Физические свойства. Свойства и применение тантала

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.

В наукоемких и стратегических отраслях промышленности ведущих стран мира непрерывно растет. Динамика этого роста объясняется двумя взаимосвязанными причинами. Первая заключается в необходимости повышения качественных характеристик высокотехнологичной продукции гражданского и военного назначения. Вторая же, в том, что тантал наилучшим образом подходит для решения первой задачи, поскольку обладает внушительным перечнем ценнейших свойств, среди которых:

• исключительная коррозионная стойкость;
• уникальная стойкость к химическому воздействию газов и кислот;
• высокая плотность (16,6 г/см 3) и удельная электроемкость;
• сверхтвердость и пластичность;
• хорошая технологичность (механическая обрабатываемость, свариваемость);
• жаропрочность и жаростойкость (температура плавления 3000°C);
• способность поглощать газы (в сотни раз больше собственного объема);
• высокий коэффициент теплопередачи;
• уникальная биологическая совместимость и многое другое.

Формы выпуска тантала

Для производства высокотехнологичных изделий тантал применяется как в чистом виде, так и в виде сплавов. Широким спектром его применения обусловлен большой выбор танталовых и танталосодержащих полуфабрикатов. Для дальнейшей обработки выпускается танталовый пруток и лента , пластины, диски, слитки (марки ЭЛП-1, ЭЛП-2, ЭЛП-3). Наиболее востребованы танталовая проволока и листы , а также фольга (марки ТВЧ и ТВЧ-1) и металлический порошок конденсаторной квалификации. На порошок приходится около 60% мирового производства тантала, который потребляется радиоэлектронной отраслью для создания элементной базы современной «умной» техники. Около 25% рынка занимает танталовый лист и проволока, плюс фольга.

Рисунок 1. Продукция из тантала.

Области применения тантала

• производство электровакуумных приборов;
• электротехника и электроника;
• телекоммуникации и связь;
• аэрокосмическая промышленность;
• химическое машиностроение;
• ядерная индустрия;
• металлургия твердых сплавов;
• медицина и т.д.

Тантал в электровакуумных приборах

Рабочее пространство электровакуумных приборов заполнено специальным газом или вакуумом, в котором находятся два (анод и катод) или более электрода, образующих в пространстве ток эмиссии. К таким устройствам относятся электровакуумные СВЧ-приборы магнетронного типа, приборы радиолокационных, навигационных и гидроакустических станций, осциллографы, счетчики элементарных частиц, электровакуумные фотоэлементы, рентгеновская аппаратура, электронные лампы и многое другое. В ряде электровакуумных устройств тантал служит материалом для геттеров – газопоглотителей, поддерживающих в камерах состояние глубокого вакуума. В некоторых приборах электроды очень быстро и сильно нагреваются, поэтому в них, в качестве «горячей арматуры», применяется тонкая танталовая лента (марка Т или ТВЧ) или проволока (марка ТВЧ), способная долго (десятки тысяч часов) и стабильно работать при высоких напряжениях и пульсирующих температурах.

Тантал в металлургии твердых сплавов

В металлургической промышленности тантал используют для создания сверхтвердых тугоплавких сплавов, компонентами которых выступают карбиды тантала (марки ТТ) и вольфрама. Из танталовольфрамовых сплавов (марки ТВ-15,ТВ-10,ТВ-5) производят металлорежущий и обрабатывающий инструмент, сверхпрочные «коронки» для бурения отверстий в камне и композитах. Сплавы из карбида тантала и никеля с легкостью обрабатывают поверхность алмазов, не уступая им в твердости. Из тантала (твердость по Бринеллю до 1250–3500 МПа) делают детали криогенных установок, фильеры и тигли для плавки и очистки редкоземельных металлов, сосуды для холодного прессования металлических порошков.

Тантал в химическом машиностроении

В химическом машиностроении бесшовная холоднодеформированная танталовая труба (марка ТВЧ) и лист применяются в конструкциях коррозионностойкой аппаратуры, работающей в химически агрессивной среде. Из тантала производят различные кислотоупорные конструкции (змеевики, мешалки, дистилляторы, аэраторы, трубопроводы), лабораторное оборудование, устройства нагрева и охлаждения, функционирующие в контакте с кислотами, в том числе, с концентрированными субстанциями. Танталовая фольга используется для плакировки (тонкого термомеханического покрытия) поверхности деталей и оборудования на линиях по производству серной кислоты, аммиака и т.п.

Тантал в медицине

Тантал обладает уникальной совместимостью с живыми тканями и не отторгается ими. В медицине танталовая проволока применяется в виде нитей и скоб для скрепления мускульных тканей, сухожилий, нервных волокон, кровеносных сосудов. Из нее же делают сетки для глазных протезов, а из листа – корпуса сердечных электростимуляторов. В восстановительной хирургии танталовый пруток и лента считаются безальтернативными материалами для костного протезирования и замещения. Исключительную важность танталовый лист представляет как «ремонтный» материал при повреждениях черепа.

Тантал в аэрокосмической промышленности

Как высокотемпературный конструкционный материал, в аэрокосмической промышленности танталовый лист применяется для производства ответственных компонентов ракет и самолетов. Например, из тантала изготавливают носовые части ракет и жаропрочные лопатки газовых турбин турбореактивных двигателей на жидком топливе. Из танталовых сплавов производят сопловые детали, форсажные камеры и т.д.

Тантал в ядерной индустрии

Из танталовой трубы (марка ТВЧ) изготавливают теплообменники для ядерно-энергетических систем, устойчивые к перегретым расплавам и парам цезия. Из тантала производятся диффузионные барьеры для сверхпроводников термоядерных реакторов. Радиоактивный изотоп тантал-182 используется в лучевой терапии. Тонкая танталовая проволока (50-100 мкм) с покрытием из платины применяется как внутритканевый источник гамма-излучения, точечно воздействующий на раковые клетки. В начале 2018 года в СМИ появилась информация, что китайские ученые проводят опыты с тантал-182 в военных целях. Суть экспериментов не разглашается, но, скорее всего, речь может идти об использовании изотопа тантала в качестве «размножающего» агента для «грязных» бомб.

Тантал в электротехнике и электронике

Танталовый порошок (ТУ95.250-74) используют при изготовлении современных конденсаторов для телекоммуникационного, микроэлектронного и компьютерного оборудования. При миниатюрных размерах они превосходят большинство других электролитических конденсаторов по удельной емкости на единицу объема, отличаются большим диапазоном рабочих температур, высокой надежностью. Танталовые конденсаторы сохраняют свои характеристики до 25 лет в режиме хранения, а в режиме эксплуатации способны работать до 150 тысяч часов. Сегодня танталовые конденсаторы присутствуют на микросхемах практически каждого смартфона, компьютера, игровой приставки, а также в военной аппаратуре. Тантал используется в выпрямителях электрического тока, поскольку он обладает способностью пропускать его только в одном направлении.

Рисунок 2. Конденсатор из тантала.

Заключение

Помимо перечисленного, танталовый пруток и лист, фольга, проволока, порошок, используются для решения десятков и сотен других задач. В металлургии тантал применяется в качестве легирующего стабилизирующего компонента при производстве сверхпрочных, коррозионностойких, жаропрочных сталей и сплавов . Соединения тантала выступают в роли катализаторов в процессах химических производств, например, синтетического каучука. Тантал показал высокую эффективность в оптике, поскольку при добавлении в стекло, он увеличивает его коэффициент преломления, что позволяет делать линзы не сферическими, а более тонкими и плоскими, даже при больших диоптриях. В ювелирном деле тантал используется наравне с платиной при производстве браслетов, часов, перьев авторучек. Нет никаких сомнений, что тантал является одним из самых востребованных и перспективных металлов, используемых в высокотехнологичных областях промышленности, и как мы видим, не только в них.

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 обладает высокой температурой плавления -- 3290 K (3017 °C); кипит при 5731 K (5458 °C).

Плотность тантала -- 16,65 г/смі. Несмотря на твёрдость, пластичен, как золото. Чистый тантал хорошо поддаётся механической обработке, легко штампуется, раскатывается в проволоку и тончайшие листы толщиной в сотые доли миллиметра. Тантал является отличным геттером (газопоглотителем), при 800 °C он способен поглотить 740 объёмов газа. Тантал имеет кубическую объемноцентрированную решетку. Обладает парамагнитными свойствами. При 4,38 К становится сверхпроводником. Чистый Тантал - пластичный металл, обрабатывается давлением на холоде 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. Свойства Тантала в большой степени зависят от его чистоты; примеси водорода, азота, кислорода и углерода делают металл хрупким.

Электронное строение атома.

1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d3

порядковый номер-73

Принадлежность к группе- А

d- элемент

Оксид тантала (V) --белый порошок, нерастворимый ни в воде, ни в кислотах (кроме H2F2). Очень тугоплавкий (tпл = 1875°С). Кислотный характер оксида выражен довольно слабо и в основном проявляется при реакции с расплавами щелочей: тантал атом окисление ниобий

Та2О5 + 2NаОН = 2NаТаО3 + Н2О

или карбонатов:

Та2О5 + 3Nа2СО3 = 2Nа3ТаО4 + 3СО2

Соли, содержащие тантал в состоянии окисления -4, -5, могут быть нескольких видов: метатанталаты NaTaO3, ортотанталаты Nа3ТаО4, но существуют полиионы пента-и гекса-, кристаллизующиеся вместе с молекулами воды, 7- и 8-. Пятизарядный тантал образует при реакциях с кислотами катион ТаО3+ и соли ТаО(NО3)3 или Nb2О5(SO4)3, продолжая «традицию» побочной подгруппы, введенную ионом ванадия VO2+.

При 1000°С Ta2O5 взаимодействует с хлором и хлороводородом:

Та2O5+ 10НС1==2ТаС15+5Н2О

Следовательно, можно утверждать, что и для оксида тантала (V) характерна амфотерность с превосходством кислотных свойств над свойствами основания.

Гидроксид, соответствующий оксиду тантала (V), получается нейтрализацией кислых растворов четырехлористого тантала. Эта реакция, также, подтверждает неустойчивость степени окисления +4.

При низких степенях окисления наиболее стабильные соединения -галогениды (см. рис. 3), Проще всего их получить через пиридиновые комплексы. Пентагалогениды TaX5 (где Х- это С1, Вг, I) легко восстанавливаются пиридином (обозначается Ру) с образованием комплексов состава МХ4(Ру)2.

Соли тантала. Соли шестой подгруппы преимущественно бесцветные кристаллы или белые порошки. Многие из них очень гигроскопичны и расплываются на воздухе. Окислы этих металлов обладают амфотерными свойствами, поэтому большинство их солей легко подвергается гидролизу, переходя в основные соли, мало или вовсе нерастворимые в воде известны также соли, где эти металлы входят в состав анионов (например, ниобаты и танталаты) Гидратация и дегидратация. Все катализаторы этого класса имеют сильное сродство к воде. Главный представитель Ь класса--глинозем. Применяется также фосфорная кислота или ее кислые соли на носителях, подобных алюмосиликатному гелю и силикагелю с окислами тантала, циркония или гафния. В первых работах по разделению тантала и ниобия путем фракционированной экстракции предложены системы соляная кислота-- ксилол--метилдиоктиламин (1952 г.), а также соляная кислота--фтористоводородная кислота--диизопропилкетон (1953 г.). Оба металла растворяются в водных растворах кислот в виде солей, а затем тантал экстрагируется органическим растворителем. В системе 6/W серной кислоты--9 Ai фтористоводородной

7. Из тантала изготовляют фильеры для протяжки нитей в производстве искусственных волокон. Раньше такие фильеры делали из платины и золота. Самые твердые сплавы получают из карбида тантала с никелем в качестве цементирующей добавки. Они настолько тверды, что оставляют царапины даже на алмазе, который считается эталоном твердости.

Первое место по величине критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние было отдано германиду ниобия Nb3Ge. Его критическая температура составляет 23,2К (примерно--250 °С). Другое соединение -- станнид ниобия -- становится сверхпроводником при немного более низкой температуре --255 °С. Чтобы полнее оценить этот факт, укажем, что большинство сверхпроводников известны лишь для температур жидкого гелия (2,172 К). Сверхпроводники из ниобиевых материалов позволяют изготавливать магнитные катушки, создающие чрезвычайно мощные магнитные поля. Магнит диаметром 16 см и высотой 11 см, где обмоткой служит лента из такого материала, способен создать поле колоссальной напряженностью. Необходимо только перевести магнит в сверхпроводящее состояние, т. е. охладить, а охлаждение до менее низкой температуры произвести, конечно, легче.

Важна роль ниобия в сварочном деле. Пока сваривали обычную сталь, никаких особых трудностей этот процесс не представлял и сложностей не создавал. Однако, когда начали сваривать конструкции из специальных сталей сложного химического состава, сварные швы стали терять многие ценные качества свариваемого металла. Ни изменения состава электродов, ни усовершенствование конструкций сварочных аппаратов, ни сварка в атмосфере инертных газов никакого эффекта не давали. Вот тут-то на помощь и пришел ниобий. Сталь, в которую как небольшая добавка введен ниобий, можно сваривать, не опасаясь за качество сварного (рис. 4) шва. Хрупкость шву придают возникающие при сварке карбиды, но способность ниобия соединяться с углеродом и препятствовать образованию карбидов других металлов, нарушающих свойства сплавов, спасли положение. Карбиды же самого ниобия, как и тантала, обладают достаточной вязкостью. Это особенно ценно при сварке котлов и газовых турбин, работающих под давлением и в агрессивной среде.

Ниобий и тантал способны поглотить значительные количества таких газов, как водород, кислород и азот. При комнатной температуре 1 г ниобия способен поглотить 100 см3 водорода. Но даже при сильном нагревании это свойство практически не слабеет. При 500°С ниобий еще может поглотить 75 см3 водорода, а тантал в 10 раз больше. Этим свойством пользуются для создания высокого вакуума или в электронных приборах, где необходимо сохранить точные характеристики при высоких температурах. Ниобий и тантал, нанесенные на поверхность деталей, как губка, поглощают газы, обеспечивая стабильную работу приборов. С помощью этих металлов больших успехов достигла восстановительная хирургия. В медицинскую практику вошли не только пластинки из тантала, но и нити из тантала и ниобия. Хирурги успешно используют такие нити для сшивания порванных сухожилий, кровеносных сосудов и нервов. Танталовая «пряжа» служит для возмещения мускульной силы. С ее помощью хирурги укрепляют после операции стенки брюшной полости. Тантал имеет исключительно прочную связь между атомами. Это обусловливает его чрезвычайно высокую температуру плавления и кипения. Механические качества и химическая стойкость приближают тантал к платине. Химическая промышленность использует такое благоприятное сочетание качеств тантала. Из него готовят детали кислотостойкого оборудования химических заводов, нагревательные и охладительные устройства, имеющие контакт с агрессивной средой.

В бурно развивающейся атомной энергетике находят применение два свойства ниобия. Ниобий обладает удивительной «прозрачностью» для тепловых нейтронов, т. е. способен пропускать их через слой металла, практически с нейтронами не реагируя. Искусственная радиоактивность ниобия (получающаяся при контакте с радиоактивными материалами) невелика. Поэтому из него можно делать контейнеры для хранения радиоактивных отходов и установки по их переработке. Другим не менее ценным (для ядерного реактора) свойством ниобия является отсутствие заметного взаимодействия с ураном и другими металлами даже при температуре 1000 °С. Расплавленные натрий и калий, применяемые в качестве теплоносителей в атомных реакторах некоторых типов, свободно могут циркулировать по ниобиевым трубам, не причиняя им никакого вреда.

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.