Tantaali keemilised omadused. Metalli tantaali omadused ja omadused Ta keemia

Tuntud keemiliste elementide rühmas on tantaal eriline koht. See metall ei ole üllas, kuid selle jõudlusomadused muudavad selle nõudlikuks erinevates valdkondades. Pealegi ei kehti see mitte ainult ehitus- ja töötleva tööstuse, vaid ka ehete kohta. Tänapäeval on tantaali enda kasutamine selle harulduse tõttu väga piiratud. Ja ometi on turul lai valik sellest materjalist valmistatud tooteid.

Üldine teave metalli kohta

Tantaali puhtal kujul looduses ei eksisteeri. Tavaliselt kaevandatakse seda koos teiste sarnaste omadustega mineraalidega. See elemendi omadus viis selle üsna hilise avastamiseni. Kuid tänapäeval on tantaali eraldamiseks tõhusaid viise, millest üks on ekstraheerimismeetod. Elektrolüüsi kasutatakse ka spetsiaalselt metallmaterjalide tootmiseks. Grafiittiigli abil sulatatakse elementi sisaldav alus, misjärel pulber jääb anuma seintele. Tooraine töötlemise edasine tehnoloogia sõltub sellest, kuidas tantaali kasutatakse: sellele võib anda valuploki, traadi, lehe, teatud kujuga osa või jätta pihustatava segu kujul. Populaarsed on ka tantaalipulbrist sulamite moodustamise tehnoloogiad. Kombineerimine legeerivate ainetega võimaldab tõsta materjali individuaalseid omadusi.

Füüsikalised omadused

Metalli kõrge sulamistemperatuur on umbes 3017 °C, mis võimaldab seda tootmises kasutada ekstreemsetes termilistes tingimustes. Samal ajal on sellel elastsuse ja kõvaduse omaduste haruldane kombinatsioon. Esimese puhul on see pehme nagu kuld. Sel juhul on tantaali kõvadus 16,65 g/cm 3 . See füüsikaliste omaduste kombinatsioon võimaldab materjali hõlpsalt töödelda, andes sellele erineva kuju ja suuruse, ning kasutada seda ka kriitilistes mehhanismides ja struktuurides. Väikesed elemendid toimivad hästi hammasrataste ja elektriseadmete osadena. Tantaal on kulumiskindel ja vastupidav, seega valmistatakse sellest kulukomponente, eeldades pikaajalist töötamist. Lisaks võib see metall toimida tõhusa gaasi neelajana. Kõrgetel temperatuuridel on tantaaliosadel ka kõrged juhtivad omadused.

Keemilised omadused

Puhtal kujul talub metall tõhusalt leeliste, orgaaniliste ja anorgaaniliste happeliste ainete, aga ka muude aktiivsete ainete mõju. Välja arvatud juhul, kui sula kujul on leelistel tantaalile märgatav mõju. Oksüdatsiooniprotsessid toimuvad temperatuuril mitte alla 280 °C ja see reageerib halogeenkomponentidega temperatuuril 250 °C. Tantaali keemilisi omadusi kokkupuutel reagentidega saab võrrelda klaasiga. See ei lahustu happelises keskkonnas, välja arvatud lämmastik- ja vesinikfluoriidhape. See materjal on vastupidav ka väävelhappele, olenemata selle kontsentratsioonist. Kuid aktiivsusprotsessidel on metalli struktuurile enamikul juhtudel ebaoluline mõju. Tavaliselt ilmnevad muutused kas kilekatte või korrosioonina.

Kus tantaali kasutatakse?

See metall pole laialt levinud, kuid selle kasutusvaldkondi on palju. Esiteks on see tööstus. Elementi kasutatakse metallurgias, toiduainetööstuses, töötlevas tööstuses, raadiotehnikas, masinaehituses jne. Ehitustööstuses pole see metall just piiratud tootmismahtude tõttu nii nõutud, kuid üksikuid konstruktsioonielemente valmistatakse siiski see materjal - reeglina riistvara, mis on ette nähtud struktuuride tugevdamise kriitilisteks ülesanneteks. Et mõista, kus tantaali kasutatakse, on oluline pöörata tähelepanu selle tööomadustele. Juba on märgitud, et ta suudab tegutseda hea dirigendina. Seetõttu kasutatakse seda ülijuhina elektrotehnikas. Teisest küljest avab selle kuumakindlus võimalused selle kasutamiseks teiste metallide kuumtöötlemisel. Tänu suurenenud tihedusele on tantalist saanud kaitsetööstuses optimaalne lahendus. Seda kasutatakse suure läbitungimisvõimega mürskude valmistamiseks.

Tantaaltraat

Üldiselt on valtsmetall selle materjali kõige ulatuslikum esitusviis turul. Traadil on segmendis oluline nišš. See on ebatavaline selle poolest, et tänu oma tagasihoidlikule suurusele saab seda kasutada niidina. See seletab tantaali väärtust meditsiinivaldkonnas – seda tüüpi tooteid kasutatakse õmbluste ja sidemete jaoks. Kuid see on vaid näide, mis demonstreerib üht sellise traadi eripärast omadust. Suuremaid formaate kasutatakse masinaehituses, lennunduses, tööpinkides ja kapitaliehituses. Lisaks võib olenevalt otstarbest kasutada pehmet ja kõva metalli. Tantaal, tänu oma paindlikkusele töötlemisel, võimaldab toota pikki juhtmeid alates 1500 cm paksusega 0,15 mm või rohkem. Nagu kasutajad märgivad, leitakse valmistoodetel harva jäsemeid, pragusid ja muid defekte. Kuid õhuke konstruktsioon seab endiselt nõuded ladustamis- ja transporditingimustele - eriti ei soovitata traati kokku puutuda niiskuse ja agressiivse keskkonnaga.

Tantaallint

See valtsmetalltoodete tootmise formaat on samuti laialt levinud. Teipe kasutatakse meditsiinis, õlitööstuses, masinaehituses ja isegi energeetikas. Tarbijad hindavad seda toodet selle biosobivuse, suure tugevuse ja peene struktuuriga, hea töödeldavuse ja korrosioonikindluse tõttu. Kui võrrelda tantaalist valmistatud sarnaseid tooteid terasest või alumiiniumist valmistatud analoogidega, siis tuleb esiplaanile kulumiskindlus ja vastupidavus. Lint talub suuri tõmbekoormusi ja keemilisi mõjusid. Teisest küljest ei võimalda kõrge plastilisus sellistel toodetel teatud kuju stabiilselt säilitada. Isegi väike surve põhjustab deformatsiooni.

Tantaalipõhised sulamid

Legeerivate komponentidega modifitseeritud sulamid omandavad valdavalt kõrgema füüsilise tugevuse ja kuumakindluse. Piisab, kui öelda, et keskmiste omadustega toode suudab taluda 1650 °C temperatuuri ilma oma tööomadusi kaotamata. Tegelikult võimaldab see tantaalisulamite kasutamist keemiatööstuses, energeetikas, metallurgias ja instrumentide valmistamisel. Veelgi enam, mõned ettevõtted kasutavad seda materjali raketi- ja kosmosesfääri elementide valmistamisel. Olenevalt kasutussuunast töötavad tehnoloogid tantaali legeerimiseks välja erinevaid koostisi. Mõnel juhul võimaldab modifitseerimine saavutada suuremat plastilisust, teistel aga näiteks muuta materjal elektronkiire meetodil keevitamiseks sobivaks. Tantaal ise võib toimida ka legeeriva komponendina. Tavaliselt kasutatakse seda jõudlusomaduste parandamise meetodit mitteväärismetallide korrosiooni- ja kuumakindluse andmiseks.

Tantaal raadiotehnikas

Elektriseadmete ja -osade tootmisel tõuseb esile võimalus säilitada optimaalne voolujuhtivus ja säilitada sagedussignaale, vähendades samal ajal elemendi aluse suurust. Sel põhjusel kasutatakse tantaali sageli kondensaatorite, türistorite, transistoride ja semistorite valmistamisel. Varem kasutati samade kondensaatorite jaoks alumiiniumlehtrulle. See lahendus eeldas tööparameetrite suurendamise võimalust ainult siis, kui osa enda suurust suurendatakse. Rääkimata kondensaatori mahu suurendamisega seotud muude omaduste vastupidisest vähenemisest. Tantaali kasutamine, mis on vastupidav ka negatiivsetele protsessidele, milles osalevad raadioelektroonilised komponendid, võimaldas suurendada elektrilist mahtu, säilitades samal ajal detaili mõõtmed. Teine asi on see, et alumiinium ei vea selles valdkonnas läbi, kuna see on taskukohasem.

Järeldus

Sellel metallil pole üldse ainulaadseid või mittestandardseid omadusi. Sellel on palju atraktiivseid omadusi, sealhulgas korrosioonivastane, kõvadus või kuumakindlus. Kuid need omadused esinevad eraldi teistel metallidel. Veelgi enam, mõnes on need palju rohkem väljendunud. Näiliselt vastandlike omaduste kombinatsioon ühes elemendis on aga tõeliselt ainulaadne. Tehnoloogid püüavad kunstlike vahenditega saavutada materjalide töökvaliteedi erikombinatsioone ja sel juhul määrab need päritolu olemus. Näiteks tantaali kasutamine meditsiinis ja metallurgias seab täiesti erinevad eesmärgid. Ühel juhul hinnatakse suurt tugevust väikeste tootemõõtudega ja teisel juhul paindlikkust töötlemisel. Kuid tantaalil on ka negatiivne omadus, mis kehtib kõigi selle kasutusvaldkondade kohta - see on kõrge hind ja mõnel juhul füüsiline ligipääsmatus.

Tantaal(lat. Tantaal), Ta, Mendelejevi perioodilise süsteemi V rühma keemiline element; aatomarv 73, aatommass 180,948; Metall on halli värvi, kergelt pliikarva varjundiga. Looduses leidub seda kahe isotoobi kujul: stabiilne 181 Ta (99,99%) ja radioaktiivne 180 Ta (0,012%; T ½ = 10 12 aastat). Kunstlikult saadud radioaktiivsest 182 Ta (T ½ = 115,1 päeva) kasutatakse radioaktiivse indikaatorina.

Elemendi avastas 1802. aastal Rootsi keemik A. G. Eksberg; nime saanud Vana-Kreeka mütoloogia kangelase Tantaluse järgi (tantaali puhtal kujul hankimise raskuste tõttu). Plastist metallist tantaali hankis esmakordselt 1903. aastal saksa keemik W. Bolton.

Tantaali levik looduses. Tantaali keskmine sisaldus maakoores (clarke) on 2,5·10 -4 massiprotsenti. Iseloomulik element graniidist ja settekividest (keskmine sisaldus ulatub 3,5·10 -4%); maakoore sügavates osades ja eriti tipus on vahevöös tantaali vähe (ülialuselistes kivimites 1,8·10 -6%). Tantaal on hajutatud enamikus tardkivimites ja biosfääris; selle sisaldust hüdrosfääris ja organismides ei ole kindlaks tehtud. Tuntud on 17 tantaali mineraali ja üle 60 tantaali sisaldava mineraali; kõik need tekkisid seoses magmaatilise tegevusega (tantaliit, kolumbiit, lopariit, pürokloor jt). Mineraalides leidub tantaali koos nioobiumiga nende füüsikaliste ja keemiliste omaduste sarnasuse tõttu. Tantaalimaagid on tuntud graniidi ja leeliseliste kivimite pegmatiitides, karbonaatides, hüdrotermilistes veenides, aga ka platerites, millel on suurim praktiline tähtsus.

Tantaali füüsikalised omadused. Tantaalil on kehakeskne kuupvõre (a = 3,296 Å); aatomiraadius 1,46 Å, ioonraadiused Ta 2+ 0,88 Å, Ta 5+ 0,66 Å; tihedus 16,6 g/cm3 20 °C juures; t pl 2996 °C; Kipi temperatuur 5300 °C; erisoojusvõimsus 0-100°C juures 0,142 kJ/(kg K); soojusjuhtivus 20-100 °C juures 54,47 W/(m K). Lineaarpaisumise temperatuuritegur 8,0·10 -6 (20-1500 °C); elektriline eritakistus temperatuuril 0 °C 13,2·10 -8 oomi·m, temperatuuril 2000 °С 87·10 -8 oomi·m. Temperatuuril 4,38 K muutub see ülijuhiks. Tantaal on paramagnetiline, spetsiifiline magnetiline vastuvõtlikkus 0,849·10 -6 (18 °C). Puhas tantaal on plastiline metall, mida saab külmas surve all töödelda ilma olulise kõvenemiseta. Seda saab deformeerida 99% redutseerimismääraga ilma vahepealse lõõmutamiseta. Tantaali üleminekut plastilisest olekust rabedaks jahutamisel temperatuurini -196 °C ei tuvastatud. Tantaali elastsusmoodul on 25 °C juures 190 H/m 2 (190·10 2 kgf/mm 2). Lõõmutatud kõrge puhtusastmega tantaali tõmbetugevus on 27 °C juures 206 MN/m2 (20,6 kgf/mm2) ja 490 °C juures 190 MN/m2 (19 kgf/mm2); suhteline pikenemine 36% (27 °C) ja 20% (490 °C). Puhta ümberkristalliseeritud tantaali Brinelli kõvadus on 500 Mn/m2 (50 kgf/mm2). Tantaali omadused sõltuvad suuresti selle puhtusest; vesiniku, lämmastiku, hapniku ja süsiniku lisandid muudavad metalli hapraks.

Tantaali keemilised omadused. Ta aatomi väliselektronide konfiguratsioon on 5d 3 6s 2. Tantaali kõige iseloomulikum oksüdatsiooniaste on +5; Tuntud on madalama oksüdatsiooniastmega ühendeid (näiteks TaCl 4, TaCl 3, TaCl 2), kuid nende teke on tantaalile vähem tüüpiline kui nioobiumile.

Keemiliselt on tantaal tavatingimustes väheaktiivne (sarnaselt nioobiumiga). Puhas kompaktne tantaal on õhus stabiilne; hakkab oksüdeeruma 280 °C juures. Sellel on ainult üks stabiilne oksiid - (V) Ta 2 O 5, mis esineb kahes modifikatsioonis: valge α-vorm temperatuuril alla 1320 °C ja hall β-vorm temperatuuril üle 1320 °C; on happelise iseloomuga. Vesinikuga, mille temperatuur on umbes 250 °C, moodustab tantaal tahke lahuse, mis sisaldab kuni 20 at.% vesinikku temperatuuril 20 °C; samal ajal muutub tantaal rabedaks; 800-1200 °C juures kõrgvaakumis eraldub metallist vesinik ja selle plastilisus taastub. Lämmastikuga temperatuuril umbes 300 ° C moodustab see tahke lahuse ja nitriidid Ta 2 N ja TaN; sügavas vaakumis üle 2200 °C eraldub neeldunud lämmastik metallist uuesti. Ta - C süsteemis temperatuuridel kuni 2800 ° C on kindlaks tehtud kolm faasi: tahke süsiniku lahus tantaalis, madalam karbiidi T 2 C ja kõrgem karbiidi TaC. Tantaal reageerib halogeenidega temperatuuril üle 250 °C (fluoriga toatemperatuuril), moodustades valdavalt TaX 3 tüüpi halogeniide (kus X = F, Cl, Br, I). Kuumutamisel interakteerub Ta C, B, Si, P, Se, Te, vee, CO, CO 2, NO, HCl, H 2 S-ga.

Puhas tantaal on erakordselt vastupidav paljude vedelate metallide toimele: Na, K ja nende sulamid, Li, Pb ja teised, samuti U-Mg ja Pu-Mg sulamid. Tantaali iseloomustab ülikõrge korrosioonikindlus enamiku anorgaaniliste ja orgaaniliste hapete suhtes: lämmastik-, vesinikkloriid-, väävel-, kloorhape ja teised, aqua regia, aga ka paljude teiste agressiivsete keskkondade suhtes. Tantaalile mõjuvad fluor, vesinikfluoriid, vesinikfluoriidhape ja selle segu lämmastikhappega, lahused ja leeliste sulamid. Tuntud on tantaalhapete soolad - tantalaadid üldvalemiga xMe 2 O·yTa 2 O 5 · H 2 O: metatantalaadid MeTaO 3, ortotantalaadid Me 3 TaO 4, soolad nagu Me 5 TaO 5, kus Me on leelismetall; vesinikperoksiidi juuresolekul tekivad ka pertantalaadid. Olulisemad leelismetalli tantalaadid on KTaO 3 ja NaTaO 3; Need soolad on ferroelektrikud.

Tantaali saamine. Tantaali sisaldavad maagid on haruldased, keerulised ja tantaalivaesed; kuni sajandikprotsenti (Ta, Nb) 2 O 5 sisaldavad protsessimaagid ja tinakontsentraatide redutseerimissulatamisel tekkivad räbud. Tantaali, selle sulamite ja ühendite tootmise peamised toorained on tantaliidi ja lopariidi kontsentraadid, mis sisaldavad vastavalt umbes 8% Ta 2 O 5 ja 60% või rohkem Nb 2 O 5. Kontsentraadi töötlemine toimub tavaliselt kolmes etapis: 1) avamine, 2) Ta ja Nb eraldamine ning nende puhaste ühendite saamine, 3) Ta taastamine ja rafineerimine. Tantaliidi kontsentraadid lagundatakse hapete või leeliste toimel, lopariidi kontsentraadid aga klooritakse. Ta ja Nb eraldatakse puhaste ühendite saamiseks ekstraheerimise teel, näiteks tributüülfosfaadiga vesinikfluoriidhappe lahustest, või kloriidide rektifikatsiooniga.

Metallilise tantaali tootmiseks redutseeritakse see Ta 2 O 5 tahmast ühes või kahes etapis (TaC eelvalmistamisel Ta 2 O 5 ja tahma segust CO või H 2 atmosfääris temperatuuril 1800–2000 ° C ); elektrokeemiline redutseerimine K 2 TaF 7 ja Ta 2 O 5 sisaldavatest sulamitest ning K 2 TaF 7 redutseerimine naatriumiga kuumutamisel. Võimalikud on ka kloriidi termilise dissotsiatsiooni protsessid või tantaali redutseerimine sellest vesinikuga. Kompaktmetalli toodetakse kas vaakumkaare, elektronkiire või plasma sulatamise või pulbermetallurgia meetoditega. Pulbritest paagutatud kangid või kangid töödeldakse rõhu all; Eriti puhta tantaali üksikkristallid saadakse tiiglita elektronkiire tsooni sulatamisel.

Tantaali kasutamine. Tantaalil on terve rida väärtuslikke omadusi – hea plastilisus, tugevus, keevitatavus, korrosioonikindlus mõõdukatel temperatuuridel, tulekindlus, madal aururõhk, kõrge soojusülekandetegur, madal elektronide tööfunktsioon, võime moodustada anoodkilet (Ta 2 O 5) eriliste dielektriliste omadustega ja "tulevad läbi" keha eluskoega. Tänu nendele omadustele kasutatakse tantaali elektroonikas, keemiatehnikas, tuumaenergeetikas, metallurgias (kuumuskindlate sulamite, roostevaba terase tootmine) ja meditsiinis; TaC kujul kasutatakse seda kõvasulamite tootmisel. Puhast tantaali kasutatakse pooljuhtseadmete elektrikondensaatorite, elektroonikatorude osade, keemiatööstuse korrosioonikindlate seadmete, stantside valmistamiseks tehiskiu tootmisel, laboratoorsete klaasnõude, metallide (näiteks haruldaste muldmetallide) sulatamiseks mõeldud tiiglite ja sulamite valmistamiseks. , kõrgtemperatuuriliste ahjude küttekehad; tuumaenergiasüsteemide soojusvahetid. Kirurgias kasutatakse tantaali lehti, fooliumit ja traati luude, närvide, õmbluste jms kinnitamiseks. Kasutatakse tantaalisulameid ja -ühendeid.

Tantaali kõige väärtuslikum omadus on kahtlemata erakordne keemiline vastupidavus: selles osas on ta väärismetallide järel teisel kohal ja mitte alati. ei lahustu isegi sellises keemiliselt agressiivses keskkonnas nagu aqua regia, mis lahustab kergesti plaatinat jt. Tantaali kõrgeimast korrosioonikindlusest annavad tunnistust ka järgmised faktid. 200° juuresKOOSei ole vastuvõtlik korrosioonile 70% lämmastikhappes, väävelhappes temperatuuril 150°Samuti ei täheldata tantaali korrosiooni ja 200 ° C juures korrodeerub metall, kuid ainult 0,006 mm aastas.

TO Lisaks on metall plastiline ja sellest saab valmistada keeruka kujuga tooteid. Pole üllatav, et sellest on saanud keemiatööstuse asendamatu ehitusmaterjal.Tantaaliseadmeid kasutatakse paljude hapete (vesinikkloriid-, väävel-, lämmastik-, fosfor-, äädikhape), broomi, kloori ja vesinikperoksiidi tootmiseks. Ühes gaasilist kloriidi kasutavas ettevõttes ebaõnnestusid roostevabast terasest osad juba kahe kuu pärast. Kuid niipea, kui teras asendati tantaaliga, hakkasid ka kõige õhemad osad (paksus 0,3–0,5mm)osutus praktiliselt määramatuks - nende kasutusiga pikenes 20 aastani.

Kõigist hapetest on lahustumisvõimeline (eriti kõrgetel temperatuuridel) ainult vesinikfluoriidhape. Sellest valmistatakse poolid, destilleerijad, ventiilid, segistid, aeraatorid ja paljud muud keemiaseadmete osad. Harvem kaotavad paljud konstruktsioonimaterjalid kiiresti soojusjuhtivuse: nende pinnale tekib oksiid- või soolakile, mis juhib halvasti soojust. Tantaaliseadmed on sellest puudusest vabad, õigemini võib sellele tekkida oksiidkile, kuid see on õhuke ja juhib hästi soojust.

Muide, just kõrge soojusjuhtivus koos plastilisusega muutis tantaali suurepäraseks materjaliks soojusvahetite jaoks.kulla ja hõbeda jagamine. Nende katoodide eeliseks on see, et kulla ja hõbeda ladestumine võib ollapesta need maha aqua regiaga, mis ei kahjusta tantaal on oluline mitte ainult keemiatööstuses. Paljud teaduskeemikud puutuvad sellega kokku ka oma igapäevases laboripraktikas. Tantaalitiiglid, tassid, spaatlid pole sugugi haruldased “Sul peavad olema tantaalinärvid...” Tantaali ainulaadne omadus on selle kõrge bioloogiline ühilduvus ehk võime juurduda organismis ümbritsevaid kudesid ärritamata. . See omadus on aluseks tantaali laialdasele kasutamisele meditsiinis, peamiselt rekonstruktiivses kirurgias – inimkeha parandamiseks.

Sellest metallist valmistatud plaate kasutatakse näiteks kolju vigastuste korral - need katavad kolju purunemisi.INKirjanduses kirjeldatakse juhtumit, kui tantaaliplaadist valmistati kunstkõrv ja reielt siirdatud nahk juurdus nii hästi, et peagi oli tantaalikõrva raske kanda.eristada olevikust.Tantaallõnga kasutatakse mõnikord lihaskoe kaotuse kompenseerimiseks. Õhukeste tantaalplaatide abil tugevdavad kirurgid pärast operatsiooni kõhuõõne seinu. Tantaalklambrid, mis on sarnased sülearvutite õmblemisel kasutatavatele, ühendavad veresooni kindlalt. Tantaalvõrke kasutatakse silmaproteeside valmistamisel. Sellest metallist tehtud niidid vahetatakse väljakõõlusedja isegi närvid kokku õmmelda kiudaineid. JA kui väljendus Tavaliselt kasutame "raudnärve". kaasaskantav mõistus, tantaalnärviga inimesed, olema Võib olla, pidid kohtuma Tõepoolest, selles on midagi sümboolset, et just mütoloogilise märtri järgi nime saanud metalli osa langes inimlikule missioonile – leevendada inimkannatusi. ..

Kuidas eraldatakse tantaal nioobiumist.

Maakoor sisaldab ainult 0,0002% Ta-d, kuid teada on palju selle mineraale - üle 130. Tantaal nendes mineraalides on reeglina nioobiumist lahutamatu, mis on seletatav elementide äärmise keemilise sarnasuse ja peaaegu identsete suurustega. Nende metallide eraldamise raskus on pikka aega takistanud tantaali- ja nioobiumitööstuse arengut. Kuni viimase ajani eraldati need ainult meetodil, mille 1866. aastal pakkus välja Šveitsi keemik Marignac, kes kasutas ära kaaliumfluori tantalaadi ja fluoroniobaadi erinevat lahustuvust lahjendatud vesinikfluoriidhappes.

Viimastel aastatel on tähtsust omandanud ka tantaali eraldamise ekstraheerimismeetodid, mis põhinevad tantaali ja nioobiumisoolade erineval lahustuvusel teatud orgaanilistes lahustites. Kogemus on näidanud, et metüülisobutüülketoonil ja tsükloheksanoonil on parimad ekstraheerimisomadused. Tänapäeval on peamiseks tantaalmetalli tootmismeetodiks sulatatud kaaliumfluorotantaal grafiit-, malm- või niklitiiglites, mis toimivad ka katoodidena. Tantaalipulber ladestub tiigli seintele.

Tiiglist ekstraheeritud pulber pressitakse esmalt ristkülikukujulisteks plaatideks (kui toorik on ette nähtud lehtedeks rullimiseks) või ruudukujulisteks vardadeks (traadi tõmbamiseks) ja seejärel paagutatakse. Naatriumtermiline meetod tantaali tootmiseks on samuti kasulik . Selles protsessis interakteeruvad kaaliumfluorotalaat ja metallfluorotantalaat:

K2 TaF 7 + 5Na → Ta + 2KF + 5NaF.

Reaktsiooni lõppsaaduseks on pulber tantaal, mis seejärel paagutatakse. Viimasel kahel aastakümnel on hakatud kasutama ka teisi pulbritöötluse meetodeid: kaar- või induktsioonsulatamist vaakumis ja elektronkiirega sulatamist.

Artikkel teemal Tantaali keemilised omadused

Tantaal on eriline metall, mis kuulub üllasse rühma. See avastati juba 1802. aastal, kuid seda peetakse nooreks elemendiks. Vaatamata haruldusele kasutatakse seda laialdaselt mitte ainult ehete valmistamisel, vaid ka tööstuses. Eriti levinud on see elektroonikas – peaaegu iga seade sisaldab seda.

Selle metalli massiline kasutamine algas eelmise sajandi 40ndatel ja jätkub tänapäevani. See saavutas oma populaarsuse tänu suurenenud tugevusomadustele. Lisaks on sellel palju ainulaadseid füüsikalisi ja keemilisi omadusi.

Füüsilised ja keemilised omadused

Selle metalli füüsikaliste omaduste hulgas tuleks esile tõsta kõrget sulamistemperatuuri, mis on 3017 kraadi Celsiuse järgi, mis eristab seda paljudest analoogidest. Tänu sellele kasutatakse seda piirkondades, kus on vaja suuremat vastupidavust ekstreemsetele tingimustele. Samas kuuluvad tantaali omaduste hulka plastilisus ja kõvadus, mille kombinatsioon on looduses üsna haruldane.

Tantaali sulamistemperatuur on 3017 °C.

Eespool nimetatud tantaali omadused võimaldavad teil metalli ilma suurema vaevata töödelda ning luua vajalikke kujundeid ja suurusi. Aatomi eriline struktuur on väga oluline kõrgendatud vastutusvõimega struktuuride osade ja mehhanismide loomisel. Tantaal sobib hästi sepistamiseks ja valtsimiseks. Sel juhul saab edukalt kasutada ka külmdeformatsiooni meetodit. Esile tuleks tõsta kõrge soojusjuhtivus.

Tänu suurele tihedusele saab metallist toota väikeseid hammasrattaid ja elektriseadmete detaile, mis on kulumiskindlad ja ei rikne pikaajalisel kasutamisel.
Mõnel juhul kasutatakse seda gaasiabsorberina. Esile tuleks tõsta elektrooniline konfiguratsioon: metallil on normaalses olekus ja kõrgetel temperatuuridel erinevad elektrijuhtivusomadused.
Tantaaldetaile saab ühendada jootmise, keevitamise või neetimise teel. Kõige sagedamini kasutatakse keevitusmeetodit, kuna keevisõmbluse kvaliteeti iseloomustab kõrge tugevus ja vastupidavus füüsilisele pingele.
Keemiliste omaduste hulgas tasub esile tõsta selle kõrget oksüdatsiooni- ja leeliskindlust. Kuid sulades on see osaliselt leelisetundlik. Oksüdatsioon on võimatu temperatuuril alla 250 kraadi.
Selle metalli keemilised omadused on väga sarnased klaasiga. Seda on peaaegu võimatu happes lahustada, välja arvatud juhul, kui kasutate vesinikfluoriid- ja lämmastikhapet. Isegi kokkupuude väävelhappega ei mõjuta metalli struktuuri ja kuju. Pinnale võib tekkida ainult väike kile. Samuti ei hävine see pikaajalisel mereveega kokkupuutel.
Tantaali esinemine ja tootmine
Tantaal kui keemiline element on looduses väga haruldane, moodustades vaid 0,0002% maakoorest. Seda leidub väga harva puhtal kujul, kõige sagedamini erinevate mineraalide koostises, teise metalli - nioobiumi - läheduses.
Selle elemendi hoiuseid leidub paljudes riikides. Suuri maardlaid leidub Prantsusmaal, Egiptuses, Hiinas ja Tais. Kuid selle elemendi suurimad leiukohad on Austraalias. Tantaali kaevandatakse aastas üle 400 tonni. Samal ajal kasvab vajadus selle kasutamise järele pidevalt, mis on seotud seda metalli kasutades toodetavate elektriseadmete mahu suurenemisega. Sellest lähtuvalt toimub pidev uute maardlate areng.
Meie riigis on tantaali tootmine koondunud Solikamski magneesiumitehasesse. Metall saadakse pärast lopariidikontsentraatide töötlemist. Teistes riikides kasutatakse ka muid mineraale, näiteks rutiili, struveriiti, tantaliiti ja kolumbiiti.
Suurimad selle metalli tootjad maailmas on USA, Jaapan ja Hiina. Ülemaailmsete tootjate arv ei ületa 40 ettevõtet. Maksumus - alates 1000 dollarist kilogrammi kohta.
Tantaalipõhised sulamid
Tänu oma erilistele füüsikalistele omadustele kasutatakse seda metalli puhtal kujul tööstuses väga sageli. Tugevuse ja kõrgete temperatuuride vastupidavuse suurendamiseks võib aga kasutada sellel põhinevaid sulameid ning lisada sobivaid legeerivaid komponente.
Tantaalisulamid võivad jääda tahkeks temperatuuril umbes 1700 kraadi. See on vajalik tantaaliühendite kasutamisel energeetikas, keemiatööstuses, ülitäpsete instrumentide tootmisel ja metallurgias. Väga sageli kasutatakse kosmoserakettide ehitamisel erinevaid sulameid.
Kasutatavate legeerivate komponentide tüüp sõltub nõutavatest lõppomadustest. Töö kvaliteedi parandamiseks kasutatakse elemente, mis annavad sulamile paremad elastsuse omadused.

Tuleb märkida, et väga sageli kasutatakse tantaali sulamites mitte alusena, vaid legeeriva komponendina. Selle lisamine erinevatele materjalidele võimaldab suurendada vastupidavust kõrgetele temperatuuridele ja korrosioonile.

Tantaalkondensaatori ahel

Tantaal TAV-10 on sellel metallil põhinev laialdaselt kasutatav sulam. Seda toodetakse volframi lisamisega, mille kogus on umbes 10%. Selle tulemuseks on parem kuumuskindlusega materjal. Seda kasutatakse kütteelementide tootmiseks ja meditsiinilistel eesmärkidel, kuna selle komponendid ei ärrita inimese nahka.
Tantaali rakendused
Tantaali kasutamine ei piirdu ühe valdkonnaga. Tasub esile tuua valdkonnad, kus tantaalitooteid kõige laialdasemalt kasutatakse:
Metallurgia. Peaaegu pool sellest metallist kasutatakse metallurgiatööstuses. See on tingitud asjaolust, et seda on lihtne kasutada mitmesuguste sulamite, eriti kõrgetele temperatuuridele vastupidavate korrosioonivastaste teraste klasside valmistamiseks. Tantaaltraati kasutatakse erinevates valdkondades, kus on vaja suurendada tugevust ja kuumakindlust. Tantaalkarbiidi kasutatakse laialdaselt ka tulekindlate metallide tiiglite tootmisel.
Elektrotehnika. Umbes 25% kasutatakse elektrotehnika ja elektriseadmete tootmisel. Seda elementi kasutavaid kondensaatoreid iseloomustab suurenenud tööstabiilsus. Veelgi enam, kondensaatori pinna hävimise korral moodustub tantaaloksiidi kile, mis kaitseb seda. Samuti peaksite esile tõstma selliseid elemente nagu anoodid, katoodid, lambid ja muud metallosad, mida samuti toodetakse selle baasil.
Keemiatööstus. Viiendik toodetud mahust kasutatakse keemiatööstuses. See on tingitud asjaolust, et see on vastupidav enamikule hapetele, sooladele ja leelistele.
Ravim. Tantaali kasutatakse meditsiinis sellistes tööstusharudes nagu luu- ja plastiline kirurgia. Sellest materjalist valmistatud elemente kasutatakse luude kinnitamiseks, et saavutada suurem tugevus ilma orgaanilisi kudesid ärritamata.
Sõjaline sfäär. Sõjalises sfääris toodetakse tantaalsihtmärke ja kumulatiivsete mürskude kestasid.
Instrumentatsioon. Seda metalli kasutatakse täppisinstrumentide, juhtimisseadmete ja erinevate membraanide, aga ka vaakuminstrumentide tootmiseks, kuna seda eristavad gaasi neeldumisomadused.
Tuumaenergia. Selles piirkonnas toimib metall soojusvahetina.

Tuleb märkida, et tantaali kasutusala piirab ainult selle väike tootmismaht. Kui tootmismaht suureneb, laieneb rakendusala oluliselt.

Tantaal on "tark metall"

Tantaali, mille omadused ja omadused osutusid tõeliselt ainulaadseks, on nüüdseks kutsutud "targaks metalliks".

Natuke ajalugu

Tantaali avastas 1802. aastal Rootsi keemik A.G. Ekeberg uuris leitud mineraale ja avastas, et need sisaldavad tol ajal tundmatut elementi, kuid ta ei suutnud seda puhtal kujul eraldada. Tundmatu metall sai nime Vana-Kreeka mütoloogilise kangelase Tantaluse järgi. Keemikud uskusid 4 aastakümmet ekslikult, et selleks ajaks tuntud tantaal ja nioobium on sama keemiline element. Saksa keemikutel õnnestus see puhtal kujul hankida 1903. aastal ja seda hakati aktiivselt kasutama tööstuslikel eesmärkidel Teise maailmasõja ajal.

Tantaali kirjeldus ja omadused

Perioodilises tabelis on see metall 73. positsioonil, tähistatud Ta.

Tavatingimustes on sellel hõbedane värv, mis on välimuselt sarnane hõbedale ja mõnele teisele väärismetallile. Õhus oksüdeerumise tõttu kaetakse see oksiidkilega, tumeneb ja muutub rohkem plii sarnaseks. Toatemperatuuril toimub oksüdatsioon väga aeglaselt, nii et metall säilitab oma iseloomuliku värvi pikka aega. Aktiivne oksüdatsioon õhus algab temperatuuril üle 280°C.

Metall reageerib madalal temperatuuril halogeenidega, kuid kaetakse koheselt pinnakilega, mis kaitseb seda kogu mahu ulatuses edasiste reaktsioonide eest.

Sulamistemperatuur on suhteliselt kõrge, 3017°C. See on palju kõrgem kui paljudel metallidel. Võrdluseks:

plii - 327°C;
alumiinium - 660°C;
messing - kuni 1000 ° C;
kuld - 1064°C;
vask - 1083°C;
raud - 1540°C.

Tantaalmetalli kõrgeima tugevuse tõttu kasutatakse seda paljudes tööstusharudes

Tööstuses laialdaselt kasutatavate materjalide hulgas on tantaal sulamistemperatuurilt madalam kui volfram, mille puhul on see väärtus 3420 °C.

Tantaali tihedus on 16 700 kg/m3, see metall on palju tihedam kui tavaline raud ja vask, mille puhul see on vastavalt 7870 ja 8940 kg/m3. Tiheduse poolest võib seda võrrelda kullaga, mille tihedus on 19320 kg/m3. Tantaalil on kõrge kõvadus. Vaatamata oma omadustele on see väga plastiline metall. Materjali saab rullida 1 mikroni paksuseks. Ainult kullal on selline plastilisus.

Materjal valtsitakse ilma kuumutamiseta, mis lihtsustab oluliselt selle töötlemist. Mehaanilist tugevust saab suurendada külmkarastamisel. Temperatuuril alla -196°C kaob plastilisuse omadus ja metall muutub rabedaks.

Oma magnetiliste omaduste tõttu klassifitseeritakse tantaal paramagnetiliseks. Paramagnetilise materjali omadused avalduvad hästi temperatuuril alla 3420°C, siis muutub metall ferromagnetiliseks materjaliks.

Tantaalil on kõrgeim vastupidavus agressiivsetele keskkonnamõjudele. Seda ei hävita lämmastikhape, mille kontsentratsioon on 70%. Seda ei mõjuta temperatuurini 150°C kuumutatud väävelhape, kuid kui happe temperatuur tõuseb 200°C-ni, hakkab metall aeglaselt riknema.

See metalli korrosioonivastane vastupidavus, mis ületab roostevaba terase oma, on muutnud selle asendamatuks paljudes tootmisprotsessides.

Elektrolüüsi kasutatakse väärismetallide eraldamiseks lahustest ja nende soolade sulamistest. Kuid katoodid, millele väärismetallid ladestatakse, hävivad kiiresti. Tavalistest metallidest valmistatud katoodide asendamine tantaaliga muutis elektrolüüsiprotsessi palju tõhusamaks ja odavamaks. Seda meetodit kasutatakse ka haruldaste muldmetallide elementide eraldamiseks maakidest.

Tantaalil on kõrge bioloogiline ühilduvus ja seetõttu kasutatakse seda laialdaselt meditsiinis. Sellest valmistatud proteesid ja implantaadid ei avalda kehale keemilist toimet, ei oksüdeeru ning seetõttu ei lükka organism neid tagasi.

Tantaali ei saa pidada heaks elektrivoolujuhiks, selle eritakistus 20 °C juures on 0,13 oomi*mm²/m, mis on suurem kui raual (0,1 oomi*mm²/m). Kuid sellel on suhteliselt kõrge üleminekutemperatuur ülijuhtivasse olekusse, see on 4,5 K. Kõrgematel temperatuuridel lähevad vanaadium (5,3 K), plii (7,2 K) ja selle "kaksik" nioobium (9,2 K) ülijuhtivuse olekusse. See tantaali omadus on muutnud selle nõudlikuks elektroonilises andmetöötlustehnoloogias kasutatavate krüotoonülijuhtide tootmisel. Raadioelektroonikas kasutatakse tantaalplaatidega kondensaatoreid. Need osutusid kõige tõhusamateks, kuid võivad töötada madala pingega väärtustel.

Sõjatööstuses kasutatakse tantaalisulameid mürskude läbitungimisvõime suurendamiseks.

Teaduslikel ja sõjalistel eesmärkidel kasutatakse gammakiirguse allikate loomiseks radioaktiivseid isotoope. Radioaktiivseid isotoope leidub fossiilides, kuid palju suuremas kontsentratsioonis leidub neid tuumareaktoritest üle jäänud jäätmetes.

Tantaali kasutatakse tuumareaktorite kaitse ehitamisel, kuna see on üks väheseid elemente, mida tseesiumiaurud ei hävita.

Lõikeriista pinnale kantakse tantaalkarbiidi, et anda sellele eriline tugevus. Seda tööriista kasutatakse eriti vastupidavate materjalide lõikamiseks ja puurimiseks sügavate kaevude puurimisel kõvadesse kivimitesse.

Tänu kõrgele tugevusele, oksüdatsioonikindlusele ja kõrgele sulamistemperatuurile kasutatakse tantaali lennuki- ja raketimootorite tootmisel.

Tantaalist valmistatud osad kestavad agressiivses keskkonnas kümneid aastaid kauem kui muudest kõrge korrosioonikindlusega materjalidest valmistatud osad.

Materjali kõiki füüsikalisi omadusi saab muuta, lisades sellesse legeerivaid lisandeid.

Tantaali kaevandamine

Tänu uurimistöödele leiti uusi metalli tantaali leiukohti

Maakoor sisaldab umbes 0,0002% tantaali, seega liigitatakse see haruldaste elementide hulka. Kuid peaaegu kõigis riikides on selle ühendite maardlaid. Euroopas on suurimad ja rikkalikumad maardlad Prantsusmaal ning väikesed maardlad on enamikus endise NSV Liidu riikides. Aafrika riikidest on Egiptuses suurimad toorainevarud. Kuid suurimad ja rikkalikumad seni teadaolevad ja arendatud maardlad asuvad Austraalias.

Elementi leidub oma soolade kujul või see on osa teistest mineraalidest. Teisel juhul on sellega tingimata kaasas nioobium. Mineraalid võivad olla stabiilsed või radioaktiivsed.

Selle metalli kaevandamine on 420 tonni aastas. Tootmises ja töötlemises on juhtivad riigid USA ja Saksamaa.

Ülemaailmse kriisi tõttu nõudlus tantaali järele veidi vähenes, kuid alates 2010. aastast on see taas kasvanud. Viimasel ajal on toimunud aktiivne uurimistöö. Tänu neile avastati uusi maardlaid USA-s, Brasiilias ja Lõuna-Aafrikas.