مشخصات و خواص فلز تانتالیوم خواص شیمیایی تانتالیوم پیدایش در طبیعت و تولید تانتالیم

تانتالیوم فلزیاخیراً، یعنی در سال 1802 افتتاح شد. شیمیدان سوئدی A.G به اندازه کافی خوش شانس بود که این فلز را کشف کرد. اکبرگ. هنگام مطالعه دو ماده معدنی جدید که در کشورهای اسکاندیناوی یافت شد، مشخص شد که علاوه بر عناصر شناخته شده، حاوی عناصری هستند که قبلاً مطالعه نشده بودند. دانشمند هرگز نتوانست فلز را از ماده معدنی به شکل خالص آن جدا کند، زیرا مشکلات بزرگی در این زمینه به وجود آمد.

در همین راستا، فلز ناشناخته به نام قهرمانی از اساطیر یونان باستان نامگذاری شد و به نام آن نوشته شد. اسطوره تانتالوس. پس از این، برای بیش از 40 سال، اعتقاد بر این بود که تانتالیوم و نیوبیم- اینها همان فلز هستند. با این حال، یک شیمیدان آلمانی تفاوت بین فلزات را ثابت کرد و پس از آن آلمانی دیگر تانتالیوم را به شکل خالص آن جدا کرد و این تنها در سال 1903 اتفاق افتاد.

تولید سریالی محصولات نورد و محصولات تانتالیومتنها در طول جنگ جهانی دوم آغاز شد. امروزه به این عنصر "فلز هوشمند" داده می شود، زیرا الکترونیک در حال توسعه سریع نمی تواند بدون آن کار کند.

توضیحات و خواص تانتالیوم

تانتالیومفلزی با سختی و چگالی اتمی بالا است. در عناصر شیمیایی دوره ای، تانتالیم در موقعیت 73 قرار دارد. در عمل جهانی، مرسوم است که این فلز را با ترکیب دو حرف یعنی Ta نشان می دهند. در فشار اتمسفر و دمای اتاق، تانتالیوم دارای رنگ نقره ای-فلزی مشخص است. لایه اکسیدی که روی سطح فلز ایجاد می‌شود، رنگ سربی به آن می‌دهد.

عنصر تانتالیومدر دمای اتاق غیر فعال است. اکسیداسیون سطح این فلز توسط هوا تنها در دمای بالای 280 درجه امکان پذیر است. تانتالم با هالوژن ها در دمای 30 درجه کمتر از هوا واکنش می دهد. در این حالت یک فیلم محافظ روی سطح تشکیل می شود که از نفوذ بیشتر عناصر اکسید کننده به عمق فلز جلوگیری می کند.

عنصر شیمیایی تانتالیومبا نقطه ذوب نسبتاً بالا بنابراین، 3290 K است و نقطه جوش به 5731 K می رسد. با وجود چگالی بالا (16.7 گرم بر سانتی متر مکعب) و سختی، کاملاً پلاستیکی است. از نظر شکل پذیری می توان تانتالیوم را با آن مقایسه کرد. کار با فلز خالص بسیار آسان و راحت است.

ماشینکاری آسان است، به عنوان مثال، می توان آن را به ضخامت 1-10 میکرون باز کرد. همچنین باید توجه داشت که تانتالیوم پارامغناطیس است. ویژگی جالب این فلز در دمای 800 درجه ظاهر می شود: تانتالیم 740 حجم گاز خود را جذب می کند.

در حال حاضر تعدادی از حقایق در عمل جهانی وجود دارد که نشان دهنده دوام عالی این فلز در محیط های بسیار تهاجمی است. به عنوان مثال، مشخص است که تانتالیوم حتی با اسید نیتریک 70٪ آسیب نمی بیند. اسید سولفوریک تا 150 درجه نیز منجر به تخریب خورنده نمی شود، اما در حال حاضر در دمای 200 درجه، فلز با سرعت 0.006 میلی متر در سال شروع به حل شدن می کند.

برخی از حقایق تولید نیز نشان می دهد که تانتالیوم بسیار مقاوم تر از فولادهای زنگ نزن آستنیتی است. بنابراین، یک مورد شناخته شده وجود دارد که در آن قطعات تانتالیوم 20 سال بیشتر از قطعات فولادی ضد زنگ دوام آورد.

واقعیت جالب دیگر این است که تانتالیوم برای جداسازی کاتالیستی طلا استفاده می شود. کاتدهایی از آن ساخته می شوند که فلز نجیب به نوبه خود بر روی آنها رسوب می کند و سپس با آب رگیا شسته می شود. در عین حال کاتد و تانتالیوم به دلیل مقاومت عالی در برابر اسیدها دست نخورده باقی می مانند.

کاربردهای تانتالیوم

مدت‌ها پیش، از این فلز برای تولید رشته‌ها در لامپ‌های رشته‌ای استفاده می‌شد. امروزه تانتالیوم و آلیاژهای تانتالیوممورد استفاده در صنایع و محصولات زیر:

- هنگام ذوب آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت و مقاوم در برابر خوردگی (به عنوان مثال، قطعات موتور هواپیما).

- در صنایع شیمیایی برای ایجاد تجهیزات مقاوم در برابر خوردگی؛

- در تولید متالورژی برای تولید فلزات خاکی کمیاب؛

- در طول ساخت راکتورهای هسته ای (تانتالوم مقاوم ترین فلز در برابر بخار سزیم است).

- به دلیل زیست سازگاری بالا، تانتالیوم برای ساخت ایمپلنت ها و پروتزهای پزشکی استفاده می شود.

- برای تولید ابررساناها - کرایوترون ها (اینها عناصر فناوری رایانه هستند).

- در صنایع نظامی برای ساخت پوسته استفاده می شود. استفاده از این فلز باعث افزایش قدرت نفوذ مهمات می شود;

- خازن های ولتاژ پایین کارآمدتر از تانتالیوم ساخته شده اند.

- اخیراً تانتالیوم در تجارت جا افتاده است. این به دلیل توانایی فلز برای تشکیل لایه های اکسید قوی روی سطح است که می تواند از رنگ ها و سایه های مختلف باشد.

- تعداد زیادی اصلاحات تانتالیومدر راکتورهای هسته ای انباشته می شود. برای اهداف آزمایشگاهی یا نظامی، این تغییر فلز می تواند به عنوان منبع تشعشع گاما استفاده شود.

- این فلز به عنوان اصلی (بعد از پلاتین) برای ساخت استانداردهای انبوه استفاده می شود که دقت آنها را افزایش داده است.

- مقداری بین فلزی ترکیبات تانتالیومدارای سختی و استحکام بسیار بالا و همچنین افزایش مقاومت در برابر اکسیداسیون هستند. این ترکیبات در صنایع هوانوردی و فضایی استفاده می شوند.

- کاربیدهای تانتالیوم برای ساخت ابزارهای برش با مقاومت قرمز افزایش یافته استفاده می شود. این ابزار از پخت مخلوطی از پودرهای کاربید به دست می آید. این ابزارها در شرایط بسیار دشوار، به عنوان مثال، در حفاری ضربه ای استفاده می شوند.

- پنج ظرفیتی اکسید تانتالیومبرای جوشکاری شیشه در فناوری هسته ای ضروری است.

ذخایر تانتالیوم و استخراج معادن

تانتالیوم یک فلز کمیاب است. مقدار آن در پوسته زمین تنها 0.0002٪ است. این مقدار شامل دو تغییر فلز است: پایدار و رادیواکتیو. این فلز کمیاب به شکل ترکیبات خاص خود وجود دارد و بخشی از بسیاری از مواد معدنی است. اگر تانتالیوم در یک ماده معدنی وجود داشته باشد، همیشه همراه با نیوبیم خواهد بود.

رسوبات ترکیبات تانتالیومو مواد معدنی در بسیاری از کشورها یافت می شود. بزرگترین ذخایر این عنصر در اروپا در فرانسه است. در قاره آفریقا، مصر بیشترین تانتالیوم را دارد. چین و تایلند نیز دارای ذخایر بالایی از این فلز هستند. ذخایر کوچکتر در کشورهای مستقل مشترک المنافع، نیجریه، کانادا، استرالیا و سایر کشورها قرار دارند. با این حال، بزرگترین ذخایر کشف شده تا به امروز در استرالیا است.

سالانه حدود 420 تن تانتالیم در جهان استخراج می شود. کارخانه های اصلی فرآوری این فلز در ایالات متحده آمریکا و آلمان قرار دارند. شایان ذکر است که جامعه جهانی در حال اعلام نیاز به افزایش تولید این فلز کمیاب است. چنین اظهاراتی در درجه اول مربوط به افزایش تولید الکترونیک است که در آن این عنصر به شدت مورد استفاده قرار می گیرد.

بنابراین، تعداد رشته های توسعه یافته هر سال افزایش می یابد. به عنوان مثال، به میدان های اصلی در حال توسعه جهان، مکان های بیشتری در برزیل، ایالات متحده آمریکا و آفریقای جنوبی اضافه شد. با این حال، شایان ذکر است که در 10 سال گذشته شدید بوده است کاهش تولید تانتالیوم. کمترین میزان تولید در قرن بیست و یکم در سال 2010 رخ داد.

قیمت تانتالیوم

قیمت تانتالیوم در 15 سال گذشته بسیار نوسان داشته است. بنابراین، در سال 2002-2003 تانتالیوم بخربا کمترین قیمت ممکن بود امسال قیمت تانتالیومبین 340 تا 375 دلار در هر کیلوگرم بود. در روسیه امروز می توانید خرید کنید تانتالیوم، قیمتکه هر کیلوگرم 2950 روبل است.

توسعه سریع فناوری های مدرن امروزه قطعاً با استفاده از مواد و مواد مؤثری همراه است که دارای خواص و ویژگی های کاملاً کاربردی و بسیار مفید هستند.

از این منظر، ارزش توجه به عنصر شیمیایی منحصر به فردی مانند تانتالیوم را دارد. و این تعجب آور نیست، زیرا به لطف ویژگی های قدرت آن، امروزه استفاده از تانتالیوم در بسیاری از زمینه های صنعت کاملاً مرتبط است.

برای وسعت بخشیدن به افق افراد عادی در مورد این موضوع، ویژگی های فیزیکی و شیمیایی تانتالم را به تفصیل شرح خواهیم داد و در مورد جایی که این فلز امروزه با موفقیت بسیار مورد استفاده قرار می گیرد صحبت خواهیم کرد.

ویژگی های فنی تانتالیوم

اول از همه، شایان ذکر است که تانتالیوم یک فلز خاکستری با رنگ براق است که می تواند به راحتی به صورت مکانیکی پردازش شود.

از جمله ویژگی های فلز، شایان ذکر است تعدادی از جنبه های مهم زیر است:

• شماره سریال در جدول تناوبی - 73؛
• وزن اتمی - 180؛
• چگالی ماده 60 گرم بر سانتی متر مکعب است.
• نقطه ذوب - 3015 0 C؛
• نقطه جوش ماده 5300 0 C است.

خواص فلز

با توجه به این ویژگی ها، تانتالیوم بدون شک دارای خواص مفید زیر است:

1. تانتالم یک فلز نسوز است و در نتیجه این عنصر دارای خواص زیر است:

• نرخ انبساط خطی کوچک؛
• سطح خوب هدایت حرارتی؛
• استحکام مکانیکی و شکل پذیری بالا

1. دارای خواص ضد خوردگی عالی شایان ذکر است که تانتالم در شرایط عادی عملاً نسبت به آب دریا بی اثر است ، اما اگر با اکسیژن اشباع شود ، فلز در این حالت فقط کدر می شود.
2. تانتالیم مقاومت خوبی در برابر انواع نمک های زیر دارد:

• کلریدهای آهن و مس؛
• نیترات؛
• سولفات ها؛
• نمکهای اسیدهای آلی به شرطی که حاوی فلوئور یا فلوراید نباشند.

1. تانتالیم زمانی که با فلوئور واکنش می دهد شروع به از دست دادن ویژگی های قدرت خود می کند. همچنین شایان ذکر است که تانتالیوم با برم، ید و کلر مایع واکنش شیمیایی نمی دهد مگر اینکه دمای 150 درجه سانتیگراد برسد.
2. تانتالیوم در برابر اثرات فلزات مایع با نقطه ذوب پایین کاملاً مقاوم است.
3. تانتالیوم دارای ویژگی های پایداری عالی در هوا در دمای 400 درجه سانتیگراد است، در حالی که یک لایه اکسید محافظ در طول ذخیره سازی یا پردازش ظاهر می شود.
4. تانتالیوم ذوب شده با روش پرتو الکترونی دارای خاصیت پلاستیسیته افزایش یافته است، که وقتی فلز تغییر شکل می‌دهد، امکان فشرده‌سازی بیشتر را فراهم می‌کند.
5. به خوبی به ورق فلز تبدیل می شود که به خوبی برای آهنگری مناسب است.
6. در هنگام تغییر شکل سرد به خوبی پردازش می شود. با این حال، باید بدانید که این فلز نباید در حالت گرم تغییر شکل دهد، زیرا با گرم شدن، تانتالم شروع به جذب نیتروژن، دی اکسید کربن، اکسیژن می کند و در نتیجه، مواد کاملا شکننده می شوند.
7. یکی از عملیات اصلی در فرآوری تانتالیوم برش مواد روی تجهیزات پرسرعت است.

در مورد اتصال قطعات تانتالیوم می توان به روش های زیر انجام داد:

• جوشکاری؛
• لحیم کاری؛
• اتصال با استفاده از پرچ

در اینجا باید این واقعیت را در نظر گرفت که دو روش آخر بسیار به ندرت مورد استفاده قرار می گیرند، بنابراین کیفیت اتصالات جوش داده شده تانتالیوم همیشه در سطح بالایی باقی می ماند.

زمینه های کاربرد تانتالیوم

این ویژگی ها امکان استفاده گسترده از آن را در زمینه های مختلف صنعتی فراهم می کند. اجازه دهید با جزئیات به جهات اصلی استفاده از چنین ماده منحصر به فردی مانند تانتالیوم توجه کنیم.

صنعت متالورژی

متالورژی مصرف کننده اصلی این فلز است. صنعت متالورژی 45 درصد از تولید تانتالیوم را تشکیل می دهد.

کاربرد اصلی تانتالیوم در تعدادی از جنبه های مهم زیر نهفته است:

• فلز عنصر اصلی آلیاژی در ساخت فولادهای مقاوم در برابر حرارت و ضد خوردگی است.
• کاربید تانتالیوم یک محافظ قابل اعتماد برای قالب های فولادی در ریخته گری است.

صنعت برق

در ابتدا باید به این نکته اشاره کرد که یک چهارم تانتالیوم تولید شده در جهان در صنعت برق مصرف می شود. و این تعجب آور نیست، زیرا انواع محصولات الکتریکی زیر با استفاده از این فلز تولید می شود:

• خازن های تانتالیوم الکترولیتی با عملکرد پایدار مشخص می شوند.
• به طور گسترده در ساخت عناصر ساختاری لامپ ها مانند آندها، کاتدها و شبکه های گرمایش غیرمستقیم استفاده می شود.
• سیم تانتالیوم در تولید قطعات کرایوترون که عناصر جدایی ناپذیر فناوری رایانه هستند استفاده می شود.
• بخاری های کوره هایی با شرایط عملیاتی با دمای بالا بسیار با موفقیت از این فلز ساخته می شوند.

واقعیت جالب!خازن های تانتالیومی تمایل به خود ترمیم دارند. به عنوان مثال، هنگامی که یک ولتاژ بالا به طور ناگهانی ظاهر شد، یک جرقه لایه عایق را از بین برد. در این حالت، یک فیلم اکسید عایق فوراً در محل نقص تشکیل می شود، در حالی که خازن در حالت کارکرد عادی به کار خود ادامه می دهد!

صنایع شیمیایی

لازم به ذکر است که 20 درصد از تانتالیوم مصرفی به مصرف صنایع شیمیایی می رسد. به طور خاص، این فلز در موارد زیر استفاده می شود:

• تولید انواع اسیدهای زیر:

1. نیتروژن؛
2. اولیانایا;
3. سولفوریک؛
4. فسفر؛
5. سرکه

• تولید پراکسید هیدروژن، برم و کلر؛
• تولید تجهیزات شیمیایی از انواع زیر:

1. هواده ها؛
2. کارخانه های تقطیر؛
3. کویل از انواع مختلف؛
4. همزن؛
5. دریچه

در صنعت پزشکیبیش از 5 درصد از تانتالیوم استخراج شده در جهان استفاده نمی شود. در پزشکی، این فلز با موفقیت در جراحی پلاستیک و استخوان استفاده می شود، بنابراین عناصر تانتالیوم از آن برای بستن استخوان، بخیه زدن و غیره ساخته می شود. این به این دلیل به دست می آید که تانتالیوم به عملکردهای حیاتی بدن آسیب نمی رساند و بافت زنده را تحریک نمی کند.

تانتالیوم- فلز خاکستری روشن با رنگ مایل به آبی. از نظر نسوز (نقطه ذوب حدود 3000 درجه سانتیگراد) پس از تنگستن و رنیوم در رتبه دوم قرار دارد. استحکام و سختی بالا با ویژگی های پلاستیکی عالی ترکیب شده است. تانتالیوم خالص به خوبی به پردازش های مکانیکی مختلف کمک می کند، به راحتی مهر می شود و به نازک ترین ورقه ها (حدود 0.04 میلی متر ضخامت) و سیم پردازش می شود.

تانتالوم دارای یک شبکه مکعبی در مرکز بدن است (a = 3.296 Å). شعاع اتمی 1.46 Å، شعاع یونی Ta 2 + 0.88 Å، Ta 5 + 0.66 Å. چگالی 16.6 گرم بر سانتی متر 3 در 20 درجه سانتی گراد. t pl 2996 درجه سانتی گراد; دمای کیپ 5300 درجه سانتی گراد; ظرفیت گرمایی ویژه در 0-100 درجه سانتیگراد 0.142 کیلوژول/(کیلوگرم K)؛ هدایت حرارتی در 20-100 درجه سانتیگراد 54.47 W/(m K). ضریب دمای انبساط خطی 8.0·10 -6 (20-1500 درجه سانتیگراد). مقاومت الکتریکی ویژه در 0 °C 13.2·10 -8 اهم· متر، در 2000 °C 87·10 -8 اهم· متر.

در 4.38 K تبدیل به یک ابررسانا می شود. تانتالیوم پارامغناطیس است، حساسیت مغناطیسی خاص 0.849·10 -6 (18 درجه سانتیگراد). تانتالیوم خالص یک فلز انعطاف پذیر است که می تواند با فشار در سرما بدون سخت شدن قابل توجه پردازش شود. می توان آن را با نرخ کاهش 99٪ بدون بازپخت میانی تغییر شکل داد. انتقال تانتالیوم از حالت انعطاف پذیر به حالت شکننده پس از خنک شدن تا -196 درجه سانتیگراد تشخیص داده نشد.

مدول الاستیک تانتالیوم 190 H/m2 (190·10 2 kgf/mm2) در دمای 25 درجه سانتی گراد است. استحکام کششی تانتالیوم با خلوص بالا 206 MN/m2 (20.6 kgf/mm2) در دمای 27 درجه سانتیگراد و 190 MN/m2 (19 kgf/mm2) در 490 درجه سانتیگراد است. کشیدگی نسبی 36% (27 درجه سانتیگراد) و 20% (490 درجه سانتیگراد). سختی برینل تانتالیوم خالص تبلور مجدد 500 Mn/m2 (50 kgf/mm2) است. خواص تانتالیوم تا حد زیادی به خلوص آن بستگی دارد. ناخالصی های هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن و کربن فلز را شکننده می کند.

بدون شک، با ارزش ترین خاصیت تانتالیوم مقاومت شیمیایی استثنایی آن است: از این نظر، پس از فلزات نجیب در رتبه دوم قرار دارد و نه همیشه. حتی در چنین محیط شیمیایی تهاجمی مانند aqua regia که به راحتی پلاتین و سایر موارد را حل می کند، حل نمی شود. حقایق زیر نیز گواه بالاترین مقاومت خوردگی تانتالیوم است. در 200 درجهبادر اسید نیتریک 70 درصد، در اسید سولفوریک در دمای 150 درجه در معرض خوردگی نیست.خوردگی تانتالیوم نیز مشاهده نمی شود و در دمای 200 درجه سانتیگراد فلز خورده می شود، اما فقط 0.006 میلی متر در سال.

به علاوه بر این، این فلز انعطاف پذیر است و می توان از آن محصولاتی با اشکال پیچیده تهیه کرد. جای تعجب نیست که به یک ماده ساختمانی ضروری برای صنایع شیمیایی تبدیل شده است.تجهیزات تانتالیوم در تولید بسیاری از اسیدها (هیدروکلریک، سولفوریک، نیتریک، فسفریک، استیک)، برم، کلر و پراکسید هیدروژن استفاده می شود. در یکی از شرکت هایی که از کلرید گازی استفاده می کرد، قطعات فولادی ضد زنگ تنها پس از دو ماه از کار افتاد. اما، به محض اینکه فولاد با تانتالیوم جایگزین شد، حتی نازک ترین قطعات (ضخامت 0.3-0.5)میلی متر)معلوم شد که عملاً نامحدود است - عمر مفید آنها به 20 سال افزایش یافته است.

از بین تمام اسیدها، تنها اسید هیدروفلوئوریک قادر به حل شدن است (مخصوصاً در دماهای بالا). کویل، دستگاه تقطیر، شیر، میکسر، هواکش و بسیاری از قطعات دیگر دستگاه های شیمیایی از آن ساخته می شود. کمتر متداول است، بسیاری از مواد ساختاری به سرعت هدایت حرارتی خود را از دست می دهند: یک لایه اکسید یا نمک که گرما را به خوبی هدایت می کند، روی سطح آنها تشکیل می شود. تجهیزات تانتالیوم عاری از این عیب هستند، یا بهتر است بگوییم، یک لایه اکسید روی آن تشکیل می شود، اما نازک است و گرما را به خوبی هدایت می کند.

به هر حال، رسانایی حرارتی بالا همراه با پلاستیسیته بود که تانتالیوم را به ماده ای عالی برای مبدل های حرارتی تبدیل کرد.تقسیم طلا و نقره مزیت این کاتدها این است که رسوب طلا و نقره می تواند باشدآنها را با آکوا رژیا بشویید که به تانتالوم آسیب نمی رساند نه تنها برای صنایع شیمیایی مهم است. بسیاری از شیمیدانان تحقیقاتی نیز در آزمایشگاه روزانه خود با آن مواجه می شوند. بوته های تانتالیوم، فنجان ها، کفگیرها اصلا غیر معمول نیستند "شما باید اعصاب تانتالیوم داشته باشید..." کیفیت منحصر به فرد تانتالوم سازگاری بیولوژیکی بالای آن است، یعنی توانایی ریشه دار شدن در بدن بدون ایجاد تحریک در بافت های اطراف. . این خاصیت پایه ای برای استفاده گسترده از تانتالیوم در پزشکی، به طور عمده در جراحی ترمیمی - برای ترمیم بدن انسان است.

صفحات ساخته شده از این فلز، به عنوان مثال، برای آسیب های جمجمه استفاده می شود - آنها شکستگی های جمجمه را می پوشانند.درادبیات موردی را توصیف می کند که در آن یک گوش مصنوعی از یک صفحه تانتالیوم ساخته شده بود و پوست پیوند شده از ران آنقدر ریشه دار شد که به زودی گوش تانتالیومی مشکل شد.تمایز از حالگاهی اوقات از نخ تانتالیوم برای جبران از دست دادن بافت عضلانی استفاده می شود. جراحان پس از جراحی با استفاده از صفحات نازک تانتالیوم دیواره های حفره شکم را تقویت می کنند. منگنه های تانتالیوم، مشابه آنهایی که برای دوخت نوت بوک استفاده می شود، به طور ایمن رگ های خونی را به هم متصل می کند. از مش های تانتالیوم در ساخت پروتزهای چشم استفاده می شود. رزوه های ساخته شده از این فلز تعویض می شوندتاندون هاو حتی اعصاب را به هم بدوزید الیاف و اگر بیان ما معمولا از "اعصاب آهن" استفاده می کنیم قابل حمل حس، افراد با اعصاب تانتالیوم، بودن شاید،در واقع، چیزی نمادین در این واقعیت وجود دارد که این سهم فلزی است که به نام شهید اسطوره ای، به مأموریت انسانی - کاهش درد و رنج انسان ها اختصاص دارد. ..

چگونه تانتالیوم از نیوبیم جدا می شود

پوسته زمین تنها حاوی 0.0002% Ta است، اما بسیاری از مواد معدنی آن شناخته شده است - بیش از 130. تانتالوم در این مواد معدنی، به عنوان یک قاعده، از نیوبیوم جدایی ناپذیر است، که با شباهت شیمیایی شدید عناصر و اندازه های تقریبا یکسان توضیح داده می شود. دشواری جداسازی این فلزات برای مدت طولانی مانع توسعه صنعت تانتالیوم و نیوبیوم شده است. تا همین اواخر، آنها تنها با روشی که در سال 1866 توسط شیمیدان سوئیسی ماریگناک پیشنهاد شده بود، جدا می شدند، که از حلالیت متفاوت تانتالات فلوئور پتاسیم و فلورونیوبات در اسید هیدروفلوئوریک رقیق استفاده می کرد.

در سال‌های اخیر، روش‌های استخراج برای جداسازی تانتالیوم، بر اساس حلالیت‌های مختلف نمک‌های تانتالیوم و نیوبیم در حلال‌های آلی خاص، اهمیت پیدا کرده است. تجربه نشان داده است که متیل ایزوبوتیل کتون و سیکلوهگزانون بهترین خواص استخراج را دارند امروزه روش اصلی تولید فلز تانتالیوم مذاب فلوروتانتال پتاسیم در بوته های گرافیتی، چدنی یا نیکل است که به عنوان کاتد نیز عمل می کنند. پودر تانتالیوم روی دیواره های بوته رسوب می کند.

این پودر که از بوته استخراج می شود، ابتدا به صفحات مستطیلی (اگر قطعه کار برای نورد در ورق در نظر گرفته شده است) یا میله های مربعی (برای کشیدن سیم) فشرده می شود و سپس روش حرارتی سدیم برای تولید تانتالیوم نیز کاربرد دارد . در این فرآیند، فلوروتانتالات پتاسیم و فلوروتانتالات فلز برهم کنش می‌کنند:

K2 TaF 7 + 5Na → Ta + 2KF + 5NaF.

محصول نهایی واکنش تانتالیوم پودر شده است که سپس تف جوشی می شود. در دو دهه اخیر، روش‌های دیگری برای پردازش پودر آغاز شده است: ذوب قوس یا القایی در خلاء و ذوب پرتو الکترونی.

مقاله ای با موضوع خواص شیمیایی تانتالیوم

تانتالیوم(lat. Tantalum)، Ta، عنصر شیمیایی گروه V از سیستم تناوبی مندلیف. عدد اتمی 73، جرم اتمی 180.948; این فلز به رنگ خاکستری با رنگ کمی سربی است. در طبیعت، به شکل دو ایزوتوپ یافت می شود: 181 Ta پایدار (99.99٪) و رادیواکتیو 180 Ta (0.012٪؛ T ½ = 10 12 سال). از مواد رادیواکتیو مصنوعی 182 Ta (T ½ = 115.1 روز) به عنوان یک شاخص رادیواکتیو استفاده می شود.

این عنصر در سال 1802 توسط شیمیدان سوئدی A.G. Eksberg کشف شد. به نام قهرمان اساطیر یونان باستان تانتالوس (به دلیل مشکلات بدست آوردن تانتالوم به شکل خالص آن). تانتالیوم فلزی پلاستیکی اولین بار در سال 1903 توسط شیمیدان آلمانی W. Bolton به دست آمد.

توزیع تانتالیوم در طبیعتمیانگین محتوای تانتالیوم در پوسته زمین (کلارک) 2.5·10-4٪ جرمی است. عنصر مشخصه گرانیت و پوسته های رسوبی (متوسط ​​محتوای آن به 3.5·10 -4٪ می رسد). در قسمت‌های عمیق پوسته زمین و به‌ویژه در بالای آن، تانتالیوم کمی در گوشته وجود دارد (در سنگ‌های اولترابازیک 1.8·10 -6%). تانتالم در بیشتر سنگ های آذرین و زیست کره پراکنده است. محتوای آن در هیدروسفر و موجودات زنده ثابت نشده است. 17 کانی تانتالیوم شناخته شده و بیش از 60 کانی حاوی تانتالیوم وجود دارد. همه آنها در ارتباط با فعالیت ماگمایی (تانتالیت، کلمبیت، لوپاریت، پیروکلر و دیگران) تشکیل شدند. در مواد معدنی، تانتالم به دلیل شباهت خواص فیزیکی و شیمیایی آنها همراه با نیوبیم یافت می شود. سنگ معدن تانتالیوم در پگماتیت‌های گرانیت و سنگ‌های قلیایی، کربناتیت‌ها، در رگه‌های گرمابی و همچنین در پلاسرها که بیشترین اهمیت عملی را دارند، شناخته می‌شوند.

خواص فیزیکی تانتالیومتانتالوم دارای یک شبکه مکعبی در مرکز بدن است (a = 3.296 Å). شعاع اتمی 1.46 Å، شعاع یونی Ta 2 + 0.88 Å، Ta 5 + 0.66 Å. چگالی 16.6 گرم بر سانتی متر 3 در 20 درجه سانتی گراد. t pl 2996 درجه سانتی گراد; دمای کیپ 5300 درجه سانتی گراد; ظرفیت گرمایی ویژه در 0-100 درجه سانتیگراد 0.142 کیلوژول/(کیلوگرم K)؛ هدایت حرارتی در 20-100 درجه سانتیگراد 54.47 W/(m K). ضریب دمایی انبساط خطی 8.0·10 -6 (20-1500 درجه سانتیگراد). مقاومت الکتریکی ویژه در 0 °C 13.2·10 -8 اهم· متر، در 2000 °C 87·10 -8 اهم· متر. در 4.38 K تبدیل به یک ابررسانا می شود. تانتالیوم پارامغناطیس است، حساسیت مغناطیسی خاص 0.849·10 -6 (18 درجه سانتیگراد). تانتالیوم خالص یک فلز انعطاف پذیر است که می تواند با فشار در سرما بدون سخت شدن قابل توجه پردازش شود. می توان آن را با نرخ کاهش 99٪ بدون بازپخت میانی تغییر شکل داد. انتقال تانتالیوم از حالت انعطاف پذیر به حالت شکننده پس از خنک شدن تا -196 درجه سانتیگراد تشخیص داده نشد. مدول الاستیسیته تانتالیوم 190 H/m2 (190·10 2 kgf/mm2) در دمای 25 درجه سانتی گراد است. استحکام کششی تانتالیوم با خلوص بالا 206 MN/m2 (20.6 kgf/mm2) در دمای 27 درجه سانتیگراد و 190 MN/m2 (19 kgf/mm2) در 490 درجه سانتیگراد است. کشیدگی نسبی 36% (27 درجه سانتیگراد) و 20% (490 درجه سانتیگراد). سختی برینل تانتالیوم خالص تبلور مجدد 500 Mn/m2 (50 kgf/mm2) است. خواص تانتالیوم تا حد زیادی به خلوص آن بستگی دارد. ناخالصی های هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن و کربن فلز را شکننده می کند.

خواص شیمیایی تانتالیومپیکربندی الکترون های بیرونی اتم Ta 5d 3 6s 2 است. مشخصه ترین حالت اکسیداسیون تانتالیوم +5 است. ترکیبات با حالت اکسیداسیون پایین‌تر شناخته شده‌اند (به عنوان مثال، TaCl 4، TaCl 3، TaCl 2)، اما تشکیل آنها برای تانتالیوم کمتر از نیوبیم است.

از نظر شیمیایی، تانتالم در شرایط عادی کم فعال است (مشابه نیوبیم). تانتالیوم فشرده خالص در هوا پایدار است. در دمای 280 درجه سانتیگراد شروع به اکسید شدن می کند. این تنها یک اکسید پایدار دارد - (V) Ta 2 O 5، که در دو تغییر وجود دارد: شکل α سفید زیر 1320 درجه سانتیگراد و شکل β خاکستری بالای 1320 درجه سانتیگراد. خاصیت اسیدی دارد. با هیدروژن در دمای حدود 250 درجه سانتیگراد، تانتالم یک محلول جامد حاوی حداکثر 20 درصد هیدروژن در 20 درجه سانتیگراد تشکیل می دهد. در همان زمان، تانتالیوم شکننده می شود. در دمای 800-1200 درجه سانتیگراد در خلاء بالا، هیدروژن از فلز آزاد می شود و انعطاف پذیری آن بازیابی می شود. با نیتروژن در دمای حدود 300 درجه سانتیگراد محلول جامد و نیتریدهای Ta 2 N و TaN را تشکیل می دهد. در خلاء عمیق بالای 2200 درجه سانتیگراد، نیتروژن جذب شده دوباره از فلز آزاد می شود. در سیستم Ta - C در دمای تا 2800 درجه سانتیگراد، وجود سه فاز ایجاد شده است: محلول جامد کربن در تانتالم، کاربید پایین تر T 2 C و کاربید بالاتر TaC. تانتالم با هالوژن ها در دمای بالاتر از 250 درجه سانتیگراد (با فلوئور در دمای اتاق) واکنش می دهد و هالیدهایی را عمدتاً از نوع TaX 3 (که در آن X = F، Cl، Br، I) تشکیل می دهد. هنگامی که گرم می شود، Ta با C، B، Si، P، Se، Te، آب، CO، CO2، NO، HCl، H2S تعامل می کند.

تانتالیوم خالص به طور استثنایی در برابر عمل بسیاری از فلزات مایع مقاوم است: Na، K و آلیاژهای آنها، Li، Pb و غیره، و همچنین آلیاژهای U - Mg و Pu - Mg. تانتالیوم با مقاومت بسیار بالا در برابر خوردگی در برابر عمل اکثر اسیدهای معدنی و آلی مشخص می شود: نیتریک، هیدروکلریک، سولفوریک، کلریک و غیره، آکوا رژیا، و همچنین بسیاری از محیط های تهاجمی دیگر. فلوئور، هیدروژن فلوراید، اسید هیدروفلوئوریک و مخلوط آن با اسید نیتریک، محلول‌ها و مذاب‌های قلیایی روی تانتالیوم اثر می‌گذارند. نمک‌های اسیدهای تانتالیک شناخته شده‌اند - تانتالات‌ها با فرمول عمومی xMe 2 O·yTa 2 O 5 · H 2 O: متاتانتالات MeTaO 3، ارتوتانتالات Me 3 TaO 4، نمک‌هایی مانند Me 5 TaO 5، که در آن Me یک فلز قلیایی است. در حضور پراکسید هیدروژن، پرتانتالات ها نیز تشکیل می شوند. مهمترین تانتالاتهای فلز قلیایی KTaO 3 و NaTaO 3 هستند. این نمک ها فروالکتریک هستند.

به دست آوردن تانتالیمسنگ معدن های حاوی تانتالیوم کمیاب، پیچیده و فقیر از تانتالیوم هستند. سنگ معدن های حاوی تا صدم درصد (Ta, Nb) 2 O 5 و سرباره های حاصل از ذوب کاهش کنسانتره قلع را پردازش کنید. مواد اولیه اصلی برای تولید تانتالیوم، آلیاژها و ترکیبات آن کنسانتره تانتالیت و لوپاریت هستند که به ترتیب حاوی حدود 8% Ta 2 O 5 و 60 % یا بیشتر Nb 2 O 5 هستند. کنسانتره ها معمولاً در سه مرحله فرآوری می شوند: 1) باز کردن، 2) جداسازی Ta و Nb و به دست آوردن ترکیبات خالص آنها، 3) بازیافت و تصفیه Ta. کنسانتره تانتالیت با اسیدها یا قلیاها تجزیه می شود، در حالی که کنسانتره لوپاریت کلر می شود. Ta و Nb برای به دست آوردن ترکیبات خالص با استخراج، به عنوان مثال، با تروبتیل فسفات از محلول های اسید هیدروفلوئوریک یا با یکسوسازی کلریدها جدا می شوند.

برای تولید تانتالیوم فلزی، آن را از دوده Ta 2 O 5 در یک یا دو مرحله کاهش می دهند (با تهیه مقدماتی TaC از مخلوط Ta 2 O 5 با دوده در اتمسفر CO یا H 2 در دمای 1800-2000 درجه سانتیگراد. ) کاهش الکتروشیمیایی از مذاب های حاوی K 2 TaF 7 و Ta 2 O 5 و کاهش K 2 TaF 7 با سدیم پس از حرارت دادن. فرآیندهای تفکیک حرارتی کلرید یا کاهش تانتالیوم از آن با هیدروژن نیز امکان پذیر است. فلز فشرده یا با قوس خلاء، پرتو الکترونی یا ذوب پلاسما و یا با روش‌های متالورژی پودر تولید می‌شود. شمش ها یا میله های پخته شده از پودرها تحت فشار پردازش می شوند. تک بلورهای تانتالیوم خالص با ذوب ناحیه پرتو الکترونی بدون بوته به دست می آیند.

کاربرد تانتالیومتانتالیم دارای مجموعه ای از خواص ارزشمند است - شکل پذیری خوب، استحکام، جوش پذیری، مقاومت در برابر خوردگی در دماهای متوسط، نسوز، فشار بخار کم، ضریب انتقال حرارت بالا، تابع کار الکترونی کم، توانایی تشکیل فیلم آندی (Ta 2 O 5) با ویژگی های دی الکتریک خاص و "همراهی" با بافت زنده بدن. به لطف این خواص، تانتالیوم در الکترونیک، مهندسی شیمی، انرژی هسته ای، متالورژی (تولید آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت، فولادهای ضد زنگ) و پزشکی استفاده می شود. به شکل TaC در تولید آلیاژهای سخت استفاده می شود. تانتالیوم خالص برای ساخت خازن های الکتریکی برای دستگاه های نیمه هادی، قطعات لوله های الکترونیکی، تجهیزات مقاوم در برابر خوردگی برای صنایع شیمیایی، قالب ها در تولید الیاف مصنوعی، ظروف شیشه ای آزمایشگاهی، بوته ها برای ذوب فلزات (به عنوان مثال، خاک های کمیاب) و آلیاژها استفاده می شود. , بخاری برای کوره های با دمای بالا; مبدل های حرارتی برای سیستم های انرژی هسته ای در جراحی از ورقه، فویل و مفتول ساخته شده از تانتالیوم برای بستن استخوان، اعصاب، بخیه زدن و ... استفاده می شود و از آلیاژها و ترکیبات تانتالیوم استفاده می شود.