Металл тантал: открытие, применение, будущее. Свойства атома тантала, химические и физические свойства

Что такое тантал?

Тантал добывается в разных частях планеты, но большая часть металла поступает из Южной Америки и Австралии. В месторождениях часто встречается с ниобием, а также с торием, ураном и другими радиоактивными элементами, поэтому после добычи нуждается в очистке от примесей. В чистом виде тантал представляет собой блестящий серебристый металл с голубым оттенком.
Тантал широко используется в производстве конденсаторов, резисторов высокой мощности и других электронных компонентов. Месторождения тантала быстро истощаются. Эксперты утверждают, что запасов металла осталось примерно на пятьдесят лет добычи. Это значит, что если в ближайшие годы не найдут новые богатые танталом месторождения, в недалеком будущем мы останемся без этого микроэлемента.

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 ученый химик 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.

Путаница с металлами

История металла получилась очень запутанной. Долгое время его принимали за ниобий, и понадобилось больше 30 лет, чтобы доказать обратное. До начала XIX века оба металла не были известны науке. В 1801 году в Южной Америке был найден колумбий. Через год в Швеции и Финляндии Андерс Экеберг обнаружил минерал с частичками неизвестного металла, который назвал танталом в честь мифического персонажа.

В 1809 году Уильям Волластон сравнил два новых для химии вещества. Их свойства были очень похожи, из-за чего учёный заключил, что всё это один и тот же металл. Его выводы подтвердил Фридрих Вёлер, и с тех пор между колумбием и танталом ставили знак равенства.

В середине 40-х годов XIX века Генрих Розе усомнился в утверждениях своих предшественников. Он установил, что тантал и колумбий – отдельные элементы. Чтобы подчеркнуть схожесть металлов, он переименовал колумбий в ниобий в честь легендарной дочери Тантала. Позже выводы Розе неоднократно подтверждались, а ему самому часто приписывается открытие ниобия.

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.

Пластичный металлический тантал впервые получен немецким учёным В. Болтоном в 1903 году.

Первый промышленный штабик тантала был получен в 1922 году, при этом он не превышал по величине спичечную головку. Тогда элемент начал применяться в выпрямителях тока и радиолампах. Активное производство тантала было развёрнуто в самом конце Второй Мировой войны.

Описание и свойства тантала

В периодической таблице этот металл занимает 73-ю позицию, обозначается Ta.

При нормальных условиях имеет серебристый цвет, внешне похож на серебро и некоторые другие благородные металлы. За счет окисления в воздухе покрывается оксидной пленкой, темнеет, становится более похожим на свинец. При комнатной температуре окисление протекает очень медленно, поэтому металл долго сохраняет свой характерный цвет. Активное окисление в воздухе начинается при температуре выше 280°С.

С галогенами металл вступает в реакции при низких температурах, но сразу покрывается поверхностной пленкой, которая защищает его от дальнейших реакций по всему объему.

Температура плавления относительно высокая, составляет 3017°С. Она намного выше, чем у многих металлов. Для сравнения:

• свинец – 327°С;
• алюминий – 660°С;
• латунь — до 1000°С;
• золото – 1064°С;
• медь – 1083°С;
• железо – 1540°С.

Благодаря высочайшей прочности металла тантала, его используют во многих отраслях производства
Среди материалов, широко используемых в промышленности, по температуре плавления тантал уступает вольфраму, у которого эта величина равна 3420°С.

Плотность тантала равна 16700 кг/м3, этот металл намного плотнее, чем распространенные железо и медь, у которых она равна соответственно 7870 и 8940 кг/м3. По плотности его можно сравнить с золотом, плотностью которого 19320 кг/м3. Тантал обладает высокой твердостью. Несмотря на свойства, это очень пластичный металл. Материал можно раскатать до толщины 1 мкм. Такой пластичностью обладает только золото.

Прокат материала проводится без нагревания, что значительно упрощает его обработку. Механическую прочность можно повысить наклепом. При температуре ниже – 196°С свойство пластичности исчезает, металл становится хрупким.

По магнитным свойствам тантал относят к парамагнетикам. Свойства парамагнетика хорошо проявляются при температурах ниже 3420°С, затем металл становится ферромагнетиком.

Тантал обладает высочайшей устойчивостью к агрессивным действиям среды. Его не разрушает азотная кислота с концентрацией 70%. На него не действует серная кислота, нагретая до 150°С, но при повышении температуры кислоты до 200°С начинается медленное разрушение металла.

Такая антикоррозийная стойкость металла, превышающая стойкость нержавеющей стали, сделала его незаменимым в целом ряде производственных процессов.

Для выделения драгоценных металлов из растворов и расплавов их солей применяется электролиз. Но катоды, на которые осаждаются благородные металлы, при этом быстро разрушаются. Замена катодов, изготовленных из обычных металлов, на танталовые сделала процесс электролиза намного эффективнее и дешевле. Этот способ применяется и для выделения из руд редкоземельных элементов.

Тантал обладает высокой биологической совместимостью, поэтому получил широкое применение в медицине. Протезы и имплантаты из него не оказывают химического воздействия на организмы, не окисляются, поэтому организмом не отторгаются.

К хорошим проводникам электрического тока тантал отнести нельзя, его удельное сопротивление при 20°С составляет 0,13 Ом*мм²/м, оно больше, чем у железа (0,1 Ом*мм²/м). Но он обладает относительно высокой температурой перехода в состояние сверхпроводимости, она равна 4,5К. При более высокой температуре в состояние сверхпроводимости переходят ванадий (5,3К), свинец (7,2К) и его “близнец” ниобий (9,2К). Это свойство тантала сделало его востребованным в производстве сверхпроводников криотонов, используемых в электронно-вычислительной технике. В радиоэлектронике используются конденсаторы с танталовыми обкладками. Они оказались самыми эффективными, но работать могут при небольших значениях напряжения.

В военной промышленности сплавы тантала используются для увеличения пробивной способности снарядов.

В научных и военных целях радиоактивные изотопы используются для создания источников гамма-излучения. Радиоактивные изотопы входят в состав ископаемых, но в гораздо большей концентрации они содержатся в отходах, остающихся после работы ядерных реакторов.

Тантал применяется при строительстве защиты ядерных реакторов, так как это один из немногих элементов, не разрушающихся от действия паров цезия.

На поверхности режущего инструмента для придания ему особой прочности наносится карбид тантала. Такой инструмент используется для резки и сверления особо прочных материалов, при бурении глубинных скважин в твердых породах.

Тантал благодаря высочайшей прочности, устойчивости к окислению и высокой температуре плавления используется в производстве авиационных и ракетных двигателей.

Детали, изготовленные из тантала, в агрессивных средах служат на десятки лет дольше, чем изготовленные из других материалов с высокой коррозийной стойкостью.

Все физические характеристики материала можно изменять, внося в него легирующие добавки.

Тантал. Описание и свойства металла тантал

Металл Тантал открыт довольно недавно, а именно в 1802 году. Обнаружить этот металл посчастливилось шведскому химику А.Г. Экебергу. При исследовании двух новых минералов, которые были найдены в скандинавских странах, выяснилось, что помимо известных элементов содержится и ранее неизученный. Ученому так и не удалось выделить металл из минерала в чистом виде, так как с этим возникли большие трудности.

В связи с этим, неисследованный металл получил название в честь героя из мифологии Древней Греции, и по которому был написан миф о Тантале. После этого, на протяжении 40 с лишним лет, считалось, что тантал и ниобий – это один и тот же металл. Однако один немецкий химик доказал различие металлов, а после этого еще один немец выделил тантал в чистом виде, и произошло это только в 1903 году.

Серийное производство проката и изделий из тантала началось только в ходе Второй Мировой войны. Сегодня этому элементу присвоено название «умного металла», так как без него не обходись в интенсивно развивающейся электронике.

Описание и свойства тантала

Тантал– это металл с высокой твердость и атомной плотностью. В периодической таблице химических элементов, тантал расположился на 73 позиции. В мировой практике принято обозначать этот металл сочетанием двух букв, а именно Ta. При атмосферном давлении и комнатной температуре тантал имеет характерный серебристо-металлический цвет. Образовывающаяся на поверхности оксидная пленка на металле придет ему свинцовый оттенок.

Тантал элемент при комнатной температуре малоактивный. Окисление воздухом поверхности этого металла возможно только при температурах свыше 280 градусов. С галогенами тантал реагирует при температуре на 30 градусов ниже, чем с воздухом. При этом на поверхности образуется защитная пленка, которая препятствует дальнейшему проникновению окисляющих элементов по глубине металла.

Тантал химический элемент с довольно высокой температурой плавления. Так, она составляет 3290 К, а температура кипения достигает 5731 К. Несмотря на высокую плотность (16,7 г/см3) и твердость, он достаточно пластичен. По пластичности тантал можно сравнить с золотом. С чистым металлом очень просто и удобно работать.

Он прост в механической обработке, например, его можно раскатать в прокат с толщиной в 1-10 мкм. Также необходимо заметить, что тантал является парамагнетиком. Интересная особенность этого металла начинает проявляться при температуре 800 градусов: тантал поглощает 740 своих объемов газа.

В мировой практике есть уже целый ряд фактов, которые говорят о превосходной стойкости этого металла в очень агрессивных средах. Например, известно, что тантал не повреждается даже 70% азотной кислотой. Серная кислота до 150 градусов также не приводит к коррозионному разрушению, но уже при 200 градусах металл начнет растворяться со скоростью 0,006 мм/год.

Некоторые производственные факты говорят и том, что тантал намного более стойкий, чем нержавеющие стали аустенитного класса. Поэтому поводу известен случай, в котором детали из тантала проработали на 20 лет дольше деталей из нержавеющей стали.

Еще одним интересным фактом является то, что тантал используется для каталитического выделения серебра и золота. Из него делаются катоды, на которые в свою очередь осаждается благородный металл, а после смывается царской водкой. При этом катод и тантала благодаря своей восхитительной стойкости к кислотам, остается целым.

Применение тантала

Когда давно этот металл, использовался для производства нитей в лампы накаливания. Сегодня же тантал и сплавы тантала используются в следующих отраслях и изделиях:

— при выплавке жаропрочных и коррозионностойких сплавов (например, деталей авиационных двигателей);

— в химической промышленности для создания коррозионностойкой аппаратуры;

— в металлургическом производстве по производству редкоземельных металлов;

— при сооружении ядерных реакторов (тантал является самым устойчивым металлом к парам цезия);

— за счет своей высокой биосовместимости, тантал используется для изготовления медицинских имплантатов и протезов;

— для производства сверхпроводников — криотронов (это элементы вычислительной техники);

— используется в военной промышленности для изготовления снарядов. Использование этого металла увеличивает пробивную способность боеприпасов;

— из тантала делаются более эффективные конденсаторы низкого напряжения;

— в последнее время тантал прочно вошел в ювелирное дело. Это связано с возможностью металла образовывать прочные пленки оксидов на поверхности, которые могут быть различных цветов и оттенков;

— большое количество модификаций тантала накапливается в ядерных реакторах. В лабораторных или военных целях эта модификация металла может использоваться в качестве источника гамма излучения;

— этот металл используется в качестве основного (после платины) для изготовления эталонов массы, которые обладают повышенной точностью;

— некоторые интерметаллидные соединения тантала имеют очень высокую твердость и прочность, а также повышенную устойчивость к окислению. Эти соединения используются в авиационно и космической отраслях;

— карбиды тантала используются для изготовления режущего инструмента повышенной красностойкости. Инструмент получается методом спекания смеси порошков карбидов. Используются данные инструменты в очень тяжелых условиях, например, при ударном бурении;

— пятивалентный оксид тантала необходим для сварки стекол атомной техники.

Месторождения и добыча тантала

Тантал относится к редким металлам. Его количество в земной коре составляет всего 0,0002 %. В это количество входят две модификации металла: стабильная и радиоактивная. Этот редкий металл встречается в виде собственных соединений и входит в состав многих минералов. Если тантал входит в минерал, то он постоянно будет вместе с ниобием.

Месторождения танталовых соединений и минералов есть во многих странах. Самое большое месторождение этого элемента в Европе находится во Франции. На африканском континенте больше всего тантала в Египте. Также высокими запасами этого металла располагают Китай и Таиланд. Месторождения меньшего размера расположены в СНГ, Нигерии, Канаде, Австралии и других странах. Однако самые крупные залежи, открытые на сегодняшний день находятся в Австралии.

В год в мире добывается около 420 тонн тантала. Основные перерабатывающие комбинаты этого металла расположены в США и ФРГ. Стоит отметить, что мировое сообщество заявляет о необходимости увеличения добычи этого редкого металла. Такие заявления в-первую очередь связаны с увеличением выпуска электроники, в которой интенсивно используется этот элемент.

Таким образом, количество разрабатываемых месторождений с каждым годом увеличивается. Так, например, к основным мировым, разрабатываемым месторождениям, добавились еще места в Бразилии, США и ЮАР. Однако стоит отметить, тот факт, что в последнее 10-ти летите, наблюдается интенсивное снижение добычи тантала. Самый низкий показатель в 21 веке по добыче пришелся на 2010 год.

Цена тантала

Стоимость тантала за последние 15 лет колебалась очень сильно. Так, в 2002-2003 годах купить тантал можно было по самой минимальной цене. В текущем году цена тантала колебалась от 340 до 375 долларов за килограмм. В России на сегодняшний день можно купить тантал, цена которого составляет 2950 рублей за один килограмм.

Физические свойства

Тантал обладает высокой температурой плавления — 3290 K (3017 °C); кипит при 5731 K (5458 °C). Плотность тантала — 16,65 г/см³. Несмотря на твёрдость, пластичен, как золото. Чистый тантал хорошо поддаётся механической обработке, легко штампуется, раскатывается в проволоку и тончайшие листы толщиной в сотые доли миллиметра. Тантал является отличным геттером (газопоглотителем), при 800 °C он способен поглотить 740 объёмов газа. Кристаллическая решётка — кубическая, объёмноцентрированная. Обладает парамагнитными свойствами.

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

Изотопы

Известны изотопы тантала с массовыми числами от 155 до 190 (количество протонов 73, нейтронов от 82 до 117), и более 30 ядерных изомеров.

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

Тантал – 73 элемент таблицы Менделеева

Тантал (по имени героя др.-греческого мифологии Тантала, осужденного на вечную неутолимую жажду; назван так из-за трудности получения его в чистом виде; лат. Tantalum)Ta, химический элемент V гр. периодической системы, атомный номер 73, атомная масса 180,9479. В природе два изотопа: стаб. 181Та (99,9877%) и радиоактивный 180Та (0,0123%, b-излучатели, Т1/2 1•1013 лет). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 2,13•10-27 м2. Конфигурация внешний электронных оболочек атома 5s25р65d36s2; степень окисления +5, значительно реже + 4, +3 и +2; энергии ионизации Та0 : Та+ : Та2+ соответственно 7,89 и 16,2 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,5; атомный радиус 0,146 нм, ионные радиусы, нм (в скобках указаны координац. числа): Та3+ 0,086(6), Та4+ 0,082(6), Та5+ 0,078 (6), 0,083 (7), 0,088(8).

Содержание Тантала в земной коре 2,5•10-4% по массе. Встречается в природе обычно вместе с Nb. Входит в состав несколько десятков минералов, представляющих собой тантало-нио-баты или титано-тантало-ниобаты. Важнейшие из них-колумбит-танталит и пирохлор (см. Ниобии), микролитемпературазновидность пирохлора с содержанием 55-74% Та2О5. ТАНТАЛ содержится также в касситерите (см. Олово), при переработке которого ТАНТАЛ переходит в шлаки восстановит. плавки (11-15%, иногда до 30% Та2О5). Месторождения ТАНТАЛ имеются в Нигерии, Канаде, Бразилии, СНГ, Австралии, Заире, Малайзии, Мозамбике и Таиланде. Общие мировые запасы ТАНТАЛ в 1980 оценивались в 254 тысяч т, в пром. месторождениях-около 65, 3 тысяч т.

Физико-химические характеристики

Тантал относится к тугоплавким металлам, однако по пластичности соперничает с золотом.

Будучи чистым, легко обрабатывается. Примеси газов разрушают кристаллическую структуру, сводя на нет это свойство.

Тяжёлый твёрдый металл серого цвета – тантал

У металла средняя электропроводимость, но он становится сверхпроводником при меньших температурах, чем другие.

Химические свойства проявляются при высоких температурах:

• Окисляется, если воздух горячее 280°C. Результат – радужная пленка-оксид, защищающая от дальнейших трансформаций.
• Беспримесный металл равнодушен к воздействию агрессивных сред (кроме щелочного расплава).

Химическая стойкость тантала аналогична стеклу.

Не растворяется кислотами (кроме плавиково-азотной смеси), включая царскую водку. С плавиковой взаимодействует порошковый тантал, реакция завершается взрывом.

Нахождение в природе и производство тантала

Тантал, как химический элемент, очень редко встречается в природе, составляет всего 0,0002% от земной коры. Очень редко встречается в чистом виде, чаще всего в составе различных минералов, в соседстве с другим металлом – ниобием.

Месторождения этого элемента встречаются в многих странах. Большие месторождения встречаются во Франции, Египте, Китае и Таиланде. Но наибольшие залежи этого элемента находятся в Австралии. Тантал добывается в размерах более чем 400 тонн ежегодно. При этом потребность в его использовании постоянно растет, что связано с увеличением объема производимой электротехники с использованием данного метала. Исходя из этого, наблюдается постоянная разработка новых месторождений.

В нашей стране производство тантала сосредоточено на Соликамском магниевом заводе. Металл получают после переработки лопаритовых концентратов. В других странах используют также другие минералы, такие как рутил, стрюверит, танталит и колумбит.

Крупнейшими производителями этого металла в мире являются США, Япония и Китай. Количество мировых производителей не превышает 40 фирм. Стоимость — от 1000 долларов за кг.

Свойства тантала

Тантал относится к разряду металлов. Он обладает серебристо-белым оттенком. Он чем-то по своему внешнему виду напоминает свинец, потому что на нем имеется прочная оксидная пленка.

Данный металл относится к категории наиболее редко встречающихся в природе. На сегодняшний день известно лишь двадцать минералов тантала. Однако есть еще шестьдесят минералов, в которых имеется данный металл. Наряду с ним в таких минералах обязательно присутствует ниобий. Он обладает с ним похожими химическими свойствами.

Месторождения тантала

Танталовые руды встречаются очень редко.

Однако самые крупные из них расположены в таких странах, как:

• Египет,
• Франция,
• КНР,
• Таиланд,
• Австралия,
• Мозамбик.

В мире самая крупная танталова руда находится в Гринбуше в Австралии.

Танталу присуща высокая температура плавления. Она составляет более трех тысяч градусов Цельсия. Температура кипения данного металла превышает пяти тысяч градусов Цельсия. Свойства тантала представлены и другими характеристиками. Это вещество обладает достаточно твердой структурой. Однако металл имеет высокий уровень пластичности. По этому своему параметру он сравним с золотом. Он отлично подходит для механической обработки изделий. Благодаря нему можно создавать тончайшие виды проволоки или листы для отделки изделий.

Тантал относится к разряду малоактивных металлов. Его скорость окисления под воздействием воздуха является довольно не высокой. На воздухе он подвергается окислению только, если его температура достигает 250 градусов Цельсия.

Таблица. Характеристики слюдяных конденсаторов на основе поликарбоната, полистирена и тантала.

Месторождения и добыча

Доля тантала в земной коре – 0,0002 %, что делает его редким металлом. В природе он очень рассеян и присутствует только в виде двух изотопов: тантал 181 и тантал 180. Последний – радиоактивен и совершает полураспад за 1015 лет.

У металла 20 собственных минералов (воджинит, лопарит, колумбит-танталит), и около 60, в которых он часто содержится. Его постоянным спутником является ниобий, он присутствует во всех породах с танталом. Но они довольно редко оказываются пригодны для промышленного освоения. Наиболее используемый минерал – колумбит-танталит.

Производство тантала не всегда выгодное дело. Самые большие месторождения металла находятся в Бразилии, Австралии, Нигерии, США, Франции, Египте. Они также есть в Мозамбике, Таиланде, Демократической Республике Конго, России.

В некоторых странах Африки добыча металла происходит кустарными способами. За владение землями с месторождениями дорогих ископаемых часто происходят вооруженные конфликты. Так как востребованность тантала только увеличивается, он периодически тоже оказывается в центре этих событий. В частности, «танталовыми войнами» за последние десятилетия прославилась Республика Конго. В 2021 году килограмм металла на мировом рынке оценивается примерно в 320 долларов.

Нахождение в природе

Тантал — редкий металл, в земной коре на его долю приходится 0,0002 %. Известно около 20 собственных минералов тантала — серия колумбит-танталит, воджинит, лопарит, манганотанталит и другие, а также 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 расслоённым интрузиям.

Особенность добычи тантала

Та встречается в природе в минерале колумбит-танталит, который встречается в танталовых месторождениях в Австралии, Бразилии, Мозамбике, Таиланде, Португалии, Нигерии, Заире и Канаде. Для отделения Та от ниобия требуется либо электролиз, либо восстановление фтортанталата калия натрием, либо взаимодействие карбида с оксидом.

За последние 15 лет источник добычи Та изменился. Это связано с тем, что он находился в основном в Австралии, но добычу ведут преимущественно в Руанде и ДР Конго, что вызывает обеспокоенность по поводу его статуса в качестве конфликтного минерала в охваченных войной странах. Закон Додда-Франка означает, что компании должны отслеживать источник этих полезных ископаемых и использовать только аккредитованные ресурсы. Полезные ископаемые, используемые для финансирования вооруженных повстанцев и насилия, встречаются во всем мире. К ним относятся олово, вольфрам и тантал, присутствующих во многих остро популярных товарах, например, как смартфоны и ноутбуки.

Тантал обнаружен в залежах твердых пород, таких как граниты, карбониты и пегматиты — магматическая порода, состоящая из крупного гранита. Он не относится к широко распространённым металлам на планете, а добыча его сложна. Та происходит от переработки и рафинирования танталита — это общее название для любой его содержащей минеральной руды.

Большинство танталовых рудников находятся в открытых карьерах, некоторые находятся под землей. Процесс добычи Та включает взрыв, дробление и транспортировку полученной руды. Затем руда концентрируется на или вблизи площадки шахты, чтобы увеличить процентное содержание по весу оксида тантала и ниобия. Материал концентрируется с помощью методов мокрой гравитации, электростатики и электромагнетизма.

Танталовый концентрат транспортируется в процессор для химической обработки. Затем его обрабатывают смесью плавиковой и серной кислот при высоких температурах. Это приводит к тому, что Та и ниобий растворяются в виде фторидов. Концентрат переводят в жидкий раствор. Суспензия фильтруется и далее обрабатывается экстракцией растворителем.

Использование метилизобутилкетона (MIBK) или жидкого ионного обмена с применением аминного экстрагента в керосинах дает высокоочищенные растворы тантала и ниобия. Наконец, оксид тантала восстанавливается расплавленным натрием с образованием металлического Та.

Добыча тантала

Благодаря изыскательским работам были найдены новые месторождения металла тантал

В земной коре тантала содержится около 0,0002%, поэтому он относится к редким элементам. Но практически во всех странах имеются месторождения его соединений. В Европе самые большие и богатые месторождения находятся во Франции, небольшие месторождения есть в большинстве стран бывшего СССР. Среди африканских стран самыми большими запасами сырья обладает Египет. Но самые крупные и богатые месторождения, известные и разработанные на сегодняшний день располагаются в Австралии.

Встречается элемент в виде собственных солей, или он входит в состав других минералов. Во втором случае ему обязательно сопутствует ниобий. Минералы могут быть стабильными и радиоактивными.

Добыча этого металла составляет 420 тонн в год. Лидирующие государства по добыче и переработке — США и ФРГ.

Из-за мирового кризиса спрос на тантал несколько снизился, но с 2010 г. опять возрос. В последнее время проводятся активные изыскательские работы. Благодаря им были открыты новые месторождения в США, Бразилии, ЮАР.

Характеристика и свойства металла

Та представляет собой тяжелый сине-серый металлический элемент с температурой плавления 3 017 С. Он обладает отличной коррозионной стойкостью, хорошей пластичностью и устойчив к большинству кислот. В электронике он составляет основу высокопроизводительных конденсаторов, в химическом производстве, где при легировании железом обеспечивает превосходную коррозионную стойкость металлам, используемых в агрессивных средах, таких как нефте- и газопроводы. Свойства тантала в алюминиевых сплавах предотвращают окисление, позволяя безопасно использовать более легкие компоненты. Благодаря высокой температуре плавления его применяют для цементирования карбида вольфрама в станках и в сплавах для лопастей турбины реактивного двигателя.

Химические свойства:

• Атомный номер: 73;
• атомный вес: 180,94788;
• температура плавления: 3290 К (3017 C или 5463 F);
• точка кипения: 5731 К (5458 С или 9856 F);
• плотность: 16,4 грамм /см3;
• фаза при комнатной температуре: твердый;
• классификация элементов: металл;
• номер периода: 6;
• номер группы: 5;
• название группы: нет.

Слиток тантала

Технические особенности тантала

Прежде всего, стоит понимать, что тантал – это металл серого цвета с блестящим оттенком, который легко поддается обработке механическим способом.

Среди особенностей металла стоит отметить ряд следующих немаловажных аспектов:

• порядковый номер в таблице Менделеева – 73;
• атомный вес – 180;
• плотность вещества составляет 60 г/см3;
• температура плавления – 3015 0С;
• температура кипения вещества составляет 5300 0С.

Свойства металла

Благодаря указанным характеристикам тантал, несомненно, обладает следующими преимущественными свойствами:

1. Тантал является тугоплавким металлом, и, как следствие, элемент имеет следующие свойства:

• небольшой показатель линейного расширения;
• хороший уровень теплопроводности;
• высокая механическая прочность и пластичность.

1. Имеет отличные антикоррозийные качества. Стоит отметить, что тантал при нормальных условиях практически инертен к морской воде, но если она насыщена кислородом, то металл в этом случае всего лишь тускнеет.
2. Тантал имеет хорошую устойчивость к следующим видам солей:

• хлориды железа и меди;
• нитраты;
• сульфаты;
• соли органических кислот, однако, при условии, когда в своем составе не имеют фтора или фторидов.

1. Тантал начинает терять свои характеристики прочности, когда вступает в реакцию с фтором. Также стоит учесть тот факт, что тантал не вступает в химическую реакцию с бромом, йодом и жидким хлором, если не достигнута температура на уровне 150 0С.
2. Тантал достаточно устойчив к воздействию металлов жидкой структуры, имеющих низкую температуру расплавления.
3. Тантал имеет прекрасные характеристики устойчивости на воздухе при температуре до 400 0С, при этом появляется защитная пленка из окисла, возникающая в процессе хранения или обработки.
4. Тантал, выплавленный электроннолучевым способом, обладает увеличенным свойством пластичности, которое при деформации металла позволяет выполнять большую степень сжатий.
5. Хорошо преобразуется в листовой прокат, который хорошо поддается ковке.
6. Хорошо поддается обработке при холодной деформации. Однако нужно понимать, что этот металл не стоит деформировать в горячем состоянии, так как при нагреве тантал начинает поглощать азот, двуокись углерода, кислород, и, как следствие, материал стает достаточно хрупким.
7. Одной из основных операций по обработке тантала является резка материала на высокоскоростном оборудовании.

Что же касается соединения танталовых деталей, то оно может быть выполнено следующими способами:

• сварка;
• пайка;
• соединение с помощью клепок.

Здесь стоит взять во внимание тот факт, что последние два способа применяются достаточно редко, так качество сварных соединений тантала всегда остается на высоком уровне.

Сплавы

В основном покупают чистый тантал, но есть в продаже и сплавы.

В их состав входят гафний, ниобий, вольфрам, молибден. Такие сплавы по структуре аналогичны ниобиевым однофазным сплавам.

Больше всего в промышленности востребован сплав с вольфрамом (ТВ-5, ТВ-10, ТВ-15).

Сплавы из карбидов тантала (химическая формула Ta4HfC5) и вольфрама незаменимы для бурения самых твердых пород.

В авиакосмической промышленности весьма востребован бериллид тантала.

Марки тантала

В большинстве случаев материал распространяется в чистом виде, однако, встречаются и сплавы с другими металлами.

• ТВЧ – тантал высокой чистоты, содержание Ta составляет 99,9%.
• Т – чистый тантал с 99,37% Ta и 0,5% Nb.
• ТВ – сплав Ta с W.

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.

Плюсы и минусы

Минералы, производство

Наш элемент — металл редкий, в природе встречается в виде танталовой руды (общая формула (Fe,Mn) [(Nb,Ta)O3]2.

Предварительный этап для любого способа — получение концентратов из руды.

Есть несколько способов получения чистого продукта:

1. Карботермический метод.
2. Na-термическое восстановление из фторидов.
3. Al-термический метод.
4. Методом электролиза.

Познавательно: тантал и ниобий — всегда рядом, во всех минералах и рудах; их трудно отличить. Сложность производства в разъединении этих металлов.

Виды продукции:

• порошок;
• проволока;
• прутки;
• фольга;
• листы.

Познавательно: в промышленном тантале всегда присутствует ниобий.

Сплавы на основе тантала

Благодаря особым физическим свойствам данный металл в чистом виде очень часто используется в промышленности. Однако для повышения прочности и устойчивость к высоким температурам могут использоваться сплавы на его основе, добавляться соответствующие легирующие компоненты.

Сплавы тантала могут сохранять твердое состояние при температуре около 1700 градусов. Это необходимо при использовании соединений тантала в энергетической сфере, химической промышленности, производстве приборов повышенной точности и металлургии. Очень часто различные сплавы используются при строении космических ракет.

Тип используемых легирующих компонентов зависит от требуемых конечных свойств. Для повышения качества работ используют элементы, придающие сплаву улучшенные свойства пластичности.

Следует отметить, что очень часто тантал в сплавах используется не как основа, а как легирующий компонент. Его добавление к различным материалам позволяет добиться повышенной устойчивости к высоким температурам и коррозии.

Схема танталового конденсатора

Конденсаторы с танталом

Тантал ТАВ-10 – широко используемый сплав на основе этого металла. Его производят с добавлением вольфрама, количество которого в составе около 10%. Благодаря этому получается материал с улучшенными показателями жаропрочности. Его применяют для производства нагревательных элементов и в медицинских целях, так как его компоненты не раздражают кожный покров человека.

Физические свойства тантала

Что такое тантал? Это металл 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.

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%.

Добыча и получение тантала

Тантал относят к числу редких металлов. В природе он существует в виде изотопов – стабильного и радиоактивного. На данный момент выделяют около двадцати минералов тантала и около шестидесяти минералов, в состав которых входит этот металл. Самое крупное месторождение тантала было обнаружено в Австралии. Также это полезное ископаемое добывают в Китае, Франции, странах СНГ, Бразилии, Канаде. В Мурманской области добывают основную часть тантала, который был обнаружен в месторождениях Российской Федерации.

Тантал имеет довольно сложную технологию производства. Для его получения переработке подвергается более трех тысяч тонн руды, за счет этого металл имеет очень высокую стоимость, превышающую 4500 долларов за один килограмм.

Тантал в медицине

Металл применяется в хирургии для восстановления организма. Тонкие танталовые пластинки вставляют в череп для перекрытия трещин или проломов. Прочной проволокой из этого металла скрепляют кости, сшивают ею ткани органов.

Его используют для протезов. Например, металлическую сеть используют для глазных яблок, а пластинами могут заменять уши, пересаживая на них кожу с других частей тела. Нити из тантала служат по-настоящему ювелирному делу: ими сшивают тончайшие нервные волокна, сухожилия, кровеносные сосуды.

Применение тантала в медицине обусловлено его уникальными свойствами. Металл отлично совместим с живой тканью. Он не окисляется в организме, не вызывает раздражения и отторжения.

Применение тантала

Изначально в промышленности данный металл применялся только в целях созданий тонкой проволоки для производства всем известных ламп накаливания. Сегодня же тантал применение имеет достаточно широкое. Его используют и для производства промышленных и бытовых предметов, и при создании новых видов оружия в военной промышленности.

Такой металл, как тантал незаменим при производстве предметов и оборудования, которые были бы устойчивы к появлению коррозии. К тому же многие из этих изделий обладают высоким уровнем жаропрочности.

В медицинской отрасли использование тантала давно уже считается нормой. Фольга и проволока из этого уникального материала применяются для того, что восстановить деятельность тканей, нервов пациентов. Также они активно используются для того, чтобы наложить пострадавшему швы.

Из-за прочности тантала его начали использовать для производства космических аппаратов. Бериллид тантала имеет отличную сопротивляемость к процессу окисления на воздухе.

Данный металл нашел свое применение в металлургической промышленности. Его используют для того чтобы производить твердые сплавы для металлообработки. Смесь тантала, карбидов вольфрама применяется для создания твердых сплавов, которые можно использовать для бурения отверстий самых прочных материалов, представленных камнями и композитами.

Данный материал приобрел широкую популярность военной промышленности. С его помощью создаются боевые припасы, которые обладают высоким уровнем прочности. Их практически невозможно пробить. Металл применяется в лабораториях при МВД для создания ядерного оружия.

Основные виды танталового металлолома

Останавливаясь на элементе, как источнике вторичного редкого металла, можно определить несколько видов танталосодержащих отходов:

• кусковой лом, включает прутья, листы, трубки, проволоку и прочее;

Так выглядит тантал – темный металлический цвет, на фото лист танталовый

• сплавы с другими редкими металлами;

• конденсаторы.

Дополнительно, элемент содержится в сплавах вольфрам-титан-тантал, однако его содержание внутри соединения не превышает 14%. Еще один потенциальный источник обнаружить тантал – пылевые отходы. Они образуются при работе с твердосплавными материалами:

• обработка пластин алмазным инструментом;

• производство смесей.

Для первого случая процентная концентрация тантала составляет 2 – 6%, во втором варианте не более 1.5. Следует добавить, что подобные пылеобразные отходы принимаются, как лом вольфрама, поэтому сдать тантал подобным образом крайне проблематично.

Тугоплавкие металлы и сплавы

Мы предлагаем прокат и изделия из тугоплавких металлов и сплавов самого широкого спектра. Начиная от проката (пруток, лист, проволока, труба, фольга), заканчивая изделиями самой сложной конфигурации, в том числе по чертежам заказчика (тигли, электроды, лодочки, испарители, мишени, нагреватели и многое другое).

Литейные модификаторы

Наша компания специализируется, прежде всего, на поставках высококачественных литейных модификаторов на основе ферросилиция, которые являются неотъемлемой частью внепечной обработки расплава чугуна. Добавки таких модификаторов изменяют свойства расплава и позволяют получать необходимые структуры и свойства отливок.

Цены на тантал

Большую часть тантала, а это до 60%, потребляет электронная промышленность. Использование его на жаропрочные сплавы 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.

Источники

• https://aggeil.ru/kolco/kolco-iz-tantala-polnoe-rukovodstvo/
• https://FB.ru/article/362045/svoystva-i-primenenie-tantala
• https://ometallah.com/svojstva/tantal-harakteristiki.html
• https://chem.ru/tantal.html
• https://calcsbox.com/post/tantalum.html
• https://k-tree.ru/tools/chemistry/periodic.php?element=Ta
• https://stankiexpert.ru/spravochnik/materialovedenie/tantal.html
• https://1nerudnyi.ru/tantal-metall-01/
• https://TheMineral.ru/metally/tantal
• https://www.metotech.ru/tantal-opisanie.htm
• https://xlom.ru/vidy-metalloloma/lom-tantala-vidy-loma-stoimost-na-rynke
• https://ergarda.com/tugoplavkie-metally-i-splavy/tantal/tantalovye-izdeliya.html
• https://FB.ru/article/361943/chto-takoe-tantal-osobennosti-izdeliya-svoystva-i-primenenie

Области применения тантала

Металл получил широкую сферу использования. На начальном этапе производства его применяли в основном для получения проволоки для ламп накаливания. Сейчас с использованием металла и его сплавов производят широкий спектр продукции. К наиболее популярной и высоко востребованной следует отнести аппаратуру для химической промышленности, теплообменников для ядерно-энергетических систем. Проволоку из тантала активно применяют в криотронах.

Металл нашел широкое применение и в современной медицине. Здесь его используют для получения проволоки, фольги и листов, предназначенных для скрепления тканей и нервов, производства протезов.

Тантал пользуется довольно большим спросом при изготовлении ювелирных украшений. В этом сфере по достоинству оценили его свойство образовывать прочную пленку оксида, которая имеет радужный внешний вид. Металл применяют в ядерной и военной промышленности, где с его использованием производят оружие. Наряду с гафнием он может служить идеальным источником гамма-излучения. При производстве авиакосмической техники применяют беррилид титана, который славится превосходными показателями твердости и устойчивости в воздействию негативных факторов окружающей среды.

В будущем сфера применения этого металл еще более расширится, так как он обладает прекрасными химическими и физическими свойствами.