Тантал — свойства, применение, температура плавления

Обнаружение тантала датируется 1802 годом. Впервые миру он был представлен ученым А. Г. Экебергом. Он обнаружил в Финляндии и Швеции два минерала. Именно в их составе было это вещество. Однако отдельно выделить его в то время не получилось. Именно из-за столь высокой сложности его добычи в чистом виде его и назвали в честь одного из героев мифов Древней Греции. Сегодня этот элемент нашел свое широкое применение во многих отраслях промышленности.

Основные характеристики тантала:

• Порядковый номер73
• Атомный вес180,95
• Плотность16,6
• Радиус атома1,46
• Радиус пятивалентного иона0,69
• Электросопротивление13,5*10-5
• Температура плавления2997

Наличие растворенных газов в металлическом тантале сильно уменьшает его пластичность.Чистые металлы (99,9%) в отожженом состоянии хорошо поддаются механической обработке, легко (вхолодную) прокатываются ( в листы толщиной около 0,04 мм и в тонкую проволоку) и штампуются. Микротвердость металлического тантала 108 кг/мм2.

Наиболее ценным свойством, определяющим применение тантала, является в первую очередь его исключительная устойчивость по отношению к кислотам; тантал не растворяется в царской водке и концентрированной азотной кислоте. Тантал отличается особенной устойчивостью. Растворы щелочей почти не действуют на тантал.Совершенно не действуют на тантал также расплавы некоторых солей и различные органические соединения. Другим важным свойством металлического тантала является способность поглощать газы — водород, азот и другие — с образованием соответствующих твердых растворов, являющихся фазами внедрения. Растворимость водорда в тантале резко падает с повышением температуры.

Растворимость водорода в металлическом тантале в зависимости от температуры показана на графике слева.

Тантал растворяет также кислородв количестве до 0,8% по весу. Растворимость кислорода в тантале и ниобии при различных температурах подробно изучал ученый Стейболт., показавший ход изменения твердости с увеличением содержания кислорода в металле.

По- видимому, часть кислорода находится в металле в виде твердого раствора, а часть образует окисел.

Изучение систем тантал-водород и тантал-кислород особенно важно в связи с исследованиями по применению металла в качестве жаростойкого трудноплавкого конструкционного материала.

Технические особенности тантала

Прежде всего, стоит понимать, что тантал – это металл серого цвета с блестящим оттенком, который легко поддается обработке механическим способом.

Среди особенностей металла стоит отметить ряд следующих немаловажных аспектов:

• порядковый номер в таблице Менделеева – 73;
• атомный вес – 180;
• плотность вещества составляет 60 г/см3;
• температура плавления – 3015 0С;
• температура кипения вещества составляет 5300 0С.

Свойства металла

Благодаря указанным характеристикам тантал, несомненно, обладает следующими преимущественными свойствами:

1. Тантал является тугоплавким металлом, и, как следствие, элемент имеет следующие свойства:

• небольшой показатель линейного расширения;
• хороший уровень теплопроводности;
• высокая механическая прочность и пластичность.

2. Имеет отличные антикоррозийные качества. Стоит отметить, что тантал при нормальных условиях практически инертен к морской воде, но если она насыщена кислородом, то металл в этом случае всего лишь тускнеет.
3. Тантал имеет хорошую устойчивость к следующим видам солей:

• хлориды железа и меди;
• нитраты;
• сульфаты;
• соли органических кислот, однако, при условии, когда в своем составе не имеют фтора или фторидов.

4. Тантал начинает терять свои характеристики прочности, когда вступает в реакцию с фтором. Также стоит учесть тот факт, что тантал не вступает в химическую реакцию с бромом, йодом и жидким хлором, если не достигнута температура на уровне 150 0С.
5. Тантал достаточно устойчив к воздействию металлов жидкой структуры, имеющих низкую температуру расплавления.
6. Тантал имеет прекрасные характеристики устойчивости на воздухе при температуре до 400 0С, при этом появляется защитная пленка из окисла, возникающая в процессе хранения или обработки.
7. Тантал, выплавленный электроннолучевым способом, обладает увеличенным свойством пластичности, которое при деформации металла позволяет выполнять большую степень сжатий.
8. Хорошо преобразуется в листовой прокат, который хорошо поддается ковке.
9. Хорошо поддается обработке при холодной деформации. Однако нужно понимать, что этот металл не стоит деформировать в горячем состоянии, так как при нагреве тантал начинает поглощать азот, двуокись углерода, кислород, и, как следствие, материал стает достаточно хрупким.
10. Одной из основных операций по обработке тантала является резка материала на высокоскоростном оборудовании.

Что же касается соединения танталовых деталей, то оно может быть выполнено следующими способами:

• сварка;
• пайка;
• соединение с помощью клепок.

Здесь стоит взять во внимание тот факт, что последние два способа применяются достаточно редко, так качество сварных соединений тантала всегда остается на высоком уровне.

Немного истории

Тантал был открыт в 1802 г. Шведский химик А.Г. Экеберг изучал найденные минералы и обнаружил, что в них находится неизвестный в то время элемент, но выделить его в чистом виде он не смог. Неизвестный металл был назван в честь древнегреческого мифологического героя Тантала. На протяжении 4-х десятилетий химики ошибочно считали, что тантал и известный к тому времени ниобий — это один и тот же химический элемент. Получить его в чистом виде удалось немецким химикам в 1903 г, а в промышленных целях он начал активно использоваться в годы Второй мировой войны.

Коррозия металлического тантала в кислотах

Среда	Температура,°C	Длительность испытания, сутки	Скорость коррозии мг/дм3/сутки
Соляная кислота концентрированная	19-26	135	0,0
Азотная кислота концентрированная	19-26	135	0,0
Азотная кислота концентрированная	19-26	135	0,0
Серная кислота концентрированная	175	3 часа	3960,0
Насыщенный раствор щавелевой кислоты	96	90	0,1
Фосфорная кислота	145	90	0,05

Описание и свойства тантала

В периодической таблице этот металл занимает 73-ю позицию, обозначается Ta.

При нормальных условиях имеет серебристый цвет, внешне похож на серебро и некоторые другие благородные металлы. За счет окисления в воздухе покрывается оксидной пленкой, темнеет, становится более похожим на свинец. При комнатной температуре окисление протекает очень медленно, поэтому металл долго сохраняет свой характерный цвет. Активное окисление в воздухе начинается при температуре выше 280°С.

С галогенами металл вступает в реакции при низких температурах, но сразу покрывается поверхностной пленкой, которая защищает его от дальнейших реакций по всему объему.

Температура плавления относительно высокая, составляет  3017°С. Она намного выше, чем у многих металлов. Для сравнения:

• свинец — 327°С;
• алюминий — 660°С;
• латунь — до 1000°С;
• золото — 1064°С;
• медь — 1083°С;
• железо — 1540°С.

Благодаря высочайшей прочности металла тантала, его используют во многих отраслях производства

Среди материалов, широко используемых в промышленности, по температуре плавления тантал уступает вольфраму, у которого эта величина равна 3420°С.

Плотность тантала равна 16700 кг/м3, этот металл намного плотнее, чем распространенные железо и медь, у которых она равна соответственно 7870 и 8940 кг/м3. По плотности его можно сравнить с золотом, плотностью которого 19320 кг/м3. Тантал обладает высокой твердостью. Несмотря на свойства, это очень пластичный металл. Материал можно раскатать до толщины 1 мкм. Такой пластичностью обладает только золото.

Прокат материала проводится без нагревания, что значительно упрощает его обработку. Механическую прочность можно повысить наклепом. При температуре ниже — 196°С свойство пластичности исчезает, металл становится хрупким.

По магнитным свойствам тантал относят к парамагнетикам. Свойства парамагнетика хорошо проявляются при температурах ниже 3420°С, затем металл становится ферромагнетиком.

Тантал обладает высочайшей устойчивостью к агрессивным действиям среды. Его не разрушает азотная кислота с концентрацией 70%. На него не действует серная кислота, нагретая до 150°С, но при повышении температуры кислоты до 200°С начинается медленное разрушение металла.

Такая антикоррозийная стойкость металла, превышающая стойкость нержавеющей стали, сделала его незаменимым в целом ряде производственных процессов.

Для выделения драгоценных металлов из растворов и расплавов их солей применяется электролиз. Но катоды, на которые осаждаются благородные металлы, при этом быстро разрушаются. Замена катодов, изготовленных из обычных металлов, на танталовые сделала процесс электролиза намного эффективнее и дешевле. Этот способ применяется и для выделения из руд редкоземельных элементов.

Тантал обладает высокой биологической совместимостью, поэтому получил широкое применение в медицине. Протезы и имплантаты из него не оказывают химического воздействия на организмы, не окисляются, поэтому организмом не отторгаются.

К хорошим проводникам электрического тока тантал отнести нельзя, его удельное сопротивление при 20°С составляет 0,13 Ом*мм²/м, оно больше, чем у железа (0,1 Ом*мм²/м). Но он обладает относительно высокой температурой перехода в состояние сверхпроводимости, она равна 4,5К. При более высокой температуре в состояние сверхпроводимости переходят ванадий (5,3К), свинец (7,2К) и его «близнец» ниобий (9,2К). Это свойство тантала сделало его востребованным в производстве сверхпроводников криотонов, используемых в электронно-вычислительной технике. В радиоэлектронике используются конденсаторы с танталовыми обкладками. Они оказались самыми эффективными, но работать могут при небольших значениях напряжения.

В военной промышленности сплавы тантала используются для увеличения пробивной способности снарядов.

В научных и военных целях радиоактивные изотопы используются для создания источников гамма-излучения. Радиоактивные изотопы входят в состав ископаемых, но в гораздо большей концентрации они содержатся в отходах, остающихся после работы ядерных реакторов.

Тантал применяется при строительстве защиты ядерных реакторов, так как это один из немногих элементов, не разрушающихся от действия паров цезия.

На поверхности режущего инструмента для придания ему особой прочности наносится карбид тантала. Такой инструмент используется для резки и сверления особо прочных материалов, при бурении глубинных скважин в твердых породах.

Тантал благодаря высочайшей прочности, устойчивости к окислению и высокой температуре плавления используется в производстве авиационных и ракетных двигателей.

Детали, изготовленные из тантала, в агрессивных средах служат на десятки лет дольше, чем изготовленные из других материалов с высокой коррозийной стойкостью.

Все физические характеристики материала можно изменять, внося в него легирующие добавки.

Нахождение в природе

Тантал — редкий металл, в земной коре на его долю приходится 0,0002 %. Известно около 20 собственных минералов тантала — серия колумбит-танталит, воджинит, лопарит, манганотанталит и другие, а также более 60 минералов, содержащих тантал. Все они связаны с эндогенным минералообразованием. В минералах тантал всегда находится совместно с ниобием вследствие сходства их физических и химических свойств. Тантал — типично рассеянный элемент, так как изоморфен со многими химическими элементами. Месторождения тантала приурочены к гранитным пегматитам, карбонатитам и щелочным расслоённым интрузиям.

Месторождения

Самые крупные месторождения танталовых руд находятся во Франции, Египте, Таиланде, Китае. Месторождения танталовых руд имеются также в Мозамбике, Австралии, Нигерии, Канаде, Бразилии, СНГ, ДРК, Малайзии.

Крупнейшее мировое месторождение танталовых руд, Гринбушес, расположено в Австралии в штате Западная Австралия в 250 км к югу от Перта.

Физические свойства

Тантал обладает высокой температурой плавления — 3290 K (3017 °C); кипит при 5731 K (5458 °C). Плотность тантала — 16,65 г/см³. 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. Кристаллическая решётка — кубическая, объёмноцентрированная. Обладает парамагнитными свойствами.

При температуре ниже 4,45 К переходит в сверхпроводящее состояние.

Изотопы

Известны изотопы тантала с массовыми числами от 155 до 190 (количество протонов 73, нейтронов от 82 до 117), и более 30 ядерных изомеров.

Природный тантал состоит из смеси стабильного изотопа и стабильного изомера: 181Та (99,9877 %) и 180mТа (0,0123 %). Последний является чрезвычайно стабильным изомером (возбуждённым состоянием) изотопа 180Та, период полураспада которого всего чуть более 8 часов.

Производство тантала

Самыми большими запасами тантала обладает Австралия. Именно это государство по праву считается лидером по производству этого вещества.

Важно: В нашей стране тоже ест возможность добывать тантал. Однако есть ряд сложностей, которые объясняются труднодоступностью месторождений.

Производство тантала в России

В нашей стране уже многие производство тантала лежит на плечах Соликамского магниевого завода. Здесь данный металл получают из лопаритовых концентратов. Они поступают на завод из Ловозерского месторождения. В некоторых случаях для этой цели используется импортное сырье, которое представлено такими веществами, как рутил, колумбит, танталит, стрюверит.

Лидерами в области производства тантала являются Соединенные Штаты Америки, Китай и Япония. В мире насчитывается приблизительно сорок компаний, которые занимаются изготовления такого материала, как тантал. Крупнейшей фирмой по изготовлению этого металла является компания из Соединенных Штатов Америки Cabot Corporation. Ее филиалы открыты на территориях разных стран мира.

Тантал цена за грамм является достаточно не высокой. В среднем производители продают тантал в размере одного грамма за пол доллара. Килограмм обходится сегодня более одной тысячи долларов.

Соединения тантала с углеродом

Тантал образует карбиды различного состава. Карбиды тантала  существуют в двух модификациях. Наибольшее значение имеют монокарбиды тантала, которые могут быть получены разными способами: непосредственным соединением расплавленного металла с углеродом, восстановлением пятиокиси углерода при температурах 1600-1700 °C. По внешнему виду карбид тантала представляет собой золотисто — желтые кристаллы. Карбид тантала устойчив на воздухе до температур 1100-1400°C и с трудом растворяется в кислотах. Монокарбиды тантала применяются для изготовления некоторых марок твердых сплавов, для нагревательных элементов различных высокотемпературных  установок и для некоторых других целей.

Марки тантала

В большинстве случаев материал распространяется в чистом виде, однако, встречаются и сплавы с другими металлами.

• ТВЧ — тантал высокой чистоты, содержание Ta составляет 99,9%.
• Т — чистый тантал с 99,37% Ta и 0,5% Nb.
• ТВ — сплав Ta с W.

Соединения тантала с азотом, бором и кремнием

Нитриды тантала получаются при нагревании порошковидных металлов в токе азота или аммиака при высоких температурах. Тантал также образует нитриды, напоминающие по свойствам металлический тантал. Тантал образует ряд соединений с бором; особенно интересны дибориды тантала, обладающие очень высокими температурами плавления 3100 °C и устойчивые по отношению к кислота, причем тантал превосходит в этом отношении даже ниобий. С кремнием тантал образует три силицида. Силициды обладают высокой твердостью и высокими температурами плавления.

Достоинства / недостатки

Достоинства:
• обладает высокой температурой плавления;
• имеет хорошие механические и технологические свойства — твердый, прочный и пластичный металл;
• стоек к коррозии во многих химически агрессивных средах;
• обладает способностью поглощать газы;
• имеет хорошую совместимость с биологическими тканями.

Недостатки:
• низкий процент содержания в земной коре;
• очень высокая стоимость.

Сферы применения тантала

Указанные свойства дают возможность весьма широко применять его в разных сферах промышленности. Отметим подробно основные направления использования такого уникального материала, как тантал.

Металлургическая промышленность

Металлургия является основным потребителем этого металла. На металлургическую отрасль приходится потребление 45% производимого тантала.

Основное применение тантала заключается в ряде следующих немаловажных аспектов:

• металл является основным легирующим элементом при изготовлении жаропрочных и антикоррозийных марок стали;
• карбид тантала является надежной защитой для стальных форм в литейном производстве.

Электротехническая промышленность

Прежде всего, стоит отметить тот факт, что четвертая часть производимого в мире тантала используется в электротехнической отрасли промышленности. И это неудивительно, ведь с применением этого металла производятся следующие виды электротехнической продукции:

• танталовые конденсаторы электролитического вида характеризируются стабильностью своего функционирования;
• широко применяется при изготовлении таких конструктивных элементов ламп, как аноды, катоды косвенного накала и сетки;
• проволоку из тантала используют при производстве криотронных деталей, являющихся неотъемлемыми элементами вычислительной техники;
• из этого металла весьма успешно изготавливают нагреватели для печей с высокотемпературным режимом работы.

Интересный факт! Танталовые конденсаторы имеют свойство самостоятельно ремонтироваться. Например, при резком возникновении высокого напряжения искра разрушила изоляционный слой. В этом случае на месте возникшего дефекта моментально образуется изолирующая оксидная пленка, при этом конденсатор будет дальше функционировать в нормальном рабочем режиме!

Химическая отрасль

Нужно, в первую очередь, отметить тот факт, что 20% используемого тантала уходит на потребности химической промышленности. В частности, этот металл применяется в следующих случаях:

• производство следующих видов кислот:

1. азотная;
2. оляная;
3. серная;
4. фосфорная;
5. уксусная.

• изготовление перекиси водорода, брома и хлора;
• изготовление химоборудования следующих видов:

1. аэраторы;
2. дистилляционные установки;
3. змеевики разных видов;
4. мешалки;
5. клапана.

В медицинской отрасли используется не более 5% добываемого в мире тантала. В медицине этот металл весьма успешно применяется в пластической и костной хирургии, так из него изготавливают танталовые элементы для скрепления костей, наложение швов и прочее. Достигается это благодаря тому, что тантал не вредит жизнедеятельности организма, при этом не оказывает раздражения на живую ткань.

В военно-оборонном комплексе применяют при изготовлении боеприпасов в качестве металлической облицовки кумулятивных снарядов, что в значительной степени улучшает из бронестойкость.

В ювелирной отрасли металл в некоторых случаях может весьма успешно заменить платину. Из платины, как правило, изготовляются многие виды ювелирных украшений и корпуса для часов.

В приборостроении применяется при изготовлении точного контрольного оборудования, диафрагм различных типов и рентгеновского оборудования различных типов.

В ядерной энергетике тантал применяется при изготовлении теплообменников для ядерно-энергетических установок.

При изготовлении электровакуумных приборов также применяется благодаря свойству поглощать газы.

Таким образом, мы осветили все важные аспекты применения тантала в разных сферах промышленности.

Искренне надеемся, что изложенная информация, в значительной степени расширит ваш кругозор в вопросе применения тантала.

:

/5 — голосов

Аналитическая характеристика тантала

Методы определения малых количеств тантала было предложено весьма много. Тантал соосаждают с перекисью марганца, осадок сплавляют с бисульфатом натрия, растворяют в винной кислоте и определяют тантал фотоколориметрическим роданидным методом в ацетоно- водной среде. Соединение тантала при этом получается не окрашено.Для определения тантала раньше применялись только реакции с пирогаллолом, который дает желтое соединение с танталом в кислой среде, тогда как например ниобий в кислой среде окрашенного соединения не образует. Для определения тантала пирогаллолом подготавливается подготавливается в щелочной среде сульфит натрия для предотвращения возможного окисления. Пирогаллоловый метод был применен также для определения тантала в металлическом ниобии: после экстракции тантала последний удаляют выпариванием в кварцевом тигле в лучах инфракрасной лампы и остаток, после соответствующей обработки колориметрируют. Более высокой чувствительностью обладают новые органические реактивы, в частности арсеназо, позволяющий определять до 0,3 мкг тантала в миллилитре раствора. В прошлом столетии для определения тантала и ниобия применялись методы хлорирования с отгонкой получающихся хлоридов ниобия и тантала. В связи с трудностью разделения обоих металлов обычными мокрыми методами метод хлорирования может иметь некоторое значение. В 1962 году этот метод был предложен для разделения ниобия и тантала, причем хлорирование рекомендуется производить октохлорпропаном при 300 °C. При использовании метода нужно иметь в виду, что сильно прокаленные окиси тантала и ниобия не поддаются хлорированию. Для отделения тантала применяется метод ионного обмена и метод хроматографии на целлюлозе. Полярографические методы для тантала вообще неприложимы, так как он не восстанавливается ни на платиновом, ни на ртутном электроде.

Металлургия тантала

Существует множество химических реакций, по которым получение тантала из его окислов и галогеноидов оказывается термодинамически вероятным, однако почти весь промышленный тантал получают двумя методами : электролизом расплавленной смеси и натриетермическим восстановлением.  Металлический тантал, осаждающийся на катоде в виде кека с дендритной структурой, дробят, промывают водой и царской водкой. Порошок затем прессуют, спекают и окончательно переплавляют дуговой или электронно-лучевой плавкой в вакууме. При получении тантала натриетермическим методом в стальную бомбу со свободно лежащей крышкой укладывают слоями натрий. Реакция инициируется нагреванием с помощью кольцевых нагревателей, расположенных в верхней части бомбы, и постепенно распространяется на весь объем шихты. Бомбу охлаждают, непрореагирующий натрий выщелачивают спиртом, а порошок тантала промывают поочередно водой, царской водкой и плавиковой кислотой, прессуют, спекают и переплавляют. Как показали эксперименты, проведенные в лабораторном масштабе, экономичным способом получения пластичного тантала может также оказаться кролль-процесс, с успехом применяемый для промышленного производства титана, циркония и гафния.Тантал подобно алюминию может быть подвергнут анодному окислению. Образующийся при этом плотно прилегающий поверхностный слой обладает такими же свойствами, что и окисный слой на поверхности алюминия. Одним из первых промышленных применений листового пластичного тантала, в частности в США,  было использование его в качестве анодов и электролитических выпрямителей.Купить тантал по привлекательным ценам вы можете перейдя по ссылкам ниже.

Стоимость

Стоимость тантала — около 218 долл. за 1 кг (сентябрь 2019 г.). Особо чистый тантал (от 99,985 %) имеет цену порядка 3 585 долл. за 1 кг.

Купить тантал

В компании ТК Урал-Металл вы всегда можете приобрести продукцию из тантала по самым низким ценам на отечественном рынке. Продукция выпускаемая на современном иностранном оборудовании известных марок, с учетом соблюдения международных сертификатов качества ISO, отечественных ГОСТА и ТУ, самая конкурентоспособная во всем Уральском регионе. На сайте компании вы всегда можете заказать: танталовый пруток, танталовый лист, танталовую проволоку, танталовый круг, танталовую ленту, прокат из тантала и многое другое. Все ваши заказы мы принимаем и обрабатываем точно в срок. В нашей компании вы всегда можете приобрести тантал и его сплавы следующих марок: ТВЧ, ТВ, ТН.

1. Мы предлагаем следующую продукцию из тантала: танталовый круг, танталовый лист, танталовую проволоку, танталовую ленту.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...