Тантал (хим. елемент)
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Тантал (хим. елемент)

Тантал (латинське Tantalum), Та, хімічний елемент V групи періодичної системи Менделєєва; атомний номер 73, атомна маса 180,948; метал сірого кольору із злегка свинцевим відтінком. У природі знаходиться у вигляді двох ізотопів: стабільного 181Та (99,99%) і радіоактивного 180Та (0,012%; Т 1/2 = 10 12 років). З штучно отриманих радіоактивний 182Та ( Т 1/2 = 115,1 сут ) іспользуют як радіоактивний індикатор.

загрузка...

  Елемент відкритий в 1802 шведським хіміком А. Р. Екебергом; названий по імені героя старогрецької міфології Танталу (із-за труднощів здобуття Т. в чистому вигляді). Пластичний металевий Т. вперше отримав в 1903 німецький хімік Ст Больтон.

  Поширення в природі. Середній вміст Т. в земній корі (кларк) 2,5×10 -4 % по масі. Характерний елемент гранітної і осадової оболонок (середній вміст досягає 3,5×10 -4 %); у глибинних частинах земної кори і особливо у верхній мантії Т. мало (у ультраосновних породах 1,8×10 -6 %) . В більшості магматичних порід і біосфері Т. розсіяний; його вміст в гідросфері і організмах не встановлений. Відомо 17 власних мінералів Т. і більше 60 танталсодержащих мінералів; всі вони утворилися у зв'язку з магматичною діяльністю (танталіт, колумбіт, лопаріт, пірохлор і ін.). У мінералах Т. знаходиться спільно з ніобієм унаслідок схожості їх фізичних і хімічних властивостей (див. Танталові руди і Ніобієві руди ) . Руди Т. відомі в пегматітах гранітних і лужних порід, карбонатитах, в гидротермальних жилах, а також в розсипах, які мають найбільше практичне значення.

  Фізичні і хімічні властивості. Т. має кубічні об'ємно-центровані грати ( а = 3,296 ); атомний радіус 1,46, іонні радіуси Та 2+ 0,88 А_, Та 5+ 0,66 А; щільність 16,6 г/см 3 при 20 °С; t пл 2996 °С; t кіп 5300 °С; питома теплоємність при 0—100 °С 0,142 кдж/ ( кг× До) [0,034 кал/ ( г × °С)]; теплопровідність при 20—100 °С 54,47 вт/ ( м×К ) [0,13 кал/ ( см × сік ×°С)]. Температурний коефіцієнт лінійного розширення 8,0×10 -6 (20—1500 °С); питомий електроопір при 0°С 13,2×10 -8 ом×м, при 2000 °С 87×10 -8 ом×м. При 4,38 До стає надпровідником. Т. парамагнітен, питома магнітна сприйнятливість 0,849×10 -6 (18 °С). Чистий Т. — пластичний метал, обробляється тиском на холоду без значного наклепання. Його можна деформувати з мірою обтискання 99% без проміжного відпалу. Перехід Т. з пластичного в крихкий стан при охолоджуванні до -196 °С не виявлений. Модуль пружності Т. 190 Гн/м 2 (190×10 2 кгс/мм 2 ) при 25 °С. Межа міцності при розтягуванні Т. високої чистоти 206 Мн/м-коду 2 (20,6 кгс/мм 2 ), що відпалює, при 27 °С і 190 Мн/м-код 2 (19 кгс/мм 2 ) при 490 °С; відносне подовження 36% (27 °С) і 20% (490 °С). Твердість по Брінеллю чистого рекрісталлізованного Т. 500 Мн/м-коду 2 (50 кгс/мм 2 ) . Властивості Т. у великій мірі залежать від його чистоти; домішки водню, азоту, кисню і вуглецю роблять метал крихким.

  Конфігурація зовнішніх електронів атома Та 5d 3 6s 2 . Найбільш характерна міра окислення Т. + 5; відомі з'єднання з нижчою мірою окислення (наприклад, Tacl 4 , Тacl з , Tacl 2 ), проте їх освіта для Т. менш характерний, чим для ніобію.

  В хімічному відношенні Т. за звичайних умов малоактивний (схожий з ніобієм). На повітрі чистий компактний Т. стійкий; окислюватися починає при 280 °С. Має лише один стабільний оксид — п'ятиокис Ta 2 O 5 , яка існує в двох модифікаціях: а-формі білого кольору нижче 1320 °С і b-формі сірого кольору вище 1320 °С; має кислотний характер. З воднем при температурі близько 250 °С Т. утворює твердий розчин, що містить до 20 атомних % водню при 20 °С; при цьому Т. стає крихким; при 800—1200 °С у високому вакуумі водень виділяється з металу і його пластичність відновлюється. З азотом при температурі близько 300 °С утворює твердий розчин і нітрид Ta 2 N і TAN; у глибокому вакуумі вище 2200 °С поглинений азот знов виділяється з металу. У системі Та — З при температурі до 2800 °С встановлено існування трьох фаз: твердого розчину вуглецю в Т., нижчого карбіду Т 2 З і вищого карбіду TAC. Т. реагує з галогенами при температурі вище 250 °С (з фтором при кімнатній температурі), утворюючи галогеніди переважно типа Tax 5 (де Х = F, Cl, Вг, I), При нагріванні Та взаємодіє із З, В, Si, Р, Se, Ті, водою, CO, Co 2 , NO, HCI, H 2 S.

  Чистий Т. виключно стійкий до дії багатьох рідких металів: Na, До і їх сплавів, Li, Pb і ін., а також сплавів U — Mg і Pu — Mg. Т. характеризується надзвичайно високою корозійною стійкістю до дії більшості неорганічних і органічних кислот: азотною, соляною, сарною, хлорною і ін., царської горілки, а також багатьох ін. агресивних середовищ. Діють на Т. фтор, фтористий водень, плавикова кислота і її суміш з азотною кислотою, розчини і розплави лугів. Відомі солі танталових кислот — танталати загальної формули x Me 2 в Та 2 О 5 ×Н 2 Про: метатанталати Metao 3 , ортотанталати Me 3 Tao 4 , солі типа Me 5 Tao 5 , де Me — лужний метал; у присутності перекису водню утворюються також пертанталати. Найбільш важливі танталати лужних металів — Ktao 3 і Natao 3 ; ці солі — сегнетоелектріки.

  Здобуття. Руди, що містять Т., рідкі, комплексні, бідні Т.; переробляють руди, що містять до сотих доль відсотка (Та, Nb) 2 O 5 , і шлаки відновної плавки олов'яних концентратів. Основною сировиною для виробництва Т., його сплавів і з'єднань служать танталітовиє і лопарітовиє концентрати, що містять відповідно близько 8% Ta 2 O 5 і 60% і більш Nb 2 O 5 . Концентрати переробляють зазвичай в три стадії: 1) розтин, 2) розділення Та і Nb і здобуття їх чистих з'єднань, 3) відновлення і рафінування Та. Танталітовиє концентрати розкладають кислотами або лугами, лопарітовиє — хлорують. Розділяють Та і Nb із здобуттям чистих з'єднань екстракцією, наприклад трібутілфосфатом з плавиково-кислих розчинів, або ректифікацією хлоридів.

  Для виробництва металевого Т. застосовують відновлення його з Ta 2 O 5 сажею в одну або в дві стадії (з попереднім здобуттям TAC з суміші Ta 2 O 5 з сажею в атмосфері CO або H 2 при 1800—2000 °С); електрохімічне відновлення з розплавів, K 2 Taf, що містять, 7 і Ta 2 O 3 , і відновлення натрієм K 2 Taf 7 при нагріванні. Можливі також процеси термічної дисоціації хлориду або відновлення з нього Т. воднем. Компактний метал виробляють або вакуумною дуговою, електроннопроменевою або плазмовою плавкою, або методами порошкової металургії. Злитки або спечені з порошків штабіки обробляють тиском; монокристали особливо чистого Т. отримують бестігельной електроннопроменевою зонною плавкою.

  Вживання. Т. володіє комплексом коштовних властивостей — хорошою пластичністю, міцністю, зварюваністю, корозійною стійкістю при помірних температурах, тугоплавкістю, низьким тиском пари, високим коефіцієнтом теплопередачі, невеликою роботою виходу електронів, здатністю утворювати анодну плівку (Ta 2 O 3 ) з особливими діелектричними характеристиками і «уживатися» з живою тканиною організму. Завдяки цим властивостям Т. знаходить вживання в електроніці, хімічному машинобудуванні, ядерній енергетиці, в металургії (виробництво жароміцних сплавів, неіржавіючих сталей), в медицині; у вигляді TAC його застосовують у виробництві твердих сплавів. З чистого Т. виготовляють електричні конденсатори для напівпровідникових приладів, деталі електронних ламп, коррозіонноустойчивую апаратуру для хімічної промисловості, фільєри у виробництві штучного волокна, лабораторну посуд, тиглі для плавки металів (наприклад, рідкоземельних) і сплавів, нагрівачі високотемпературних печей; теплообмінники для ядерно-енергетичних систем. У хірургії листи, фольгу, проволікатиму з Т. застосовують для того, що скріпляє кісток, нервів, накладення швів і ін. Вживання знаходять танталові сплави і з'єднання.

  Літ.: Зелікман А. Н., Мєєрсон Р. А., Металургія рідких металів, М., 1973.,

О. П. Колчин.