Тантал является редкоземельным металлом светло-серого или слегка синеватого цвета. Тугоплавкий, высокопрочный и твердый с одной стороны, но в тоже время, благодаря идеальным пластическим характеристикам металл можно легко штамповать, механически обрабатывать, перерабатывать в тонкие листы или проволоку.
Тантал имеет высочайшую химическую стойкость, по этому показателю металл уступает только лишь золоту. Его невозможно растворить даже при помощи «царской водки» и концентрированной азотной или серной кислоты. Все эти уникальные свойства делают тантал идеальным материалом для использования в химической промышленности. Так, аппаратуру из тантала используют при изготовлении множества кислот, в производстве брома, хлорных соединений. Для электролитического выделения золота, серебра используют катоды танталовые.
Применение тантала в медицине
Тантал уникальный материал – он имеет высокую биологическую совместимость с тканями живого организма, не вызывая отторжения, именно поэтому его широко используют в медицине: восстановительная хирургия, ортопедия. Танталовыми пластинами закрывают поврежденную черепную коробку, тантал со сплавами других металлов применяют для изготовления эндопротезов.
При помощи танталовой «пряжи» восстанавливают мускульную ткань, укрепляют брюшную полость при оперативном вмешательстве. Танталовыми скрепками соединяют сосуды, а с использованием танталовых сеток создают глазные протезы. Пока еще не существует выражения «танталовые нервы», а зря, ведь уж множество людей ходят с замененными на танталовые нити сухожилиями и нервными волокнами.
Тантал успешно служит для рентгенографического анализа легких, бронхов. Пациент вдыхает безвредную танталовую пыль, которая оседая на легких, бронхах маркирует больные участки, и они становятся видны на рентгене. Таким образом, врач имеет возможность точно диагностировать болезнь. Но следует сказать, что на медицину идет всего лишь 5-6% всего добываемого тантала.
Производственная «жизнь» тантала
В последние десятилетия металл применяется как легирующий элемент, когда необходимо получить сверхпрочные, коррозионностойкие, жаропрочные стали. Именно такие материалы необходимы для создания космической техники, в самолетостроении, в создании точных приборов, которые должны выдерживать значительные нагрузки, в любых климатических условиях. Уникальные свойства имеет танталово-вольфрамовый сплав (90/10%) – он может выдерживать неимоверно высокие температуры 2500 – 3300 градусов Цельсия и выше. Такой сплав применяется при строительстве космических аппаратов: форсунки, выхлопные трубы, детали системы контроля газа, передняя кромка.
Если же на танталово-вольфрамовый сплав нанести слоем карбид тантала, то детали становятся еще более жаропрочными, способными выдерживать температуры свыше 4500 градусов Цельсия. Танталовый карбид также имеет высочайшую твердость, сравнимую только лишь с алмазом. Для скоростного резания металла применяют твердосплавные резцы, производимые с использованием карбида танталового. При этом, резцы не сплавляют и не крошат металл, имеют высокий эксплуатационный срок.
Электротехническая и электровакуумная промышленность также не обходятся без использования этого уникального металла. Так, выпрямители из тантала используют на железной дороге (сигнальные системы), на АТС (телефонные коммутаторы), противопожарные сигнальные системы. Небольшие конденсаторы из тантала применяются в радиостанциях, радарах.
Электровакуумные приборы – здесь тантал используют для изготовления анодов, сеток, катодов, т.е. таких деталей, которые во время работы могут значительно нагреваться. Некоторые типы ЭВП содержат металл, чтобы поддерживать на определенном уровне давление газа.
На сегодняшний день тантал «нашел себя» и в производстве ювелирных изделий, где он с успехом заменяет платину, которая имеет большую стоимость. Тантал может заменить и дорогой иридий.
Конечно же, тантал не может стать по стоимости конкурентом платине, иридию, но цена на этот металл достаточно высока. Это объясняется сложной и дорогой технологией добычи.
Детали, с высоким содержанием тантала:
- Конденсатор (разобранный): ЭТО-2, K-52-2
- Kонденсатор K-53
- Конденсатор (крупный) K-53
- Конденсатор (мелкий) K-53
- Листовой тантал, проволока, нити, лом.
Наша компания приобретает тантал в любом виде по самым высоким ценам в Украине. Звоните, предлагайте товар – с нами работать надежно и выгодно.
Умный металл. Этот термин появился в деловом мире в середине XX века. Умные металлы использовались в качестве материалов для высоких технологий, применяемых в электронике и робототехнике. Одним из таких высокотехнологичных металлов и стал тантал. Сегодня он неразрывно связан с такими понятиями, как спутниковая связь, бортовые системы, телекоммуникационное оборудование.
Что такое тантал? Исторические факты
Впервые тантал был обнаружен в 1802 году шведским ученым А.Г. Экебергом в составе двух минералов, найденных в Швеции и Финляндии. Оксид этого элемента был очень устойчив, и даже большое количество кислоты не могло разрушить его структуры. У ученого сформировалось впечатление, что металл не может напитаться кислотой. Экеберг вспомнил легенду о царе Тантале, который являлся сыном Зевса и в результате наказания не мог утолить голод и жажду. Его страдания назвали танталовы муки.
Так и ученый, как не старался, не мог выделить чистый металл из окисла, поэтому свою работу сравнивал с танталовыми муками. Химическому элементу он дал название тантал, а минерал, который содержал этот металл, назвал танталитом. Лишь в 1903 году немецкий Болтон В. получил в чистом виде пластичный металл тантал. Промышленный выпуск его начался только в 1922 году. Первый образец промышленного изготовления тантала был всего со спичечную головку. США первыми стали производить его, и в 1942 году был запущен завод по выпуску этого металла.
Физические свойства тантала
Что такое тантал? серебристо-белого цвета. Прочная оксидная пленка на нем придает схожесть по внешнему виду со свинцом. Металл обладает высокой прочностью и твердостью и в то же время пластичностью. По пластичности его сравнивают с золотом.
В чистом виде он прекрасно подчиняется механической обработке. Его легко штамповать, раскатывается в очень тонкий слой до 0,04 мм. Из него получают качественную проволоку. Тантал, что такое? Это тугоплавкий металл, температура плавления которого составляет примерно 3000 градусов. Только вольфрам и рений превосходят его по этому свойству. Одно из специфических его качеств - это высокая теплопроводность. Даже оксидная пленка, которая на нем образуется, не уменьшает этого свойства.
Химические свойства
Многие органические и неорганические кислоты - хлорная, серная, соляная, азотная и другие агрессивные среды - не вызывают у тантала коррозии. Металл окисляется при нагревании от 200 до 300 градусов, и на нем образуется под оксидной пленкой газонасыщенный слой. Слабые химические свойства тантала не дают ему возможности раствориться даже в царской водке, которая расплавляет платину и золото.
На практике доказано, что нержавеющие стали менее стойкие при эксплуатации, и детали из них служат значительно меньший срок, чем изделия из тантала. Из всех существующих кислот только плавиковая может растворить этот металл.
Сплавы
Стойкая устойчивость тантала к воздействию кислот позволяет использовать его для добавок к различным сплавам, которые применяются при производстве металлических конструкций. Для изготовления проката - проволоки, полос, листов, трубок - используют сплав тантала с гафнием. вольфрама и тантала используется для изготовления режущих пластин разного назначения. Такие сплавы характеризуются:
- высокой прочностью;
- повышенной твердостью;
- не окисляются;
- имеют высокую абразивную стойкость;
- являются износостойкими;
- имеют значительную вязкость;
- снабжают отличной прочностью режущую кромку инструмента.
Тантало-вольфрамовый сплав, в состав которого входит 7% вольфрама, способен выдерживать температуру до 1900 градусов. Он вызывает значительный интерес у специалистов. А из сплава тантала с 10% вольфрама изготовляют сопла для ракетных двигателей. В космической технике применяются материалы, которые обладают хорошей теплоемкостью или тугоплавкостью, поэтому сплавы с танталом находят широкое применение для ее изготовления.
Роль лома
Танталовый лом составляет существенную долю, до 30% поставок на рынок, от общего объема. Большая часть металла выделяется из лома конденсаторов. Поэтому его поставки находятся в прямой зависимости от активности работы в электронной промышленности.
А это, в свою очередь, определяется глобальными экономическими условиями. Другими источниками лома являются отработавшие карбиды. В ломе сплавов, основным элементом которого является никель, также содержится тантал. В будущем отходы потребителей будут являться важным источником этого металла.
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;
- толстые нити, которыми заменяют сухожилия;
- тонкие нити для сшивания нервных волокон.
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.
Месторождения и добыча тантала
Что такое тантал? Это очень редкий металл. В чистом виде он практически не наблюдается. Встретить его можно в составе минералов и в виде собственных соединений. В минералах он всегда встречается вместе с ниобием, который по свойствам очень схож с танталом. Месторождения с танталовыми соединениями и минералами находятся во многих странах мира.
Самое большое расположено во Франции. Высоки запасы этого металла в Китае и Таиланде. В странах СНГ месторождения значительно меньшего размера. Около 420 тонн тантала составляет годовая добыча в мире. Основные комбинаты, которые занимаются переработкой металла, расположены в Германии и США. В связи с бурным развитием электроники, в которой применение тантала занимает не последнее место, наблюдается нехватка этого редкого металла, что приводит к поиску новых месторождений.
Цены на тантал
Большую часть тантала, а это до 60%, потребляет Использование его на составляет около 20%. Цены на этот редкий металл могут быстро изменяться. Спрос на него то восстанавливается, то снова падает. Аналитики предсказывают, что в ближайшие годы спрос и предложение будут колебаться, это, в основном, зависит от экономических факторов.
Ориентировочная цена тантала за 1 кг в рублях на российском рынке составляет:
- листового - 65 660;
- в прутках - 73 030;
- проволоке - 73 700.
Перспективы
Все больше начинают использовать этот умный металл в медицинской промышленности для нужд восстановительной хирургии. Его применяют для изготовления имплантатов. Танталовой пряжей возмещают мускульную ткань, проволока идет для скрепления костей, а нити используют для наложения швов. В связи с крупным перевооружением мировых авиалиний применение тантала для нужд авиастроения продолжит свой рост. Сплавы в авиапромышленности используются для двигателей самолетов. Кроме этого, тантал продолжает активно использоваться для производства вычислительной техники: процессоров, принтеров.
Не уменьшается спрос на этот металл и в химической промышленности. Его широко применяют для производства хлора, пероксида водорода, многих кислот. Химическое машиностроение широко использует его при изготовлении оборудования, контактирующего с агрессивными средами. Самым серьезным потребителем танталовых сплавов остается металлургическая промышленность. Растет спрос на него и в ядерной энергетике, где в основном используют теплопроводность в сочетании с пластичностью и твердостью тантала.
Фригийского царя Тантала боги наказали за неоправданную жестокость. Они обрекли Тантала на вечные муки жажды, голода и страха. С тех пор стоит он в преисподней по горло в прозрачной воде. Под тяжестью созревших плодов склоняются к нему ветви деревьев. Когда томимый жаждой Тантал пытается напиться, вода уходит вниз. Стоит ему протянуть руку к сочным плодам, ветер поднимает ветвь, и обессилевший от голода грешник не может ее достать. А прямо над его головой нависла скала, грозя в любой миг обрушиться.
Так мифы Древней Греции повествуют о муках Тантала. Должно быть, не раз шведскому химику Экебергу пришлось вспомнить о танталовых муках, когда он безуспешно пытался растворить в кислотах «землю», открытую им в 1802 г., и выделить из нее новый элемент. Сколько раз, казалось, ученый был близок к цели, но выделить новый металл в чистом виде ему так и не удалось. Отсюда – «мученическое» название элемента №73.
Споры и заблуждения
Спустя некоторое время выяснилось, что у тантала есть двойник, который появился на свет годом раньше. Этот двойник – элемент №41, открытый в 1801 г. и первоначально названный Колумбией. Позже его переименовали в ниобий. Сходство ниобия и тантала ввело в заблуждение химиков. После долгих споров они пришли к выводу, что тантал и Колумбии – одно и то же.
Поначалу такого же мнения придерживался и известнейший химик того времени Йене Якоб Берцелиус, однако в дальнейшем он усомнился в этом. В письме к своему ученику немецкому химику Фридриху Вёлеру Берцелиус писал:
«Посылаю тебе обратно твой X, которого я вопрошал, как мог, но от которого я получил уклончивые ответы. Ты титан? – спрашивал я. Он отвечал: Вёлер же тебе сказал, что я не титан.
Я также установил это.
– Ты цирконий? – Нет, – отвечал он, – я же растворяюсь в соде, чего не делает цирконовая земля. – Ты олово? – Я содержу олово, но очень мало. – Ты тантал? Я с ним родствен, – отвечал он, – но я растворяюсь в едком кали и осаждаюсь из него желто-коричневым. – Ну что же ты тогда за дьявольская вещь? – спросил я. Тогда мне показалось, что он ответил: мне не дали имени.
Между прочим, я не вполне уверен, действительно ли я это слышал, потому что он был справа от меня, а я очень плохо слышу на правое ухо. Так как твой слух лучше моего, то я тебе шлю этого сорванца назад, чтобы учинить ему новый допрос...»
Речь в этом письме шла об аналоге тантала – элементе, открытом англичанином Чарльзом Хэтчетом в 1801 г.
Но и Вёлеру не удалось внести ясность во взаимоотношения тантала с Колумбией. Ученым суждено было заблуждаться более сорока лет. Лишь в 1844 г. немецкому химику Генриху Розе удалось разрешить запутанную проблему и доказать, что Колумбии, как и тантал, имеет полное право на «химический суверенитет». А уж поскольку налицо были родственные связи этих элементов, Розе дал Колумбию новое имя – ниобий, которое подчеркивало их родство (в древнегреческой мифологии Ниобея – дочь Тантала).
Первые шаги
На протяжении многих десятилетий конструкторы и технологи не проявляли к танталу никакого интереса. Да собственно говоря, тантала, как такового, попросту и не существовало: ведь в чистом компактном виде этот металл ученые смогли получить лишь в XX в. Первым это сделал немецкий химик фон Болтон в 1903 г. Еще раньше попытки выделить тантал в чистом виде предпринимали многие ученые, в частности Муассан. Но металлический порошок, полученный Муассаном, восстановившим пятиокись тантала Ta 2 O 5 углеродом в электрической печи, не был чистым танталом, порошок содержал 0,5% углерода.
Итак, в начале нашего века в руки исследователей попал чистый тантал, и теперь они уже могли детально изучить свойства этого светло-серого металла со слегка синеватым оттенком.
Что же он собой представляет? Прежде всего – это тяжелый металл: его плотность 16,6 г/см 3 (заметим, что для перевозки кубометра тантала понадобилось бы шесть трехтонных грузовиков).
Высокая прочность и твердость сочетаются в нем с отличными пластическими характеристиками. Чистый тантал хорошо поддается механической обработке, легко штампуется, перерабатывается в тончайшие листы (толщиной около 0,04 мм) и проволоку. Характерная черта тантала – его высокая теплопроводность. Но, пожалуй, самое важное физическое свойство тантала – тугоплавкость: он плавится почти при 3000°C (точнее, при 2996°C), уступая в этом лишь вольфраму и рению.
Когда стало известно, что тантал весьма тугоплавок, у ученых возникла мысль использовать его в качестве материала для нитей электроламп. Однако уже спустя несколько лет тантал вынужден был уступить это поприще еще более тугоплавкому и не столь дорогому вольфраму.
В течение еще нескольких лет тантал не находил практического применения. Лишь в 1922 г. его смогли использовать в выпрямителях переменного тока (тантал, покрытый окисной пленкой, пропускает ток лишь в одном направлении), а спустя еще год – в радиолампах. Тогда же началась разработка промышленных методов получения этого металла. Первый промышленный образец тантала, полученный одной из американских фирм в 1922 г., был величиной со спичечную головку. Спустя двадцать лет та же фирма ввела в эксплуатацию специализированный завод по производству тантала.
Как тантал разлучают с ниобием
Земная кора содержит всего лишь 0,0002% Ta, но минералов его известно много – свыше 130. Тантал в этих минералах, как правило, неразлучен с ниобием, что объясняется чрезвычайным химическим сходством элементов и почти одинаковыми размерами их ионов.
Трудность разделения этих металлов долгое время тормозила развитие промышленности тантала и ниобия. До недавних пор их выделяли лишь способом, предложенным еще в 1866 г. швейцарским химиком Мариньяком, который воспользовался различной растворимостью фтортанталата и фторниобата калия в разбавленной плавиковой кислоте.
В последние годы важное значение приобрели также экстракционные методы выделения тантала, основанные на различной растворимости солей тантала и ниобия в некоторых органических растворителях. Опыт показал, что наилучшими экстракционными свойствами обладают метилизобутилкетон и циклогексанон.
В наши дни основной способ производства металлического тантала – электролиз расплавленного фтортанталата калия в графитовых, чугунных или никелевых тиглях, служащих по совместительству катодами. Танталовый порошок осаждается на стенках тигля. Извлеченный из тигля, этот порошок подвергают сначала прессованию в пластины прямоугольного сечения (если заготовка предназначена для прокатки в листы) либо в штабики квадратного сечения (для волочения проволоки), а затем – спеканию.
Некоторое применение находит также натриетермический способ получения тантала. В этом процессе взаимодействуют фтортанталат калия и металлический натрий:
K 2 TaF 7 + 5Na → Ta + 2KF + 5NaF.
Конечный продукт реакции – порошкообразный тантал, который затем спекают. В последние два десятилетия стали применять и другие методы обработки порошка – дуговую или индукционную плавку в вакууме и электронно-лучевую плавку.
На службе химии
Несомненно, самое ценное свойство тантала – его исключительная химическая стойкость: в этом отношении он уступает только благородным металлам, да и то не всегда.
Тантал не растворяется даже в такой химически агрессивной среде, как царская водка, которая без труда растворяет и золото, и платину, и другие благородные металлы. О высочайшей коррозионной стойкости тантала свидетельствуют и такие факты. При 200°C он не подвержен коррозии в 70%-ной азотной кислоте, в серной кислоте при 150°C коррозии тантала также не наблюдается, а при 200°C металл корродирует, но лишь на 0,006 мм в год.
К тому же тантал – металл пластичный, из него можно изготовлять тонкостенные изделия и изделия сложной формы. Неудивительно, что он стал незаменимым конструкционным материалом для химической промышленности.
Танталовую аппаратуру применяют в производстве многих кислот (соляной, серной, азотной, фосфорной, уксусной), брома, хлора, перекиси водорода. На одном из предприятий, использующих газообразный хлористый водород, детали из нержавеющей стали выходили из строя уже через два месяца. Но, как только сталь была заменена танталом, даже самые тонкие детали (толщиной 0,3...0,5 мм) оказались практически бессрочными – срок службы их увеличился до 20 лет.
Из всех кислот лишь плавиковая способна растворять тантал (особенно при высокой температуре). Из него изготовляют змеевики, дистилляторы, клапаны, мешалки, аэраторы и многие другие детали химических аппаратов. Реже – аппараты целиком.
Многие конструкционные материалы довольно быстро теряют теплопроводность: на их поверхности образуется плохо проводящая тепло окисная или солевая пленка. Танталовая аппаратура свободна от этого недостатка, вернее, пленка окисла может на нем образоваться, но она тонка и хорошо проводит тепло. Кстати, именно высокая теплопроводность в сочетании с пластичностью сделали тантал прекрасным материалом для теплообменников.
Танталовые катоды применяют при электролитическом выделении золота и серебра. Достоинство этих катодов заключается в том, что осадок золота и серебра можно смыть с них царской водкой, которая не причиняет вреда танталу.
Тантал важен не только для химической промышленности. С ним встречаются и многие химики-исследователи в своей повседневной лабораторной практике. Танталовые тигли, чашки, шпатели – вовсе не редкость.
«Нужно иметь танталовые нервы...»
Уникальное качество тантала – его высокая биологическая совместимость, т.е. способность приживаться в организме, не вызывая раздражения окружающих тканей. На этом свойстве основано широкое применение тантала в медицине, главным образом в восстановительной хирургии – для ремонта человеческого организма. Пластинки из этого металла используют, например, при повреждениях черепа – ими закрывают проломы черепной коробки. В литературе описан случай, когда из танталовой пластинки было сделано искусственное ухо, причем пересаженная с бедра кожа при этом настолько хорошо прижилась, что вскоре танталовое ухо трудно было отличить от настоящего.
Танталовой пряжей иногда возмещают потери мускульной ткани. С помощью тонких танталовых пластин хирурги укрепляют после операции стенки брюшной полости. Танталовыми скрепками, подобными тем, которыми сшивают тетради, надежно соединяют кровеносные сосуды. Сетки из тантала применяют при изготовлении глазных протезов. Нитями из этого металла заменяют сухожилия и даже сшивают нервные волокна. И если выражение «железные нервы» мы обычно употребляем в переносном смысле, то людей с танталовыми нервами, быть может, вам приходилось встречать.
Право, есть что-то символическое в том, что именно на долю металла, названного в честь мифологического мученика, выпала гуманная миссия – облегчать людские муки...
Основной заказчик – металлургия
Однако на медицинские нужды расходуется лишь 5% производимого в мире тантала, около 20% потребляет химическая промышленность. Основная часть тантала – свыше 45% – идет в металлургию. В последние годы тантал все чаще используют в качестве легирующего элемента в специальных сталях – сверхпрочных, коррозионностойких, жаропрочных. Действие, оказываемое на сталь танталом, подобно действию ниобия. Добавка этих элементов к обычным хромистым сталям повышает их прочность и уменьшает хрупкость после закалки и отжига.
Очень важная область применения тантала – производство жаропрочных сплавов, в которых все больше и больше нуждается ракетная и космическая техника. Замечательными свойствами обладает сплав, состоящий из 90% тантала и 10% вольфрама. В форме листов такой сплав работоспособен при температуре до 2500°C, а более массивные детали выдерживают свыше 3300°C! За рубежом этот сплав считают вполне надежным для изготовления форсунок, выхлопных труб, деталей систем газового контроля и регулирования и многих других ответственных узлов космических кораблей. В тех случаях, когда сопла ракет охлаждаются жидким металлом, способным вызвать коррозию (литием или натрием), без сплава тантала с вольфрамом просто невозможно обойтись.
Еще большую жаропрочность детали из тантало-вольфрамового сплава приобретают, если на них нанесен слой карбида тантала (температура плавления этого покрытия – свыше 4000°C). При опытных запусках ракет такие сопла выдерживали колоссальные температуры, при которых сам сплав быстро корродирует и разрушается.
Другое достоинство карбида тантала – его твердость, близкая к твердости алмаза, – привело этот материал в производство твердосплавного инструмента для скоростного резания металла.
Работа под напряжением
Приблизительно четвертая часть мирового производства тантала идет в электротехническую и электровакуумную промышленность. Благодаря высокой химической инертности как самого тантала, так и его окисной пленки, электролитические танталовые конденсаторы весьма стабильны в работе, надежны и долговечны: срок их службы достигает 12 лет, а иногда и больше. Миниатюрные танталовые конденсаторы используют в передатчиках радиостанций, радарных установках и других электронных системах. Любопытно, что эти конденсаторы могут сами себя ремонтировать: предположим, возникшая при высоком напряжении искра разрушила изоляцию – тотчас же в месте пробоя вновь образуется изолирующая пленка окисла, и конденсатор продолжает работать как ни в чем не бывало.
Окись тантала обладает ценнейшим для электротехники свойством: если через раствор, в который погружен тантал, покрытый тончайшей (всего несколько микрон!) пленкой окиси, пропускать переменный электрический ток, он пойдет лишь в одном направлении – от раствора к металлу. На этом принципе основаны танталовые выпрямители, которые применяют, например, в сигнальной службе железных дорог, телефонных коммутаторах, противопожарных сигнальных системах.
Тантал служит материалом для различных деталей электровакуумных приборов. Как и ниобий, он отлично справляется с ролью геттера, т.е. газопоглотителя. Так, при 800°C тантал способен поглотить количество газа, в 740 раз больше его собственного объема. А еще из тантала делают горячую арматуру ламп – аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие нагреваемые детали. Тантал особенно нужен лампам, которые, работая при высоких температурах и напряжениях, должны долго сохранять точные характеристики. Танталовую проволоку используют в криотронах – сверхпроводящих элементах, нужных, например, в вычислительной технике.
Побочные «специальности» тантала
Тантал – довольно частый гость в мастерских ювелиров, во многих случаях им заменяют платину. Из тантала делают корпуса часов, браслеты и другие ювелирные изделия. И еще в одной области элемент №73 конкурирует с платиной: стандартные аналитические разновесы из этого металла по качеству не уступают платиновым. В производстве наконечников для перьев автоматических ручек танталом заменяют более дорогой иридий. Но и этим послужной список тантала не исчерпывается. Специалисты по военной технике считают, что из тантала целесообразно изготовлять некоторые детали управляемых снарядов и реактивных двигателей.
Широкое применение находят и соединения тантала. Так, фтортанталат калия используют как катализатор в производстве синтетического каучука. В этой же роли выступает и пятиокись тантала при получении бутадиена из этилового спирта.
Окись тантала иногда применяют и в стеклоделии – для изготовления стекол с высоким коэффициентом преломления. Смесь пятиокиси тантала Ta 2 O 5 с небольшим количеством трехокиси железа предложено использовать для ускорения свертывания крови. Гидриды тантала успешно служат для припаивания контактов на кремниевых полупроводниках.
Спрос на тантал постоянно растет, и поэтому можно не сомневаться, что в ближайшие годы производство этого замечательного металла будет увеличиваться быстрее, чем сейчас.
Тантал тверже... тантала
Танталовые покрытия не менее привлекательны, чем, скажем, никелевые и хромовые. Привлекательны не только внешне. Разработаны способы, позволяющие покрывать танталовым слоем различной толщины изделия больших размеров (тигли, трубы, листы, сопла ракет), причем покрытие может быть нанесено на самые разнообразные материалы – сталь, железо, медь, никель, молибден, окись алюминия, графит, кварц, стекло, фарфор и другие. Характерно, что твердость танталового покрытия, по Бринелю, составляет 180...200 кг/мм 2 , в то время как твердость технического тантала в виде отожженных прутков или листов колеблется в пределах 50...80 кг/мм 2 .
Дешевле платины, дороже серебра
Замена платины танталом, как правило, весьма выгодна – он дешевле ее в несколько раз. Тем не менее дешевым тантал не назовешь. Относительная дороговизна тантала объясняется высокой ценой материалов, используемых в его производстве, и сложностью технологии получения элемента №73: для получения тонны танталового концентрата необходимо переработать до 3 тыс. т руды.
Металл из гранита
Поиски танталового сырья продолжаются и в наши дни. Ценные элементы, в том числе тантал, есть в обычных гранитах. В Бразилии уже пробовали добывать тантал из гранитов. Правда, промышленного значения этот процесс получения тантала и других элементов пока не имеет – он весьма сложен и дорог, но получить тантал из такого необычного сырья сумели.
Только один окисел
Раньше считалось, что, подобно многим другим переходным металлам, тантал при взаимодействии с кислородом может образовывать несколько окислов разного состава. Однако более поздние исследования показали, что кислород окисляет тантал всегда до пятиокиси Ta 2 O 5 . Существовавшая путаница объясняется образованием твердых растворов кислорода в тантале. Растворенный кислород удаляется при нагревании выше 2200°C в вакууме. Образование твердых растворов кислорода сильно сказывается на физических свойствах тантала. Повышаются его прочность, твердость, электрическое сопротивление, но зато снижаются магнитная восприимчивость и коррозионная стойкость.
ТАНТАЛ, Ta (по имени героя древне-греческой мифологии Тантала; лат. Tantalum * а. tantalum; н. Tantal; ф. tantale; и. tantalo), — химический элемент V группы периодической системы Менделеева , атомный номер 73, атомная масса 180,9479. В природе встречается в виде двух изотопов: 181 Ta (99,9877%) и 180 Ta (0,0123%). Известно 13 искусственных радиоактивных изотопов тантала с массовыми числами от 172 до 186. Тантал открыт в 1802 шведским химиком А. Г. Экебергом. Пластичный металлический тантал впервые получен немецким учёным В. Больтеном в 1903.
Примнение и использование
Основной сырьём для производства тантала и его сплавов служат танталитовые и лопаритовые концентраты , содержащие около 8% Ta 2 O 5 , 60% и более Nb 2 O 5 . Концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые — хлорируют. Разделение Ta и Nb производят с помощью экстракции . Металлический тантал обычно получают восстановлением Ta 2 O 5 углеродом , либо электрохимически из расплавов.
Компактный металл производят вакуумно-дуговой, плазменной плавкой или методом порошковой металлургии. Из тантала и его сплавов изготовляют коррозионно-устойчивую аппаратуру для химической промышленности, фильеры, лабораторную посуду и тигли; теплообменники для ядерно-энергетических систем. 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 применяется в производстве твёрдых сплавов.
Тантал (Та) — относится к категории тугоплавких , атомный номер — 73, атомная масса — 180,9, плотность — 16,6г/см3, температура плавления — 2996ОС, коэффициент линейного расширения — 6,5.10-6, удельная электропроводность — 6,85м/ом.мм2, удельное электрическое сопротивление — 15,0мком/см3(20ОС);0,156ом/мм2/м, модуль упругости — 19000 кг/мм2, предел прочности при растяжении — 91,5 кг/мм2, относительное удлинение — 50% для тонкого листа, 1,5% — для прутков, твёрдость по Бринелю — 75-125кг/мм2.
Тантал был открыт в 1802 году. Шведский химик Экеберг нашёл новый элемент в минералах Скандинавского полуострова и назвал его танталом, из-за того, что его окисел оказался нерастворимым даже в кислотах. По греческой мифологии — Тантал, любимый сын Зевса, который за совершённые им преступления был обречён на вечные муки голода и жажды (танталовы муки). Название тантала символизирует трудности его получения. Тантал был открыт вместе с ниобием в минерале колумбите, они же вместе присутствуют в минералах танталите, манганотанталите, ферротанталите. Тантал и ниобий всегда находятся в минералах вместе и очень трудно разделимы.
В природе известно около120 минералов содержащих ниобий и тантал, но только некоторые из них являются промышленными-ниобий добывается из колумбита (до 77% пентаксида ниобия, есть тантал), тантал из танталита (до 84% пентаксида тантала). Общие мировые запасы пентаксида тантала оцениваются в 150 млн тонн, подтверждённые — одна треть от общих.
Тантал — серебристо-белый металл, по своей химической стойкости против действия ряда реагентов (HCl,H2SO4,HNO3) не уступает платине, а по стойкости против царской водки, даже превосходит её. Чистый от примесей металл весьма пластичен: куётся, прокатывается в тонкий лист и проволоку. Присутствие примесей, в том числе растворённых в металле газов, сильно увеличивает твёрдость и снижает пластичность тантала.
Тантал немагнитен, его можно сваривать, но не дуговой сваркой. При нагреве на воздухе до 400ОС, поверхность тантала покрывается голубой плёнкой окисла, при 600ОС цвет переходит в чёрно-серый, при более высокой температуре окись становится белой.
При нагреве до температуры каления тантал поглощает 740 объёмов водорода, который может быть удалён только в вакууме при температуре, близкой к температуре плавления тантала. Присутствие водорода в тантале делает его твёрдым и хрупким.
Углерод и азот дают с танталом карбиды и нитриды. Тантал достаточно стоек против действия большинства кислот, из них активны только олеум (H2SO4+SO2),фосфорная кислота (выше 145ОС), плавиковая кислота, смесь HNO3+HF. Щёлочи действуют на тантал только в виде горячих концентрированных растворов или в расплавленном состоянии.
ПОЛУЧЕНИЕ.
Исходным сырьём для получения тантала являются танталит Fe(TaO3)2, тантало-колумбит и некоторые другие минералы, выделяемые в виде богатых концентратов. Способов «вскрытия» танталовых, так же как и ниобиевых концентратов существует несколько, в том числе:
а) тонкоизмельчённый концентрат сплавляется с NaOH, образуя танталаты натрия и щелочные соединения примесей; обработкой плава слабой, затем крепкой соляной кислотой удаляют примеси, остающийся осадок Ta2O3 растворяют в HF и добавкой KF переводят в двойную соль K2TaOF7, которая плохо растворима в воде, что способствует её отделению от соли ниобия K2NbOF5, хорошо растворяющейся в воде.
б) концентрат обрабатывают смесью серной и щавелевой кислот при нагревании, тантал переходит в раствор, из которого выделяется в виде окиси.
Кроме этого способа, тантал может быть получен восстановлением его соединений такими активными металлами как кальций, натрий, магний. Наиболее чистый металл получается посредством нагревом тантала, содержащего примеси, в глубоком вакууме при температуре выше 2000ОС. Малая летучесть тантала, в этих условиях, и сильная летучесть примесей, включая связанные водород, кислород и углерод, даёт возможность получить чистый и пластичный металл тантал.
Очень чистый металл тантал получают электролизом расплавленных солей, в которых содержится 0,06%С, 0,02%Fe, 0,01%Ni, 0,002%Mn.
Наиболее широкое промышленное применение нашли способы восстановления комплексных фтористых солей (K2TaF7 и K2NbF7), так как эти соли конечный продукт переработки танталовых и колумбитовых концентратов. В результате длительных и сложных технологических процессов ниобий и тантал получают в виде порошка. Переработка порошков в компактные слитки, пригодные для различных целей, осуществляется главным образом спеканием порошков или плавкой их в высоком вакууме.
ПРИМЕНЕНИЕ.
Области применения тантала весьма разнообразны. Первоначально тантал служил заменой угольных нитей накаливания в электрических лампах, пока его не вытеснил вольфрам. Благодаря высокой стойкости против действия ряда кислот тантал находит широкое применение в химической промышленности: лопасти мешалок турбин, аэраторы, теплообменники, конденсаторы для соляной кислоты. Тюбинги покрывают танталом для обеспечения большей стойкости и сохранности. Особое значение тантал приобрёл в электронной технике. Сплавы тантала с вольфрамом, никелем и другими металлами широко применяются. На базе тантала готовят высокотвёрдые сплавы.
При термической обработке тантал приобретает высокую твёрдость. Тантал обладает свойством пропускать электрический ток только в одном направлении и, в этом качестве, применяется в выпрямителях переменного тока. Из тантала и его сплавов изготавливают режущие инструменты, нержавеющие части машин, нити ламп накаливания, детали электронных ламп, фильеры для протяжки целлюлозных нитей, покрытия внутренних стенок химических реакторов, лабораторную посуду.
Сплавы ниобия с цирконием и танталом, благодаря их термостойкости — замечательные материалы для изготовления корпусов космических кораблей, ракет, управляемых снарядов. Сплавы тантала (90%) с вольфрамом(10%), выдерживающие температурные режимы до 2500-3000ОС, применяются для производства выхлопных труб, форсунок, деталей систем газового контроля и других узлов двигателей ракет. Тантал, подобно ниобию, отличается сверхпроводимостью и используется в этом качестве в электронных приборах.
Карбиды тантала приближаются по твёрдости к алмазу и обладают чрезвычайно высокой тугоплавкостью. Самые тугоплавкие из всех веществ на Земле сегодня — это твёрдый раствор карбидов тантала и гафния, температура плавления которых составляет 4215ОС.
Благодаря своим свойствами внешней красоте, тантал в ювелирных изделиях иногда заменяет платину, так как дешевле её во много раз. Из тантала изготавливают часы, браслеты. Международное бюро мер и весов во Франции и Бюро стандартов в США, используют тантал для изготовления эталонов высокой точности.
Самой важной отраслью применения тантала, является химическое машиностроение. Из тантала изготавливают нагреватели, реакторы, клапаны трубопроводы и другие детали оборудования для производства сильно агрессивных веществ, соляной, серной и других кислот и многих органических и неорганических соединений. Относительно высокая стоимость танталовой аппаратуры окупается длительностью срока службы.
