Тантал

Тантал
Атомный номер	73
Внешний вид простого вещества	Тяжёлый твёрдый металл серого цвета
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)	180,9479 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома	149 пм
Энергия ионизации (первый электрон)	760,1 (7,88) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация	[Xe] 4f14 5d3 6s2
Химические свойства
Ковалентный радиус	134 пм
Радиус иона	(+5e) 68 пм
Электроотрицательность (по Полингу)	1,5
Электродный потенциал	0
Степени окисления	5
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность	16,654 г/см³
Молярная теплоёмкость	25,39[1] Дж/(K·моль)
Теплопроводность	57,5 Вт/(м·K)
Температура плавления	3269 K
Теплота плавления	24,7 кДж/моль
Температура кипения	5 698 K
Теплота испарения	758 кДж/моль
Молярный объём	10,9 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая объёмноцентрированая
Параметры решётки	3,310 Å
Отношение c/a	n/a
Температура Дебая	225,00 K

Тантал —химический элемент с зарядом ядра 73, при обычных условиях — металл серого цвета (со слабым свинцовым оттенком вследствие образования плотной оксидной плёнки). Тантал открыт в 1802 г. шведским химиком А. Г. Экебергом в двух минералах, найденных в Финляндии и Швеции. В последующем тантал и колумбий считали тождественными.

В 1844 г. немецкий химик Розе доказал, что минерал колумбит содержит два различных элемента — ниобий и тантал. Пластичный металлический тантал впервые получен немецким учёным В. Больтеном в 1903 г.

Происхождение названия

Физические свойства

Химические свойства

При нормальных условиях тантал малоактивен, на воздухе окисляется лишь при температуре свыше 280 °C, покрываясь защитной плёнкой Ta₂O₅; с галогенами реагирует при температуре свыше 250 °C. При нагревании реагирует с С, В, Si, P, Se, Те, Н₂О, СО, СО₂, NO, HCl, H₂S.

Химически чистый тантал исключительно устойчив к действию жидких щелочных металлов, большинства неорганических и органических кислот, а также многих других агрессивных сред (за исключением расплавленных щелочей).

В отношении химической устойчивости к реагентам, тантал подобен стеклу. Тантал нерастворим в кислотах и их смесях, его не растворяет даже царская водка. Растворим только в смеси плавиковой и азотной кислот. Реакция с плавиковой кислотой идет только с пылью металла и сопровождается взрывом. Очень устойчив к воздействию серной кислоты любой концентрации и температуры, устойчив в обескислороженных расплавленных щелочных металлах и перегретых парах их -(литий, натрий, калий, рубидий, цезий-133).

Токсикология

ПДК 5 мг/м³.

Распространённость

Среднее содержание тантала (по массе):

в земной коре 2,4·10⁻⁴ %

в ультраосновных породах 1·10⁻⁶ %

в основных породах 4,8·10⁻⁵ %

в кислых породах 3,5·10⁻⁴ %

в полукислых породах 7·10⁻⁴ %

Нахождение в природе

В природе встречается в виде двух изотопов: стабильного ¹⁸¹Та (99,9877 %) и радиоактивного с периодом полураспада 10¹² лет ¹⁸⁰Та (0,0123 %).

Известно около 20 собственно минералов тантала — серия колумбит — танталит, воджинит, лопарит и др. и более 60 минералов, содержащих тантал. Все они связаны с эндогенным минералообразованием. В минералах тантал всегда находится совместно с ниобием вследствие сходства их физических и химических свойств. Тантал — типично рассеянный элемент, так как изоморфен со многими химическими элементами. Месторождения тантала приурочены к гранитным пегматитам, карбонатитам и щелочным расслоенным интрузиям.

Получение

Основным сырьём для производства тантала и его сплавов служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие около 8 % Та₂О₅, 60 % и более Nb₂O₅. Концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые — хлорируют. Разделение Та и Nb производят с помощью экстракции. Металлический тантал обычно получают восстановлением Ta₂O₅ углеродом, либо электрохимически из расплавов. Компактный металл производят вакуумно дуговой, плазменной плавкой или методом порошковой металлургии.

Применение

Первоначально использовался для изготовления проволоки для ламп накаливания. Сегодня из тантала и его сплавов изготовляют:

• жаропрочные и коррозионностойкие сплавы;
• коррозионно-устойчивую аппаратуру для химической промышленности, фильеры, лабораторную посуду и тигли для получения, плавки, и литья редкоземельных элементов, а так же иттрия и скандия;
• теплообменники для ядерно-энергетических систем (тантал наиболее из всех металлов устойчив в перегретых расплавах и парах цезия-133);
• в хирургии листы, фольгу и проволоку из тантала используют для скрепления тканей, нервов, наложения швов, изготовления протезов, заменяющих повреждённые части костей (ввиду биологической совместимости);
• карбид тантала (температура плавления 3880 °С) применяется в производстве твёрдых сплавов (смеси карбидов вольфрама и тантала — марки с индексом ТТ, для тяжелейших условий металлообработки и ударно поворотного бурения крепчайших материалов (камень, композиты);
• в производстве боеприпасов тантал применяется для изготовления металлической облицовки перспективных кумулятивных зарядов улучшающей бронепробиваемость;
• тантал и ниобий используют для производства электролитических конденсаторов высокой удельной емкости (но тантал позволяет производить более качественные конденсаторы);
• тантал используется в последние годы в качестве ювелирного металла, в связи с его способностью образовывать на поверхности прочные пленки оксида любого цвета;
• тантал-182 используется в ядерно-физических лабораториях МВД.
• ядерный изомер тантал-180m2, накапливающийся в конструкционных материалах атомных реакторов, может наряду с гафнием-178m2 служить источником гамма-лучей и энергии при разработке оружия и специальных транспортных средств.

Бериллид тантала чрезвычайно тверд и устойчив к окислению на воздухе до 1650 °C, применяется в авиакосмической технике.

Пятиокись тантала используется в атомной технике для варки стекла поглощающего гамма-излучение. Один из наиболее широко применяемых составов такого стекла: кремния двуокись — 2%, монооксид свинца (глет) — 82%, оксид бора — 14%, пятиокись тантала — 2%.