73 ГафнийТанталВольфрам
Nb

Ta

Db
ВодородГелийЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеонНатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргонКалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецЖелезоКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптонРубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийОловоСурьмаТеллурИодКсенонЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоРтутьТаллийСвинецВисмутПолонийАстатРадонФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклийКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБорийХассийМейтнерийДармштадтийРентгенийКоперницийНихонийФлеровийМосковийЛиверморийТеннессинОганесонПериодическая система элементов
73Ta
Unknown.svg
Electron shell 073 Tantalum.svg
Внешний вид простого вещества
Tantalum single crystal and 1cm3 cube.jpg
Тяжёлый твёрдый металл серого цвета
Свойства атома
Название, символ, номер Танта́л / Tantalum (Ta), 73
Атомная масса
(молярная масса)
180,94788(2)[1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация [Xe] 4f14 5d3 6s2
Радиус атома 149 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус 134 пм
Радиус иона (+5e) 68 пм
Электроотрицательность 1,5 (шкала Полинга)
Электродный потенциал 0
Степени окисления 5
Энергия ионизации
(первый электрон)
 760,1 (7,88) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.) 16,65[2] г/см³
Температура плавления 3290 K (3017 °C, 5463 °F)[2]
Температура кипения 5731 K (5458 °C, 9856 °F)[2]
Уд. теплота плавления 24,7 кДж/моль
Уд. теплота испарения 758 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 25,39[3] Дж/(K·моль)
Молярный объём 10,9 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки кубическая
объёмноцентрированая
Параметры решётки 3,310 Å
Температура Дебая 225,00 K
Прочие характеристики
Теплопроводность (300 K) 57,5 Вт/(м·К)
Номер CAS 7440-25-7
Эмиссионный спектр
Tantalum spectrum visible.png
73
Тантал
180,9489
4f145d36s2

Танта́л — химический элемент с атомным номером 73 в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, обозначается символом Ta (лат. Tantalum). При стандартных условиях представляет собой блестящий серебристо-белый металл[3] (со слабым свинцовым (синеватым) оттенком вследствие образования плотной оксидной плёнки).

История

Тантал открыт в 1802 году шведским химиком А. Г. Экебергом в двух минералах, найденных в Финляндии и Швеции. Однако в чистом виде выделить его не удалось. Из-за трудностей получения этот элемент был назван по имени героя древнегреческой мифологии Тантала.

В последующем тантал и «колумбий» (ниобий) считали тождественными. Лишь в 1844 году немецкий химик Генрих Розе доказал, что минерал колумбит-танталит содержит два различных элемента — ниобий и тантал.

Пластичный металлический тантал впервые получен немецким учёным В. Болтоном[en] в 1903 году.

Первый промышленный штабик тантала был получен в 1922 году, при этом он не превышал по величине спичечную головку. Тогда элемент начал применяться в выпрямителях тока и радиолампах. Активное производство тантала было развёрнуто в самом конце Второй Мировой войны.

Нахождение в природе

Тантал — редкий металл, в земной коре на его долю приходится 0,0002 %. В природе встречается в виде двух изотопов: стабильного 181Та (99,9877 %) и радиоактивного (вероятно) с периодом полураспада более 1015 лет 180mТа (0,0123 %). Последний является чрезвычайно стабильным изомером (возбуждённым состоянием) изотопа 180Та, период полураспада которого всего чуть более 8 часов[4].

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 расслоенным интрузиям.

Месторождения

Самые крупные месторождения танталовых руд находятся во Франции, Египте, Таиланде[3], Китае. Месторождения танталовых руд имеются также в Мозамбике, Австралии, Нигерии, Канаде, Бразилии, СНГ, ДРК, Малайзии[3].

Крупнейшее мировое месторождение танталовых руд, Гринбушес, расположено в Австралии в штате Западная Австралия в 250 км к югу от Перта[5].

Физические свойства

Тантал обладает высокой температурой плавления — 3290 K (3017 °C); кипит при 5731 K (5458 °C)[2]. Плотность тантала — 16,65 г/см³[2]. 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[3]. Обладает парамагнитными свойствами[3].

При температуре ниже 4,45 К переходит в сверхпроводящее состояние[3].

Химические свойства

При нормальных условиях тантал малоактивен, на воздухе окисляется лишь при температуре свыше 280 °C, покрываясь оксидной плёнкой Ta2O5; с галогенами реагирует при температуре свыше 250 °C. При нагревании реагирует с С, В, Si, P, Se, Те, Н2О, СО, СО2, NO, HCl, H2S.

Химически чистый тантал исключительно устойчив к действию жидких щелочных металлов, большинства неорганических и органических кислот, а также многих других агрессивных сред (за исключением расплавленных щелочей).

В отношении химической устойчивости к реагентам, тантал подобен стеклу. Тантал нерастворим в кислотах и их смесях, кроме смеси плавиковой и азотной кислот; его не растворяет даже царская водка. Реакция с плавиковой кислотой идёт только с пылью металла и сопровождается взрывом. Очень устойчив к воздействию серной кислоты любой концентрации и температуры (при 200 °C металл корродирует в кислоте лишь на 0,006 миллиметра в год)[6], устойчив в обескислороженных расплавленных щелочных металлах и их перегретых пара́х (литий, натрий, калий, рубидий, цезий).

Токсикология

ПДК 5 мг/м³.

Распространённость

Среднее содержание тантала (по массе):

  • в земной коре 2,5⋅10−4 %[3]
  • в ультраосновных породах 1⋅10−6 %
  • в основных породах 4,8⋅10−5 %
  • в кислых породах 3,5⋅10−4 %
  • в полукислых породах 7⋅10−4 %

Получение

Основным сырьём для производства тантала и его сплавов служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие около 8 % Та2О5, а также 60 % и более Nb2O5. Концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые — хлорируют. Разделение Та и Nb производят с помощью экстракции. Металлический тантал обычно получают восстановлением Ta2O5 углеродом, либо электрохимически из расплавов. Компактный металл производят вакуумно-дуговой, плазменной плавкой или методом порошковой металлургии.

Для получения 1 тонны танталового концентрата необходимо переработать до 3000 тонн руды.

Стоимость

Стоимость тантала — около 530 долл. за 1 кг (июль 2013)[7]. Особо чистый тантал (от 99,985 %) имеет цену порядка 4500 долл. за 1 кг[8].

Применение

Первоначально использовался для изготовления проволоки для ламп накаливания. Сегодня из тантала и его сплавов изготовляют:

  • жаропрочные и коррозионностойкие сплавы;
  • коррозионно-устойчивую аппаратуру для химической промышленности, фильерные пластины, лабораторную посуду и тигли для получения, плавки, и литья редкоземельных элементов, а также иттрия и скандия;
  • теплообменники для ядерно-энергетических систем (тантал наиболее из всех металлов устойчив в перегретых расплавах и парах цезия);
  • в хирургии листы, фольгу и проволоку из тантала используют для скрепления тканей, нервов, наложения швов, изготовления протезов, заменяющих повреждённые части костей (ввиду биологической совместимости);
  • танталовая проволока используется в криотронах — сверхпроводящих элементах, устанавливаемых в вычислительной технике;
  • в производстве боеприпасов тантал применяется для изготовления металлической облицовки перспективных кумулятивных зарядов, улучшающей бронепробиваемость;
  • тантал и ниобий используют для производства электролитических конденсаторов (более качественных, чем алюминиевые электролитические конденсаторы, но рассчитанных на меньшее напряжение);
  • тантал используется в последние годы в качестве ювелирного металла, в связи с его способностью образовывать на поверхности прочные плёнки оксида красивых радужных цветов;
  • ядерный изомер тантал-180m2, накапливающийся в конструкционных материалах атомных реакторов, может наряду с гафнием-178m2 служить источником гамма-лучей и энергии при разработке оружия и специальных транспортных средств.
  • Бюро стандартов США и Международное бюро мер и весов Франции используют тантал вместо платины для изготовления стандартных аналитических разновесов большой точности;
  • Бериллид тантала чрезвычайно твёрд и устойчив к окислению на воздухе до 1650 °C, применяется в авиакосмической технике;
  • карбид тантала (температура плавления 3880 °C, твёрдость близка к твёрдости алмаза) применяется в производстве твёрдых сплавов — смеси карбидов вольфрама и тантала (марки с индексом ТТ), для тяжелейших условий металлообработки и ударно-поворотного бурения крепчайших материалов (камень, композиты), а также наносится на сопла, форсунки ракет;
  • Оксид тантала(V) используется в атомной технике для варки стекла, поглощающего гамма-излучение. Один из наиболее широко применяемых составов такого стекла: двуокись кремния — 2 %, монооксид свинца (глет) — 82 %, оксид бора — 14 %, пятиокись тантала — 2 %;
  • В нумизматике. С 2006 год