Тантал - Tantalum
Тантал | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Произношение |
/ Т æ н т ə л əm / ( ТЭНов -tə-ləm ) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Появление | серо-синий | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Стандартный атомный вес A r, std (Ta) | 180.947 88 (2) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Тантал в периодической таблице | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Атомный номер ( Z ) | 73 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Группа | группа 5 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Период | период 6 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Блокировать | d-блок | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Электронная конфигурация | [ Xe ] 4f 14 5d 3 6s 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Электронов на оболочку | 2, 8, 18, 32, 11, 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Физические свойства | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Фаза на СТП | твердый | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Температура плавления | 3290 К (3017 ° С, 5463 ° F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Точка кипения | 5731 К (5458 ° С, 9856 ° F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Плотность (около rt ) | 16,69 г / см 3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
в жидком состоянии (при т. пл. ) | 15 г / см 3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Теплота плавления | 36,57 кДж / моль | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Теплота испарения | 753 кДж / моль | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Молярная теплоемкость | 25,36 Дж / (моль · К) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Давление газа
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Атомные свойства | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Состояния окисления | −3, −1, 0, +1, +2, +3, +4, +5 ( слабокислый оксид) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Электроотрицательность | Шкала Полинга: 1,5 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Энергии ионизации | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Радиус атома | эмпирический: 146 pm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ковалентный радиус | 170 ± 8 часов вечера | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Спектральные линии тантала | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Прочие свойства | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Естественное явление | изначальный | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Кристальная структура | объемно-центрированной кубической (ОЦК)
α-Ta |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Кристальная структура | четырехугольный
β-Та |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Скорость звука тонкого стержня | 3400 м / с (при 20 ° C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Тепловое расширение | 6,3 мкм / (м⋅K) (при 25 ° C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Теплопроводность | 57,5 Вт / (м⋅K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Удельное электрическое сопротивление | 131 нОм⋅м (при 20 ° C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Магнитный заказ | парамагнитный | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Молярная магнитная восприимчивость | +154,0 × 10 −6 см 3 / моль (293 К) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Модуль для младших | 186 ГПа | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Модуль сдвига | 69 ГПа | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Объемный модуль | 200 ГПа | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
коэффициент Пуассона | 0,34 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Твердость по шкале Мооса | 6.5 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Твердость по Виккерсу | 870–1200 МПа | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Твердость по Бринеллю | 440–3430 МПа | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Количество CAS | 7440-25-7 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
История | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Открытие | Андерс Густав Экеберг (1802 г.) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Признанный в качестве отдельного элемента по | Генрих Роуз (1844) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Основные изотопы тантала | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Тантал - это химический элемент с символом Та и атомным номером 73. Ранее известный как тантал , он назван в честь Тантала , злодея из греческой мифологии. Тантал - это редкий, твердый, серо-голубой блестящий переходный металл , обладающий высокой коррозионной стойкостью. Он входит в группу тугоплавких металлов , которые широко используются в качестве второстепенных компонентов в сплавах.
Химическая инертность тантала делает его ценным веществом для лабораторного оборудования и заменителем платины . Его основное применение сегодня - танталовые конденсаторы в электронном оборудовании, таком как мобильные телефоны , DVD-плееры , игровые системы и компьютеры . Тантал, всегда вместе с химически подобным ниобием , встречается в минеральных группах танталит , колумбит и колтан (последний представляет собой смесь колумбита и танталита, хотя и не признается как отдельные виды минералов). Тантал считается технологически важным элементом .
История
Тантал был обнаружен в Швеции в 1802 году Андерсом Экебергом в двух образцах минералов - одном из Швеции и другом из Финляндии. Годом ранее Чарльз Хэтчетт открыл колумбий (ныне ниобий), а в 1809 году английский химик Уильям Хайд Волластон сравнил его оксид, колумбит с плотностью 5,918 г / см 3 , с оксидом тантала, танталитом с плотностью 7,935 г. / см 3 . Он пришел к выводу, что эти два оксида, несмотря на разницу в измеренной плотности, были идентичны, и сохранил название тантал. После того, как Фридрих Велер подтвердил эти результаты, было решено, что колумбий и тантал являются одним и тем же элементом. Этот вывод был оспорен в 1846 году немецким химиком Генрихом Роузом , который утверждал, что в образце танталита есть два дополнительных элемента, и назвал их в честь детей Тантала : ниобий (от Ниобы , богини слез) и пелопий ( от Пелопса ). Предполагаемый элемент «пелопий» позже был идентифицирован как смесь тантала и ниобия, и было обнаружено, что ниобий идентичен колумбию, уже обнаруженному в 1801 году Хэтчеттом.
Различия между танталом и ниобием были недвусмысленно продемонстрированы в 1864 году Кристианом Вильгельмом Бломстрандом и Анри Этьеном Сент-Клер Девиль , а также Луи Дж. Тростом , который определил эмпирические формулы некоторых из их соединений в 1865 году. швейцарский химик Жан Шарль Галиссар де Мариньяк в 1866 году доказал, что существует только два элемента. Эти открытия не мешали ученым публиковать статьи о так называемом ильмении до 1871 года. Де Мариньяк был первым, кто произвел металлическую форму тантала в 1864 году, когда он восстановил хлорид тантала, нагревая его в атмосфере водорода . Ранние исследователи были только в состоянии произвести нечистый тантал, и первый относительно чистый пластичный металл был произведен Вернером фон Болтон в Шарлоттенбург в 1903. Провода , сделанный с металлическим танталом были использованы для электрической лампочки нитей , пока вольфрам не заменил его широкое применение.
Название тантал произошло от имени мифологического Тантала , отца Ниобы в греческой мифологии . По сюжету, он был наказан после смерти, будучи приговорен к тому, чтобы стоять по колено в воде с прекрасными фруктами, растущими над его головой, и то и другое вечно мучило его. (Если он наклонился, чтобы выпить воду, она стекала ниже того уровня, которого он мог достичь, а если он потянулся за фруктом, ветви выскользнули из его хватки.) Андерс Экеберг писал: «Этот металл я называю танталом ... отчасти в аллюзии. к его неспособности при погружении в кислоту поглощать любые вещества и насыщаться ».
В течение многих десятилетий, коммерческая технология для отделения тантала от ниобия включала фракционную кристаллизацию из гептафторотанталата вдали от калия oxypentafluoroniobate моногидрата, процесс , который был обнаружен Галиссаром де Мариньяка в 1866. Этого метод был вытеснен экстракцией растворителя из фторсодержащих растворы тантала.
Характеристики
Физические свойства
Тантал темный (сине-серый), плотный, пластичный, очень твердый, легко обрабатывается и обладает высокой проводимостью тепла и электричества. Металла известна своей устойчивостью к коррозии с помощью кислот ; Фактически, при температуре ниже 150 ° C тантал почти полностью невосприимчив к атакам со стороны обычно агрессивной царской водки . Его можно растворить с помощью плавиковой кислоты или кислых растворов, содержащих фторид- ион и триоксид серы , а также с помощью раствора гидроксида калия . Высокая температура плавления тантала 3017 ° C (точка кипения 5458 ° C) среди элементов превосходит только вольфрам , рений и осмий для металлов и углерод .
Тантал существует в двух кристаллических фазах, альфа и бета. Альфа-фаза относительно пластичная и мягкая; он имеет объемно -центрированную кубическую структуру ( пространственная группа Im3m , постоянная решетки a = 0,33058 нм), твердость по Кнупу 200–400 HN и удельное электрическое сопротивление 15–60 мкОм⋅см. Бета-фаза твердая и хрупкая; его кристаллическая симметрия тетрагональная (пространственная группа P42 / mnm , a = 1,0194 нм, c = 0,5313 нм), твердость по Кнупу составляет 1000–1300 HN, а удельное электрическое сопротивление относительно высокое - 170–210 мкОм⋅см. Бета-фаза метастабильна и превращается в альфа-фазу при нагревании до 750–775 ° C. Объемный тантал почти полностью состоит из альфа-фазы, а бета-фаза обычно существует в виде тонких пленок, полученных магнетронным распылением , химическим осаждением из паровой фазы или электрохимическим осаждением из эвтектического раствора расплавленной соли.
Изотопы
Природный тантал состоит из двух изотопов : 180m Ta (0,012%) и 181 Ta (99,988%). 181 Ta - стабильный изотоп . 180m Тот ( м обозначает метастабильное состояние) предсказываются распад три способов: изомерный переход к основному состоянию из 180 Ta, бета - распада до 180 Вт , или захвата электронов до 180 Hf . Однако радиоактивность этого ядерного изомера никогда не наблюдалась, и был установлен только нижний предел его периода полураспада 2,0 × 10 16 лет. Основное состояние 180 Ta имеет период полураспада всего 8 часов. 180m Ta - единственный встречающийся в природе ядерный изомер (за исключением радиогенных и космогенных короткоживущих нуклидов). Это также самый редкий первичный изотоп во Вселенной, если принять во внимание элементарное содержание тантала и изотопное содержание 180m Ta в естественной смеси изотопов (и снова исключая радиогенные и космогенные короткоживущие нуклиды).
Тантал был теоретически исследован как « засаливающий » материал для ядерного оружия ( кобальт - наиболее известный гипотетический засолочный материал). Внешняя оболочка из 181 Ta будет облучена интенсивным потоком нейтронов высокой энергии от гипотетического взрывающегося ядерного оружия. Это преобразовало бы тантал в радиоактивный изотоп 182 Ta, который имеет период полураспада 114,4 дня и производит гамма-лучи с энергией приблизительно 1,12 миллиона электрон-вольт (МэВ) каждый, что значительно увеличивает радиоактивность ядерных осадков от взрыв в течение нескольких месяцев. Насколько известно, такое «соленое» оружие никогда не создавалось и не испытывалось, и уж точно никогда не использовалось в качестве оружия.
Тантал можно использовать в качестве материала мишени для пучков ускоренных протонов для производства различных короткоживущих изотопов, включая 8 Li, 80 Rb и 160 Yb.
Химические соединения
Тантал образует соединения со степенями окисления от -III до + V. Чаще всего встречаются оксиды Ta (V), который включает все минералы. Химические свойства Ta и Nb очень похожи. В водных средах Ta проявляет только степень окисления + V. Как и ниобий, тантал плохо растворяется в разбавленных растворах соляной , серной , азотной и фосфорной кислот из-за осаждения водного оксида Ta (V). В основных средах Та может растворяться за счет образования полиоксотанталатных соединений.
Оксиды, нитриды, карбиды, сульфиды
Пятиокись тантала (Ta 2 O 5 ) является наиболее важным соединением с точки зрения применения. Оксиды тантала в более низких степенях окисления многочисленны, включая множество дефектных структур , и мало изучены или плохо охарактеризованы.
Танталаты, соединения, содержащие [TaO 4 ] 3– или [TaO 3 ] - многочисленны. Танталат лития (LiTaO 3 ) имеет структуру перовскита. Танталат лантана (LaTaO 4 ) содержит изолированный TaO3-
4 тетраэдры.
Как и в случае других тугоплавких металлов , самые твердые известные соединения тантала - это нитриды и карбиды. Карбид тантала TaC, как и более широко используемый карбид вольфрама , представляет собой твердую керамику, которая используется в режущих инструментах. Нитрид тантала (III) используется в качестве тонкопленочного изолятора в некоторых процессах изготовления микроэлектроники.
Наиболее изученным халькогенидом является TaS 2 , слоистый полупроводник , как видно из дихалькогенидов других переходных металлов . Сплав тантал-теллур образует квазикристаллы .
Галогениды
Галогениды тантала имеют степени окисления +5, +4 и +3. Пентафторид тантала (TaF 5 ) представляет собой белое твердое вещество с температурой плавления 97,0 ° C. Анион [TaF 7 ] 2- используется для его отделения от ниобия. Хлорид TaCl
5, который существует в виде димера, является основным реагентом при синтезе новых соединений Ta. Легко гидролизуется до оксихлорида . Низшие галогениды TaX
4и TaX
3, имеют связи Ta-Ta.
Танталорганические соединения
Танталорганические соединения включают пентаметилтантал , смешанные хлориды алкилтантала, гидриды алкилтантала, алкилиденовые комплексы, а также их циклопентадиенильные производные. Известны разнообразные соли и замещенные производные гексакарбонил [Ta (CO) 6 ] - и родственных изоцианидов .
Вхождение
Тантал оценки составляет около 1 млн или 2 млн из земной коры по массе . Существует множество разновидностей тантала, но лишь некоторые из них пока используются в промышленности в качестве сырья: танталит (серия, состоящая из танталита (Fe), танталита (Mn) и танталита (Mg)), микролита (в настоящее время имя группы), wodginite , эвксенит ( на самом деле euxenite- (Y)), и polycrase (фактически polycrase- (Y)). Танталит ( Fe , Mn ) Ta 2 O 6 - важнейший минерал для извлечения тантала. Танталит имеет такую же минеральную структуру, что и колумбит ( Fe , Mn ) (Ta, Nb ) 2 O 6 ; когда тантала больше, чем ниобия, его называют танталитом, а когда ниобия больше, чем тантала, его называют колумбитом (или ниобитом ). Высокая плотность танталита и других танталосодержащих минералов делает использование гравитационного разделения лучшим методом. Другие минералы включают самарскит и фергусонит .
Основная добыча тантала находится в Австралии , где крупнейший производитель Global Advanced Metals , ранее известный как Talison Minerals , управляет двумя рудниками в Западной Австралии: Greenbushes на юго-западе и Wodgina в регионе Pilbara . Рудник Wodgina был вновь открыт в январе 2011 года после того, как добыча на нем была приостановлена в конце 2008 года из-за мирового финансового кризиса . Менее чем через год после открытия Global Advanced Metals объявила, что из-за снова «... снижения спроса на тантал ...» и других факторов добыча тантала должна быть прекращена в конце февраля 2012 года. Wodgina производит первичный тантал. концентрат, который дополнительно модернизируется на заводе Greenbushes перед продажей покупателям. В то время как крупные производители ниобия находятся в Бразилии и Канаде , руда там также дает небольшой процент тантала. Некоторые другие страны, такие как Китай , Эфиопия и Мозамбик, добывают руды с более высоким процентным содержанием тантала и производят значительную часть его мировой добычи. Тантал также производится в Таиланде и Малайзии как побочный продукт добычи там олова . Во время гравитационного разделения руд из россыпных месторождений обнаруживается не только касситерит (SnO 2 ), но и небольшой процент танталита. Затем шлак плавильных печей содержит экономически полезные количества тантала, который выщелачивается из шлака.
Мировое производство тантала претерпело важный географический сдвиг с начала 21 века, когда добыча велась преимущественно в Австралии и Бразилии. Начиная с 2007 года по 2014 год, основные источники добычи тантала на рудниках резко переместились в ДРК, Руанду и некоторые другие африканские страны. Будущие источники поставок тантала в порядке их предполагаемых размеров исследуются в Саудовской Аравии , Египте , Гренландии , Китае , Мозамбике , Канаде , Австралии , США , Финляндии и Бразилии .
По оценкам, запасам тантала осталось менее 50 лет, исходя из добычи при текущих темпах, что свидетельствует о необходимости увеличения рециркуляции .
Статус как конфликтный ресурс
Тантал считается конфликтным ресурсом . Колтано , промышленное название для колумбита - танталит минерала , из которого ниобий и тантал извлекаются, также может быть найдено в Центральной Африке , поэтому тантал быть связан с войной в Демократической Республике Конго (бывший Заир ). Согласно докладу Организации Объединенных Наций от 23 октября 2003 года , контрабанда и экспорт колтана способствовали разжиганию войны в Конго, кризиса, в результате которого с 1998 года погибло около 5,4 миллиона человек, что делает его самым смертоносным документированным конфликтом в мире со времен Второй мировой войны. . Были подняты этические вопросы об ответственном корпоративном поведении, правах человека и угрозе дикой природе из-за эксплуатации таких ресурсов, как колтан, в регионах вооруженных конфликтов в бассейне Конго . Геологическая служба США сообщает в своем ежегоднике , что этот регион произвел чуть менее 1% от объема производства тантала в мире в 2002-2006 год, достигнув 10% в 2000 и 2008 USGS данные , опубликованном в январе 2021 года показал , что около 40% мировой добычи тантала приходится на Демократическую Республику Конго, еще 18% - на соседние Руанда и Бурунди .
Заявленная цель проекта « Решения для надежды на тантал» - «добывать бесконфликтный тантал из Демократической Республики Конго».
Производство и изготовление
Извлечение тантала из танталита осуществляется в несколько этапов. Сначала минерал дробится и концентрируется гравитационной сепарацией . Обычно это выполняется рядом с рудником .
Рафинирование
Очистка тантала из его руд - один из наиболее сложных процессов разделения в промышленной металлургии. Основная проблема заключается в том, что танталовые руды содержат значительные количества ниобия , который по химическим свойствам почти идентичен свойствам Та. Для решения этой проблемы было разработано большое количество процедур.
В наше время разделение достигается гидрометаллургией . Добыча начинается с выщелачивания руды плавиковой кислотой вместе с серной или соляной кислотой . Этот этап позволяет отделить тантал и ниобий от различных неметаллических примесей в породе. Хотя Ta встречается в виде различных минералов, его удобно представить как пятиокись, поскольку большинство оксидов тантала (V) в этих условиях ведут себя аналогичным образом. Таким образом, упрощенное уравнение для его извлечения:
- Ta 2 O 5 + 14 HF → 2 H 2 [TaF 7 ] + 5 H 2 O
Совершенно аналогичные реакции происходят с ниобиевым компонентом, но в условиях экстракции обычно преобладает гексафторид.
- Nb 2 O 5 + 12 HF → 2 H [NbF 6 ] + 5 H 2 O
Эти уравнения упрощены: предполагается, что бисульфат (HSO 4 - ) и хлорид конкурируют в качестве лигандов за ионы Nb (V) и Ta (V), когда используются серная и соляная кислоты соответственно. Комплексы фторида тантала и ниобия затем удаляет из водного раствора с помощью жидкостно-жидкостной экстракции в органические растворители , такие как циклогексанон , октанол и метилизобутилкетон . Эта простая процедура позволяет удалить большинство металлосодержащих примесей (например, железо, марганец, титан, цирконий), которые остаются в водной фазе в виде их фторидов и других комплексов.
Затем отделение тантала от ниобия достигается за счет снижения ионной силы смеси кислот, что вызывает растворение ниобия в водной фазе. Предполагается, что в этих условиях образуется оксифторид H 2 [NbOF 5 ]. После удаления ниобия раствор очищенного H 2 [TaF 7 ] нейтрализуют водным аммиаком для осаждения гидратированного оксида тантала в виде твердого вещества, которое можно прокалить до пятиокиси тантала (Ta 2 O 5 ).
Вместо гидролиза H 2 [TaF 7 ] можно обработать фторидом калия для получения гептафтортанталата калия :
- H 2 [TaF 7 ] + 2 KF → K 2 [TaF 7 ] + 2 HF
В отличие от H 2 [TaF 7 ], калиевая соль легко кристаллизируется, и с ней обращаются как с твердым веществом.
К 2 [TaF 7 ] , может быть превращено в металлический тантал путем уменьшения с натрием , при температуре приблизительно 800 ° С в расплавленной соли .
- K 2 [TaF 7 ] + 5 Na → Ta + 5 NaF + 2 KF
В более старом методе, называемом процессом Мариньяка , смесь H 2 [TaF 7 ] и H 2 [NbOF 5 ] превращалась в смесь K 2 [TaF 7 ] и K 2 [NbOF 5 ], которая затем была разделены фракционной кристаллизацией , используя их различную растворимость в воде.
Электролиз
Тантал также можно очистить электролизом, используя модифицированную версию процесса Холла – Эру . Вместо того, чтобы требовать, чтобы входной оксид и выходной металл находились в жидкой форме, электролиз тантала работает с нежидкими порошкообразными оксидами. Первоначальное открытие произошло в 1997 году, когда исследователи Кембриджского университета погрузили небольшие образцы определенных оксидов в ванны с расплавом соли и восстановили оксид электрическим током. В катоде используется порошковый оксид металла. Анод изготовлен из угля. Расплав соли при температуре 1000 ° C (1830 ° F) является электролитом. Мощности первого НПЗ могут удовлетворить 3–4% годовой мировой потребности.
Производство и металлообработка
Вся сварка тантала должна выполняться в инертной атмосфере аргона или гелия , чтобы защитить его от загрязнения атмосферными газами. Тантал не поддается пайке . Измельчение тантала затруднено, особенно отожженного тантала. В отожженном состоянии тантал чрезвычайно пластичен и его легко формовать в виде металлических листов.
Приложения
Электроника
В основном тантал как металлический порошок используется в производстве электронных компонентов, в основном конденсаторов и некоторых мощных резисторов . Танталовые электролитические конденсаторы используют тенденцию тантала к образованию защитного оксидного поверхностного слоя с использованием танталового порошка, спрессованного в форму таблетки, в качестве одной «пластины» конденсатора, оксида в качестве диэлектрика и электролитического раствора или проводящего твердого вещества в качестве другая "тарелка". Поскольку диэлектрический слой может быть очень тонким (тоньше, чем аналогичный слой, например, в алюминиевом электролитическом конденсаторе), высокая емкость может быть достигнута в небольшом объеме. Из-за преимуществ в размере и весе танталовые конденсаторы привлекательны для портативных телефонов , персональных компьютеров , автомобильной электроники и фотоаппаратов .
Сплавы
Тантал также используется для производства различных сплавов с высокими температурами плавления, прочностью и пластичностью. Легированный другими металлами, он также используется в производстве твердосплавных инструментов для металлообрабатывающего оборудования и в производстве суперсплавов для компонентов реактивных двигателей, химического технологического оборудования, ядерных реакторов , деталей ракет, теплообменников, резервуаров и сосудов. Из-за своей пластичности тантал можно втянуть в тонкую проволоку или нити, которые используются для испарения металлов, таких как алюминий . Поскольку тантал устойчив к воздействию жидкостей организма и не вызывает раздражения, он широко используется при изготовлении хирургических инструментов и имплантатов. Например, пористые танталовые покрытия используются при изготовлении ортопедических имплантатов из-за способности тантала образовывать прямую связь с твердой тканью.
Тантал инертен по отношению к большинству кислот, за исключением плавиковой кислоты и горячей серной кислоты , а горячие щелочные растворы также вызывают коррозию тантала. Это свойство делает его полезным металлом для химических реакционных сосудов и труб для агрессивных жидкостей. Теплообменные змеевики для парового нагрева соляной кислоты изготовлены из тантала. Тантал широко использовался в производстве сверхвысокочастотных электронных ламп для радиопередатчиков. Тантал способен улавливать кислород и азот, образуя нитриды и оксиды, и поэтому помогает поддерживать высокий вакуум, необходимый для трубок, когда они используются для внутренних деталей, таких как решетки и пластины.
Другое использование
НАСА использовало тантал для защиты компонентов космических аппаратов, таких как "Вояджер-1" и "Вояджер-2", от радиации. Высокая температура плавления и стойкость к окислению позволяют использовать этот металл в производстве деталей вакуумных печей . Тантал чрезвычайно инертен и поэтому образует множество коррозионно-стойких деталей, таких как защитные гильзы , корпуса клапанов и танталовые крепежные детали. Из-за его высокой плотности кумулятивный заряд и гильзы пенетратора, образованные взрывчаткой , были изготовлены из тантала. Тантал значительно увеличивает бронепробиваемость кумулятивного заряда из-за его высокой плотности и высокой температуры плавления. Он также иногда используется в драгоценных часах, например, от Audemars Piguet , FP Journe , Hublot , Montblanc , Omega и Panerai . Тантал также очень биоинертен и используется в качестве материала для ортопедических имплантатов. Высокая жесткость тантала заставляет использовать его в качестве высокопористой пены или каркаса с меньшей жесткостью для имплантатов для замены тазобедренного сустава, чтобы избежать защиты от напряжений . Поскольку тантал является цветным немагнитным металлом, эти имплантаты считаются приемлемыми для пациентов, проходящих процедуры МРТ. Оксид используется для изготовления специальных стекол с высоким показателем преломления для объективов фотоаппаратов .
Экологические проблемы
В области окружающей среды танталу уделяется гораздо меньше внимания, чем в других науках о Земле. Концентрация верхней коры (UCC) и отношение Nb / Ta в верхней коре и в минералах доступны, потому что эти измерения полезны в качестве геохимического инструмента. Последнее значение концентрации в верхней части земной коры составляет 0,92 частей на миллион, а соотношение Nb / Ta (вес / вес) составляет 12,7.
Имеется мало данных о концентрациях тантала в различных средах окружающей среды, особенно в природных водах, где даже не были получены надежные оценки концентраций «растворенного» тантала в морской и пресной воде. Некоторые значения концентраций растворенных веществ в океанах были опубликованы, но они противоречивы. Значения в пресных водах тариф немного лучше, но, во всех случаях, они, вероятно , ниже 1 нг л -1 , так как «» растворенные концентрации в природных водах значительно ниже наиболее текущие аналитические возможности. Для анализа требуются процедуры предварительного концентрирования, которые на данный момент не дают стабильных результатов. И в любом случае тантал, по-видимому, присутствует в природных водах в основном в виде твердых частиц, а не в растворенном виде.
Значения концентраций в почвах, донных отложениях и атмосферных аэрозолях получить легче. Значения в почвах близки к 1 ppm и, следовательно, к значениям UCC. Это указывает на детритовое происхождение. Для атмосферных аэрозолей доступные значения разбросаны и ограничены. Когда наблюдается обогащение тантала, это, вероятно, связано с потерей более водорастворимых элементов в аэрозолях в облаках.
Загрязнение, связанное с использованием элемента человеком, не обнаружено. С точки зрения биогеохимии тантал является очень консервативным элементом, но его цикличность и реакционная способность до сих пор полностью не изучены.
Меры предосторожности
Соединения, содержащие тантал, в лаборатории встречаются редко. Этот металл обладает высокой биосовместимостью и используется для имплантатов и покрытий тела , поэтому внимание может быть сосредоточено на других элементах или физической природе химического соединения .
Люди могут подвергаться воздействию тантала на рабочем месте при вдыхании, контакте с кожей или глазами. Управление по охране труда и здоровья (OSHA) установило допустимый предел воздействия тантала на рабочем месте в размере 5 мг / м 3 в течение 8-часового рабочего дня. Национальный институт профессиональной безопасности и здоровья (NIOSH) установила предел рекомендуемой экспозиции (REL) от 5 мг / м 3 в течение 8-часового рабочего дня и краткосрочный предел 10 мг / м 3 . При уровне 2500 мг / м 3 тантал сразу же опасен для жизни и здоровья .
использованная литература
внешние ссылки
- Тантал-ниобиевый международный исследовательский центр
- CDC - Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям