Тантал

Сферы применения

Тантал — важный материал для разработки высоких технологий. Сегодня металл используют в электронике для создания конденсаторов. Их можно сделать очень маленькими, что удобно для производства гаджетов. Поэтому танталовые конденсаторы присутствуют практически в любых смартфонах, ноутбуках и планшетах.

Внутреннее удельное сопротивление металла почти как у стали, поэтому применение тантала логично там, где нужна высокая температура. Его используют в различных нагревательных элементах, например, для высокотемпературных печей.

Кроме того, металл полезен для изготовления линз. Добавление его оксида в стекло повышает их оптические качества. Из тантала с добавлением титана делают жаропрочные сплавы, стойкие к коррозиям. Из его карбида изготавливают инструменты для резки металлов.

Подходит он и для производства фильеров, лабораторной посуды, авиакосмической техники. В последнее время, тантал всё больше завоёвывает славу ювелирного металла и применяется для изготовления украшений.

Трубная продукция

Отдельной отраслью, использующей танталовые трубки, теплообменники выступает атомная энергетика. Обладая высокой жаропрочностью, низким сечением захвата нейтронов, элемент долгое время занимал основную долю в конструкционном материале ядерных установок.

Теплообменник из танталовых труб на одной из АЭС

Сегодня, тантал вытесняется из этой отрасли ниобием. Однако сдавать, списанные из атомно-энергетической сферы, танталовые изделия вряд ли получится в силу комплекса препятствий:

запрет на реализацию;

невозможность достать этот вид вторичного металла;

угроза для здоровья.

Напротив, исключительная инертность тантала относительно кислот находит применение редкому металлу в химической и лабораторной целях. Из танталовых трубок изготавливаются змеевики, магистрали для подачи соляной кислоты, мешалки. Некоторые разновидности лабораторной посуды также исполнены из этого материала. Несмотря на долгие термины службы, окупающие высокую стоимость танталовой продукции, изделия со временем изнашиваются и подлежат замене. Некоторая часть списанной трубной продукции успевает просочиться на пункты приема металлолома.

Изделия из тантала

Остается добавить, что не все трубы изготовлены из марки высокочистого тантала ТВЧ. Существенный процент этих изделий исполнен из сплава этого металла с вольфрамом. Марки этих жаропрочных соединений ТВ-5 (10,15) содержат тантала на уровне 95 – 85%.

Использование тантала

Сам металл и его сплавы находят широкое применение в промышленности. Его используют для изготовления:

сухих электролитических конденсаторов;
нагревателей для вакуумных печей;
катодов косвенного нагрева;
антикоррозийной аппаратуры;
ядерных реакторов;
сверхпроводников;
боеприпасов с повышенной пробивной способностью;
эталонов массы, которые имеют высокую точность;
режущих инструментов высокой стойкости.

Высокая стойкость металла к коррозии способствует удлинению срока службы конденсаторов из тантала в электронных системах до 12 лет.

Ювелирная промышленность использует этот металл для изготовления корпусов часов и браслетов вместо платины. Изделия из тантала находят применение и в медицинской промышленности. Он не отторгается организмом человека, поэтому из него производят:

пластины для черепных коробок и брюшной полости;
скрепки, которые используют для соединения сосудов;
глазные протезы;
толстые нити, которыми заменяют сухожилия;
тонкие нити для сшивания нервных волокон.

Производство тантала

Самыми большими запасами тантала обладает Австралия. Именно это государство по праву считается лидером по производству этого вещества.

Производство тантала в России

В нашей стране уже многие производство тантала лежит на плечах Соликамского магниевого завода. Здесь данный металл получают из лопаритовых концентратов. Они поступают на завод из Ловозерского месторождения. В некоторых случаях для этой цели используется импортное сырье, которое представлено такими веществами, как рутил, колумбит, танталит, стрюверит.

Лидерами в области производства тантала являются Соединенные Штаты Америки, Китай и Япония. В мире насчитывается приблизительно сорок компаний, которые занимаются изготовления такого материала, как тантал. Крупнейшей фирмой по изготовлению этого металла является компания из Соединенных Штатов Америки Cabot Corporation. Ее филиалы открыты на территориях разных стран мира.

Тантал цена за грамм является достаточно не высокой. В среднем производители продают тантал в размере одного грамма за пол доллара. Килограмм обходится сегодня более одной тысячи долларов.

Шлакопортландцемент

Шлакопортландцементом называется искусственно полученное гидравлическое вещество, обладающее вяжущим эффектом.

Огнезащита металлоконструкций

Ни для кого не секрет, что металлу не свойственна горючесть. Однако, не смотря на это, воздействие высоких температур приводит к изменению его твердости, в результате чего металл становится мягким, гибким и в результате способен деформироваться. Все это является причинами, по которым несущая способность металла утрачивается, что может стать причиной обрушения целого здания или его отдельной части во время пожара. Несомненно, это очень опасно для человеческой жизни. Для того, чтобы не допустить такого, при строительстве применяются разнообразные составы, способные сделать металлоконструкцию более устойчивой к высоким температурам.

Металлизированная краска

Настоящего золота или серебра в современных металлических печатных красках, конечно же, нет. Но они очень удачно имитируют благородные металлы, так как на треть состоят из металлических пигментов серебристого или золотистого цвета.

Свойства фенола

Фенолы и их производные содержатся в древесине, торфе, буром и кам. углях, нефтяных остатках. В живой природе фенолы, гл. обр. в виде производных, присутствуют в клетках растений.

Вещества ускоряющие высыхание красок

Сиккативы — соединения свинца, кобальта, марганца и цинка, которые, будучи добавлены в высыхающие масла, ускоряют их высыхание.

Цинкование металла

Для защиты от коррозии сегодня создано большое количество методов. Они направлены на то, чтобы с помощью специальных растворов или веществ на поверхности металлических изделий появлялась тонкая защитная пленка, которая препятствует попаданию на металл кислорода и продуктов, имеющихся в агрессивной среде.

Защита металла от коррозии

Слово коррозия произошло от латинского corrodere. Оно в переводе означает «разъедать». Чаще всего встречается коррозия металла. Однако есть случаи, когда от коррозии страдают и изделия из других материалов.

Физические свойства

Металл отличается повышенной температурой плавления порядка 3017 °C, что позволяет его использовать в экстремальных термических условиях на производствах. В то же время он обладает редкой комбинацией свойств пластичности и твердости. Что касается первого, то он мягкий как золото. При этом твердость тантала составляет 16,65 г/см3. Такое сочетание физических качеств позволяет с легкостью обрабатывать материал, придавая ему разные формы и размеры, а также использовать в ответственных механизмах и конструкциях. Мелкие элементы хорошо себя проявляются в качестве шестеренок и деталей электроприборов. Тантал стоек к износу и долговечен, поэтому из него делают расходные компоненты с расчетом на длительную эксплуатацию. Кроме того, этот металл может выступать эффективным поглотителем газа. При высоких температурах у деталей из тантала также раскрываются высокие токопроводящие свойства.

Аналитическая характеристика тантала

Методы определения малых количеств тантала было предложено весьма много. Тантал соосаждают с перекисью марганца, осадок сплавляют с бисульфатом натрия, растворяют в винной кислоте и определяют тантал фотоколориметрическим роданидным методом в ацетоно- водной среде. Соединение тантала при этом получается не окрашено.Для определения тантала раньше применялись только реакции с пирогаллолом, который дает желтое соединение с танталом в кислой среде, тогда как например ниобий в кислой среде окрашенного соединения не образует. Для определения тантала пирогаллолом подготавливается подготавливается в щелочной среде сульфит натрия для предотвращения возможного окисления. Пирогаллоловый метод был применен также для определения тантала в металлическом ниобии: после экстракции тантала последний удаляют выпариванием в кварцевом тигле в лучах инфракрасной лампы и остаток, после соответствующей обработки колориметрируют. Более высокой чувствительностью обладают новые органические реактивы, в частности арсеназо, позволяющий определять до 0,3 мкг тантала в миллилитре раствора. В прошлом столетии для определения тантала и ниобия применялись методы хлорирования с отгонкой получающихся хлоридов ниобия и тантала. В связи с трудностью разделения обоих металлов обычными мокрыми методами метод хлорирования может иметь некоторое значение. В 1962 году этот метод был предложен для разделения ниобия и тантала, причем хлорирование рекомендуется производить октохлорпропаном при 300 °C. При использовании метода нужно иметь в виду, что сильно прокаленные окиси тантала и ниобия не поддаются хлорированию. Для отделения тантала применяется метод ионного обмена и метод хроматографии на целлюлозе. Полярографические методы для тантала вообще неприложимы, так как он не восстанавливается ни на платиновом, ни на ртутном электроде.

Где используется

Первой сферой применения стали лампы бытовой радиоэлектроники.

Сегодня достоинства металла – пластичность, тугоплавкость, устойчивость к агрессивным средам, коррозии, совместимость с биологическим материалом изучены досконально. Они обусловили применение продукции промышленностью, оборонным комплексом, медициной, наукой.

Промышленность, ВПК

Применение металла в гражданском сегменте:

Металлурги добавляют вещество в сплавы для устойчивости к жару, коррозии. Продукция идет на аппаратуру для химпрома, лабораторий, тигли для выплавки проблемных элементов (особенно редкоземельных металлов).
Благодаря низкому порогу сверхпроводимости востребован при производстве электронно-вычислительных приборов.
Карбид вещества – компонент сверхтвердых сплавов. Из сталей, маркированных индексом ТТ, делают оборудование для работы в экстремальных условиях (бурение скважин, композитов, других сверхтвердых материалов).
Супертвердый неокисляемый бериллид используют строители космических аппаратов (ракет, спутников, самолетов).
Танталово-ниобиевый сплав – материал конденсаторов для электролиза.

Оболочка снарядов с повышенной бронебойностью состоит из тантала.

Ядерный комплекс

Высшая из металлов устойчивость в жаре, неуязвимость к воздействию паров цезия обусловили применение металла в защитных оболочках объектов ядерной энергетики.

Тантал-180 «застревает» в конструкциях атомных реакторов. И служит источником энергии, гамма-излучения для лазерного оружия, транспорта специального назначения.

Пятиокись (2%) добавляют к стеклу, поглощающему гамма-лучи.

Другие сферы

Биологически совместимый с организмом человека металл – материал скелетных протезов. Хирурги используют танталовую фольгу, проволоку комплексно: наложение швов, скрепление нервных окончаний.
Ювелиры оценили способность металла образовывать на поверхности изделия прочные разноцветные пленки.
Казахстан радует нумизматов: Национальный банк страны чеканит коллекционные танталово-серебряные монеты.

Приложения

Электроника

Танталовый электролитический конденсатор

В основном тантал в виде металлического порошка используется в производстве электронных компонентов, в основном конденсаторов и некоторых мощных резисторов . Танталовые электролитические конденсаторы используют тенденцию тантала к образованию защитного оксидного поверхностного слоя с использованием танталового порошка, спрессованного в форму таблетки, в качестве одной «пластины» конденсатора, оксида в качестве диэлектрика и электролитического раствора или проводящего твердого вещества в качестве другая “тарелка”. Поскольку диэлектрический слой может быть очень тонким (тоньше, чем аналогичный слой, например, в алюминиевом электролитическом конденсаторе), высокая емкость может быть достигнута в небольшом объеме. Из-за преимуществ в размере и весе танталовые конденсаторы привлекательны для портативных телефонов , персональных компьютеров , автомобильной электроники и фотоаппаратов .

Сплавы

Тантал также используется для производства различных сплавов с высокими температурами плавления, прочностью и пластичностью. Легированный другими металлами, он также используется в производстве твердосплавных инструментов для металлообрабатывающего оборудования и в производстве суперсплавов для компонентов реактивных двигателей, химического технологического оборудования, ядерных реакторов , деталей ракет, теплообменников, резервуаров и сосудов. Из-за своей пластичности тантал можно втянуть в тонкую проволоку или нити, которые используются для испарения металлов, таких как алюминий . Поскольку тантал устойчив к воздействию жидкостей организма и не вызывает раздражения, он широко используется при изготовлении хирургических инструментов и имплантатов. Например, пористые танталовые покрытия используются при изготовлении ортопедических имплантатов из-за способности тантала образовывать прямую связь с твердой тканью.

Тантал инертен по отношению к большинству кислот, за исключением плавиковой кислоты и горячей серной кислоты , а горячие щелочные растворы также вызывают коррозию тантала. Это свойство делает его полезным металлом для химических реакционных сосудов и труб для агрессивных жидкостей. Теплообменные змеевики для парового нагрева соляной кислоты изготовлены из тантала. Тантал широко использовался в производстве сверхвысокочастотных электронных ламп для радиопередатчиков. Тантал способен улавливать кислород и азот, образуя нитриды и оксиды, и поэтому помогал поддерживать высокий вакуум, необходимый для трубок, когда они используются для внутренних деталей, таких как решетки и пластины.

Другое использование

Биметаллические монеты отчеканены Банком Казахстана с серебряным кольцом и танталовым центром. В них есть Аполлон-Союз и Международная космическая станция.

НАСА использовало тантал для защиты компонентов космических кораблей, таких как “Вояджер-1” и “Вояджер-2”, от радиации. Высокая температура плавления и стойкость к окислению позволяют использовать этот металл в производстве деталей вакуумных печей . Тантал чрезвычайно инертен и поэтому образует множество коррозионно-стойких деталей, таких как защитные гильзы , корпуса клапанов и танталовые крепежные детали. Из-за его высокой плотности кумулятивный заряд и гильзы пенетратора, образованные взрывчаткой , были изготовлены из тантала. Тантал значительно увеличивает бронепробиваемость кумулятивного заряда из-за его высокой плотности и высокой температуры плавления. Он также иногда используется в драгоценных часах, например, от Audemars Piguet , FP Journe , Hublot , Montblanc , Omega и Panerai . Тантал также очень биоинертен и используется в качестве материала для ортопедических имплантатов. Высокая жесткость тантала заставляет использовать его в качестве высокопористой пены или каркаса с меньшей жесткостью для имплантатов для замены тазобедренного сустава, чтобы избежать защиты от напряжений . Поскольку тантал является цветным немагнитным металлом, эти имплантаты считаются приемлемыми для пациентов, проходящих процедуры МРТ. Оксид используется для изготовления специальных стекол с высоким показателем преломления для объективов фотоаппаратов .

Применение

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

жаропрочные и коррозионностойкие сплавы;
коррозионно-устойчивую аппаратуру для химической промышленности, фильерные пластины, лабораторную посуду и тигли для получения, плавки, и литья редкоземельных элементов, а также иттрия и скандия;
теплообменники для ядерно-энергетических систем (тантал наиболее из всех металлов устойчив в перегретых расплавах и парах цезия);
в хирургии листы, фольгу и проволоку из тантала используют для скрепления тканей, нервов, наложения швов, изготовления протезов, заменяющих повреждённые части костей (ввиду биологической совместимости);
танталовая проволока используется в криотронах — сверхпроводящих элементах, устанавливаемых в вычислительной технике;
в производстве боеприпасов тантал применяется для изготовления металлической облицовки перспективных кумулятивных зарядов, улучшающей бронепробиваемость;
тантал и ниобий используют для производства электролитических конденсаторов (более качественных, чем алюминиевые электролитические конденсаторы, но рассчитанных на меньшее напряжение);
тантал используется в последние годы в качестве ювелирного металла, в связи с его способностью образовывать на поверхности прочные плёнки оксида красивых радужных цветов;
ядерный изомер тантал-180m2, накапливающийся в конструкционных материалах ядерных реакторов, может наряду с гафнием-178m2 служить источником гамма-лучей и энергии при разработке оружия и специальных транспортных средств.
Бюро стандартов США и Международное бюро мер и весов Франции используют тантал вместо платины для изготовления стандартных аналитических разновесов большой точности;
Бериллид тантала чрезвычайно твёрд и устойчив к окислению на воздухе до 1650 °C, применяется в авиакосмической технике;
Карбид тантала (температура плавления 3880 °C, твёрдость близка к твёрдости алмаза) применяется в производстве твёрдых сплавов — смеси карбидов вольфрама и тантала (марки с индексом ТТ), для тяжелейших условий металлообработки и ударно-поворотного бурения крепчайших материалов (камень, композиты), а также наносится на сопла, форсунки ракет;
Оксид тантала(V) используется в ядерной технике для варки стекла, поглощающего гамма-излучение. Один из наиболее широко применяемых составов такого стекла: двуокись кремния — 2 %, монооксид свинца (глёт) — 82 %, оксид бора — 14 %, пятиокись тантала — 2 %;
В нумизматике. С 2006 года Национальный банк Казахстана выпускает памятные биметаллические монеты 100 и 500 тенге из серебра и тантала.

Химические свойства

При нормальных условиях тантал малоактивен, на воздухе окисляется лишь при температуре свыше 280 °C, покрываясь оксидной плёнкой Ta2O5; с галогенами реагирует при температуре свыше 250 °C. При нагревании реагирует с С, В, Si, P, Se, Те, H2O, СО, CO2, 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, кроме смеси плавиковой и азотной кислот; его не растворяет даже царская водка. Реакция с плавиковой кислотой идёт только с пылью металла и сопровождается взрывом. Очень устойчив к воздействию серной кислоты любой концентрации и температуры (при 200 °C металл корродирует в кислоте лишь на 0,006 миллиметра в год), устойчив в обескислороженных расплавленных щелочных металлах и их перегретых пара́х (литий, натрий, калий, рубидий, цезий).

Электронная схема тантала

Одинаковую электронную конфигурацию имеют атом тантала и +1W, +2Re, +3Os, +4Ir

Порядок заполнения оболочек атома тантала (Ta) электронами: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p.

На подуровне ‘s’ может находиться до 2 электронов, на ‘s’ — до 6, на ‘d’ — до 10 и на ‘f’ до 14

Тантал имеет 73 электрона, заполним электронные оболочки в описанном выше порядке:

2 электрона на 1s-подуровне

2 электрона на 2s-подуровне

6 электронов на 2p-подуровне

2 электрона на 3s-подуровне

6 электронов на 3p-подуровне

2 электрона на 4s-подуровне

10 электронов на 3d-подуровне

6 электронов на 4p-подуровне

2 электрона на 5s-подуровне

10 электронов на 4d-подуровне

6 электронов на 5p-подуровне

2 электрона на 6s-подуровне

14 электронов на 4f-подуровне

3 электрона на 5d-подуровне

Степень окисления тантала

Атомы тантала в соединениях имеют степени окисления 5, 4, 3, 2, 1, -1, -3.

Степень окисления — это условный заряд атома в соединении: связь в молекуле между атомами основана на разделении электронов, таким образом, если у атома виртуально увеличивается заряд, то степень окисления отрицательная (электроны несут отрицательный заряд), если заряд уменьшается, то степень окисления положительная.

5+Ta 4+Ta 3+Ta 2+Ta 1+Ta 1-Ta 3-Ta

Ta 0

Валентность Ta

Атомы тантала в соединениях проявляют валентность V, IV, III, II, I.

Валентность тантала характеризует способность атома Ta к образованию хмических связей. Валентность следует из строения электронной оболочки атома, электроны, участвующие в образовании химических соединений называются валентными электронами. Более обширное определение валентности это:

Валентность не имеет знака.

Квантовые числа Ta

Квантовые числа определяются последним электроном в конфигурации, для атома Ta эти числа имеют значение N = 5, L = 2, Ml = 0, Ms = ½

Видео заполнения электронной конфигурации (gif):

Результат:

ГОСТ металла

Существует несколько методов установления ГОСТа тантала и его окиси, например, фотометрический и спектральный.

Спектральный метод (ГОСТ 18904.8) устанавливает содержание примесей кальция, вольфрама, меди, кобальта, натрия, молибдена в тантале и его окиси. Результатом анализа служит среднее арифметическое, полученное от 2 определений различных навесок.

Фотометрический метод (ГОСТ 18904.1) определяет содержание массовой доли вольфрама и молибдена в тантале и окиси. В этом случае результат анализа подсчитывают как среднее арифметическое 3 определений, которые выполняют из отдельных навесок.