Тантал


Тантал (Ta) — элемент с атомным номером 73 и атомным весом 180,948. Является элементом побочной подгруппы пятой группы, шестого периода периодической системы Дмитрия Ивановича Менделеева. Тантал в свободном состоянии при нормальных условиях представляет собой металл платиново-серого цвета со слегка свинцовым оттенком, что является следствием образования оксидной пленки (Ta2O5). Тантал — тяжелый, тугоплавкий, достаточно твердый, но не хрупкий металл, в то же самое время он очень ковкий, хорошо поддающийся механической обработке, особенно в чистом виде.

В природе тантал находится в виде двух изотопов: стабильного 181Ta (99,99 %) и радиоактивного 180Ta (0,012 %) с периодом полураспада 1012 лет. Из искусственно полученных радиоактивный 182Ta (период полураспада 115,1 суток) используется как изотопный индикатор.

Элемент открыт в 1802 году шведским химиком А. Г. Экебергом в двух минералах, найденных в Финляндии и Швеции. Назван был в честь героя древнегреческих мифов Тантала по причине трудности его выделения. Долгое время минералы колумбит, содержащий колумбий (ниобий) и танталит, содержащий тантал, считались одним и тем же. Ведь эти два элемента частые спутники друг друга и во многом схожи. Данное мнение долгое время считалось верным в среде химиков всех стран, лишь в 1844 году немецкий химик Генрих Розе вновь изучал колумбиты и танталиты из различных мест и нашел в них новый металл, близкий по свойствам к танталу. Это был ниобий. Пластичный чистый металлический тантал впервые получен немецким учёным В. фон Болтоном в 1903 году.

Основные месторождения минералов тантала расположены в Финляндии, странах Скандинавии, Северной Америки, Бразилии, Австралии, Франции, Китае и ряде других государств.

В связи с тем, что тантал обладает рядом ценных свойств — хорошей пластичностью, высокой прочностью, свариваемостью, коррозионной устойчивостью в умеренных температурах, тугоплавкостью и рядом других важных качеств — применение семьдесят третьего элемента весьма широко. Наиболее важные области применения тантала — электронная техника и машиностроение. Приблизительно четвертая часть мирового производства тантала идет в электротехническую и электровакуумную промышленность. В электронике он используется для изготовления электролитических конденсаторов, анодов мощных ламп, сеток. В химической промышленности из тантала изготовляют детали машин, применяемых в производстве кислот, ведь этот элемент обладает исключительной химической стойкостью. Тантал не растворяется даже в такой химически агрессивной среде, как царская водка! В танталовых тиглях плавят металлы, например, редкоземельные. Из него изготовляют нагреватели высокотемпературных печей. Благодаря тому, что тантал не взаимодействует с живыми тканями организма человека и не вредит им, он применяется в хирургии для скрепления костей при переломах. Однако главным потребителем столь ценного металла является металлургия (свыше 45 %). В последние годы тантал все чаще используют в качестве легирующего элемента в специальных сталях — сверхпрочных, коррозионностойких, жаропрочных. Кроме того, многие конструкционные материалы довольно быстро теряют теплопроводность: на их поверхности образуется плохо проводящая тепло окисная или солевая пленка. Конструкции из тантала и его сплавов с такими проблемами не сталкиваются. Образующаяся на них окисная пленка тонка и хорошо проводит тепло, к тому же имеет защитные антикоррозионные свойства.

Ценность имеет не только чистый тантал, но и его соединения. Так высокая твердость карбида тантала используется при изготовлении твердосплавного инструмента для скоростного резания металла. Тантало-вольфрамовые сплавы придают жаропрочность деталям, изготовляемым из них.
 

Биологические свойства


Благодаря своей высокой биологической совместимости — способности уживаться с живыми тканями, не вызывая раздражения и отторжения организма — тантал нашел широкое применение в медицине, главным образом в восстановительной хирургии — для восстановления человеческого организма. Тонкие пластины из тантала применяют при повреждениях черепной коробки — ими закрывают проломы в черепе. Медицине известен случай, когда из танталовой пластинки было сделано искусственное ухо, при этом, кожа, пересаженная с бедра, прижилась настолько хорошо и быстро, что вскоре искусственный орган нельзя было отличить от настоящего. Танталовые нити используют при восстановлении поврежденной мускульной ткани. Танталовыми пластинками хирурги скрепляют стенки брюшной полости после операций. Даже кровеносные сосуды можно соединить, для этого используют скрепки из тантала. Сети из этого уникального материала применяют при изготовлении глазных протезов. Нитями из этого металла заменяют сухожилия и даже сшивают нервные волокна.

Не менее широко применение пятиокиси тантала Та2О5 — ее смесь с небольшим количеством трехокиси железа предложено использовать для ускорения свертывания крови.

Последнее десятилетие развивается новая отрасль медицины, основанная на использовании близкодействующих статических электрических полей для стимулирования позитивных биологических процессов в организме человека. Причем электрические поля образуются не за счет традиционных электротехнических источников энергии с сетевым или аккумуляторным электропитанием, а за счет автономно функционирующих электретных покрытий (диэлектрик, сохраняющий продолжительное время некомпенсированный электрический заряд), нанесенных на имплантаты различного назначения, широко применяемые в медицине.

В настоящее время положительные результаты применения электретных пленок пятиокиси тантала получены в следующих областях медицины: челюстно-лицевая хирургия (использование имплантантов с покрытием из Та2О5 исключает возникновение воспалительных процессов, сокращает сроки приживления имплантанта); ортопедическая стоматология (покрытие протезов из акриловых пластмасс пленкой из пятиокиси тантала устраняет все возможные патологические проявления, обусловленные непереносимостью акрилатов); хирургия (применение электретного аппликатора при лечении дефектов кожных покровов и соединительной ткани при длительно незаживающих раневых процессах, пролежнях, нейротрофических язвах, термических поражениях); травматология и ортопедия (ускорение развития костной ткани при лечении переломов и болезней опорно-двигательной системы человека под действием статического поля, создаваемого пленкой электретного покрытия).

Все эти уникальные научные разработки стали возможны благодаря научной работе специалистов из Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического Университета (ЛЭТИ).

Помимо выше перечисленных областей, где уже применяются или внедряются уникальные покрытия из пятиокиси тантала, существуют разработки, находящиеся на самых начальных стадиях. К ним относятся разработки для следующих областей медицины: косметология (изготовления материала на основе покрытий из пятиокиси тантала, который заменит «золотые нити»); кардиохирургия (нанесении электретных пленок на внутреннюю поверхность искусственных кровеносных сосудов, препятствует образованию тромбов); эндопротезирование (снижение риска отторжения протезов, находящихся в постоянном взаимодействии с костной тканью). Кроме того, создается хирургический инструмент с покрытием из пленки пятиокиси тантла.

Интересные факты


Известно, что тантал весьма стоек в отношении агрессивных сред, об этом свидетельствует ряд фактов. Так при температуре в 200 °C этот металл не подвержен воздействию семидесяти процентной азотной кислоты! В серной кислоте при температуре 150 °C коррозии тантала также не наблюдается, а при 200 °C металл корродирует, но всего лишь на 0,006 мм в год!

Известен случай, когда на одном предприятии, использовавшем газообразный хлористый водород, детали из нержавеющей стали выходили из строя уже через пару месяцев. Однако, как только сталь была заменена танталом, даже самые тонкие детали (толщиной 0,3...0,5 мм) оказались практически бессрочными — срок службы их увеличился до 20 лет!

Тантал наряду с никелем и хромом широко используется в качестве антикоррозионного покрытия. Им покрывают детали самых разнообразных форм и размеров: тигли, трубы, листы, сопла ракет и многое другое. Причем материал, на который наносится танталовое покрытие, может быть самым разнообразным: железо, медь, графит, кварц, стекло и другие. Что самое интересное — твердость танталового покрытия выше твердости технического тантала в отожженном виде в три-четыре раза!

В связи с тем, что тантал весьма ценный металл, поиски его сырья продолжаются и в наши дни. Минералоги обнаружили, что в обычных гранитах, помимо других ценных элементов, содержится и тантал. Попытка добычи тантала из гранитных пород предпринималась в Бразилии, металл был получен, однако промышленного масштаба такая добыча не получила — крайне дорогим и сложным оказался процесс.

Современные электролитические танталовые конденсаторы стабильны в работе, надежны и долговечны. Миниатюрные конденсаторы, изготовленные из этого материала, используемые в различных электронных системах, помимо выше перечисленных достоинств, имеют одно уникальное качество: они могут производить собственный ремонт самостоятельно! Каким же образом это происходит? Предположим, что от возникшего перепада напряжения, либо по другой причине, нарушается целостность изоляции — мгновенно в месте пробоя вновь образуется изолирующая пленка окисла, и конденсатор продолжает работать, как ни в чем не бывало!

Несомненно, появившийся в середине XX века термин «умный металл», то есть металл, помогающий работать умным машинам, по праву можно присвоить танталу.

В некоторых областях тантал заменяет, а иногда даже конкурирует с платиной! Так в ювелирной работе тантал часто заменяет более дорогой благородный металл при изготовлении браслетов, часовых корпусов и других ювелирных изделий. В другой же области тантал успешно конкурирует с платиной — стандартные аналитические разновесы из этого металла по качеству не уступают платиновым.

Кроме того, танталом заменяют более дорогой иридий в производстве наконечников для перьев автоматических ручек.

Благодаря своим уникальным химическим свойствам, тантал нашел применение, как материал для катодов. Так танталовые катоды применяют при электролитическом выделении золота и серебра. Их ценность заключается в том, что осадок благородных металлов можно смыть с них царской водкой, которая не причиняет вреда танталу.

Определенно можно говорить о том факте, что есть нечто символическое, если даже не мистическое в том, что шведский химик Экеберг, пытаясь насытить кислотами новое вещество, был поражен его «жаждой» и дал новому элементу имя в честь мифического злодея, убившего собственного сына и предавшего богов. А спустя двести лет оказалось, что этот элемент способен буквально «сшить» человека и даже «заменить» ему сухожилия и нервы! Получается, что томимый в подземном царстве мученик искупая свою вину помощью человеку, пытается выпросить прощение у богов…

История


Тантал — герой древнегреческих мифов, лидийский или фригийский царь, сын Зевса. Разгласил тайны олимпийских богов, похитил с их пира амбросию и угостил олимпийцев блюдом, приготовленным из тела собственного сына Пелопса, которого он же и убил. За свои злодеяния Тантал был приговорен богами на вечные муки голода, жажды и страха в подземном царстве Аида. С тех пор он стоит по горло в прозрачной кристально чистой воде, к его голове склоняются ветви под тяжестью спелых плодов. Только не может он утолить ни жажду, ни голод — вода уходит вниз, как только он пытается напиться, а ветви поднимает ветер, от рук голодного убийцы. Над головой Тантала нависает скала, которая в любой миг может обрушиться, заставляя несчастного грешника вечно мучиться от страха. Благодаря этому мифу возникло выражение «танталовы муки», обозначающее непереносимые страдания, бесплотные попытки освободиться от мучений. Видимо, в ходе безуспешных попыток шведского химика Экеберга растворить в кислотах «землю», открытую им в 1802 году, и выделить из нее новый элемент, именно это выражение и пришло ему в голову. Не раз ученому казалось, что он близок к цели, но выделить новый металл в чистом виде ему так и не удалось. Так появилось «мученическое» название нового элемента.

Открытие тантала тесно связано с открытием другого элемента — ниобия, который появился на свет годом раньше и первоначально получил название Колумбия, которое дал ему первооткрыватель Гатчет. Этот элемент — двойник тантала близкий ему по ряду свойств. Именно эта близость и ввела в заблуждение химиков, которые после долгих споров пришли к ошибочному выводу о том, что тантал и колумбий — один и тот же элемент. Данное заблуждение длилось более сорока лет, пока в 1844 году известный немецкий химик Генрих Розе, в ходе повторного изучения колумбитов и танталитов из различных месторождений, не доказал, что колумбий — это самостоятельный элемент. Колумбий, изучаемый Гатчетом был ниобием с большим содержанием тантала, что и ввело в заблуждение ученый мир. В честь такой родственной близости двух элементов Розе присвоил колумбию новое название Ниобий — в честь дочери фригийского царя Тантала Ниобии. И хотя Розе также допустил ошибку, якобы открыв еще один новый элемент, который он назвал Пелопием (в честь сына Тантала Пелопса), его работы стали основой для строгого различия ниобия (колумбия) и тантала. Только, даже после доказательств Розе тантал и ниобий долгое время путали. Так тантал называли колумбием, в России колумбом. Гесс в своих «Основаниях чистой химии» вплоть до их шестого издания (1845) говорит только о тантале, не упоминая о Колумбии; у Двигубского (1824) встречается название — танталий. Такие ошибки и оговорки понятны — способ разделения тантала и ниобия был разработан лишь в 1866 году швейцарским химиком Мариньяком, а как такового чистого элементарного тантала еще не существовало: ведь в чистом компактном виде этот металл ученые смогли получить лишь в XX веке. Первым, кто смог получить металлический тантал, был немецкий химик фон Болтон, а произошло это лишь в 1903 году. Ранее, конечно же, предпринимались попытки получения чистого металлического тантала, но все старания химиков были безуспешны. Например, французский химик Муассан получил металлический порошок, по его утверждению — чистый тантал. Однако этот порошок, полученный восстановлением пятиокиси тантала Ta2O5 углеродом в электрической печи, не был чистым танталом, порошок содержал 0,5 % углерода.

В итоге детальное изучение физико-химических свойств семьдесят третьего элемента стало возможно лишь в начале двадцатого века. В течение еще нескольких лет тантал не находил практического применения. Лишь в 1922 г. его смогли использовать в выпрямителях переменного тока.


Нахождение в природе


Среднее содержание семьдесят третьего элемента в земной коре (кларк) 2,5∙10-4 % по массе. Тантал характерный элемент кислых пород — гранитных и осадочных оболочек, в которых его среднее содержание достигает 3,5∙10-4 %, что касается ультраосновных и основных пород — верхние участки мантии и глубинные части земной коры, то концентрация тантала там значительно ниже: 1,8∙10-6 %. В породах магматического происхождения тантал рассеян, также как и в биосфере, так как изоморфен со многими химическими элементами.

Несмотря на малое содержание тантала в земной коре, весьма широко распространение его минералов — их насчитывается более сотни, как собственно минералов тантала, так и танталосодержащих руд, все они образовались в связи с магматической деятельностью (танталит, колумбит, лопарит, пирохлор и другие). Во всех минералах спутником тантала является ниобий, что объясняется чрезвычайным химическим сходством элементов и почти одинаковыми размерами их ионов.

Собственно танталовые руды имеют соотношение Ta2O5: Nb2O5≥1. Главными минералами танталовых руд являются колумбит-танталит (содержание Ta2O5 30—45 %), танталит и манганотанталит (Ta2O5 45—80 %), воджинит (Ta, Mn, Sn)3O6 (Ta2O5 60—85 %), микролит Ca2(Ta, Nb)2O6(F, OH) (Ta2O5 50—80 %) и другие. Танталит (Fe, Mn)(Ta, Nb)2O6 имеет несколько разновидностей: ферротанталит (FeO>MnO), манганотанталит (MnO>FeO). Танталит бывает разных оттенков от черного до красно-коричневого. Главными минералами тантало-ниобиевых руд, из которых наряду с ниобием извлекают значительно более дорогой тантал — это колумбит (Ta2O5 5—30 %), танталсодержащий пирохлор (Ta2O5 1—4 %), лопарит (Ta2O5 0,4—0,8 %), гатчеттолит (Ca, Tr, U)2(Nb, Ta)2O6(F, OH)∙nH2O (Ta2O5 8—28 %), иксиолит (Nb, Ta, Sn, W, Sc)3O6 и некоторые другие. Тантало-ниобаты, содержащие U, Th, TR, метамиктны, сильно радиоактивны и содержат переменное количество воды; обычны полиморфные модификации. Тантало-ниобаты образуют мелкую вкрапленность, крупные выделения редки (кристаллы типичны в основном для лопарита, пирохлора и колумбит-танталита). Окраска черная, темно-бурая, буровато-желтая. Обычно полупрозрачные или слабо просвечивают.

Различается несколько главных промышленных и генетических типов месторождений танталовых руд. Редкометальные пегматиты натро-литиевого типа представлены зональными жильными телами, состоящими из альбита, микроклина, кварца, в меньшей степени сподумена или петалита. Редкометальные танталоносные граниты (апограниты) представлены небольшими штоками и куполами микроклин-кварц-альбитовых гранитов, часто обогащенных топазом и литиевыми слюдами, содержащими тонкую вкрапленность колумбита-танталита и микролита. Коры выветривания, делювиально-аллювиальные и аллювиальные россыпи, возникающие в связи с разрушением пегматитов, содержат касситерит и минералы группы колумбита-танталита. Лопаритсодержащие нефелиновые сиениты состава луявритов, фойялитов.

Кроме того, в промышленное использование вовлекаются месторождения комплексных тантало-ниобиевых руд, представленных карбонатитами и ассоциирующими с ними форстерит-апатит-магнетитовыми породами; микроклин-альбитовыми рибекитовыми щелочными гранитами и граносиенитами и другими. Некоторое количество тантала извлекается из вольфрамитов грейзеновых месторождений.

Крупнейшие месторождения титановых руд расположены в Канаде (Манитоба, Берник-Лейк), Австралии (Гринбушес, Пилбара), Малайзии и Тайланде (танталосодержащие оловянные россыпи), Бразилии (Параиба, Риу-Гранди-ду-Норти), ряде африканских государств (Заир, Нигерия, Южная Родезия).

Применение


Тантал нашел свое техническое применение довольно поздно — в начале XX века его использовали в качестве материала для нитей накаливания электроламп, что обуславливалось таким качеством этого металла, как тугоплавкость. Однако вскоре он потерял свое значение в этой области, вытесненный менее дорогим и более тугоплавким вольфрамом. Вновь тантал стал «технически непригодным» вплоть до двадцатых годов XX века, когда его стали использовать в выпрямителях переменного тока (тантал, покрытый окисной пленкой, пропускает ток лишь в одном направлении), а спустя еще год — в радиолампах. После чего металл получил признание и вскоре стал завоевывать все новые и новые области промышленности.

В наше время тантал благодаря своим уникальным свойствам используется в электронике (производство конденсаторов высокой удельной емкости). Примерно четвертая часть мирового производства тантала идет в электротехническую и электровакуумную промышленность. Благодаря высокой химической инертности, как самого тантала, так и его окисной пленки, электролитические танталовые конденсаторы весьма стабильны в работе, надежны и долговечны: срок их службы может достигать более двенадцати лет. В радиотехнике тантал используется в радиолокационной аппаратуре. Мини конденсаторы из тантала используют в передатчиках радиостанций, радарных установках и других электронных системах.

Основной потребитель тантала — металлургия, использующая свыше 45 %, производимого металла. Тантал активно используют в качестве легирующего элемента в специальных сталях — сверхпрочных, коррозионностойких, жаропрочных. Добавка этого элемента к обычным хромистым сталям повышает их прочность и уменьшает хрупкость после закалки и отжига. Производство жаропрочных сплавов — большая необходимость для ракетной и космической техники. В тех случаях, когда сопла ракет охлаждаются жидким металлом, способным вызвать коррозию (литием или натрием), без сплава тантала с вольфрамом просто невозможно обойтись. Кроме того, из жаропрочных сталей изготовляют нагреватели высокотемпературных вакуумных печей, подогревателей, мешалок. Карбид тантала (температура плавления 3 880 °C) 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).

Стали, легированные танталом имеют широкое применение, например в химическом машиностроении. Ведь такие сплавы имеют исключительную химическую стойкость, они пластичны, жаростойки и жаропрочны, именно благодаря этим свойствам тантал стал незаменимым конструкционным материалом для химической промышленности. Танталовую аппаратуру применяют в производстве многих кислот: соляной, серной, азотной, фосфорной, уксусной, а также брома, хлора и перекиси водорода. Из него изготовляют змеевики, дистилляторы, клапаны, мешалки, аэраторы и многие другие детали химических аппаратов. Иногда — аппараты целиком. Танталовые катоды применяют при электролитическом выделении золота и серебра. Достоинство этих катодов заключается в том, что осадок золота и серебра можно смыть с них царской водкой, которая не причиняет вреда танталу.

Кроме того, тантал используют в приборостроении (рентгеновская аппаратура, контрольный инструмент, диафрагмы); в медицине (материал для восстановительной хирургии); в ядерной энергетике — в качестве теплообменника для ядерно-энергетических систем (тантал наиболее из всех металлов устойчив в перегретых расплавах и парах цезия-133). Высокая способность тантала поглощать газы используется для поддержания глубокого вакуума (электровакуумные приборы).

Последние годы тантал используется в качестве ювелирного материала, в связи с его способностью образовывать на поверхности прочные пленки оксида любого цвета.

Широкое применение находят и соединения тантала. Пятиокись тантала используется в атомной технике для варки стекла поглощающего гамма-излучение. Фтортанталат калия используют как катализатор в производстве синтетического каучука. В этой же роли выступает и пятиокись тантала при получении бутадиена из этилового спирта.

Производство


Известно, что руды содержащие тантал редки и бедны именно этим элементом. Основное сырье для производства тантала и его сплавов — танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие всего 8 % Та2О5, и более 60 % Nb2O5. Кроме того, в переработку идут даже те руды, которые содержат всего сотые доли процента (Та, Nb)2O5!

Технология производства тантала довольно сложна и осуществляется в три стадии: вскрытие или разложение; отделение тантала от ниобия и получение их чистых химических соединений; восстановление и рафинирование тантала.

Вскрытие танталового концентрата, иначе говоря, извлечение тантала из руд осуществляется с помощью щелочей (сплавление) либо при помощи плавиковой кислоты (разложение) или смеси плавиковой и серной кислот. После чего переходят ко второй стадии производства — экстракционное извлечение и разделение тантала и ниобия. Последняя задача весьма сложна по причине схожести химических свойств этих металлов и почти одинаковым размером их ионов. До недавних пор металлы разделяли лишь способом, предложенным еще в 1866 году швейцарским химиком Мариньяком, который воспользовался различной растворимостью фтортанталата и фторниобата калия в разбавленной плавиковой кислоте. В современной промышленности используется несколько способов разделения тантала и ниобия: экстракция органическими растворителями, избирательное восстановление пятихлористого ниобия, дробная кристаллизация комплексных фтористых солей, разделение с помощью ионообменных смол, ректификация хлоридов. В настоящее время чаще всего используемый способ разделения (он же и самый совершенный) — экстракция из растворов фтористых соединений тантала и ниобия, содержащих плавиковую и серную кислоты. При этом также происходит очистка тантала и ниобия от примесей других элементов: кремния, титана, железа, марганца и других сопутствующих элементов. Что касается лопаритовых руд, то их концентраты перерабатываются хлорным методом, с получением конденсата хлоридов тантала и ниобия, которые разделяют в дальнейшем методом ректификации. Разделение смеси хлоридов складывается из следующих стадий: предварительная ректификация (происходит отделение хлоридов тантала и ниобия от сопутствующих примесей), основная ректификация (с получением чистого NbCl5 и концентрата TaCl5) и завершающая ректификация танталовой фракции (получение чистого TaCl5). Вслед за разделением родственных металлов происходит осаждение и очистка танталовой фазы с получением фтортанталата калия повышенной чистоты (с использованием KCl).

Металлический тантал получают путем восстановления его соединений высокой чистоты, для чего возможно применение нескольких способов. Это либо восстановление тантала из пентооксида сажей при температуре 1800—2000 °C (карботермический способ), либо восстановление натрием фтортанталата калия при нагревании (натриетермический способ), либо электрохимическое восстановление из расплава, содержащего фтортанталат калия и оксид тантала (электролитический способ). Так или иначе, получают металл в порошкообразном виде с чистотой 98—99 %. Дабы получить металл в слитках, его спекают в виде предварительно спрессованных из порошка заготовок. Спекание происходит посредством пропускания тока при температуре 2 500—2 700 °C или нагреванием в вакууме при 2 200—2 500 °C. После чего чистота металла значительно увеличивается, становясь равной 99,9—99,95 %.

Для дальнейшего рафинирования и получения танталовых слитков используют электровакуумную плавку в дуговых печах с расходуемым электродом, а для более глубокого рафинирования применяют электронно-лучевую плавку, которая значительно снижает содержание в тантале примесей, повышает его пластичность и снижает температуру перехода в хрупкое состояние. Тантал такой чистоты сохраняет высокую пластичность при температурах, близких к абсолютному нулю! Поверхность слитка из тантала оплавляют (для придания требуемых показателей по поверхности слитка) или обрабатывают на токарном станке.

Физические свойства


Только в начале XX века ученые получили в свои руки чистый металлический тантал и смогли детально изучить свойства этого светло-серого металла со слегка синеватым свинцовым оттенком. Какими же качествами обладает этот элемент? Определенно, тантал — тяжелый металл: его плотность 16,6 г/см3 при 20 °C (для сравнения у железа плотность 7,87 г/см3, плотность свинца — 11,34 г/см3) и для транспортировки одного кубометра данного элемента потребовалось бы шесть трехтонных грузовиков. Высокая прочность и твердость сочетаются в нем с отличными пластическими характеристиками. Чистый тантал хорошо поддается механической обработке, легко штампуется, перерабатывается в тончайшие листы (толщиной около 0,04 мм) и проволоку (модуль упругости тантала 190 Гн/м2 или 190·102 кгс/мм2 при 25 °С). На холоде металл поддается обработке без значительного наклепа, подвергается деформации со степенью сжатия 99 % без промежуточного обжига. Переход тантала из пластичного состояния в хрупкое не наблюдается даже при его охлаждении до -196 °C. Предел прочности при растяжении отожженного тантала 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 % (при 27 °С) и 20 % (при 490 °С). Тантал имеет кубическую объемноцентрированную решетку (а = 3,296 A); атомный радиус 1,46 A, ионные радиусы Та2+ 0,88 A, Та5+ 0,66 A.

Как говорилось ранее — тантал очень твердый металл (твердость по Бринеллю листового тантала в отожженном состоянии составляет 450—1250 МПа, в деформированном состоянии 1250—3500 МПа). Более того, можно повысить твердость металла путем добавления в него ряда примесей, например углерода или азота (твердость по Бринеллю танталового листа после поглощения газов при нагревании увеличивается до 6000 МПа). В итоге примеси внедрения способствуют повышению твердости по Бринеллю, временного сопротивления, предела текучести, но снижают характеристики пластичности и усиливают хладноломкость, проще говоря — делают металл хрупким. Другие характерные черты семьдесят третьего элемента — его высокая теплопроводность, при 20—100 °C эта величина составляет 54,47 вт/(м∙К) или 0,13 кал/(см·сек·°С) и тугоплавкость (возможно, самое важное физическое свойство тантала) — он плавится почти при 3 000 °C (точнее, при 2 996 °C), уступая в этом лишь вольфраму и рению. Температура кипения тантала также чрезвычайно высока: 5 300 °C.

Что касается других физических свойств тантала, то его удельная теплоемкость при температурах от 0 до 100 °C составляет 0,142 кдж/(кг·К) или 0,034 кал/(г·°С); температурный коэффициент линейного расширения тантала 8,0·10-6 (при температурах 20—1 500 °С). Удельное электросопротивление семьдесят третьего элемента при 0 °С 13,2·10-8 ом·м, при 2000 °С 87·10-8 ом·м. При 4,38 К металл становится сверхпроводником. Тантал парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 0,849·10-6 (при 18 °С).

Итак, тантал обладает уникальным комплексом физических свойств: высоким коэффициентом теплопередачи, высокой способностью поглощать газы, жаропрочностью, тугоплавкостью, твердостью, пластичностью. Кроме того, его отличает высокая прочность — он хорошо поддается обработке давлением всеми существующими методами: ковка, штамповка, прокатка, волочение, скручивание. Тантал характеризуется хорошей свариваемостью (сварка и пайка в среде аргона, гелия, либо в вакууме). Кроме того, тантал обладает исключительной химической и коррозионной стойкостью (с образованием анодной пленки), низким давлением пара и небольшой работой выхода электронов и, вдобавок, он прекрасно уживается с живой тканью организма.

Химические свойства


Определенно, одно из самых ценных свойств тантала — его исключительная химическая стойкость: в этом отношении он уступает только благородным металлам, да и то не всегда. Он устойчив к соляной, серной, азотной, фосфорной и органическим кислотам всех концентраций (вплоть до температуры 150 °С). По своей химической устойчивости тантал подобен стеклу — нерастворим в кислотах и их смесях, его не растворяет даже царская водка, против которой бессильны золото и платина и ряд других ценных металлов. Семьдесят третий элемент растворим только в смеси плавиковой и азотной кислот. Причем реакция с плавиковой кислотой происходит только с пылью металла и сопровождается взрывом. Даже в горячих соляной и серной кислотах тантал более стоек, чем его брат-близнец ниобий. Однако к воздействию щелочей тантал менее устойчив — горячие растворы едких щелочей разъедают металл. Соли танталовых кислот (танталаты) выражаются общей формулой: xMe2O·yТа2О5·H2O, к ним относятся метатанталаты МеТаО3, ортотанталаты Ме3ТаО4, соли типа Me5TaO5, где Me — щелочной металл; в присутствии перекиси водорода образуются также пертанталаты. Наиболее важны танталаты щелочных металлов — КТаО3 и NaTaO3; эти соли — сегнетоэлектрики.

О высокой коррозионной стойкости тантала говорит и его взаимодействием с кислородом воздуха, а точнее высокая стойкость против данного воздействия. Металл начинает окисляться лишь при 280 °С, покрываясь защитной плёнкой Ta2O5 (пентаоксид тантала — единственный стабильный окисел металла), которая защищает металл от действия химических реагентов и препятствует протеканию электрического тока от металла к электролиту. Однако с повышением температуры до 500 °С оксидная пленка постепенно становится пористой, расслаивается и отделяется от металла, лишая поверхность защитного слоя от коррозии. Поэтому целесообразно горячую обработку давлением производить в вакууме, так как на воздухе металл окисляется на значительную глубину. Присутствие азота и кислорода увеличивает твердость и прочность тантала, одновременно снижая его пластичность и делая металл хрупким, причем, как говорилось ранее, с кислородом тантал образует твердый раствор и оксид Ta2O5 (с увеличением содержания O2 в тантале происходит резкое повышение прочностных свойств и сильное снижение пластичности и коррозионной стойкости). С азотом тантал реагирует с образованием трех фаз — твердый раствор азота в тантале, нитриды тантала: Ta2N и TaN — в интервале температур от 300 до 1 100 °С. Избавиться от азота и кислорода в тантале возможно в условиях высокого вакуума (при температурах выше 2 000 °С).

С водородом тантал реагирует слабо вплоть до нагревания до 350 °С, скорость реакции значительно возрастает лишь с 450 °С (образуется гидрид тантала и тантал становится хрупким). Избавиться от водорода помогает все то же нагревание в вакууме (свыше 800 °С), при котором происходит восстановление механических свойств тантала, а водород полностью удаляется.

Фтор действует на тантал уже при комнатной температуре, фтористый водород также вступает в реакцию с металлом. Сухие хлор, бром и йод оказывают химическое действие на тантал при температуре 150 °С и выше. Активно взаимодействовать с металлом хлор начинает при температуре 250 °С, бром и йод при температуре 300 °С. С углеродом у тантала начинается взаимодействие при очень высоких температурах: 1 200—1 400 °С, при этом происходит образование тугоплавких карбидов тантала, которые весьма устойчивы к кислотам. С бором тантал соединяется в бориды — твердые тугоплавкие соединения, устойчивые к воздействию царской водки. Со многими металлами тантал образует непрерывные твердые растворы (молибден, ниобий, титан, вольфрам, ванадий и другие). С золотом, алюминием, никелем, бериллием и кремнием тантал образует ограниченные твердые растворы. Не образует никаких соединений тантал с магнием, литием, калием, натрием и некоторыми другими элементами. Чистый тантал устойчив к действию многих жидких металлов (Na, K, Li, Pb, к сплавам U-Mg и Pu-Mg).