Обшие відомості і методи отримання
Тантал (Та) -метал сіро-сталевого кольору з синюватим відтінком.
Відкрито в 1802 р шведським хіміком Екеберг в мінералах, най-денних в Фінляндії і Швеції; названий по імені героя давньогрецької міфології Тантала, засудженого на вічну спрагу, що було пов'язано з труднощами, що виникли при розчиненні оксиду нового елемента в кислотах. У чистому вигляді пластичний тантал вперше отриманий в 1903 році німецьким хіміком Болтоном. Промислове виробництво танталу почалося в 1922 р в США.
Основним способом збагачення руд, що містять танталіт і Колум-біт, є гравітаційне збагачення (мокра відсадження, збагачення
на столах). В результаті отримують зазвичай колективний концентрат, що містить, крім танталіту і колумбіту, каситерит, вольфрамит і деякі інші мінерали. Подальше збагачення ведуть, застосовуючи флотацию і електромагнітне поділ.
Зразковий склад танталітових концентратів: 12-30% Nb2 05; j 8- 59,6% Ta2 Os; 2,09-15,7% Fe2 03; 2,95-17,2% MnO; 0,25-6,4% .'Ю2; 0,12-0,9% Si02.
За технічними умовами, прийнятими в нашій країні, танталітовие концентрати I copra повинні містити 60-65% ТА2 05 і не більше 10% Nb2 05. II сорту - не менше 40% ТА2 05.
Крім рудних концентратів, істотним джерелом танталу (і ніобію) служать шлаки олов'яних заводів, одержувані при виплав-ке олова з касситерітових концентратів. Шлаки містять від 3 до 15% (Та, Nb); 2 05.
Переробку концентратів зазвичай здійснюють в три стадії: 1) розтин або розкладання; 2) поділ танталу і ніобію і напів-чення їх чистих хімічних сполук; 3) відновлення і Рафі-вання танталу.
Для розкриття танталового концентрату застосовують сплавлення з лугами (NaOH, КОН) або розкладання плавиковою кислотою.
У першому способі в результаті плавлення концентрату при 750- 800 "З з надлишком лугу утворюються ортосоль (Na3 Ta04) і оксиди заліза, марганцю. Після обробки металу водою утворюються мало-розчинні політанталіти (Na 8 Ta60i 9 -25H2 0), які розкладають соляною кислотою, отримуючи гідратованих оксиди танталу, які потім переробляють на чисті сполуки.
Розкладання плавиковою кислотою в даний час є ос-новним способом; в цьому випадку тонко подрібнений тапталітоіий концентрат при нагріванні розкладають концентрованою плавиковою кислотою.
Лопарітовим концентрати переробляють, використовуючи два спосо-ба - хлорування і сірчанокислотний. Сутність першого полягає у взаємодії рудного концентрату з газоподібним хлором при 749- 850 ° С в присутності деревного вугілля або коксу. Різниця в років \ честі хлоридів дозволяє розділити основні цінні складові концен-трата. Сірчанокислотний спосіб заснований на розкладанні лопарітовим концентрату сірчаної кислотою і поділі цінних складових із використанням користуванням відмінностей в розчинності подвійних сульфатів титану, ніобію і танталу, рідкоземельних елементів з лужними металами або амонієм.
Поділ танталу і ніобію через схожість властивостей їх хімічних сполук є складним завданням,
Відомі такі способи поділу танталу і ніобію: дроб-ва кристалізація комплексних фтористих солей, екстракція органі-тичними розчинниками, поділ за допомогою іонообмінних смол, ректифікація хлоридів, виборче відновлення пятихлористого ніобію.
Спосіб дробової кристалізації в даний час витіснений більш досконалим - екстракцією Екстракційне поділ танталу і ніобію з одночасною їх очищенням від домішок інших елементів (Si, Ti, Fe, Мп і ін.) Здебільшого ведуть з розчинів фтористих со-єднань танталу і ніобію , що містять плавиковую і сірчану кислоти (розчини отримують в результаті розкладання рудних концентратів).
Екстракційне поділ танталу і ніобію складається з трьох ста-дій: 1) спільної екстракції танталу і ніобію з метою відокремлення їх від супутніх елементів (Fe, Mn, Ti, Sn, Si і ін.); 2) виборець-ної реекстракції ніобію з екстракту водою; 3) реекстракції танталу
з розчинника водою або водними розчинами солей, наприклад фто-Рісто амонію.
Поділ танталу і ніобію ректифікацією доцільно викорис-товувати в тому випадку, коли рудні концентрати переробляють хлор-ним методом, отримуючи конденсат хлоридів танталу і ніобію (Лонар-товие концентрати).
При поділі суміші хлоридів технологічна схема поділу складається з наступних стадій: 1) попередньої ректифікації для відділення хлоридів танталу і ніобію від супутніх домішок; 2) основний ректифікації (отримання чистого NbCb і концентрату Тась); 3) ректифікації танталовой фракції (отримання чистого ТаС15).
Метод ректифікації відрізняється високою продуктивністю і ефективністю поділу.
Атомні характеристики. Атомний номер 73, атомна маса 180,948, атомний об'єм 10,88-Ю -6 м 3 / моль, атомний радіус 0,146 нм, іонний радіус Та 5 + 0,066 нм. Та 4 + 0,077 нм, та 2 + 0,088 нм. Конфігурація зовнішніх електронних оболонок 5d 3 6s 2. Значення потенціалів іонізующей-ції J (еВ): 7,7; 16,2; 22. Електронегативність 1,5. Природний тан-тал складається з стабільного ізотопу 131 Та (99,9877 ° / о) н радіоактивного 180 Та (0,0123 ° / о) з періодом напіврозпаду 10 12 років.
Нормальний електродний потенціал реакції Та- 5еч = * Та 6 + ф0 = = -1,126В.
У з'єднаннях проявляє ступені окислення - 1, +1, +2, +3, 4 -4, + 5; найбільштипова +5. Електрохімічний еквівалент 0,3749 мг / Кл.
Тантал - самий коррозионностойкий з усіх недорогоцінних метал-лов. Він стійкий в соляній, сірчаної, азотної, фосфорної і органічних кислотах всіх концентрацій аж до 100-150 ° С. У гарячих соляної і сірчаної кислотах тантал відрізняється більш високою стійкістю, ніж ніобій. Тантал розчиняється в плавикової кислоті і особливо интен-пасивного в смесние плавиковою та азотної кислот,
У лугах тантал менш стійкий. Гарячі розчини їдких лугів ааметно роз'їдають метал; в розплавлених лугах і соді тантал швидко окислюється з утворенням натрієвої солі танталовой кислоти.
При нормальній температурі таітал стійкий проти окислення на повітрі. При нагріванні до 200-300 ° С на його поверхні утворюється тонка міцно зчіплюються з основним металом плівка оксиду. Хі-вів реагенти діють на метал тільки в тих випадках, коли оіі вступають в реакцію з цією плівкою або проникають крізь неї. Цінним якістю є і те, що плівка оксиду перешкоджає про-протікання електричного струму від металу до електроліту, якщо таітал служить анодом. Вище 500 ° С оксидна плівка стає пористої, розшаровується і схильна до відокремлення від основного металу.
Підвищення опору танталу окислення можливе або шляхом модифікування (зміни структури утворюється на металі ок-сіда), здійснюваного легированием відповідними елементами, або шляхом запобігання або хоча б уповільнення контакту кисло-роду з металевою поверхнею. В обох останніх випадках тре-буется застосування захисних покриттів на основному металі або сплаві.
З киснем тантал утворює твердий розчин н оксид Ta2 Q5. При збільшенні вмісту кисню в тантале до 1,5% (ат.) Відбувається п'ятикратне підвищення міцності властивостей при сильному зниженні пластичності і корозійної стійкості. Розчинений кисень виокрем-ляется при іагреве вище
2200 ° у вакуумі. Оксид танталу (V) ТА 2 05 існує в двох модифікаціях. Температура плавлення Ta2 Os 1620 ° С (за іншими даними, 1872 ° С). ТА 2 05 має кислотний характер.
Тантал слабо реагує з воднем нижче 350 ° С; вище цієї тим-ператури швидкість реакції зростає приблизно до 450 ° С; при цій темпе-ратурі водень поглинається з максимальною швидкістю і, крім того, утворюється хімічна сполука - низькотемпературний гідрид тан-тала (Тан). Цілком Зайнятий водень надає металу крихкість, проте при нагріванні в вакуумі вище 800 ° С водень віддаляється і механічного-ські властивості відновлюються.
Тантал безпосередньо реагує з азотом з утворенням трьох фаз: твердого розчину азоту в тантале і нітридів Ta2 N і TaN. Реаком-ція починається близько 300 ° С, причому швидкість її зростає з підвищенням-ням температури до тих пір, поки при - 1100 ° С не утворюється TaN. Цілком Зайнятий танталом азот знову виділяється в умовах високою вакууму при температурі
Фтор діє на тантал при кімнатній температурі. Тантал пів-ністю інертний до дії вологих і сухих хлору, брому та йоду до 150 ° С. Вплив хлору починається близько 250 ° С, а при
500 ° С ре-акція протікає практично миттєво. У присутності парів води кор-Розія, що викликається хлором, різко сповільнюється. Бром діє на тан-тал при -300 ° С, йод-приблизно при тій же температурі; в результаті утворюються ТаВг5 і Та1б відповідно.
Вуглець і углеродсодержащие гази (наприклад, СН4, СО) при висо-кою температурі 1200-1400 ° С взаємодіють з танталом, утворюючи тверді і тугоплавкі карбіди ТаС, які плавляться при 3880 ° С і досить стійкі по відношенню до кислот.
З бором тантал утворює борид ТаВ2. що представляють собою туго-плавкі і тверді з'єднання (г П л «3000 ° С), стійкі проти віз-дії соляної і азотної кислот, а також царської горілки, але повільний-но розкладаються під дією гарячих сірчаної і фтористої кислот, Бориди танталу швидко дисоціюють в розплавлених лугах, кар-Бонато, бісульфат і пероксидних сполуках,
З кремнієм тантал утворює силіциди, основний з них дисилицида TaSi2. Це з'єднання має температуру плавлення
2400 ° С, підвалина-чиво проти впливу мінеральних кислот, проте розкладається під дією фтористої кислоти.
З багатьма металами, мають изоморфную кристалічну структуру, розмір атомів, близький до розміру атома танталу, а також близько розташованими до нього в ряду електроотріцательностн, тантал утворює безперервні тверді розчини. До цих металів, в приватно-сті, відносяться ніобій, вольфрам, молібден, ванадій, В-тнтан і ін. Обмежені тверді розчини і металеві з'єднання тантал утворює з алюмінієм, берилієм, золотом, кремнієм, нікелем, т. Е. Металами, які значно відрізняються за розмірами атомів і електронегативності з літієм, калієм, натрієм, магнієм і недо-торимі іншими елементами тантал практично не утворює ні твер-дих розчинів, ні з'єднань.
Тантал є пластичним тугоплавким металом Він добре під-дається обробці тиском усіма існуючими методами. Чистий тантал повільно нагартовивается в процесі пластичної деформації нижче температури рекристалізації, що дозволяє піддавати його холодної деформації з великими (до 95%) обтисканнями без переможе-точних отжигов. Злитки танталу, піддаються холодної деформації для отримання листів, прутків і дроту, попередньо обдирають на токарному верстаті. На відміну від тугоплавких металів VI групи тан-тал має достатню пластичність при низькій температурі аж до -196 ° С.
При температурах відпалу до 1600 ° С величина зерна практично не змінюється. Значне зростання зерна в процесі відпалу холоднодефор-мировалось танталу спостерігається при 2400 ° С.
Основний вид термічної обробки - відпал. Нагрівання для тримаючи-ської обробки рекомендується проводити тільки в вакуумі, так як тантал поглинає з інертних газів домішки впровадження
інструментом з швидкорізальної сталі, заточеним зі значним переднім і заднім кутами, що забезпечують високу міцність ре-жущей кромки.
Шліфування танталу слід по можливості уникати через його схильності засолюють шліфувальний круг, що призводить до задирам на металі.
Тантал характеризується хорошою зварюваністю. Зварювання плавленням технічного танталу, виконана в умовах ретельного захисту від атмосферних газів, дозволяє отримувати пластичні шви, допускаюшне вигин до 180 °.
Пайку танталу здійснюють або в середовищі інертних га-тв (аргон, гелій), або у вакуумі.
Пайку танталу срібними припоями можна робити тільки по гальванічним покриттям з міді, нікелю або срібла.
Тантал поряд з вольфрамом, молібденом і ніобієм відносять до «великої четвірки» металів, найбільш перспективних для створення на їх основі високотемпературних конструкційних матеріалів для літаків, ракет, космічних кораблів і т. П. Зазвичай тантал легують W, Мо, V, Nb, Ti , Zr, Hf, Re, Cr, Сі і іншими елементами.
Приблизно 60-70 ° / о танталу застосовують в електровакуумної техніці і електротехніці для виготовлення радіотехнічної, радіолокаційної та рентгенівської апаратури.
Висока здатність танталу поглинати гази використовується для під-тримання глибокого вакууму в радіолампах і інших електровакуум-них приладах.
З танталу виготовляють арматуру, що піддаються нагріванню в про-процесі експлуатації, - аноди, сітки, катоди непрямого напруження і дру-Гії деталі електронних ламп, особливо потужних генераторних ламп
Останнім часом тантал придбав важливе значення для виготов-лення електролітичних конденсаторів як накопичувачів електричної енергії, а також випрямлячів струму. Мініатюрні танталові кондом-Сатори широко використовують в передавальних радіостанціях, радарних установках, електронно-обчислювальних машинах і інших пристроях.
В електротехніці танталові листи використовуються для виготовлення нагрівачів високотемпературних вакуумних печей.
Корозійна стійкість танталу в кислотах та інших середовищах в со-четанія з високою теплопровідністю і пластичністю робить його цін-ним конструкційним матеріалом для апаратури в хімічних і ме-таллургіческіх виробництвах Тантал застосовують для виготовлення конденсаторів, підігрівачів, облицювання апаратів, мішалок та інших деталей .
Карбіди танталу входять до складу деяких марок спечених твер-дих сплавів на основі карбіду вольфраму, використовуваних для різання сталей.
Тантал отримав визнання як протезний матеріал для віднови-котельної хірургії.
Тантал і його сплави широко застосовують в атомній енергетиці і космічній техніці. Його використовують також для виготовлення фільєр у виробництві віскози, танталових теплових екранів, контрольні інструменти, діафрагм і складних механізмів, де особливо важлива корозійна стійкість. Тиглі нз танталу застосовують при очищенні ред-коземельних елементів. Тантал з вольфрамом і молібденом використовують також в якості одного з елементів для вимірювання температур вище 2273 К.
У деяких випадках тантал замінює вольфрам і вольфрамові сплави для ізгоювленія противаг в керуючих механізмах са-молетов і ракет.