Надо Знать

добавить знаний



Тантал (химический элемент)


Tantalum single crystal and 1cm3 cube.jpg

План:


Введение

Тантал - химический элемент с символом Ta и порядковым номером 73. Редкий, твердый, тяжелый, серовато-голубоватый на срезе, сверкающий переходный металл, имеет очень высокую стойкость к коррозии. В природе встречается в минерале танталит и некоторых других, но всегда вместе с химически близким ниобием. Относится к группе металлов, широко применяются как лигатура. Химическая стойкость тантала делает его достойным материалом для изготовления химического специального оборудования и замены более дорогой платины. Но его наибольшее применение сегодня - это изготовление танталовых электролитических конденсаторов для электроники.


1. История

Тантал был открыт в Швеции в 1802 году Андерсом Густафом Экеберг. Годом ранее, Чарльз Гатчета открыл элемент Колумбий. [1] В 1809 году, английский химик Уильям Воластон сравнил свойства "земель" ( оксидов) полученных с колумбита, что имел плотность 5,918 г / см 3, и Танталита, имевший плотность 7,935 г / см 3, и сделал вывод, что несмотря на большую разницу в плотности, они химически идентичны. Он предложил все же оставить имя "Тантал". [2] Позже Фридрих Велер подтвердил его результат, он был уверен что колумбий и тантал это то самое. Этот вывод был поставлен под сомнение в 1846 немецким химиком Генрихом Розе, которой доказал, что в Танталит содержится 2 отдельных элементы, и он назвал их танталом в честь детей Тантала : ниобием (в честь Ниобы, богини слез), и пелопием (в честь Пелопа). [3] [4] Элемент "Пелопа" был позже идентифицирован как смесь тантала с ниобием, а также установлено, что ниобий был идентичен Колумбию, открытом Хатчет в 1801 году.

Разницу между танталом и ниобием было однозначно продемонстрировано в 1864 году Христианом Вильгельмом Бломстрандом, [5] и Анри Этьен Сент-Клер Девиль, и Льюис Дж. Труст, которые определили эмпирические формулы некоторых его соединений в 1865. [5] [6] Другое подтверждение пришло от шведского химика Жана Шарля Галисарда где Мариньяк, [7] в 1866 году, которой показал, что это два разных элемента. Однако эти опыты не остановили ученых публиковать статьи о так называемом Ильмень до 1871 года. [8] Где Мариньяк был первым, кто получил металлический тантал (в 1864 году), когда восстановил хлорид тантала нагревом в атмосфере водорода. [9] Однако все ранние образцы тантала были недостаточно чистые, и относительно чистый металлический тантал был впервые получен Вернером фон Болтоном в 1903 году. Танталовые нити были очень распространены в то время в электрических лампах. [10]

Название элемента происходит от имени царя Тантала, отца Ниобы с греческой мифологии. По мифу, он был наказан после смерти, и он был вынужден стоять в воде по-колено и не мог ею напиться, потому что она исчезала, если он нагибался, и с замечательными фруктами над его головой, которых он не мог дотянуться, потому что ветер сразу поднимал ветви. Оба эти проблемы вечно "тантализувалы" его. [11] Экеберг писал: "Этот металл я назвал Танталом ... некоторой степени имея в виду его неспособность" насытиться "кислотой, в которую он может быть погружен и не может поглотить хоть немножко, чтобы насытиться" (This metal I call tantalum... partly in allusion to its incapacity, when immersed in acid, to absorb any and be saturated. ") [12]

На протяжении многих десятилетий единственным методом отделения тантала от ниобия был процесс фракционной кристаллизации из флуоридного раствора гептафлуортанаталату калия от оксипентафторониобату калия, открытый Жаном Чарльзом Галисаром где Мариньяк в 1866 году. Сейчас разделение проводят путем фракционного растворения [6]


2. Свойства

2.1. Физические свойства

Металлический тантал темного серо-голубого цвета металл, [13] плотный, ковкий, очень прочный, хорошо поддается обработке и очень хорошо проводит электричество и тепло. Этот металл очень устойчивой к коррозии в кислотах; фактически при температурах до 150 ? C он совсем не взаимодействует с царской водкой. Его можно растворить в растворах, содержащих фторид и триоксид серы, или в расплаве щелочей. Тантал имеет наивысшую из металлов температуру плавления 3017 ? C, выше которой плавятся только вольфрам, рений и осмий.

Металлический тантал состоит из двух кристаллических фаз: альфа и бета. Альфа-фаза более ковка и мягкая, она имеет обьемоцентровану кубическую решетку (типа Im3m, константа решетки a = 0,33058 nm), Показатель твердости по Кнупом 200-400 HN и удельное электрическое сопротивление 15-60 μΩ ּ cm. Бета-фаза хрупкая и твердая, ее кристаллическая симметрия тетрагональная (тип P42/mnm, a = 1,0194 нм, c = 0,5313 нм), твердость по Кнупом 1000-1300 HN и удельное сопротивление 170-210 μΩ ּ cm. Бета-фаза являются метастабильными и переходит в альфа-фазу при нагревании 750-775 ? C. Основная масса тантала находится в альфа-фазе, и бета-фаза обычно получается путем магнетронного напыления, химического нанесения или электролиза с эвтектического солевого расплава. [14]


2.2. Химические свойства

Тантал формирует оксиды со степенями окисления +5 (Ta 2 O 5) и +4 (TaO 2). [15] Наиболее стабильный степень окисления это +5, пентаоксид тантала. [15] пентаоксида тантала являются исходным материалом для получения многих производных тантала. Сплавлением его с щелочами получают соли танталовой кислоты - танталата. Например, танталата лития (LiTaO 3) и танталата лантана (LaTaO 4). В танталата лития, ион танталата TaO - 3 не содержится, вместо него там содержится цепь TaO 7 - 6 октаэдр, формирующий решетку типа перовскит; Wа танталата лантана в свою очередь содержит тетраэдрические ионы TaO 3 - 4 . [15]

Фториды тантала могут быть использованы для отделения его от ниобия. [16] С галогенами тантал образует соединения в степенях окисления +5, +4, и +3 типа TaX 5, TaX 5 и TaX 3, однако также известные багатометалеви комплексные ионы и не стехиометрические соединения. [15] [17] Пентафторид тантала (TaF 5) это белое кристаллическое вещество с температурой плавления 97,0 ? C а пентахлорид тантала (TaCl 5) это также белое кристаллическое вещество с температурой плавления 247,4 ? C. Пентахлорид тантала гидролиз легко гидролизует водой, и способен реагировать с металлическим танталом, образуя черный и високогигроскопичний тетрахлорид тантала (TaCl 4). Широкий ряд галогенпроизводных тантала может быть получен шляхлм восстановления пентахлоридом тантала водородом, дигалогенпохидни для тантала неизвестны. [15] Тантал-теллур сплавы образуют квазикристаллы. [15] О соединения Тантала со степенью окислення меньше -1 было сообщено в 2008 году. [18]

Как и большинство тугоплавких металлов, тантал образует очень тугоплавкие карбиды и нитриды. Карбид тантала, TaC, как и широко известный карбид вольфрама используется для изготовления режущего инструмента. Тантала (III) нитрид используется как изолятор в виде тонких пленок в электронная промышленности. [19] Химики Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) разработали карбид-тантало-графитный композитный материал - один из найпрочниших из всех известных. Корейские исследователи разработали тантало-вольфрамо-медный сплав которой намного упругой и гибкий, и в несколько раз прочнее чем стальной. [20] Известно 2 алюминидов тантала, TaAl 3 и Ta 3 Al. Они очень стабильны, жаростойкие, и имеют высокую способность отражать свет, и предложены [21] как покрытие для зеркал инфракрасного излучения.


2.3. Изотопы

Природный тантал состоит из двух изотопов : 180m Ta (0,012%) and 181 Ta (99,988%). 181 Ta это стабильный изотоп. Для 180m Ta (m обозначает метастабильное состояние) предусмотрено три пути распада: изомерное преобразования в основное состояние - 180 Ta, испытывающий бета-распад в 180 W, или электронное захвата до 180 Hf. Кстати, радиоактивность этого ядерного изомера никогда не наблюдалась. Только нижняя оценка его периода полураспада составляет более 10 15 лет. Основное состояние, изотоп 180 Ta имеет период полураспада всего 8 часов. 180m Ta является единственным естественным ядерным изомером (исключая те, которые образовались в результате радиогенных и космических воздействий). Это также самый редкий из изотопов в Вселенной [22]

Теоретически, тантал может быть использован для создания "Радиологического загрязнения" как материал для использования в ядерном оружии ( кобальт это лучший гипотетический материал для "грязной бомбы"). Внешняя оболочка ядерного устройства, изготовлена ​​из 181 Ta будет облучен высокоэнергетическими нейтронами при гипотетическом ядерном взрыве. Это превратит тантал в радиоактивный изотоп 182 Ta, с периодом полураспада 114,4 дней, и излучает гамма-лучи с энергией 1,12 МЭО (MeV), которое сильно повысит эффективность радиоактивного заражения местности в течение нескольких месяцев. "Грязная" ядерное оружие никогда не конструировалась и не испытывалась, крайней мере, об этом публично не известно. [23]


2.4. Поширеннисть

Танталит, район Pilbara, Австралия

Содержание Тантала примерно оценивается как 1 ppm [24] или 2 ppm [17] в земной коре по весу. Он формирует много танталовых минералов, лишь некоторые из которых используются как сырье: танталит, микролит, вудгенит, евксенит, поликраз. Танталит ( Fe, Mn) Ta 2 O 6 Важнейших минерал тантала. Танталит имеет структуру, схожую с колумбита ( Fe, Mn) (Ta, Nb) 2 O 6; когда тантала более Nb он называется танталит, в обратном случае - колумбит или ниобата. Высокий удельный вес минералов тантала очень облегчает их гравитационное обогащение. Другие минералы самарськит и фергюсонит.

Главный добыча тантала обеспечивает Австралия, где расположен крупнейший компания, добывающая тантал Global Advanced Metals - Talison Minerals, которая разрабатывает шахты в Западной Австралии, Гринбущи, Юго-западе и Wodgina в Pilbara. Шахты Wodgina были вновь открыты в начале 2011 году после того как они были закрыты в 2008 году в результате мирового финансового кризиса. [25] Эта шахта производит танталовый концентрат, которой затем обрабатывается в Гринбущи и поставляется покупателям. [26] Крупные производители ниобия находятся в Бразилии и Канаде (руда, которую они перерабатывают содержит небольшое количество тантала), а также других странах, таких как Китай, Эфиопия, Мозамбик (руды которых содержат более тантала) и эти страны попутно производят существенную количество тантала в мире. Тантал также производят в Таиланде и Малайзии как попутный продукт добычи олова. Путем гравитационного обогащения, они отделяют не только касситерит (SnO 2), но и небольшое количество Танталита. Отходы от переплавки олова содержат экономически целесообразные количества тантала. [6] [27] Ресурсы танталовой сырья, разработка которых в будущем станет целесообразной, в порядке оцененных запасов, содержащихся в Саудовской Аравии, Египте, Гренландии, Китае, Мозамбике, Канаде, Австралии, США, Финляндии, и Бразилии. [28] [29]

В Центральной Африке часто применяют термин Колтан используется для минералов, содержащих ниобий (Колумба) и тантала. Организация United States Geological Survey сообщила в своей годовой книге 2006 года, этот регион производит лишь около 1% мировой добычи тантала, с пиком в 10% в 2000 и 2008. [27] Этнические вопросы, вопросы деловой этики, прав человека и защиты окружающей среды всегда сопровождают добычу "колтана" в регионе военного конфликта в бассейне Конго. [30] [31] [32] [33]

Согласно отчету ООН от 23.10.2003, [34] контрабанда и экспорт колтана является поводом для войны в Конго, кризис, который привел к гибели 5,4 миллиона людей в 1998 году [35] - наиболее крупная по количеству погибших после Второй мировой войны.


3. Производство

Добыча тантала проходит через несколько шагов: во-первых, минерал измельчают и обогащают гравитационным методом. Обычно, обогатительная фабрика располагается рядом с местом добычи. Затем проводят процесс химического разделения, как правило, с помощью обработки сырья смесью фтороводневои кислоты и серной при температуре 90 ? C. Это приводит к образованию комплексных фторидов и перехода тантала и ниобия в раствор, где они очищаются от примесей.

Ta 2 O 5 + 14 HF → 2 H 2 [TaF 7] + 5 H 2 O
Nb 2 O 5 + 10 HF → 2 H 2 [NbOF 5] + 3 H 2 O

Впервые очистки в промышленном масштабе был разработан где Мариньяком, используя разницу в растворимости K 2 [NbOF 5] ? H 2 O и K 2 [TaF 7] в воде. Современный процесс использует жидкостную экстракцию из водных растворов органическими растворителями, такими как циклогексанон. [16] Комплексные фториды ниобия и тантала экстрагируются отдельно водой органических растворителей и переводятся в осадок с помощью фторида калия в виде калийных солей комплексных фторидов, или аммиаком, в виде пентаоксида. [15]

H 2 [TaF 7] + KF → K 2 [TaF 7] ↓ + HF
2 H 2 [TaF 7] + 14 NH 3 + 5 H 2 O → Ta 2 O 5 ↓ + 14 NH 4 F

Полученный фторотанталат калия обычно обрабатывают расплавленным натрием для получения сырого порошка тантала. [36]


4. Применение

4.1. Электроника

Tantalum electrolytic capacitor

Большинство добытого тантала в виде порошка используется для производства электронных компонентов, преимущественно конденсаторов и некоторых высоко резисторов. [37] Танталовые конденсаторы используют тенденцию тантала образовывать прочную и плотную оксидную пленку на поверхности. Танталовый порошок, спрессованный в брикет используется как один из обложек конденсатора, оксид в качестве диэлектрике, и раствор электролита, или твердый электролит в качестве второй обложки. Поскольку слой диэлектрике может быть очень тонким, (тоньше чем, например, в алюминиевом конденсаторе), большая емкость может быть сосредоточена в меньшем объеме. Вес и размер танталовых конденсаторов является привлекательной для мобильных телефонов, ноутбуков, и автомобильной электроники. [38]


4.2. Сплавы

Тантал также используют для получения сплавов, имеющих высокую температуру плавления, ковкость и прочность. Сплавленный с другими металлами, он также используется для изготовления карбид-метательных инструментов для металлообработки, в производстве суперсплавов для ракетных двигателей, химического оборудования, частей ядерного реактора. [38] [39] Высокая температура плавления обеспечивает его применение для изготовления нитей спиралей, для испарения таких металлов как алюминий. Устойчивость к жидкостям организма и химическая пассивность обеспечивают широкое применение тантала и его сплавов для изготовления хирургических инструментов и имплантантов. Например, танталовые пористые слои используются для ортопедической имплантации, используя зданисть тантала образовывать прямое соединение с твердыми тканями. [40]

Тантал инертен к большинству кислот, исключая плавиковую кислоту и горячую серную кислоту, а также горячие щелочные растворы, в которых тантал подвергается коррозии. Это делает его идеальным материалом для изготовления химической посуды для агрессивных веществ. Теплообменники для нагрева паров соляной кислоты изготавливают из тантала. [41] Тантал широко использовался для изготовления сверхвысокочастотных вакуумных ламп для радиопередатчиков. Тантал обладает способностью при высокой температуре поглощать кислород и азот, и используется в качестве гетеру в высоковакуумной технике. [16] [41]


4.3. Другие использования

Оксид тантала используется для создания стекла с высоким коэффициентом преломления для оптических линз. [42] Высокая температура плавления, низкое давление пара и прочность к окислению делает тантал хорошим материалом для частей вакуумных печей. Используя его высокую плотность, были созданы оболочки и устройства, формирующие кумулятивная струя. [43] Тантал вследствие его высокой плотности и температуры плавления эффективно повышает проникающую способность бронебойных снарядов. [44] [45] Также он иногда используется в дорогих часах и авторучки например от Hublot, Montblanc и Panerai. Также, тантал является високобиоинертним и используется в качестве материала для имплантантов. [46]


5. Предупреждение

Вещества, содержащие тантал довольно редко встречаются в лаборатории, и исследованы мало. Сам металл очень биосовместимым и используется для изготовления имплантантов и оберток для костей, однако, надо сосредоточить внимание на иных элементах, содержащихся в сплавах и соединениях тантала. [47] Простое изучение [48] литературы приводит к выводу, что использование тантала иногда связано с саркомой. Возможно, под действием других факторов, не указанных исследователями. Мнение цитировалась с IARC Monograph vol. 74 содержащего "Метки для читателя": "Включение данного канцерогенного агента в Монография не означает, что он достаточно исследовался. "(Inclusion of an agent in the Monographs does not imply that it is a carcinogen, only that the published data have been examined) [49]


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам