Proprietà chimiche del tantalio. Caratteristiche e proprietà del tantalio metallico. Chimica del Ta

Il tantalio occupa un posto speciale nel gruppo degli elementi chimici conosciuti. Questo metallo non è nobile, ma le sue qualità prestazionali lo rendono richiesto in vari campi. Inoltre, ciò vale non solo per l'edilizia e l'industria manifatturiera, ma anche per la gioielleria. Oggi l'uso del tantalio stesso è molto limitato a causa della sua rarità. Eppure sul mercato esiste una vasta gamma di prodotti realizzati con questo materiale.

Informazioni generali sul metallo

Il tantalio non esiste in natura nella sua forma pura. Di solito viene estratto insieme ad altri minerali con caratteristiche simili. Questa caratteristica dell'elemento ha portato alla sua scoperta piuttosto tardiva. Ma oggigiorno esistono modi efficaci per isolare il tantalio, uno dei quali è il metodo di estrazione. L'elettrolisi viene utilizzata anche specificamente per produrre materiale metallico. Utilizzando un crogiolo di grafite, la base contenente l'elemento viene fusa, dopodiché la polvere rimane sulle pareti del contenitore. L'ulteriore tecnologia per la lavorazione della materia prima dipende da come verrà utilizzato il tantalio: può essere dato sotto forma di lingotto, filo, foglio, parte di una certa forma o lasciato sotto forma di miscela per la spruzzatura. Sono popolari anche le tecnologie per la formazione di leghe dalla polvere di tantalio. La combinazione con sostanze leganti consente di migliorare le proprietà individuali del materiale.

Proprietà fisiche

Il metallo ha un punto di fusione elevato di circa 3017 °C, che ne consente l'utilizzo in condizioni termiche estreme nella produzione. Allo stesso tempo, ha una rara combinazione di proprietà di duttilità e durezza. Quanto al primo, è morbido come l'oro. In questo caso la durezza del tantalio è di 16,65 g/cm 3 . Questa combinazione di qualità fisiche consente di elaborare facilmente il materiale, conferendogli forme e dimensioni diverse, nonché di utilizzarlo in meccanismi e strutture critici. Piccoli elementi funzionano bene come ingranaggi e parti di elettrodomestici. Il tantalio è resistente all'usura e durevole, quindi i componenti di consumo sono realizzati con l'aspettativa di funzionamento a lungo termine. Inoltre, questo metallo può fungere da efficace assorbitore di gas. A temperature elevate, le parti in tantalio mostrano anche elevate proprietà conduttive.

Proprietà chimiche

Nella sua forma pura, il metallo resiste efficacemente agli effetti degli alcali, delle sostanze acide organiche e inorganiche, nonché all'influenza di altri mezzi attivi. A meno che non siano in forma fusa, gli alcali hanno un effetto notevole sul tantalio. I processi di ossidazione avvengono a temperature non inferiori a 280 °C e reagisce con componenti alogeni a 250 °C. Le proprietà chimiche del tantalio a contatto con i reagenti possono essere paragonate al vetro. Non si dissolve in ambienti acidi ad eccezione dell'acido nitrico e fluoridrico. Questo materiale è resistente anche all'acido solforico, indipendentemente dalla sua concentrazione. Tuttavia, i processi di attività nella maggior parte dei casi hanno un effetto insignificante sulla struttura del metallo. Di solito i cambiamenti si manifestano sotto forma di rivestimento di pellicola o corrosione.

Dove viene utilizzato il tantalio?

Questo metallo non è molto diffuso, ma ci sono molte aree del suo utilizzo. Prima di tutto, questa è l'industria. L'elemento viene utilizzato nella metallurgia, nel settore alimentare, nell'industria manifatturiera, nella radioingegneria, nell'ingegneria meccanica, ecc. Nel settore edile questo metallo non è così richiesto proprio a causa dei volumi di produzione limitati, ma i singoli elementi strutturali sono ancora realizzati da questo materiale - di regola, hardware destinato a compiti critici di rafforzamento delle strutture. Per capire dove viene utilizzato il tantalio, è importante prestare attenzione alle sue proprietà prestazionali. È già stato notato che può agire come un buon direttore d'orchestra. Pertanto, viene utilizzato come superconduttore nell'ingegneria elettrica. D'altro canto, la sua resistenza al calore apre possibilità di utilizzo nel trattamento termico di altri metalli. Grazie alla sua maggiore densità, il tantalio è diventato una soluzione ottimale nel settore della difesa. Viene utilizzato per realizzare proiettili con elevato potere penetrante.

Filo di tantalio

Il metallo laminato in generale è la forma di presentazione più estesa di questo materiale sul mercato. Wire occupa una nicchia significativa nel segmento. La sua particolarità è che, grazie alle sue dimensioni modeste, può essere utilizzato come filo. Ciò spiega l'importanza del tantalio in campo medico: prodotti di questo tipo vengono utilizzati per suture e bende. Ma questo è solo un esempio che dimostra una delle qualità distintive di tale filo. I formati più grandi vengono utilizzati nell'ingegneria meccanica, nell'aviazione, nelle macchine utensili e nella costruzione di capitali. Inoltre, a seconda dello scopo, è possibile utilizzare metallo tenero e duro. Il tantalio, grazie alla sua flessibilità nella lavorazione, consente la produzione di fili lunghi da 1500 cm con spessore di 0,15 mm o più. Sui prodotti finiti, come notano gli utenti, raramente si riscontrano sbavature, crepe e altri difetti. Tuttavia, la struttura sottile impone comunque requisiti sulle condizioni di stoccaggio e trasporto: in particolare, non è consigliabile esporre il filo al contatto con umidità e ambienti aggressivi.

Nastro in tantalio

Anche questo formato per la produzione di prodotti laminati in metallo è molto diffuso. I nastri vengono utilizzati in medicina, nell'industria petrolifera, nell'ingegneria meccanica e persino nell'industria energetica. I consumatori apprezzano questo prodotto per la sua biocompatibilità, elevata resistenza con struttura fine, buona lavorabilità e resistenza ai processi di corrosione. Se confrontiamo prodotti simili in tantalio con analoghi in acciaio o alluminio, la resistenza all'usura e la durata verranno in primo piano. Il nastro può resistere a carichi di trazione elevati e influenze chimiche. D'altra parte, l'elevata plasticità non consente a tali prodotti di mantenere stabilmente una certa forma. Anche una leggera pressione porta alla deformazione.

Leghe a base di tantalio

Le leghe modificate con componenti leganti acquisiscono prevalentemente qualità più elevate di resistenza fisica e resistenza al calore. Basti pensare che un prodotto con caratteristiche medie potrà sopportare temperature di 1650 °C senza perdere le sue qualità prestazionali. In realtà, ciò consente l'uso delle leghe di tantalio nell'industria chimica, energetica, metallurgica e nella costruzione di strumenti. Inoltre, alcune imprese utilizzano questo materiale nella produzione di elementi per il razzo e la sfera spaziale. A seconda della direzione d'uso, i tecnici sviluppano diverse composizioni per legare il tantalio. In alcuni casi la modifica permette di ottenere una maggiore duttilità, in altri, ad esempio, di rendere il materiale adatto alle operazioni di saldatura con il metodo del fascio di elettroni. Il tantalio stesso può anche fungere da componente legante. Tipicamente, questo metodo per migliorare le proprietà prestazionali viene utilizzato per conferire anticorrosione e resistenza al calore ai metalli di base.

Tantalio nell'ingegneria radiofonica

Nella produzione di dispositivi e parti elettrici, viene in primo piano la capacità di mantenere una conduttività di corrente ottimale e di mantenere i segnali di frequenza riducendo al contempo le dimensioni della base dell'elemento. Per questo motivo il tantalio viene spesso utilizzato nella produzione di condensatori, tiristori, transistor e semistori. In precedenza, per gli stessi condensatori venivano utilizzati rotoli di lamiera di alluminio. Questa soluzione presupponeva la possibilità di aumentare i parametri operativi solo se veniva aumentata la dimensione del pezzo stesso. E questo per non parlare della diminuzione inversa di altre caratteristiche associate all'aumento del volume del condensatore. L'uso del tantalio, resistente anche ai processi negativi a cui partecipano componenti radioelettronici, ha permesso di aumentare il volume elettrico mantenendo le dimensioni del pezzo. Un'altra cosa è che l'alluminio non fallisce in questo settore, poiché è più conveniente.

Conclusione

Questo metallo non ha affatto proprietà uniche o non standard. Ha molte qualità interessanti, tra cui anticorrosione, durezza o resistenza al calore. Ma queste caratteristiche sono presenti individualmente in altri metalli. Inoltre, in alcuni sono molto più pronunciati. Tuttavia, la combinazione di proprietà apparentemente opposte in un unico elemento è davvero unica. I tecnologi si sforzano di ottenere combinazioni speciali nelle qualità lavorative dei materiali con mezzi artificiali, e in questo caso sono determinate dalla natura di origine. Ad esempio, l’uso del tantalio in medicina e in metallurgia pone obiettivi completamente diversi. In un caso viene apprezzata l'elevata resistenza con prodotti di piccole dimensioni e nel secondo viene apprezzata la flessibilità nella lavorazione. Ma esiste anche una proprietà negativa del tantalio, che si applica a tutte le aree del suo utilizzo: il suo costo elevato e, in alcuni casi, l'inaccessibilità fisica.

Tantalio(lat. Tantalio), Ta, elemento chimico del gruppo V del sistema periodico di Mendeleev; numero atomico 73, massa atomica 180.948; Il metallo è di colore grigio con una sfumatura leggermente plumbea. In natura si trova sotto forma di due isotopi: stabile 181 Ta (99,99%) e radioattivo 180 Ta (0,012%; T ½ = 10 12 anni). Dei radioattivi ottenuti artificialmente 182 Ta (T ½ = 115,1 giorni) vengono utilizzati come indicatore radioattivo.

L'elemento fu scoperto nel 1802 dal chimico svedese A. G. Eksberg; prende il nome dall'eroe dell'antica mitologia greca Tantalo (a causa delle difficoltà di ottenere il tantalio nella sua forma pura). Il tantalio metallico plastico fu ottenuto per la prima volta nel 1903 dal chimico tedesco W. Bolton.

Distribuzione del tantalio in natura. Il contenuto medio di tantalio nella crosta terrestre (clarke) è del 2,5·10 -4% in massa. Elemento caratteristico del granito e delle conchiglie sedimentarie (il contenuto medio raggiunge il 3,5·10 -4%); nelle parti profonde della crosta terrestre e soprattutto nella parte superiore, nel mantello è presente poco tantalio (nelle rocce ultrabasiche 1,8·10 -6%). Il tantalio è disperso nella maggior parte delle rocce ignee e nella biosfera; il suo contenuto nell'idrosfera e negli organismi non è stato stabilito. Esistono 17 minerali di tantalio conosciuti e più di 60 minerali contenenti tantalio; tutti si sono formati in relazione all'attività magmatica (tantalite, columbite, loparite, pirocloro e altri). Nei minerali, il tantalio si trova insieme al niobio a causa della somiglianza delle loro proprietà fisiche e chimiche. I minerali di tantalio sono noti nelle pegmatiti di granito e rocce alcaline, carbonatiti, nelle vene idrotermali e nei placer, che sono di grande importanza pratica.

Proprietà fisiche del tantalio. Il tantalio ha un reticolo cubico a corpo centrato (a = 3.296 Å); raggio atomico 1,46 Å, raggi ionici Ta 2+ 0,88 Å, Ta 5+ 0,66 Å; densità 16,6 g/cm 3 a 20 °C; tpl 2996 °C; Temperatura di kip 5300 °C; calore specifico a 0-100°C 0,142 kJ/(kg K); conducibilità termica a 20-100 °C 54,47 W/(m K). Coefficiente di temperatura di dilatazione lineare 8,0·10 -6 (20-1500 °C); resistività elettrica specifica a 0 °C 13,2·10 -8 ohm·m, a 2000 °С 87·10 -8 ohm·m. A 4,38 K diventa un superconduttore. Il tantalio è paramagnetico, suscettibilità magnetica specifica 0,849·10 -6 (18 °C). Il tantalio puro è un metallo duttile che può essere lavorato mediante pressione a freddo senza indurimento significativo. Può essere deformato con un tasso di riduzione del 99% senza ricottura intermedia. Non è stata rilevata la transizione del tantalio dallo stato duttile a quello fragile dopo il raffreddamento a -196 °C. Il modulo di elasticità del tantalio è 190 H/m 2 (190·10 2 kgf/mm 2) a 25 °C. La resistenza alla trazione del tantalio ricotto ad alta purezza è 206 MN/m2 (20,6 kgf/mm2) a 27 °C e 190 MN/m2 (19 kgf/mm2) a 490 °C; allungamento relativo 36% (27 °C) e 20% (490 °C). La durezza Brinell del tantalio ricristallizzato puro è 500 Mn/m2 (50 kgf/mm2). Le proprietà del tantalio dipendono in gran parte dalla sua purezza; le impurità di idrogeno, azoto, ossigeno e carbonio rendono il metallo fragile.

Proprietà chimiche del tantalio. La configurazione degli elettroni esterni dell'atomo Ta è 5d 3 6s 2. Lo stato di ossidazione più caratteristico del tantalio è +5; Sono noti composti con uno stato di ossidazione inferiore (ad esempio TaCl 4, TaCl 3, TaCl 2), ma la loro formazione è meno tipica per il tantalio che per il niobio.

Chimicamente, il tantalio è poco attivo in condizioni normali (simile al niobio). Il tantalio compatto puro è stabile nell'aria; inizia ad ossidarsi a 280 °C. Ha un solo ossido stabile - (V) Ta 2 O 5, che esiste in due modifiche: la forma α bianca sotto 1320 °C e la forma β grigia sopra 1320 °C; ha un carattere acido. Con l'idrogeno ad una temperatura di circa 250 °C, il tantalio forma una soluzione solida contenente fino al 20% di idrogeno a 20 °C; allo stesso tempo, il tantalio diventa fragile; a 800-1200 °C sotto vuoto spinto, l'idrogeno viene rilasciato dal metallo e la sua plasticità viene ripristinata. Con l'azoto alla temperatura di circa 300°C forma una soluzione solida e i nitruri Ta 2 N e TaN; in un vuoto profondo superiore a 2200 °C, l'azoto assorbito viene nuovamente rilasciato dal metallo. Nel sistema Ta - C a temperature fino a 2800 ° C, è stata stabilita l'esistenza di tre fasi: una soluzione solida di carbonio in tantalio, carburo inferiore T 2 C e carburo superiore TaC. Il tantalio reagisce con gli alogeni a temperature superiori a 250 °C (con fluoro a temperatura ambiente), formando alogenuri prevalentemente di tipo TaX 3 (dove X = F, Cl, Br, I). Quando riscaldato, Ta interagisce con C, B, Si, P, Se, Te, acqua, CO, CO 2, NO, HCl, H 2 S.

Il tantalio puro è eccezionalmente resistente all'azione di molti metalli liquidi: Na, K e loro leghe, Li, Pb ed altri, nonché le leghe U - Mg e Pu - Mg. Il tantalio è caratterizzato da una resistenza alla corrosione estremamente elevata alla maggior parte degli acidi inorganici e organici: nitrico, cloridrico, solforico, clorico e altri, acqua regia, nonché molti altri ambienti aggressivi. Sul tantalio agiscono il fluoro, l'acido fluoridrico, l'acido fluoridrico e la sua miscela con acido nitrico, soluzioni e soluzioni alcaline. Sono noti i sali degli acidi tantalici: tantalati della formula generale xMe 2 O·yTa 2 O 5 ·H 2 O: metatantalati MeTaO 3, ortotantalati Me 3 TaO 4, sali come Me 5 TaO 5, dove Me è un metallo alcalino; in presenza di acqua ossigenata si formano anche pertantalati. I tantalati di metalli alcalini più importanti sono KTaO 3 e NaTaO 3; Questi sali sono ferroelettrici.

Ottenere il tantalio. I minerali contenenti tantalio sono rari, complessi e poveri di tantalio; minerali di processo contenenti fino a centesimi di percentuale (Ta, Nb) 2 O 5 e scorie dalla fusione di riduzione dei concentrati di stagno. Le principali materie prime per la produzione di tantalio, sue leghe e composti sono concentrati di tantalite e loparite, contenenti rispettivamente circa l'8% di Ta 2 O 5 e il 60% o più di Nb 2 O 5. I concentrati vengono solitamente lavorati in tre fasi: 1) apertura, 2) separazione di Ta e Nb e ottenimento dei loro composti puri, 3) recupero e raffinazione di Ta. I concentrati di tantalite vengono decomposti da acidi o alcali, mentre i concentrati di loparite vengono clorurati. Ta e Nb vengono separati per ottenere composti puri mediante estrazione, ad esempio, con tributilfosfato da soluzioni di acido fluoridrico, o mediante rettifica dei cloruri.

Per produrre tantalio metallico, viene ridotto dalla fuliggine Ta 2 O 5 in una o due fasi (con la preparazione preliminare di TaC da una miscela di Ta 2 O 5 con fuliggine in un'atmosfera di CO o H 2 a 1800-2000 ° C ); riduzione elettrochimica da fusioni contenenti K 2 TaF 7 e Ta 2 O 5 e riduzione di K 2 TaF 7 con sodio dopo riscaldamento. Sono possibili anche processi di dissociazione termica del cloruro o di riduzione del tantalio da esso con idrogeno. Il metallo compatto viene prodotto mediante arco sotto vuoto, fascio di elettroni o fusione al plasma, oppure mediante metodi di metallurgia delle polveri. Lingotti o barre sinterizzati da polveri vengono lavorati sotto pressione; I singoli cristalli di tantalio particolarmente puro sono ottenuti mediante fusione a zone di fasci di elettroni senza crogiolo.

Applicazione del tantalio. Il tantalio ha una serie di proprietà preziose: buona duttilità, resistenza, saldabilità, resistenza alla corrosione a temperature moderate, refrattarietà, bassa pressione di vapore, elevato coefficiente di trasferimento del calore, bassa funzione di lavoro degli elettroni, capacità di formare un film anodico (Ta 2 O 5) con particolari caratteristiche dielettriche e "andare d'accordo" con i tessuti viventi del corpo. Grazie a queste proprietà, il tantalio viene utilizzato in elettronica, ingegneria chimica, energia nucleare, metallurgia (produzione di leghe resistenti al calore, acciai inossidabili) e medicina; sotto forma di TaC viene utilizzato nella produzione di leghe dure. Il tantalio puro viene utilizzato per realizzare condensatori elettrici per dispositivi a semiconduttore, parti di tubi elettronici, apparecchiature resistenti alla corrosione per l'industria chimica, stampi nella produzione di fibre artificiali, vetreria da laboratorio, crogioli per la fusione di metalli (ad esempio terre rare) e leghe , riscaldatori per forni ad alta temperatura; scambiatori di calore per sistemi ad energia nucleare. In chirurgia, fogli, fogli e fili di tantalio vengono utilizzati per fissare ossa, nervi, suture, ecc. Vengono utilizzate leghe e composti di tantalio.

La proprietà più preziosa del tantalio è senza dubbio la sua eccezionale resistenza chimica: sotto questo aspetto è secondo solo ai metalli nobili, e non sempre. non si dissolve nemmeno in un ambiente chimicamente aggressivo come l'acqua regia, che dissolve facilmente il platino e altri. I seguenti fatti testimoniano anche la massima resistenza alla corrosione del tantalio. A 200°CONnon è soggetto a corrosione in acido nitrico al 70%, in acido solforico a 150°Non si osserva nemmeno la corrosione del tantalio e a 200 ° C il metallo si corrode, ma solo di 0,006 mm all'anno.

A Inoltre, il metallo è duttile, da esso si possono realizzare prodotti a pareti sottili e prodotti di forme complesse. Non sorprende che sia diventato un materiale da costruzione indispensabile per l'industria chimica.Le apparecchiature al tantalio vengono utilizzate nella produzione di molti acidi (cloridrico, solforico, nitrico, fosforico, acetico), bromo, cloro e perossido di idrogeno. In una delle imprese che utilizzavano cloruro gassoso, le parti in acciaio inossidabile si sono guastate dopo soli due mesi. Ma, non appena l’acciaio fu sostituito dal tantalio, anche le parti più sottili (spessore 0,3-0,5mm)si è rivelato praticamente indefinito: la loro durata è aumentata a 20 anni.

Di tutti gli acidi solo l'acido fluoridrico è in grado di dissolversi (soprattutto ad alte temperature). Da esso vengono ricavate bobine, distillatori, valvole, miscelatori, aeratori e molte altre parti di apparecchi chimici. Meno comunemente, interi dispositivi.Molti materiali strutturali perdono rapidamente conduttività termica: sulla loro superficie si forma una pellicola di ossido o sale che conduce male il calore. Le apparecchiature al tantalio sono esenti da questo inconveniente, o meglio, su di esse si può formare una pellicola di ossido, ma è sottile e conduce bene il calore.

A proposito, è stata l'elevata conduttività termica combinata con la plasticità a rendere il tantalio un materiale eccellente per gli scambiatori di calore, mentre i catodi di tantalio vengono utilizzati nei processi elettrolitici.divisione dell'oro e dell'argento. Il vantaggio di questi catodi è che è possibile depositare oro e argentolavateli via con acqua regia, che non danneggia il tantalio, che è importante non solo per l'industria chimica. Molti chimici ricercatori lo riscontrano anche nella loro pratica quotidiana di laboratorio. Crogioli, tazze, spatole di tantalio non sono affatto insoliti "Bisogna avere nervi di tantalio..." La qualità unica del tantalio è la sua elevata compatibilità biologica, cioè la capacità di attecchire nel corpo senza causare irritazione ai tessuti circostanti . Questa proprietà è alla base dell'uso diffuso del tantalio in medicina, principalmente nella chirurgia ricostruttiva, per riparare il corpo umano.

Le piastre di questo metallo vengono utilizzate, ad esempio, per lesioni al cranio: coprono le rotture del cranio.INLa letteratura descrive un caso in cui un orecchio artificiale è stato realizzato da una piastra di tantalio e la pelle trapiantata dalla coscia ha attecchito così bene che presto l'orecchio di tantalio è stato difficile da rimuovere.distinguere dal presente.Il filo di tantalio viene talvolta utilizzato per compensare la perdita di tessuto muscolare. Utilizzando sottili placche di tantalio, i chirurghi rafforzano le pareti della cavità addominale dopo l'intervento chirurgico. Le graffette al tantalio, simili a quelle usate per cucire i quaderni, collegano saldamente i vasi sanguigni. Le reti di tantalio vengono utilizzate nella produzione di protesi oculari. I fili realizzati con questo metallo vengono sostituititendinie persino cucire insieme i nervi fibre. E se espressione Di solito usiamo “nervi di ferro” in portatile senso, le persone con i nervi al tantalio, di essere Forse, dovevi incontrarti In effetti, c'è qualcosa di simbolico nel fatto che è stata la parte del metallo, dal nome del martire mitologico, a spettare alla missione umana: alleviare la sofferenza umana. ..

Come viene separato il tantalio dal niobio.

La crosta terrestre contiene solo lo 0,0002% di Ta, ma molti dei suoi minerali sono conosciuti: oltre 130. Il tantalio in questi minerali, di regola, è inseparabile dal niobio, il che è spiegato dall'estrema somiglianza chimica degli elementi e dalle dimensioni quasi identiche dei loro ioni. La difficoltà di separare questi metalli ha ostacolato per lungo tempo lo sviluppo dell'industria del tantalio e del niobio. Fino a poco tempo fa venivano isolati solo con il metodo proposto nel 1866 dal chimico svizzero Marignac, che sfruttava la diversa solubilità del tantalato di fluoro di potassio e del fluoroniobato nell'acido fluoridrico diluito.

Negli ultimi anni hanno acquisito importanza anche i metodi di estrazione per isolare il tantalio, basati sulle diverse solubilità dei sali di tantalio e niobio in alcuni solventi organici. L'esperienza ha dimostrato che il metilisobutilchetone e il cicloesanone hanno le migliori proprietà di estrazione.Al giorno d'oggi, il metodo principale per produrre tantalio metallico è il fluorotantantatale di potassio fuso in crogioli di grafite, ghisa o nichel, che fungono anche da catodi. La polvere di tantalio si deposita sulle pareti del crogiolo.

Estratta dal crogiolo, questa polvere viene prima pressata in piastre rettangolari (se il pezzo è destinato alla laminazione in fogli) o in barre quadrate (per trafilatura), e poi sinterizzata. Di qualche utilità è anche il metodo sodico termico per produrre il tantalio . In questo processo, il fluorotantalato di potassio e il fluorotantalato metallico interagiscono:

K2 TaF 7 + 5Na → Ta + 2KF + 5NaF.

Il prodotto finale della reazione è il tantalio in polvere, che viene poi sinterizzato. Negli ultimi due decenni hanno iniziato ad essere utilizzati altri metodi di lavorazione delle polveri: fusione ad arco o ad induzione sotto vuoto e fusione a fascio di elettroni.

Articolo sul tema Proprietà chimiche del tantalio

Il tantalio è un tipo speciale di metallo che appartiene al gruppo nobile. Fu scoperto nel 1802, ma è considerato un elemento giovane. Nonostante la sua rarità, è ampiamente utilizzato non solo in gioielleria, ma anche nell'industria. È particolarmente comune nell'elettronica: quasi tutti i dispositivi lo contengono.

L'uso di massa di questo metallo è iniziato negli anni '40 del secolo scorso e continua ancora oggi. Ha guadagnato la sua popolarità grazie alle sue maggiori proprietà di resistenza. Inoltre, ha molte proprietà fisiche e chimiche uniche.

Proprietà fisiche e chimiche

Tra le proprietà fisiche di questo metallo, va sottolineato l'alto punto di fusione, che è di 3017 gradi Celsius, che lo distingue da molti analoghi. Per questo motivo viene utilizzato in aree in cui è richiesta una maggiore resistenza alle condizioni estreme. Allo stesso tempo, le caratteristiche del tantalio includono duttilità e durezza, una combinazione delle quali è piuttosto rara in natura.

Il punto di fusione del tantalio è 3017 °C.

Le proprietà del tantalio sopra menzionate consentono di lavorare il metallo senza troppi sforzi e creare le forme e le dimensioni richieste. La struttura speciale dell'atomo è molto importante per creare parti e meccanismi di strutture di maggiore responsabilità. Il tantalio si presta bene alla forgiatura e alla laminazione. In questo caso è possibile utilizzare con successo anche il metodo della deformazione a freddo. Dovrebbe essere evidenziata l'elevata conduttività termica.

Grazie alla sua elevata densità, il metallo può essere utilizzato per produrre piccoli ingranaggi e parti di apparecchi elettrici resistenti all'usura e che non si deteriorano dopo un lungo periodo di utilizzo.
In alcuni casi viene utilizzato come assorbitore di gas. Da evidenziare la configurazione elettronica: un metallo ha diverse proprietà di conducibilità elettrica nello stato normale e alle alte temperature.
Le parti in tantalio possono essere collegate mediante saldatura, saldatura o rivettatura. Il metodo di saldatura viene spesso utilizzato, poiché la qualità della saldatura è caratterizzata da elevata resistenza e resistenza allo stress fisico.
Tra le proprietà chimiche è da evidenziare l'elevata resistenza all'ossidazione e agli alcali. Tuttavia, una volta fuso, è parzialmente sensibile agli alcali. L'ossidazione è impossibile a temperature inferiori a 250 gradi.
Le proprietà chimiche di questo metallo sono molto simili al vetro. È quasi impossibile scioglierlo nell'acido, a meno che non si utilizzi l'acido fluoridrico e nitrico. Anche l'esposizione all'acido solforico non influisce sulla struttura e sulla forma del metallo. Sulla superficie potrebbe apparire solo una piccola pellicola. Inoltre non è soggetto a distruzione durante l'esposizione prolungata all'acqua di mare.
Presenza in natura e produzione del tantalio
Il tantalio, come elemento chimico, è molto raro in natura e costituisce solo lo 0,0002% della crosta terrestre. Si trova molto raramente nella sua forma pura, molto spesso nella composizione di vari minerali, in prossimità di un altro metallo: il niobio.
Depositi di questo elemento si trovano in molti paesi. Grandi giacimenti si trovano in Francia, Egitto, Cina e Tailandia. Ma i maggiori giacimenti di questo elemento si trovano in Australia. Il tantalio viene estratto in quantità superiori a 400 tonnellate all'anno. Allo stesso tempo, la necessità del suo utilizzo è in costante crescita, associata ad un aumento del volume delle apparecchiature elettriche prodotte utilizzando questo metallo. Sulla base di ciò, c'è un costante sviluppo di nuovi depositi.
Nel nostro Paese, la produzione di tantalio è concentrata nello stabilimento di magnesio di Solikamsk. Il metallo si ottiene dopo la lavorazione dei concentrati di loparite. In altri paesi vengono utilizzati anche altri minerali come rutilo, struverite, tantalite e columbite.
I maggiori produttori di questo metallo nel mondo sono gli Stati Uniti, il Giappone e la Cina. Il numero di produttori globali non supera le 40 aziende. Costo: da 1000 dollari al kg.
Leghe a base di tantalio
Grazie alle sue particolari proprietà fisiche, questo metallo nella sua forma pura viene spesso utilizzato nell'industria. Tuttavia, per aumentare la robustezza e la resistenza alle alte temperature, è possibile utilizzare leghe basate su di esso e aggiungere componenti di lega appropriati.
Le leghe di tantalio possono rimanere solide a temperature di circa 1700 gradi. Ciò è necessario quando si utilizzano composti di tantalio nel settore energetico, nell'industria chimica, nella produzione di strumenti di alta precisione e nella metallurgia. Molto spesso nella costruzione di razzi spaziali vengono utilizzate varie leghe.
Il tipo di componenti di lega utilizzati dipende dalle proprietà finali richieste. Per migliorare la qualità del lavoro, vengono utilizzati elementi che conferiscono alla lega proprietà di duttilità migliorate.

Va notato che molto spesso il tantalio nelle leghe viene utilizzato non come base, ma come componente di lega. La sua aggiunta a vari materiali consente una maggiore resistenza alle alte temperature e alla corrosione.

Circuito del condensatore al tantalio

Il tantalio TAV-10 è una lega ampiamente utilizzata basata su questo metallo. Viene prodotto con l'aggiunta di tungsteno, la cui quantità è di circa il 10%. Ciò si traduce in un materiale con una migliore resistenza al calore. Viene utilizzato per la produzione di elementi riscaldanti e per scopi medici, poiché i suoi componenti non irritano la pelle umana.
Applicazioni del tantalio
L'uso del tantalio non è limitato a un'area. Vale la pena evidenziare le aree in cui i prodotti al tantalio sono maggiormente utilizzati:
Metallurgia. Quasi la metà di questo metallo viene utilizzata nell'industria metallurgica. Ciò è dovuto al fatto che è facile da usare per creare varie leghe, in particolare acciai anticorrosivi resistenti alle alte temperature. Il filo di tantalio viene utilizzato in vari campi dove sono richieste maggiore robustezza e resistenza al calore. Il carburo di tantalio trova largo impiego anche nella produzione di crogioli per metalli refrattari.
Ingegnere elettrico. Circa il 25% viene utilizzato nella produzione di elettrotecnica ed elettrodomestici. I condensatori che utilizzano questo elemento sono caratterizzati da una maggiore stabilità operativa. Inoltre, in caso di distruzione della superficie del condensatore, si forma una pellicola di ossido di tantalio che lo protegge. Dovresti anche evidenziare elementi come anodi, catodi, lampade e altre parti metalliche, anch'esse prodotte sulla base.
Industria chimica. Un quinto del volume prodotto viene utilizzato nell'industria chimica. Ciò è dovuto al fatto che è resistente alla maggior parte degli acidi, sali e alcali.
Medicinale. Il tantalio in medicina viene utilizzato in settori come la chirurgia ossea e plastica. Gli elementi realizzati con questo materiale vengono utilizzati per fissare le ossa per ottenere una maggiore resistenza senza irritare il tessuto organico.
Sfera militare. Nella sfera militare vengono prodotti bersagli al tantalio e proiettili per proiettili cumulativi.
Strumentazione. Questo metallo viene utilizzato per la produzione di strumenti di precisione, apparecchiature di controllo e vari diaframmi, nonché strumenti per il vuoto, poiché si distingue per la sua proprietà di assorbimento del gas.
Energia nucleare. In questa zona il metallo funge da scambiatore di calore.

Va notato che l'ambito di applicazione del tantalio è limitato solo dal piccolo volume della sua produzione. Se il volume di produzione aumenta, l'ambito di applicazione si espanderà in modo significativo.

Il tantalio è un “metallo intelligente”

Il tantalio, le cui proprietà e caratteristiche si sono rivelate davvero uniche, è stato oggi definito un “metallo intelligente”.

Un po' di storia

Il tantalio fu scoperto nel 1802 dal chimico svedese A.G. Ekeberg studiò i minerali trovati e scoprì che contenevano un elemento allora sconosciuto, ma non riuscì a isolarlo nella sua forma pura. Il metallo sconosciuto prende il nome dall'eroe mitologico greco Tantalo. Per 4 decenni, i chimici credevano erroneamente che il tantalio e il niobio, conosciuti a quel tempo, fossero lo stesso elemento chimico. I chimici tedeschi riuscirono a ottenerlo nella sua forma pura nel 1903 e iniziò ad essere utilizzato attivamente per scopi industriali durante la seconda guerra mondiale.

Descrizione e proprietà del tantalio

Nella tavola periodica, questo metallo occupa la 73a posizione, designata Ta.

In condizioni normali ha un colore argenteo, simile nell'aspetto all'argento e ad alcuni altri metalli nobili. A causa dell'ossidazione nell'aria, si ricopre di una pellicola di ossido, si scurisce e diventa più simile al piombo. A temperatura ambiente l'ossidazione avviene molto lentamente, per cui il metallo conserva a lungo il suo colore caratteristico. L'ossidazione attiva nell'aria inizia a temperature superiori a 280°C.

Il metallo reagisce con gli alogeni a basse temperature, ma viene immediatamente ricoperto da una pellicola superficiale, che lo protegge da ulteriori reazioni in tutto il volume.

Il punto di fusione è relativamente alto, 3017°C. È molto più alto di quello di molti metalli. Per confronto:

piombo - 327°C;
alluminio - 660°C;
ottone - fino a 1000°C;
oro - 1064°C;
rame - 1083°C;
ferro - 1540°C.

A causa della massima resistenza del tantalio metallico, viene utilizzato in molti settori

Tra i materiali ampiamente utilizzati nell'industria, il tantalio ha un punto di fusione inferiore al tungsteno, per il quale questo valore è 3420°C.

La densità del tantalio è di 16.700 kg/m3; questo metallo è molto più denso dei comuni ferro e rame, per i quali è pari rispettivamente a 7870 e 8940 kg/m3. In termini di densità può essere paragonato all'oro, la cui densità è di 19.320 kg/m3. Il tantalio ha un'elevata durezza. Nonostante le sue proprietà, è un metallo molto duttile. Il materiale può essere steso fino ad uno spessore di 1 micron. Solo l'oro ha una tale plasticità.

Il materiale viene laminato senza riscaldamento, il che semplifica notevolmente la sua lavorazione. La resistenza meccanica può essere aumentata mediante indurimento a freddo. A temperature inferiori a -196°C la proprietà plasticità scompare e il metallo diventa fragile.

A causa delle sue proprietà magnetiche, il tantalio è classificato come paramagnetico. Le proprietà di un materiale paramagnetico si manifestano bene a temperature inferiori a 3420°C, allora il metallo diventa ferromagnetico.

Il tantalio ha la massima resistenza agli influssi ambientali aggressivi. Non viene distrutto dall'acido nitrico con una concentrazione del 70%. Non viene influenzato dall'acido solforico riscaldato a 150°C, ma quando la temperatura dell'acido aumenta fino a 200°C, il metallo comincia lentamente a deteriorarsi.

Questa resistenza anticorrosione del metallo, superiore a quella dell'acciaio inossidabile, lo ha reso indispensabile in numerosi processi produttivi.

L'elettrolisi viene utilizzata per separare i metalli preziosi dalle soluzioni e dalle fusioni dei loro sali. Ma i catodi su cui si depositano i metalli nobili vengono rapidamente distrutti. La sostituzione dei catodi realizzati con metalli convenzionali con tantalio ha reso il processo di elettrolisi molto più efficiente ed economico. Questo metodo viene utilizzato anche per isolare gli elementi delle terre rare dai minerali.

Il tantalio ha un'elevata compatibilità biologica ed è quindi ampiamente utilizzato in medicina. Le protesi e gli impianti realizzati con esso non hanno un effetto chimico sul corpo, non si ossidano e quindi non vengono rigettati dal corpo.

Il tantalio non può essere considerato un buon conduttore di corrente elettrica; la sua resistività a 20°C è di 0,13 Ohm*mm²/m, che è maggiore di quella del ferro (0,1 Ohm*mm²/m). Ma ha una temperatura di transizione allo stato superconduttore relativamente alta, pari a 4,5 K. A temperature più elevate, il vanadio (5,3K), il piombo (7,2K) e il suo “gemello” niobio (9,2K) entrano nello stato di superconduttività. Questa proprietà del tantalio lo ha reso richiesto nella produzione di superconduttori criotonici utilizzati nella tecnologia informatica elettronica. Nell'elettronica radio vengono utilizzati condensatori con piastre di tantalio. Si sono rivelati i più efficaci, ma possono funzionare a bassi valori di tensione.

Nell'industria militare, le leghe di tantalio vengono utilizzate per aumentare la potenza di penetrazione dei proiettili.

Per scopi scientifici e militari, gli isotopi radioattivi vengono utilizzati per creare sorgenti di radiazioni gamma. Gli isotopi radioattivi si trovano nei fossili, ma si trovano in concentrazioni molto più elevate nei rifiuti lasciati dai reattori nucleari.

Il tantalio viene utilizzato nella costruzione di protezioni per i reattori nucleari, poiché è uno dei pochi elementi che non viene distrutto dall'azione dei vapori di cesio.

Il carburo di tantalio viene applicato sulla superficie dell'utensile da taglio per conferirgli una resistenza speciale. Questo utensile viene utilizzato per tagliare e perforare materiali particolarmente durevoli durante la perforazione di pozzi profondi in rocce dure.

Grazie alla sua elevata robustezza, resistenza all'ossidazione e all'elevato punto di fusione, il tantalio viene utilizzato nella produzione di motori aeronautici e a razzo.

Le parti realizzate in tantalio durano decine di anni in più in ambienti aggressivi rispetto a quelle realizzate con altri materiali con elevata resistenza alla corrosione.

Tutte le caratteristiche fisiche del materiale possono essere modificate introducendovi additivi leganti.

Estrazione del tantalio

Grazie ai lavori di esplorazione sono stati rinvenuti nuovi giacimenti di tantalio metallico

La crosta terrestre contiene circa lo 0,0002% di tantalio, quindi è classificato come un elemento raro. Ma quasi tutti i paesi hanno depositi dei suoi composti. In Europa, i giacimenti più grandi e ricchi si trovano in Francia, mentre nella maggior parte dei paesi dell’ex Unione Sovietica sono presenti piccoli depositi. Tra i paesi africani, l’Egitto ha le maggiori riserve di materie prime. Ma i giacimenti più grandi e ricchi conosciuti e sviluppati fino ad oggi si trovano in Australia.

L'elemento si trova sotto forma di suoi stessi sali o fa parte di altri minerali. Nel secondo caso è necessariamente accompagnato dal niobio. I minerali possono essere stabili o radioattivi.

L'estrazione di questo metallo è di 420 tonnellate all'anno. I paesi leader nella produzione e nella lavorazione sono gli Stati Uniti e la Germania.

A causa della crisi globale, la domanda di tantalio è leggermente diminuita, ma dal 2010 è nuovamente aumentata. Recentemente sono stati condotti lavori di esplorazione attiva. Grazie a loro sono stati scoperti nuovi giacimenti negli Stati Uniti, in Brasile e in Sud Africa.