Физические свойства. Тантал — ценный металл для современной промышленности Тантал применение в промышленности

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 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.

История

Тантал открыт в 1802 году шведским химиком А. Г. Экебергом в двух минералах, найденных в Финляндии и Швеции . Однако в чистом виде выделить его не удалось. Из-за трудностей получения этот элемент был назван по имени героя древнегреческой мифологии Тантала .

В последующем тантал и «колумбий» (ниобий) считали тождественными. Лишь в 1844 году немецкий химик Генрих Розе доказал, что минерал колумбит-танталит содержит два различных элемента - ниобий и тантал.

Крупнейшее мировое месторождение танталовых руд, Гринбушес , расположено в Австралии в штате Западная Австралия в 250 км к югу от Перта .

Физические свойства

При температуре ниже 4,45 К переходит в сверхпроводящее состояние .

Изотопы

Природный тантал состоит из смеси стабильного изотопа и стабильного изомера: 181 Та (99,9877 %) и 180m Та (0,0123 %). Последний является чрезвычайно стабильным изомером (возбуждённым состоянием) изотопа 180 Та, период полураспада которого всего чуть более 8 часов .

Химические свойства

При нормальных условиях тантал малоактивен, на воздухе окисляется лишь при температуре свыше 280 °C , покрываясь оксидной плёнкой Ta 2 O 5 ; с галогенами реагирует при температуре свыше 250 °C . При нагревании реагирует с С, В, Si, P, Se, Те, Н 2 О, СО, СО 2 , NO, HCl, H 2 S.

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).

Токсикология

Распространённость

Получение

Основным сырьём для производства тантала и его сплавов служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие около 8 % Та 2 О 5 , а также 60 % и более Nb 2 O 5 . Концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые - хлорируют. Разделение Та 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 .

Для получения 1 тонны танталового концентрата необходимо переработать до 3000 тонн руды.

Стоимость

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

В наукоемких и стратегических отраслях промышленности ведущих стран мира непрерывно растет. Динамика этого роста объясняется двумя взаимосвязанными причинами. Первая заключается в необходимости повышения качественных характеристик высокотехнологичной продукции гражданского и военного назначения. Вторая же, в том, что тантал наилучшим образом подходит для решения первой задачи, поскольку обладает внушительным перечнем ценнейших свойств, среди которых:

• исключительная коррозионная стойкость;
• уникальная стойкость к химическому воздействию газов и кислот;
• высокая плотность (16,6 г/см 3) и удельная электроемкость;
• сверхтвердость и пластичность;
• хорошая технологичность (механическая обрабатываемость, свариваемость);
• жаропрочность и жаростойкость (температура плавления 3000°C);
• способность поглощать газы (в сотни раз больше собственного объема);
• высокий коэффициент теплопередачи;
• уникальная биологическая совместимость и многое другое.

Формы выпуска тантала

Для производства высокотехнологичных изделий тантал применяется как в чистом виде, так и в виде сплавов. Широким спектром его применения обусловлен большой выбор танталовых и танталосодержащих полуфабрикатов. Для дальнейшей обработки выпускается танталовый пруток и лента , пластины, диски, слитки (марки ЭЛП-1, ЭЛП-2, ЭЛП-3). Наиболее востребованы танталовая проволока и листы , а также фольга (марки ТВЧ и ТВЧ-1) и металлический порошок конденсаторной квалификации. На порошок приходится около 60% мирового производства тантала, который потребляется радиоэлектронной отраслью для создания элементной базы современной «умной» техники. Около 25% рынка занимает танталовый лист и проволока, плюс фольга.

Рисунок 1. Продукция из тантала.

Области применения тантала

• производство электровакуумных приборов;
• электротехника и электроника;
• телекоммуникации и связь;
• аэрокосмическая промышленность;
• химическое машиностроение;
• ядерная индустрия;
• металлургия твердых сплавов;
• медицина и т.д.

Тантал в электровакуумных приборах

Рабочее пространство электровакуумных приборов заполнено специальным газом или вакуумом, в котором находятся два (анод и катод) или более электрода, образующих в пространстве ток эмиссии. К таким устройствам относятся электровакуумные СВЧ-приборы магнетронного типа, приборы радиолокационных, навигационных и гидроакустических станций, осциллографы, счетчики элементарных частиц, электровакуумные фотоэлементы, рентгеновская аппаратура, электронные лампы и многое другое. В ряде электровакуумных устройств тантал служит материалом для геттеров – газопоглотителей, поддерживающих в камерах состояние глубокого вакуума. В некоторых приборах электроды очень быстро и сильно нагреваются, поэтому в них, в качестве «горячей арматуры», применяется тонкая танталовая лента (марка Т или ТВЧ) или проволока (марка ТВЧ), способная долго (десятки тысяч часов) и стабильно работать при высоких напряжениях и пульсирующих температурах.

Тантал в металлургии твердых сплавов

В металлургической промышленности тантал используют для создания сверхтвердых тугоплавких сплавов, компонентами которых выступают карбиды тантала (марки ТТ) и вольфрама. Из танталовольфрамовых сплавов (марки ТВ-15,ТВ-10,ТВ-5) производят металлорежущий и обрабатывающий инструмент, сверхпрочные «коронки» для бурения отверстий в камне и композитах. Сплавы из карбида тантала и никеля с легкостью обрабатывают поверхность алмазов, не уступая им в твердости. Из тантала (твердость по Бринеллю до 1250–3500 МПа) делают детали криогенных установок, фильеры и тигли для плавки и очистки редкоземельных металлов, сосуды для холодного прессования металлических порошков.

Тантал в химическом машиностроении

В химическом машиностроении бесшовная холоднодеформированная танталовая труба (марка ТВЧ) и лист применяются в конструкциях коррозионностойкой аппаратуры, работающей в химически агрессивной среде. Из тантала производят различные кислотоупорные конструкции (змеевики, мешалки, дистилляторы, аэраторы, трубопроводы), лабораторное оборудование, устройства нагрева и охлаждения, функционирующие в контакте с кислотами, в том числе, с концентрированными субстанциями. Танталовая фольга используется для плакировки (тонкого термомеханического покрытия) поверхности деталей и оборудования на линиях по производству серной кислоты, аммиака и т.п.

Тантал в медицине

Тантал обладает уникальной совместимостью с живыми тканями и не отторгается ими. В медицине танталовая проволока применяется в виде нитей и скоб для скрепления мускульных тканей, сухожилий, нервных волокон, кровеносных сосудов. Из нее же делают сетки для глазных протезов, а из листа – корпуса сердечных электростимуляторов. В восстановительной хирургии танталовый пруток и лента считаются безальтернативными материалами для костного протезирования и замещения. Исключительную важность танталовый лист представляет как «ремонтный» материал при повреждениях черепа.

Тантал в аэрокосмической промышленности

Как высокотемпературный конструкционный материал, в аэрокосмической промышленности танталовый лист применяется для производства ответственных компонентов ракет и самолетов. Например, из тантала изготавливают носовые части ракет и жаропрочные лопатки газовых турбин турбореактивных двигателей на жидком топливе. Из танталовых сплавов производят сопловые детали, форсажные камеры и т.д.

Тантал в ядерной индустрии

Из танталовой трубы (марка ТВЧ) изготавливают теплообменники для ядерно-энергетических систем, устойчивые к перегретым расплавам и парам цезия. Из тантала производятся диффузионные барьеры для сверхпроводников термоядерных реакторов. Радиоактивный изотоп тантал-182 используется в лучевой терапии. Тонкая танталовая проволока (50-100 мкм) с покрытием из платины применяется как внутритканевый источник гамма-излучения, точечно воздействующий на раковые клетки. В начале 2018 года в СМИ появилась информация, что китайские ученые проводят опыты с тантал-182 в военных целях. Суть экспериментов не разглашается, но, скорее всего, речь может идти об использовании изотопа тантала в качестве «размножающего» агента для «грязных» бомб.

Тантал в электротехнике и электронике

Танталовый порошок (ТУ95.250-74) используют при изготовлении современных конденсаторов для телекоммуникационного, микроэлектронного и компьютерного оборудования. При миниатюрных размерах они превосходят большинство других электролитических конденсаторов по удельной емкости на единицу объема, отличаются большим диапазоном рабочих температур, высокой надежностью. Танталовые конденсаторы сохраняют свои характеристики до 25 лет в режиме хранения, а в режиме эксплуатации способны работать до 150 тысяч часов. Сегодня танталовые конденсаторы присутствуют на микросхемах практически каждого смартфона, компьютера, игровой приставки, а также в военной аппаратуре. Тантал используется в выпрямителях электрического тока, поскольку он обладает способностью пропускать его только в одном направлении.

Рисунок 2. Конденсатор из тантала.

Заключение

Помимо перечисленного, танталовый пруток и лист, фольга, проволока, порошок, используются для решения десятков и сотен других задач. В металлургии тантал применяется в качестве легирующего стабилизирующего компонента при производстве сверхпрочных, коррозионностойких, жаропрочных сталей и сплавов . Соединения тантала выступают в роли катализаторов в процессах химических производств, например, синтетического каучука. Тантал показал высокую эффективность в оптике, поскольку при добавлении в стекло, он увеличивает его коэффициент преломления, что позволяет делать линзы не сферическими, а более тонкими и плоскими, даже при больших диоптриях. В ювелирном деле тантал используется наравне с платиной при производстве браслетов, часов, перьев авторучек. Нет никаких сомнений, что тантал является одним из самых востребованных и перспективных металлов, используемых в высокотехнологичных областях промышленности, и как мы видим, не только в них.

До второй половины 50-х годов основное внимание уделялось танталу, нашедшему весьма разнообразное применение в различных областях техники. Когда же были открыты большие запасы ниобиевых руд, то положение резко изменилось и сейчас ниобий считается одним из важнейших металлов, которому предстоит большое будущее. Достаточно сказать, что ниобий находит применение в атомной энергетике в качестве конструкционного материала, так как обладает высокой жаропрочностью, химической стойкостью благоприятным сечением захвата нейтронов. В Англии и США давно работают атомные реакторы, для сооружения которых был применен ниобий. Физические свойства ниобия обусловливают также его применение в ракетной технике, реактивных самолетах, газовых турбинах. Широкое применение для этих целей найдут также сплавы ниобия с другими металлами.

Исключительная устойчивость тантала по отношению к кислотам позволяет использовать его в качестве кислотоупорного материала для производственных и лабораторных целей. Он применяется для змеевиков, мешалок, для покрытия внутренних стенок реакторов (для сильнокислых горячих растворов и органических жидкостей), как заменитель платины для производства лабораторной посуды.

В последнее время стали применять трубопроводы из тантала в производстве соляной кислоты, причем высокая стоимость установки, вполне окупается ее долгой службой. Кроме того теплоотдача от тантала в жидкой среде очень высока, поэтому тепловые потери малы, а скорость процессов нагрева велика.

Танталовые катоды рекомендуется применять при электрическом выделении золота и серебра. Преимущество их заключается в том, что осадок золота и серебра можно растворить царской водкой, не действующей на тантал. Танталовые электроды можно применять в потенциометрии при работе с так называемыми «биметаллическими» электродами: один электрод танталовый, другой - графитовый, вольфрамовый или платиновый, в зависимости от определяемого вещества и титрующего реактива. Применяют тантал и для электролитических конденсаторов.

Танталовые пластинки, стержни и проволока применяются в восстановительной хирургии.

Механические свойства, как тантала, так и ниобия очень высоки. Широкое применение этих металлов ограничено высокой стоимостью. В настоящее время тантал играет особую роль в производстве электронных ламп. Потребление его для этой цели за последние годы возросло во много раз. Радиоприборы с танталовыми лампами находят широкое применение в технике. Способность тантала (а также и ниобия) поглощать газы используется в вакуумной технике для удаления следов газа.

Тантал является важнейшим металлом при изготовлении так называемой «горячей арматуры»- анодов, сеток, катодов, косвенного накала в важнейших электровакуумных приборах; тантал способствует созданию высокого вакуума и не распылается, так как обладает высокой температурой плавления. Известно также, что на тантале при анодной поляризации легко образуется анодная пленка, быстро восстанавливающаяся при пробе. Это свойство позволяет применять тантал для выпрямителей и грозовых разрядников. Тантал входит в состав специальных оптических стекол. Сплавы тантала с вольфрамом и молибденом обладают повышенным электросопротивлением и применяются для изготовления термопар.

Ниобий и тантал относятся к числу карбидообразующих элементов и находят себе применение в сталелитейном производстве в качестве легирующих примесей. Ниобий долгое время считался вредной примесью к танталу. В настоящее время считается, что ниобий даже эффективнее тантала в том смысле, что благодаря меньшему атомному весу может заменять тантал в половинном количестве по весу, давая такой же эффект. Ниобий наряду с хромом и никелем в ходят в состав железного сплава, применяемого для изготовления сварочных электродов. Частично можно заменять ниобий танталом без ухудшения качества электродов. Ниобий и тантал находят применение для сверхтвердых сплавов благодаря способности образовывать весьма твердые карбиды. Намечается также применение ниобия для улучшения свойств сплавов цветных металлов (мельхиора, нихрома) и некоторых сплавов алюминия.

Ниобий и тантал могут применяться для выпрямителей, так как обладают способностью пропускать электрический ток только в одном направлении (униполярной проводимостью). Оба металла применяются для анодов мощных генераторных и усилительных ламп.

Мы предлагаем следующую продукцию из тантала: танталовый круг, танталовый лист, танталовую проволоку, танталовую ленту.

Тантал - химический элемент с зарядом ядра 73, при обычных условиях - металл серого цвета.

Нахождение в природе тантала

В природе встречается в виде двух изотопов: стабильного 181 Та (99,9877 %) и радиоактивного с периодом полураспада 10 12 лет 180 Та (0,0123 %).

Известно около 20 собственно минералов тантала - серия колумбит - танталит, воджинит, лопарит, манганотанталит и другие. 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.

• 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 %

Физические свойства тантала

Обладает высокой температурой плавления (3015°С), цвет в чистом виде серо-стальной, плотность 16,6, несмотря на твёрдость пластичен, как золото.

При обычной температуре тантал устойчив на воздухе. Начало окисления наблюдается при нагревании до 200 - 300°С. Выше 500° происходит быстрое окисление с образованием окисла Ta 2 O 5 .

Тантал имеет кубическую объемноцентрированную решетку (а = 3,296 Å); атомный радиус 1,46 Å, ионные радиусы Та 2+ 0,88 Å, Та 5+ 0,66 Å; плотность 16,6 г/см 3 при 20 °С; t пл 2996 °С; Т кип 5300 °С; удельная теплоемкость при 0-100°С 0,142 кдж/(кг·К) ; теплопроводность при 20-100 °С 54,47 Вт/(м·К) . Температурный коэффициент линейного расширения 8,0·10 -6 (20-1500 °С); удельное электросопротивление при 0 °С 13,2·10 -8 ом·м, при 2000 °С 87·10 -8 ом·м. При 4,38 К становится сверхпроводником. Тантал парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 0,849·10 -6 (18 °С). Чистый Тантал - пластичный металл, обрабатывается давлением на холоду без значительного наклепа. Его можно деформировать со степенью обжатия 99% без промежуточного отжига. Переход Тантала из пластичного в хрупкое состояние при охлаждении до -196 °С не обнаружен. Модуль упругости Тантала 190 Гн/м 2 (190·10 2 кгс/мм 2) при 25 °С. Предел прочности при растяжении отожженного Тантала высокой чистоты 206 Мн/м 2 (20,6 кгс/мм 2) при 27 °С и 190 Мн/м 2 (19 кгс/мм 2) при 490 °С; относительное удлинение 36% (27 °С) и 20% (490 °С). Твердость по Бринеллю чистого рекристаллизованного Тантала 500 Мн/м 2 (50 кгс/мм 2). Свойства Тантала в большой степени зависят от его чистоты; примеси водорода, азота, кислорода и углерода делают металл хрупким.

Химические свойства тантала

При нормальных условиях тантал малоактивен, на воздухе окисляется лишь при температуре свыше 280 °C, покрываясь защитной плёнкой Ta 2 O 5 ; с галогенами реагирует при температуре свыше 250 °C. При нагревании реагирует с С, В, Si, P, Se, Те, Н 2 О, СО, СО 2 , NO, HCl, H 2 S.

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).

Характерное свойство тантала - способность поглощать газы: водород, азот и кислород. Небольшие примеси этих элементов сильно влияют на механические и электрические свойства металла. При низкой температуре водород поглощается медленно, при температуре примерно 500°С водород поглощается с максимальной скоростью, причём происходит не только адсорбция, но и образуются химические соединения - гидриды (ТаН). Поглощённый водород придаёт металлу хрупкость, но при нагревании в вакууме выше 600°С почти весь водород выделяется и прежние механические свойства восстанавливаются.

Тантал поглощает азот уже при 600°С, при более высокой температуре образуется нитрид TaN, который плавится при 3087°С.

Углерод и углеродсодержащие газы (СН 4 , СО) при высокой температуре в 1200 - 1400°С взаимодействуют с металлом с образованием твёрдого и тугоплавкого карбида ТаС (плавится при 3880°С).

С бором и кремнием тантал образует тугоплавкий и твёрдый борид и силицид: ТаВ 2 (плавится при 3000°С) и NaSi 2 (плавится при 3500°С).

Тантал устойчив против действия соляной, серной, азотной, фосфорной и органических кислот любой концентрации на холоду и при 100 - 150°С. По стойкости в горячих соляной и серной кислотах тантал превосходит ниобий. Тантал растворяется в плавиковой кислоте и особенно интенсивно - в смеси плавиковой и азотной кислот.

Менее устойчив тантал в щелочах. Горячие растворы едких щелочей заметно разъедают металл, в расплавленных щелочах и соде он быстро окисляется с образованием натриевой соли танталовой кислоты.

Получение тантала

Основным сырьём для производства тантала и его сплавов служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие около 8 % Та 2 О 5 , 60 % и более Nb 2 O 5 . Концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые - хлорируют. Разделение Та 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.

Крупнейшее мировое месторождение танталовых руд Гринбушес расположено в Австралии в штате Западная Австралия в 250 км к югу от Перта.

Массовая доля примесей в тантале в % не более
Nb (ниобий) 0,05	O (кислород) 0,01	Na (натрий) 0,0002	Mn (марганец) 0,0001	Sn (олово) 0,0001
Fe (железо) 0,0015	N (азот) 0,01	Mg (магний) 0,0002	Co (кобальт) 0,0001	Cr (хром) 0,0005
Ti (титан) 0,0005	C (углерод) 0,005	Al (алюминий) 0,0005	Ni (никель) 0,0003	Zr (цирконий) 0,0005
Si (кремний) 0,0015	H (водород) 0,0005	Ca (кальций) 0,001	Cu (медь) 0,0005	W (вольфрам) 0,01

Применение тантала

Первоначально использовался для изготовления проволоки для ламп накаливания.

Тантал впервые был применён в 1900 - 1903 гг. для изготовления нитей накаливания в электролампах, но позже, в 1909 - 1910 гг., его заменили вольфрамом.

Широкое применение тантала было связано с развитием электровакуумной техники, к которой относится производство радиотехнической, радиолокационной и рентгеновской аппаратуры.

Тантал обладает сочетанием ценных свойств (высокой температурой плавления, высокой эмиссионной способностью и способностью поглощать газы), позволяющих применять его для изготовления деталей электровакуумной аппаратуры. Способность поглощать газы используется для поддержания глубокого вакуума в радиолампах и других электровакуумных приборах.

Из танталовых листов и штабиков изготовляют «горячую арматуру» (нагреваемые детали) - аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие детали электронных ламп, особенно мощных генераторных ламп.

Кроме чистых металлов для тех же целей применяют танталониобиевые сплавы.

В конце 50-х - начале 60-х годов важное значение приобрело применение тантала для изготовления электролитических конденсаторов и выпрямителей тока. Здесь использована способность тантала к образованию устойчивой окисной плёнки при анодном окислении. Окисная плёнка устойчива в кислых электролитах и пропускает ток только в направлении от электролита к металлу. Удельное электросопротивление плёнки Та 2 О 5 в направлении, не проводящем ток, очень высокое (7, 5 . 10 12 ом. см), диэлектрическая постоянная плёнки 11, 6.

Танталовые конденсаторы с твёрдым электролитом отличаются высокой ёмкостью при малых размерах, высоким сопротивлением изоляции (в 2 - 3 раза выше, чем у алюминиевых конденсаторов), стойкостью плёнки. Положительная обкладка у этих конденсаторов выполнена в виде таблетки, спрессованной из танталового порошка и спечённой в нейтральной среде при высокой температуре. Эффективная поверхность такой пористой таблетки в 50 - 100 раз больше, чем геометрическая, что позволяет получить очень малые габаритные размеры конденсатора при относительно большой ёмкости его. Положительная обкладка помещается в корпус, заполненный электролитом, служащим отрицательной обкладкой, соединённой с корпусом. Выпускались конденсаторы типа ЭТО четырёх видов: ЭТО-1 (ЭТО-С), ЭТО-2, ЭТО-3, ЭТО-4. Конденсаторы вида ЭТО-1, предназначенные для использования в аппаратуре особо ответственного назначения, обозначаются ЭТО-С. Также существуют конденсаторы типа ЭТ и ЭТН: электролитические танталовые и электролитические танталовые неполярные. Конденсаторы можно применять в широком интервале температур от -80 до +200°С. Танталовые конденсаторы широко используют в радиостанциях, различной военной аппаратуре и других приборах.

Коррозионная стойкость тантала в кислотах и других средах, в сочетании с высокой теплопроводностью и пластичностью делает его ценным конструкционным материалом для аппаратуры в химических и металлургических производствах. Тантал служит материалом фильер (взамен платины) для формирования волокон в производстве искусственного шёлка.

Тантал входит в состав различных жаропрочных сплавов для газовых турбин реактивных двигателей. Легирование танталом молибдена, титана, циркония, алюминия и меди резко улучшает свойства этих металлов, а также их сплавов.

Карбиды тантала входят в состав некоторых марок металлокерамических твёрдых сплавов на основе карбида вольфрама, используемых для резания сталей. Тантал используется как легирующая добавка в сталях. Также тантал входит в состав различных жаропрочных сталей (например, для газовых турбин), в состав инструментальных и магнитных сталей.

Тантал в виде проволоки и листов применяют в медицине - в костной и пластической хирургии (скрепление костей, «заплатки» при повреждении черепа, наложение швов и т.д.). Металл совершенно не раздражает живую ткань и не вредит жизнедеятельности организма.

В органическом синтезе применяют некоторые соединения тантала (фтористые комплексные соли, окислы) как катализаторы.

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%.