Металл тантал: открытие, применение, будущее. Свойства атома тантала, химические и физические свойства

Что такое тантал?

Тантал добывается в разных частях планеты, но большая часть металла поступает из Южной Америки и Австралии. В месторождениях часто встречается с ниобием, а также с торием, ураном и другими радиоактивными элементами, поэтому после добычи нуждается в очистке от примесей. В чистом виде тантал представляет собой блестящий серебристый металл с голубым оттенком.
Тантал широко используется в производстве конденсаторов, резисторов высокой мощности и других электронных компонентов. Месторождения тантала быстро истощаются. Эксперты утверждают, что запасов металла осталось примерно на пятьдесят лет добычи. Это значит, что если в ближайшие годы не найдут новые богатые танталом месторождения, в недалеком будущем мы останемся без этого микроэлемента.

Путаница с металлами

История металла получилась очень запутанной. Долгое время его принимали за ниобий, и понадобилось больше 30 лет, чтобы доказать обратное. До начала XIX века оба металла не были известны науке. В 1801 году в Южной Америке был найден колумбий. Через год в Швеции и Финляндии Андерс Экеберг обнаружил минерал с частичками неизвестного металла, который назвал танталом в честь мифического персонажа.

В 1809 году Уильям Волластон сравнил два новых для химии вещества. Их свойства были очень похожи, из-за чего учёный заключил, что всё это один и тот же металл. Его выводы подтвердил Фридрих Вёлер, и с тех пор между колумбием и танталом ставили знак равенства.

В середине 40-х годов XIX века Генрих Розе усомнился в утверждениях своих предшественников. Он установил, что тантал и колумбий – отдельные элементы. Чтобы подчеркнуть схожесть металлов, он переименовал колумбий в ниобий в честь легендарной дочери Тантала. Позже выводы Розе неоднократно подтверждались, а ему самому часто приписывается открытие ниобия.

История открытия

Тантал относится к тяжелым металлам. Был открыт в 1802 году шведским химиком. Андерс Экеберг изучал образцы минералов и обнаружил новый химический элемент, который посчитал разновидностью колумбия (ниобия). Его долго не могли выделить в чистом виде, поэтому он получил название в честь Тантала, имя которого связано с выражением «Танталовы муки».

Впервые чистый металл получили в лаборатории лишь 100 лет спустя. Промышленное производство стартовало только в 1922 г. – была отлита первая заготовка, размером не более спичечной головки. Массовое использование нового вещества началось в конце 40-х годов прошлого столетия. И сейчас отмечается повышенный спрос на химический элемент №73.

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.

Физические и химические свойства

Среди физических свойств этого металла следует выделить высокую температуру плавления, которая составляет 3017 градусов Цельсия, что выделяет его среди многих аналогов. Благодаря этому его используют в тех сферах, где необходима повышенная устойчивость к экстремальным условиям. При этом к характеристикам тантала стоит отнести пластичность и твердость, сочетание которых довольно редко встречается в природе.

Температура плавления тантала 3017 °C.

Вышеупомянутые свойства тантала позволяют обрабатывать металл без особых усилий, создавать необходимые формы и размеры. Особое строение атома очень важно для создания деталей и механизмов конструкций повышенной ответственности. Тантал хорошо поддается ковке и прокату. При этом можно также успешно использовать метод холодной деформации. Следует выделить высокую теплопроводность.

Благодаря высокой плотности металл можно использовать для производства мелких шестеренок, деталей электроприборов, которые устойчивы к износу и не подвергаются разрушению после длительного периода использования.

В некоторых случаях его используют как поглотитель газа. Следует выделить электронную конфигурацию: металл имеет различные свойства электропроводности в обычном состоянии и при высоких температурах.

Соединение танталовых деталей можно проводить с помощью пайки, сварки или клепочным методом. Наиболее часто используют метод сваривания, так как качество сварного шва отличается высокой прочностью и стойкостью к физическому напряжению.

Внешний вид тантала

Среди химических свойств стоит выделить высокую устойчивость к окислению и воздействию щелочи. Однако, при расплавлении он частично подвержен воздействию щелочи. Окисление невозможно при температуре менее 250 градусов.

Химическими свойствами этот металл очень похож на стекло. Его практически невозможно растворить в кислоте, если не использовать плавиковую и азотную. Даже воздействие серной кислоты не влияет на структуру и форму металла. Возможно лишь появление небольшой пленки на поверхности. Также он не подвержен разрушению при длительном воздействии морской водой.

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.

Тантал — 73 элемент таблицы Менделеева

Тантал (по имени героя др.-греческого мифологии Тантала, осужденного на вечную неутолимую жажду; назван так из-за трудности получения его в чистом виде; лат. Tantalum)Ta, химический элемент V гр. периодической системы, атомный номер 73, атомная масса 180,9479. В природе два изотопа: стаб. 181Та (99,9877%) и радиоактивный 180Та (0,0123%, b-излучатели, Т1/2 1•1013 лет). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 2,13•10-27 м2. Конфигурация внешний электронных оболочек атома 5s25р65d36s2; степень окисления +5, значительно реже + 4, +3 и +2; энергии ионизации Та0 : Та+ : Та2+ соответственно 7,89 и 16,2 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,5; атомный радиус 0,146 нм, ионные радиусы, нм (в скобках указаны координац. числа): Та3+ 0,086(6), Та4+ 0,082(6), Та5+ 0,078 (6), 0,083 (7), 0,088(8).

Содержание Тантала в земной коре 2,5•10-4% по массе. Встречается в природе обычно вместе с Nb. Входит в состав несколько десятков минералов, представляющих собой тантало-нио-баты или титано-тантало-ниобаты. Важнейшие из них-колумбит-танталит и пирохлор (см. Ниобии), микролитемпературазновидность пирохлора с содержанием 55-74% Та2О5. ТАНТАЛ содержится также в касситерите (см. Олово), при переработке которого ТАНТАЛ переходит в шлаки восстановит. плавки (11-15%, иногда до 30% Та2О5). Месторождения ТАНТАЛ имеются в Нигерии, Канаде, Бразилии, СНГ, Австралии, Заире, Малайзии, Мозамбике и Таиланде. Общие мировые запасы ТАНТАЛ в 1980 оценивались в 254 тысяч т, в пром. месторождениях-около 65, 3 тысяч т.

Нахождение в природе и производство тантала

Тантал, как химический элемент, очень редко встречается в природе, составляет всего 0,0002% от земной коры. Очень редко встречается в чистом виде, чаще всего в составе различных минералов, в соседстве с другим металлом – ниобием.

Месторождения этого элемента встречаются в многих странах. Большие месторождения встречаются во Франции, Египте, Китае и Таиланде. Но наибольшие залежи этого элемента находятся в Австралии. Тантал добывается в размерах более чем 400 тонн ежегодно. При этом потребность в его использовании постоянно растет, что связано с увеличением объема производимой электротехники с использованием данного метала. Исходя из этого, наблюдается постоянная разработка новых месторождений.

В нашей стране производство тантала сосредоточено на Соликамском магниевом заводе. Металл получают после переработки лопаритовых концентратов. В других странах используют также другие минералы, такие как рутил, стрюверит, танталит и колумбит.

Крупнейшими производителями этого металла в мире являются США, Япония и Китай. Количество мировых производителей не превышает 40 фирм. Стоимость — от 1000 долларов за кг.

Тантал: факты и фактики

А. Мотыляев «Химия и жизнь» №5, 2019

Кто нашел тантал?

Это сделал швед Андерс Густав Экеберг, который после окончания в 1748 году Упсальского университета заинтересовался минералогией и открытием элементов. Например, он внес свой вклад в идентификацию бериллия в изумруде и берилле, подтвердил открытие гадолиния в черном минерале из карьера вблизи шведского Иттербю. В другом же минерале из Иттербю (сейчас его называют иттротанталит) исследователь и обнаружил новый элемент, который не удалось растворить ни в какой кислоте. Подивившись такой стойкости, Экеберг — а он с детства увлекался рассказами про древнегреческих героев — в 1802 году назвал новый элемент в честь сына Зевса Тантала, обреченного вечно претерпевать невыносимые страдания от жажды и голода.

Открытие Экеберга попытался закрыть англичанин Уильям Волластон: в 1806 году он утверждал, что нет разницы между танталом и ранее открытым колумбием. И это неудивительно, ведь различие между этими элементами ничтожно. Только в 1844 году немец Генрих Розе сумел распознать, что колумбий проявляет две степени окисления — +3 и +5, а вот тантал — только последнюю. Розе и переназвал колумбий ниобием в честь дочери Тантала — Ниобы, чем обеспечил изрядную путаницу: ИЮПАК только в 1943 году принял название Розе, американцы же до сих пор именуют спутника тантала колумбием. Надежно разделить эти два элемента, которые обязательно вместе присутствуют в минералах, сумел в 1866 году швейцарец Жан Маринья. Он использовал ничтожное химическое различие и заставил ниобий сформировать соль K2NbOF7, а тантал — K2TaF7. Растворимость первой гораздо выше, чем второй, отчего стало возможным разделение этих элементов. Как бы то ни было, отцом тантала считают Экеберга и танталовой медалью с его профилем награждают за успехи в изучении этого элемента.

Откуда берется тантал?

Из минералов, которые могут быть двух типов. Во-первых, те, что содержат тантал и ниобий. Если первого больше — это танталит, если второго — колумбит. Во-вторых, там может быть еще и титан; примером служит добываемый в Кольской области лопарит. Для производства тантала идет минерал с содержанием этого элемента в 20–30%. Когда там есть ниобий (а он обязательно есть), то его в расчет цены не принимают. Аналогично за колумбит, содержащий более 50% ниобия, платят только в соответствии с его содержанием, тантал же в цену не включают. Если переработчикам удается извлечь такой, сопутствующий, элемент, он им достается в качестве подарка. Однако у тантала есть еще спутники, крайне неприятные, — уран и торий. Из-за присущей им радиоактивности перевозить танталовый и ниобиевый концентраты приходится с повышенными мерами предосторожности. Главный источник тантала — Бразилия, где расположена крупнейшая шахта по добыче танталита — Мибра. Из нее ежегодно извлекают 220 тонн пентоксида тантала, или 15% современной мировой добычи. А совсем недавно ее доля была лишь 5–10% — кризис 2008 года сильно ударил по танталовой промышленности, и были закрыты шахты в Австралии, Канаде, Мозамбике. А в 2012 году из-за проблем с транспортировкой прекратила работать шахта и в Эфиопии: порты находятся в Сомали, а там гражданская война и пираты. Поэтому сейчас из крупных шахт остались еще Питинга в той же Бразилии, Ичунь в КНР и российская Ловозеро.

Как обстоит дело с производством тантала в РФ?

На Соликамском магниевом комбинате из лопаритового концентрата, добытого на шахте в Ловозере, получают практически весь отечественный тантал — 50 тонн в год в виде пентоксида тантала, который идет на производство электрических конденсаторов и твердых сплавов. До 1992 года советское производство тантала было сосредоточено на Ульбинском металлургическом заводе в Усть-Каменогорске, и в 1992 году он выдал 200 тонн металла в виде разного вида проката, однако впоследствии предприятие стало испытывать существенные трудности. Был еще завод в эстонском Силламяэ, но он отказался от лопарита из-за радиоактивности и сейчас выпускает 60 тонн тантала из бразильского и африканского сырья. О непростой судьбе отечественного танталового производства можно составить представление, проследив за историей Ловозерского горно-обогатительного комбината, которая изложена на сайте этого предприятия. Вот как она выглядит в кратком виде. Разрабатываемое им месторождение находится в заполярной тундре между Ловозером и Умбозером в Мурманской области. Геологи нашли его в середине 30-х, а в 1940 году заработала небольшая фабрика на северном склоне горы Аллуайв — фабрику и назвали по имени горы. В апреле 1941 года было принято решение о создании крупного металлургического комбината, для чего на строительство направили 17 тысяч заключенных — военнослужащих, побывавших в плену в ходе Финской кампании. Но вскоре началась война, строителей забрали на фронт, а неподалеку, в районе Сейдозера, организовали базу партизанского отряда. Только в 1947 году стройку Аллуайвского комбината возобновили, и в 1951 году он выдал первый лопаритовый концентрат. Производство быстро развивалось, были освоены два рудника — Карнасурт и Умбозерский, на западном склоне горы; построен поселок Ревда со школами, в том числе музыкальной, детскими садами и больницей. В 1957 запущен цех щелочных металлов, который выпускал особо чистые металлы, однако основную прибыль приносило выращивание монокристаллов из их соединений. Были открыты уникальные минералогические объекты — пегматитовые жилы, одна из которых получила характерное название — Шкатулка. Дело в том, что пегматит — это вулканическая лава, которая застывала в последнюю очередь; сформировавший ее расплав обогащен тугоплавкими элементами, и они порождают драгоценные камни и другие интересные минералы. Минералы, сложенные в Шкатулке, были уникальны; она известна геологам всего мира и представляет собой геологический памятник.

Но вот пришел 1991 год. С распадом СССР были разрушены производственные цепочки и комбинат остался без потребителей. Предприятие стало работать вполсилы, многие производства были закрыты. Цех щелочных металлов перешел на выпуск сувениров. К 1998 году кризис дошел до того, что работники комбината стали получать гуманитарную помощь из-за рубежа. Бедственное положение привело к массовым акциям протеста, и они дали некоторый успех: в результате переговоров правительственным чиновникам удалось наладить поставку лопаритового концентрата на Соликамский магниевый завод. Для выполнения контракта стали реанимировать один из рудников — Карнасурт. Вот как об этом вспоминает начальник обогатительной фабрики «Умбозеро» И. Б. Конюхов: «У нас кампания по запуску карнасуртской фабрики в шутку называлась „факельным шествием“. Мороз, костры в цехе, а люди с факелами ходят, чтобы замерзшие трубы отогреть. Фабрика уже, по сути, два лета подряд не крутилась, неизвестно было, где какой металл „устал“, как поведет себя под нагрузкой. В кратчайшие сроки специалисты привели хозяйство в норму». Однако с возобновлением производства бедствия не закончились. Так, в сентябре 2009 года через устье ствола шахты рудника Умбозеро хлынула вода — за месяц до этого из-за банкротства рудника на нем отключили электричество и, соответственно, насосы. Шахтные воды заполнили нижние горизонты и выходили на поверхность через транспортные ходы. Так была затоплена знаменитая Шкатулка. Тем не менее в 2008 году производство вышло на стабильный уровень в 9 тысяч тонн ежегодно, что весьма примечательно, если вспомнить печальную судьбу шахт Австралии, Канады, Мозамбика, закрытых как раз после 2008 года.

Теплообменник с танталовыми трубами

Где еще добывают тантал?

Есть два важных источника. Первый — мелкие шахты, копанки, — кустарные разработки, которыми занимаются жители Демократической Республики Конго. Считается, что объем такого, добытого вручную из речных наносов, танталита, значительный, однако точных подсчетов сделать невозможно. Такой способ добычи, конечно, опасен для здоровья людей, ведь танталит радиоактивен. Но это не главная беда. Проблема в том, что доход от продажи танталита долгое время шел на финансирование деятельности военных Руанды, которые во время многолетнего конфликта поддерживали повстанцев из племени тутси в их борьбе с конголезским правительством. Этот конфликт унес с 1998 года почти 6 млн жизней людей. Побочной жертвой конфликта оказались гориллы — залежи танталита распложены как раз в местах их обитания. Национальные парки, созданные для защиты горилл, были разграблены, а самих животных работники рудников время от времени отстреливают и употребляют в пищу. Мировое сообщество пытается бороться с конголезским копанками, однако не очень успешно — видимо, у такого тантала очень привлекательная цена.

Второй важный источник: вторсырье. После кризиса 2008 года его доля заметно выросла и составляет сейчас 30% от общего объем производства. Получают тантал и при переработке шлака, образующегося от выплавки олова, а плавят его в Бразилии, Малайзии и Таиланде: такой шлак дает до 20% металлического тантала.

Как выделяют тантал из руды?

Сложным химическим процессом. Концентрат можно обработать кислотами — серной и плавиковой, получить раствор, где будет множество элементов — от урана и тория до тантала и ниобия; затем в несколько стадий раствор разделяют. А можно превратить тантал-ниобий-титан в газ за счет реакции с хлором и уже затем эти газы как разделять между собой, так и очищать от опасных примесей вроде того же тория. На выходе получается порошок металла, который либо сразу используют, либо сначала чистят, а потом пускают в дело.

Где применяют тантал?

У него есть три большие области использования. Прежде всего, это электроника. Из тантала делают прекрасные электрические конденсаторы, при этом обкладками служит металлический тантал, а разделяющим их диэлектриком — его оксид. Миниатюрные — толщина слоя оксида исчисляется нанометрами, выдерживающие высокие вибрации, работающие при температуре от −55 до 200°C, они есть везде. Это слуховые аппараты, системы активации подушек безопасности автомобиля и прочая автоэлектроника, приемники GPS, ноутбуки, смартфоны, видеокамеры, телевизоры — список далеко не полон. Оксид титана входит в состав стекол для оптики — от видеокамер до тех же телефонов: у такого стекла высокие показатели преломления, что позволяет уменьшать толщину линз. Вторая важная область — химически стойкое оборудование. Из тантала делают трубопроводы, теплообменники, сосуды для химической промышленности — по своей стойкости он соперничает со стеклом, многократно превосходя его по механическим свойствам. Тантал же незаменимый компонент жаростойких никелевых сверхсплавов для турбин электростанций и реактивных двигателей, его содержание в них может достигать 10%. Еще тантал вместе с вольфрамом входит в состав быстрорежущих сплавов и других твердых материалов. А третья важная область — это медицина, а именно изготовление имплантов. Медиков в тантале привлекают два обстоятельства: его высочайшая коррозионная стойкость и способность ускорять развитие клеток, оказавшихся на его поверхности. Есть у тантала и отрицательная черта: он слишком жесткий. Поэтому целиком из него импланты для лечения как зубов, так и суставов конечностей не делают, а наносят пористое покрытие из спеченного танталового порошка. В таком качестве этот металл оказывается серьезным конкурентом титану — танталовый имплант вызывает меньше осложнений.

Коленная чашечка, спеченная из танталового порошка на 3D-принтере

Чем вызвано благотворное влияние тантала на живые клетки?

Этот вопрос пока остается без ответа. Вот один из экспериментов, в котором прямо была поставлена задача найти ответ. В принципе способность материала ускорять развитие помещенных на него клеток может зависеть от нескольких факторов, прежде всего от физико-химических свойств и от морфологии поверхности. Покрытия из обоих конкурентов — пористого тантала и пористого титана — очевидно, имеют разный рельеф поверхности. Чтобы убрать этот фактор из рассмотрения, исследователи из шанхайского Шестого народного госпиталя в 2022 году специально сделали образцы из отполированных до зеркального блеска титана и тантала. Такой чистый эксперимент показал: действительно, ускорять рост клеток — черта, присущая танталу как химическому элементу; по динамике развития живой ткани он опередил металл-конкурент на треть. Видимо, продолжая расследование, уже в 2022 году исследователи из того же госпиталя установили, что танталовое покрытие на титане обладает прекрасными антибактериальными свойствами, но только после вживления в организм: при исследовании в чашке Петри микробы чувствовали себя на нем вполне комфортно. Наблюдение показало, что покрытие активизирует систему врожденного иммунитета: усиливает способность нейтрофилов поглощать бактерии и увеличивает производство сигнальных молекул другими участниками иммунного ответа — макрофилами. Загадка же состоит в том, что тантал — коррозионностоек. И, более того, покрыт пленкой прочнейшего оксида. То есть никакое проникновение ионов или атомов тантала в живые клетки совершенно невозможно. И где же тот действующий фактор, который ускоряет развитие костной ткани на танталовом импланте? Единственное, что приходит в голову, — электрическая активность: танталовая подложка как-то по-своему сказывается на собственных электрических полях живой клетки, вызывая наблюдаемые последствия. Может быть, когда-нибудь медикам удастся проверить эту гипотезу.

Танталовые пластины и шурупы для ремонта черепа

Ожидает ли нас в будущем дефицит тантала?

Скорее всего, нет: эксперты оценивают рост его потребления как умеренный. Более того, борьба с углекислым газом ведет к сокращению сжигания ископаемого топлива и, соответственно, к сокращению потребности в жаропрочных материалах, а это важная область использования тантала. Производство машин требует большого числа самых разных металлов, однако в будущем для защиты климата автомобили должны перейти с бензина на электропитание. А как показывает практика, время жизни электромобиля в полтора-два раза больше, чем у собрата с двигателем внутреннего сгорания. То есть потребность в новых автомобилях растет с меньшей скоростью, чем численность населения, и это накладывает ограничения на рост потребности в тантале. В результате если сейчас мир потребляет 1,2 тысяч т тантала в год, то в 2050-м ему потребуется 2,2–8,2 тысяч т, если борьба за климат останется на бумаге, и 2,3–6,3 тысяч т если все-таки удастся выполнить цели Парижского соглашения и удержать к этому времени потепление в пределах двух градусов. Так ли уж этот рост умерен? Сравним с неодимом, без которого в альтернативной энергетике не обойтись, — из сплава NdFeB делают постоянные магниты для электрогенераторов. Сейчас используют 23 тыс. тонн этого металла, а в 2050-м при относительно успешной борьбе с потеплением прогноз дает 78–450 тысяч тонн.

Месторождения и добыча

Доля тантала в земной коре — 0,0002 %, что делает его редким металлом. В природе он очень рассеян и присутствует только в виде двух изотопов: тантал 181 и тантал 180. Последний – радиоактивен и совершает полураспад за 1015 лет.

У металла 20 собственных минералов (воджинит, лопарит, колумбит-танталит), и около 60, в которых он часто содержится. Его постоянным спутником является ниобий, он присутствует во всех породах с танталом. Но они довольно редко оказываются пригодны для промышленного освоения. Наиболее используемый минерал — колумбит-танталит.

Производство тантала не всегда выгодное дело. Самые большие месторождения металла находятся в Бразилии, Австралии, Нигерии, США, Франции, Египте. Они также есть в Мозамбике, Таиланде, Демократической Республике Конго, России.

В некоторых странах Африки добыча металла происходит кустарными способами. За владение землями с месторождениями дорогих ископаемых часто происходят вооруженные конфликты. Так как востребованность тантала только увеличивается, он периодически тоже оказывается в центре этих событий. В частности, «танталовыми войнами» за последние десятилетия прославилась Республика Конго. В 2022 году килограмм металла на мировом рынке оценивается примерно в 320 долларов.

Особенность добычи тантала

Та встречается в природе в минерале колумбит-танталит, который встречается в танталовых месторождениях в Австралии, Бразилии, Мозамбике, Таиланде, Португалии, Нигерии, Заире и Канаде. Для отделения Та от ниобия требуется либо электролиз, либо восстановление фтортанталата калия натрием, либо взаимодействие карбида с оксидом.

За последние 15 лет источник добычи Та изменился. Это связано с тем, что он находился в основном в Австралии, но добычу ведут преимущественно в Руанде и ДР Конго, что вызывает обеспокоенность по поводу его статуса в качестве конфликтного минерала в охваченных войной странах. Закон Додда-Франка означает, что компании должны отслеживать источник этих полезных ископаемых и использовать только аккредитованные ресурсы. Полезные ископаемые, используемые для финансирования вооруженных повстанцев и насилия, встречаются во всем мире. К ним относятся олово, вольфрам и тантал, присутствующих во многих остро популярных товарах, например, как смартфоны и ноутбуки.

Тантал обнаружен в залежах твердых пород, таких как граниты, карбониты и пегматиты — магматическая порода, состоящая из крупного гранита. Он не относится к широко распространённым металлам на планете, а добыча его сложна. Та происходит от переработки и рафинирования танталита — это общее название для любой его содержащей минеральной руды.

Большинство танталовых рудников находятся в открытых карьерах, некоторые находятся под землей. Процесс добычи Та включает взрыв, дробление и транспортировку полученной руды. Затем руда концентрируется на или вблизи площадки шахты, чтобы увеличить процентное содержание по весу оксида тантала и ниобия. Материал концентрируется с помощью методов мокрой гравитации, электростатики и электромагнетизма.

Танталовый концентрат транспортируется в процессор для химической обработки. Затем его обрабатывают смесью плавиковой и серной кислот при высоких температурах. Это приводит к тому, что Та и ниобий растворяются в виде фторидов. Концентрат переводят в жидкий раствор. Суспензия фильтруется и далее обрабатывается экстракцией растворителем.

Использование метилизобутилкетона (MIBK) или жидкого ионного обмена с применением аминного экстрагента в керосинах дает высокоочищенные растворы тантала и ниобия. Наконец, оксид тантала восстанавливается расплавленным натрием с образованием металлического Та.

Характеристика и свойства металла

Та представляет собой тяжелый сине-серый металлический элемент с температурой плавления 3 017 С. Он обладает отличной коррозионной стойкостью, хорошей пластичностью и устойчив к большинству кислот. В электронике он составляет основу высокопроизводительных конденсаторов, в химическом производстве, где при легировании железом обеспечивает превосходную коррозионную стойкость металлам, используемых в агрессивных средах, таких как нефте- и газопроводы. Свойства тантала в алюминиевых сплавах предотвращают окисление, позволяя безопасно использовать более легкие компоненты. Благодаря высокой температуре плавления его применяют для цементирования карбида вольфрама в станках и в сплавах для лопастей турбины реактивного двигателя.

Химические свойства:

• Атомный номер: 73;
• атомный вес: 180,94788;
• температура плавления: 3290 К (3017 C или 5463 F);
• точка кипения: 5731 К (5458 С или 9856 F);
• плотность: 16,4 грамм /см3;
• фаза при комнатной температуре: твердый;
• классификация элементов: металл;
• номер периода: 6;
• номер группы: 5;
• название группы: нет.

Слиток тантала

Кристаллическая решётка тантала:

Сплавы

В основном покупают чистый тантал, но есть в продаже и сплавы.

В их состав входят гафний, ниобий, вольфрам, молибден. Такие сплавы по структуре аналогичны ниобиевым однофазным сплавам.

Больше всего в промышленности востребован сплав с вольфрамом (ТВ-5, ТВ-10, ТВ-15).

Сплавы из карбидов тантала (химическая формула Ta4HfC5) и вольфрама незаменимы для бурения самых твердых пород.

В авиакосмической промышленности весьма востребован бериллид тантала.

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.

Плюсы и минусы

Проволока из тантала

Металлопрокат в целом является наиболее обширной формой представления данного материала на рынке. Существенную нишу в сегменте занимает проволока. Она необычна тем, что благодаря скромным размерам может использоваться как нить. Это объясняет ценность тантала для медицинской сферы – изделия такого рода применяются для накладывания швов и повязок. Но это лишь пример, демонстрирующий одно из отличительных качеств такой проволоки. Более крупные форматы применяются в машино-, авиа-, станкостроении и капитальном строительстве. Причем в зависимости от назначения может использоваться мягкий и твердый металл. Тантал, благодаря податливости с точки зрения обработки, позволяет выпускать длинную проволоку от 1500 см при толщине от 0,15 мм и более. На готовых изделиях, как отмечают пользователи, редко встречаются заусенцы, трещины и прочие дефекты. Однако тонкая структура все же накладывает требования на условия хранения и транспортировки – в частности, проволоку не рекомендуется подвергать контактам с влагой и агрессивными средами.

Минералы, производство

Наш элемент — металл редкий, в природе встречается в виде танталовой руды (общая формула (Fe,Mn) [(Nb,Ta)O3]2.

Предварительный этап для любого способа — получение концентратов из руды.

Есть несколько способов получения чистого продукта:

1. Карботермический метод.
2. Na-термическое восстановление из фторидов.
3. Al-термический метод.
4. Методом электролиза.

Познавательно: тантал и ниобий — всегда рядом, во всех минералах и рудах; их трудно отличить. Сложность производства в разъединении этих металлов.

Виды продукции:

• порошок;
• проволока;
• прутки;
• фольга;
• листы.

Познавательно: в промышленном тантале всегда присутствует ниобий.

Получение

Основным сырьём для производства тантала и его сплавов служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие около 8 % Та2О5

, 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.

Сплавы на основе тантала

Благодаря особым физическим свойствам данный металл в чистом виде очень часто используется в промышленности. Однако для повышения прочности и устойчивость к высоким температурам могут использоваться сплавы на его основе, добавляться соответствующие легирующие компоненты.

Сплавы тантала могут сохранять твердое состояние при температуре около 1700 градусов. Это необходимо при использовании соединений тантала в энергетической сфере, химической промышленности, производстве приборов повышенной точности и металлургии. Очень часто различные сплавы используются при строении космических ракет.

Тип используемых легирующих компонентов зависит от требуемых конечных свойств. Для повышения качества работ используют элементы, придающие сплаву улучшенные свойства пластичности.

Следует отметить, что очень часто тантал в сплавах используется не как основа, а как легирующий компонент. Его добавление к различным материалам позволяет добиться повышенной устойчивости к высоким температурам и коррозии.

Схема танталового конденсатора

Конденсаторы с танталом

Тантал ТАВ-10 – широко используемый сплав на основе этого металла. Его производят с добавлением вольфрама, количество которого в составе около 10%. Благодаря этому получается материал с улучшенными показателями жаропрочности. Его применяют для производства нагревательных элементов и в медицинских целях, так как его компоненты не раздражают кожный покров человека.

Применение тантала

Применение тантала не ограничивается одной сферой. Следует выделить сферы, в которых наиболее широко используются изделия из тантала:

1. Металлургия. Практически половина этого металла используется в металлургической промышленности. Это связано с тем, что его легко использовать для создания различных сплавов, особенно антикоррозийных марок стали, устойчивых к высоким температурам. Проволоку из тантала используют в различных сферах, где требуется повышенная прочность и жаростойкость. Также широко используется карбид тантала при производстве тиглей для тугоплавких металлов.
2. Электротехника. Около 25% применяет при производстве электротехники и электроприборов. Конденсаторы с использованием этого элемента отличаются повышенной стабильностью функционирования. Причем в случае разрушения поверхности конденсатора, образуется пленка из оксида тантала, которая защищает его. Также следует выделить такие элементы, как аноды, катоды, лампы и другие металлические детали, которые также производятся на его основе.
3. Химическая промышленность. Пятая часть производимого объема применяется в химической отрасли. Это связано с тем, что он устойчив к воздействию большинства кислот, солей и щелочей.
4. Медицина. Тантал в медицине применяется в таких отраслях, как костная и пластическая хирургия. Элементами из этого материала скрепляют кости для достижения повышенной прочности без раздражения органической ткани.
5. Военная сфера. В военной сфере производят мишени из тантала и оболочку кумулятивных снарядов.
6. Приборостроение. Этот метал применяется для производства точных приборов, контрольного оборудования и различных диафрагм, а также вакуумных приборов, так как он отличается свойством поглощения газов.
7. Ядерная энергетика. В этой сфере металл выступает в качестве теплообменника.

Следует отметить, что сфера применения тантала ограничивается лишь малым объемом его добычи. Если объем добычи вырастет, область применения значительно расширится.

Сферы применения

Тантал — важный материал для разработки высоких технологий. Сегодня металл используют в электронике для создания конденсаторов. Их можно сделать очень маленькими, что удобно для производства гаджетов. Поэтому танталовые конденсаторы присутствуют практически в любых смартфонах, ноутбуках и планшетах.

Внутреннее удельное сопротивление металла почти как у стали, поэтому применение тантала логично там, где нужна высокая температура. Его используют в различных нагревательных элементах, например, для высокотемпературных печей.

Кроме того, металл полезен для изготовления линз. Добавление его оксида в стекло повышает их оптические качества. Из тантала с добавлением титана делают жаропрочные сплавы, стойкие к коррозиям. Из его карбида изготавливают инструменты для резки металлов.

Подходит он и для производства фильеров, лабораторной посуды, авиакосмической техники. В последнее время, тантал всё больше завоёвывает славу ювелирного металла и применяется для изготовления украшений.

Трубная продукция

Отдельной отраслью, использующей танталовые трубки, теплообменники выступает атомная энергетика. Обладая высокой жаропрочностью, низким сечением захвата нейтронов, элемент долгое время занимал основную долю в конструкционном материале ядерных установок.

Теплообменник из танталовых труб на одной из АЭС

Сегодня, тантал вытесняется из этой отрасли ниобием. Однако сдавать, списанные из атомно-энергетической сферы, танталовые изделия вряд ли получится в силу комплекса препятствий:

• запрет на реализацию;

• невозможность достать этот вид вторичного металла;

• угроза для здоровья.

Напротив, исключительная инертность тантала относительно кислот находит применение редкому металлу в химической и лабораторной целях. Из танталовых трубок изготавливаются змеевики, магистрали для подачи соляной кислоты, мешалки. Некоторые разновидности лабораторной посуды также исполнены из этого материала. Несмотря на долгие термины службы, окупающие высокую стоимость танталовой продукции, изделия со временем изнашиваются и подлежат замене. Некоторая часть списанной трубной продукции успевает просочиться на пункты приема металлолома.

Изделия из тантала

Остается добавить, что не все трубы изготовлены из марки высокочистого тантала ТВЧ. Существенный процент этих изделий исполнен из сплава этого металла с вольфрамом. Марки этих жаропрочных соединений ТВ-5 (10,15) содержат тантала на уровне 95 – 85%.

Лента из тантала

Этот формат выпуска металлопроката также имеет широкое распространение. Ленты применяются в той же медицине, в нефтяной промышленности, машиностроении и даже в энергетической отрасли. Потребители ценят этот продукт за биосовместимость, высокую прочность при тонкой структуре, хорошую обрабатываемость и стойкость к процессам коррозии. Если сравнивать подобные изделия из тантала с аналогами из стали или алюминия, то на первый план выйдет износостойкость и долговечность. Лента способна выдерживать большие нагрузки на разрыв и химические воздействия. С другой стороны, высокая пластичность не позволяет таким изделиям стабильно поддерживать определенную форму. Даже незначительное давление приводит к деформации.

Тантал в медицине

Металл применяется в хирургии для восстановления организма. Тонкие танталовые пластинки вставляют в череп для перекрытия трещин или проломов. Прочной проволокой из этого металла скрепляют кости, сшивают ею ткани органов.

Его используют для протезов. Например, металлическую сеть используют для глазных яблок, а пластинами могут заменять уши, пересаживая на них кожу с других частей тела. Нити из тантала служат по-настоящему ювелирному делу: ими сшивают тончайшие нервные волокна, сухожилия, кровеносные сосуды.

Применение тантала в медицине обусловлено его уникальными свойствами. Металл отлично совместим с живой тканью. Он не окисляется в организме, не вызывает раздражения и отторжения.

Основные виды танталового металлолома

Останавливаясь на элементе, как источнике вторичного редкого металла, можно определить несколько видов танталосодержащих отходов:

• кусковой лом, включает прутья, листы, трубки, проволоку и прочее;

Так выглядит тантал – темный металлический цвет, на фото лист танталовый

• сплавы с другими редкими металлами;

• конденсаторы.

Дополнительно, элемент содержится в сплавах вольфрам-титан-тантал, однако его содержание внутри соединения не превышает 14%. Еще один потенциальный источник обнаружить тантал – пылевые отходы. Они образуются при работе с твердосплавными материалами:

• обработка пластин алмазным инструментом;

• производство смесей.

Для первого случая процентная концентрация тантала составляет 2 – 6%, во втором варианте не более 1.5. Следует добавить, что подобные пылеобразные отходы принимаются, как лом вольфрама, поэтому сдать тантал подобным образом крайне проблематично.

Тугоплавкие металлы и сплавы

Мы предлагаем прокат и изделия из тугоплавких металлов и сплавов самого широкого спектра. Начиная от проката (пруток, лист, проволока, труба, фольга), заканчивая изделиями самой сложной конфигурации, в том числе по чертежам заказчика (тигли, электроды, лодочки, испарители, мишени, нагреватели и многое другое).

Литейные модификаторы

Наша компания специализируется, прежде всего, на поставках высококачественных литейных модификаторов на основе ферросилиция, которые являются неотъемлемой частью внепечной обработки расплава чугуна. Добавки таких модификаторов изменяют свойства расплава и позволяют получать необходимые структуры и свойства отливок.

Цены на тантал

Большую часть тантала, а это до 60%, потребляет электронная промышленность. Использование его на жаропрочные сплавы составляет около 20%. Цены на этот редкий металл могут быстро изменяться. Спрос на него то восстанавливается, то снова падает. Аналитики предсказывают, что в ближайшие годы спрос и предложение будут колебаться, это, в основном, зависит от экономических факторов.

Ориентировочная цена тантала за 1 кг в рублях на российском рынке составляет:

• листового – 65 660;
• в прутках – 73 030;
• проволоке – 73 700.

Цена за грамм

Танталом не торгует ни одна товарная биржа. На самом деле, он не покупается и не продается в чистом виде, а только в виде танталитных руд, из которых затем можно извлечь металл. Цена определяется путем прямых переговоров между продавцом и покупателем, по многим оценкам, отправная точка сделок по прайсам в Москве составляет 150-170 дол. за кг.

В 2010 году сообщалось, что Бразилия и другие страны Южной Америки производят около 40% мирового годового предложения, Австралия занимает второе место с 21%, а на Центральную Африку приходится менее 10%.

Ученые считают, что в резерве Та осталось не более чем на 50 лет из учета достигнутого уровня современного потребления, и требуют выполнения мировой программы утилизации Та.

Цена на танталит очень сильно зависит от спроса. Цена на танталитовую руду выросла с примерно 75 дол. за кг в 2010 году до более чем 270 дол. за кг в 2011 и 2012 годах, но с тех пор цена снизилась и больше на рынке применяется договорная цена.

Перспективы

Все больше начинают использовать этот умный металл в медицинской промышленности для нужд восстановительной хирургии. Его применяют для изготовления имплантатов. Танталовой пряжей возмещают мускульную ткань, проволока идет для скрепления костей, а нити используют для наложения швов. В связи с крупным перевооружением мировых авиалиний применение тантала для нужд авиастроения продолжит свой рост. Сплавы в авиапромышленности используются для двигателей самолетов. Кроме этого, тантал продолжает активно использоваться для производства вычислительной техники: процессоров, принтеров.

Не уменьшается спрос на этот металл и в химической промышленности. Его широко применяют для производства хлора, пероксида водорода, многих кислот. Химическое машиностроение широко использует его при изготовлении оборудования, контактирующего с агрессивными средами. Самым серьезным потребителем танталовых сплавов остается металлургическая промышленность. Растет спрос на него и в ядерной энергетике, где в основном используют теплопроводность в сочетании с пластичностью и твердостью тантала.

Источники

• https://aggeil.ru/kolco/kolco-iz-tantala-polnoe-rukovodstvo/
• https://FB.ru/article/362045/svoystva-i-primenenie-tantala
• https://ometallah.com/svojstva/tantal-harakteristiki.html
• https://chem.ru/tantal.html
• https://calcsbox.com/post/tantalum.html
• https://k-tree.ru/tools/chemistry/periodic.php?element=Ta
• https://stankiexpert.ru/spravochnik/materialovedenie/tantal.html
• https://1nerudnyi.ru/tantal-metall-01/
• https://TheMineral.ru/metally/tantal
• https://www.metotech.ru/tantal-opisanie.htm
• https://xlom.ru/vidy-metalloloma/lom-tantala-vidy-loma-stoimost-na-rynke
• https://ergarda.com/tugoplavkie-metally-i-splavy/tantal/tantalovye-izdeliya.html
• https://FB.ru/article/361943/chto-takoe-tantal-osobennosti-izdeliya-svoystva-i-primenenie