Tantal (prvek)

Tantal
←  Hafnium | Wolfram  →
73 Nb ↑ Ta ↓ Db 73 Ta
Vzhled jednoduché látky
Ukázka krystalického tantalu
Vlastnosti atomu
Jméno, symbol, číslo	Tantal / Tantal (Ta), 73
Skupina , období , blok	5 (zastaralé 5), 6, d-prvek
atomová hmotnost ( molární hmotnost )	180,94788(2) [1]  a. e. m.  ( g / mol )
Elektronická konfigurace	[Xe] 6s 2 4f 14 5d 3 .
Elektrony ve skořápkách	2, 8, 18, 32, 11, 2
Poloměr atomu	149 hodin
Chemické vlastnosti
kovalentní poloměr	134  hodin
Poloměr iontů	(+5e) 68  hodin
Elektronegativita	1,5 (Paulingova stupnice)
Elektrodový potenciál	−1,12 [2]
Oxidační stavy	+5
Ionizační energie (první elektron)	760,1 (7,88)  kJ / mol  ( eV )
Termodynamické vlastnosti jednoduché látky
Hustota (v n.a. )	16,65 [3]  g/cm³
Teplota tání	3290 K (3017 °C) [3]
Teplota varu	5731 K (5458 °C) [3]
Oud. teplo tání	24,7 kJ/mol
Oud. výparné teplo	758 kJ/mol
Molární tepelná kapacita	25,39 [4]  J/(K mol)
Molární objem	10,9  cm³ / mol
Krystalová mřížka jednoduché látky
Příhradová konstrukce	Krychlové tělo centrované
Parametry mřížky	3,310  Á
Debyeho teplota	225,00  K
Další vlastnosti
Tepelná vodivost	(300 K) 57,5 ​​W/(m K)
Číslo CAS	7440-25-7
Emisní spektrum

Tantal ( chemická značka  - Ta , z lat.  Tantal ) je chemický prvek 5. skupiny (podle zastaralé klasifikace  - vedlejší podskupina páté skupiny, VB) šesté periody periodického systému chemických prvků D. I. Mendělejev s atomovým číslem 73.

Za standardních podmínek je tantal  brilantním přechodným kovem [4] stříbrnobílé barvy (s mírným olovnatým (namodralým) nádechem v důsledku tvorby hustého oxidového filmu).

Historie

Tantal objevil v roce 1802 švédský chemik A. G. Ekeberg ve dvou minerálech nalezených ve Finsku a Švédsku . Nebylo však možné ji izolovat v čisté formě. Kvůli obtížnosti získání tohoto prvku byl pojmenován po hrdinovi starověké řecké mytologie  - králi Tantalovi .

Následně byly tantal a „kolumbium“ ( niob ) považovány za identické. Teprve v roce 1844 německý chemik Heinrich Rose dokázal, že minerál columbit-tantalit obsahuje dva různé prvky – niob a tantal.

Plastický kovový tantal byl poprvé získán německým vědcem W. Boltonem v roce 1903.

První průmyslová tantalová tyč byla získána v roce 1922, přičemž velikost nepřesáhla hlavičku zápalky. Poté se prvek začal používat v usměrňovačích a rádiových elektronkách. Aktivní výroba tantalu byla nasazena na samém konci druhé světové války.

Být v přírodě

Tantal je vzácný kov, v zemské kůře tvoří 0,0002 %. Je známo asi 20 původních tantalových minerálů - řada columbit-tantalit , wojinit , loparit , manganotantalit a další, stejně jako více než 60 minerálů obsahujících tantal. Všechny jsou spojeny s tvorbou endogenních minerálů . V minerálech se tantal vždy nachází společně s niobem kvůli podobnosti jejich fyzikálních a chemických vlastností. Tantal je typicky rozptýlený prvek, protože je izomorfní s mnoha chemickými prvky. Ložiska tantalu jsou omezena na granitické pegmatity, karbonáty a alkalické vrstevnaté intruze.

Vklady

Největší ložiska tantalových rud se nacházejí ve Francii , Egyptě , Thajsku [4] , Číně . Existují také ložiska tantalových rud v Mosambiku , Austrálii , Nigérii , Kanadě , Brazílii , SNS , DRC , Malajsii [4] . V Rusku jsou ložiska tantalu v Murmanské oblasti , východní Sibiři , Zabajkalsku a Jakutsku [5] .

Největší světové naleziště tantalových rud, Greenbushes , se nachází v Austrálii ve státě Západní Austrálie , 250 km jižně od Perthu [6] .

Fyzikální vlastnosti

Kompletní elektronová konfigurace atomu tantalu je: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 3 .

Tantal má vysokou teplotu tání  - 3290  K ( 3017 °C ); vře při 5731  K ( 5458 °C ) [3] . Hustota tantalu je 16,65 g/cm 3 [3] . Navzdory vysokému bodu tání je tantal kujný jako zlato . Čistý tantal se dobře obrábí, snadno se lisuje, válcuje do drátu a nejtenčích plechů o tloušťce setin milimetru. Nekřehne ani při teplotě kapalného dusíku (-196 °C). V přítomnosti nečistot (uhlík, dusík, kyslík, vodík) se mechanické vlastnosti prudce zhoršují, a proto je problém získání ultračistého kovu obzvláště důležitý [7] . Tantal je vynikající getr (plynový getr), při 800 °C je schopen absorbovat 740 objemů plynu. Krystalová mřížka  je krychlová, tělesně centrovaná [4] . Má paramagnetické vlastnosti [4] .

Při teplotách pod 4,45 K přechází do supravodivého stavu [4] .

Izotopy

Známé izotopy tantalu s hmotnostními čísly od 155 do 190 (počet protonů  - 73, neutronů  - od 82 do 117) a více než 30 jaderných izomerů .

Přírodní tantal se skládá ze směsi stabilního izotopu a stabilního izomeru: 181 Ta (99,9877 %) a 180 m Ta (0,0123 %). Posledně jmenovaný je extrémně stabilní izomer (excitovaný stav) izotopu 180 Ta s poločasem rozpadu něco málo přes 8 hodin [8] .

Chemické vlastnosti

Za normálních podmínek je tantal neaktivní, na vzduchu oxiduje až při teplotách nad 280 °C a pokrývá se oxidovým filmem Ta 2 O 5 ; reaguje s halogeny při teplotách nad 250 °C . Při zahřívání reaguje s C , B , Si , P , Se , Te , H 2 O , CO , CO 2 , NO , HCl , H 2 S .

Chemicky čistý tantal je mimořádně odolný vůči tekutým alkalickým kovům , většině anorganických a organických kyselin a mnoha dalším agresivním médiím (s výjimkou roztavených alkálií).

S ohledem na chemickou odolnost vůči činidlům je tantal podobný sklu. Tantal je nerozpustný v kyselinách a jejich směsích, kromě směsi kyseliny fluorovodíkové a dusičné ; ani aqua regia ho nerozpustí . Reakce s kyselinou fluorovodíkovou probíhá pouze s kovovým prachem a je doprovázena výbuchem . Je velmi odolný vůči kyselině sírové jakékoli koncentrace a teploty (při 200 °C kov koroduje v kyselině jen o 0,006 milimetrů za rok) [9] , stabilní v odkyslicích roztavených alkalických kovech a jejich přehřátých parách (lithium, sodík, draslík , rubidium, cesium).

Toxikologie

MPC 5 mg/m³ .

Prevalence

Průměrný obsah tantalu (hmotnostní):

• v zemské kůře 2,5⋅10 −4  % [4]
• v ultramafických horninách 1⋅10 −6  %
• v bazických horninách 4,8⋅10 −5  %
• v kyselých horninách 3,5⋅10 −4  %
• v polokyselých horninách 7⋅10 −4  %

Získání

Hlavními surovinami pro výrobu tantalu a jeho slitin jsou koncentráty tantalitu a loparitu obsahující asi 8 % Ta 2 O 5 a také 60 % a více Nb 2 O 5 . Koncentráty se rozkládají kyselinami nebo zásadami, koncentráty loparitu se chlorují. Separace Ta a Nb se provádí extrakcí . Kovový tantal se obvykle získává redukcí Ta 2 O 5 uhlíkem nebo elektrochemicky z tavenin. Kompaktní kov se vyrábí vakuovým obloukem, plazmovým tavením nebo práškovou metalurgií .

Pro získání 1 tuny tantalového koncentrátu je potřeba zpracovat až 3000 tun rudy.

Cena

Cena tantalu je asi 218  $ za 1 kg (září 2019) [10] . Zejména čistý tantal (od 99,985 %) má cenu asi 3585 dolarů za 1 kg [11] .

Aplikace

Původně se používal k výrobě drátu do žárovek. Dnes se tantal a jeho slitiny používají k výrobě:

• žáruvzdorné a korozivzdorné slitiny;
• zařízení odolná proti korozi pro chemický průmysl, zvlákňovací trysky , laboratorní sklo a kelímky pro získávání, tavení a odlévání prvků vzácných zemin, jakož i yttria a skandia ;
• výměníky tepla pro jaderné energetické systémy (tantal je nejstabilnější ze všech kovů v přehřátých taveninách a parách cesia );
• v chirurgii se tantalové plechy, fólie a drát používají k upevnění tkání, nervů, šití, zhotovování protéz nahrazujících poškozené části kostí (kvůli biologické kompatibilitě), zhotovování ortopedických elektretů [12] ;
• tantalový drát se používá v kryotronech  - supravodivé prvky instalované ve výpočetní technice;
• při výrobě střeliva se tantal používá k výrobě kovového obložení pokročilých tvarovaných náloží, což zlepšuje průbojnost pancířem ;
• tantal a niob se používají k výrobě elektrolytických kondenzátorů (kvalitnější než hliníkové elektrolytické kondenzátory, ale určené pro nižší napětí);
• tantal se v posledních letech používá jako šperkařský kov, díky své schopnosti vytvářet na povrchu odolné oxidové filmy krásných duhových barev;
• Americký úřad pro standardy a Mezinárodní úřad pro váhy a míry Francie používají tantal místo platiny k výrobě vysoce přesných standardních analytických závaží;
• Beryllid tantalu je extrémně tvrdý a odolný vůči oxidaci na vzduchu až do 1650 °C , používaný v letecké technice;
• Karbid tantalu (bod tání 3880 °C , tvrdost blízká diamantu) se používá při výrobě tvrdých slitin  - směs karbidů wolframu a tantalu (indexové stupně TT), pro nejtěžší kovoobráběcí podmínky a příklepové rotační vrtání nejpevnější materiály (kámen, kompozity) a také aplikované na trysky, trysky raket;
• Oxid tantalu(V) se používá v jaderné technologii k tavení skla, které absorbuje gama záření . Jedno z nejpoužívanějších složení takového skla: oxid křemičitý - 2%, oxid olovnatý (kát) - 82%, oxid boritý - 14%, oxid tantaličný - 2%;
• v numismatice. Od roku 2006 vydává Národní banka Kazachstánu pamětní bimetalové mince 100 a 500 tenge ze stříbra a tantalu.

Viz také

• Columbit-tantalit

Poznámky

1. ↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg , Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang-Kun Zhu. Atomové hmotnosti prvků 2011 (IUPAC Technical Report  )  // Pure and Applied Chemistry . - 2013. - Sv. 85 , č. 5 . - S. 1047-1078 . - doi : 10.1351/PAC-REP-13-03-02 . Archivováno z originálu 5. února 2014.
2. ↑ Žáruvzdorné a legující prvky  (ruština)  ? . chem21. Datum přístupu: 29.01.2019.  (neurčitý)
3. ↑ 1 2 3 4 5 Tantal: fyzikální  vlastnosti . WebElements. Získáno 17. srpna 2013. Archivováno z originálu 2. ledna 2010.
4. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Chemická encyklopedie: v 5 tunách / Ed.: N. S. Zefirov (hlavní redaktor). - M . : Sovětská encyklopedie, 1995. - T. 4. - S. 494. - 639 s. — 20 000 výtisků.  - ISBN 5-85270-039-8.
5. ↑ Velkolepá osmička . Vzácné zeminy . Získáno 5. července 2020. Archivováno z originálu dne 25. února 2020. (neurčitý)
6. ↑ Velká ruská encyklopedie: Ve 30 svazcích / předseda vědeckého vyd. Rada Yu. S. Osipov. Rep. vyd. S. L. Kravets. T. 8. Grigorjev - Dynamika. - M .: Velká ruská encyklopedie, 2007. - 767 s.: obr.: mapy.
7. ↑ G. N. Fadějev. Pátá svislice. - Moskva: Vzdělávání, 1985. - S. 173. - 191 s.
8. ↑ Audi G. , Bersillon O. , Blachot J. , Wapstra AH Hodnocení jaderných a rozpadových vlastností NUBASE  // Nuclear Physics A. - 2003. - T. 729 . - S. 3-128 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 . - .
9. ↑ Venetsky S. I. Born in pain // Příběhy o kovech. - M .: Hutnictví, 1979. - S. 167. - 240 s. — 60 000 výtisků.
10. ↑ Tantal, USD/kg cena na světovém trhu . infogeo.ru. Získáno 17. srpna 2013. Archivováno z originálu dne 4. září 2013. (neurčitý)
11. ↑ Fakta o tantalovém prvku  . Chemicool.com. Získáno 17. srpna 2013. Archivováno z originálu dne 7. srpna 2013.
12. ↑ Aleksandrova S. A., Aleksandrova O. I., Khomutov V. P., Morgunov M. S., Blinova M. I. Vliv elektrického pole elektretu na bázi anodického oxidu tantalu na diferenciační vlastnosti stromálních buněk kostní dřeně u pacienta s osteoartrózou // Cytologie. - 2018. - č. 60(12). - S. 987-995.

Odkazy

• Tantal v populární knihovně chemických prvků

Slovníky a encyklopedie	Velká dánština Velká Katalánština Skvělý norský Velký Rus Brockhaus a Efron kanadský Malý Brockhaus a Efron Britannica (online) Treccani Universalis Universalis
V bibliografických katalozích	GND : 4059023-9 J9U : 987007558428505171 LCCN : sh85132346 NDL : 00572700