Окись тантала (V) (Танталовый ангидрид)

Уфа 2012

Тантал

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. Тантал тяжелый, платиново-серый с синеватым оттенком блестящий металл, довольно твердый, но черезвычайно ковкий; ковкость его повышается по мере очистки.

Тантал был открыт в 1802 г. А.Г.Экебергом в двух тогда только что найденных минералах. Экеберг назвал этот элемент по имени томящегося в аду , согласно греческой легенде, героя - танталом. Оба минерала были названы соответственно танталитом и иттротанталитом.

Тантал почти всегда сопутствует ниобию в танталитах и ниобитах. Основные месторождения танталита находятся в Финляндии, Скандинавии и в Северной Америке.

Так как тантал объединяет превосходные металические свойства с исключительной химической стойкостью, он оказался весьма подходящим для изготовления хирургических и зубоврачебных инструментов, например концов пинцетов, игл для инъекций,стрелок и т.д. В некоторых случаях он может заменить платину.

Применяют также для изготовления конденсаторов, катодов электронных ламп, аппаратуры в химической промышленности и ядерной энергетике, фильер для производства искуственных волокон. Карбид, силицид, нитрид тантала - жаростойкие материалы, компоненты твердых и жаростойких сплавов. Термостойкие сплавы тантала с ниобием и вольфрамом используются в ракетной и космической технике.

Физические свойства

Тантал - светло-серый металл со слегка синеватым оттенком. По тугоплавкости (температура плавления около 3000°С) он уступает лишь вольфраму и рению. Высокая прочность и твердость сочетаются в нем с отличными пластическими характеристиками. Чистый тантал хорошо поддается различной механической обработке, легко штампуется, перерабатывается в тончайшие листы (толщиной около 0,04 миллиметра) и проволоку.

Тантал имеет кубическую объемноцентрированную решетку (а = 3,296 Å); атомный радиус 1,46 Å, ионные радиусы Та2+ 0,88 Å, Та5+ 0,66 Å; плотность 16,6 г/см3 при 20 °С; tпл 2996 °С; Ткип 5300 °С; удельная теплоемкость при 0-100°С 0,142 кдж/(кг·К) [0,034 кал/(г·°С)]; теплопроводность при 20-100 °С 54,47 Вт/(м·К) [0,13 кал/ (см·сек·°С)]. Температурный коэффициент линейного расширения 8,0·10-6 (20-1500 °С); удельное электросопротивление при 0 °С 13,2·10-8 ом·м, при 2000 °С 87·10-8 ом·м.

При 4,38 К становится сверхпроводником. Тантал парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 0,849·10-6 (18 °С). Чистый тантал - пластичный металл, обрабатывается давлением на холоду без значительного наклепа. Его можно деформировать со степенью обжатия 99% без промежуточного отжига. Переход Тантала из пластичного в хрупкое состояние при охлаждении до -196 °С не обнаружен.

Модуль упругости тантала 190 Гн/м2 (190·102 кгс/мм2) при 25 °С. Предел прочности при растяжении отожженного Тантала высокой чистоты 206 Мн/м2 (20,6 кгс/мм2) при 27 °С и 190 Мн/м2 (19 кгс/мм2) при 490 °С; относительное удлинение 36% (27 °С) и 20% (490 °С). Твердость по Бринеллю чистого рекристаллизованного Тантала 500 Мн/м2 (50 кгс/мм2). Свойства тантала в большой степени зависят от его чистоты; примеси водорода, азота, кислорода и углерода делают металл хрупким.

Химические свойства

Конфигурация внешних электронов атома Та 5d36s2. Наиболее характерная степень окисления Тантала +5; известны соединения с низшей степенью окисления (например, ТаСl4, ТаСl3, ТаCl2), однако их образование для тантал менее характерно, чем для ниобия.

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 химическом отношении Тантал при обычных условиях малоактивен (сходен с ниобием). На воздухе чистый компактный Тантал устойчив; окисляться начинает при 280 °С. Имеет лишь один стабильный оксид - (V) Та2О5, который существует в двух модификациях: α-форме белого цвета ниже 1320 °С и β-форме серого цвета выше 1320 °С; имеет кислотный характер. С водородом при температуре около 250 °С Тантал образует твердый раствор, содержащий до 20 ат.% водорода при 20 °С; при этом Тантал становится хрупким; при 800-1200 °С в высоком вакууме водород выделяется из металла и его пластичность восстанавливается.

С азотом при температуре около 300 °С образует твердый раствор и нитриды Ta2N и TaN; в глубоком вакууме выше 2200 °С поглощенный азот вновь выделяется из металла. В системе Та - С при температуре до 2800 °С установлено существование трех фаз: твердого раствора углерода в Тантале, низшего карбида Т2С и высшего карбида ТаС. Тантал реагирует с галогенами при температуре выше 250 °С (с фтором при комнатной температуре), образуя галогениды преимущественно типа ТаХ3 (где X = F, Cl, Вг, I). При нагревании Та взаимодействует с С, В, Si, Р, Se, Те, водой, СО, СО2, NO, HCl, H2S.

Чистый Тантал исключительно устойчив к действию многих жидких металлов: Na, К и их сплавов, Li, Pb и других, а также сплавов U - Mg и Pu - Mg. Тантал характеризуется чрезвычайно высокой коррозионной устойчивостью к действию большинства неорганических и органических кислот: азотной, соляной, серной, хлорной и других, царской водки, а также многих других агрессивных сред. Действуют на Тантал фтор, фтористый водород, плавиковая кислота и ее смесь с азотной кислотой, растворы и расплавы щелочей.

Известны соли танталовых кислот - танталаты общей формулы xMe2O·yТа2О5·H2O: 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.

Производство

Большую часть тантала получают из пирохлоровых и танталит-колумбитовых концентратов и из шлаков оловянной плавки. Концентраты разлагают кислотами или щелочами. Разделение тантала и ниобия 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.

Руды, содержащие тантал, редки, комплексны, бедны танталом; перерабатывают руды, содержащие до сотых долей процента (Та, Nb)2O5, и шлаки восстановительной плавки оловянных концентратов. Танталитовые и лопаритовые концентраты содержат соответственно около 8% Ta2O5 и 60% и более Nb2O5. Концентраты перерабатывают обычно в три стадии:

вскрытие

разделение тантала и ниобия и получение их чистых соединений

восстановление и рафинирование тантала

Танталитовые концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые - хлорируют. Разделяют тантал и ниобий с получением чистых соединений экстракцией, например, трибутилфосфатом из плавиковокислых растворов, или ректификацией хлоридов.

Для производства металлического тантала применяют восстановление его из Ta2O5 сажей в одну или в две стадии (с предварительным получением ТаС из смеси Ta2O5 с сажей в атмосфере СО или Н2 при 1800-2000 °С); электрохимическое восстановление из расплавов, содержащих K2TaF7 и Та2О5, и восстановление натрием K2TaF7 при нагревании. Возможны также процессы термической диссоциации хлорида или восстановление из него тантала водородом. Компактный металл производят либо вакуумной дуговой, электроннолучевой или плазменной плавкой, либо методами порошковой металлургии. Слитки или спеченные из порошков штабики обрабатывают давлением; монокристаллы особо чистого тантала получают бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.

Применение

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

коррозионно-устойчивую аппаратуру для химической промышленности, фильеры, лабораторную посуду и тигли для получения, плавки, и литья редкоземельных элементов, а так же иттрия и скандия.

теплообменники для ядерно-энергетических систем (тантал наиболее из всех металлов устойчив в перегретых расплавах и парах цезия-133)

В хирургии листы, фольгу и проволоку из тантала используют для скрепления тканей, нервов, наложения швов, изготовления протезов, заменяющих повреждённые части костей (ввиду биологической совместимости)

Карбид тантала 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)

Тантал и ниобий используют для производства электролитических конденсаторов высокой удельной емкости (но тантал позволяет производить более качественные конденсаторы)

Тантал используется в последние годы в качестве ювелирного металла, в связи с его способностью образовывать на поверхности прочные пленки оксида любого цвета

Тантал-182 используется в ядерно-физических лабораториях МВД

Тантал 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 пленку (Та2О5) с особыми диэлектрическими характеристиками и "уживаться" с живой тканью организма. Благодаря этим свойствам Тантал находит применение в электронике, химические машиностроении, ядерной энергетике, в металлургии (производство жаропрочных сплавов, нержавеющих сталей), в медицине; в виде ТаС его применяют в производстве твердых сплавов. Из чистого тантала изготовляют электрические конденсаторы для полупроводниковых приборов, детали электронных ламп, коррозионноустойчивую аппаратуру для химические 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 тантала применяют для скрепления костей, нервов, наложения швов и др. Применение находят танталовые сплавы и соединения.

Около трети всего производимого тантала, используется при изготовлении танталовых конденсаторов и других электронных приборов. Танталовые конденсаторы обладают намного большим сроком службы по сравнению с алюминивыми электролитическими. Благодаря высокой температуре плавления и кипения тантала, танталовые электроды устойчивы к воздействию импульсных токов, возникающих в лампах. Термостойкие сплавы тантала с ниобием и вольфрамом используются в ракетной и космической технике.

Соединения.

Окись тантала (V) (Танталовый ангидрид)

Вещество : Окись тантала (V) (Танталовый ангидрид)

Формула : Ta2O5

Описание :

Применяется в производстве специальных стекол; как катализатор в производстве СК.

Получается как промежуточный продукт при переработке рудных концентратов; в результате прокаливания ТaO5 4Н2О; при окислении Та, TaN, TaS2 и др.

Физические свойства. Белый порошок. Т. плавл. 1870; плотн. 8,53-8,71. Не растворяется в воде, в биологических средах организма, а также в кислотах, кроме HF.