Элемент Тантал

Тантал
← Гафний | Вольфрам →
73 Nb ↑ Ta ↓ Db 73Ta
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)
Мол. теплота плавления	24,7 кДж/моль
Мол. 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

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

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.

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 привязаны к гранитным пегматитам, карбонатитам и щелочным расслоённым интрузиям.

Месторождения

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

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

Полная электронная конфигурация атома тантала: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d³.

Тантал обладает высокой температурой плавления — 3290 K (3017 °C); кипит при 5731 K (5458 °C). Плотность тантала — 16,65 г/см³. 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. 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.

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), устойчив в обескислороженных расплавленных щелочных металлах и их перегретых пара́х (литий, натрий, калий, рубидий, цезий).

ПДК 5 мг/м³.

Среднее содержание тантала (по массе):

• в земной коре 2,5⋅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 %

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.

В России первый слиток металлического тантала массой 8 кг был получен в марте 2024 года на Екатеринбургском заводе по обработке цветных металлов из рудного концентрата, полученного на Ловозерском горно-обогатительном комбинате из лопаритовой руды, а затем переработанного на Соликамском магниевом заводе (оба этих предприятия входят в концерн Росатом).

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

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

• жаропрочные и коррозионностойкие сплавы;
• изготовление прямонакальных катодов для некоторых установок, наряду с вольфрамом и рением;
• 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;
• 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.

• Колумбит-танталит