Tantalo metalo charakteristikos ir savybės. Tantalas – taikymas Ginčai ir klaidingi supratimai

Spartus šiuolaikinių technologijų vystymasis šiandien neabejotinai yra susijęs su efektyvių medžiagų ir medžiagų, kurios turi gana praktiškų ir labai naudingų savybių bei savybių, naudojimu.

Iš šios perspektyvos verta atkreipti dėmesį į tokį unikalų cheminį elementą kaip tantalas. Ir tai nenuostabu, nes dėl savo stiprumo savybių tantalo naudojimas šiandien tampa gana aktualus daugelyje pramonės sričių.

Norėdami praplėsti paprasto žmogaus akiratį šia tema, išsamiai apibūdinsime fizines ir chemines tantalo savybes ir pakalbėsime apie tai, kur šis metalas šiandien labai sėkmingai naudojamas.

Techninės tantalo savybės

Visų pirma, verta suprasti, kad tantalas yra pilkas metalas su blizgančiu atspalviu, kurį galima lengvai apdirbti mechaniškai.

Tarp metalo savybių verta paminėti keletą šių svarbių aspektų:

• eilės numeris periodinėje lentelėje - 73;
• atominis svoris - 180;
• medžiagos tankis yra 60 g/cm3;
• lydymosi temperatūra - 3015 0 C;
• Medžiagos virimo temperatūra yra 5300 0 C.

Metalo savybės

Dėl šių savybių tantalas neabejotinai turi šias naudingas savybes:

1. Tantalas yra ugniai atsparus metalas, todėl elementas turi šias savybes:

• mažas tiesinis plėtimosi greitis;
• geras šilumos laidumo lygis;
• didelis mechaninis stiprumas ir lankstumas.

1. Pasižymi puikiomis antikorozinėmis savybėmis. Verta paminėti, kad tantalas įprastomis sąlygomis yra praktiškai inertiškas jūros vandeniui, tačiau jei jis yra prisotintas deguonies, metalas šiuo atveju tik tamsėja.
2. Tantalas turi gerą atsparumą šių rūšių druskoms:

• geležies ir vario chloridai;
• nitratai;
• sulfatai;
• tačiau organinių rūgščių druskos, jei jose nėra fluoro ar fluoridų.

1. Tantalas pradeda prarasti savo stiprumo charakteristikas, kai reaguoja su fluoru. Taip pat verta atsižvelgti į tai, kad tantalas chemiškai nereaguoja su bromu, jodu ir skystu chloru, nebent pasiekiama 150 0 C temperatūra.
2. Tantalas yra gana atsparus skystų metalų, kurių lydymosi temperatūra žema, poveikiui.
3. Tantalas turi puikias stabilumo charakteristikas ore iki 400 0 C temperatūroje, o saugojimo ar apdorojimo metu susidaro apsauginė oksido plėvelė.
4. Tantalas, išlydytas elektronų pluošto metodu, turi padidintą plastiškumo savybę, kuri, deformuojant metalą, leidžia pasiekti didesnį suspaudimo laipsnį.
5. Jis gerai virsta lakštiniu metalu, kuris puikiai tinka kalti.
6. Jis puikiai tinka apdoroti šaltos deformacijos metu. Tačiau jūs turite suprasti, kad šis metalas neturėtų būti deformuotas karštoje būsenoje, nes kaitinant tantalas pradeda sugerti azotą, anglies dioksidą, deguonį, todėl medžiaga tampa gana trapi.
7. Viena iš pagrindinių tantalo apdirbimo operacijų yra medžiagos pjaustymas didelės spartos įranga.

Kalbant apie tantalo dalių sujungimą, tai galima padaryti šiais būdais:

• suvirinimas;
• litavimas;
• sujungimas naudojant kniedes.

Čia verta atsižvelgti į tai, kad paskutiniai du metodai naudojami gana retai, todėl tantalo suvirintų jungčių kokybė visada išlieka aukšta.

Tantalo panaudojimo sritys

Šios savybės leidžia plačiai naudoti įvairiose pramonės srityse. Išsamiai atkreipkite dėmesį į pagrindines tokios unikalios medžiagos kaip tantalas naudojimo kryptis.

Metalurgijos pramonė

Metalurgija yra pagrindinė šio metalo vartotoja. Metalurgijos pramonė sudaro 45% tantalo produkcijos.

Pagrindinis tantalo panaudojimas yra susijęs su šiais svarbiais aspektais:

• metalas yra pagrindinis legiravimo elementas gaminant karščiui atsparaus ir antikorozinio plieno rūšis;
• Tantalo karbidas yra patikima liejyklų plieno liejimo formų apsauga.

Elektros pramonė

Visų pirma, verta atkreipti dėmesį į tai, kad ketvirtadalis pasaulyje pagaminamo tantalo yra sunaudojama elektros pramonėje. Ir tai nenuostabu, nes naudojant šį metalą gaminami šių tipų elektros gaminiai:

• elektrolitiniai tantalo kondensatoriai pasižymi stabiliu veikimu;
• plačiai naudojamas gaminant lempų konstrukcinius elementus, tokius kaip anodai, netiesiogiai šildomi katodai ir tinkleliai;
• tantalo viela naudojama gaminant kriotronines dalis, kurios yra neatsiejami kompiuterinės technologijos elementai;
• Iš šio metalo labai sėkmingai gaminami šildytuvai krosnims su aukšta temperatūra.

Įdomus faktas! Tantalo kondensatoriai linkę savaime taisytis. Pavyzdžiui, staiga atsiradus aukštai įtampai, kibirkštis sunaikino izoliacinį sluoksnį. Tokiu atveju defekto vietoje akimirksniu susidaro izoliacinė oksido plėvelė, o kondensatorius toliau veiks įprastu darbo režimu!

Chemijos pramonė

Visų pirma būtina atkreipti dėmesį į tai, kad 20% naudojamo tantalo patenka į chemijos pramonės poreikius. Visų pirma, šis metalas naudojamas šiais atvejais:

• šių rūšių rūgščių gamyba:

1. azotas;
2. Olyanaya;
3. sieros;
4. fosforo;
5. acto

• vandenilio peroksido, bromo ir chloro gamyba;
• šių tipų cheminės įrangos gamyba:

1. aeratoriai;
2. distiliavimo įrenginiai;
3. įvairių tipų ritės;
4. maišytuvai;
5. vožtuvas

IN medicinos pramonė sunaudojama ne daugiau kaip 5% pasaulyje iškasamo tantalo. Medicinoje šis metalas labai sėkmingai naudojamas plastinėje ir kaulų chirurgijoje, todėl iš jo gaminami tantalo elementai, skirti kaulams tvirtinti, susiūti ir kt. Tai pasiekiama dėl to, kad tantalas nekenkia gyvybinėms organizmo funkcijoms ir nedirgina gyvų audinių.

TANTALAS, Ta (pavadintas senovės graikų mitologijos herojaus Tantalo vardu; lot. Tantalas * a. tantalas; n. Tantalas; f. tantale; i. tantalo), yra Mendelejevo periodinės sistemos V grupės cheminis elementas, atominis. skaičius 73, atominė masė 180 ,9479. Gamtoje jis randamas dviejų izotopų pavidalu: 181 Ta (99,9877%) ir 180 Ta (0,0123%). Yra žinoma 13 dirbtinių radioaktyvių tantalo izotopų, kurių masės skaičius nuo 172 iki 186. Tantalą 1802 m. atrado švedų chemikas A. G. Ekebergas. Plastikinį metalinį tantalą pirmą kartą gavo vokiečių mokslininkas W. Boltenas 1903 m.

Taikymas ir naudojimas

Pagrindinės žaliavos tantalo ir jo lydinių gamybai yra tantalito ir loparito koncentratai, kuriuose yra apie 8 % Ta 2 O 5, 60 % ar daugiau Nb 2 O 5. Koncentratai skaidomi rūgštimis arba šarmais, o loparito koncentratai chloruojami. Ta ir Nb atskyrimas atliekamas ekstrahuojant. Metalinis tantalas paprastai gaunamas redukuojant Ta 2 O 5 anglimi arba elektrocheminiu būdu iš lydalo.

Kompaktiškas metalas gaminamas vakuuminio lanko, plazminio lydymo arba miltelinės metalurgijos būdu. Iš tantalo ir jo lydinių gaminami korozijai atsparūs įrenginiai chemijos pramonei, štampai, laboratoriniai stikliniai indai ir tigliai; branduolinės energijos sistemų šilumokaičiai. Chirurgijoje lakštai, folija ir viela iš tantalo naudojami audiniams, nervams tvirtinti, siūlėms, protezams, pakeičiantiems pažeistas kaulų dalis (dėl biologinio suderinamumo). Tantalo karbidas naudojamas kietųjų lydinių gamyboje.

Tantalas (Ta) yra elementas, kurio atominis skaičius 73 ir atominis svoris 180,948. Tai yra penktosios grupės antrinio pogrupio elementas, šeštasis Dmitrijaus Ivanovičiaus Mendelejevo periodinės lentelės periodas. Įprastomis sąlygomis laisvas tantalas yra platinos pilkas metalas su šiek tiek švininiu atspalviu, kuris yra oksido plėvelės (Ta 2 O 5) susidarymo pasekmė. Tantalas yra sunkus, atsparus ugniai, gana kietas, bet netrupus metalas, tuo pačiu labai kalus, lengvai apdirbamas, ypač gryna forma.

Gamtoje tantalas randamas dviejų izotopų pavidalu: stabilaus 181 Ta (99,99%) ir radioaktyvaus 180 Ta (0,012%), kurių pusinės eliminacijos laikas yra 10 12 metų. Iš dirbtinai gautų radioaktyviųjų 182 Ta (pusėjimo laikas 115,1 paros) naudojamas kaip izotopų indikatorius.

Elementą 1802 metais atrado švedų chemikas A. G. Ekebergas dviejuose mineraluose, rastuose Suomijoje ir Švedijoje. Jis buvo pavadintas senovės graikų mitų herojaus Tantalo vardu, nes buvo sunku jį izoliuoti. Ilgą laiką mineralai kolumbitas, kuriame yra kolumbis (niobis), ir tantalitas, kuriame yra tantalo, buvo laikomi vienu ir tuo pačiu. Juk šie du elementai yra dažni vienas kito palydovai ir daugeliu atžvilgių panašūs. Ši nuomonė ilgą laiką buvo laikoma teisinga tarp visų šalių chemikų, tik 1844 metais vokiečių chemikas Heinrichas Rose vėl ištyrė įvairių vietų kolumbitus ir tantalitus ir rado juose naują metalą, savo savybėmis panašų į tantalą. Tai buvo niobis. Plastikinį gryno metalo tantalą pirmą kartą gavo vokiečių mokslininkas W. von Boltonas 1903 m.

Pagrindiniai tantalo mineralų telkiniai yra Suomijoje, Skandinavijos šalyse, Šiaurės Amerikoje, Brazilijoje, Australijoje, Prancūzijoje, Kinijoje ir daugelyje kitų šalių.

Dėl to, kad tantalas turi nemažai vertingų savybių – gerą plastiškumą, didelį stiprumą, suvirinamumą, atsparumą korozijai esant vidutinei temperatūrai, atsparumą ugniai ir daugybę kitų svarbių savybių – septyniasdešimt trečio elemento panaudojimas yra labai platus. Svarbiausios tantalo panaudojimo sritys yra elektronika ir mechaninė inžinerija. Maždaug ketvirtadalis pasaulyje pagaminamo tantalo patenka į elektros ir vakuumo pramonę. Elektronikoje jis naudojamas elektrolitiniams kondensatoriams, didelės galios lempų anodams, tinkleliams gaminti. Chemijos pramonėje tantalas naudojamas mašinų detalėms, naudojamoms rūgščių gamyboje, gaminti, nes šis elementas pasižymi išskirtiniu cheminiu atsparumu. Tantalas netirpsta net tokioje chemiškai agresyvioje aplinkoje kaip aqua regia! Metalai, pavyzdžiui, retųjų žemių metalai, lydomi tantalo tigliuose. Iš jo gaminami šildytuvai aukštos temperatūros krosnims. Dėl to, kad tantalas nesąveikauja su gyvais žmogaus organizmo audiniais ir jiems nekenkia, jis naudojamas chirurgijoje kaulams laikyti kartu lūžių metu. Tačiau pagrindinis tokio vertingo metalo vartotojas yra metalurgija (virš 45 proc.). Pastaraisiais metais tantalas vis dažniau naudojamas kaip legiravimo elementas specialiuose plienuose – itin tvirtuose, atspariuose korozijai, karščiui. Be to, daugelis konstrukcinių medžiagų greitai praranda šilumos laidumą: ant jų paviršiaus susidaro blogai šilumą laidi oksido ar druskos plėvelė. Iš tantalo ir jo lydinių pagamintos konstrukcijos su tokiomis problemomis nesusiduria. Ant jų susidariusi oksido plėvelė yra plona ir gerai praleidžia šilumą, taip pat pasižymi apsauginėmis antikorozinėmis savybėmis.

Vertingas ne tik grynas tantalas, bet ir jo junginiai. Taigi didelio kietumo tantalo karbidas naudojamas gaminant karbidinius įrankius, skirtus metalo pjovimui dideliu greičiu. Tantalo-volframo lydiniai iš jų pagamintoms dalims suteikia atsparumą karščiui.

Biologinės savybės

Dėl didelio biologinio suderinamumo – gebėjimo susigyventi su gyvais audiniais nesukeliant dirginimo ar organizmo atmetimo – tantalas buvo plačiai naudojamas medicinoje, daugiausia rekonstrukcinėje chirurgijoje – žmogaus organizmui atkurti. Kaukolės pažeidimui naudojamos plonos tantalo plokštelės – jos uždaro kaukolės plyšius. Medicina žino atvejį, kai iš tantalo plokštelės buvo pagaminta dirbtinė ausis, o iš šlaunies persodinta oda taip gerai ir greitai prigijo, kad netrukus dirbtinio organo nebebuvo galima atskirti nuo tikrojo. Tantalo siūlai naudojami pažeistam raumenų audiniui atkurti. Chirurgai po operacijų pilvo ertmės sieneles tvirtina tantalo plokštelėmis. Naudojant tantalo spaustukus, galima sujungti net kraujagysles. Iš šios unikalios medžiagos pagaminti tinklai naudojami akių protezų gamyboje. Siūlai iš šio metalo naudojami sausgyslėms pakeisti ir netgi nervinėms skaiduloms susiūti.

Ne mažiau paplitęs ir tantalo pentoksido Ta 2 O 5 naudojimas – jo mišinį su nedideliu kiekiu geležies trioksido siūloma naudoti kraujo krešėjimui paspartinti.

Per pastarąjį dešimtmetį buvo kuriama nauja medicinos šaka, pagrįsta trumpojo nuotolio statinių elektrinių laukų panaudojimu, skatinant teigiamus biologinius procesus žmogaus organizme. Be to, elektriniai laukai susidaro ne dėl tradicinių elektros energijos šaltinių su tinklo ar baterijų maitinimu, o dėl autonomiškai veikiančių elektretinių dangų (dielektriko, kuris ilgą laiką išlaiko nekompensuotą elektros krūvį), plačiai taikomų įvairios paskirties implantams. naudojamas medicinoje.

Šiuo metu teigiami tantalo pentoksido elektretinių plėvelių naudojimo rezultatai gauti šiose medicinos srityse: veido ir žandikaulių chirurgija (ta 2 O 5 padengtų implantų naudojimas pašalina uždegiminių procesų atsiradimą ir sutrumpina implanto gijimo laiką) ; ortopedinė odontologija (akrilo plastiko protezų padengimas tantalo pentoksido plėvele pašalina visas galimas patologines apraiškas, atsirandančias dėl akrilatų netoleravimo); chirurgija (elektretinio aplikatoriaus naudojimas gydant odos ir jungiamojo audinio defektus esant ilgalaikiams negyjantiems žaizdų procesams, pragulas, neurotrofines opas, terminius sužalojimus); traumatologija ir ortopedija (kaulinio audinio vystymosi paspartinimas gydant žmogaus kaulų ir raumenų sistemos lūžius ir ligas, veikiant statiniam laukui, kurį sukuria elektretinė danga).

Visi šie unikalūs mokslo pasiekimai tapo įmanomi Sankt Peterburgo valstybinio elektrotechnikos universiteto (LETI) specialistų mokslinio darbo dėka.

Be pirmiau išvardytų sričių, kuriose jau naudojamos arba diegiamos unikalios tantalo pentoksido dangos, yra ir labai ankstyvos stadijos. Tai apima šių medicinos sričių pokyčius: kosmetologija (medžiagos, pagamintos iš tantalo pentoksido dangų, kuri pakeis „auksinius siūlus“, gamyba); širdies chirurgija (elektretų plėvelių uždėjimas ant vidinio dirbtinių kraujagyslių paviršiaus, neleidžiantis susidaryti kraujo krešuliams); endoprotezavimas (sumažina protezų, kurie nuolat sąveikauja su kauliniu audiniu, atmetimo riziką). Be to, kuriamas chirurginis instrumentas, padengtas tantle pentoksido plėvele.

Yra žinoma, kad tantalas yra labai atsparus agresyviai aplinkai, tai liudija daugybė faktų. Taigi 200 °C temperatūroje šio metalo neveikia septyniasdešimt procentų azoto rūgšties! Sieros rūgštyje 150 °C temperatūroje tantalo korozijos taip pat nepastebima, o 200 °C temperatūroje metalas korozuoja, bet tik 0,006 mm per metus!

Yra žinomas atvejis, kai vienoje vandenilio chlorido dujas naudojusioje įmonėje nerūdijančio plieno detalės sugedo jau po poros mėnesių. Tačiau vos tik plieną pakeitus tantalu, net ir ploniausios dalys (0,3...0,5 mm storio) pasirodė esančios praktiškai neapibrėžtos - jų tarnavimo laikas pailgėjo iki 20 metų!

Tantalas kartu su nikeliu ir chromu plačiai naudojamas kaip antikorozinė danga. Jis apima įvairių formų ir dydžių dalis: tiglius, vamzdžius, lakštus, raketų antgalius ir daug daugiau. Be to, medžiaga, ant kurios dengiama tantalo danga, gali būti labai įvairi: geležis, varis, grafitas, kvarcas, stiklas ir kt. Įdomiausia yra tai, kad tantalo dangos kietumas yra tris ar keturis kartus didesnis nei atkaitinto techninio tantalo kietumas!

Kadangi tantalas yra labai vertingas metalas, jo žaliavų paieškos tęsiasi ir šiandien. Mineralogai išsiaiškino, kad įprastuose granituose, be kitų vertingų elementų, yra ir tantalo. Brazilijoje buvo bandoma išgauti tantalą iš granito uolienų, gautas metalas, tačiau toks gavyba pramoninio masto nepasiekė – procesas pasirodė itin brangus ir sudėtingas.

Šiuolaikiniai elektrolitiniai tantalo kondensatoriai yra stabilūs, patikimi ir patvarūs. Iš šios medžiagos pagaminti miniatiūriniai kondensatoriai, naudojami įvairiose elektroninėse sistemose, be minėtų privalumų, turi vieną išskirtinę savybę: jie gali patys atlikti remontą! Kaip tai atsitinka? Tarkime, kad dėl įtampos kritimo ar dėl kitos priežasties pažeidžiamas izoliacijos vientisumas – gedimo vietoje akimirksniu vėl susidaro izoliacinė oksido plėvelė, o kondensatorius toliau dirba taip, lyg nieko nebūtų nutikę!

Be jokios abejonės, tantalui pagrįstai gali būti priskirtas XX amžiaus viduryje atsiradęs terminas „protingas metalas“, tai yra metalas, padedantis veikti išmaniosioms mašinoms.

Kai kuriose srityse tantalas pakeičia ir kartais net konkuruoja su platina! Taigi, juvelyrikos darbuose tantalas dažnai pakeičia brangesnį taurųjį metalą gaminant apyrankes, laikrodžių korpusus ir kitus papuošalus. Kitoje srityje tantalas sėkmingai konkuruoja su platina – iš šio metalo pagaminti standartiniai analitiniai svarstyklės savo kokybe nenusileidžia platininiams.

Be to, tantalas pakeičia brangesnį iridį gaminant automatinių rašiklių antgalius.

Dėl savo unikalių cheminių savybių tantalas buvo pritaikytas kaip katodų medžiaga. Taigi, tantalo katodai naudojami elektrolitiniam aukso ir sidabro atskyrimui. Jų vertė slypi tame, kad tauriųjų metalų nuosėdos gali būti nuplaunamos vandens regija, kuri nekenkia tantalui.

Neabejotinai galima kalbėti apie tai, kad tame, kad švedų chemikas Ekebergas, bandydamas rūgštimis prisotinti naują medžiagą, ištiko jos „troškulys“ ir naujajam elementui suteikė pavadinimą, yra kažkas simboliško, jei ne mistiško. mitinio piktadario, kuris nužudė savo sūnų ir išdavė dievus, garbė. Ir po dviejų šimtų metų paaiškėjo, kad šis elementas gali tiesiogine prasme „siūti“ žmogų ir netgi „pakeisti“ jo sausgysles ir nervus! Pasirodo, kankinys, merdėdamas požemyje, savo kaltę atperka padėdamas žmogui, bando maldauti dievų atleidimo...

Istorija

Tantalas – senovės graikų mitų herojus, Lydijos arba Frygijos karalius, Dzeuso sūnus. Jis atskleidė olimpiečių dievų paslaptis, pavogė ambroziją iš jų šventės ir vaišino olimpiečius patiekalu, paruoštu iš savo sūnaus Pelopso, kurį nužudė, kūno. Už savo žiaurumus Tantalą dievai nuteisė amžinam alkio, troškulio ir baimės kankinimui Hado požemyje. Nuo to laiko jis stovi iki kaklo skaidriame krištolo skaidrumo vandenyje, o šakos link galvos linksta nuo prinokusių vaisių svorio. Tik jis negali numalšinti nei troškulio, nei alkio – vanduo nusileidžia vos tik pabandžius atsigerti, o šakas pakelia vėjas, iš alkano žudiko rankų. Virš Tantalo galvos kabo uola, kuri bet kurią akimirką gali sugriūti, priversdama nelaimingąjį nusidėjėlį amžinai kentėti iš baimės. Šio mito dėka atsirado posakis „Tantalo kankinimas“, reiškiantis nepakeliamą kančią, eterinius bandymus išsivaduoti iš kančių. Matyt, per nesėkmingus švedų chemiko Ekebergo bandymus 1802 metais atrastą „žemę“ ištirpdyti rūgštyse ir išskirti iš jos naują elementą, būtent toks posakis jam ir atėjo į galvą. Ne kartą mokslininkas manė, kad yra arti savo tikslo, tačiau jam niekada nepavyko išskirti naujo metalo gryna forma. Taip atsirado naujojo elemento „kankinystės“ pavadinimas.

Tantalo atradimas glaudžiai susijęs su kito elemento – metais anksčiau gimusio niobio, kuris iš pradžių buvo pavadintas Kolumbija, atradimu, kurį jam suteikė jo atradėjas Hatchet. Šis elementas yra tantalo dvynys ir yra jam artimas daugeliu savybių. Būtent toks artumas suklaidino chemikus, kurie po ilgų diskusijų priėjo prie klaidingos išvados, kad tantalas ir kolumbis yra tas pats elementas. Šis klaidingas supratimas tęsėsi daugiau nei keturiasdešimt metų, kol 1844 metais garsus vokiečių chemikas Heinrichas Rose, pakartotinai tirdamas kolumbitus ir tantalitus iš įvairių telkinių, įrodė, kad kolumbis yra nepriklausomas elementas. Gatchet tyrinėta Kolumbija buvo niobis su dideliu tantalo kiekiu, kuris suklaidino mokslo pasaulį. Garbėdama tokį glaudų ryšį tarp dviejų elementų, Rose suteikė Kolumbijai naują pavadinimą Niobium – Frygijos karaliaus Tantalo Niobios dukters garbei. Nors Rose taip pat padarė klaidą, tariamai atradęs kitą naują elementą, kurį pavadino Pelopijumi (Tantalo sūnaus Pelopso vardu), jo darbai tapo griežto niobio (kolumbo) ir tantalo skirtumo pagrindu. Tik, net ir po Rose parodymų, tantalas ir niobis ilgą laiką buvo painiojami. Taigi tantalas buvo vadinamas kolumbu, o Rusijoje - kolumbu. Hessas savo „Grynosios chemijos principuose“ iki šeštojo leidimo (1845 m.) kalba tik apie tantalą, neminėdamas Kolumbijos; Dvigubskis (1824) mini tantalio pavadinimą. Tokios klaidos ir išlygos suprantamos – tantalo ir niobio atskyrimo metodą tik 1866 metais sukūrė šveicarų chemikas Marignacas, o gryno elementinio tantalo dar nebuvo: juk mokslininkams pavyko gauti šį metalą gryname kompaktiškame pavidale. forma tik XX a. Pirmasis, kuriam pavyko gauti tantalo metalą, buvo vokiečių chemikas von Boltonas, ir tai įvyko tik 1903 m. Anksčiau, žinoma, buvo bandoma gauti gryno tantalo metalo, tačiau visos chemikų pastangos buvo nesėkmingos. Pavyzdžiui, prancūzų chemikas Moissanas gavo metalo miltelius, kurie, jo teigimu, buvo grynas tantalas. Tačiau šie milteliai, gauti redukuojant tantalo pentoksidą Ta 2 O 5 anglimi elektrinėje krosnyje, nebuvo grynas tantalas, milteliuose buvo 0,5 % anglies.

Dėl to išsamiai ištirti septyniasdešimt trečiojo elemento fizikines ir chemines savybes tapo įmanoma tik XX amžiaus pradžioje. Dar keletą metų tantalas nerado praktinio panaudojimo. Tik 1922 m. jis galėjo būti naudojamas kintamosios srovės lygintuvuose.

Buvimas gamtoje

Vidutinis septyniasdešimt trečiojo elemento (klarko) kiekis žemės plutoje yra 2,5∙10 -4 masės %. Tantalas yra būdingas rūgščių uolienų – granito ir nuosėdinių kevalų – elementas, kuriame jo vidutinis kiekis siekia 3,5∙10 –4%, kaip ir ultrabazinėse ir bazinėse uolienose – viršutinėse mantijos dalyse ir giliosiose žemės plutos dalyse, tantalo koncentracija ten daug mažesnė: 1 .8∙10 -6%. Tantalas yra išsibarstęs magminės kilmės uolienose, taip pat biosferoje, nes yra izomorfinis su daugeliu cheminių elementų.

Nepaisant mažo tantalo kiekio žemės plutoje, jo mineralai yra labai paplitę – jų yra daugiau nei šimtas, tiek pačių tantalo mineralų, tiek tantalo turinčių rūdų, visos jos susidarė dėl magmatinės veiklos (tantalitas, kolumbitas, loparitas, pirochloras ir kt.). Visuose mineraluose tantalo kompanionas yra niobis, o tai paaiškinama ypatingu cheminiu elementų panašumu ir beveik vienodais jų jonų dydžiais.

Pačios tantalo rūdos turi Ta 2 O 5: Nb 2 O 5 ≥1 santykį. Pagrindiniai tantalo rūdų mineralai yra kolumbitas-tantalitas (Ta 2 O 5 kiekis 30-45%), tantalitas ir manganotantalitas (Ta 2 O 5 45-80%), vodginitas (Ta, Mn, Sn) 3 O 6 (Ta 2 O 5 60-85%), mikrolitas Ca 2 (Ta, Nb) 2 O 6 (F, OH) (Ta 2 O 5 50-80%) ir kt. Tantalitas (Fe, Mn)(Ta, Nb) 2 O 6 turi keletą atmainų: ferotantalitą (FeO>MnO), manganotantalitą (MnO>FeO). Tantalitas būna įvairių atspalvių nuo juodos iki raudonai rudos. Pagrindiniai tantalo-niobio rūdų mineralai, iš kurių kartu su niobiu išgaunamas daug brangesnis tantalas, yra kolumbitas (Ta 2 O 5 5-30%), tantalo turintis pirochloras (Ta 2 O 5 1-4%). , loparitas (Ta 2 O 5 0,4–0,8 %), gačetolitas (Ca, Tr, U) 2 (Nb, Ta) 2 O 6 (F, OH)∙nH 2 O (Ta 2 O 5 8–28 %), iksiolitas (Nb , Ta, Sn, W, Sc) 3 O 6 ir kai kurie kiti. Tantalo-niobatai, kurių sudėtyje yra U, Th, TR, yra metamiktiniai, labai radioaktyvūs ir juose yra įvairaus vandens kiekio; dažnos polimorfinės modifikacijos. Tantalo-niobatai sudaro nedideles diseminacijas, didelės išskyros yra retos (kristalai būdingi daugiausia loparitui, pirochlorui ir kolumbitui-tantalitui). Spalva juoda, tamsiai ruda, rusvai gelsva. Paprastai permatomas arba šiek tiek permatomas.

Yra keletas pagrindinių pramoninių ir genetinių tantalo rūdos telkinių tipų. Natroličio tipo retųjų metalų pegmatitus vaizduoja zoniniai venų kūnai, susidedantys iš albito, mikroklino, kvarco ir, kiek mažesniu mastu, spodumeno arba petalito. Retų metalų tantalą turinčius granitus (apogranitus) vaizduoja mažos mikroklino-kvarco-albito granito atsargos ir kupolai, dažnai praturtinti topazu ir ličio žėručiais, turinčiais ploną kolumbito-tantalito ir mikrolito sklaidą. Atmosferos plutose, deliuvialinėse ir aliuvinėse vietose, atsirandančiose dėl pegmatitų naikinimo, yra kasiterito ir kolumbito-tantalito grupės mineralų. Loparitus turintys lujavrito ir fojalito kompozicijos nefelino sienitai.

Be to, pramoniniam naudojimui naudojamos sudėtingų tantalo-niobio rūdų telkiniai, kuriuos sudaro karbonatitai ir susijusios forsterito-apatito-magnetito uolienos; mikroklino-albito riebeckitiniai šarminiai granitai ir granosienitai ir kt. Dalis tantalo išgaunama iš greiseno telkinių volframitų.

Didžiausi titano rūdos telkiniai yra Kanadoje (Manitoba, Bernick Lake), Australijoje (Greenbushes, Pilbara), Malaizijoje ir Tailande (tantalą turintys alavo klojiniai), Brazilijoje (Paraiba, Rio Grande do Norte) ir daugelyje Afrikos šalių. valstijų (Zairas, Nigerija, Pietų Rodezija).

Taikymas

Techninį pritaikymą tantalas rado gana vėlai – 20 amžiaus pradžioje jis buvo naudojamas kaip medžiaga elektros lempų kaitinamiesiems siūlams, o tai lėmė šio metalo kokybė, pavyzdžiui, atsparumas ugniai. Tačiau jis greitai prarado savo svarbą šioje srityje, jį pakeitė pigesnis ir ugniai atsparesnis volframas. Tantalas vėl tapo „techniškai netinkamas“ iki XX amžiaus dvidešimtojo dešimtmečio, kai buvo pradėtas naudoti kintamos srovės lygintuvuose (tantalas, padengtas oksido plėvele, srovę perduoda tik viena kryptimi), o po metų - radijo vamzdeliuose. . Po to metalas sulaukė pripažinimo ir netrukus pradėjo užkariauti vis naujas pramonės sritis.

Šiais laikais tantalas dėl savo unikalių savybių naudojamas elektronikoje (didelės specifinės talpos kondensatorių gamyboje). Maždaug ketvirtadalis pasaulio tantalo produkcijos patenka į elektros ir vakuumo pramonę. Dėl didelio paties tantalo ir jo oksido plėvelės cheminio inertiškumo elektrolitiniai tantalo kondensatoriai yra labai stabilūs, patikimi ir ilgaamžiai: jų tarnavimo laikas gali siekti daugiau nei dvylika metų. Radijo inžinerijoje tantalas naudojamas radaro įrangoje. Tantalo mini kondensatoriai naudojami radijo siųstuvuose, radarų įrenginiuose ir kitose elektroninėse sistemose.

Pagrindinis tantalo vartotojas yra metalurgija, kuriai sunaudojama per 45% pagaminamo metalo. Tantalas aktyviai naudojamas kaip legiravimo elementas specialiuose plienuose – itin tvirtuose, atspariuose korozijai, karščiui. Šio elemento pridėjimas prie įprastų chromo plieno padidina jų stiprumą ir sumažina trapumą po grūdinimo ir atkaitinimo. Karščiui atsparių lydinių gamyba yra didelis raketų ir kosmoso technologijų poreikis. Tais atvejais, kai raketų purkštukai aušinami skystu metalu, galinčiu sukelti koroziją (ličiu ar natriu), be tantalo-volframo lydinio tiesiog neįmanoma. Be to, aukštos temperatūros vakuuminių krosnių, šildytuvų ir maišytuvų šildytuvai gaminami iš karščiui atsparaus plieno. Tantalo karbidas (lydymosi temperatūra 3 880 °C) naudojamas kietųjų lydinių (volframo ir tantalo karbidų mišiniai – markės su TT indeksu, sudėtingiausioms metalo apdirbimo sąlygomis ir tvirčiausių medžiagų (akmens, kompozitų) smūginiam gręžimui) gamyboje. ).

Plienas, legiruotas su tantalu, yra plačiai naudojamas, pavyzdžiui, chemijos inžinerijoje. Juk tokie lydiniai pasižymi išskirtiniu cheminiu atsparumu, yra plastiški, atsparūs karščiui ir karščiui, būtent dėl ​​šių savybių tantalas tapo nepakeičiama chemijos pramonės konstrukcine medžiaga. Tantalo įranga naudojama daugelio rūgščių gamybai: druskos, sieros, azoto, fosforo, acto, taip pat bromo, chloro ir vandenilio peroksido. Iš jo gaminami ritės, distiliatoriai, vožtuvai, maišytuvai, aeratoriai ir daugelis kitų cheminių aparatų dalių. Kartais – ištisus įrenginius. Tantalo katodai naudojami elektrolitiniam aukso ir sidabro atskyrimui. Šių katodų privalumas yra tas, kad aukso ir sidabro nuosėdas galima nuplauti regia vandeniu, kuris nekenkia tantalui.

Be to, tantalas naudojamas instrumentų gamyboje (rentgeno įranga, valdymo instrumentai, diafragmos); medicinoje (medžiaga rekonstrukcinei chirurgijai); branduolinėje energetikoje – kaip branduolinės energijos sistemų šilumokaitis (tantalas yra stabiliausias iš visų metalų perkaitintuose lydaluose ir cezio-133 garuose). Didelis tantalo gebėjimas sugerti dujas naudojamas aukštam vakuumui palaikyti (elektriniai vakuuminiai įtaisai).

Pastaraisiais metais tantalas buvo naudojamas kaip papuošalų medžiaga dėl savo sugebėjimo ant paviršiaus suformuoti patvarias bet kokios spalvos oksido plėveles.

Tantalo junginiai taip pat plačiai naudojami. Tantalo pentoksidas naudojamas branduolinėse technologijose lydyti stiklą, kuris sugeria gama spinduliuotę. Kalio fluorotalatas naudojamas kaip katalizatorius sintetinės gumos gamyboje. Tantalo pentoksidas taip pat atlieka tą patį vaidmenį gaminant butadieną iš etilo alkoholio.

Gamyba

Yra žinoma, kad rūdos, kuriose yra tantalo, yra retos ir skurdžios šio elemento. Pagrindinės tantalo ir jo lydinių gamybos žaliavos yra tantalito ir loparito koncentratai, kuriuose yra tik 8 % Ta 2 O 5 ir daugiau kaip 60 % Nb 2 O 5. Be to, apdorojamos net tos rūdos, kuriose yra tik šimtosios procento dalies (Ta, Nb) 2 O 5!

Tantalo gamybos technologija yra gana sudėtinga ir atliekama trimis etapais: atidarymas arba skilimas; tantalo atskyrimas nuo niobio ir grynų cheminių junginių gavimas; tantalo regeneravimas ir rafinavimas.

Tantalo koncentrato atidarymas, kitaip tariant, tantalo ekstrahavimas iš rūdų atliekamas naudojant šarmus (lydymą) arba naudojant vandenilio fluorido rūgštį (skilimas) arba vandenilio fluorido ir sieros rūgščių mišinį. Po to jie pereina į antrąjį gamybos etapą – ekstrahavimo ekstrahavimą ir tantalo bei niobio atskyrimą. Paskutinė užduotis yra labai sunki dėl šių metalų cheminių savybių panašumo ir beveik vienodo jų jonų dydžio. Dar visai neseniai metalai buvo atskiriami tik 1866 m. pasiūlytu šveicarų chemiko Marignaco metodu, kuris pasinaudojo skirtingu kalio fluorotantalato ir kalio fluoroniobato tirpumu praskiestoje fluoro rūgštyje. Šiuolaikinėje pramonėje naudojami keli tantalo ir niobio atskyrimo būdai: ekstrahavimas organiniais tirpikliais, selektyvus niobio pentachlorido redukavimas, kompleksinių fluorido druskų frakcinė kristalizacija, atskyrimas naudojant jonų mainų dervas, chloridų rektifikavimas. Šiuo metu dažniausiai naudojamas atskyrimo metodas (jis taip pat pažangiausias) yra ekstrahavimas iš tantalo ir niobio fluorido junginių, turinčių vandenilio fluorido ir sieros rūgščių, tirpalų. Tuo pačiu metu tantalas ir niobis taip pat išvalomi nuo kitų elementų priemaišų: silicio, titano, geležies, mangano ir kitų susijusių elementų. Kalbant apie loparito rūdas, jų koncentratai apdorojami chloro metodu, kad susidarytų tantalo ir niobio chloridų kondensatas, kuris toliau atskiriamas rektifikuojant. Chloridų mišinio atskyrimas susideda iš šių etapų: pirminis rektifikavimas (atsiranda tantalo ir niobio chloridų atskyrimas nuo priemaišų), pagrindinis rektifikavimas (siekiant gauti gryną NbCl 5 ir TaCl 5 koncentratą) ir galutinis tantalo frakcijos rektifikavimas (iki gauti gryno TaCl 5). Atskyrus giminingus metalus, tantalo fazė nusodinama ir išgryninama, kad būtų gautas padidinto grynumo kalio fluorotalatas (naudojant KCl).

Tantalo metalas gaunamas redukuojant jo didelio grynumo junginius, kuriems gali būti naudojami keli metodai. Tai arba tantalo redukavimas iš pentoksido suodžiais 1800–2000 °C temperatūroje (karboterminis metodas), arba kalio fluorotantalato redukavimas natriu kaitinant (natrio terminis metodas), arba elektrocheminis redukavimas iš lydalo, kuriame yra kalio fluorotantalato. ir tantalo oksidas (elektrolitinis metodas). Vienaip ar kitaip metalas gaunamas miltelių pavidalu, kurio grynumas yra 98–99%. Norint gauti metalą luituose, jis sukepinamas iš miltelių iš anksto suspaustų ruošinių pavidalu. Sukepinimas vyksta praleidžiant srovę 2500–2700 °C temperatūroje arba kaitinant vakuume 2200–2500 °C temperatūroje. Po to metalo grynumas žymiai padidėja ir tampa lygus 99,9-99,95%.

Tolimesniam tantalo luitų rafinavimui ir gamybai lankinėse krosnyse su eksploataciniu elektrodu naudojamas elektrinis vakuuminis lydymas, o gilesniam rafinavimui – elektronų pluošto lydymas, kuris žymiai sumažina tantalo priemaišų kiekį, padidina jo lankstumą ir sumažina temperatūrą. perėjimas į trapią būseną. Tokio grynumo tantalas išlaiko didelį plastiškumą esant absoliučiam nuliui artimai temperatūrai! Tantalo luito paviršius lydomas (kad luito paviršiui suteiktų reikiamas charakteristikas) arba apdorojamas tekinimo staklėmis.

Fizinės savybės

Tik XX amžiaus pradžioje mokslininkai įkliuvo į gryną tantalo metalą ir sugebėjo detaliai ištirti šio šviesiai pilko metalo su šiek tiek melsvu švino atspalviu savybes. Kokiomis savybėmis pasižymi šis elementas? Neabejotinai tantalas yra sunkusis metalas: jo tankis 16,6 g/cm 3 esant 20 °C temperatūrai (palyginimui geležies tankis 7,87 g/cm 3, švino tankis 11,34 g/cm 3) ir gabenimui. kubinio metro Šiam elementui prireiktų šešių trijų tonų sunkvežimių. Didelis stiprumas ir kietumas derinami su puikiomis plastiko savybėmis. Grynas tantalas puikiai tinka mechaniniam apdorojimui, lengvai štampuojamas, apdirbamas į ploniausius lakštus (apie 0,04 mm storio) ir vielą (tantalo tamprumo modulis 190 Hn/m2 arba 190·102 kgf/mm2 esant 25 °C). Šaltyje metalas gali būti apdirbamas be didelio grūdinimo ir gali būti deformuojamas, kai suspaudimo laipsnis yra 99% be tarpinio degimo. Tantalo perėjimas iš plastiko į trapią būseną nepastebimas net atvėsus iki -196 °C. Atkaitinto didelio grynumo tantalo tempiamasis stipris yra 206 MN/m2 (20,6 kgf/mm2) esant 27 °C ir 190 MN/m2 (19 kgf/mm2) esant 490 °C temperatūrai; santykinis pailgėjimas 36% (esant 27 °C) ir 20% (esant 490 °C). Tantalas turi į kūną orientuotą kubinę gardelę (a = 3,296 A); atominis spindulys 1,46 A, joniniai spinduliai Ta 2+ 0,88 A, Ta 5+ 0,66 A.

Kaip minėta anksčiau, tantalas yra labai kietas metalas (atkaitinto tantalo lakštų Brinelio kietumas yra 450-1250 MPa, deformuoto 1250-3500 MPa). Be to, galima padidinti metalo kietumą, pridedant prie jo daug priemaišų, pavyzdžiui, anglies ar azoto (tantalo lakšto Brinelio kietumas, sugėrus dujas kaitinant, padidėja iki 6000 MPa). Dėl to intersticinės priemaišos padidina Brinelio kietumą, atsparumą tempimui ir takumo ribą, tačiau sumažina plastiškumo charakteristikas ir padidina šalto trapumą, kitaip tariant, dėl jų metalas tampa trapus. Kitos septyniasdešimt trečiojo elemento charakteristikos yra didelis šilumos laidumas, esant 20–100 °C temperatūrai, ši vertė yra 54,47 W/(m∙K) arba 0,13 cal/(cm·sek·°С) ir atsparumas ugniai (galbūt didžiausias). svarbi fizinė tantalo savybė) – tirpsta beveik 3000 °C (tiksliau, 2996 °C) temperatūroje, nusileidžia tik volframui ir reniui. Tantalo virimo temperatūra taip pat itin aukšta: 5300 °C.

Kalbant apie kitas fizines tantalo savybes, jo savitoji šiluma esant temperatūrai nuo 0 iki 100 °C yra 0,142 kJ/(kg K) arba 0,034 cal/(g °C); tantalo linijinio plėtimosi temperatūrinis koeficientas yra 8,0·10 -6 (esant 20-1500 °C temperatūrai). Septyniasdešimt trečiojo elemento elektrinė savitoji varža 0 °C temperatūroje yra 13,2 10 -8 omai m, 2000 °C temperatūroje 87 10 -8 omai m. 4,38 K temperatūroje metalas tampa superlaidininku. Tantalas yra paramagnetinis, specifinis magnetinis jautrumas 0,849·10 -6 (esant 18 °C).

Taigi tantalas turi unikalų fizikinių savybių rinkinį: aukštą šilumos perdavimo koeficientą, didelį gebėjimą sugerti dujas, atsparumą karščiui, atsparumą ugniai, kietumą ir plastiškumą. Be to, jis išsiskiria dideliu stiprumu - jis puikiai tinka apdorojimui slėgiu naudojant visus esamus metodus: kalimą, štampavimą, valcavimą, tempimą, sukimą. Tantalui būdingas geras suvirinamumas (suvirinimas ir litavimas argonu, heliu arba vakuume). Be to, tantalas pasižymi išskirtiniu atsparumu cheminei ir korozijai (susidaro anodinė plėvelė), mažu garų slėgiu ir maža elektronų darbo funkcija, be to, puikiai sutaria su gyvais organizmo audiniais.

Cheminės savybės

Neabejotinai viena vertingiausių tantalo savybių yra išskirtinis cheminis atsparumas: šiuo požiūriu jis nusileidžia tik tauriesiems metalams, ir net tada ne visada. Jis atsparus visų koncentracijų druskos, sieros, azoto, fosforo ir organinėms rūgštims (iki 150 ° C temperatūros). Savo cheminiu stabilumu tantalas panašus į stiklą – netirpsta rūgštyse ir jų mišiniuose, jo netirpsta net ir aqua regia, prieš kurį bejėgiai yra auksas ir platina bei nemažai kitų vertingų metalų. Septyniasdešimt trečias elementas tirpsta tik vandenilio fluorido ir azoto rūgščių mišinyje. Be to, reakcija su vandenilio fluorido rūgštimi vyksta tik su metalo dulkėmis ir ją lydi sprogimas. Net karštose druskos ir sieros rūgštyse tantalas yra atsparesnis nei jo dvynys brolis niobis. Tačiau tantalas yra mažiau atsparus šarmams – karšti šarminių šarmų tirpalai ėsdina metalą. Tantalo rūgščių druskos (tantalatai) išreiškiamos bendra formule: xMe 2 O yTa 2 O 5 H 2 O, tai apima metatantalatus MeTaO 3, ortotantalatus Me 3 TaO 4, tokias druskas kaip Me 5 TaO 5, kur Me yra šarminis metalas ; esant vandenilio peroksidui, susidaro ir pertantalatai. Svarbiausi šarminių metalų tantalatai yra KTaO 3 ir NaTaO 3; šios druskos yra feroelektrinės medžiagos.

Didelį tantalo atsparumą korozijai taip pat rodo jo sąveika su atmosferos deguonimi, tiksliau, didelis atsparumas šiam poveikiui. Metalas pradeda oksiduotis tik 280 °C temperatūroje, pasidengdamas apsaugine Ta 2 O 5 plėvele (tantalo pentoksidas yra vienintelis stabilus metalo oksidas), kuri apsaugo metalą nuo cheminių reagentų poveikio ir neleidžia tekėti elektros srovei. nuo metalo iki elektrolito. Tačiau, kai temperatūra pakyla iki 500 ° C, oksido plėvelė palaipsniui tampa porėta, sluoksniuojasi ir atsiskiria nuo metalo, todėl paviršius netenka apsauginio sluoksnio nuo korozijos. Todėl karšto slėgio apdorojimą patartina atlikti vakuume, nes ore metalas oksiduojasi iki didelio gylio. Azoto ir deguonies buvimas padidina tantalo kietumą ir stiprumą, tuo pačiu sumažindamas jo lankstumą ir daro metalą trapus, o, kaip minėta anksčiau, tantalas sudaro kietą tirpalą ir oksiduoja Ta 2 O 5 su deguonimi (padidėjus tantalo kiekiui). O 2 kiekis tantalyje smarkiai padidėja stiprumo savybės ir smarkiai sumažėja plastiškumas bei atsparumas korozijai). Tantalas reaguoja su azotu ir susidaro trys fazės – kietas azoto tirpalas tantale, tantalo nitridai: Ta 2 N ir TaN – temperatūrų intervale nuo 300 iki 1100 °C. Didelio vakuumo sąlygomis (esant aukštesnei nei 2000 °C temperatūrai) galima atsikratyti tantalo azoto ir deguonies.

Tantalas silpnai reaguoja su vandeniliu, kol įkaista iki 350 °C, reakcijos greitis žymiai padidėja tik nuo 450 °C (susidaro tantalo hidridas ir tantalas tampa trapus). Toks pat kaitinimas vakuume (virš 800 °C) padeda atsikratyti vandenilio, kurio metu atkuriamos tantalo mechaninės savybės ir visiškai pašalinamas vandenilis.

Fluoras tantalą veikia jau kambario temperatūroje, o vandenilio fluoridas taip pat reaguoja su metalu. Sausas chloras, bromas ir jodas turi cheminį poveikį tantalui esant 150 °C ir aukštesnei temperatūrai. Chloras pradeda aktyviai sąveikauti su metalu 250 °C temperatūroje, bromas ir jodas – 300 °C temperatūroje. Tantalas pradeda sąveikauti su anglimi esant labai aukštai temperatūrai: 1200–1400 °C, susidaro ugniai atsparūs tantalo karbidai, kurie labai atsparūs rūgštims. Tantalas, jungiantis su boru, sudaro boridus – kietus, ugniai atsparius junginius, atsparius vandens regijos poveikiui. Tantalas sudaro ištisinius kietus tirpalus su daugeliu metalų (molibdenu, niobiu, titanu, volframu, vanadžiu ir kitais). Tantalas sudaro ribotus kietus tirpalus su auksu, aliuminiu, nikeliu, beriliu ir siliciu. Tantalas nesudaro jokių junginių su magniu, ličiu, kaliu, natriu ir kai kuriais kitais elementais. Grynas tantalas yra atsparus daugeliui skystų metalų (Na, K, Li, Pb, U-Mg ir Pu-Mg lydiniams).

Tantalas yra ypatinga metalo rūšis, priklausanti kilniųjų grupei. Jis buvo atrastas dar 1802 m., tačiau laikomas jaunu elementu. Nepaisant retumo, jis plačiai naudojamas ne tik papuošaluose, bet ir pramonėje. Jis ypač paplitęs elektronikoje – jo yra beveik kiekviename įrenginyje.

Masinis šio metalo naudojimas pradėtas praėjusio amžiaus 40-aisiais ir tęsiasi iki šiol. Jis įgijo populiarumą dėl padidėjusių stiprumo savybių. Be to, jis turi daug unikalių fizinių ir cheminių savybių.

Fizinės ir cheminės savybės

Iš šio metalo fizinių savybių reikėtų išskirti aukštą lydymosi temperatūrą, kuri yra 3017 laipsnių Celsijaus, o tai išskiria jį iš daugelio analogų. Dėl šios priežasties jis naudojamas tose vietose, kur reikalingas didesnis atsparumas ekstremalioms sąlygoms. Tuo pačiu metu tantalo savybės apima plastiškumą ir kietumą, kurių derinys gamtoje yra gana retas.

Tantalo lydymosi temperatūra yra 3017 °C.

Minėtos tantalo savybės leidžia be didelių pastangų apdirbti metalą ir sukurti reikiamas formas bei dydžius. Ypatinga atomo struktūra yra labai svarbi kuriant padidintos atsakomybės struktūrų dalis ir mechanizmus. Tantalas puikiai tinka kalti ir valcuoti. Šiuo atveju sėkmingai galima naudoti ir šaltosios deformacijos metodą. Reikėtų pabrėžti aukštą šilumos laidumą.

Dėl didelio tankio metalas gali būti naudojamas mažoms pavaroms ir elektros prietaisų detalėms gaminti, kurios yra atsparios dilimui ir nesugenda po ilgo naudojimo.

Kai kuriais atvejais jis naudojamas kaip dujų absorberis. Reikėtų pabrėžti elektroninę konfigūraciją: metalas turi skirtingas elektrinio laidumo savybes įprastoje būsenoje ir aukštoje temperatūroje.

Tantalo dalis galima sujungti litavimo, suvirinimo ar kniedijimo būdu. Dažniausiai naudojamas suvirinimo būdas, nes siūlės kokybė pasižymi dideliu stiprumu ir atsparumu fiziniam krūviui.

Tarp cheminių savybių verta pabrėžti didelį atsparumą oksidacijai ir šarmams. Tačiau ištirpęs jis iš dalies jautrus šarmams. Oksidacija neįmanoma žemesnėje nei 250 laipsnių temperatūroje.

Šio metalo cheminės savybės labai panašios į stiklo. Jo beveik neįmanoma ištirpinti rūgštyje, nebent naudojate vandenilio fluorido ir azoto rūgštis. Netgi sieros rūgšties poveikis neturi įtakos metalo struktūrai ir formai. Ant paviršiaus gali atsirasti tik nedidelė plėvelė. Jis taip pat nėra sunaikinamas ilgai veikiant jūros vandeniu.

Atsiradimas gamtoje ir tantalo gamyba

Tantalas, kaip cheminis elementas, gamtoje yra labai retas ir sudaro tik 0,0002% žemės plutos. Jis labai retai randamas gryna forma, dažniausiai įvairių mineralų sudėtyje, šalia kito metalo - niobio.

Šio elemento indėliai randami daugelyje šalių. Dideli telkiniai randami Prancūzijoje, Egipte, Kinijoje ir Tailande. Tačiau didžiausi šio elemento telkiniai yra Australijoje. Tantalo kasmet išgaunama daugiau nei 400 tonų. Tuo pačiu metu jo naudojimo poreikis nuolat auga, o tai susiję su elektros įrangos, pagamintos naudojant šį metalą, apimties padidėjimu. Remiantis tuo, nuolat kuriami nauji telkiniai.

Mūsų šalyje tantalo gamyba sutelkta Solikamsko magnio gamykloje. Metalas gaunamas apdirbus loparito koncentratus. Kitose šalyse naudojami ir kiti mineralai, tokie kaip rutilas, struveritas, tantalitas ir kolumbitas.

Didžiausi šio metalo gamintojai pasaulyje yra JAV, Japonija ir Kinija. Pasaulio gamintojų skaičius neviršija 40 firmų. Kaina - nuo 1000 USD už kg.

Tantalo lydiniai

Dėl ypatingų fizinių savybių šis grynas metalas labai dažnai naudojamas pramonėje. Tačiau norint padidinti stiprumą ir atsparumą aukštoms temperatūroms, galima naudoti jo pagrindu pagamintus lydinius ir pridėti atitinkamų legiravimo komponentų.

Tantalo lydiniai gali išlikti kieti maždaug 1700 laipsnių temperatūroje. Tai būtina naudojant tantalo junginius energetikos sektoriuje, chemijos pramonėje, didelio tikslumo prietaisų gamyboje ir metalurgijoje. Labai dažnai kosminių raketų konstrukcijoje naudojami įvairūs lydiniai.

Naudojamų legiravimo komponentų tipas priklauso nuo reikalingų galutinių savybių. Siekiant pagerinti darbo kokybę, naudojami elementai, kurie suteikia lydiniui geresnes lankstumo savybes.

Pažymėtina, kad labai dažnai tantalas lydiniuose naudojamas ne kaip pagrindas, o kaip legiravimo komponentas. Jo pridėjimas prie įvairių medžiagų leidžia padidinti atsparumą aukštai temperatūrai ir korozijai.

Tantalo kondensatoriaus grandinė

Tantalas TAV-10 yra plačiai naudojamas šio metalo lydinys. Jis gaminamas pridedant volframo, kurio kiekis yra apie 10%. Taip gaunama medžiaga, pasižyminti geresniu atsparumu karščiui. Jis naudojamas kaitinimo elementų gamybai ir medicinos tikslams, nes jo komponentai nedirgina žmogaus odos.

Tantalo pritaikymas

Tantalo naudojimas neapsiriboja viena sritimi. Verta pabrėžti sritis, kuriose tantalo gaminiai naudojami plačiausiai:

1. Metalurgija. Beveik pusė šio metalo sunaudojama metalurgijos pramonėje. Taip yra dėl to, kad jį lengva naudoti kuriant įvairius lydinius, ypač antikorozinio plieno rūšis, atsparias aukštai temperatūrai. Tantalo viela naudojama įvairiose srityse, kur reikalingas didesnis stiprumas ir atsparumas karščiui. Tantalo karbidas taip pat plačiai naudojamas ugniai atsparių metalų tiglių gamyboje.
2. Elektros inžinerija. Elektros inžinerijos ir elektros prietaisų gamyboje sunaudojama apie 25 proc. Šį elementą naudojantys kondensatoriai pasižymi padidintu veikimo stabilumu. Be to, sunaikinus kondensatoriaus paviršių, susidaro tantalo oksido plėvelė, kuri jį apsaugo. Taip pat turėtumėte pabrėžti tokius elementus kaip anodai, katodai, lempos ir kitos metalinės dalys, kurios taip pat gaminamos jo pagrindu.
3. Chemijos pramonė. Penktadalis pagaminamo kiekio sunaudojama chemijos pramonėje. Taip yra dėl to, kad jis yra atsparus daugumai rūgščių, druskų ir šarmų.
4. Vaistas. Tantalas medicinoje naudojamas tokiose pramonės šakose kaip kaulų ir plastinė chirurgija. Iš šios medžiagos pagaminti elementai naudojami kaulams tvirtinti, kad būtų padidintas stiprumas, nedirginant organinių audinių.
5. Karinė sfera. Karinėje sferoje gaminami tantalo taikiniai ir kaupiamųjų sviedinių sviediniai.
6. Instrumentuotė. Iš šio metalo gaminami tikslūs prietaisai, valdymo įranga ir įvairios diafragmos, taip pat vakuuminiai instrumentai, nes išsiskiria savo dujų sugėrimo savybe.
7. Atominė energija. Šioje srityje metalas veikia kaip šilumokaitis.

Pažymėtina, kad tantalo taikymo sritį riboja tik nedidelė jo gamybos apimtis. Jei gamybos apimtis padidės, taikymo sritis žymiai išsiplės.

Tantalo atradimas datuojamas 1802 m. Pirmą kartą jį pasauliui pristatė mokslininkas A. G. Ekebergas. Suomijoje ir Švedijoje jis atrado du mineralus. Ši medžiaga buvo jų sudėtyje. Tačiau atskirai to išskirti tuomet nebuvo galima. Būtent dėl ​​tokio didelio sudėtingumo gryna forma jis buvo pavadintas vieno iš Senovės Graikijos mitų herojų vardu. Šiandien šis elementas plačiai naudojamas daugelyje pramonės šakų.

Tantalas priklauso metalų kategorijai. Jis turi sidabriškai baltą atspalvį. Savo išvaizda jis šiek tiek primena šviną, nes ant jo yra stipri oksido plėvelė.

Šis metalas priklauso rečiausiai gamtoje sutinkamų metalų kategorijai. Iki šiol žinoma tik dvidešimt tantalo mineralų. Tačiau yra dar šešiasdešimt mineralų, kuriuose yra šio metalo. Kartu su juo tokiuose mineraluose būtinai yra niobio. Jis turi panašias chemines savybes.

Tantalo nuosėdos

Tantalo rūdos yra labai retos.

Tačiau didžiausi iš jų yra tokiose šalyse kaip:

• Egiptas,
• Prancūzija,
• Tailandas,
• Australija,
• Mozambikas.

Didžiausia pasaulyje tantalo rūda yra Greenbush mieste, Australijoje.

Tantalas turi aukštą lydymosi temperatūrą. Tai daugiau nei trys tūkstančiai laipsnių Celsijaus. Šio metalo virimo temperatūra viršija penkis tūkstančius laipsnių Celsijaus. Tantalo savybes atspindi ir kitos charakteristikos. Ši medžiaga turi gana tvirtą struktūrą. Tačiau metalas turi aukštą plastiškumo lygį. Pagal šį parametrą jis panašus į auksą. Puikiai tinka gaminiams apdirbti. Jo dėka galite sukurti geriausius vielos ar lakštų tipus apdailos gaminiams.

Tantalas priklauso mažai aktyvių metalų kategorijai. Jo oksidacijos greitis veikiant orui yra gana mažas. Ore jis oksiduojasi tik tada, kai jo temperatūra pasiekia 250 laipsnių Celsijaus.

Lentelė. Žėručio kondensatorių, pagamintų iš polikarbonato, polistirolo ir tantalo, charakteristikos.

Iš pradžių pramonėje šis metalas buvo naudojamas tik plonai vielai sukurti gerai žinomų kaitinamųjų lempų gamybai. Šiandien tantalas naudojamas gana plačiai. Jis naudojamas pramoninių ir namų apyvokos reikmenų gamybai bei naujų rūšių ginklų kūrimui karinėje pramonėje.

Metalas, pavyzdžiui, tantalas, yra nepakeičiamas gaminant objektus ir įrangą, atsparius korozijai. Be to, daugelis šių gaminių turi aukštą atsparumo karščiui lygį.

Medicinos pramonėje tantalo naudojimas ilgą laiką buvo laikomas norma. Iš šios unikalios medžiagos pagaminta folija ir viela naudojama pacientų audinių ir nervų veiklai atkurti. Jie taip pat aktyviai naudojami aukos susiuvimui.

Dėl tantalo stiprumo jis buvo pradėtas naudoti erdvėlaivių gamybai. Tantalo berilidas pasižymi puikiu atsparumu oksidacijai ore.

Šis metalas buvo pritaikytas metalurgijos pramonėje. Jis naudojamas kietiems lydiniams metalo apdirbimui gaminti. Tantalo ir volframo karbidų mišinys naudojamas kietiems lydiniams, kurie gali būti naudojami gręžti skyles patvariausiose medžiagose, pavyzdžiui, akmenyse ir kompozituose, sukurti.

Ši medžiaga įgijo didelį populiarumą karinėje pramonėje. Su jo pagalba sukuriama amunicija, kuri pasižymi aukštu patvarumo lygiu. Jų beveik neįmanoma prasibrauti. Metalas naudojamas Vidaus reikalų ministerijos laboratorijose branduoliniams ginklams kurti.

Didžiausias tantalo atsargas turi Australija. Būtent ši valstybė teisėtai laikoma šios medžiagos gamybos lydere.

Svarbu: Mūsų šalis taip pat turi galimybę išgauti tantalą. Tačiau yra nemažai sunkumų, kurie paaiškinami indėlių neprieinamumu.

Tantalo gamyba Rusijoje

Mūsų šalyje didžioji tantalo produkcijos dalis jau guli ant Solikamsko magnio gamyklos pečių. Čia šis metalas gaunamas iš loparito koncentratų. Į gamyklą jie atkeliauja iš Lovozero telkinio. Kai kuriais atvejais šiam tikslui naudojamos importuotos žaliavos, kurias atstovauja tokios medžiagos kaip rutilas, kolumbitas, tantalitas, struveritas.

Tantalo gamybos lyderiai yra Jungtinės Amerikos Valstijos, Kinija ir Japonija. Pasaulyje yra maždaug keturiasdešimt įmonių, gaminančių tokias medžiagas kaip tantalas. Didžiausia šį metalą gaminanti įmonė yra Jungtinių Amerikos Valstijų bendrovė „Cabot Corporation“. Jos filialai veikia įvairiose pasaulio šalyse.

Tantalo kaina už gramą nėra gana didelė. Vidutiniškai vieną gramą tantalo gamintojai parduoda už pusę dolerio. Kilogramas šiandien kainuoja daugiau nei tūkstantį dolerių.

Straipsniai šia tema

Metalinių konstrukcijų priešgaisrinė apsauga

Ne paslaptis, kad metalas nėra degus. Tačiau nepaisant to, veikiant aukštai temperatūrai, pasikeičia jo kietumas, dėl to metalas tampa minkštas, lankstus ir dėl to gali deformuotis. Visa tai yra priežastys, dėl kurių prarandama metalo laikomoji galia, dėl ko gaisro metu gali sugriūti visas pastatas ar atskira jo dalis. Be jokios abejonės, tai labai pavojinga žmogaus gyvybei. Siekiant to išvengti, statybų metu naudojami įvairūs junginiai, kurie gali padaryti metalines konstrukcijas atsparesnes aukštai temperatūrai.