ТАНТАЛ

ТАНТАЛ (лат. Tantalum),
Та, хим. элемент V группы периодич. системы Менделеева; ат. н. 73, ат.
м. 180,948; металл серого цвета со слегка свинцовым оттенком. В природе
находится в виде двух изотопов: стабильного ¹⁸¹Та (99,99%)
и радиоактивного ¹⁸⁰Та (0,012%; T10¹²
лет). Из искусственно полученных радиоактивный ¹⁸²Та
(Т = = 115,1 сут) используют как радиоактивный
индикатор.

Элемент открыт в 1802 швед, химиком
А. Г. Экебергом; назван по имени героя др.-греч. мифологии Тантала (из-за
трудностей получения T. в чистом виде). Пластичный металлич. Т.
впервые получил в 1903 нем. химик В. Больтон.

Распространение в природе. Ср. содержание
Т. в земной коре (кларк) 2,5-10^-4% по массе. Характерный
элемент гранитной и осадочной оболочек (ср. содержание достигает 3,5-10⁴%);
в глубинных частях земной коры и особенно в верх, мантии Т. мало (в ультраосновных
породах 1,8-10⁶%). В большинстве магматич. пород и биосфере
Т. рассеян; его содержание в гидросфере и организмах не установлено. Известно
17 собственных минералов Т. и более 60 танталсодержащих минералов; все
они образовались в связи с магматич. деятельностью (танталит, колумбит,
лопарит, пирохлор и др.). В минералах Т. находится совместно с ниобием
вследствие сходства их физ. и хим. свойств (см. Танталовые руды
и Ниобиевые руды). Руды Т. известны в пегматитах гранитных
и щелочных пород, карбонатитах, в гидротермальных жилах, а также
в россыпях, к-рые имеют наибольшее практич. значение.

Физические и химические свойства.
Т. имеет кубич. объёмноцентрированную решётку (а = = 3,296 А); атомный
радиус 1,46 А, ионные радиусы Та²⁺ 0,88 А, Та⁵⁺ 0,66
А; плотность 16,6 г/см³ при 20 "С; f,,., 2996
"С; Ткип 5300 °С; уд. теплоёмкость при 0 - 100 °С 0,142 кдж1(кг-К) [0,034
кал/(г • °С)]; теплопроводность при 20-100 °С 54,47
ет/(м-К) [0,13 кал/ (см -сек °С)]. Температурный
коэфф. линейного расширения 8,0 -10⁶ (20-1500 °С); удельное
электросопротивление при 0 °С 13,2-10⁸ ом-м,
при 2000 °С 87-10-⁸ ом-м. При 4,38 К становится
сверхпроводником. Т. парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 0,849
-Ю-⁶ (18 °С). Чистый Т.-пластичный металл, обрабатывается
давлением на холоду без значит, наклёпа. Его можно деформировать со степенью
обжатия 99% без промежуточного отжига. Переход Т. из пластичного в хрупкое
состояние при охлаждении до -196 °С не обнаружен. Модуль упругости Т. 190
Гн/м² (190-10² кгс/мм²) при
25 °С. Предел прочности при растяжении отожжённого Т. высокой чистоты 206
Мк/м² (20,6 кгс/мм²) при
27 °С и 190 Мн/м² (19 кгс/мм²) при
490 °С; относит, удлинение 36% (27 °С) и 20% (490 °С). Твёрдость
по Бринеллю чистого рекристаллизованного Т. 500 Мн/м²
(50 кгс/мм²). Свойства Т. в большой степени
зависят от его чистоты; примеси водорода, азота, кислорода и углерода делают
металл хрупким.

Конфигурация внеш. электронов атома
Та 5d³6s². Наиболее характерная степень окисления
Т. + 5; известны соединения с низшей степенью окисления (напр., ТаСlТаСl), однако их образование для Т.
менее характерно, чем для ниобия.

В хим. отношении Т. при обычных условиях
малоактивен (сходен с ниобием). На воздухе чистый компактный Т.
устойчив; окисляться начинает при 280 °С. Имеет лишь один стабильный окисел
-пяти окись Тасс-форме белого цвета ниже 1320 °С и р-форме серого цвета выше 1320 °С;
имеет кислотный характер. С водородом при темп-ре ок. 250 °С Т. образует
твёрдый раствор, содержащий до 20 ат. % водорода при 20 °С; при этом Т.
становится хрупким; при 800-1200 °С в высоком вакууме водород выделяется
из металла и его пластичность восстанавливается. С азотом при темп-ре ок.
300 °С образует твёрдый раствор и нитриды Taвакууме выше 2200 °С поглощённый азот вновь выделяется из металла. В системе
Та - С при темп-ре до 2800 °С установлено существование трёх фаз: твёрдого
раствора углерода в Т., низшего карбида ТТаС. Т. реагирует с галогенами при темп-ре выше 250 °С (с фтором при комнатной
темп-ре), образуя галогениды преим. типа ТаХ= F, C1, Вг, I). При нагревании Та взаимодействует с С, В, Si, Р,
Se, Те, водой, СО, СО.

Чистый Т. исключительно устойчив
к действию мн. жидких металлов: Na, К и их сплавов, Li, Pb и др., а также
сплавов U - Mg и Pu - Mg. Т. характеризуется чрезвычайно высокой коррозионной
устойчивостью к действию большинства неорганич. и органич. кислот: азотной,<
соляной, серной, хлорной и др., царской водки, а также мн. др. агрессивных
сред. Действуют на Т. фтор, фтористый водород, плавиковая к-та и её смесь
с азотной к-той, растворы и расплавы щелочей. Известны соли танталовых
к-т - танталаты общей формулы xMe-Hсоли типа MesTaOводорода образуются также пертанталаты. Наиболее важны танталаты
щелочных металлов - КТаОз и NaTaO

Получение. Руды, содержащие Т., редки,
комплексны, бедны Т.; перерабатывают руды, содержащие до сотых долей процента
(Та, Nb), и шлаки восстановительной плавки
оловянных концентратов. Осн. сырьём для произ-ва Т., его сплавов и соединений
служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие соответственно
ок. 8% Taперерабатывают обычно в три стадии: 1) вскрытие, 2) разделение
Та и Nb и получение их чистых соединений, 3) восстановление и рафинирование
Та. Танталитовые концентраты разлагают кислотами или щелочами, лопаритовые
- хлорируют. Разделяют Та и Nb с получением чистых соединений экстракцией,
напр, трибутилфосфатом из плавиковокислых растворов, или ректификацией
хлоридов.

Для произ-ва металлич. Т. применяют
восстановление его из Taпредварит, получением ТаС из смеси Ta2Os с сажей в атмосфере СО или Нпри 1800-2000 °С); электрохимич. восстановление из расплавов, содержащих
Kнатрием Kтермич. диссоциации хлорида или восстановление из него Т. водородом. Компактный
металл производят либо вакуумной дуговой, электроннолучевой или плазменной
плавкой, либо методами порошковой металлургии. Слитки или спечённые из
порошков штабики обрабатывают давлением; монокристаллы особо чистого Т.
получают бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.

Применение. Т. обладает комплексом
ценных свойств - хорошей пластичностью, прочностью, свариваемостью, коррозионной
устойчивостью при умеренных темп-pax, тугоплавкостью, низким давлением
пара, высоким коэфф. теплопередачи, небольшой работой выхода электронов,
способностью образовывать анодную плёнку (Та)
с особыми диэлектрич. характеристиками и "уживаться" с живой тканью
организма. Благодаря этим свойствам Т. находит применение в электронике,
хим. машиностроении, ядерной энергетике, в металлургии
(произ-во жаропрочных сплавов, нержавеющих сталей), в медицине;
в виде ТаС его применяют в произ-ве твёрдых сплавов. Из чистого Т. изготовляют
электрич. конденсаторы для полупроводниковых приборов, детали электронных
ламп, коррозионноустойчивую аппаратуру для хим. пром-сти, фильеры
в произ-ве искусств, волокна, лабораторную посуду, тигли для плавки металлов
(напр., редкоземельных) и сплавов, нагреватели высокотемпературных
печей; теплообменники для ядерно-энергетич. систем. В хирургии листы, фольгу,
проволоку из Т. применяют для скрепления костей, нервов, наложения
швов и др. Применение находят танталовые сплавы и соединения.

Лит.: Зеликман А. H., М е
е рсон Г. А., Металлургия редких металлов, М., 1973., О.П.Колчин.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я