Тантал

Периодическая система хим. элементов Менделеева

Тантал (латинское Tantalum), Та, химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 73, атомная масса 180,948; металл серого цвета со слегка свинцовым оттенком. В природе находится в виде двух изотопов: стабильного ^181Та (99,99%) и радиоактивного ^180Та (0,012%; Т_1/2= 10¹² лет). Из искусственно полученных радиоактивный ^182Та (Т_1/2 = 115,1 сут) используюткак радиоактивный индикатор.

Элемент открыт в 1802 шведским химиком А. Г. Экебергом; назван по имени героя древнегреческой мифологии Тантала (из-за трудностей получения Т. в чистом виде). Пластичный металлический Т. впервые получил в 1903 немецкий химик В. Больтон.

Распространение в природе. Среднее содержание Т. в земной коре (кларк)2,5x10^-4% по массе. Характерный элемент гранитной и осадочной оболочек (среднее содержание достигает 3,5x10^-4%); в глубинных частях земной коры и особенно в верхней мантии Т. мало (в ультраосновных породах 1,8x10^-6%). В большинстве магматических пород и биосфере Т. рассеян; его содержание в гидросфере и организмах не установлено. Известно 17 собственных минералов Т. и более 60 танталсодержащих минералов; все они образовались в связи с магматической деятельностью (танталит, колумбит, лопарит, пирохлор и др.). В минералах Т. находится совместно с ниобием вследствие сходства их физических и химических свойств (см. Танталовые руды и Ниобиевые руды). Руды Т. известны в пегматитах гранитных и щелочных пород, карбонатитах, в гидротермальных жилах, а также в россыпях, которые имеют наибольшее практическое значение.

Физические и химические свойства. Т. имеет кубическую объёмно-центрированную решётку (а = 3,296 ); атомный радиус 1,46 , ионные радиусы Та²⁺ 0,88 А, Та⁵⁺ 0,66 А; плотность 16,6 г/см³ при 20 °C; t_пл 2996 °C; t_кип 5300 °C; удельная теплоёмкость при 0-100 °C 0,142 кдж/(кгxК) [0,034 кал/(г x °C)]; теплопроводность при 20-100 °C 54,47 вт/(мxК) [0,13 кал/ (см xсек x°C)]. Температурный коэффициент линейного расширения 8,0x10^-6 (20-1500 °C); удельное электросопротивление при 0°C 13,2x10^-8 омxм, при 2000 °C 87x10^-8 омxм. При 4,38 К становится сверхпроводником. Т. парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 0,849x10^-6 (18 °C). Чистый Т. - пластичный металл, обрабатывается давлением на холоду без значительного наклёпа. Его можно деформировать со степенью обжатия 99% без промежуточного отжига. Переход Т. из пластичного в хрупкое состояние при охлаждении до -196 °C не обнаружен. Модуль упругости Т. 190 Гн/м² (190x10² кгс/мм²) при 25 °C. Предел прочности при растяжении отожжённого Т. высокой чистоты 206 Мн/м²(20,6 кгс/мм²) при 27 °C и 190 Мн/м²(19 кгс/мм²) при 490 °C; относительное удлинение 36% (27 °C) и 20% (490 °C). Твёрдость по Бринеллю чистого рекристаллизованного Т. 500 Мн/м² (50 кгс/мм²). Свойства Т. в большой степени зависят от его чистоты; примеси водорода, азота, кислорода и углерода делают металл хрупким.

Конфигурация внешних электронов атома Та 5d³6s². Наиболее характерная степень окисления Т. + 5; известны соединения с низшей степенью окисления (например, TaCl₄, ТaCl_з, TaCl₂), однако их образование для Т. менее характерно, чем для ниобия.

В химическом отношении Т. при обычных условиях малоактивен (сходен с ниобием). На воздухе чистый компактный Т. устойчив; окисляться начинает при 280 °C. Имеет лишь один стабильный окисел - пятиокись Ta₂O₅, которая существует в двух модификациях: a-форме белого цвета ниже 1320 °C и b-форме серого цвета выше 1320 °C; имеет кислотный характер. С водородом при температуре около 250 °C Т. образует твёрдый раствор, содержащий до 20 атомных % водорода при 20 °C; при этом Т. становится хрупким; при 800-1200 °C в высоком вакууме водород выделяется из металла и его пластичность восстанавливается. С азотом при температуре около 300 °C образует твёрдый раствор и нитриды Ta₂N и TaN; в глубоком вакууме выше 2200 °C поглощённый азот вновь выделяется из металла. В системе Та - С при температуре до 2800 °C установлено существование трёх фаз: твёрдого раствора углерода в Т., низшего карбида Т₂С и высшего карбида TaC. Т. реагирует с галогенами при температуре выше 250 °C (с фтором при комнатной температуре), образуя галогениды преимущественно типа TaX₅ (где Х = F, Cl, Вг, I), При нагревании Та взаимодействует с С, В, Si, Р, Se, Те, водой, CO, CO₂, NO, HCI, H₂S.

Чистый Т. исключительно устойчив к действию многих жидких металлов: Na, К и их сплавов, Li, Pb и др., а также сплавов U - Mg и Pu - Mg. Т. характеризуется чрезвычайно высокой коррозионной устойчивостью к действию большинства неорганических и органических кислот: азотной, соляной, серной, хлорной и др., царской водки, а также многих др. агрессивных сред. Действуют на Т. фтор, фтористый водород, плавиковая кислота и её смесь с азотной кислотой, растворы и расплавы щелочей. Известны соли танталовых кислот - танталаты общей формулы xMe₂OxуТа₂О₅xН₂О: метатанталаты MeTaO₃, ортотанталаты Me₃TaO₄, соли типа Me₅TaO₅, где Me - щелочной металл; в присутствии перекиси водорода образуются также пертанталаты. Наиболее важны танталаты щелочных металлов - KTaO₃ и NaTaO₃; эти соли - сегнетоэлектрики.

Получение. Руды, содержащие Т., редки, комплексны, бедны Т.; перерабатывают руды, содержащие до сотых долей процента (Та, Nb)₂O₅, и шлаки восстановительной плавки оловянных концентратов. Основным сырьём для производства Т., его сплавов и соединений служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие соответственно около 8% Ta₂O₅ и 60% и более Nb₂O₅. Концентраты перерабатывают обычно в три стадии: 1) вскрытие, 2) разделение Та и Nb и получение их чистых соединений, 3) восстановление и рафинирование Та. Танталитовые концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые - хлорируют. Разделяют Та и Nb с получением чистых соединений экстракцией, например трибутилфосфатом из плавиково-кислых растворов, или ректификацией хлоридов.

Для производства металлического Т. применяют восстановление его из Ta₂O₅ сажей в одну или в две стадии (с предварительным получением TaC из смеси Ta₂O₅ с сажей в атмосфере CO или H₂ при 1800-2000 °C); электрохимическое восстановление из расплавов, содержащих K₂TaF₇ и Ta₂O₃, и восстановление натрием K₂TaF₇ при нагревании. Возможны также процессы термической диссоциации хлорида или восстановление из него Т. водородом. Компактный металл производят либо вакуумной дуговой, электроннолучевой или плазменной плавкой, либо методами порошковой металлургии. Слитки или спечённые из порошков штабики обрабатывают давлением; монокристаллы особо чистого Т. получают бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.

Применение. Т. обладает комплексом ценных свойств - хорошей пластичностью, прочностью, свариваемостью, коррозионной устойчивостью при умеренных температурах, тугоплавкостью, низким давлением пара, высоким коэффициентом теплопередачи, небольшой работой выхода электронов, способностью образовывать анодную плёнку (Ta₂O₃) с особыми диэлектрическими характеристиками и "уживаться" с живой тканью организма. Благодаря этим свойствам Т. находит применение в электронике, химическом машиностроении, ядерной энергетике, в металлургии (производство жаропрочных сплавов, нержавеющих сталей), в медицине; в виде TaC его применяют в производстве твёрдых сплавов. Из чистого Т. изготовляют электрические конденсаторы для полупроводниковых приборов, детали электронных ламп, коррозионноустойчивую аппаратуру для химической промышленности, фильеры в производстве искусственного волокна, лабораторную посуду, тигли для плавки металлов (например, редкоземельных) и сплавов, нагреватели высокотемпературных печей; теплообменники для ядерно-энергетических систем. В хирургии листы, фольгу, проволоку из Т. применяют для скрепления костей, нервов, наложения швов и др. Применение находят танталовые сплавы и соединения.

Лит.: Зеликман А. Н., Меерсон Г. А., Металлургия редких металлов, М., 1973.,