпатели - вовсе не редкость
«Нужно иметь танталовые нервы...»
Уникальное качество тантала - его высокая биологическая совместимость, т. е. способность приживаться в организме, не вызывая раздражения окружающих тканей. На этом свойстве основано широкое применение тантала в медицине, главным образом в восстановительной хирургии - для ремонта человеческого организма. Пластинки из этого металла используют, например, при повреждениях черепа - ими закрывают проломы черепной коробки. В литературе описан случай, когда из танталовой пластинки было сделано искусственное ухо, причем пересаженная с бедра кожа при этом настолько хорошо прижилась, что вскоре танталовое ухо трудно было отличить от настоящего.
Танталовой пряжей иногда возмещают потери мускульной ткани. С помощью тонких танталовых пластин хирурги укрепляют после операции стенки брюшной полости. Танталовыми скрепками, подобными тем, которыми сшивают тетради, надежно соединяют кровеносные сосуды. Сетки из тантала применяют при изготовлении глазных протезов. Нитями из этого металла заменяют сухожилия и даже сшивают нервные волокна. И если выражение «железные нервы» мы обычно употребляем в переносном смысле, то людей с танталовыми нервами, быть может, вам приходилось встречать.
Право, есть что-то символическое в том, что именно на долю металла, названного в честь мифологического мученика, выпала гуманная миссия - облегчать людские муки. ..

Основной заказчик - металлургия

Однако на медицинские нужды расходуется лишь 5% производимого в мире тантала, около 20% потребляет химическая промышленность. Основная часть тантала - свыше 45% - идет в металлургию. В последние годы тантал все чаще используют в качестве легирующего элемента в специальных сталях - сверхпрочных, коррозионностойких, жаропрочных. Действие, оказываемое на сталь танталом, подобно действию ниобия. Добавка этих элементов к обычным хромистым сталям повышает их прочность и уменьшает хрупкость после закалки и отжига.
Очень важная область применения тантала - производство жаропрочных сплавов, в которых все больше и больше нуждается ракетная и космическая техника. Замечательными свойствами обладает сплав, состоящий из 90% тантала и 10% вольфрама. В форме листов такой сплав работоспособен при температуре до 2500°С, а более массивные детали выдерживают свыше 3300С! За рубежом этот сплав считают вполне надежным для изготовления форсунок, выхлопных труб, деталей систем газового контроля и регулирования и многих других ответственных узлов космических кораблей. В тех случаях, когда сопла ракет охлаждаются жидким металлом, способным вызвать коррозию (литием или натрием), без сплава тантала с вольфрамом просто невозможно обойтись.
Еще большую жаропрочность детали из тантало-вольфрамового сплава приобретают, если на них нанесен слой карбида тантала (температура плавления этого покрытия - свыше 4000° С). При опытных запусках ракет такие сопла выдерживали колоссальные температуры, при которых сам сплав быстро корродирует и разрушается.
Другое достоинство карбида тантала - его твердость , близкая к твердости алмаза , - привело этот материал в производство твердосплавного инструмента для скоростного резания металла.

Работа под напряжением

Приблизительно четвертая часть мирового производства тантала идет в электротехническую и электровакуумную промышленность. Благодаря высокой химической инертности как самого тантала, так и его окисной пленки, электролитические танталовые конденсаторы весьма стабильны в работе, надежны и долговечны: срок их службы достигает 12 лет, а иногда и больше. Миниатюрные танталовые конденсаторы используют в передатчиках радиостанций, радарных установках и других электронных системах. Любопытно, что эти конденсаторы могут сами себя ремонтировать: предположим, возникшая при высоком напряжении искра разрушила изоляцию - тотчас же в месте пробоя вновь образуется изолирующая пленка окисла, и конденсатор продолжает работать как ни в чем не бывало.
Окись тантала обладает ценнейшим для электротехники свойством: если через раствор, в который погружен тантал, покрытый тончайшей (всего несколько микрон!) пленкой окиси, пропускать переменный электрический ток, он пойдет лишь в одном направлении - от раствора к металлу. На этом принципе основаны танталовые выпрямители, которые применяют, например, в сигнальной службе железных дорог, телефонных коммутаторах, противопожарных сигпальных системах.
Тантал служит материалом для различных деталей электровакуумных приборов. Как и ниобий, он отлично справляется с ролью геттера, т. е. газопоглотителя. Так, при 800° С - тантал способен поглотить количество газа, в 740 раз больше его собственного объема. А еще из тантала делают горячую арматуру ламп - аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие нагреваемые детали. Тантал особенно нужен лампам, которые, работая при высоких температурах и напряжениях, должны долго сохранять точные характеристики. Танталовую проволоку используют в криотронах - сверхпроводящих элементах, нужных, например, в вычислительной технике.

Стремительное развитие современных технологий сегодня непременно связанно с использованием эффективных материалов и веществ, которые имеют достаточно практичные и весьма полезные свойства и особенности.

В этом ракурсе стоит обратить внимание на такой уникальный химический элемент, как тантал. И это неудивительно, ведь благодаря своим прочностным характеристикам, сегодня применение тантала становится достаточно актуальным во многих сферах промышленности.

Чтобы расширить кругозор обывателя в этой теме, опишем подробно физико-химические особенности тантала и расскажем о том, где сегодня весьма успешно применяется этот металл.

Технические особенности тантала

Прежде всего, стоит понимать, что тантал - это металл серого цвета с блестящим оттенком, который легко поддается обработке механическим способом.

Среди особенностей металла стоит отметить ряд следующих немаловажных аспектов:

порядковый номер в таблице Менделеева - 73;
атомный вес - 180;
плотность вещества составляет 60 г/см 3 ;
температура плавления - 3015 0 С;
температура кипения вещества составляет 5300 0 С.

Свойства металла

Благодаря указанным характеристикам тантал, несомненно, обладает следующими преимущественными свойствами:

Тантал является тугоплавким металлом, и, как следствие, элемент имеет следующие свойства:

небольшой показатель линейного расширения;
хороший уровень теплопроводности;
высокая механическая прочность и пластичность.

Имеет отличные антикоррозийные качества. Стоит отметить, что тантал при нормальных условиях практически инертен к морской воде, но если она насыщена кислородом, то металл в этом случае всего лишь тускнеет.
Тантал имеет хорошую устойчивость к следующим видам солей:

хлориды железа и меди;
нитраты;
сульфаты;
соли органических кислот, однако, при условии, когда в своем составе не имеют фтора или фторидов.

Тантал начинает терять свои характеристики прочности, когда вступает в реакцию с фтором. Также стоит учесть тот факт, что тантал не вступает в химическую реакцию с бромом, йодом и жидким хлором, если не достигнута температура на уровне 150 0 С.
Тантал достаточно устойчив к воздействию металлов жидкой структуры, имеющих низкую температуру расплавления.
Тантал имеет прекрасные характеристики устойчивости на воздухе при температуре до 400 0 С, при этом появляется защитная пленка из окисла, возникающая в процессе хранения или обработки.
Тантал, выплавленный электроннолучевым способом, обладает увеличенным свойством пластичности, которое при деформации металла позволяет выполнять большую степень сжатий.
Хорошо преобразуется в листовой прокат, который хорошо поддается ковке.
Хорошо поддается обработке при холодной деформации. Однако нужно понимать, что этот металл не стоит деформировать в горячем состоянии, так как при нагреве тантал начинает поглощать азот, двуокись углерода, кислород, и, как следствие, материал стает достаточно хрупким.
Одной из основных операций по обработке тантала является резка материала на высокоскоростном оборудовании.

Что же касается соединения танталовых деталей, то оно может быть выполнено следующими способами:

сварка;
пайка;
соединение с помощью клепок.

Здесь стоит взять во внимание тот факт, что последние два способа применяются достаточно редко, так качество сварных соединений тантала всегда остается на высоком уровне.

Сферы применения тантала

Указанные свойства дают возможность весьма широко применять его в разных сферах промышленности. Отметим подробно основные направления использования такого уникального материала, как тантал.

Металлургическая промышленность

Металлургия является основным потребителем этого металла. На металлургическую отрасль приходится потребление 45% производимого тантала.

Основное применение тантала заключается в ряде следующих немаловажных аспектов:

металл является основным легирующим элементом при изготовлении жаропрочных и антикоррозийных марок стали;
карбид тантала является надежной защитой для стальных форм в литейном производстве.

Электротехническая промышленность

Прежде всего, стоит отметить тот факт, что четвертая часть производимого в мире тантала используется в электротехнической отрасли промышленности. И это неудивительно, ведь с применением этого металла производятся следующие виды электротехнической продукции:

танталовые конденсаторы электролитического вида характеризируются стабильностью своего функционирования;
широко применяется при изготовлении таких конструктивных элементов ламп, как аноды, катоды косвенного накала и сетки;
проволоку из тантала используют при производстве криотронных деталей, являющихся неотъемлемыми элементами вычислительной техники;
из этого металла весьма успешно изготавливают нагреватели для печей с высокотемпературным режимом работы.

Интересный факт! Танталовые конденсаторы имеют свойство самостоятельно ремонтироваться. Например, при резком возникновении высокого напряжения искра разрушила изоляционный слой. В этом случае на месте возникшего дефекта моментально образуется изолирующая оксидная пленка, при этом конденсатор будет дальше функционировать в нормальном рабочем режиме!

Химическая отрасль

Нужно, в первую очередь, отметить тот факт, что 20% используемого тантала уходит на потребности химической промышленности. В частности, этот металл применяется в следующих случаях:

производство следующих видов кислот:

азотная;
оляная;
серная;
фосфорная;
уксусная.

изготовление перекиси водорода, брома и хлора;
изготовление химоборудования следующих видов:

аэраторы;
дистилляционные установки;
змеевики разных видов;
мешалки;
клапана.

В медицинской отрасли используется не более 5% добываемого в мире тантала. В медицине этот металл весьма успешно применяется в пластической и костной хирургии, так из него изготавливают танталовые элементы для скрепления костей, наложение швов и прочее. Достигается это благодаря тому, что тантал не вредит жизнедеятельности организма, при этом не оказывает раздражения на живую ткань.

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.

История

Тантал открыт в 1802 году шведским химиком А. Г. Экебергом 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 Генрих Розе доказал, что минерал колумбит-танталит содержит два различных элемента - ниобий и тантал.

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

Физические свойства

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

Изотопы

Природный тантал состоит из смеси стабильного изотопа и стабильного изомера: 181 Та (99,9877 %) и 180m Та (0,0123 %). Последний является чрезвычайно стабильным изомером (возбуждённым состоянием) изотопа 180 Та, период полураспада которого всего чуть более 8 часов .

Химические свойства

При нормальных условиях тантал малоактивен, на воздухе окисляется лишь при температуре свыше 280 °C , покрываясь оксидной плёнкой Ta 2 O 5 ; с галогенами реагирует при температуре свыше 250 °C . При нагревании реагирует с С, В, Si, P, Se, Те, Н 2 О, СО, СО 2 , NO, HCl, H 2 S.

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, кроме смеси плавиковой и азотной кислот; его не растворяет даже царская водка . 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) , устойчив в обескислороженных расплавленных щелочных металлах и их перегретых пара́х (литий, натрий, калий, рубидий, цезий).

Токсикология

Распространённость

Получение

Основным сырьём для производства тантала и его сплавов служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие около 8 % Та 2 О 5 , а также 60 % и более Nb 2 O 5 . Концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые - хлорируют. Разделение Та 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 .

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

Стоимость

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, 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 рассчитанных 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;
ядерный изомер тантал-180m2, накапливающийся в конструкционных материалах ядерных 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 ядерной технике для варки стекла, поглощающего

В наукоемких и стратегических отраслях промышленности ведущих стран мира непрерывно растет. Динамика этого роста объясняется двумя взаимосвязанными причинами. Первая заключается в необходимости повышения качественных характеристик высокотехнологичной продукции гражданского и военного назначения. Вторая же, в том, что тантал наилучшим образом подходит для решения первой задачи, поскольку обладает внушительным перечнем ценнейших свойств, среди которых:

исключительная коррозионная стойкость;
уникальная стойкость к химическому воздействию газов и кислот;
высокая плотность (16,6 г/см 3) и удельная электроемкость;
сверхтвердость и пластичность;
хорошая технологичность (механическая обрабатываемость, свариваемость);
жаропрочность и жаростойкость (температура плавления 3000°C);
способность поглощать газы (в сотни раз больше собственного объема);
высокий коэффициент теплопередачи;
уникальная биологическая совместимость и многое другое.

Формы выпуска тантала

Для производства высокотехнологичных изделий тантал применяется как в чистом виде, так и в виде сплавов. Широким спектром его применения обусловлен большой выбор танталовых и танталосодержащих полуфабрикатов. Для дальнейшей обработки выпускается танталовый пруток и лента , пластины, диски, слитки (марки ЭЛП-1, ЭЛП-2, ЭЛП-3). Наиболее востребованы танталовая проволока и листы , а также фольга (марки ТВЧ и ТВЧ-1) и металлический порошок конденсаторной квалификации. На порошок приходится около 60% мирового производства тантала, который потребляется радиоэлектронной отраслью для создания элементной базы современной «умной» техники. Около 25% рынка занимает танталовый лист и проволока, плюс фольга.

Рисунок 1. Продукция из тантала.

Области применения тантала

производство электровакуумных приборов;
электротехника и электроника;
телекоммуникации и связь;
аэрокосмическая промышленность;
химическое машиностроение;
ядерная индустрия;
металлургия твердых сплавов;
медицина и т.д.

Тантал в электровакуумных приборах

Рабочее пространство электровакуумных приборов заполнено специальным газом или вакуумом, в котором находятся два (анод и катод) или более электрода, образующих в пространстве ток эмиссии. К таким устройствам относятся электровакуумные СВЧ-приборы магнетронного типа, приборы радиолокационных, навигационных и гидроакустических станций, осциллографы, счетчики элементарных частиц, электровакуумные фотоэлементы, рентгеновская аппаратура, электронные лампы и многое другое. В ряде электровакуумных устройств тантал служит материалом для геттеров – газопоглотителей, поддерживающих в камерах состояние глубокого вакуума. В некоторых приборах электроды очень быстро и сильно нагреваются, поэтому в них, в качестве «горячей арматуры», применяется тонкая танталовая лента (марка Т или ТВЧ) или проволока (марка ТВЧ), способная долго (десятки тысяч часов) и стабильно работать при высоких напряжениях и пульсирующих температурах.

Тантал в металлургии твердых сплавов

В металлургической промышленности тантал используют для создания сверхтвердых тугоплавких сплавов, компонентами которых выступают карбиды тантала (марки ТТ) и вольфрама. Из танталовольфрамовых сплавов (марки ТВ-15,ТВ-10,ТВ-5) производят металлорежущий и обрабатывающий инструмент, сверхпрочные «коронки» для бурения отверстий в камне и композитах. Сплавы из карбида тантала и никеля с легкостью обрабатывают поверхность алмазов, не уступая им в твердости. Из тантала (твердость по Бринеллю до 1250–3500 МПа) делают детали криогенных установок, фильеры и тигли для плавки и очистки редкоземельных металлов, сосуды для холодного прессования металлических порошков.

Тантал в химическом машиностроении

В химическом машиностроении бесшовная холоднодеформированная танталовая труба (марка ТВЧ) и лист применяются в конструкциях коррозионностойкой аппаратуры, работающей в химически агрессивной среде. Из тантала производят различные кислотоупорные конструкции (змеевики, мешалки, дистилляторы, аэраторы, трубопроводы), лабораторное оборудование, устройства нагрева и охлаждения, функционирующие в контакте с кислотами, в том числе, с концентрированными субстанциями. Танталовая фольга используется для плакировки (тонкого термомеханического покрытия) поверхности деталей и оборудования на линиях по производству серной кислоты, аммиака и т.п.

Тантал в медицине

Тантал обладает уникальной совместимостью с живыми тканями и не отторгается ими. В медицине танталовая проволока применяется в виде нитей и скоб для скрепления мускульных тканей, сухожилий, нервных волокон, кровеносных сосудов. Из нее же делают сетки для глазных протезов, а из листа – корпуса сердечных электростимуляторов. В восстановительной хирургии танталовый пруток и лента считаются безальтернативными материалами для костного протезирования и замещения. Исключительную важность танталовый лист представляет как «ремонтный» материал при повреждениях черепа.

Тантал в аэрокосмической промышленности

Как высокотемпературный конструкционный материал, в аэрокосмической промышленности танталовый лист применяется для производства ответственных компонентов ракет и самолетов. Например, из тантала изготавливают носовые части ракет и жаропрочные лопатки газовых турбин турбореактивных двигателей на жидком топливе. Из танталовых сплавов производят сопловые детали, форсажные камеры и т.д.

Тантал в ядерной индустрии

Из танталовой трубы (марка ТВЧ) изготавливают теплообменники для ядерно-энергетических систем, устойчивые к перегретым расплавам и парам цезия. Из тантала производятся диффузионные барьеры для сверхпроводников термоядерных реакторов. Радиоактивный изотоп тантал-182 используется в лучевой терапии. Тонкая танталовая проволока (50-100 мкм) с покрытием из платины применяется как внутритканевый источник гамма-излучения, точечно воздействующий на раковые клетки. В начале 2018 года в СМИ появилась информация, что китайские ученые проводят опыты с тантал-182 в военных целях. Суть экспериментов не разглашается, но, скорее всего, речь может идти об использовании изотопа тантала в качестве «размножающего» агента для «грязных» бомб.

Тантал в электротехнике и электронике

Танталовый порошок (ТУ95.250-74) используют при изготовлении современных конденсаторов для телекоммуникационного, микроэлектронного и компьютерного оборудования. При миниатюрных размерах они превосходят большинство других электролитических конденсаторов по удельной емкости на единицу объема, отличаются большим диапазоном рабочих температур, высокой надежностью. Танталовые конденсаторы сохраняют свои характеристики до 25 лет в режиме хранения, а в режиме эксплуатации способны работать до 150 тысяч часов. Сегодня танталовые конденсаторы присутствуют на микросхемах практически каждого смартфона, компьютера, игровой приставки, а также в военной аппаратуре. Тантал используется в выпрямителях электрического тока, поскольку он обладает способностью пропускать его только в одном направлении.

Рисунок 2. Конденсатор из тантала.

Заключение

Помимо перечисленного, танталовый пруток и лист, фольга, проволока, порошок, используются для решения десятков и сотен других задач. В металлургии тантал применяется в качестве легирующего стабилизирующего компонента при производстве сверхпрочных, коррозионностойких, жаропрочных сталей и сплавов . Соединения тантала выступают в роли катализаторов в процессах химических производств, например, синтетического каучука. Тантал показал высокую эффективность в оптике, поскольку при добавлении в стекло, он увеличивает его коэффициент преломления, что позволяет делать линзы не сферическими, а более тонкими и плоскими, даже при больших диоптриях. В ювелирном деле тантал используется наравне с платиной при производстве браслетов, часов, перьев авторучек. Нет никаких сомнений, что тантал является одним из самых востребованных и перспективных металлов, используемых в высокотехнологичных областях промышленности, и как мы видим, не только в них.