Тантал — хімічний елемент, що має символ Ta та атомний номер 73. Раніше відомий як танталіум, він отримав свою назву на честь Тантала, персонажа грецької міфології. Тантал є дуже твердим, пластичним, блискучим металом синювато-сірого кольору, який має високу корозійну стійкість.
Це частина групи вогнетривких металів, які широко використовуються в сплавах з високими температурами плавлення. Він належить до групи 5 елементів, поряд з ванадієм та нібієм, і завжди зустрічається в геологічних джерелах разом з хімічно схожим нібієм, головним чином у мінералах, таких як танталіт, колумбіт та колтан.
Хімічна інертність і дуже висока температура плавлення танталу роблять його цінним для лабораторного та промислового обладнання, такого як реакційні посудини та вакуумні печі. Він також використовується в танталових конденсаторах для електронного обладнання, наприклад, комп’ютерів. Вивчається можливість використання танталу як матеріалу для високоякісних надпровідних резонаторів у квантових процесорах. Тантал вважається критично важливим елементом для технологій за класифікацією Європейської комісії.
Історія
- Відкриття: Тантал був відкритий Андерсом Густафом Екебергом в 1802 році.
- Визнання як окремий елемент: Генріхом Розом в 1844 році.
Тантал був відкритий у Швеції у 1802 році Андерсом Екеґберґом, який вивчав два зразки мінералів — один з Швеції, а інший з Фінляндії. На рік раніше Чарльз Хетчетт відкрив колумбій (тепер нібій). У 1809 році англійський хімік Вільям Гайд Волластон порівняв оксиди колумбію і танталу (колумбіт і танталіт). Хоча ці два оксиди мали різні виміряні щільності (5.918 г/см³ і 7.935 г/см³ відповідно), він дійшов висновку, що вони однакові, і зберіг назву тантал. Після того, як Фрідріх Велер підтвердив ці результати, вважалося, що колумбій і тантал є одним елементом. Це припущення було оскаржене в 1846 році німецьким хіміком Генріхом Розе, який стверджував, що в зразку танталіту є два додаткових елементи, яких він назвав на честь дітей Тантала: ніобій (від Ніоби) та пелопій (від Пелопса). Пізніше “пелопій” був ідентифікований як суміш танталу та ніобію, а ніобій був визнаний ідентичним колумбію, відкритому Хетчеттом у 1801 році.
Різниці між танталом і ніобієм були чітко продемонстровані в 1864 році хіміками Крістіаном Вільгельмом Бломстрандом та Анрі Етьєном Сент-Клером Де Вілле, а також Луї Ж. Тростом, які визначили емпіричні формули деяких їхніх сполук у 1865 році. Додаткове підтвердження надав швейцарський хімік Жан Шарль Галліссард де Маріньяк, який у 1866 році довів, що існують лише два елементи. Ці відкриття не зупинили вчених від публікації статей про так званий ільменій до 1871 року. Де Маріньяк став першим, хто отримав металевий тантал у 1864 році, коли він відновив танталовий хлорид, нагріваючи його в атмосфері водню. Раніше вчені могли виробляти лише не чистий тантал, а перший досить чистий пластичний метал був отриманий Вернером фон Болтоном у 1903 році в Шарлоттенбурзі. Металеві дроти з танталу використовувалися для філаментів ламп до того, як в їхньому виробництві був замінений вольфрам.
Назва “тантал” походить від імені міфологічного Тантала, батька Ніоби в грецькій міфології. У цій історії Тантал був покараний після смерті, коли його засудили стояти по коліна у воді з ідеальними фруктами, що росли вище голови, що вічно його спокушали. Якщо він схилявся, щоб випити воду, вона зникала, а якщо тягнувся за фруктами, гілки віддалялися від нього. (Екеґберґ написав: “Цей метал я називаю танталом, частково через його нездатність, коли він занурений в кислоту, поглинати її і насичуватися”.)
Для десятиліть комерційна технологія розділення танталу від ніобію включала фракційну кристалізацію калійного гептафлуоротанталату від калійного оксипентафлуорніобату гідрату, процес, відкритий Жаном Шарлем Галліссаром де Маріньяком у 1866 році. Цей метод був замінений екстракцією розчинниками з фтористими розчинами танталу.
Фізичні властивості танталу
Тантал — це темний (синьо-сірий) метал, дуже щільний, крихкий, але водночас здатний до деформації, надзвичайно твердий, легко оброблюваний та має високу теплопровідність і електропровідність. Цей метал є дуже стійким до корозії в кислотах: при температурах до 150 °C тантал майже повністю не піддається впливу агресивної королівської води (aqua regia). Тантал можна розчинити тільки в фтороводневій кислоті, або в кислотних розчинах, що містять фторид-іони й сульфуртріоксид, а також в розплавленому гідроксиді калію. Його висока температура плавлення (3017 °C, точка кипіння 5458 °C) є більшою лише у таких металів, як вольфрам, реній і осмій, а також у вуглецю.
Тантал існує в двох кристалічних фазах — альфа і бета. Альфа-фаза є стабільною при всіх температурах до точки плавлення і має структуру з тілоцентричною кубічною решіткою з постійною решітки a = 0,33029 нм при 20 °C. Ця фаза відносно здатна до деформації, має твердість по Кнуупу 200–400 HN і електричний опір 15–60 μΩ⋅см. Бета-фаза є твердою і крихкою; її кристалічна симетрія — тетрагональна (просторова група P42/mnm, a = 1,0194 нм, c = 0,5313 нм). Твердість по Кнуупу в бета-фазі становить 1000–1300 HN, а електричний опір — 170–210 μΩ⋅см. Бета-фаза є метастабільною і перетворюється в альфа-фазу при нагріванні до 750–775 °C. Бульковий тантал майже повністю складається з альфа-фази, а бета-фаза зазвичай існує у вигляді тонких плівок, отриманих за допомогою магнетронного розпилення, хімічного осадження з парової фази або електрохімічного осадження з евтектичного розплавленого соляного розчину.
Ізотопи танталу
Природний тантал складається з двох стабільних ізотопів: 180mTa (0,012%) і 181Ta (99,988%). Ізотоп 180mTa (м позначає метастабільний стан) передбачається розпадатися трьома способами: ізомерним переходом до основного стану 180Ta, β-розпадом до 180W або захопленням електрона до 180Hf. Проте радіоактивність цього ядерного ізомера жодного разу не спостерігалась, і встановлено лише нижню межу його напіврозпаду — 2,9×10¹⁷ років. Основний стан 180Ta має період напіврозпаду всього 8 годин. 180mTa — єдиний природний ядерний ізомер (окрім радіогенних і космогенних короткоживучих нуклідів). Він також є найрідкіснішим примордіальним ізотопом у Всесвіті, якщо врахувати елементарну абундантність танталу та ізотопну абундантність 180mTa в природній суміші ізотопів (і знову ж таки, не враховуючи радіогенних і космогенних короткоживучих нуклідів).
| Ізотоп | Тип | Період напіврозпаду | Спосіб розпаду | Продукт розпаду | Абундантність |
|---|---|---|---|---|---|
| 177Ta | Синтетичний | 56,56 годин | β⁺ (позитронний розпад) | 177Hf | — |
| 178Ta | Синтетичний | 2,36 години | β⁺ (позитронний розпад) | 178Hf | — |
| 179Ta | Синтетичний | 1,82 роки | ε (електронне захоплення) | 179Hf | — |
| 180Ta | Синтетичний | 8,125 години | ε (електронне захоплення) або β⁻ (негативний електрон) | 180Hf або 180W | — |
| 180mTa | Природний | Стабільний | — | — | 0,0120% |
| 181Ta | Природний | Стабільний | — | — | 99,988% |
| 182Ta | Синтетичний | 114,43 дні | β⁻ (негативний електрон) | 182W | — |
| 183Ta | Синтетичний | 5,1 дні | β⁻ (негативний електрон) | 183W | — |
Це основні ізотопи танталу, включаючи їх періоди напіврозпаду, способи розпаду, продукти розпаду та абундантність для стабільних ізотопів.
Тантал був теоретично досліджений як матеріал для “соління” ядерних боєприпасів (кобальт є більш відомим гіпотетичним матеріалом для соління). Зовнішня оболонка з 181Ta піддавалася б нейтронному потоку високої енергії від гіпотетичної ядерної вибухової хвилі. Це трансформувало б тантал у радіоактивний ізотоп 182Ta, який має період напіврозпаду 114,4 дні і виробляє гамма-промені з енергією близько 1,12 мільйона електрон-вольт (МеВ) кожен, що значно збільшило б радіоактивність ядерного пилу протягом кількох місяців після вибуху. Такі “солоні” боєприпаси ніколи не були побудовані чи протестовані, наскільки відомо публічно, і, безумовно, не використовувалися як зброя.
Тантал може бути використаний як мішень для прискорених протонних пучків для виробництва різних короткоживучих ізотопів, таких як 8Li, 80Rb і 160Yb.
Хімічні властивості танталу
Тантал має дуже високу хімічну інертність. Він не реагує на більшість кислот, зокрема на сірчану та азотну, і є стійким до дії більшості кислотних і лужних розчинів, навіть до плавикової кислоти. Однак він може реагувати з флуором при високих температурах, утворюючи танталові фториди (наприклад, TaF₅). Відсутність реакцій з багатьма хімічними речовинами робить його надзвичайно корозійно стійким.
Один з найцікавіших аспектів хімії танталу — це його сполуки. Танталові оксиди (наприклад, Ta₂O₅) використовуються в різних галузях науки та техніки, зокрема в електроніці, де вони знаходять застосування в танталових конденсаторах. Тантал також утворює безліч сполук з іншими елементами, зокрема з киснем, флуором, хлором і сіркою.
Танталові сполуки часто мають високу термостійкість і використовуються в технологіях, що потребують матеріалів, які здатні витримувати дуже високі температури без руйнування. Танталові оксиди, зокрема, мають високу електричну сталість, що робить їх ідеальними для використання у виробництві конденсаторів та інших електронних компонентів.
Використання танталу
- Електроніка: Одним із найважливіших застосувань танталу є виготовлення танталових конденсаторів, які використовуються в малогабаритних електронних пристроях, таких як мобільні телефони, комп’ютери та медичні прилади. Танталові конденсатори відомі своєю стабільністю та високою ємністю в компактному форматі.
- Промисловість: Завдяки своїй стійкості до корозії, тантал використовується в різних хімічних процесах, де матеріали повинні витримувати агресивні середовища, зокрема в хімічних реакторах, теплообмінниках та інших компонентах обладнання, що працює при високих температурах або в умовах сильного окиснення.
- Медицина: У медичній техніці тантал використовують для виготовлення імплантатів, таких як штучні суглоби та інші медичні пристрої, оскільки він добре сумісний з людським тілом, не викликаючи відторгнення.
- Авіація та космонавтика: Завдяки своїм термостійким властивостям, тантал використовується в аерокосмічній промисловості для виготовлення частин, які піддаються високим температурами, таких як елементи реактивних двигунів і ракет.
Виробництво танталу
Тантал здебільшого добувається як побічний продукт видобутку інших металів, зокрема ніобію. Основними мінералами, з яких добувають тантал, є танталіт та колумбіт. Спочатку з цих мінералів витягують оксиди танталу, а потім за допомогою різних хімічних процесів (наприклад, редукції воднем або електролізу) отримують металевий тантал.
Незважаючи на те, що тантал є досить рідкісним елементом, він має важливе економічне значення через його широкий спектр застосувань, зокрема в високотехнологічних галузях. Оскільки тантал здебільшого добувається в тропічних регіонах, таких як Центральна Африка, його постачання може бути залежним від геополітичних обставин, що підвищує важливість розробки альтернативних джерел або ефективних способів переробки металу.
Безпека та екологічні питання
Тантал вважається відносно безпечним для здоров’я людини, оскільки він не є токсичним і не вступає в реакцію з органічними тканинами. Однак при високих температурах або внаслідок механічної обробки (наприклад, різання або шліфування) можуть утворюватися дрібні частинки, які можуть бути шкідливими при вдиханні. Тому необхідно застосовувати належні заходи безпеки під час обробки або використання танталу в промисловості.
Екологічний вплив видобутку танталу може бути значним, особливо в країнах, де добування цього металу пов’язано з соціальними та політичними проблемами. Використання танталу з мінімальними наслідками для навколишнього середовища вимагає дотримання стандартів екологічної безпеки та розвитку більш стійких і відповідальних методів видобутку і переробки.
Тантал у періодичній таблиці
| Елемент | Тантал |
|---|---|
| Символ | Ta |
| Атомний номер | 73 |
| Група | 5 |
| Період | 6 |
| Блок | d-блок |
| Електронна конфігурація | [Xe] 4f¹⁴ 5d³ 6s² |
| Номер CAS | 7440-25-7 |
| Позиція в періодичній таблиці | Тантал знаходиться в групі 5 і періоді 6, між гафнієм (Hf) зліва і вольфрамом (W) праворуч. |
Властивості танталу
| Фаза за стандартних умов | Твердий |
| Точка плавлення | 3290 К (3017 °C, 5463 °F) |
| Точка кипіння | 5731 К (5458 °C, 9856 °F) |
| Густина (при 20°C) | 16,678 г/см³ |
| Густина в рідкому стані (при точці плавлення) | 15 г/см³ |
| Теплота плавлення | 36,57 кДж/моль |
| Теплота випаровування | 753 кДж/моль |
| Молярна теплоємність | 25,36 Дж/(моль·К) |
| Тиск пари при різних температурах (в Па): | |
| 3297 K | 1 Па |
| 3597 K | 10 Па |
| 3957 K | 100 Па |
| 4395 K | 1 кПа |
| 4939 K | 10 кПа |
| 5634 K | 100 кПа |
Атомні властивості:
| Окиснювальні стани | Зазвичай +5, також −3, +1, +2, +3, +4 (рідкісні стани) |
| Електронегативність (за шкалою Паулінга) | 1,5 |
| Перша іонізаційна енергія | 761 кДж/моль |
| Друга іонізаційна енергія | 1500 кДж/моль |
| Атомний радіус (експериментальний) | 146 пм |
| Ковалентний радіус | 170 ± 8 пм |
Інші властивості:
| Природне походження | Примордіальне (природно зустрічається) |
| Кристалічна структура | Тіло-центрована кубічна (bcc) |
| Постійна решітки | 330,29 пм (при 20 °C) |
| Теплове розширення | 6,3 мкм/(м·К) (при 25 °C) |
| Теплопровідність | 57,5 Вт/(м·К) |
| Електричний опір | 131 нΩ·м (при 20 °C) |
| Магнітне впорядкування | Парамагнітне |
| Молярна магнітна сприйнятливість | +154,0 × 10⁻⁶ см³/моль (при 293 К) |
| Модуль Юнга | 186 ГПа |
| Модуль зсуву | 69 ГПа |
| Об’ємний модуль | 200 ГПа |
| Швидкість звуку в тонкому стрижні | 3400 м/с (при 20 °C) |
| Коефіцієнт Пуассона | 0,34 |
| Твердість за шкалою Мооса | 6,5 |
| Твердість за шкалою Віккерса | 870–1200 МПа |
| Твердість за шкалою Бринелля | 440–3430 МПа |