Тантал (элемент)

Тантал
Тантал
	← Гафний \| Вольфрам →
Внешний вид простого вещества
	Образец кристаллического тантала
Свойства атома
Название, символ, номер	Танта́л / Tantalum (Ta), 73
Группа, период, блок	5 (устар. 5), 6, ; d-элемент
Атомная масса ; (молярная масса)	180,94788(2) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Xe] 6s24f145d3.
Электроны по оболочкам	2, 8, 18, 32, 11, 2
Радиус атома	149 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	134 пм
Радиус иона	(+5e) 68 пм
Электроотрицательность	1,5 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	−1,12
Степени окисления	+5
Энергия ионизации ; (первый электрон)	760,1 (7,88) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	16,65 г/см³
Температура плавления	3290 K (3017 °C)
Температура кипения	5731 K (5458 °C)
Уд. теплота плавления	24,7 кДж/моль
Уд. теплота испарения	758 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	25,39 Дж/(K·моль)
Молярный объём	10,9 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Кубическая; объёмноцентрированая
Параметры решётки	3,310 Å
Температура Дебая	225,00 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 57,5 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-25-7
Эмиссионный спектр

Танта́л (химический символ — Ta, от лат. Tantalum) — химический элемент 5-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы пятой группы, VB) шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 73.

73	Тантал
Ta 180,9489
4f¹⁴5d³6s²

При стандартных условиях тантал — это блестящий переходный металл^[4] серебристо-белого цвета (со слабым свинцовым (синеватым) оттенком вследствие образования плотной оксидной плёнки).

ИсторияПравить

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 — царя 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^[en] 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.

Нахождение в природеПравить

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.

МесторожденияПравить

Самые крупные месторождения танталовых руд находятся во Франции, Египте, Таиланде^[4], Китае. Месторождения танталовых руд имеются также в Мозамбике, Австралии, Нигерии, Канаде, Бразилии, СНГ, ДРК, Малайзии^[4]. В России имеются танталовые месторождения в Мурманской области, Восточной Сибири, Забайкалье и Якутии^[5].

Крупнейшее мировое месторождение танталовых руд, Гринбушес, расположено в Австралии в штате Западная Австралия в 250 км к югу от Перта^[6].

Физические свойстваПравить

Полная электронная конфигурация атома тантала: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d³.

Тантал обладает высокой температурой плавления — 3290 K (3017 °C); кипит при 5731 K (5458 °C)^[3]. Плотность тантала — 16,65 г/см³^[3]. Несмотря на высокую температуру плавления, тантал пластичен, как золото. Чистый тантал хорошо поддаётся механической обработке, легко штампуется, раскатывается в проволоку и тончайшие листы толщиной в сотые доли миллиметра. Не становится хрупким даже при температуре жидкого азота (−196 °C). При наличии примесей (углерод, азот, кислород, водород) механические свойства резко ухудшаются, что делает проблему получения сверхчистого металла особенно важной^[7]. Тантал является отличным геттером (газопоглотителем), при 800 °C он способен поглотить 740 объёмов газа. Кристаллическая решётка — кубическая, объёмноцентрированная^[4]. Обладает парамагнитными свойствами^[4].

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

ИзотопыПравить

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^[8].

Химические свойстваПравить

При нормальных условиях тантал малоактивен, на воздухе окисляется лишь при температуре свыше 280 °C, покрываясь оксидной плёнкой Ta₂O₅; с галогенами реагирует при температуре свыше 250 °C. При нагревании реагирует с С, В, Si, P, Se, Те, Н₂О, СО, СО₂, NO, HCl, H₂S.

Химически чистый тантал исключительно устойчив к действию жидких щелочных металлов, большинства неорганических и органических кислот, а также многих других агрессивных сред (за исключением расплавленных щелочей).

В отношении химической устойчивости к реагентам тантал подобен стеклу. Тантал нерастворим в кислотах и их смесях, кроме смеси плавиковой и азотной кислот; его не растворяет даже царская водка. Реакция с плавиковой кислотой идёт только с пылью металла и сопровождается взрывом. Очень устойчив к воздействию серной кислоты любой концентрации и температуры (при 200 °C металл корродирует в кислоте лишь на 0,006 миллиметра в год)^[9], устойчив в обескислороженных расплавленных щелочных металлах и их перегретых пара́х (литий, натрий, калий, рубидий, цезий).

ТоксикологияПравить

ПДК 5 мг/м³.

РаспространённостьПравить

Среднее содержание тантала (по массе):

в земной коре 2,5⋅10⁻⁴ %^[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 %

ПолучениеПравить

Основным сырьём для производства тантала и его сплавов служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие около 8 % Та₂О₅, а также 60 % и более Nb₂O₅. Концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые — хлорируют. Разделение Та и Nb производят с помощью экстракции. Металлический тантал обычно получают восстановлением Ta₂O₅ 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.

СтоимостьПравить

Стоимость тантала — около 218 долл. за 1 кг (сентябрь 2019 г.)^[10]. Особо чистый тантал (от 99,985 %) имеет цену порядка 3585 долл. за 1 кг^[11].

ПрименениеПравить

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), изготовления ортопедических электретов^[12];
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;
Бюро стандартов США и Международное бюро мер и весов Франции используют тантал вместо платины для изготовления стандартных аналитических разновесов большой точности;
Бериллид тантала чрезвычайно твёрд и устойчив к окислению на воздухе до 1650 °C, применяется в авиакосмической технике;
Карбид тантала (температура плавления 3880 °C, твёрдость близка к твёрдости алмаза) применяется в производстве твёрдых сплавов — смеси карбидов вольфрама и тантала (марки с индексом ТТ), для тяжелейших условий металлообработки и ударно-поворотного бурения крепчайших материалов (камень, композиты), а также наносится на сопла, форсунки ракет;
Оксид тантала(V) используется в ядерной технике для варки стекла, поглощающего гамма-излучение. Один из наиболее широко применяемых составов такого стекла: двуокись кремния — 2 %, монооксид свинца (глёт) — 82 %, оксид бора — 14 %, пятиокись тантала — 2 %;
В нумизматике. С 2006 года Национальный банк Казахстана выпускает памятные биметаллические монеты 100 и 500 тенге из серебра и тантала.

См. такжеПравить

Колумбит-танталит

ПримечанияПравить

↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — doi:10.1351/PAC-REP-13-03-02. Архивировано 5 февраля 2014 года.
↑ Тугоплавкие и легирующие элементы (рус.). chem21. Дата обращения: 2019-29-01.
↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ Tantalum: physical properties (англ.). WebElements. Дата обращения: 17 августа 2013. Архивировано 2 января 2010 года.
↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ Химическая энциклопедия: в 5 т / Редкол.: Н. С. Зефиров (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4. — С. 494. — 639 с. — 20 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8.
↑ Великолепная восьмерка (неопр.). Редкие земли. Дата обращения: 5 июля 2020. Архивировано 25 февраля 2020 года.
↑ Большая Российская энциклопедия: В 30 т. / Председатель науч.-ред. совета Ю. С. Осипов. Отв. ред С. Л. Кравец. Т. 8. Григорьев — Динамика. — М.: Большая Российская энциклопедия, 2007. — 767 с.: ил.: карт.
↑ Г. Н. Фадеев. Пятая вертикаль. — Москва: Просвещение, 1985. — С. 173. — 191 с.
↑ Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Т. 729. — С. 3—128. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — Bibcode: 2003NuPhA.729....3A.
↑ Венецкий С. И. Рождённый в муках // Рассказы о металлах. — М.: Металлургия, 1979. — С. 167. — 240 с. — 60 000 экз.
↑ Тантал, USD/кг цена на мировом рынке (неопр.). Infogeo.ru. Дата обращения: 17 августа 2013. Архивировано 4 сентября 2013 года.
↑ Tantalum Element Facts (англ.). Chemicool.com. Дата обращения: 17 августа 2013. Архивировано 7 августа 2013 года.
↑ Александрова С. А., Александрова О. И., Хомутов В. П., Моргунов М. С., Блинова М. И. Влияние электрического поля электрета на основе анодного оксида тантала на дифференцировочные свойства стромальных клеток костного мозга больного остеоартрозом // Цитология. — 2018. — № 60(12). — С. 987—995.

СсылкиПравить

Тантал в Популярной библиотеке химических элементов

[iupac_atomic_weights-1] Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — doi:10.1351/PAC-REP-13-03-02. Архивировано 5 февраля 2014 года.

[chem21-2] Тугоплавкие и легирующие элементы (рус.). chem21. Дата обращения: 2019-29-01.

[webelements-3] ¹ ² ³ ⁴ ⁵ Tantalum: physical properties (англ.). WebElements. Дата обращения: 17 августа 2013. Архивировано 2 января 2010 года.

[ХЭ-4] ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ Химическая энциклопедия: в 5 т / Редкол.: Н. С. Зефиров (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4. — С. 494. — 639 с. — 20 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8.

[rareearth-5] Великолепная восьмерка (неопр.). Редкие земли. Дата обращения: 5 июля 2020. Архивировано 25 февраля 2020 года.

[bre8-6] Большая Российская энциклопедия: В 30 т. / Председатель науч.-ред. совета Ю. С. Осипов. Отв. ред С. Л. Кравец. Т. 8. Григорьев — Динамика. — М.: Большая Российская энциклопедия, 2007. — 767 с.: ил.: карт.

[7] Г. Н. Фадеев. Пятая вертикаль. — Москва: Просвещение, 1985. — С. 173. — 191 с.

[8] Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Т. 729. — С. 3—128. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — Bibcode: 2003NuPhA.729....3A.

[9] Венецкий С. И. Рождённый в муках // Рассказы о металлах. — М.: Металлургия, 1979. — С. 167. — 240 с. — 60 000 экз.

[10] Тантал, USD/кг цена на мировом рынке (неопр.). Infogeo.ru. Дата обращения: 17 августа 2013. Архивировано 4 сентября 2013 года.

[11] Tantalum Element Facts (англ.). Chemicool.com. Дата обращения: 17 августа 2013. Архивировано 7 августа 2013 года.

[12] Александрова С. А., Александрова О. И., Хомутов В. П., Моргунов М. С., Блинова М. И. Влияние электрического поля электрета на основе анодного оксида тантала на дифференцировочные свойства стромальных клеток костного мозга больного остеоартрозом // Цитология. — 2018. — № 60(12). — С. 987—995.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]