Tantal (Ta) je element s atomskim brojem 73 i atomskom težinom 180,948. To je element sekundarne podskupine pete skupine, šeste periode periodnog sustava Dmitrija Ivanoviča Mendeljejeva. Tantal u slobodnom stanju u normalnim uvjetima je platinasto-sivi metal s blago olovnom nijansom, što je posljedica stvaranja oksidnog filma (Ta 2 O 5). Tantal je težak, vatrostalan, prilično tvrd, ali ne i lomljiv metal, u isto vrijeme vrlo je savitljiv, lako se obrađuje, posebno u čistom obliku.

U prirodi se tantal nalazi u obliku dva izotopa: stabilnog 181 Ta (99,99%) i radioaktivnog 180 Ta (0,012%) s vremenom poluraspada od 10 12 godina. Od umjetno dobivenog radioaktivnog 182 Ta (vrijeme poluraspada 115,1 dana) koristi se kao indikator izotopa.

Element je 1802. godine otkrio švedski kemičar A. G. Ekeberg u dva minerala pronađena u Finskoj i Švedskoj. Ime je dobio po junaku starogrčkih mitova Tantalu zbog poteškoća u izolaciji. Dugo su se vremena minerali kolumbit, koji sadrži kolumbij (niobij) i tantalit, koji sadrži tantal, smatrali jednim te istim. Uostalom, ta su dva elementa česti pratioci jedan drugoga i u mnogočemu slični. Ovo se mišljenje dugo smatralo točnim među kemičarima svih zemalja, tek 1844. godine njemački kemičar Heinrich Rose ponovno je proučavao kolumbite i tantalite s raznih mjesta i pronašao u njima novi metal, sličan svojstvima tantalu. Bio je to niobij. Plastični čisti metal tantal prvi je dobio njemački znanstvenik W. von Bolton 1903. godine.

Glavna nalazišta minerala tantala nalaze se u Finskoj, skandinavskim zemljama, Sjevernoj Americi, Brazilu, Australiji, Francuskoj, Kini i nizu drugih zemalja.

Zbog činjenice da tantal ima niz vrijednih svojstava - dobru duktilnost, visoku čvrstoću, zavarljivost, otpornost na koroziju pri umjerenim temperaturama, vatrostalnost i niz drugih važnih svojstava - upotreba sedamdeset trećeg elementa je vrlo široka. Najvažnija područja primjene tantala su elektronika i strojarstvo. Otprilike četvrtina svjetske proizvodnje tantala odlazi na električnu i vakuumsku industriju. U elektronici se koristi za izradu elektrolitskih kondenzatora, anoda žarulja velike snage i mreža. U kemijskoj industriji tantal se koristi za izradu dijelova strojeva koji se koriste u proizvodnji kiselina, jer ovaj element ima izuzetnu kemijsku otpornost. Tantal se ne otapa čak ni u tako kemijski agresivnom okruženju kao što je aqua regia! Metali, poput rijetkih zemalja, tope se u tantalnim loncima. Od njega se izrađuju grijači za visokotemperaturne peći. Zbog činjenice da tantal ne stupa u interakciju sa živim tkivima ljudskog tijela i ne šteti im, koristi se u kirurgiji za držanje kostiju zajedno tijekom prijeloma. Međutim, glavni potrošač tako vrijednog metala je metalurgija (preko 45%). Posljednjih godina tantal se sve više koristi kao legirajući element u posebnim čelicima - ultra jakim, otpornim na koroziju, otpornim na toplinu. Osim toga, mnogi strukturni materijali brzo gube toplinsku vodljivost: na njihovoj se površini formira film oksida ili soli koji slabo provodi toplinu. Strukture izrađene od tantala i njegovih legura nemaju takvih problema. Oksidni film koji se formira na njima je tanak i dobro provodi toplinu, a ima i zaštitna svojstva protiv korozije.

Nije vrijedan samo čisti tantal, već i njegovi spojevi. Dakle, visoka tvrdoća tantal karbida koristi se u proizvodnji karbidnih alata za brzo rezanje metala. Tantal-volframove legure daju toplinsku otpornost dijelovima izrađenim od njih.

Biološka svojstva

Zbog svoje visoke biološke kompatibilnosti - sposobnosti da se slaže sa živim tkivima bez izazivanja iritacije ili odbacivanja od strane tijela - tantal je pronašao široku primjenu u medicini, uglavnom u rekonstruktivnoj kirurgiji - za obnovu ljudskog tijela. Tanke ploče od tantala koriste se za oštećenja lubanje - zatvaraju pukotine u lubanji. Medicini je poznat slučaj da je umjetno uho napravljeno od tantalove ploče, a koža presađena s bedra tako se dobro i brzo udomaćila da se umjetni organ ubrzo nije mogao razlikovati od pravog. Tantalne niti se koriste za obnavljanje oštećenog mišićnog tkiva. Kirurzi koriste tantalove ploče za pričvršćivanje stijenki trbušne šupljine nakon operacija. Čak se i krvne žile mogu spojiti pomoću tantalskih kopči. Mreže izrađene od ovog jedinstvenog materijala koriste se u proizvodnji očnih proteza. Konci od ovog metala koriste se za zamjenu tetiva, pa čak i za šivanje živčanih vlakana.

Ništa manje raširena je uporaba tantalovog pentoksida Ta 2 O 5 - predlaže se njegova mješavina s malom količinom željeznog trioksida za ubrzavanje zgrušavanja krvi.

U posljednjem desetljeću razvija se nova grana medicine koja se temelji na korištenju statičkih električnih polja kratkog dometa za poticanje pozitivnih bioloških procesa u ljudskom tijelu. Štoviše, električna polja ne nastaju zbog tradicionalnih izvora električne energije s mrežnim ili baterijskim napajanjem, već zbog autonomno funkcionirajućih elektretnih premaza (dielektrik koji dugo zadržava nekompenzirani električni naboj), apliciranih na implantate za razne namjene, široko rasprostranjene. koristi se u medicini.

Trenutno su pozitivni rezultati uporabe elektretnih filmova tantalovog pentoksida dobiveni u sljedećim područjima medicine: maksilofacijalna kirurgija (upotrebom implantata obloženih Ta 2 O 5 eliminira se pojava upalnih procesa i skraćuje vrijeme cijeljenja implantata) ; ortopedska stomatologija (premazivanje proteza od akrilne plastike filmom tantal pentoksida uklanja sve moguće patološke manifestacije uzrokovane netolerancijom na akrilate); kirurgija (uporaba elektretnog aplikatora u liječenju defekata kože i vezivnog tkiva kod dugotrajnih nezacjeljivih rana, dekubitusa, neurotrofičnih ulkusa, toplinskih ozljeda); traumatologija i ortopedija (ubrzanje razvoja koštanog tkiva u liječenju prijeloma i bolesti mišićno-koštanog sustava čovjeka pod utjecajem statičkog polja stvorenog filmom elektretnog premaza).

Sva ova jedinstvena znanstvena dostignuća postala su moguća zahvaljujući znanstvenom radu stručnjaka s Državnog elektrotehničkog sveučilišta u Sankt Peterburgu (LETI).

Uz gore navedena područja u kojima se već koriste ili uvode jedinstvene prevlake od tantal pentoksida, postoje razvoji koji su u vrlo ranim fazama. To uključuje razvoj za sljedeća područja medicine: kozmetologiju (proizvodnja materijala na bazi tantal pentoksidnih premaza, koji će zamijeniti "zlatne niti"); kardiokirurgija (nanošenje elektretnih filmova na unutarnju površinu umjetnih krvnih žila, sprječavanje stvaranja krvnih ugrušaka); endoprostetika (smanjenje rizika od odbacivanja proteza koje su u stalnoj interakciji s koštanim tkivom). Osim toga, stvara se kirurški instrument presvučen tantle pentoxide filmom.

Poznato je da je tantal vrlo otporan na agresivna okruženja, o čemu svjedoče brojne činjenice. Dakle, na temperaturi od 200 °C na ovaj metal ne utječe sedamdeset postotna dušična kiselina! U sumpornoj kiselini na temperaturi od 150 °C također se ne opaža korozija tantala, a na 200 °C metal korodira, ali samo za 0,006 mm godišnje!

Poznat je slučaj kada su u jednom poduzeću koje je koristilo klorovodik, dijelovi od nehrđajućeg čelika otkazali nakon samo nekoliko mjeseci. Međutim, čim je čelik zamijenjen tantalom, pokazalo se da su i najtanji dijelovi (debljine 0,3...0,5 mm) praktički neodređeni - vijek trajanja im se povećao na 20 godina!

Tantal se, zajedno s niklom i kromom, široko koristi kao antikorozivni premaz. Pokriva dijelove najrazličitijih oblika i veličina: lonce, cijevi, ploče, raketne mlaznice i još mnogo toga. Štoviše, materijal na koji se nanosi tantalni premaz može biti vrlo raznolik: željezo, bakar, grafit, kvarc, staklo i drugi. Ono što je najzanimljivije je da je tvrdoća tantalove prevlake tri do četiri puta veća od tvrdoće tehničkog tantala u žarenom obliku!

Zbog činjenice da je tantal vrlo vrijedan metal, potraga za njegovim sirovinama traje i danas. Mineralozi su otkrili da obični graniti, osim drugih vrijednih elemenata, sadrže i tantal. Pokušaj ekstrakcije tantala iz granitnih stijena napravljen je u Brazilu, metal je dobiven, ali takva ekstrakcija nije dosegla industrijske razmjere - proces se pokazao izuzetno skupim i složenim.

Moderni elektrolitički tantal kondenzatori su stabilni, pouzdani i izdržljivi. Minijaturni kondenzatori izrađeni od ovog materijala, koji se koriste u raznim elektroničkim sustavima, osim gore navedenih prednosti, imaju jednu jedinstvenu kvalitetu: mogu sami izvršiti svoje popravke! Kako se to događa? Pretpostavimo da je cjelovitost izolacije oštećena zbog pada napona ili iz drugog razloga - odmah se na mjestu proboja ponovno formira izolacijski oksidni film, a kondenzator nastavlja raditi kao da se ništa nije dogodilo!

Nedvojbeno se tantalu s punim pravom može pripisati termin “pametni metal” koji se pojavio sredinom 20. stoljeća, odnosno metal koji pomaže u radu pametnih strojeva.

U nekim područjima tantal zamjenjuje, a ponekad čak i konkurira platini! Tako u nakitnom radu tantal često zamjenjuje skuplji plemeniti metal u proizvodnji narukvica, kućišta za satove i drugog nakita. U drugom području, tantal se uspješno natječe s platinom - standardne analitičke vage izrađene od ovog metala nisu niže kvalitete od platinskih.

Osim toga, tantal zamjenjuje skuplji iridij u proizvodnji vrhova za automatske olovke.

Zbog svojih jedinstvenih kemijskih svojstava, tantal je pronašao primjenu kao materijal za katode. Tako se katode od tantala koriste u elektrolitičkoj separaciji zlata i srebra. Njihova je vrijednost u tome što se talog plemenitih metala može isprati carskom vodicom koja ne šteti tantalu.

Svakako se može govoriti o tome da ima nečeg simboličnog, ako ne i mističnog, u činjenici da je švedski kemičar Ekeberg, pokušavajući zasititi novu tvar kiselinama, bio pogođen njezinom “žeđi” i novom elementu dao ime u čast mitskog zlikovca koji je ubio vlastitog sina i izdao bogove. I dvjesto godina kasnije pokazalo se da je ovaj element sposoban doslovno "šivati" osobu, pa čak i "zamijeniti" njegove tetive i živce! Ispostavilo se da mučenik, čameći u podzemlju, okajava svoju krivnju pomažući čovjeku, pokušava izmoliti oprost od bogova...

Priča

Tantal je junak starogrčkih mitova, lidijski ili frigijski kralj, Zeusov sin. Odao je tajne olimpskih bogova, ukrao ambroziju s njihove gozbe i počastio Olimpijce jelom pripremljenim od tijela vlastitog sina Pelopsa kojeg je ubio. Zbog njegovih zlodjela, Tantala su bogovi osudili na vječne muke gladi, žeđi i straha u podzemlju Hada. Od tada do vrata stoji u prozirnoj kristalno čistoj vodi, a grane mu se savijaju prema glavi pod težinom zrelih plodova. Samo on ne može utažiti ni žeđ ni glad - voda pada čim pokuša piti, a grane podiže vjetar, iz ruku gladnog ubojice. Nad Tantalovom glavom visi stijena, koja bi se svakog trenutka mogla srušiti, prisiljavajući nesretnog grešnika da zauvijek pati od straha. Zahvaljujući ovom mitu nastao je izraz "Tantalova muka", označavajući nepodnošljivu patnju, eterične pokušaje da se čovjek oslobodi muke. Navodno, tijekom neuspješnih pokušaja švedskog kemičara Ekeberga da "zemlju" koju je otkrio 1802. otopi u kiselinama i iz nje izolira novi element, upravo mu je ovaj izraz pao na pamet. Znanstvenik je više puta mislio da je blizu svog cilja, ali nikada nije uspio izolirati novi metal u njegovom čistom obliku. Tako se pojavio "mučenički" naziv novog elementa.

Otkriće tantala usko je povezano s otkrićem još jednog elementa - niobija, koji je rođen godinu dana ranije i izvorno je dobio ime Columbia, koje mu je dao njegov pronalazač Hatchet. Ovaj element je blizanac tantala i blizak mu je u nizu svojstava. Upravo je ta blizina zavela kemičare, koji su nakon duge rasprave došli do pogrešnog zaključka da su tantal i kolumbij isti element. Ova zabluda trajala je više od četrdeset godina, sve dok 1844. godine slavni njemački kemičar Heinrich Rose, tijekom ponovljenog proučavanja kolumbita i tantalita iz raznih naslaga, nije dokazao da je kolumbij samostalan element. Columbia koju je proučavao Gatchet bila je niobij s visokim sadržajem tantala, što je zavelo znanstveni svijet. U čast tako bliskog odnosa između dva elementa, Rose je Kolumbiji dala novo ime Niobij - u čast kćeri frigijskog kralja Tantala Niobije. Iako je Rose pogriješio i navodno otkrivši još jedan novi element, kojeg je nazvao Pelopije (po Tantalovom sinu Pelopu), njegov je rad postao temelj za strogu razliku između niobija (Kolumbija) i tantala. Samo, čak i nakon Roseovih dokaza, tantal i niobij su dugo bili brkani. Tako je tantal nazvan kolumbij, u Rusiji kolumbus. Hess u svojim "Načelima čiste kemije" do šestog izdanja (1845.) govori samo o tantalu, ne spominjući Columbiju; Dvigubsky (1824) spominje naziv tantal. Takve pogreške i rezerve su razumljive - metodu za odvajanje tantala i niobija tek je 1866. razvio švicarski kemičar Marignac, a kao takav čisti elementarni tantal još nije postojao: na kraju krajeva, znanstvenici su uspjeli dobiti ovaj metal u čistom obliku formirati tek u 20. stoljeću. Prvi koji je uspio dobiti metalni tantal bio je njemački kemičar von Bolton, a to se dogodilo tek 1903. godine. Ranije se, naravno, pokušavalo dobiti čisti metalni tantal, ali svi napori kemičara bili su neuspješni. Na primjer, francuski kemičar Moissan dobio je metalni prah za koji je tvrdio da je čisti tantal. Međutim, ovaj prah, dobiven redukcijom tantalovog pentoksida Ta 2 O 5 ugljikom u električnoj peći, nije bio čisti tantal; prah je sadržavao 0,5% ugljika.

Kao rezultat toga, detaljna studija fizikalno-kemijskih svojstava sedamdeset trećeg elementa postala je moguća tek početkom dvadesetog stoljeća. Još nekoliko godina tantal nije pronašao praktičnu upotrebu. Tek 1922. godine mogao se koristiti u AC ispravljačima.

Biti u prirodi

Prosječni sadržaj sedamdeset trećeg elementa u zemljinoj kori (clarke) je 2,5∙10 -4% mase. Tantal je karakterističan element kiselih stijena - granita i sedimentnih školjki, u kojima njegov prosječni sadržaj doseže 3,5∙10 -4%, što se tiče ultrabazičnih i bazičnih stijena - gornjih dijelova plašta i dubokih dijelova zemljine kore, koncentracija tantala tamo je mnogo manja: 1 .8∙10 -6%. Tantal je rasut u stijenama magmatskog podrijetla, kao iu biosferi, jer je izomorfan s mnogim kemijskim elementima.

Unatoč niskom sadržaju tantala u zemljinoj kori, njegovi minerali su vrlo rasprostranjeni - ima ih više od stotinu, kako sami minerali tantala tako i rude koje sadrže tantal, a svi su nastali u vezi s magmatskom aktivnošću (tantalit, kolumbit, loparit, piroklor i drugi). Kod svih minerala tantalov suputnik je niobij, što se objašnjava iznimnom kemijskom sličnošću elemenata i gotovo identičnom veličinom njihovih iona.

Same rude tantala imaju omjer Ta 2 O 5 : Nb 2 O 5 ≥1. Glavni minerali tantalovih ruda su kolumbit-tantalit (sadržaj Ta 2 O 5 30-45%), tantalit i manganotanalit (Ta 2 O 5 45-80%), wodginit (Ta, Mn, Sn) 3 O 6 (Ta 2 O 5 60-85%), mikrolit Ca 2 (Ta, Nb) 2 O 6 (F, OH) (Ta 2 O 5 50-80%) i drugi. Tantalit (Fe, Mn)(Ta, Nb) 2 O 6 ima nekoliko varijanti: ferotantalit (FeO>MnO), manganotanalit (MnO>FeO). Tantalit dolazi u različitim nijansama od crne do crveno-smeđe. Glavni minerali ruda tantal-niobij, iz kojih se, uz niobij, ekstrahira mnogo skuplji tantal, su kolumbit (Ta 2 O 5 5-30%), piroklor koji sadrži tantal (Ta 2 O 5 1-4%) , loparit (Ta 2 O 5 0,4-0,8%), gachettolit (Ca, Tr, U) 2 (Nb, Ta) 2 O 6 (F, OH)∙nH 2 O (Ta 2 O 5 8-28%), iksiolit (Nb , Ta, Sn, W, Sc) 3 O 6 i neki drugi. Tantal-niobati koji sadrže U, Th, TR su metamiktni, visoko radioaktivni i sadrže različite količine vode; česte su polimorfne modifikacije. Tantal-niobati tvore male raspršenosti, velike alokacije su rijetke (kristali su tipični uglavnom za loparit, piroklor i kolumbit-tantalit). Boja crna, tamno smeđa, smeđe-žuta. Obično proziran ili blago proziran.

Postoji nekoliko glavnih industrijskih i genetskih tipova ležišta tantalove rude. Pegmatiti rijetkih metala tipa natrolitija predstavljeni su zonalnim žilastim tijelima koja se sastoje od albita, mikroklina, kvarca i, u manjoj mjeri, spodumena ili petalita. Graniti s tantalom (apograniti) koji sadrže rijetke metale predstavljeni su malim zalihama i kupolama mikroklin-kvarc-albitnih granita, često obogaćenih topazom i litijevim tinjcima koji sadrže tanke raspršenosti kolumbita-tantalita i mikrolita. Kore trošenja, deluvijalno-aluvijalni i aluvijalni slojevi koji nastaju u vezi s uništavanjem pegmatita sadrže kasiterit i minerale kolumbit-tantalitne skupine. Nefelinski sijeniti s loparitom lujavritnog i fojalitnog sastava.

Osim toga, depoziti složenih ruda tantal-niobij, predstavljeni karbonatitima i povezanim forsterit-apatit-magnetitnim stijenama, uključeni su u industrijsku upotrebu; mikroklin-albit riebeckite alkalni graniti i granosijeniti i drugi. Nešto tantala ekstrahira se iz volframita greisenskih naslaga.

Najveća nalazišta titanovih ruda nalaze se u Kanadi (Manitoba, Bernick Lake), Australiji (Greenbushes, Pilbara), Maleziji i Tajlandu (nasipi kositra koji sadrže tantal), Brazilu (Paraiba, Rio Grande do Norte) i nizu afričkih države (Zair, Nigerija, Južna Rodezija).

Primjena

Tantal je svoju tehničku primjenu našao prilično kasno - početkom 20. stoljeća korišten je kao materijal za žarne niti električnih žarulja, čemu je zaslužna kvaliteta ovog metala, kao što je vatrostalnost. Međutim, ubrzo je izgubio svoju važnost u ovom području, zamijenjen jeftinijim i vatrostalnijim volframom. Tantal je ponovno postao "tehnički nepodoban" sve do dvadesetih godina 20. stoljeća, kada se počeo koristiti u ispravljačima izmjenične struje (tantal, obložen oksidnim filmom, prolazi struju samo u jednom smjeru), a godinu dana kasnije - u radio cijevima . Nakon čega je metal dobio priznanje i ubrzo počeo osvajati sve više i više novih područja industrije.

Danas se tantal zbog svojih jedinstvenih svojstava koristi u elektronici (proizvodnja kondenzatora visokog specifičnog kapaciteta). Otprilike četvrtina svjetske proizvodnje tantala odlazi na električnu industriju i industriju vakuuma. Zbog visoke kemijske inertnosti i samog tantala i njegovog oksidnog filma, elektrolitički tantalni kondenzatori su vrlo stabilni u radu, pouzdani i izdržljivi: njihov radni vijek može doseći više od dvanaest godina. U radiotehnici tantal se koristi u radarskoj opremi. Tantalski mini kondenzatori koriste se u radio odašiljačima, radarskim instalacijama i drugim elektroničkim sustavima.

Glavni potrošač tantala je metalurgija, koja koristi preko 45% proizvedenog metala. Tantal se aktivno koristi kao legirajući element u posebnim čelicima - ultra jakim, otpornim na koroziju, otpornim na toplinu. Dodatak ovog elementa konvencionalnim kromnim čelicima povećava njihovu čvrstoću i smanjuje krtost nakon kaljenja i žarenja. Proizvodnja legura postojanih na toplinu velika je potreba raketne i svemirske tehnike. U slučajevima kada se raketne mlaznice hlade tekućim metalom koji može izazvati koroziju (litij ili natrij), jednostavno je nemoguće bez legure tantal-volfram. Osim toga, grijači za visokotemperaturne vakuumske peći, grijači i miješalice izrađuju se od čelika otpornog na toplinu. Tantalov karbid (talište 3.880 °C) koristi se u proizvodnji tvrdih legura (mješavine volframovih i tantalovih karbida - kvalitete s TT indeksom, za najteže uvjete obrade metala i rotacijsko udarno bušenje najčvršćih materijala (kamen, kompoziti). ).

Čelici legirani tantalom naširoko se koriste, primjerice u kemijskom inženjerstvu. Uostalom, takve legure imaju izuzetnu kemijsku otpornost, duktilne su, otporne na toplinu i otporne na toplinu; zahvaljujući tim svojstvima tantal je postao nezamjenjiv konstrukcijski materijal za kemijsku industriju. Oprema za tantal koristi se u proizvodnji mnogih kiselina: klorovodične, sumporne, dušične, fosforne, octene, kao i broma, klora i vodikovog peroksida. Od njega se izrađuju zavojnice, destilatori, ventili, miješalice, aeratori i mnogi drugi dijelovi kemijskih aparata. Ponekad - cijeli uređaji. Katode od tantala koriste se u elektrolitičkoj separaciji zlata i srebra. Prednost ovih katoda je u tome što se naslage zlata i srebra mogu isprati carskom vodicom koja ne šteti tantalu.

Osim toga, tantal se koristi u izradi instrumenata (rendgenska oprema, kontrolni instrumenti, dijafragme); u medicini (materijal za rekonstruktivnu kirurgiju); u nuklearnoj energetici - kao izmjenjivač topline za nuklearne energetske sustave (tantal je najstabilniji od svih metala u pregrijanim talinama i parama cezija-133). Visoka sposobnost tantala da apsorbira plinove koristi se za održavanje visokog vakuuma (električni vakuumski uređaji).

Posljednjih godina tantal se koristi kao materijal za nakit zbog svoje sposobnosti stvaranja dugotrajnih oksidnih filmova bilo koje boje na površini.

Spojevi tantala također se široko koriste. Tantalov pentoksid se koristi u nuklearnoj tehnologiji za taljenje stakla koje apsorbira gama zračenje. Kalijev fluorotantalat se koristi kao katalizator u proizvodnji sintetičke gume. Tantalov pentoksid također ima istu ulogu pri proizvodnji butadiena iz etilnog alkohola.

Proizvodnja

Poznato je da su rude koje sadrže tantal rijetke i siromašne ovim elementom. Glavne sirovine za proizvodnju tantala i njegovih legura su koncentrati tantalita i loparita koji sadrže samo 8% Ta 2 O 5 i više od 60% Nb 2 O 5. Osim toga, prerađuju se i one rude koje sadrže samo stotinke postotka (Ta, Nb) 2 O 5!

Tehnologija proizvodnje tantala prilično je složena i provodi se u tri faze: otvaranje ili razgradnja; odvajanje tantala od niobija i dobivanje njihovih čistih kemijskih spojeva; obnavljanje i rafiniranje tantala.

Otvaranje tantalovog koncentrata, drugim riječima, ekstrakcija tantala iz ruda provodi se pomoću lužina (tapanje) ili pomoću fluorovodične kiseline (razgradnja) ili mješavine fluorovodične i sumporne kiseline. Nakon čega se prelazi na drugu fazu proizvodnje - ekstrakcijska ekstrakcija i separacija tantala i niobija. Posljednji zadatak vrlo je težak zbog sličnosti kemijskih svojstava ovih metala i gotovo identične veličine njihovih iona. Donedavno su se metali razdvajali samo metodom koju je još 1866. predložio švicarski kemičar Marignac, koji je iskoristio različitu topljivost kalijevog fluorotantalata i kalijevog fluoroniobata u razrijeđenoj fluorovodičnoj kiselini. Suvremena industrija koristi nekoliko metoda za odvajanje tantala i niobija: ekstrakciju organskim otapalima, selektivnu redukciju niobijevog pentaklorida, frakcijsku kristalizaciju kompleksnih fluoridnih soli, odvajanje smolama za ionsku izmjenu, rektifikaciju klorida. Trenutno je najčešće korištena metoda odvajanja (ujedno i najnaprednija) ekstrakcija iz otopina spojeva tantalovog i niobijevog fluorida koji sadrže fluorovodičnu i sumpornu kiselinu. Istodobno se tantal i niobij pročišćavaju od nečistoća drugih elemenata: silicija, titana, željeza, mangana i drugih srodnih elemenata. Što se tiče ruda loparita, njihovi se koncentrati prerađuju klornom metodom u kondenzat tantalovog i niobijevog klorida, koji se dalje odvajaju rektifikacijom. Razdvajanje smjese klorida sastoji se od sljedećih faza: preliminarne rektifikacije (dolazi do odvajanja tantalovog i niobijevog klorida od popratnih nečistoća), glavne rektifikacije (da bi se dobio čisti koncentrat NbCl 5 i TaCl 5) i konačne rektifikacije tantalove frakcije (da se dobije dobiti čisti TaCl 5). Nakon odvajanja srodnih metala, tantalna faza se istaloži i pročisti kako bi se proizveo kalijev fluorotantalat povećane čistoće (pomoću KCl).

Metalni tantal dobiva se redukcijom njegovih spojeva visoke čistoće, za što se može koristiti nekoliko metoda. To je ili redukcija tantala iz pentoksida s čađom na temperaturi od 1800-2000 ° C (karbotermna metoda), ili redukcija kalijevog fluorotantalata s natrijem pri zagrijavanju (natrijeva toplinska metoda), ili elektrokemijska redukcija iz taline koja sadrži kalijev fluorotantalat i tantalov oksid (elektrolitička metoda). Na ovaj ili onaj način, metal se dobiva u obliku praha s čistoćom od 98-99%. Da bi se dobio metal u ingotima, sinterira se u obliku prethodno komprimiranih gredica iz praha. Sinteriranje se odvija propuštanjem struje na temperaturi od 2500–2700 °C ili zagrijavanjem u vakuumu na 2200–2500 °C. Nakon toga se čistoća metala značajno povećava, postajući jednaka 99,9-99,95%.

Za daljnje rafiniranje i proizvodnju ingota tantala koristi se električno vakuumsko taljenje u lučnim pećima s potrošnom elektrodom, a za dublje rafiniranje taljenje elektronskim snopom, čime se značajno smanjuje sadržaj nečistoća u tantalu, povećava njegova duktilnost i snižava temperatura. prijelaza u krto stanje. Tantal takve čistoće zadržava visoku duktilnost na temperaturama blizu apsolutne nule! Površina ingota tantala se topi (kako bi površina ingota dobila potrebna svojstva) ili se obrađuje na tokarskom stroju.

Fizička svojstva

Tek početkom 20. stoljeća znanstvenici su se dočepali čistog metala tantala i mogli su detaljno proučiti svojstva ovog svijetlosivog metala s blago plavičastom nijansom olova. Koje kvalitete ima ovaj element? Definitivno, tantal je teški metal: njegova gustoća je 16,6 g/cm 3 na 20 °C (za usporedbu, željezo ima gustoću od 7,87 g/cm 3, gustoća olova je 11,34 g/cm 3) i za transport jednog kubni metar Za ovaj bi element bilo potrebno šest kamiona nosivosti tri tone. Visoka čvrstoća i tvrdoća kombiniraju se s izvrsnim plastičnim karakteristikama. Čisti tantal dobro se podvrgava mehaničkoj obradi, lako se štanca, prerađuje u najtanje listove (debljine oko 0,04 mm) i žicu (modul elastičnosti tantala 190 Hn/m2 ili 190·102 kgf/mm2 na 25 °C). Na hladnoći, metal se može obraditi bez značajnog otvrdnjavanja i podložan je deformaciji s omjerom kompresije od 99% bez međupečenja. Prijelaz tantala iz plastičnog u krhko stanje ne opaža se čak ni kada se ohladi na -196 °C. Vlačna čvrstoća žarenog tantala visoke čistoće je 206 MN/m2 (20,6 kgf/mm2) na 27 °C i 190 MN/m2 (19 kgf/mm2) na 490 °C; relativno istezanje 36% (na 27 °C) i 20% (na 490 °C). Tantal ima tjelesno centriranu kubičnu rešetku (a = 3,296 A); atomski radijus 1,46 A, ionski radijus Ta 2+ 0,88 A, Ta 5+ 0,66 A.

Kao što je ranije spomenuto, tantal je vrlo tvrd metal (Brinellova tvrdoća tantalovih ploča u žarenom stanju je 450-1250 MPa, u deformiranom stanju 1250-3500 MPa). Štoviše, moguće je povećati tvrdoću metala dodavanjem niza nečistoća, na primjer ugljika ili dušika (tvrdoća Brinellove ploče od tantala nakon apsorpcije plinova tijekom zagrijavanja povećava se na 6000 MPa). Kao rezultat toga, intersticijske nečistoće pridonose povećanju Brinellove tvrdoće, vlačne čvrstoće i granice tečenja, ali smanjuju karakteristike plastičnosti i povećavaju hladnu krtost; drugim riječima, čine metal lomljivim. Druge karakteristične značajke sedamdeset trećeg elementa su njegova visoka toplinska vodljivost, pri 20–100 °C ta vrijednost iznosi 54,47 W/(m∙K) ili 0,13 cal/(cm·sec·°S) i vatrostalnost (možda najveća važno fizičko svojstvo tantala) - tali se na gotovo 3000 °C (točnije, na 2996 °C), odmah iza volframa i renija. Vrelište tantala također je izuzetno visoko: 5300 °C.

Što se tiče ostalih fizikalnih svojstava tantala, njegova specifična toplina na temperaturama od 0 do 100 °C iznosi 0,142 kJ/(kg K) ili 0,034 cal/(g °C); temperaturni koeficijent linearnog širenja tantala je 8,0·10 -6 (pri temperaturama od 20–1 500 °C). Električni otpor sedamdeset trećeg elementa na 0 °C je 13,2 10 -8 ohm m, na 2000 °C 87 10 -8 ohm m. Na 4,38 K metal postaje supravodič. Tantal je paramagnetik, specifična magnetska osjetljivost 0,849·10 -6 (pri 18 °C).

Dakle, tantal ima jedinstven skup fizičkih svojstava: visok koeficijent prijenosa topline, visoku sposobnost apsorpcije plinova, otpornost na toplinu, vatrostalnost, tvrdoću i plastičnost. Osim toga, odlikuje se visokom čvrstoćom - dobro se podvrgava obradi pod pritiskom koristeći sve postojeće metode: kovanje, utiskivanje, valjanje, izvlačenje, uvijanje. Tantal se odlikuje dobrom zavarljivošću (zavarivanje i lemljenje u argonu, heliju ili u vakuumu). Osim toga, tantal ima izuzetnu kemijsku i korozijsku otpornost (uz stvaranje anodnog filma), nizak tlak pare i mali rad elektrona, a uz to se dobro slaže sa živim tkivom tijela.

Kemijska svojstva

Definitivno, jedno od najvrjednijih svojstava tantala je njegova iznimna kemijska otpornost: u tom je pogledu odmah iza plemenitih metala, ali i to ne uvijek. Otporan je na solnu, sumpornu, dušičnu, fosfornu i organsku kiselinu svih koncentracija (do temperature od 150°C). Po kemijskoj postojanosti tantal je sličan staklu - netopljiv je u kiselinama i njihovim smjesama, čak ga ni carska vodica ne otapa, protiv čega su nemoćni zlato i platina te niz drugih vrijednih metala. Sedamdeset treći element topiv je samo u smjesi fluorovodične i dušične kiseline. Štoviše, reakcija s fluorovodičnom kiselinom događa se samo s metalnom prašinom i popraćena je eksplozijom. Čak iu vrućoj klorovodičnoj i sumpornoj kiselini, tantal je otporniji od svog brata blizanca niobija. Međutim, tantal je manje otporan na lužine - vruće otopine kaustičnih lužina nagrizaju metal. Soli tantalnih kiselina (tantalati) izražavaju se općom formulom: xMe 2 O yTa 2 O 5 H 2 O, to uključuje metatantalate MeTaO 3, ortotanalate Me 3 TaO 4, soli poput Me 5 TaO 5, gdje je Me alkalni metal ; u prisutnosti vodikovog peroksida nastaju i pertantalati. Najvažniji tantalati alkalijskih metala su KTaO 3 i NaTaO 3; ove soli su feroelektrici.

O visokoj otpornosti tantala na koroziju govori i njegova interakcija s atmosferskim kisikom, odnosno njegova visoka otpornost na ovaj utjecaj. Metal počinje oksidirati tek na 280 °C, prekrivajući se zaštitnim filmom Ta 2 O 5 (tantalov pentoksid je jedini stabilni metalni oksid), koji štiti metal od djelovanja kemijskih reagensa i sprječava protok električne struje. od metala do elektrolita. Međutim, s povećanjem temperature na 500 ° C, oksidni film postupno postaje porozan, raslojava se i odvaja od metala, lišavajući površinu zaštitnog sloja protiv korozije. Stoga je preporučljivo provesti vrući tlačni tretman u vakuumu, jer u zraku metal oksidira do značajne dubine. Prisutnost dušika i kisika povećava tvrdoću i čvrstoću tantala, istovremeno smanjujući njegovu duktilnost i čineći metal krhkim, a, kao što je ranije spomenuto, tantal stvara čvrstu otopinu i oksid Ta 2 O 5 s kisikom (uz povećanje Sadržaj O 2 u tantalu, dolazi do naglog povećanja svojstava čvrstoće i snažnog smanjenja duktilnosti i otpornosti na koroziju). Tantal reagira s dušikom u tri faze - čvrstu otopinu dušika u tantalu, tantalove nitride: Ta 2 N i TaN - u temperaturnom području od 300 do 1100 °C. Moguće je osloboditi se dušika i kisika u tantalu u uvjetima visokog vakuuma (na temperaturama iznad 2000 °C).

Tantal slabo reagira s vodikom dok se ne zagrije na 350 °C; brzina reakcije značajno se povećava tek od 450 °C (nastaje tantalov hidrid i tantal postaje krt). Isto zagrijavanje u vakuumu (preko 800 °C) pomaže u oslobađanju vodika, pri čemu se vraćaju mehanička svojstva tantala i potpuno se uklanja vodik.

Fluor djeluje na tantal već na sobnoj temperaturi, a fluorovodik također reagira s metalom. Suhi klor, brom i jod imaju kemijski učinak na tantal na temperaturama od 150 °C i više. Klor počinje aktivno djelovati s metalom na temperaturi od 250 °C, brom i jod na temperaturi od 300 °C. Tantal počinje djelovati s ugljikom na vrlo visokim temperaturama: 1200–1400 °C i dolazi do stvaranja vatrostalnih tantalovih karbida koji su vrlo otporni na kiseline. Tantal se u kombinaciji s borom formira boride - čvrste, vatrostalne spojeve koji su otporni na učinke aqua regia. Tantal stvara kontinuirane čvrste otopine s mnogim metalima (molibden, niobij, titan, volfram, vanadij i drugi). Tantal tvori ograničene čvrste otopine sa zlatom, aluminijem, niklom, berilijem i silicijem. Tantal ne stvara nikakve spojeve s magnezijem, litijem, kalijem, natrijem i nekim drugim elementima. Čisti tantal je otporan na mnoge tekuće metale (Na, K, Li, Pb, U-Mg i Pu-Mg legure).

Otkriće tantala usko je povezano s otkrićem niobija. Nekoliko desetljeća kemičari su element kolumbij, koji je otkrio engleski kemičar Hatchett 1802., i tantal, koji je 1802. otkrio Šveđanin Ekeberg, smatrali jednim elementom. Tek 1844. godine njemački kemičar Rose konačno je dokazao da se radi o dva različita elementa, vrlo slična po svojim svojstvima. A budući da je tantal dobio ime po junaku starogrčkih mitova Tantalu, predložio je da se "Columbium" nazove niobijem po Tantalovoj kćeri Niobi. Sam tantal dobio je ime po izrazu "muka tantala", zbog uzaludnosti Ekebergovih pokušaja da otopi oksid ovog elementa koji je dobio u kiselinama.

Priznanica:

Tantal gotovo uvijek prati niobij u tantalitima i niobitima. Glavna nalazišta tantalita nalaze se u Finskoj, Skandinaviji i Sjevernoj Americi.
Razgradnja tantalovih ruda u tehnologiji provodi se zagrijavanjem s kalijevim hidrogensulfatom u željeznim posudama, ispiranjem legure vrućom vodom i otapanjem ostatka praškaste tantalove kiseline s onečišćenom niobnom kiselinom. Zatim se tantalov oksid reducira ugljenom na 1000°C i dobiveni metal se odvoji u obliku crnog praha koji sadrži malu količinu oksida. Također, metalni prah se može dobiti redukcijom TaCl 5 s vodikom ili magnezijem, kao i kalijev fluorotantalat s natrijem: K 2 TaF 7 + 5Na = Ta + 2KF + 5NaF.
Metalni prah se prerađuje u kompaktni metal metodama metalurgije praha, prešanjem u "skupove", nakon čega slijedi taljenje plazmom ili elektrozrakom.

Fizička svojstva:

Tantal je teški, platinasto-sivi sjajni metal s plavičastom nijansom, prilično tvrd, ali izuzetno kovak i duktilan; rastezljivost mu se povećava kako se čisti. Taljenje = 3027°C (na drugom mjestu iza volframa i renija). Teška, gustoća 16,65 g/cm 3

Kemijska svojstva:

Na sobnoj temperaturi ima izuzetnu kemijsku otpornost. Osim fluorovodične kiseline, na tantal ne djeluju nikakve druge kiseline, čak ni akva regia. U interakciji je sa smjesom fluorovodične i dušične kiseline, sumpornim anhidridom, otopinama i talinama lužina, kada se zagrije na 300-400 ° C s halogenima, vodikom, kisikom, dušikom, iznad 1000 ° C - s ugljikom.
U spojevima pokazuje oksidacijsko stanje +5. No, poznati su i spojevi tantala s nižim oksidacijskim stupnjem: TaCl 4, TaCl 3, TaCl 2.

Važne veze:

Tantalov(V) oksid Ta 2 O 5 u čistom stanju se najprikladnije dobiva kalcinacijom čistog metalnog tantala u struji kisika ili razgradnjom Ta (OH) 5 hidroksida. Tantalov(V) oksid je bijeli prah netopljiv u vodi i kiselinama (osim fluorovodične kiseline) specifične težine 8,02. Ne mijenja se kad se kalcinira na zraku, u atmosferi sumporovodika ili u parama sumpora. Međutim, na temperaturama iznad 1000°C, oksid reagira s klorom i klorovodikom. Tantal(V) oksid je dimorfan. Na uobičajenim temperaturama, njegova rombična modifikacija je stabilna.

Tantalati i tantalna kiselina. Spajanjem tantal(V) oksida s alkalijama ili karbonatima alkalnih metala dobivaju se tantalati - soli metatanta HTaO 3 i ortotantalne kiseline H 3 TaO 4 . Postoje i soli sastava M 5 TaO 5 . Kristalne tvari. koriste se kao feroelektrici.
Tantalne kiseline su bijeli želatinozni talog s promjenjivim sadržajem vode; čak ni svježe pripremljene kiseline se ne otapaju u solnoj i dušičnoj kiselini. Dobro se otapaju u HF i otopinama lužina. U tehnici se tantalna kiselina obično dobiva razgradnjom tantalovog i kalijevog dvostrukog fluorida (kalijev heptafluorotantalat) sumpornom kiselinom.
Tantal(V) klorid, kristali, higroskopni, hidrolizirani vodom, topljivi u CS 2 i CCl 4. Koristi se u proizvodnji i presvlačenju tantala.
Tantalov pentafluorid. Može se dobiti reakcijom pentaklorida s tekućim fluorovodikom. Formira bezbojne prizme i hidrolizira se vodom. Taljenje=96,8°S, vrenje=229°S. Koristi se za nanošenje tantalnih prevlaka.
Kalijev heptafluorotantalat- K 2 TaF 7 je složeni spoj koji se može dobiti reakcijom tantalovog pentafluorida s kalijevim fluoridom. Bijeli kristali, stabilni na zraku. Hidrolizirano vodom: K 2 TaF 7 + H 2 O -> Ta 2 O 5 *nH 2 O + KF + HF

Primjena:

Budući da tantal kombinira izvrsna metalna svojstva s iznimnom kemijskom otpornošću, pokazao se vrlo prikladnim za proizvodnju kirurških i stomatoloških instrumenata kao što su vrhovi pinceta, igle za injekcije, igle itd. U nekim slučajevima može zamijeniti platinu.
Koriste se i za izradu kondenzatora, katoda elektronskih cijevi, opreme u kemijskoj industriji i nuklearnoj energetici te kalupa za proizvodnju umjetnih vlakana. Karbid, silicid, tantalov nitrid - materijali otporni na toplinu, komponente tvrdih legura i legura otpornih na toplinu.
Toplinski otporne legure tantala s niobijem i volframom koriste se u raketnoj i svemirskoj tehnologiji.

E. Rosenberg.

Izvori: Tantal // Popularna biblioteka kemijskih elemenata Izdavačka kuća "Science", 1977.
Tantal // Wikipedia. Datum ažuriranja: 12.12.2017. (datum pristupa: 20.05.2018.).
// S. I. Levchenkov. Kratki pregled povijesti kemije/SFU.

TANTAL, Ta (nazvan po junaku starogrčke mitologije Tantalu; lat. Tantalum * a. tantalum; n. Tantal; f. tantale; i. tantalo), kemijski je element V. skupine Mendeljejevljeva periodnog sustava, atom. broj 73, atomska masa 180 ,9479. U prirodi se javlja u obliku dva izotopa: 181 Ta (99,9877%) i 180 Ta (0,0123%). Poznato je 13 umjetnih radioaktivnih izotopa tantala s masenim brojevima od 172 do 186. Tantal je 1802. godine otkrio švedski kemičar A. G. Ekeberg. Plastični metalni tantal prvi je dobio njemački znanstvenik W. Bolten 1903. godine.

Primjena i uporaba

Glavne sirovine za proizvodnju tantala i njegovih legura su koncentrati tantalita i loparita koji sadrže oko 8% Ta 2 O 5, 60% ili više Nb 2 O 5. Koncentrati se razgrađuju kiselinama ili lužinama, dok se koncentrati loparita kloriraju. Odvajanje Ta i Nb provodi se ekstrakcijom. Metalni tantal obično se dobiva redukcijom Ta 2 O 5 ugljikom ili elektrokemijski iz talina.

Kompaktni metal se proizvodi vakuumskim lukom, taljenjem u plazmi ili metalurgijom praha. Oprema otporna na koroziju za kemijsku industriju, kalupi, laboratorijsko stakleno posuđe i tiglovi izrađeni su od tantala i njegovih legura; izmjenjivači topline za nuklearne energetske sustave. U kirurgiji se tantalske ploče, folija i žica koriste za pričvršćivanje tkiva, živaca, postavljanje šavova i izradu proteza koje nadomještaju oštećene dijelove kosti (zbog biološke kompatibilnosti). Tantalov karbid koristi se u proizvodnji tvrdih legura.

Tantal ima visoko talište -- 3290 K (3017 °C); vrije na 5731 K (5458 °C).

Gustoća tantala je 16,65 g/cm. Unatoč svojoj tvrdoći, fleksibilan je poput zlata. Čisti tantal dobro je podložan strojnoj obradi, lako se utiskuje, smota u žicu i tanke listove debele stotinke milimetra. Tantal je odličan geter (apsorber plina); sposoban je apsorbirati 740 volumena plina. Tantal ima tjelesno centriranu kubičnu rešetku. Ima paramagnetska svojstva. Na 4,38 K postaje supravodič. Čisti tantal je duktilni metal koji se može obrađivati ​​pritiskom na hladno bez značajnog otvrdnjavanja. Može se deformirati sa stopom redukcije od 99% bez međužarenja. Prijelaz tantala iz duktilnog u krto stanje nakon hlađenja na -196 °C nije otkriven. Svojstva tantala uvelike ovise o njegovoj čistoći; nečistoće vodika, dušika, kisika i ugljika čine metal lomljivim.

Elektronska struktura atoma.

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

serijski broj-73

Pripada grupi - A

d-element

Tantal (V) oksid je bijeli prah, netopljiv ni u vodi ni u kiselinama (osim H2F2). Vrlo vatrostalan (ttal = 1875°C). Kisela priroda oksida prilično je slabo izražena i uglavnom se očituje tijekom reakcije s alkalijskim talinama: atom tantala oksidacija niobija

Ta2O5 + 2NaOH = 2NaTaO3 + H2O

ili karbonati:

Ta2O5 + 3Na2CO3 = 2Na3TaO4 + 3CO2

Soli koje sadrže tantal u oksidacijskom stanju -4, -5 mogu biti nekoliko vrsta: metatantalati NaTaO3, ortotantalati Na3TaO4, ali postoje poliioni penta- i heksa-, koji kristaliziraju zajedno s molekulama vode, 7- i 8-. Tantal s pet naboja tvori kation TaO3+ i soli TaO(NO3)3 ili Nb2O5(SO4)3 u reakcijama s kiselinama, nastavljajući "tradiciju" bočne podskupine koju je uveo vanadijev ion VO2+.

Na 1000°C Ta2O5 reagira s klorom i klorovodikom:

Ta2O5+ 10HC1==2TaS15+5N2O

Posljedično, može se tvrditi da je tantal (V) oksid također karakteriziran amfoternošću s superiornim kiselim svojstvima u odnosu na svojstva baze.

Hidroksid koji odgovara tantal (V) oksidu dobiva se neutralizacijom kiselih otopina tantal tetraklorida. Ova reakcija također potvrđuje nestabilnost oksidacijskog stanja +4.

U niskim stupnjevima oksidacije, najstabilniji spojevi su halogenidi (vidi sliku 3). Pentahalidi TaX5 (gdje je X C1, Br, I) lako se reduciraju piridinom (označenim s Py) u komplekse sastava MX4(Py)2.

Tantalove soli. Soli šeste podskupine pretežno su bezbojni kristali ili bijeli prah. Mnogi od njih su vrlo higroskopni i difuzni u zraku. Oksidi ovih metala imaju amfoterna svojstva, pa se većina njihovih soli lako hidrolizira, pretvarajući se u bazične soli koje su slabo ili potpuno netopljive u vodi. Poznate su i soli u kojima su ti metali dio aniona (na primjer, niobati i tantalati). ) Hidratacija i dehidracija. Svi katalizatori ove klase imaju jak afinitet prema vodi. Glavni predstavnik b klase je glinica. Fosforna kiselina ili njezine kisele soli također se koriste na nosačima kao što su aluminosilikatni gel i silikagel s tantalovim, cirkonijevim ili hafnijevim oksidima. U prvim radovima o odvajanju tantala i niobija frakcioniranom ekstrakcijom predloženi su sustavi klorovodična kiselina-ksilen-metildioktilamin (1952.), kao i klorovodična kiselina-fluorovodična kiselina-diizopropil keton (1953.). Oba metala se otope u vodenim otopinama kiselina kao soli, a zatim se tantal ekstrahira organskim otapalom. U sustavu 6/W sumporna kiselina--9 Ai fluorovodična kiselina

7. Tantal se koristi za izradu matrica za izvlačenje niti u proizvodnji umjetnih vlakana. Ranije su takve matrice bile izrađene od platine i zlata. Najtvrđe legure proizvode se od tantal karbida s niklom kao cementnim dodatkom. Toliko su tvrdi da ostavljaju ogrebotine čak i na dijamantu koji se smatra standardom tvrdoće.

Prvo mjesto po kritičnoj temperaturi prijelaza u supravodljivo stanje dano je niobijevom germanidu Nb3Ge. Njegova kritična temperatura je 23,2 K (oko -250 °C). Drugi spoj, niobijev stanid, postaje supravodič na nešto nižoj temperaturi od -255 °C. Kako bismo bolje razumjeli ovu činjenicu, ističemo da su za većinu supravodiča poznate samo temperature tekućeg helija (2,172 K). Supervodiči izrađeni od niobijskih materijala omogućuju proizvodnju magnetskih zavojnica koje stvaraju iznimno snažna magnetska polja. Magnet promjera 16 cm i visine 11 cm, čiji namot je vrpca napravljena od takvog materijala, sposoban je stvoriti polje kolosalnog intenziteta. Magnet je potrebno samo prevesti u supravodljivo stanje, odnosno ohladiti, a hlađenje na nižu temperaturu je, naravno, lakše izvedivo.

Uloga niobija u zavarivanju je važna. Dok se zavarivao obični čelik, ovaj proces nije predstavljao posebne poteškoće i nije stvarao nikakve poteškoće. Međutim, kada su počeli zavarivati ​​konstrukcije od specijalnih čelika složenog kemijskog sastava, zavari su počeli gubiti mnoge vrijedne kvalitete zavarenog metala. Ni promjene u sastavu elektroda, ni poboljšanja dizajna strojeva za zavarivanje, ni zavarivanje u atmosferi inertnih plinova nisu imali nikakvog učinka. Ovdje niobij dolazi u pomoć. Čelik u koji se uvodi niobij kao mali dodatak može se zavarivati ​​bez bojazni za kvalitetu zavara (slika 4). Krhkost zavara uzrokovana je karbidima nastalim tijekom zavarivanja, ali sposobnost niobija da se kombinira s ugljikom i spriječi stvaranje karbida drugih metala koji narušavaju svojstva legura spasila je situaciju. Sami karbidi niobija, poput tantala, imaju dovoljnu viskoznost. Ovo je posebno vrijedno kod zavarivanja kotlova i plinskih turbina koje rade pod pritiskom iu agresivnim okruženjima.

Niobij i tantal sposobni su apsorbirati značajne količine plinova kao što su vodik, kisik i dušik. Na sobnoj temperaturi 1 g niobija može apsorbirati 100 cm3 vodika. Ali čak i uz jako zagrijavanje, ovo svojstvo praktički ne slabi. Na 500°C niobij još može apsorbirati 75 cm3 vodika, a tantal 10 puta više. Ovo se svojstvo koristi za stvaranje visokog vakuuma ili u elektroničkim uređajima gdje je potrebno održati precizne karakteristike na visokim temperaturama. Niobij i tantal, taloženi na površini dijelova poput spužve, upijaju plinove, osiguravajući stabilan rad uređaja. Rekonstruktivna kirurgija je uz pomoć ovih metala postigla veliki uspjeh. Medicinska praksa nije uključivala samo ploče od tantala, već i niti od tantala i niobija. Kirurzi su uspješno koristili takve niti za spajanje pokidanih tetiva, krvnih žila i živaca. Tantalova "pređa" služi za kompenzaciju mišićne snage. Uz njegovu pomoć kirurzi jačaju zidove trbušne šupljine nakon operacije. Tantal ima izuzetno jake veze među atomima. To uzrokuje njegove izuzetno visoke točke taljenja i vrelišta. Mehanička svojstva i kemijska otpornost približavaju tantal platini. Kemijska industrija koristi ovu povoljnu kombinaciju svojstava tantala. Koristi se za pripremu dijelova kiselootporne opreme kemijskih postrojenja, uređaja za grijanje i hlađenje koji dolaze u dodir s agresivnom sredinom.

Dva svojstva niobija koriste se u industriji nuklearne energije koja se brzo razvija. Niobij ima nevjerojatnu "prozirnost" za toplinske neutrone, odnosno može ih propustiti kroz sloj metala praktički bez reakcije s neutronima. Umjetna radioaktivnost niobija (proizvedena kontaktom s radioaktivnim materijalima) je niska. Stoga se od njega mogu izraditi spremnici za skladištenje radioaktivnog otpada i postrojenja za njegovu obradu. Drugo jednako vrijedno (za nuklearni reaktor) svojstvo niobija je odsutnost primjetne interakcije s uranom i drugim metalima čak i na temperaturi od 1000 °C. Rastaljeni natrij i kalij, koji se koriste kao sredstva za hlađenje u nekim vrstama nuklearnih reaktora, mogu slobodno cirkulirati kroz cijevi od niobija bez ikakvog oštećenja.

Brz razvoj suvremenih tehnologija danas je svakako povezan s upotrebom učinkovitih materijala i tvari koje imaju prilično praktična i vrlo korisna svojstva i svojstva.

Iz ove perspektive vrijedi obratiti pažnju na takav jedinstveni kemijski element kao što je tantal. I to ne čudi, jer zahvaljujući svojim karakteristikama čvrstoće, danas uporaba tantala postaje vrlo relevantna u mnogim područjima industrije.

Da bismo proširili horizonte prosječne osobe na ovu temu, detaljno ćemo opisati fizikalna i kemijska svojstva tantala i govoriti o tome gdje se ovaj metal danas vrlo uspješno koristi.

Tehničke značajke tantala

Prije svega, vrijedi razumjeti da je tantal sivi metal sa sjajnom nijansom koji se lako može mehanički obraditi.

Među značajkama metala, vrijedi istaknuti niz sljedećih važnih aspekata:

• redni broj u periodnom sustavu - 73;
• atomska težina - 180;
• gustoća tvari je 60 g/cm3;
• talište - 3015 0 C;
• Vrelište tvari je 5300 0 C.

Svojstva metala

Zbog ovih karakteristika, tantal nedvojbeno ima sljedeća korisna svojstva:

1. Tantal je vatrostalni metal i, kao rezultat toga, element ima sljedeća svojstva:

• mala brzina linearnog širenja;
• dobra razina toplinske vodljivosti;
• visoka mehanička čvrstoća i duktilnost.

1. Ima izvrsna svojstva protiv korozije. Vrijedno je napomenuti da je tantal u normalnim uvjetima praktički inertan na morsku vodu, ali ako je zasićen kisikom, tada metal u ovom slučaju samo potamni.
2. Tantal ima dobru otpornost na sljedeće vrste soli:

• željezni i bakreni kloridi;
• nitrati;
• sulfati;
• soli organskih kiselina, ali pod uvjetom da ne sadrže fluor ili fluoride.

1. Tantal počinje gubiti svoje karakteristike čvrstoće kada reagira s fluorom. Također je vrijedno uzeti u obzir činjenicu da tantal ne reagira kemijski s bromom, jodom i tekućim klorom osim ako se ne postigne temperatura od 150 0 C.
2. Tantal je prilično otporan na učinke tekućih metala s niskim talištem.
3. Tantal ima izvrsne karakteristike stabilnosti na zraku na temperaturama do 400 0 C, dok se tijekom skladištenja ili obrade pojavljuje zaštitni oksidni film.
4. Tantal rastaljen metodom elektronskog snopa ima povećano svojstvo plastičnosti, što, kada se metal deformira, omogućuje veći stupanj kompresije.
5. Dobro se pretvara u metalni lim koji je dobro podložan kovanju.
6. Dobro se podnosi obradi tijekom hladne deformacije. Međutim, morate shvatiti da se ovaj metal ne smije deformirati u vrućem stanju, jer kada se zagrije, tantal počinje apsorbirati dušik, ugljični dioksid, kisik i, kao rezultat, materijal postaje prilično krt.
7. Jedna od glavnih operacija u obradi tantala je rezanje materijala na brzoj opremi.

Što se tiče spajanja dijelova od tantala, to se može učiniti na sljedeće načine:

• zavarivanje;
• lemljenje;
• spajanje pomoću zakovica.

Ovdje je vrijedno uzeti u obzir činjenicu da se posljednje dvije metode koriste prilično rijetko, tako da kvaliteta zavarenih spojeva od tantala uvijek ostaje na visokoj razini.

Područja primjene tantala

Ova svojstva omogućuju široku primjenu u raznim područjima industrije. Zabilježimo detaljno glavne smjerove upotrebe takvog jedinstvenog materijala kao što je tantal.

Metalurška industrija

Metalurgija je glavni potrošač ovog metala. Metalurška industrija čini 45% proizvodnje tantala.

Glavna upotreba tantala leži u nizu sljedećih važnih aspekata:

• metal je glavni legirajući element u proizvodnji čelika otpornog na toplinu i korozije;
• Tantal karbid je pouzdana zaštita čeličnih kalupa u ljevaonicama.

Elektroindustrija

Prije svega, valja istaknuti činjenicu da se četvrtina tantala proizvedenog u svijetu koristi u elektroindustriji. I to ne čudi, jer se pomoću ovog metala proizvode sljedeće vrste električnih proizvoda:

• elektrolitičke tantalne kondenzatore karakterizira stabilan rad;
• naširoko se koristi u proizvodnji strukturnih elemenata svjetiljki kao što su anode, neizravno grijane katode i rešetke;
• tantalska žica koristi se u proizvodnji dijelova kriotrona, koji su sastavni elementi računalne tehnologije;
• Grijači za peći s radnim uvjetima na visokim temperaturama vrlo su uspješno izrađeni od ovog metala.

Zanimljiva činjenica! Tantalski kondenzatori skloni su samopopravljanju. Na primjer, kada se iznenada pojavio visoki napon, iskra je uništila izolacijski sloj. U ovom slučaju, na mjestu kvara trenutno se formira izolacijski oksidni film, dok će kondenzator nastaviti raditi u normalnom načinu rada!

Kemijska industrija

Potrebno je, prije svega, istaknuti činjenicu da 20% utrošenog tantala ide za potrebe kemijske industrije. Konkretno, ovaj se metal koristi u sljedećim slučajevima:

• proizvodnja sljedećih vrsta kiselina:

1. dušik;
2. Olyanaya;
3. sumpor;
4. fosfor;
5. ocat

• proizvodnja vodikovog peroksida, broma i klora;
• proizvodnja kemijske opreme sljedećih vrsta:

1. aeratori;
2. postrojenja za destilaciju;
3. zavojnice različitih vrsta;
4. mješalice;
5. ventil

U medicinska industrija ne koristi se više od 5% tantala iskopanog u svijetu. U medicini se ovaj metal vrlo uspješno koristi u plastičnoj i koštanoj kirurgiji, pa se od njega izrađuju elementi od tantala za pričvršćivanje kostiju, šivanje itd. To se postiže zahvaljujući činjenici da tantal ne šteti vitalnim funkcijama tijela i ne iritira živo tkivo.