ТАНТАЛ , Та, химический элемент V группы периодической системы, аналог ванадия и ниобия. Атомный вес 181,4; порядковое число 73. Тантал - металл стально-серого, в отполированном виде белого цвета; удельный вес ~ 16,6, температура плавления 2800°С, температура кипения выше 4400°С, т. о. тантал - третий по плавкости металл [выше плавятся вольфрам (3370 ±50°С) и рений (3167±60°С)]. Сопротивление на разрыв незакаленного тантала около 100 кг/см 2 ; твердость по Бринеллю 45,9. Чистый тантал легко поддается механической обработке: ковке, прокатке, волочению на холоде. Путем термической обработки его твердость м. б. значительно повышена. При нагревании тантал легко поглощает газы и становится хрупким; вследствие этого нагревание предназначенного к механической обработке тантал ведут в вакууме. Поглощенный водород тантал отдает с трудом; при температуре плавления легко поддается сварке. Удельная теплоемкость тантала 0,0365 при 0°С. Термический коэффициент расширения при 20°С - 0,0000065. В химическом отношении тантал чрезвычайно стоек при низких температурах, благодаря чему может заменять во многих случаях платину. При нагревании на воздухе при температуре около 400°С тантал начинает покрываться синей пленкой окислов, а при температуре красного каления сгорает полностью до пятиокиси тантала (см. ниже).
Непосредственно соединяется также при высоких температурах с азотом с образованием нитрида, с водородом с образованием гидрида и с углеродом с образованием карбида тантала; при обычной температуре соединяется с фтором. Минеральные кислоты, концентрированные и разбавленные, на него практически не действуют; исключением является плавиковая кислота, особенно в смеси с азотной, в которой тантал растворяется относительно быстро. Элементарный хлор практически на тантал не действует. Относительно быстро разрушается тантал щелочами, особенно горячими концентрированными растворами.
Соединения тантала . Важнейшие соединения производятся от пятивалентного тантала. Соединения низших степеней валентности менее стабильны и не имеют технического значения.
Пятиокись тантала Та 2 О 5 получается путем сильного прокаливания металлического тантала или его соединений с летучими веществами в кислороде или на воздухе. Практически получают ее путем прокаливания танталовой кислоты (см. ниже). Та 2 О 5 - белый порошок, удельный вес 8,70, нерастворимый в воде и кислотах за исключением плавиковой. При сильном прокаливании в вакууме Та 2 О 5 отщепляет кислород и образует металлический тантал. Путем сплавления Та 2 О 5 с едкими или углекислыми щелочами получают соли танталовой кислоты, танталаты : метатанталаты , например, NaTaО 3 , ортотанталаты , например, Na 3 TaО 4 , пиротанталаты , например, минерал иттротанталит, и политанталаты типа Me 8 Ta 6 O 19 . При воздействии минеральных кислот на растворы танталитов выделяется аморфный осадок гидратированной пятиокиси тантала непостоянного состава, т.н. танталовая кислота . Свежеосажденная танталовая кислота слабо растворяется в щелочах и минеральных кислотах; из последних осаждается при разбавлении. Пятифтористый тантал TaF 5 получается путем воздействия фтористого водорода на TaCl 5 (см. ниже). Кристаллизуется в виде бесцветных призм, температура плавления 96,8°С, температура кипения 229°С. С водой гидролизуется с образованием танталовой кислоты. Та F 5 обнаруживает большую склонность к образованию комплексных солей, которые получаются при добавлении соответствующих фтористых солей к раствору тантала в плавиковой кислоте. Большинство этих солей соответствует типу 2MeF TaF 5 , но известны и другие, как 2TaF 5 3BaF 2 ; TaF 5 3NaF; TaF 5 ·NaF. Флюoтанталат калия TaF 5 2KF, или K 2 TaF 7 , получают из растворов TaF 5 при добавлении солей калия, чем пользуются для отделения тантала от ниобия и титана. В виду большого термического коэффициента растворимости эта соль хорошо перекристаллизовывается из горячей воды. Во избежание гидролиза эту операцию необходимо вести в присутствии небольшого избытка плавиковой кислоты. Пятихлористый тантал ТаС l 5 - желтое кристаллическое вещество, удельный вес 3,68, температура плавления 211°С и температура кипения 242°С, получается при воздействии хлора на металлический тантал. При нагревании на воздухе превращается в Та 2 О 5 . Вода разлагает ТаС l 5 с образованием хлористого водорода и танталовой кислоты. При нагревании ТаС l 5 в вакууме или при осторожном восстановлении его получают кристаллические низшие хлориды тантала зеленого цвета. Треххлористый тантал ТаС l 5 растворяется в воде без разложения; из зеленого раствора щелочи осаждается зеленый аморфный осадок гидроокиси тантала Та(ОН) 3 , обнаруживающей амфотерные свойства и растворимой как в избытке щелочи, так и в кислотах. При кипячении Та(ОН) 3 разлагает воду с образованием танталовой кислоты по реакции
Та(ОН) 3 + 2Н 2 О=Та(ОН) 5 + Н 2 .
При упаривании растворов ТаС l 3 с избытком соляной кислоты образуется своеобразная хлорокись Та 3 С l 7 O·ЗН 2 O. При сильном нагревании ТаС l 3 распадается на ТаС l 5 и ТаС l 2 . Карбид тантала ТаС чрезвычайно твердый, латунно-жёлтого цвета, получается путем нагревания в вакууме смеси порошков металлического тантала или Та 2 О 5 с углем; плавится при температуре около 3900°С.
Распространение тантала в земной коре определяется цифрой 2·10 -7 . В минералах он обычно в виде изоморфной примеси сопровождает ниобий . Важнейшим промышленным минералом является танталит, метатанталат железа Fe(TaО 3) 2 , в котором часть железа м. б. замещена железом , а часть тантала - ниобием (танталитами условно называют минералы изоморфного ряда (Fe, Mn) [(Ta, Nb)О 3 ] 2 , в которых тантал преобладает над ниобием). Важнейшие месторождения танталитов - Финляндия, Скандинавия и США (Коннектикут и Дакота), месторождения мирового значения в западной и северной Австралии. Во многих минералах тантал связан с редкими землями, как в фергусоните , ортотанталате (и ниобате) иттриевых земель Y [(Ta, Nb)О 4 ], иттротанталите , пиротанталате (и ниобате) тех же оснований Y 4 [(Ta, Nb) 2 О7] 3 и самарските , сложном ниоботанталате, найденном на Урале, содержащем также и уран. Редко встречающийся микролит представляет собой пиротанталат кальция Са 2 (Та 2 О 7). Пирохлор , эйксенит и поликраз - сложные титанониобаты, содержащие колеблющиеся количества тантала.
Для извлечения тантала из минералов последние сплавляют обычно с щелочными пиросульфатами в железных сосудах и выщелачивают плав водой. Остающуюся нерастворенной танталовую и ниобиевую кислоты растворяют в плавиковой. Для отделения от ниобиевой кислоты пользуются гл. обр. дробной кристаллизацией солей, чаще всего фторотанталатом калия K 2 TaF 7 . Путем восстановления фторотанталата калия металлическими натрием по реакции K 2 TaF 7 +5Na = 5NaF+2KF+Ta получают элементарный тантал в виде загрязненного окислами черного порошка. Для очистки его прокаливают в вакуумной электропечи до высоких температур, при которых окислы распадаются; образующийся порошок тантала прессуют и в вакууме же плавят.
Применение тантала довольно разнообразно; оно обусловливается его высокой температурой плавления, механическими свойствами и химической стойкостью. Тантал является первым металлом, из которого изготовляли (с 1903 до 1911 г.) нити для электроламп. Позднее он был вытеснен вольфрамом. В настоящее время из него готовят электроды электронных ламп. Тантал пользуются как материалом для изготовления химической аппаратуры (тиглей, чашек), физических приборов и хирургических, главным образом зубоврачебных инструментов, вечных перьев (самопишущих ручек), а также фильер в производстве искусственного шелка. Благодаря химической стойкости он применяется иногда как материал для электродов, особенно в электроанализе. В серной кислоте катод из тантала покрывается синей пленкой окислов, которая пропускает электрический ток только в одном направлении, благодаря чему тантал применяется в мокрых выпрямителях переменного тока. Сплавы тантала с железом , хромом, ванадием, молибденом и вольфрамом обладают большой твердостью, тугоплавкостью и химической стойкостью, в частности сплав с железом химически весьма стоек. До сих пор эти сплавы вследствие высокой цены тантала производились в относительно небольших масштабах. Из соединений тантала практическое значение имеет только карбид - одно из наиболее тугоплавких известных веществ, - обладающий очень большой твердостью. Он начинает находить применение в производстве режущих инструментов и как материал для высокотемпературных печей.
Тантал (лат. 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 181 Та (99,99%) и радиоактивного 180 Та (0,012%; T ½ = 10 12 лет). Из искусственно полученных радиоактивный 182 Та (Т ½ = 115,1 сут) используют как радиоактивный индикатор.
Элемент открыт в 1802 году шведским химиком А. Г. Эксбергом; назван по имени героя древнегреческой мифологии Тантала (из-за трудностей получения Tантала в чистом виде). Пластичный металлический Тантал впервые получил в 1903 году немецкий химик В. Больтон.
Распространение Тантала в природе
Среднее содержание Тантала в земной коре (кларк) 2,5·10 -4 % по массе. Характерный элемент гранитной и осадочной оболочек (среднее содержание достигает 3,5·10 -4 %); в глубинных частях земной коры и особенно в верх, мантии Тантал мало (в ультраосновных породах 1,8·10 -6 %). В большинстве магматических пород и биосфере Тантал рассеян; его содержание в гидросфере и организмах не установлено. Известно 17 собственных минералов Тантал и более 60 танталсодержащих минералов; все они образовались в связи с магматической деятельностью (танталит, колумбит, лопарит, пирохлор и другие). В минералах Тантал находится совместно с ниобием вследствие сходства их физических и химических свойств. Руды Тантала известны в пегматитах гранитных и щелочных пород, карбонатитах, в гидротермальных жилах, а также в россыпях, которые имеют наибольшее практическое значение.
Физические свойства Тантала
Тантал имеет кубическую объемноцентрированную решетку (а = 3,296 Å); атомный радиус 1,46 Å, ионные радиусы Та 2+ 0,88 Å, Та 5+ 0,66 Å; плотность 16,6 г/см 3 при 20 °С; t пл 2996 °С; Т кип 5300 °С; удельная теплоемкость при 0-100°С 0,142 кдж/(кг·К) ; теплопроводность при 20-100 °С 54,47 Вт/(м·К) . 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/м 2 (190·10 2 кгс/мм 2) при 25 °С. Предел прочности при растяжении отожженного Тантала высокой чистоты 206 Мн/м 2 (20,6 кгс/мм 2) при 27 °С и 190 Мн/м 2 (19 кгс/мм 2) при 490 °С; относительное удлинение 36% (27 °С) и 20% (490 °С). Твердость по Бринеллю чистого рекристаллизованного Тантала 500 Мн/м 2 (50 кгс/мм 2). Свойства Тантала в большой степени зависят от его чистоты; примеси водорода, азота, кислорода и углерода делают металл хрупким.
Химические свойства Тантала
Конфигурация внешних электронов атома Та 5d 3 6s 2 . Наиболее характерная степень окисления Тантала +5; известны соединения с низшей степенью окисления (например, ТаСl 4 , ТаСl 3 , ТаCl 2), однако их образование для Тантал менее характерно, чем для ниобия.
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) Та 2 О 5 , 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 Ta 2 N 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 Т 2 С и высшего карбида ТаС. Тантал реагирует с галогенами при температуре выше 250 °С (с фтором при комнатной температуре), образуя галогениды преимущественно типа ТаХ 3 (где X = F, Cl, Вг, I). При нагревании Та взаимодействует с С, В, Si, Р, Se, Те, водой, СО, СО 2 , NO, HCl, H 2 S.
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 xMe 2 O·yТа 2 О 5 ·H 2 O: метатанталаты МеТаО 3 , ортотанталаты Ме 3 ТаО 4 , соли типа Me 5 TaO 5 , где Me - щелочной металл; в присутствии перекиси водорода образуются также пертанталаты. Наиболее важны танталаты щелочных металлов - КТаО 3 и NaTaO 3 ; эти соли -сегнетоэлектрики.
Получение Тантала
Руды, содержащие Тантал, редки, комплексны, бедны Танталом; перерабатывают руды, содержащие до сотых долей процента (Та, Nb) 2 O 5 , и шлаки восстановительной плавки оловянных концентратов. Основным сырьем для производства Тантала, его сплавов и соединений служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие соответственно около 8% Ta 2 O 5 и 60% и более Nb 2 O 5 . 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 плавиковокислых растворов, или ректификацией хлоридов.
Для производства металлического Тантала применяют восстановление его из Ta 2 O 5 сажей в одну или в две стадии (с предварительным получением ТаС из смеси Ta 2 O 5 с сажей в атмосфере СО или Н 2 при 1800-2000 °С); электрохимическое восстановление из расплавов, содержащих K 2 TaF 7 и Та 2 О 5 , и восстановление натрием K 2 TaF 7 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 Тантала
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 (Та 2 О 5) 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.
Тантал - это разумный выбор для всех сфер применения, где требуется высокая коррозионная стойкость. Хотя тантал и не относится к благородным металлам, он сравним с ними по своей химической устойчивости. Кроме того, тантал легко поддается формовке даже при температуре ниже комнатной благодаря своей объемноцентрированной кубической кристаллической структуре. Высокая коррозионная стойкость тантала делает его ценным материалом для использования в самых различных химических средах. Мы используемый наш «неподатливый» материал, например, для теплообменников для сектора приборостроения, загрузочных поддонов для строительства печей, имплантатов для медицинской техники и компонентов конденсаторов для электронной промышленности.
Гарантированная чистота
Вы можете быть уверенными в качестве нашей продукции. Мы изготавливаем наши продукты из тантала сами - от металлического порошка до готового продукта. В качестве исходного материала мы используем только чистейший танталовый порошок. Так мы гарантируем вам чрезвычайно высокую чистоту материала.
Мы гарантируем качество чистоты спеченного тантала - 99,95 % (чистота металла без ниобия). Согласно химическим анализам, остаточное содержание состоит из следующих элементов:
| Элемент | Стандартное макс. значение [мкг/г] | Гарантированное макс. значение [мкг/г] |
|---|---|---|
| Fe | 17 | 50 |
| Mo | 10 | 50 |
| Nb | 10 | 100 |
| Ni | 5 | 50 |
| Si | 10 | 50 |
| Ti | 1 | 10 |
| W | 20 | 50 |
| C | 11 | 50 |
| H | 2 | 15 |
| N | 5 | 50 |
| O | 81 | 150 |
| Cd | 5 | 10 |
| Hg* | -- | 1 |
| Pb | 5 | 10 |
Мы гарантируем качество чистоты тантала полученного путем плавки - 99,95 % (чистота металла без ниобия) Согласно химическим анализам, остаточное содержание состоит из следующих элементов:
| Элемент | Типичное значение макс. [мкг/г] | Гарантированное значение [мкг/г] |
|---|---|---|
| Fe | 5 | 100 |
| Mo | 10 | 100 |
| Nb | 19 | 400 |
| Ni | 5 | 50 |
| Si | 10 | 50 |
| Ti | 1 | 50 |
| W | 20 | 100 |
| C | 10 | 30 |
| H | 4 | 15 |
| N | 5 | 50 |
| O | 13 | 100 |
| Cd | -- | 10 |
| Hg* | -- | 1 |
| Pb | -- | 10 |
Присутствие Сr(VI) и органических примесей исключено производственным процессом (многократная термообработка при температуре выше 1000 °C в атмосфере высокого вакуума). * Исходная величина.
Материал с особыми талантами
Насколько уникальны свойства нашего тантала, настолько же специфичны и сферы его применения в промышленности. Ниже мы кратко представим вам две из них:
Индивидуально подобранные химические и электрические свойства.
Благодаря чрезвычайно мелкой микроструктуре тантал является идеальным материалом для производства ультратонкой проволоки с безупречной, исключительно чистой поверхностью для использования в танталовых конденсаторах. Мы можем с высокой степенью точности определять химические, электрические и механические свойства такой проволоки. Так, мы обеспечиваем нашим клиентам индивидуально подобранные и стабильные свойства компонентов, которые мы постоянно развиваем и улучшаем.
Превосходная стойкость и высокая пластичность в холодном состоянии
Превосходная стойкость в сочетании с отличной формуемостью и свариваемостью делают тантал идеальным материалом для теплообменников. Наши танталовые теплообменники исключительно стабильны и устойчивы в целом ряду агрессивных сред. Обладая многолетним опытом обработки тантала, мы также можем изготовлять продукты сложной геометрии, точно отвечающие вашим требованиям.
Чистый тантал или все же сплав?
Мы оптимальным образом подготавливаем наш тантал к любым применениям. При помощи различных легирующих элементов мы можем изменять следующие свойства вольфрама:
- физические свойства (например, температура плавления, давление пара, плотность, электропроводность, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость)
- механические свойства (например, прочность, механизм разрушения, пластичность)
- химические свойства (например, коррозионная стойкость, травимость)
- обрабатываемость (например, машинная обработка, формуемость, свариваемость)
- структура и характеристики рекристаллизации (например, температура рекристаллизации, склонность к появлению хрупкости, эффект старения, размер зерен)
И это еще не все: используя наши специальные технологии производства, мы можем изменять различные другие свойства тантала в широком диапазоне. Результат: две различные технологии производства тантала и сплавы, обладающие различными свойствами, точно отвечающие требованиям конкретного применения.
Тантал, полученный спеканием (TaS).
Чистый тантал, полученный спеканием, и чистый тантал, полученный плавкой, обладают следующими общими характеристиками:
- высокая температура плавления, составляющая 2996 °C
- превосходная пластичность в холодном состоянии
- рекристаллизация при температуре от 900 до 1450 °C (в зависимости от степени деформации и чистоты)
- превосходная стойкость в водных растворах и расплавах металлов
- сверхпроводимость
- высокий уровень биологической совместимости
Когда предстоит чрезвычайно тяжелая работа, поможет наш тантал, полученный спеканием: благодаря используемому нами методу порошковой металлургии тантал, полученный спеканием , (TaS) обладает чрезвычайно мелкозернистой структурой и высокой чистотой. В связи с этим материал и отличается высочайшим качеством поверхности и хорошими механическими свойствами.
Для использования в конденсаторах мы рекомендуем одну из разновидностей нашего тантала с чрезвычайно высоким качеством поверхности (TaK ). Такой тантал используется в виде проволоки в танталовых конденсаторах. Высокую емкость, низкий ток утечки и низкое сопротивление можно гарантировать только тогда, когда используется проволока, не имеющая дефектов и примесей.
Тантал, полученный плавкой (TaM)
Не всегда требуется лучшее из лучшего. Тантал, полученный плавкой , (TaM), как правило, более экономичен в производстве, чем тантал, полученный спеканием, а его качества достаточно для многих сфер применения. Однако этот материал не такой мелкозернистый и однородный, как тантал, полученный спеканием. Просто свяжитесь с нами. Мы будем рады проконсультировать вас.
Стабилизированный тантал (TaKS)
Мы легируем наш спеченный стабилизированный тантал кремнием , что позволяет предотвратить рост зерен даже при высокой температуре. Это делает наш тантал пригодным для использования даже при крайне высокой температуре. Мелкозернистая микроструктура остается стабильной даже после отжига при температуре до 2000 °C. Этот процесс позволяет сохранить превосходные механические свойства материала, такие как его пластичность и прочность. Стабилизированный тантал в виде проволоки или листов идеально подходит для производства танталовых анодов методом спекания или для использования в секторе строительства печей.
Тантал-вольфрам (TaW) отличается хорошими механическими свойствами и превосходной коррозионной стойкостью. Мы добавляем от 2,5 до 10 процентов по весу вольфрама в чистый тантал. Хотя полученный сплав в 1,4 раза прочнее чистого тантала, его легко обрабатывать при температурах до 1600 °C. Поэтому наш сплав TaW особенно хорошо подходит для теплообменников и нагревательных элементов, используемых в химической промышленности.
Хорош во всех отношениях. Характеристики тантала.
Тантал относится к группе тугоплавких металлов . Тугоплавкие металлы имеют температуру плавления выше температуры плавления платины (1772 °C). Энергия, связывающая отдельные атомы, чрезвычайно высока. Высокая температура плавления тугоплавких металлов сочетается с низким давлением пара. Тугоплавкие металлы также отличаются высокой плотностью и низким коэффициентом теплового расширения.
В периодической таблице тантал находится в том же периоде, что и вольфрам. Как и вольфрам, тантал имеет очень высокую плотность - 16,6 г/см 3 . Однако, в отличие от вольфрама, тантал становится хрупким во время производственных операций с участием водородной атмосферы. Поэтому материал производится в высоком вакууме.
Тантал, несомненно, является наиболее устойчивым из тугоплавких металлов . Он устойчив во всех кислотах и основаниях и обладает крайне специфическими свойствами:
| Свойства | |||
|---|---|---|---|
| Атомное число | 73 | ||
| Атомная масса | 180,95 | ||
| Температура плавления | 2996 °C/3269 °K | ||
| Температура кипения | 5458 °C/5731 °K | ||
| Атомный объем | 1,80 · 10 -29 [м 3 ] | ||
| Давление пара | при 1800 °C при 2200 °C | 5 · 10 -8 [Па] 7 · 10 -5 [Па] |
|
| Плотность при 20 °C (293 °K) | 16,65 [г/см 3 ] | ||
| Кристаллическая структура | объемноцентрированная кубическая | ||
| Постоянная кристаллической решетки | 330 [пм] | ||
| Твердость при 20 °C (293 °K) | деформированный рекристаллизованный | 120–220 80–125 |
|
| Модуль упругости при 20 °C (293 °K) | 186 [ГПa] | ||
| Коэффициент Пуассона | 0,35 | ||
| Коэффициент линейного теплового расширения при 20 °C (293 °K) | 6,4 · 10 -6 [м/(м·K)] | ||
| Теплопроводность при 20 °C (293 °K) | 57,5 [Вт/(м K)] | ||
| Удельная теплоемкость при 20 °C (293 °K) | 0,14 [Дж/(г·K)] | ||
| Электропроводность при 20 °C (293 °K) | 8 · 10 6 | ||
| Удельное электрическое сопротивление при 20 °C (293 °K) | 0,125 [(Ом·мм 2)/м] | ||
| Скорость звука при 20 °C (293 °K) | Продольная волна Поперечная волна | 4100 [м/с] 2900 [м/с] |
|
| Работа выхода электрона | 4,3 [эВ] | ||
| Сечение захвата тепловых нейтронов | 2,13 · 10 -27 [м 2 ] | ||
| Температура рекристаллизации (продолжительность отжига: 1 час) | 900–1450 °C | ||
| Сверхпроводящий (температура перехода) | < -268,65 °C / < 4,5 °K | ||
Термофизические свойства
Тугоплавкие металлы, как правило, имеют низкий коэффициент теплового расширения и относительно высокую плотность . Это касается и тантала. Хотя теплопроводность тантала ниже, чем у вольфрама и молибдена, материал имеет более высокий коэффициент теплового расширения, чем многие другие металлы.
Теплофизические свойства тантала изменяются при изменении температуры. На графиках ниже показаны кривые изменения наиболее важных переменных:
Механические свойства
Даже малые количества таких элементов, образующих твердый раствор внедрения, как кислород, азот, водород и углерод, могут изменить механические свойства тантала. Кроме того, для изменения его механических свойств используются такие факторы, как чистота металлического порошка, технология производства (спекание или плавка), степень холодной обработки и тип термической обработки.
Как и вольфрам и молибден, тантал имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую решетку . Температура хрупко-вязкого перехода тантала составляет -200 °C, что значительно ниже комнатной температуры. Благодаря этому металл крайне легко поддается формовке . В процессе холодной обработки повышается предел прочности и твердость металла, но одновременно снижается удлинение при разрыве. Хотя материал теряет пластичность, он не становится хрупким.
Термостойкость материала ниже, чем у вольфрама, но сравнима с термостойкостью чистого молибдена. Для повышения термостойкости мы добавляем в наш тантал тугоплавкие металлы, например, вольфрам.
Модуль упругости тантала ниже, чем у вольфрама и молибдена, и сравним с модулем упругости чистого железа. Модуль упругости снижается при повышении температуры.
Механические свойства
Благодаря высокой пластичности тантал оптимально подходит для формовочных процессов , таких как гибка, штамповка, прессование или глубокая вытяжка. Тантал с трудом поддается машинной обработке . Стружка плохо отделяется. По этой причине мы рекомендуем использовать стружкоотводные ступеньки. Тантал отличается превосходной свариваемостью в сравнении с вольфрамом и молибденом.
У вас есть вопросы о механической обработке тугоплавких металлов? Мы будем рады помочь вам, используя наш многолетний опыт.
Химические свойства
Поскольку тантал является стойким к любым типам химических веществ, этот материал часто сравнивают с драгоценными металлами. Однако в термодинамическом отношении тантал является основным металлом, который, тем не менее, может образовывать стабильные соединения с широким спектром элементов. При воздействии воздуха тантал образует очень плотный оксидный слой (Ta 2 O 5), который защищает основной материал от агрессивного воздействия. Этот оксидный слой делает тантал устойчивым к коррозии .
При комнатной температуре тантал не является устойчивым только в следующих неорганических веществах: концентрированная серная кислота, фтор, фтороводород, фтористоводородная кислота и растворы кислот, содержащие ионы фтора. Щелочные растворы, расплавленный гидроксид натрия и гидроксид калия также оказывают химическое воздействие на тантал. В то же время материал устойчив в водном растворе аммиака. Если тантал подвергается химическому воздействию, водород проникает в его кристаллическую решетку, и материал становится хрупким. Коррозионная стойкость тантала постепенно снижается при повышении температуры.
Тантал является инертным по отношению ко многим растворам. Однако, если тантал подвергается воздействию смешанного раствора, то его коррозионная стойкость может снизиться, даже если он устойчив в отдельных компонентах такого раствора. У вас есть сложные вопросы по коррозии? Мы будем рады помочь вам, используя наш опыт и нашу собственную лабораторию по исследованию коррозии.
| Коррозионная стойкость в воде, водных растворах и в среде неметаллов | ||
|---|---|---|
| Вода | Горячая вода < 150 °C | стойкий |
| Неорганические кислоты | Соляная кислота < 30 % до 190 °C Серная кислота < 98 % до 190 °C Азотная кислота < 65 % до 190 °C Фтористо-водородная кислота < 60 % Фосфорная кислота < 85 % до 150 °C | стойкий стойкий стойкий нестойкий стойкий |
| Органические кислоты | Уксусная кислота < 100 % до 150 °C Щавелевая кислота < 10 % до 100 °C Молочная кислота < 85 % до 150 °C Винная кислота < 20 % до 150 °C | стойкий стойкий стойкий стойкий |
| Щелочные растворы | Гидроксид натрия < 5 % до 100 °C Гидроксид калия < 5 % до 100 °C Аммиачные растворы < 17 % до 50 °C Карбонат натрия < 20 % до 100 °C | стойкий стойкий стойкий стойкий |
| Соляные растворы | Хлорид аммония < 150 °C Хлорид кальция < 150 °C Хлорид железа < 150 °C Хлорат калия < 150 °C Биологические жидкости < 150 °C Сульфат магния < 150 °C Нитрат натрия < 150 °C Хлорид олова < 150 °C | стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий |
| Неметаллы | Фтор Хлор < 150 °C Бром < 150 °C Йод < 150 °C Сера < 150 °C Фосфор < 150 °C Бор < 1000 °C | не стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий |
Тантал устойчив в некоторых расплавах металлов, таких как Ag, Bi, Cd, Cs, Cu, Ga, Hg, °K, Li, Mg, Na и Pb, при условии что эти расплавы содержат малое количество кислорода. Однако этот материал подвержен воздействию Al, Fe, Be, Ni и Co.
| Коррозионная стойкость в расплавах металлов | |||
|---|---|---|---|
| Алюминий | нестойкий | Литий | стойкий при < 1000 °C |
| Бериллий | нестойкий | Магний | стойкий при температуре < 1150 °C |
| Свинец | стойкий при < 1000 °C | Натрий | стойкий при < 1000 °C |
| Кадмий | стойкий при < 500 °C | Никель | нестойкий |
| Цезий | стойкий при температуре < 980 °C | Ртуть | стойкий при температуре < 600 °C |
| Железо | нестойкий | Серебро | стойкий при < 1200 °C |
| Галлий | стойкий при температуре < 450 °C | Висмут | стойкий при температуре < 900 °C |
| Калий | стойкий при < 1000 °C | Цинк | стойкий при < 500 °C |
| Медь | стойкий при температуре < 1300 °C | Олово | стойкий при температуре < 260 °C |
| Кобальт | нестойкий | ||
Когда неблагородный металл, например тантал, вступает в контакт с благородными металлами, например платиной, очень быстро возникает химическая реакция. В связи с этим необходимо учитывать реакцию тантала с другими материалами, присутствующими в системе, особенно при высокой температуре.
Тантал не вступает в реакцию с инертными газами. По этой причине инертные газы высокой чистоты могут использоваться в качестве защитных газов. Однако при повышении температуры тантал активно вступает в реакцию с кислородом или воздухом и может поглощать большое количество водорода и азота. Это делает материал хрупким. Устранить эти примеси позволяет отжиг тантала в высоком вакууме. Водород исчезает при температуре 800 °C, а азот - при 1700 °C.
В высокотемпературных печах тантал может вступать в реакцию с деталями конструкции, изготовленными из тугоплавких оксидов или графита. Даже очень устойчивые оксиды, такие как оксид алюминия, магния или циркония, могут подвергаться восстановлению при высокой температуре, если они вступают в контакт с танталом. При контакте с графитом может образовываться карбид тантала, что приводит к повышению хрупкости тантала. Хотя обычно тантал можно легко комбинировать с другими тугоплавкими металлами, например, молибденом или вольфрамом, он может вступать в реакцию с гексагональным нитридом бора и нитридом кремния.
В таблице ниже указана коррозионная стойкость материала по отношению к термостойким материалам, используемым при строительстве промышленных печей. Указанные предельные температуры действительны для вакуума. При использовании защитного газа эти температуры примерно на 100–200 °C ниже.
| Коррозионная стойкость по отношению к термостойким материалам, используемым при строительстве промышленных печей | |||
|---|---|---|---|
| Оксид алюминия | стойкий при температуре < 1900 °C | Молибден | стойкий |
| Оксид бериллия | стойкий при температуре < 1600 °C | Нитрид кремния | стойкий при < 700 °C |
| Гексагональный. нитрид бора | стойкий при < 700 °C | Оксид тория | стойкий при температуре < 1900 °C |
| Графит | стойкий при < 1000 °C | Вольфрам | стойкий |
| Оксид магния | стойкий при температуре < 1800 °C | Оксид циркония | стойкий при температуре < 1600 °C |
(Tantalum; по имени мифологического фригийского царя Тантала), Та - хим. элемент V группы периодической системы элементов; ат. н. 73, ат. м. 180,9479. Пластичный металл серо-стального цвета с синеватым оттенком. Наиболее типична для Т. степень окисления + 5; известны также соединения со степенями окисления - 1, + 1, + 2, + 3 и + 4. Природный Т. состоит из стабильного изотопа 181Та и радиоактивного изотопа 180Та с периодом полураспада 1012 лет. Получены 15 радиоактивных изотопов. Т. впервые обнаружил (1802) швед, химик А. Г. Экеберг в минералах Скандинавского полуострова. Вследствие близости физико-хим. св-в тантал и всегда сопутствуют друг другу, и их долго считали идентичными. В чистом виде Т. получил (1903) нем. химик В. фон Болтон. Пром. произ-во Т. началось в 1922 (США).
Содержание Тантал в земной коре 2 < 10-4 %. Т. в природе встречается совместно с ниобием в виде изоморфных танталитов и ниобатов, Известно более 100 минералов, содержащих тантал. Основные из них: колумбит-танталит, микролит, некоторые титановые (напр., ильменорутил). Большинство танталовых руд содержит значительное количествониобия. Кристаллическая решетка Т.объемноцентрированная кубическаяс периодом а - 3,3025 А. Плотность 16,65 г/см9; tпл 2996° С; tкип 53009 С;температурный коэфф. линейного расширения (град): 6,55 х 10-6 (т-ра 0-100° С); 6,6 х 10-6 (т-ра 0-500° С) и 8,0 х 10-6 (т-ра 20-1500° С); коэфф. теплопроводности (при комнатной т-ре) 0,130 кал/см х сек х град. Удельная теплоемкость (кал/г-град): 0,03322 (т-ра 0° С); 0,03364 (т-ра 100° С); 0,03495 (т-ра 400° С); 0,03679 (т-ра 800° С); 0,03873 (т-ра 1200° С); 0,04078 (т-ра 1600° С) и 0,044 (т-ра 2000° С). Удельное электрическое сопротивление (мком х см), 12,4 (т-ра 18° С); 54 (т-ра 1000° С); 71 (т-ра 1500° С) и 87 (т-ра 2000° С). Скрытая теплота плавления 6,9 ккал/молъ; теплота испарения составляет 180 ккал/г-атом. Твердость 90-150 кгс/мм2 при чистоте 99,95-99,9%; твердость после электроннолучевой или зонной плавки 70-90 кгс/мм2, при т-ре 1200° С она составляет 20 кгс/мм2. Предел прочности Т. высокой чистоты 19-23 кгс/мм2; предел текучести 18,4 кгс/мм2; относительное удлинение 36-38%; относительное сужение поперечного сечения около 90%. В зависимости от содержания примесей предел прочности достигает 126 кгс/мм2. С повышением т-ры предел прочности снижается до 5кгс/мм2 при т-ре 1550° С и до 3,6 кгс/мм2 при т-ре 1980° С. Модуль упругости 19 000 кгс/мм2; модуль сдвига 7000 кгс/мм2; коэфф. сжимаемости 0,52-10 6 см2/кгс.
Переход из пластичного состояния в хрупкое не обнаружен вплоть до т-ры - 250 ° С. Температура рекристаллизации 1050 — 1500° С в зависимости от чис-стоты и степени деформации. Ионизационный потенциал 7,3 ± 0,3 эв. Работа выхода электронов 4,1 эв. эна Т-ра перехода в сверхпроводящее состояние 4,38 К. Сечение захвата тепловых нейтронов 21,3 барн/атом. Металлический Тантал стоек в й большинстве агрессивных сред, вт. ч. в «царской водке». Взаимодействует с плавиковой к-той, с расплавами щелочей, с серной и ортофосфорной к-тами выше т-ры 50-100° С. Стойкость металлического Т. обусловлена наличием на поверхности тонкой прочной пленки пятиокиси Та205.
Способностью разрушать такую пленку обладают ионы фтора, серный ангидрид и расплавы щелочей. Т. в значительных количествах абсорбирует , и . Стоек на холоду в среде воздуха. При нагревании выше т-ры 300° С начинает окисляться, на поверхности образуется пористый слой пятиокиси Т. с амфотерными св-вами, преим. кислотными. С основаниями пяти-окись Т. образует соли, к-рые являются производными гипотетической танталовой к-ты,- танталаты. Т. взаимодействует с фтором при комнатной т-ре, с хлором - выше т-ры 250° С, с бромом - выше т-ры 300° С, с йодом не взаимодействует вплоть до т-ры красного каления. и углеродсодержащие газы при т-ре 1200-1400° С взаимодействуют с Т. с образованием карбидов. При т-ре ~ 500° С образуются гидриды. Тантал не взаимодействует с газообразным хлористым водородом до т-ры 400° С, а с бромистым водородом - до т-ры 375° С. Образует интерметаллические соединения преим. с переходными металлами VII-VIII и металлами Hie - IVe подгрупп периодической системы элементов. Т. стоек к действию некоторых расплавленных металлов, напр. висмута - до т-ры 980° С, свинца - до т-ры 1000° С.
Переработка рудного сырья на металлический Тантал включает получение концентратов, содержащих до 40- 65% Та2Об (гравитационным обогащением с последующей электромагнитной или электростатической сепарацией, флотацией или с применением комплексных магнитно-химических методов); вскрытие концентратов (сплавлением со щелочами или разложением к-тами, в частности плавиковой), в результате к-рого получают тантал и сопутствующий ему в виде окислов, хлоридов или фтористых компл. солей; разделение соединений тантала и ниобия (жидкостной экстракцией органическими реагентами, дробной кристаллизацией комплексных фтористых соединений, ректификацией хлоридов, а также разделением с помощью ионообменных смол); получение металлического Т. из его соединений (электролизом расплавленных фтористых сред; восстановлением натрием из комплексных фтористых солей, в частности из K2TaF7; восстановлением галогенидов магниевой стружкой или натрием; термической диссоциацией галогенидов).
Обычно Т. получают в виде танталового порошка чистотой 98-99%. Чтобы получить металл в компактном виде, прибегают к спеканию предварительно спрессованных заготовок прямым пропусканием тока при т-ре 2500- 2700° С или косвенным нагреванием при т-ре 2200-2500° С в вакууме; при этом чистота металла повышается до 99,9-99,95%. J Для получения больших слитков и для рафинирования применяют электровакуумную плавку в дуговых печах с расходуемым электродом и в электроннолучевых печах. В процессе вакуумного переплава общее содержание кислорода, азота и углерода снижается от 0,1-0,5 до 0,01-0,05%. Для произ-ва стержней высокой чистоты и изготовления монокристаллов прибегают к зонной плавке. Тантал подвергают обработке давлением на холоду (ковке, прокатке, штампованию, экструзии, волочению), получая прутки, проволоку, листы, трубы и фасонные изделия. Чтобы снять напряжения, в процессе деформирования изделий осуществляют промежуточный отжиг в высоком вакууме или в среде очищенного инертного газа при т-ре 1200-1650° С. Т. обладает хорошей свариваемостью, в связи с чем применяют различные виды дуговой сварки в аргоне или гелии, перспективна сварка электронным пучком.
Возможна пайка спец. припоями с соблюдением мер предосторожности. Т. можно покрывать нержавеющими сталями и тугоплавкими металлами и сплавами, обрабатывать резанием (при наличии смазки). Области применения Т. определяются благоприятным сочетанием высокой температуры плавления, пластичности, прочности, свариваемости, коррозионной стойкости, теплопроводности, способности поглощать газы и низкой упругости пара. Основное количество Т. (60- 75%) используют в электровакуумной технике: он служит материалом для геттеров, анодов, сеток и др. и деталей электронных ламп. В электротехнической пром-сти Т. применяют для изготовления нагревателейэлементов конструкций (экранов, контактов и др.) печей, эксплуатируемых при т-ре выше 1700° С в вакууме или среде инертного газа; для изготовления электролитических конденсаторов, выпрямителей.
Около 20-30% металла используют в произ-ве деталей хим. аппаратуры. Т.- заменитель платины в произ-ве лабораторной посуды, аналитических разновесов. Из Т. изготовляют прядильные фильеры, служащие для получения нитей искусственного шелка. Т. используют в качестве легирующей добавки при произ-ве высокопрочных, коррозионностойких и жаропрочных сталей и спец. сплавов. Соединения Т. (напр., фтористые комплексные соли) применяют в качестве катализаторов, пятиокись тантала используют в произ-ве стекол и керамики со спец. свойствами. См. также Тантала .
Характеристика элементов
Тантал являются металлам, но в состоянии окисления +5 проявляют неметаллические качества. Он почти не образуют катионов, но известно довольно большое количество сложных анионов, куда входят этот элемент.
Свойства простых веществ и соединений
По своему свободному состоянию и по химическим взаимодействиям члены подгруппы VB - тантал - резко отличаются от сурьмы и висмута.
Металл - тантал - очень тугоплавок, тверд, химически малоактивен. Кристаллизуются в кубической объемноцентрированной решетке. Химическая активность примерно одинакова с ниобием.
Ни , ни большинство кислот на него не действуют. На воздухе он покрыт плотным слоем оксидов, который препятствует при обычной температуре их дальнейшему взаимодействию даже с такими активными химическими реагентами, как , и . Только довольно значительное нагревание способно вывести его из столь пассивного состояния. На тантал даже «царская водка» - смесь, способная растворять , не действует. Он может раствориться только в еще более грозной смеси плавиковой и азотной кислот. Взаимодействие с водородом идет довольно легко, однако при поглощении водорода этим металлам определенных соединений не образуется. Состав максимально насыщенных водородом продуктов приближается к формуле ЭН, т. е. на каждый атом металла приходится один атом водорода. Если рассматривать свойства металлов в состоянии со степенью окисления +5, нужно отметить следующее: оксиды - плотные, устойчивые, инертные . По размерам атома и иона тантал и ниобия близки друг к другу. Это отражается и на свойствах оксидов, температура образования которых у ниобия и тантала высокая, как и температура плавления оксидов, а высшие оксиды Nb2Os и Та205 практически нерастворимы в воде. Кислотные свойства гидроксидов выше, чем в подгруппе титана, и падают от ванадия к танталу. Гидроксид ванадия- слабая кислота, а тантала - соединения амфотерные. Так как у этого элемента не заполнены d -орбитали, значит он способty образовывать комплексные соединения. Взаимодействуя со смесью азотной и плавиковой кислот, он даёт комплексы типа H(TaF6] .
Получение и использование
Тантал - металл серебристо-белого цвета, отличающийся высокой температурой плавления. Этот показатель составляет 3017 градусов по Цельсию. Тантал обладает высокой ценностью для современной промышленности, так как ему характерна твердость, но при этом он пластичен подобно золоту. Металл хорошо себя зарекомендовал при выполнении механической обработки, его можно раскатать в тонкую проволоку, он поддается штамповке.
Впервые тантал обнаружил шведский химик А.Г. Экеберг. Это полезное ископаемое входило в состав двух минералов, которые были найдены в Финляндии и Швеции. На тот момент не было найдено способа, который позволил бы получить этот металл в чистом виде. В промышленном масштабе металл начали добывать сравнительно недавно - в 1922 году.
Тантал обладает прекрасными парамагнитными свойствами. Чистый металл не вступает в реакцию с щелочами, органическими и неорганическими кислотами. Окисление тантала на воздухе происходит при температуре, превышающей 250 градусов по Цельсию. Если говорить о его химической устойчивости к реагентам, то в этом плане он подобен стеклу.
Добыча и получение тантала
Тантал относят к числу редких металлов. В природе он существует в виде изотопов - стабильного и радиоактивного. На данный момент выделяют около двадцати минералов тантала и около шестидесяти минералов, в состав которых входит этот металл. Самое крупное месторождение тантала было обнаружено в Австралии. Также это полезное ископаемое добывают в Китае, Франции, странах СНГ, Бразилии, Канаде. В Мурманской области добывают основную часть тантала, который был обнаружен в месторождениях Российской Федерации.
Тантал имеет довольно сложную технологию производства. Для его получения переработке подвергается более трех тысяч тонн руды, за счет этого металл имеет очень высокую стоимость, превышающую 4500 долларов за один килограмм.
Области применения тантала
Металл получил широкую сферу использования. На начальном этапе производства его применяли в основном для получения проволоки для ламп накаливания. Сейчас с использованием металла и его сплавов производят широкий спектр продукции. К наиболее популярной и высоко востребованной следует отнести аппаратуру для химической промышленности, теплообменников для ядерно-энергетических систем. Проволоку из тантала активно применяют в криотронах.
Металл нашел широкое применение и в современной медицине. Здесь его используют для получения проволоки, фольги и листов, предназначенных для скрепления тканей и нервов, производства протезов.
Тантал пользуется довольно большим спросом при изготовлении ювелирных украшений. В этом сфере по достоинству оценили его свойство образовывать прочную пленку оксида, которая имеет радужный внешний вид. Металл применяют в ядерной и военной промышленности, где с его использованием производят оружие. Наряду с гафнием он может служить идеальным источником гамма-излучения. При производстве авиакосмической техники применяют беррилид титана, который славится превосходными показателями твердости и устойчивости в воздействию негативных факторов окружающей среды.
В будущем сфера применения этого металл еще более расширится, так как он обладает прекрасными химическими и физическими свойствами.
Скупка тантала
Одним из направлений деятельности нашей компании является скупка тантала . Мы предлагаем выгодные условия сотрудничества. Изделия можно сдать как в пункте приема, так и отправить по почте.