Tantaal (Ta) on element aatomnumbriga 73 ja aatommassiga 180,948. See on viienda rühma, Dmitri Ivanovitš Mendelejevi perioodilisuse tabeli kuuenda perioodi teisese alarühma element. Vabas olekus tantaal on normaaltingimustes kergelt pliikarva varjundiga plaatinahall metall, mis on oksiidkile (Ta 2 O 5) moodustumise tagajärg. Tantaal on raske, tulekindel, üsna kõva, kuid samal ajal mitte rabe metall, see on väga tempermalmist, kergesti töödeldav, eriti puhtal kujul.

Looduses leidub tantaali kahe isotoobi kujul: stabiilne 181 Ta (99,99%) ja radioaktiivne 180 Ta (0,012%) poolestusajaga 10 12 aastat. Kunstlikult saadud radioaktiivsest 182 Ta-st (poolväärtusaeg 115,1 päeva) kasutatakse isotoopide indikaatorina.

Elemendi avastas 1802. aastal Rootsi keemik A. G. Ekeberg kahes Soomes ja Rootsis leitud mineraalis. See sai nime Vana-Kreeka müütide kangelase Tantaluse järgi, kuna teda oli raske eraldada. Pikka aega peeti üheks ja samaks mineraali kolumbiit, mis sisaldab kolumbiumi (nioobiumi) ja tantaliiti, mis sisaldab tantaali. Lõppude lõpuks on need kaks elementi üksteise sagedased kaaslased ja on paljuski sarnased. Seda arvamust peeti pikka aega õigeks kõikide maade keemikute seas, alles 1844. aastal uuris saksa keemik Heinrich Rose taas erinevatest kohtadest pärit kolumbiite ja tantaliite ning leidis neis uue metalli, mis omadustelt sarnanes tantaaliga. See oli nioobium. Plastist puhta metalli tantaali hankis esmakordselt Saksa teadlane W. von Bolton 1903. aastal.

Tantaali mineraalide peamised leiukohad asuvad Soomes, Skandinaavia riikides, Põhja-Ameerikas, Brasiilias, Austraalias, Prantsusmaal, Hiinas ja mitmetes teistes riikides.

Tänu sellele, et tantaalil on mitmeid väärtuslikke omadusi – hea plastilisus, kõrge tugevus, keevitatavus, korrosioonikindlus mõõdukal temperatuuril, tulekindlus ja hulk muid olulisi omadusi – on seitsmekümne kolmanda elemendi kasutusala väga lai. Olulisemad tantaali kasutusvaldkonnad on elektroonika ja masinaehitus. Ligikaudu veerand maailma tantaalitoodangust läheb elektri- ja vaakumtööstusele. Elektroonikas kasutatakse seda elektrolüütkondensaatorite, suure võimsusega lampide anoodide ja võrkude tootmiseks. Keemiatööstuses kasutatakse tantaali hapete tootmisel kasutatavate masinaosade valmistamiseks, kuna sellel elemendil on erakordne keemiline vastupidavus. Tantaal ei lahustu isegi sellises keemiliselt agressiivses keskkonnas nagu aqua regia! Metallid, näiteks haruldased muldmetallid, sulatatakse tantaaltiglites. Sellest valmistatakse kõrgtemperatuuriliste ahjude küttekehasid. Kuna tantaal ei suhtle inimkeha eluskudedega ega kahjusta neid, kasutatakse seda kirurgias luude koos hoidmiseks luumurdude ajal. Sellise väärtusliku metalli peamine tarbija on aga metallurgia (üle 45%). Viimastel aastatel kasutatakse tantaali üha enam legeeriva elemendina eriterastes – ülitugev, korrosioonikindel, kuumakindel. Lisaks kaotavad paljud konstruktsioonimaterjalid kiiresti soojusjuhtivuse: nende pinnale tekib halvasti soojust juhtiv oksiid- või soolakile. Tantaalist ja selle sulamitest valmistatud konstruktsioonidel selliseid probleeme ei esine. Nendele moodustunud oksiidkile on õhuke ja juhib hästi soojust ning omab ka kaitsvaid korrosioonivastaseid omadusi.

Väärtuslik pole mitte ainult puhas tantaal, vaid ka selle ühendid. Seega kasutatakse tantaalkarbiidi kõrget kõvadust metalli kiireks lõikamiseks mõeldud karbiiditööriistade valmistamisel. Tantaali-volframisulamid annavad neist valmistatud osadele kuumakindluse.

Bioloogilised omadused

Tänu oma kõrgele bioloogilisele ühilduvusele – võimele saada läbi eluskudedega, põhjustamata organismi ärritust või äratõukereaktsiooni – on tantaal leidnud laialdast kasutust meditsiinis, peamiselt rekonstruktiivses kirurgias – inimkeha taastamiseks. Kolju kahjustamiseks kasutatakse õhukesi tantaaliplaate - need sulgevad kolju purunemised. Meditsiin teab juhtumit, kus tantaalplaadist valmistati kunstkõrv ning reielt siirdatud nahk juurdus nii hästi ja kiiresti, et peagi ei osatud tehiselundit päriselundist eristada. Tantaalniite kasutatakse kahjustatud lihaskoe taastamiseks. Kõhuõõne seinte kinnitamiseks pärast operatsioone kasutavad kirurgid tantaalplaate. Tantaalklambrite abil saab ühendada isegi veresooni. Sellest ainulaadsest materjalist valmistatud võrke kasutatakse silmaproteeside valmistamisel. Sellest metallist valmistatud niite kasutatakse kõõluste asendamiseks ja isegi närvikiudude kokkuõmblemiseks.

Mitte vähem levinud on tantaalpentoksiidi Ta 2 O 5 kasutamine - selle segu väikese koguse raudtrioksiidiga soovitatakse kasutada vere hüübimise kiirendamiseks.

Viimase kümnendi jooksul on välja kujunenud uus meditsiiniharu, mis põhineb lühitoimeliste staatiliste elektriväljade kasutamisel positiivsete bioloogiliste protsesside stimuleerimiseks inimkehas. Pealegi ei teki elektrivälju mitte traditsiooniliste võrgu- või akutoitega elektrienergiaallikate, vaid autonoomselt toimivate elektreetkatete (dielektrik, mis säilitab kompenseerimata elektrilaengut pikka aega), mida rakendatakse erinevatel eesmärkidel laialdaselt implantaatidele. kasutatakse meditsiinis.

Praegu on tantaalpentoksiidi elektreetkilede kasutamisest saadud positiivseid tulemusi järgmistes meditsiinivaldkondades: näo-lõualuukirurgia (Ta 2 O 5-ga kaetud implantaatide kasutamine välistab põletikuliste protsesside tekkimise ja vähendab implantaadi siirdamise aega) ; ortopeediline hambaravi (akrüülplastist valmistatud proteeside katmine tantaalpentoksiidi kilega välistab kõik võimalikud patoloogilised ilmingud, mis on põhjustatud akrülaatide talumatusest); kirurgia (elektreetaplikaatori kasutamine naha ja sidekoe defektide ravis pikaajaliste mitteparanevate haavaprotsesside, lamatiste, neurotroofsete haavandite, termiliste vigastuste korral); traumatoloogia ja ortopeedia (luukoe arengu kiirendamine inimese luu- ja lihaskonna luumurdude ja haiguste ravis elektreetkattekile tekitatud staatilise välja mõjul).

Kõik need ainulaadsed teaduslikud arengud said võimalikuks tänu Peterburi Riikliku Elektrotehnikaülikooli (LETI) spetsialistide teaduslikule tööle.

Lisaks ülaltoodud valdkondadele, kus unikaalseid tantaalpentoksiidkatteid juba kasutatakse või võetakse kasutusele, on arendusi, mis on väga varajases staadiumis. Nende hulka kuuluvad arendused järgmistes meditsiinivaldkondades: kosmetoloogia (tantaalpentoksiidkatetel põhineva materjali tootmine, mis asendab “kuldniite”); südamekirurgia (elektreetkilede kandmine tehisveresoonte sisepinnale, takistades trombide teket); endoproteesimine (vähendab luukoega pidevas koostoimes olevate proteeside tagasilükkamise ohtu). Lisaks on loomisel pentoksiidkilega kaetud kirurgiline instrument.

On teada, et tantaal on väga vastupidav agressiivsele keskkonnale, mida tõendavad mitmed faktid. Nii et temperatuuril 200 °C ei mõjuta seda metalli seitsekümmend protsenti lämmastikhapet! Väävelhappes temperatuuril 150 °C ei täheldata samuti tantaali korrosiooni ja 200 °C juures metall korrodeerub, kuid ainult 0,006 mm aastas!

On teada juhtum, kui ühes gaasilist vesinikkloriidi kasutanud ettevõttes roostevabast terasest osad juba paari kuu pärast üles ütlesid. Kuid niipea, kui teras asendati tantaaliga, osutusid ka kõige õhemad osad (0,3...0,5 mm paksused) praktiliselt määramatuks - nende kasutusiga pikenes 20 aastani!

Tantaali koos nikli ja kroomiga kasutatakse laialdaselt korrosioonivastase kattena. See hõlmab väga erineva kuju ja suurusega osi: tiiglid, torud, lehed, raketipihustid ja palju muud. Pealegi võib tantaalkatte pealekandmise materjal olla väga mitmekesine: raud, vask, grafiit, kvarts, klaas ja teised. Kõige huvitavam on see, et tantaalkatte kõvadus on kolm kuni neli korda kõrgem kui lõõmutatud tehnilise tantaali kõvadus!

Kuna tantaal on väga väärtuslik metall, jätkub selle tooraine otsimine tänapäevalgi. Mineraloogid on avastanud, et tavalised graniidid sisaldavad lisaks muudele väärtuslikele elementidele ka tantaali. Brasiilias tehti katse graniitkivimitest tantaali ekstraheerida, metall saadi, kuid tööstuslikku mastaapi selline kaevandamine ei jõudnud – protsess osutus ülimalt kulukaks ja keeruliseks.

Kaasaegsed elektrolüüttantaalkondensaatorid on töökorras stabiilsed, töökindlad ja vastupidavad. Sellest materjalist valmistatud miniatuursetel kondensaatoritel, mida kasutatakse erinevates elektroonikasüsteemides, on lisaks ülaltoodud eelistele üks ainulaadne kvaliteet: nad saavad ise remonti teha! Kuidas see juhtub? Oletame, et isolatsiooni terviklikkus on pingelanguse tõttu või muul põhjusel kahjustatud - rikkekohta moodustub koheselt uuesti isoleeriv oksiidkile ja kondensaator töötab edasi, nagu poleks midagi juhtunud!

Kahtlemata võib tantaalile õigustatult omistada 20. sajandi keskel ilmunud mõiste “tark metall” ehk metall, mis aitab nutikatel masinatel töötada.

Mõnes piirkonnas asendab tantaal plaatinat ja mõnikord isegi konkureerib sellega! Nii asendab tantaal ehtetöös sageli käevõrude, kellakorpuste ja muude ehete valmistamisel kallimat väärismetalli. Teises valdkonnas konkureerib tantaal edukalt plaatinaga - sellest metallist valmistatud standardsed analüütilised kaalud ei jää kvaliteedilt alla plaatina kaaludele.

Lisaks asendab tantaal automaatpliiatsite otsikute tootmisel kallimat iriidiumit.

Tänu oma ainulaadsetele keemilistele omadustele on tantaal leidnud rakendust katoodide materjalina. Seega kasutatakse tantaalkatoode kulla ja hõbeda elektrolüütilisel eraldamisel. Nende väärtus seisneb selles, et väärismetallide setteid saab maha pesta aqua regiaga, mis ei kahjusta tantaali.

Kindlasti võib rääkida sellest, et selles, et rootsi keemik Ekeberg, püüdes uut ainet hapetega küllastada, tabas selle “janust” ja andis uuele elemendile nime, on midagi sümboolset, kui mitte müstilist. müütilise kaabaka au, kes tappis oma poja ja reetis jumalad. Ja kakssada aastat hiljem selgus, et see element on võimeline sõna otseses mõttes inimest “õmblema” ja isegi tema kõõluseid ja närve “asendada”! Selgub, et allilmas virelev märter lepitab oma süüd inimest aidates ja püüab jumalatelt andestust paluda...

Lugu

Tantalus on Vana-Kreeka müütide kangelane, Lüüdia või Früügia kuningas, Zeusi poeg. Ta avaldas Olümpose jumalate saladused, varastas nende pidusöögilt ambroosiat ja kostitas olümplasi roaga, mis oli valmistatud tema enda poja Pelopsi surnukehast, kelle ta tappis. Jumalad määrasid Tantaluse oma julmuste eest Hadese allilmas igaveseks nälja-, janu- ja hirmupiinaks. Sellest ajast on ta seisnud kaelani läbipaistvas kristallselges vees, oksad küpsete viljade raskuse all pea poole painduvad. Ainult tema ei suuda oma janu ega nälga kustutada – vesi langeb kohe, kui ta proovib juua, ja oksad tõstab tuul, näljase tapja käe all. Tantaluse pea kohal ripub kivi, mis võib iga hetk kokku kukkuda, sundides õnnetut patustajat igavesti hirmu käes kannatama. Tänu sellele müüdile tekkis väljend "Tantaali piin", mis tähistab talumatuid kannatusi, eeterlikke katseid piinadest vabaneda. Ilmselt meenus talle just see väljend Rootsi keemiku Ekebergi ebaõnnestunud katsetel 1802. aastal avastatud “maa” hapetes lahustada ja sellest uus element isoleerida. Teadlane arvas mitu korda, et on oma eesmärgile lähedal, kuid ta ei suutnud kunagi uut metalli puhtal kujul isoleerida. Nii tekkis uue elemendi “märtrisurma” nimi.

Tantaali avastamine on tihedalt seotud teise elemendi - aasta varem sündinud nioobiumi - avastamisega, mis kandis algselt nime Columbia, mille andis talle selle avastaja Hatchet. See element on tantaali kaksik ja on mitmete omaduste poolest sellele lähedane. Just see lähedus eksitas keemikuid, kes pärast pikka arutelu jõudsid ekslikule järeldusele, et tantaal ja kolumbium on sama element. See väärarusaam kestis rohkem kui nelikümmend aastat, kuni 1844. aastal tõestas kuulus saksa keemik Heinrich Rose mitmest ladestustest pärit kolumbiitide ja tantaliitide korduva uurimise käigus, et kolumbium on iseseisev element. Gatcheti uuritud Columbia oli kõrge tantaalisisaldusega nioobium, mis eksitas teadusmaailma. Kahe elemendi vahelise nii tiheda suhte auks andis Rose Colombiale uue nime Niobium - Früügia kuninga Tantalus Niobia tütre auks. Kuigi Rose tegi ka vea, avastades väidetavalt veel ühe uue elemendi, millele ta andis nimeks Pelopius (Tantaluse poja Pelopsi järgi), sai tema tööst nioobiumi (Columbium) ja tantaali range eristamise alus. Ainult, isegi pärast Rose'i tõendeid, olid tantaal ja nioobium pikka aega segaduses. Nii kutsuti tantaali kolumbuliks, Venemaal kolumbuseks. Hess räägib oma "Puhta keemia printsiipides" kuni kuuenda väljaandeni (1845) ainult tantaalist, mainimata Columbiat; Dvigubsky (1824) mainib nimetust tantalium. Sellised vead ja reservatsioonid on arusaadavad – tantaali ja nioobiumi eraldamise meetodi töötas välja alles 1866. aastal Šveitsi keemik Marignac ja sellisena polnud puhast elementaarset tantaali veel olemas: teadlastel õnnestus ju saada see metall puhtal kujul. kompaktne vorm alles 20. sajandil. Esimene, kes suutis tantaali metalli hankida, oli saksa keemik von Bolton ja see juhtus alles 1903. aastal. Varem püüti muidugi saada puhast tantaali, kuid kõik keemikute pingutused olid ebaõnnestunud. Näiteks prantsuse keemik Moissan hankis metallipulbri, mis tema väitel oli puhas tantaal. See pulber, mis saadi tantaalpentoksiidi Ta 2 O 5 redutseerimisel süsinikuga elektriahjus, ei sisaldanud 0,5% süsinikku.

Selle tulemusena sai seitsmekümne kolmanda elemendi füüsikalis-keemiliste omaduste üksikasjalik uurimine võimalikuks alles kahekümnenda sajandi alguses. Veel mitu aastat ei leidnud tantaal praktilist kasutust. Alles 1922. aastal sai seda kasutada vahelduvvoolu alaltites.

Looduses olemine

Seitsmekümne kolmanda elemendi (clarke) keskmine sisaldus maakoores on 2,5∙10 -4 massiprotsenti. Tantaal on happeliste kivimite – graniidi ja settekivimite – iseloomulik element, mille keskmine sisaldus ulatub 3,5∙10–4%, nagu ülialuselistel ja aluselistel kivimitel – vahevöö ülemised osad ja maakoore sügavad osad, seal on tantaali kontsentratsioon palju madalam: 1 ,8∙10 -6%. Tantaal on hajutatud nii tardkivimites kui ka biosfääris, kuna see on paljude keemiliste elementidega isomorfne.

Vaatamata tantaali vähesele sisaldusele maakoores on selle mineraalid väga laialt levinud – neid on üle saja, nii tantaalimineraalid endid kui ka tantaali sisaldavad maagid, mis kõik on tekkinud seoses magmaatilise tegevusega (tantaliit, kolumbiit, lopariit, pürokloor ja teised). Kõigis mineraalides on tantaali kaaslaseks nioobium, mis on seletatav elementide äärmise keemilise sarnasusega ja nende ioonide peaaegu identse suurusega.

Tantaalimaakide endi suhe on Ta 2 O 5: Nb 2 O 5 ≥1. Tantaalimaakide peamised mineraalid on kolumbiit-tantaliit (Ta 2 O 5 sisaldus 30-45%), tantaliit ja manganotantaliit (Ta 2 O 5 45-80%), vodginiit (Ta, Mn, Sn) 3 O 6 (Ta 2 O 5 60-85%), mikroliit Ca 2 (Ta, Nb) 2 O 6 (F, OH) (Ta 2 O 5 50-80%) jt. Tantaliit (Fe, Mn)(Ta, Nb) 2 O 6 on mitut sorti: ferrotantaliit (FeO>MnO), manganotantaliit (MnO>FeO). Tantaliiti on erinevates toonides mustast punakaspruunini. Tantaali-nioobiumimaakide peamised mineraalid, millest koos nioobiumiga ekstraheeritakse palju kallimat tantaali, on kolumbiit (Ta 2 O 5 5-30%), tantaali sisaldav pürokloor (Ta 2 O 5 1-4%). , lopariit (Ta 2 O 5 0,4–0,8%), gatšetoliit (Ca, Tr, U) 2 (Nb, Ta) 2 O 6 (F, OH)∙nH 2 O (Ta 2 O 5 8–28%), iksioliit (Nb , Ta, Sn, W, Sc) 3 O 6 ja mõned teised. U, Th, TR sisaldavad tantaalniobaadid on metamiktilised, väga radioaktiivsed ja sisaldavad muutuvas koguses vett; polümorfsed modifikatsioonid on tavalised. Tantaal-niobaadid moodustavad väikeseid disseminatsioone, suuri eraldisi esineb harva (kristallid on tüüpilised peamiselt lopariidile, pürokloorile ja kolumbiit-tantaliidile). Värvus must, tumepruun, pruunikaskollane. Tavaliselt poolläbipaistev või kergelt läbipaistev.

Tantaalimaagi maardlaid on mitu peamist tööstuslikku ja geneetilist tüüpi. Natroliitiumi tüüpi haruldastest metallidest pegmatiite esindavad tsoneeritud veenikehad, mis koosnevad albiidist, mikrokliinist, kvartsist ja vähemal määral spodumeenist või petaliidist. Haruldaste metallide tantaali kandvaid graniite (apograniite) esindavad väikesed mikrokliin-kvarts-albiidi graniidi varud ja kuplid, mis on sageli rikastatud topaasi ja liitiumvilgudega, mis sisaldavad kolumbiit-tantaliidi ja mikroliidi õhukest levikut. Pegmatiitide hävimisega seoses tekkinud ilmastikukoorikud, deluviaal-alluviaalsed ja loopealsed sisaldavad kassiteriiti ja kolumbiit-tantaliidi rühma mineraale. Lopariiti sisaldavad lujavriidi ja foyaliidi koostisega nefeliinsüeniidid.

Lisaks on tööstuslikul kasutusel keerukate tantaali-nioobiumimaakide maardlad, mida esindavad karbonaadid ja nendega seotud forsteriit-apatiit-magnetiitkivimid; mikrokliin-albiidi riebekkiit leeliselised graniidid ja granosseeniidid jt. Osa tantaali ekstraheeritakse greiseni ladestiste volframiitidest.

Suurimad titaanimaakide leiukohad asuvad Kanadas (Manitoba, Bernicki järv), Austraalias (Greenbushes, Pilbara), Malaisias ja Tais (tantaali sisaldavad tinaplatsid), Brasiilias (Paraiba, Rio Grande do Norte) ja mitmetes Aafrika riikides. osariigid (Zaire, Nigeeria, Lõuna-Rhodesia).

Rakendus

Tantaal leidis oma tehnilise rakenduse üsna hilja - 20. sajandi alguses kasutati seda elektrilampide hõõgniitide materjalina, mis oli tingitud selle metalli kvaliteedist, näiteks tulekindlusest. Kuid see kaotas peagi oma tähtsuse selles valdkonnas, asendades odavama ja tulekindlama volframiga. Tantaal muutus taas "tehniliselt sobimatuks" kuni 20. sajandi kahekümnendateni, mil seda hakati kasutama vahelduvvoolualaldis (oksiidkilega kaetud tantaal juhib voolu ainult ühes suunas) ja aasta hiljem - raadiotorudes. . Pärast seda saavutas metall tunnustuse ja hakkas peagi vallutama üha uusi ja uusi tööstusvaldkondi.

Tänapäeval kasutatakse tantaali tänu oma ainulaadsetele omadustele elektroonikas (kõrge erimahtuvusega kondensaatorite tootmine). Umbes veerand maailma tantaalitoodangust läheb elektri- ja vaakumtööstusele. Tantaali enda ja selle oksiidkile kõrge keemilise inertsuse tõttu on elektrolüütilised tantaalkondensaatorid töökorras väga stabiilsed, töökindlad ja vastupidavad: nende kasutusiga võib ulatuda üle kaheteistkümne aasta. Raadiotehnikas kasutatakse tantaali radariseadmetes. Tantaal-minikondensaatoreid kasutatakse raadiosaatjates, radariseadmetes ja muudes elektroonikasüsteemides.

Tantaali peamine tarbija on metallurgia, mis kasutab üle 45% toodetud metallist. Tantaali kasutatakse aktiivselt legeeriva elemendina spetsiaalsetes terastes - ülitugev, korrosioonikindel, kuumakindel. Selle elemendi lisamine tavalistele kroomterastele suurendab nende tugevust ja vähendab haprust pärast kõvenemist ja lõõmutamist. Kuumakindlate sulamite tootmine on suur vajadus raketi- ja kosmosetehnoloogia järele. Juhtudel, kui raketi düüsid jahutatakse vedela metalliga, mis võib põhjustada korrosiooni (liitium või naatrium), on see lihtsalt võimatu ilma tantaali-volframi sulamita. Lisaks on kuumuskindlast terasest valmistatud kõrge temperatuuriga vaakumpahjude, küttekehade ja segistite küttekehad. Tantaalkarbiidi (sulamistemperatuur 3880 °C) kasutatakse kõvasulamite (volframi- ja tantaalkarbiidisegud – TT-indeksiga klassid, metallitöötlemise kõige raskemates tingimustes ja tugevaimate materjalide (kivi, komposiidid) pöördpuurimises) tootmisel. ).

Tantaaliga legeeritud teraseid kasutatakse laialdaselt näiteks keemiatehnikas. On ju sellistel sulamitel erakordne keemiline vastupidavus, nad on plastilised, kuumakindlad ja kuumakindlad just tänu nendele omadustele on tantalist saanud keemiatööstuses asendamatu konstruktsioonimaterjal. Tantaaliseadmeid kasutatakse paljude hapete tootmisel: vesinikkloriid-, väävel-, lämmastik-, fosfor-, äädikhape, aga ka broomi, kloori ja vesinikperoksiidi. Sellest valmistatakse poolid, destilleerijad, ventiilid, segistid, aeraatorid ja paljud muud keemiaseadmete osad. Mõnikord - terveid seadmeid. Tantaalkatoode kasutatakse kulla ja hõbeda elektrolüütiliseks eraldamiseks. Nende katoodide eeliseks on see, et kulla ja hõbeda ladestusi saab maha pesta aqua regiaga, mis ei kahjusta tantaali.

Lisaks kasutatakse tantaali instrumentide valmistamisel (röntgeniseadmed, juhtimisinstrumendid, diafragmad); meditsiinis (taastava kirurgia materjal); tuumaenergeetikas - tuumaenergiasüsteemide soojusvahetina (tantaal on kõigist metallidest kõige stabiilsem ülekuumendatud sulamites ja tseesium-133 aurudes). Tantaali suurt võimet gaase absorbeerida kasutatakse kõrgvaakumi säilitamiseks (elektrilised vaakumseadmed).

Tantaali on viimastel aastatel hakatud kasutama ehtematerjalina, kuna see suudab moodustada pinnale vastupidavaid mis tahes värvi oksiidkilesid.

Laialdaselt kasutatakse ka tantaaliühendeid. Tantaalpentoksiidi kasutatakse tuumatehnoloogias gammakiirgust neelava klaasi sulatamiseks. Kaaliumfluorotalaati kasutatakse sünteetilise kummi tootmisel katalüsaatorina. Sama rolli mängib tantaalpentoksiid ka etüülalkoholist butadieeni tootmisel.

Tootmine

On teada, et tantaali sisaldavad maagid on haruldased ja selle elemendi vaesed. Tantaali ja selle sulamite tootmise peamised toorained on tantaliidi ja lopariidi kontsentraadid, mis sisaldavad ainult 8% Ta 2 O 5 ja üle 60% Nb 2 O 5. Lisaks töödeldakse isegi neid maake, mis sisaldavad vaid sajandikku protsenti (Ta, Nb) 2 O 5!

Tantaali tootmistehnoloogia on üsna keeruline ja see viiakse läbi kolmes etapis: avamine või lagunemine; tantaali eraldamine nioobiumist ja nende puhaste keemiliste ühendite saamine; tantaali taastamine ja rafineerimine.

Tantaalikontsentraadi avamine ehk teisisõnu tantaali ekstraheerimine maakidest toimub leeliste (fusioon) või vesinikfluoriidhappe (lagundamine) või vesinikfluoriid- ja väävelhappe segu abil. Pärast seda liiguvad nad edasi tootmise teise etappi - ekstraheerimine ja tantaali ja nioobiumi eraldamine. Viimane ülesanne on nende metallide keemiliste omaduste sarnasuse ja nende ioonide peaaegu identse suuruse tõttu väga raske. Kuni viimase ajani eraldati metalle ainult meetodil, mille 1866. aastal pakkus välja Šveitsi keemik Marignac, kes kasutas ära kaaliumfluorotantalaadi ja kaaliumfluoroniobaadi erinevat lahustuvust lahjendatud vesinikfluoriidhappes. Kaasaegne tööstus kasutab tantaali ja nioobiumi eraldamiseks mitmeid meetodeid: ekstraheerimine orgaaniliste lahustitega, nioobiumpentakloriidi selektiivne redutseerimine, kompleksfluoriidisoolade fraktsionaalne kristalliseerimine, eraldamine ioonivahetusvaikudega, kloriidide rektifikatsioon. Praegu on kõige sagedamini kasutatav eraldusmeetod (see on ka kõige arenenum) vesinikfluoriid- ja väävelhapet sisaldavate tantaali- ja nioobiumfluoriidiühendite lahustest ekstraheerimine. Samal ajal puhastatakse tantaal ja nioobium muude elementide lisanditest: räni, titaan, raud, mangaan ja muud sarnased elemendid. Mis puudutab lopariidimaake, siis nende kontsentraate töödeldakse kloorimeetodil, et saada tantaali ja nioobiumkloriidi kondensaat, mis eraldatakse täiendavalt rektifikatsiooni teel. Kloriidide segu eraldamine koosneb järgmistest etappidest: esialgne rektifikatsioon (toimub tantaali ja nioobiumkloriidide eraldamine kaasnevatest lisanditest), põhirektifikatsioon (puhta NbCl 5 ja TaCl 5 kontsentraadi saamiseks) ja tantaali fraktsiooni lõplik rektifikatsioon (kuni saada puhast TaCl 5). Pärast sarnaste metallide eraldamist tantaalifaas sadestatakse ja puhastatakse, et saada kõrgendatud puhtusastmega kaaliumfluorotalaati (kasutades KCl).

Tantaalmetall saadakse selle kõrge puhtusastmega ühendite redutseerimisel, mille jaoks saab kasutada mitmeid meetodeid. See on kas tantaali redutseerimine pentoksiidist tahmaga temperatuuril 1800–2000 ° C (karbotermiline meetod) või kaaliumfluorotantalaadi redutseerimine naatriumiga kuumutamisel (naatriumtermoloogiline meetod) või elektrokeemiline redutseerimine kaaliumfluorotantaati sisaldavast sulamist. ja tantaaloksiid (elektrolüütiline meetod). Ühel või teisel viisil saadakse metall pulbrina puhtusega 98–99%. Metalli saamiseks valuplokkides paagutatakse see pulbrist eelnevalt kokkupressitud toorikute kujul. Paagutamine toimub voolu läbilaskmisel temperatuuril 2500–2700 °C või kuumutamisel vaakumis temperatuuril 2200–2500 °C. Pärast seda suureneb metalli puhtus märkimisväärselt, muutudes võrdseks 99,9-99,95%.

Tantaali valuplokkide edasiseks rafineerimiseks ja tootmiseks kasutatakse kuluelektroodiga kaarahjudes elektrilist vaakumsulatamist ning sügavamaks rafineerimiseks elektronkiirega sulatamist, mis vähendab oluliselt tantaali lisandite sisaldust, suurendab selle elastsust ja alandab temperatuuri. haprasse olekusse üleminekust. Sellise puhtusega tantaal säilitab kõrge elastsuse absoluutse nulli lähedasel temperatuuril! Tantaali valuploki pind sulatatakse (et anda valuploki pinnale vajalikud omadused) või töödeldakse treipingil.

Füüsikalised omadused

Alles 20. sajandi alguses said teadlased puhta tantaalmetalli pihta ja said üksikasjalikult uurida selle kergelt sinaka pliitooniga helehalli metalli omadusi. Millised omadused sellel elemendil on? Kindlasti on tantaal raskemetall: selle tihedus on 20 °C juures 16,6 g/cm 3 (võrdluseks raua tihedus 7,87 g/cm 3, plii tihedus 11,34 g/cm 3) ja transportimiseks. kuupmeeter Selle elemendi jaoks oleks vaja kuut kolmetonnist veoautot. Kõrge tugevus ja kõvadus on ühendatud suurepäraste plastiliste omadustega. Puhas tantaal sobib hästi mehaaniliseks töötlemiseks, on kergesti stantsitav, töödeldakse kõige õhemateks lehtedeks (ligikaudu 0,04 mm paksuseks) ja traadiks (tantaali elastsusmoodul 190 Hn/m2 või 190·102 kgf/mm2 temperatuuril 25 °C). Külmas saab metalli töödelda ilma olulise töökõvenemiseta ja ilma vahepealse põletamiseta võib see deformeeruda surveastmega 99%. Tantaali üleminekut plastilisest hapraks ei täheldata isegi siis, kui see jahutatakse temperatuurini -196 °C. Lõõmutatud kõrge puhtusastmega tantaali tõmbetugevus on 27 °C juures 206 MN/m2 (20,6 kgf/mm2) ja 490 °C juures 190 MN/m2 (19 kgf/mm2); suhteline pikenemine 36% (temperatuuril 27 °C) ja 20% (temperatuuril 490 °C). Tantaalil on kehakeskne kuupvõre (a = 3,296 A); aatomiraadius 1,46 A, ioonraadiused Ta 2+ 0,88 A, Ta 5+ 0,66 A.

Nagu varem mainitud, on tantaal väga kõva metall (tantaallehtede Brinelli kõvadus lõõmutatud olekus on 450-1250 MPa, deformeerunud olekus 1250-3500 MPa). Lisaks on metalli kõvadust võimalik suurendada, lisades sellele mitmeid lisandeid, näiteks süsinikku või lämmastikku (tantaalilehe Brinelli kõvadus pärast gaaside neeldumist kuumutamisel tõuseb 6000 MPa-ni). Selle tulemusena suurendavad interstitsiaalsed lisandid Brinelli kõvadust, tõmbetugevust ja voolavuspiiri, kuid need vähendavad plastilisuse omadusi ja suurendavad külma haprust, teisisõnu muudavad metalli rabedaks. Seitsmekümne kolmanda elemendi muud iseloomulikud tunnused on kõrge soojusjuhtivus, temperatuuril 20–100 °C on see väärtus 54,47 W/(m∙K) või 0,13 cal/(cm·sek·°С) ja tulekindlus (võib-olla kõige suurem). tantaali oluline füüsikaline omadus) - see sulab peaaegu 3000 °C juures (täpsemalt 2996 °C), jäädes alla volframile ja reeniumile. Tantaali keemistemperatuur on samuti ülikõrge: 5300 °C.

Mis puudutab tantaali muid füüsikalisi omadusi, siis selle erisoojus temperatuuril 0 kuni 100 °C on 0,142 kJ/(kg K) või 0,034 cal/(g °C); tantaali joonpaisumise temperatuuritegur on 8,0·10 -6 (temperatuuril 20–1500 °C). Seitsmekümne kolmanda elemendi elektriline eritakistus temperatuuril 0 °C on 13,2 10 -8 oomi m, temperatuuril 2000 °C 87 10 -8 oomi m. 4,38 K juures muutub metall ülijuhiks. Tantaal on paramagnetiline, spetsiifiline magnetiline vastuvõtlikkus 0,849·10 -6 (temperatuuril 18 °C).

Niisiis on tantaalil ainulaadne füüsikaliste omaduste komplekt: kõrge soojusülekandetegur, kõrge gaaside neeldumisvõime, kuumakindlus, tulekindlus, kõvadus ja plastilisus. Lisaks eristab seda kõrge tugevus - see sobib hästi survetöötluseks, kasutades kõiki olemasolevaid meetodeid: sepistamine, stantsimine, valtsimine, tõmbamine, keeramine. Tantaali iseloomustab hea keevitatavus (keevitamine ja jootmine argoonis, heeliumis või vaakumis). Lisaks on tantaalil erakordne keemiline ja korrosioonikindlus (anoodilise kile moodustumisega), madal aururõhk ja madal elektronide tööfunktsioon ning lisaks saab ta hästi läbi ka keha eluskoega.

Keemilised omadused

Kindlasti on tantaali üks väärtuslikumaid omadusi selle erakordne keemiline vastupidavus: selles osas on ta väärismetallide järel teisel kohal ja isegi mitte alati. See on vastupidav kõigis kontsentratsioonides vesinikkloriid-, väävel-, lämmastik-, fosfor- ja orgaanilistele hapetele (kuni temperatuur 150 ° C). Oma keemilise stabiilsuse poolest sarnaneb tantaal klaasiga - ei lahustu hapetes ja nende segudes, isegi aqua regia ei lahusta seda, mille vastu on jõuetud kuld ja plaatina ning hulk teisi väärtuslikke metalle. Seitsmekümne kolmas element lahustub ainult vesinikfluoriid- ja lämmastikhappe segus. Veelgi enam, reaktsioon vesinikfluoriidhappega toimub ainult metallitolmuga ja sellega kaasneb plahvatus. Isegi kuumades vesinikkloriid- ja väävelhapetes on tantaal vastupidavam kui tema kaksikvend nioobium. Tantaal on aga leeliste suhtes vähem vastupidav – söövitavate leeliste kuumad lahused söövitavad metalli. Tantaalhapete sooli (tantalaate) väljendatakse üldvalemiga: xMe 2 O yTa 2 O 5 H 2 O, nende hulka kuuluvad metatantalaadid MeTaO 3, ortotantalaadid Me 3 TaO 4, soolad nagu Me 5 TaO 5, kus Me on leelismetall ; vesinikperoksiidi juuresolekul tekivad ka pertantalaadid. Olulisemad leelismetalli tantalaadid on KTaO 3 ja NaTaO 3; need soolad on ferroelektrikud.

Tantaali kõrget korrosioonikindlust näitab ka selle koostoime õhuhapnikuga või õigemini selle kõrge vastupidavus sellele mõjule. Metall hakkab oksüdeeruma alles 280 °C juures, kattub Ta 2 O 5 kaitsekilega (tantaalpentooksiid on ainus stabiilne metallioksiid), mis kaitseb metalli keemiliste reaktiivide mõju eest ja takistab elektrivoolu voolamist. metallist elektrolüüdi. Temperatuuri tõustes 500 ° C-ni muutub oksiidkile aga järk-järgult poorseks, delamineerub ja eraldub metallist, jättes pinnale korrosioonivastase kaitsekihi. Seetõttu on soovitav kuumsurvetöötlus läbi viia vaakumis, kuna õhus oksüdeerub metall märkimisväärse sügavusega. Lämmastiku ja hapniku olemasolu suurendab tantaali kõvadust ja tugevust, vähendades samal ajal selle plastilisust ja muutes metalli hapraks ning nagu varem mainitud, moodustab tantaal tahke lahuse ja oksiidib Ta 2 O 5 hapnikuga (koos tantaali suurenemisega). O 2 sisaldus tantaalis, tugevusomadused suurenevad järsult ning elastsus ja korrosioonikindlus väheneb tugevalt). Tantaal reageerib lämmastikuga, moodustades kolm faasi - lämmastiku tahke lahus tantaalis, tantaalnitriidid: Ta 2 N ja TaN - temperatuurivahemikus 300–1100 ° C. Tantaalis olevast lämmastikust ja hapnikust on võimalik vabaneda kõrgvaakumi tingimustes (temperatuuril üle 2000 °C).

Tantaal reageerib nõrgalt vesinikuga, kuni kuumutatakse temperatuurini 350 °C, reaktsioonikiirus suureneb oluliselt alles alates 450 °C-st (tekib tantaalhüdriid ja tantaal muutub rabedaks). Vesinikust aitab vabaneda samasugune kuumutamine vaakumis (üle 800 °C), mille käigus taastatakse tantaali mehaanilised omadused ja vesinik eemaldatakse täielikult.

Fluor mõjub tantaalile juba toatemperatuuril ja metalliga reageerib ka vesinikfluoriid. Kuiv kloor, broom ja jood avaldavad tantaalile keemilist mõju temperatuuril 150 °C ja kõrgemal. Kloor hakkab metalliga aktiivselt suhtlema temperatuuril 250 °C, broom ja jood temperatuuril 300 °C. Tantaal hakkab süsinikuga suhtlema väga kõrgel temperatuuril: 1200–1400 °C ning tekivad tulekindlad tantaalkarbiidid, mis on hapetele väga vastupidavad. Tantaal ühineb booriga, moodustades boriidid – tahked, tulekindlad ühendid, mis on vastupidavad aqua regia mõjudele. Tantaal moodustab pidevaid tahkeid lahuseid paljude metallidega (molübdeen, nioobium, titaan, volfram, vanaadium jt). Tantaal moodustab piiratud tahkeid lahuseid kulla, alumiiniumi, nikli, berülliumi ja räniga. Tantaal ei moodusta ühtegi ühendit magneesiumi, liitiumi, kaaliumi, naatriumi ja mõnede teiste elementidega. Puhas tantaal on vastupidav paljudele vedelmetallidele (Na, K, Li, Pb, U-Mg ja Pu-Mg sulamid).

Tantaali avastamine on tihedalt seotud nioobiumi avastamisega. Keemikud pidasid mitukümmend aastat üheks elemendiks elementi kolumbiumi, mille avastas inglise keemik Hatchett 1802. aastal, ja tantaali, mille avastas 1802. aastal rootslane Ekeberg. Alles 1844. aastal tõestas saksa keemik Rose lõpuks, et tegemist on kahe erineva elemendiga, mille omadused on väga sarnased. Ja kuna tantaal sai nime Vana-Kreeka müütide kangelase Tantaluse järgi, tegi ta ettepaneku nimetada "kolumbiumiks" nioobiumiks Tantaluse tütre Niobe järgi. Tantaal ise sai oma nime väljendist "tantaali piin", kuna Ekebergi katsed lahustada selle elemendi oksiidi hapetes olid mõttetud.

Kviitung:

Tantaal on peaaegu alati kaasas nioobiumiga tantaliidides ja nioobiitides. Tantaliidi peamised leiukohad asuvad Soomes, Skandinaavias ja Põhja-Ameerikas.
Tantaalimaakide lagundamine tehnoloogias toimub nende kuumutamisel raudanumates kaaliumvesiniksulfaadiga, sulami leostumisega kuuma veega ja järelejäänud pulbrilise tantaalhappe jäägi lahustamisel saastunud nioobhappega. Seejärel redutseeritakse tantaaloksiid kivisöega 1000 °C juures ja saadud metall eraldatakse musta pulbrina, mis sisaldab väikest kogust oksiidi. Metallipulbrit võib saada ka TaCl 5 redutseerimisel vesiniku või magneesiumiga, samuti kaaliumfluorotalaati naatriumiga: K 2 TaF 7 + 5Na = Ta + 2KF + 5NaF.
Metallipulber töödeldakse pulbermetallurgia meetoditega kompaktmetalliks, pressitakse “virnadeks”, millele järgneb plasma- või elektrokiirsulatus.

Füüsikalised omadused:

Tantaal on raske, plaatinahall läikiv sinaka varjundiga metall, üsna kõva, kuid äärmiselt tempermalmist ja plastiline; selle elastsus suureneb puhastamisel. Sulamistemperatuur = 3027 °C (teisel kohal ainult volframi ja reeniumi järel). Raske, tihedus 16,65 g/cm3

Keemilised omadused:

Toatemperatuuril on sellel erakordne keemiline vastupidavus. Peale vesinikfluoriidhappe ei mõjuta tantaali ükski teine ​​​​hape, isegi mitte aqua regia. See interakteerub vesinikfluoriid- ja lämmastikhapete seguga, väävelanhüdriidiga, lahuste ja leeliste sulamitega, kuumutamisel temperatuurini 300-400 °C halogeenide, vesiniku, hapniku, lämmastikuga, üle 1000 °C - süsinikuga.
Ühendites on selle oksüdatsiooniaste +5. Tuntud on aga ka madalama oksüdatsiooniastmega tantaaliühendeid: TaCl 4, TaCl 3, TaCl 2.

Kõige olulisemad ühendused:

Tantaal(V)oksiid Puhtalt Ta 2 O 5 on kõige mugavam saada puhta tantaali metalli kaltsineerimisel hapnikuvoolus või Ta (OH) 5 hüdroksiidi lagundamisel. Tantaal(V)oksiid on valge, vees ja hapetes (va vesinikfluoriidhape) lahustumatu pulber, mille erikaal on 8,02. See ei muutu õhus, vesiniksulfiidi atmosfääris või väävliaurus kaltsineerimisel. Kuid temperatuuril üle 1000°C reageerib oksiid kloori ja vesinikkloriidiga. Tantaal(V)oksiid on dimorfne. Tavalistel temperatuuridel on selle rombikujuline modifikatsioon stabiilne.

Tantalaadid ja tantaalhape. Tantaal(V)oksiidi sulatamisel leeliste või leelismetallikarbonaatidega saadakse tantalaadid - metatantaali HTaO 3 ja ortotantaalhapete H 3 TaO 4 soolad. Samuti on soolad koostisega M 5 TaO 5. Kristallilised ained. kasutatakse ferroelektrikuna.
Tantaalhapped on muutuva veesisaldusega valged želatiinsed sademed, mis ei lahustu vesinikkloriid- ja lämmastikhappes. Lahustub hästi HF ja leeliselahustes. Tehnoloogias saadakse tantaalhapet tavaliselt tantaali ja kaaliumi topeltfluoriidi (kaaliumheptafluorotalaadi) lagundamisel väävelhappega.
Tantaal(V)kloriid, kristallid, hügroskoopsed, vees hüdrolüüsitud, lahustuvad CS2-s ja CCl4-s. Seda kasutatakse tantaali tootmisel ja katmisel.
Tantaalpentafluoriid. Võib saada pentakloriidi reageerimisel vedela vesinikfluoriidiga. See moodustab värvituid prismasid ja hüdrolüüsitakse vee toimel. Sulamine = 96,8 ° С, keeb = 229 ° С. Kasutatakse tantaalkatete pealekandmiseks.
Kaaliumheptafluorotalaat- K 2 TaF 7 on kompleksühend, mida saab saada tantaalpentafluoriidi reageerimisel kaaliumfluoriidiga. Valged kristallid, õhu käes stabiilsed. Veega hüdrolüüsitud: K 2 TaF 7 + H 2 O -> Ta 2 O 5 *nH 2 O + KF + HF

Rakendus:

Kuna tantaal ühendab suurepärased metallilised omadused erakordse keemilise vastupidavusega, on see osutunud ülimalt sobivaks kirurgiliste ja hambaraviinstrumentide, nagu pintsettide otsikud, süstenõelad, nõelad jne, valmistamiseks. Mõnel juhul võib see plaatina asendada.
Neid kasutatakse ka kondensaatorite, elektrontorude katoodide, keemiatööstuse ja tuumaenergia seadmete ning tehiskiudude tootmiseks kasutatavate stantside valmistamiseks. Karbiid, silitsiid, tantaalnitriid - kuumakindlad materjalid, kõvade ja kuumakindlate sulamite komponendid.
Tantaali kuumakindlaid sulameid nioobiumi ja volframiga kasutatakse raketi- ja kosmosetehnoloogias.

E. Rosenberg.

Allikad: Tantaal // Populaarne keemiliste elementide raamatukogu Kirjastus “Teadus”, 1977.
Tantaal // Vikipeedia. Värskenduskuupäev: 12.12.2017. (juurdepääsu kuupäev: 20.05.2018).
// S. I. Levtšenkov. Lühiülevaade keemia ajaloost / SFU.

TANTALUM, Ta (nimetatud Vana-Kreeka mütoloogia kangelase Tantaluse järgi; ladina tantaal * a. tantaal; n. tantal; f. tantale; i. tantalo) on Mendelejevi perioodilise süsteemi V rühma keemiline element, aatom. number 73, aatommass 180 ,9479. Looduses esineb seda kahe isotoobi kujul: 181 Ta (99,9877%) ja 180 Ta (0,0123%). Tuntud on 13 tantaali kunstlikku radioaktiivset isotoopi massinumbritega 172–186. Tantaali avastas 1802. aastal Rootsi keemik A. G. Ekeberg. Plastist metallist tantaali hankis esmakordselt saksa teadlane W. Bolten 1903. aastal.

Rakendus ja kasutamine

Tantaali ja selle sulamite tootmise peamised toorained on tantaliidi ja lopariidi kontsentraadid, mis sisaldavad umbes 8% Ta 2 O 5, 60% või rohkem Nb 2 O 5. Kontsentraadid lagundatakse hapete või leeliste toimel, lopariidi kontsentraadid aga klooritakse. Ta ja Nb eraldamine toimub ekstraheerimise teel. Metallist tantaali saadakse tavaliselt Ta 2 O 5 redutseerimisel süsinikuga või elektrokeemiliselt sulamitest.

Kompaktmetalli toodetakse vaakumkaare, plasmasulatamise või pulbermetallurgia abil. Tantaalist ja selle sulamitest valmistatakse keemiatööstuse korrosioonikindlad seadmed, stantsid, laboriklaasid ja tiiglid; tuumaenergiasüsteemide soojusvahetid. Kirurgias kasutatakse tantaalilehti, fooliumi ja traati kudede, närvide kinnitamiseks, õmbluste paigaldamiseks ja proteeside valmistamiseks, mis asendavad (bioloogilise ühilduvuse tõttu) kahjustatud luuosi. Tantaalkarbiidi kasutatakse kõvasulamite tootmisel.

Tantaalil on kõrge sulamistemperatuur -- 3290 K (3017 °C); keeb temperatuuril 5731 K (5458 °C).

Tantaali tihedus on 16,65 g/cm. Vaatamata kõvadusele on see sama painduv kui kuld. Puhas tantaal sobib hästi töötlemiseks, seda on lihtne tembeldada, rullida traadiks ja õhukesteks lehtedeks, mille paksus on sajandik millimeetrit. Tantaal on suurepärane getter (gaasi neelduja 800 °C juures on see võimeline neelama 740 mahtu gaasi). Tantaalil on kehakeskne kuupvõre. Omab paramagnetilisi omadusi. Temperatuuril 4,38 K muutub see ülijuhiks. Puhas tantaal on plastiline metall, mida saab külmas surve all töödelda ilma olulise kõvenemiseta. Seda saab deformeerida 99% redutseerimismääraga ilma vahepealse lõõmutamiseta. Tantaali üleminekut plastilisest olekust rabedaks jahutamisel temperatuurini -196 °C ei tuvastatud. Tantaali omadused sõltuvad suuresti selle puhtusest; vesiniku, lämmastiku, hapniku ja süsiniku lisandid muudavad metalli hapraks.

Aatomi elektrooniline struktuur.

1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d3

seerianumber-73

Rühma kuulumine - A

d-element

Tantaal(V)oksiid on valge pulber, mis ei lahustu ei vees ega hapetes (va H2F2). Väga tulekindel (sulamistemperatuur = 1875 °C). Oksiidi happelisus on üsna nõrgalt väljendunud ja avaldub peamiselt reaktsioonil leelissulamitega: nioobiumi tantaaliaatomiga oksüdatsioon

Ta2O5 + 2NaOH = 2NaTaO3 + H2O

või karbonaadid:

Ta2O5 + 3Na2CO3 = 2Na3TaO4 + 3CO2

Oksüdatsiooniastmes -4, -5 tantaali sisaldavad soolad võivad olla mitut tüüpi: metatantalaadid NaTaO3, ortotantalaadid Na3TaO4, kuid leidub polüioone penta- ja heksa-, mis kristalliseeruvad koos veemolekulidega, 7- ja 8-. Viie laenguga tantaal moodustab reaktsioonides hapetega katiooni TaO3+ ja soolad TaO(NO3)3 või Nb2O5(SO4)3, jätkates vanaadiumiooni VO2+ poolt juurutatud kõrvalalarühma “traditsiooni”.

1000 °C juures reageerib Ta2O5 kloori ja vesinikkloriidiga:

Ta2O5+ 10HC1==2ТаС15+5Н2О

Sellest tulenevalt võib väita, et tantaal(V)oksiidi iseloomustab ka amfoteersus, millel on aluse omadustest paremad happelised omadused.

Tantaal(V)oksiidile vastav hüdroksiid saadakse tantaaltetrakloriidi happeliste lahuste neutraliseerimisel. See reaktsioon kinnitab ka +4 oksüdatsiooniastme ebastabiilsust.

Madalatel oksüdatsiooniastmetel on kõige stabiilsemad ühendid halogeniidid (vt joonis 3). Lihtsaim viis nende saamiseks on püridiini kompleksid. Pentahaliidid TaX5 (kus X on C1, Br, I) redutseeritakse kergesti püridiiniga (tähistatakse Py-ga), moodustades kompositsiooni MX4(Py)2 komplekse.

Tantaali soolad. Kuuenda alarühma soolad on valdavalt värvitud kristallid või valged pulbrid. Paljud neist on väga hügroskoopsed ja hajuvad õhus. Nende metallide oksiididel on amfoteersed omadused, mistõttu enamik nende sooladest on kergesti hüdrolüüsitavad, muutudes vees kergelt või täielikult lahustumatud sooladeks ) Niisutamine ja dehüdratsioon. Kõigil selle klassi katalüsaatoritel on tugev afiinsus vee suhtes. B-klassi peamine esindaja on alumiiniumoksiid. Fosforhapet või selle happesooli kasutatakse ka kandjatel, nagu alumiiniumsilikaatgeel ja silikageel tantaali-, tsirkoonium- või hafniumoksiididega. Tantaali ja nioobiumi fraktsioneeriva ekstraheerimisega eraldamise esimestes töödes pakuti välja süsteeme vesinikkloriidhape - ksüleen - metüüldioktüülamiin (1952), samuti vesinikkloriidhape - vesinikfluoriidhape - diisopropüülketoon (1953). Mõlemad metallid lahustatakse happe vesilahustes sooladena ja seejärel ekstraheeritakse tantaal orgaanilise lahustiga. Süsteemis 6/W väävelhape--9 Ai vesinikfluoriidhape

7. Tantaali kasutatakse tehiskiudude tootmisel niitide tõmbamise stantside valmistamiseks. Varem olid sellised stantsid valmistatud plaatinast ja kullast. Kõige kõvemad sulamid on valmistatud tantaalkarbiidist, mille tsemendilisandina on niklit. Need on nii kõvad, et jätavad kriimud isegi teemandile, mida peetakse kõvaduse standardiks.

Ülijuhtivasse olekusse ülemineku kriitilise temperatuuri osas sai esikoha nioobiumgermaniid Nb3Ge. Selle kriitiline temperatuur on 23,2 K (umbes -250 °C). Teine ühend, nioobiumstanniid, muutub ülijuhiks veidi madalamal temperatuuril -255 °C. Selle fakti täielikumaks mõistmiseks juhime tähelepanu sellele, et enamik ülijuhte on tuntud ainult vedela heeliumi (2,172 K) temperatuuride kohta. Nioobiummaterjalidest valmistatud ülijuhid võimaldavad toota magnetpooli, mis tekitavad ülivõimsaid magnetvälju. 16 cm läbimõõduga ja 11 cm kõrgusega magnet, kus mähiseks on sellisest materjalist lint, on võimeline tekitama kolossaalse intensiivsusega välja. Magnet on vaja ainult ülijuhtivasse olekusse viia, see tähendab jahutada, ja jahutamine madalamale temperatuurile on loomulikult lihtsam.

Nioobiumi roll keevitamisel on oluline. Tavalise terase keevitamise ajal ei tekitanud see protsess erilisi raskusi ega tekitanud raskusi. Kui aga hakati keevitama keeruka keemilise koostisega spetsiaalsetest terastest valmistatud konstruktsioone, hakkasid keevisõmblused kaotama palju keevitatava metalli väärtuslikke omadusi. Muutused elektroodide koostises, keevitusmasinate konstruktsioonide täiustamine ega keevitamine inertgaaside atmosfääris ei avaldanud mingit mõju. Siin tuleb appi nioobium. Terast, millesse lisatakse väikese lisandina nioobium, saab keevitada, kartmata keevisõmbluse kvaliteeti (joonis 4). Keevisõmbluse hapruse põhjustavad keevitamisel tekkivad karbiidid, kuid olukorra päästis nioobiumi võime ühineda süsinikuga ja takistada teiste metallide karbiidide teket, mis rikuvad sulamite omadusi. Nioobiumi enda karbiidid, nagu ka tantaal, on piisava viskoossusega. See on eriti väärtuslik rõhu all ja agressiivses keskkonnas töötavate katelde ja gaasiturbiinide keevitamisel.

Nioobium ja tantaal on võimelised absorbeerima märkimisväärses koguses gaase, nagu vesinik, hapnik ja lämmastik. Toatemperatuuril on 1 g nioobiumi võimeline neelama 100 cm3 vesinikku. Kuid isegi tugeva kuumutamise korral see omadus praktiliselt ei nõrgene. 500 °C juures suudab nioobium siiski neelata 75 cm3 vesinikku ja tantaal 10 korda rohkem. Seda omadust kasutatakse kõrgvaakumi loomiseks või elektroonikaseadmetes, kus on vaja säilitada täpsed omadused kõrgel temperatuuril. Nioobium ja tantaal, mis ladestuvad osade pinnale nagu käsn, neelavad gaase, tagades seadmete stabiilse töö. Taastav kirurgia on nende metallide abil saavutanud suurt edu. Arstipraktika hõlmas mitte ainult tantaaliplaate, vaid ka tantaali ja nioobiumi niite. Kirurgid on selliseid niite edukalt kasutanud rebenenud kõõluste, veresoonte ja närvide kokkuõmblemiseks. Tantaallõng kompenseerib lihasjõudu. Selle abiga tugevdavad kirurgid pärast operatsiooni kõhuõõne seinu. Tantaalil on aatomite vahel äärmiselt tugevad sidemed. See põhjustab selle äärmiselt kõrge sulamis- ja keemistemperatuuri. Mehaanilised omadused ja keemiline vastupidavus toovad tantaali plaatinale lähemale. Keemiatööstus kasutab seda soodsat tantaaliomaduste kombinatsiooni. Seda kasutatakse keemiatehaste happekindlate seadmete, kütte- ja jahutusseadmete osade ettevalmistamiseks, mis puutuvad kokku agressiivse keskkonnaga.

Kiiresti arenevas tuumaenergiatööstuses kasutatakse nioobiumi kahte omadust. Nioobiumil on termiliste neutronite jaoks hämmastav "läbipaistvus", see tähendab, et see suudab need läbi metallikihi läbi viia, neutronitega praktiliselt reageerimata. Nioobiumi kunstlik radioaktiivsus (tekib kokkupuutel radioaktiivsete materjalidega) on madal. Seetõttu saab sellest valmistada konteinereid radioaktiivsete jäätmete hoidmiseks ja seadmeid nende töötlemiseks. Veel üks sama väärtuslik (tuumareaktori jaoks) nioobiumi omadus on märgatava interaktsiooni puudumine uraani ja teiste metallidega isegi temperatuuril 1000 kraadi. °C. Sula naatrium ja kaalium, mida kasutatakse teatud tüüpi tuumareaktorites jahutusvedelikuna, võivad nioobiumtorude kaudu vabalt ringelda, kahjustamata neid.

Kaasaegsete tehnoloogiate kiire areng on tänapäeval kindlasti seotud tõhusate materjalide ja ainete kasutamisega, millel on üsna praktilised ja väga kasulikud omadused ja omadused.

Sellest vaatenurgast tasub pöörata tähelepanu sellisele ainulaadsele keemilisele elemendile nagu tantaal. Ja see pole üllatav, sest tänu oma tugevusomadustele on tantaali kasutamine tänapäeval paljudes tööstusvaldkondades üsna aktuaalne.

Tavainimese silmaringi laiendamiseks sel teemal kirjeldame üksikasjalikult tantaali füüsikalisi ja keemilisi omadusi ning räägime, kus seda metalli tänapäeval väga edukalt kasutatakse.

Tantaali tehnilised omadused

Kõigepealt tasub mõista, et tantaal on hall metall, millel on läikiv varjund ja mida on lihtne mehaaniliselt töödelda.

Metalli omaduste hulgas tasub märkida mitmeid järgmisi olulisi aspekte:

• seerianumber perioodilisuse tabelis - 73;
• aatommass - 180;
• aine tihedus on 60 g/cm3;
• sulamistemperatuur - 3015 0 C;
• Aine keemistemperatuur on 5300 0 C.

Metalli omadused

Nende omaduste tõttu on tantaalil kahtlemata järgmised soodsad omadused:

1. Tantaal on tulekindel metall ja selle tulemusena on elemendil järgmised omadused:

• väike lineaarne paisumiskiirus;
• hea soojusjuhtivuse tase;
• kõrge mehaaniline tugevus ja elastsus.

1. Omab suurepäraseid korrosioonivastaseid omadusi. Väärib märkimist, et tantaal on tavatingimustes merevee suhtes praktiliselt inertne, kuid kui see on hapnikuga küllastunud, siis metall sel juhul ainult tuhmub.
2. Tantaalil on hea vastupidavus järgmist tüüpi sooladele:

• raud- ja vaskkloriidid;
• nitraadid;
• sulfaadid;
• orgaaniliste hapete soolad, eeldusel, et need ei sisalda fluori ega fluoriide.

1. Tantaal hakkab fluoriga reageerides oma tugevusomadusi kaotama. Tasub arvestada ka asjaoluga, et tantaal ei reageeri keemiliselt broomi, joodi ja vedela klooriga, kui ei saavutata temperatuuri 150 0 C.
2. Tantaal on üsna vastupidav madala sulamistemperatuuriga vedelate metallide mõjule.
3. Tantaalil on suurepärased stabiilsusomadused õhus temperatuuril kuni 400 0 C, samal ajal kui ladustamise või töötlemise ajal ilmub kaitsev oksiidkile.
4. Elektronkiirmeetodil sulatatud tantaalil on suurenenud plastilisus, mis võimaldab metalli deformeerumisel suuremat kokkusurumist.
5. See muundub hästi lehtmetalliks, mis sobib hästi sepistamiseks.
6. See sobib hästi töötlemiseks külmdeformatsiooni ajal. Siiski peate mõistma, et seda metalli ei tohiks kuumas olekus deformeerida, kuna kuumutamisel hakkab tantaal neelama lämmastikku, süsinikdioksiidi, hapnikku ja selle tulemusena muutub materjal üsna hapraks.
7. Tantaali töötlemise üks peamisi toiminguid on materjali lõikamine kiirseadmetel.

Mis puutub tantaaliosade ühendamisse, siis seda saab teha järgmistel viisidel:

• keevitamine;
• jootmine;
• ühendus neetide abil.

Siinkohal tasub arvestada asjaoluga, et kahte viimast meetodit kasutatakse üsna harva, seega jääb tantaalkeevisliidete kvaliteet alati kõrgeks.

Tantaali kasutusvaldkonnad

Need omadused võimaldavad seda laialdaselt kasutada erinevates tööstusvaldkondades. Märgime üksikasjalikult sellise ainulaadse materjali nagu tantaal peamisi kasutussuundi.

Metallurgiatööstus

Metallurgia on selle metalli peamine tarbija. Metallurgiatööstus moodustab 45% tantaalitoodangust.

Tantaali peamine kasutusala seisneb mitmes järgmises olulises aspektis:

• metall on kuumuskindlate ja korrosioonivastaste terase klasside valmistamisel peamine legeerelement;
• Tantaalkarbiid on valukodade terasvormide usaldusväärne kaitse.

Elektritööstus

Esiteks väärib märkimist tõsiasi, et veerand maailmas toodetavast tantaalist kasutatakse elektritööstuses. Ja see pole üllatav, sest selle metalli abil toodetakse järgmist tüüpi elektritooteid:

• elektrolüütilisi tantaalkondensaatoreid iseloomustab stabiilne töö;
• kasutatakse laialdaselt lampide konstruktsioonielementide, nagu anoodid, kaudselt kuumutatud katoodid ja võred, valmistamisel;
• tantaaltraati kasutatakse krüotronosade tootmisel, mis on arvutitehnoloogia lahutamatud elemendid;
• Sellest metallist valmistatakse väga edukalt kõrge temperatuuriga töötingimustega ahjude küttekehasid.

Huvitav fakt! Tantaalkondensaatorid kipuvad ise paranema. Näiteks kui järsku tekkis kõrgepinge, hävitas säde isolatsioonikihi. Sel juhul moodustub defekti kohas koheselt isoleeriv oksiidkile, samas kui kondensaator jätkab normaalses töörežiimis töötamist!

Keemiatööstus

Kõigepealt tuleb märkida, et 20% kasutatavast tantalist läheb keemiatööstuse vajadusteks. Eelkõige kasutatakse seda metalli järgmistel juhtudel:

• järgmist tüüpi hapete tootmine:

1. lämmastik;
2. Olyanaya;
3. väävelhape;
4. fosfor;
5. äädikas

• vesinikperoksiidi, broomi ja kloori tootmine;
• järgmist tüüpi keemiaseadmete tootmine:

1. aeraatorid;
2. destilleerimistehased;
3. erinevat tüüpi rullid;
4. segistid;
5. ventiil

IN meditsiinitööstus maailmas kaevandatavast tantaalist ei kasutata üle 5%. Meditsiinis kasutatakse seda metalli väga edukalt plastilises ja luukirurgias, mistõttu valmistatakse sellest tantaalelemente luude kinnitamiseks, õmblemiseks jne. See saavutatakse tänu sellele, et tantaal ei kahjusta keha elutähtsaid funktsioone ega ärrita eluskudet.