Tantaali (elementti)

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 13. elokuuta 2022 tarkistetusta versiosta . vahvistus vaatii 1 muokkauksen .

Tantaali
←  Hafnium | Volframi  →
73 Huom ↑ Ta ↓ Db 73 Ta
Yksinkertaisen aineen ulkonäkö
Näyte kiteisestä tantaalista
Atomin ominaisuudet
Nimi, symboli, numero	Tantaali / Tantaali (Ta), 73
Ryhmä , jakso , lohko	5 (vanhentunut 5), 6, d-elementti
Atomimassa ( moolimassa )	180.94788(2) [1]  a. e. m  ( g / mol )
Elektroninen konfigurointi	[Xe] 6s 2 4f 14 5d 3 .
Elektronit kuorissa _	2, 8, 18, 32, 11, 2
Atomin säde	klo 149
Kemiallisia ominaisuuksia
kovalenttinen säde	klo 134
Ionin säde	(+5e)  klo 68
Elektronegatiivisuus	1,5 (Pauling-asteikko)
Elektrodin potentiaali	−1.12 [2]
Hapetustilat	+5
Ionisaatioenergia (ensimmäinen elektroni)	760,1 (7,88)  kJ / mol  ( eV )
Yksinkertaisen aineen termodynaamiset ominaisuudet
Tiheys ( n.a. )	16,65 [3]  g/cm³
Sulamislämpötila	3290 K (3017 °C) [3]
Kiehumislämpötila	5731 K (5458 °C) [3]
Oud. sulamisen lämpöä	24,7 kJ/mol
Oud. haihtumislämpö	758 kJ/mol
Molaarinen lämpökapasiteetti	25,39 [4]  J/(K mol)
Molaarinen tilavuus	10,9  cm³ / mol
Yksinkertaisen aineen kidehila
Hilarakenne	Kuutiomainen runko keskellä
Hilan parametrit	3,310  Å
Debye lämpötila	225,00  K
Muut ominaisuudet
Lämmönjohtokyky	(300 K) 57,5 ​​W/(m K)
CAS-numero	7440-25-7
Päästöspektri

73	Tantaali
Ta180,9489
4f 14 5d 3 6s 2

Tantaali ( kemiallinen symboli  - Ta , lat.  Tantaali ) on D. I :n kemiallisten alkuaineiden jaksollisen järjestelmän kuudennen jakson 5. ryhmän kemiallinen alkuaine ( vanhentuneen luokituksen mukaan  - viidennen ryhmän sivualaryhmä, VB) . Mendelejev , atominumero 73.

Normaaliolosuhteissa tantaali  on loistava siirtymämetalli [4], jonka väri on hopeanvalkoinen ( jossa on lievä lyijy (sinertävä) sävy, joka johtuu tiheän oksidikalvon muodostumisesta ).

Historia

Ruotsalainen kemisti A. G. Ekeberg löysi tantaalin vuonna 1802 kahdesta Suomesta ja Ruotsista löytyvästä mineraalista . Sitä ei kuitenkaan voitu eristää puhtaassa muodossaan. Koska tätä elementtiä oli vaikea saada, se nimettiin antiikin kreikkalaisen mytologian sankarin  - kuningas Tantaluksen mukaan .

Myöhemmin tantaalia ja "kolumbiumia" ( niobium ) pidettiin identtisinä. Vasta vuonna 1844 saksalainen kemisti Heinrich Rose osoitti, että kolumbiitti-tantaliitti mineraali sisältää kaksi eri alkuainetta - niobiumia ja tantaalia.

Muovisen metallisen tantaalin hankki ensimmäisenä saksalainen tiedemies W. Bolton vuonna 1903.

Ensimmäinen teollinen tantaalitanko saatiin vuonna 1922, vaikka se ei ylittänyt tulitikkupään kokoa. Sitten elementtiä alettiin käyttää tasasuuntaajissa ja radioputkissa. Aktiivinen tantaalituotanto otettiin käyttöön aivan toisen maailmansodan lopussa.

Luonnossa oleminen

Tantaali on harvinainen metalli, sen osuus maankuoressa on 0,0002 %. Tunnetaan noin 20 luontaista tantaalimineraaleja - sarja kolumbiitti -tantaliittia , wojiniittia , lopariittia , manganotantaliittia ja muita, sekä yli 60 tantaalia sisältävää mineraalia. Kaikki ne liittyvät endogeeniseen mineraalien muodostumiseen . Mineraaleissa tantaalia löytyy aina yhdessä niobin kanssa niiden fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien samankaltaisuuden vuoksi. Tantaali on tyypillisesti dispergoitunut alkuaine, koska se on isomorfinen monien kemiallisten alkuaineiden kanssa. Tantaaliesiintymät rajoittuvat graniittisiin pegmatiitteihin, karbonatiitteihin ja emäksisiin kerrostumiin.

Talletukset

Suurimmat tantaalimalmiesiintymät sijaitsevat Ranskassa , Egyptissä , Thaimaassa [4] ja Kiinassa . Tantaalimalmeja on myös Mosambikissa , Australiassa , Nigeriassa , Kanadassa , Brasiliassa , IVY :ssä , Kongon demokraattisessa tasavallassa ja Malesiassa [4] . Venäjällä tantaaliesiintymiä on Murmanskin alueella , Itä -Siperiassa , Transbaikaliassa ja Jakutiassa [5] .

Maailman suurin tantaalimalmien esiintymä Greenbushes sijaitsee Australiassa Länsi-Australian osavaltiossa , 250 km Perthistä etelään [6] .

Fysikaaliset ominaisuudet

Tantaaliatomin täydellinen elektroninen konfiguraatio on: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 3 .

Tantaalilla on korkea sulamispiste  - 3290  K ( 3017 °C ); kiehuu 5731  K ( 5458 °C ) [ 3] . Tantaalin tiheys on 16,65 g/cm 3 [3] . Korkeasta sulamispisteestään huolimatta tantaali on yhtä muokattavaa kuin kulta . Puhdas tantaali soveltuu hyvin koneistukseen, on helposti meistettävä, valssattu langaksi ja ohuimmiksi levyiksi, joiden paksuus on millimetrin sadasosia. Ei haurastu edes nestemäisen typen lämpötilassa (−196 °C). Epäpuhtauksien (hiili, typpi, happi, vety) läsnä ollessa mekaaniset ominaisuudet heikkenevät jyrkästi, mikä tekee erittäin puhtaan metallin saannin ongelmasta erityisen tärkeän [7] . Tantaali on erinomainen sitoja (kaasusiittäjä), 800 °C:ssa se pystyy absorboimaan 740 tilavuutta kaasua. Kidehila  on kuutiomainen, kehokeskeinen [4] . Sillä on paramagneettisia ominaisuuksia [4] .

Alle 4,45 K lämpötiloissa se siirtyy suprajohtavaan tilaan [4] .

Isotoopit

Tunnetut tantaali-isotoopit, joiden massaluvut ovat 155 - 190 ( protonien lukumäärä  - 73, neutronien  - 82 - 117), ja yli 30 ydinisomeeriä .

Luonnollinen tantaali koostuu stabiilin isotoopin ja stabiilin isomeerin seoksesta: 181 Ta (99,9877 %) ja 180 m Ta (0,0123 %). Jälkimmäinen on 180 Ta-isotoopin erittäin stabiili isomeeri (viritetty tila) , jonka puoliintumisaika on hieman yli 8 tuntia [8] .

Kemialliset ominaisuudet

Normaaleissa olosuhteissa tantaali ei ole aktiivinen, se hapettuu ilmassa vain yli 280 °C: n lämpötiloissa ja peittyy Ta 2 O 5 -oksidikalvolla ; reagoi halogeenien kanssa yli 250 °C lämpötiloissa . Kuumennettaessa se reagoi C :n , B :n , Si :n , P :n , Se :n , Te :n , H2O :n , CO : n , CO 2 : n , NO :n , HCl :n , H2S : n kanssa .

Kemiallisesti puhdas tantaali kestää poikkeuksellisen nestemäisiä alkalimetalleja , useimpia epäorgaanisia ja orgaanisia happoja ja monia muita aggressiivisia aineita (lukuun ottamatta sulaa alkalia).

Mitä tulee reagenssien kemialliseen kestävyyteen, tantaali on samanlainen kuin lasi. Tantaali on liukenematon happoihin ja niiden seoksiin, lukuun ottamatta fluorivety- ja typpihapon seosta ; edes aqua regia ei liuota sitä . Reaktio fluorivetyhapon kanssa tapahtuu vain metallipölyn kanssa ja siihen liittyy räjähdys . Se kestää hyvin minkä tahansa pitoisuuden ja lämpötilan rikkihappoa ( 200 °C:ssa metalli syövyttää hapossa vain 0,006 millimetriä vuodessa) [9] , on stabiili happivapaissa sulaissa alkalimetalleissa ja niiden ylikuumennetuissa höyryissä (litium, natrium, kalium). , rubidium, cesium).

Toksikologia

MPC 5 mg/m³ .

Yleisyys

Keskimääräinen tantaalipitoisuus (massan mukaan):

• maankuoressa 2,5⋅10 −4  % [4]
• ultramafisissa kivissä 1⋅10 −6  %
• peruskivissä 4,8⋅10 −5  %
• happamissa kivissä 3,5⋅10 -4  %
• puolihappamissa kivissä 7⋅10 −4  %

Haetaan

Pääraaka-aineet tantaalin ja sen seosten valmistuksessa ovat tantaliitti- ja lopariittirikasteet, jotka sisältävät noin 8 % Ta 2 O 5 , sekä 60 % tai enemmän Nb 2 O 5 . Konsentraatit hajotetaan hapoilla tai emäksillä, lopariittikonsentraatit kloorataan. Ta:n ja Nb:n erotus suoritetaan uuttamalla . Tantaalimetallia saadaan tavallisesti pelkistämällä Ta205 hiilellä tai sähkökemiallisesti sulatuksista. Kompakti metalli valmistetaan tyhjiökaarilla, plasmasulattamalla tai jauhemetallurgialla .

Yhden tonnin tantaalirikasteen saamiseksi on tarpeen käsitellä jopa 3 000 tonnia malmia.

Hinta

Tantaalin hinta on noin 218  dollaria per kilo (syyskuu 2019) [10] . Erityisesti puhtaan tantaalin (alkaen 99,985%) hinta on noin 3585 dollaria kilolta [ 11] .

Sovellus

Sitä käytettiin alun perin hehkulamppujen lankojen valmistukseen. Nykyään tantaalia ja sen seoksia käytetään valmistukseen:

• lämmönkestävät ja korroosionkestävät seokset;
• korroosionkestävät laitteet kemianteollisuutta varten, kehruukoneet , laboratoriolasit ja upokkaat harvinaisten maametallien sekä yttriumin ja skandiumin hankintaan, sulattamiseen ja valuun ;
• ydinvoimajärjestelmien lämmönvaihtimet (tantaali on stabiilin kaikista tulistetun sulatteen ja cesiumhöyryn metalleista );
• kirurgiassa tantaalilevyjä, kalvoa ja lankaa käytetään kudosten, hermojen kiinnittämiseen, ompelemiseen, proteesien valmistukseen, jotka korvaavat vaurioituneita luuosia (biologisen yhteensopivuuden vuoksi), ortopedisten elektreettien valmistukseen [12] ;
• tantaalilankaa käytetään kryotroneissa  - tietotekniikkaan asennetuissa suprajohtavissa elementeissä;
• ammusten valmistuksessa tantaalia käytetään pitkälle kehitettyjen panosten metallivuoraukseen, mikä parantaa panssarin tunkeutumista ;
• tantaalia ja niobiumia käytetään elektrolyyttikondensaattoreiden valmistukseen (laadukkaampia kuin alumiinielektrolyyttikondensaattorit, mutta suunniteltu pienemmälle jännitteelle);
• tantaalia on käytetty viime vuosina korumetallina, koska se pystyy muodostamaan kestäviä, kauniin sateenkaarenvärisiä oksidikalvoja pinnalle;
• US Bureau of Standards ja International Bureau of Weights and Measures of France käyttävät tantaalia platinan sijasta korkean tarkkuuden standardianalyyttisten painojen valmistukseen;
• Tantaaliberyllidi on erittäin kovaa ja kestää hapettumista ilmassa 1650 °C:een asti , ja sitä käytetään ilmailutekniikassa;
• Tantaalikarbidia (sulamispiste 3880 °C , kovuus lähellä timantin kovuutta) käytetään kovien metalliseosten  - volframi- ja tantaalikarbidien (TT-indeksilaadut) - valmistuksessa vaikeimpiin metallintyöstöolosuhteisiin ja iskuporaukseen. vahvimmat materiaalit (kivi, komposiitit), ja niitä käytetään myös suuttimissa, rakettien suuttimissa;
• Tantaali(V)oksidia käytetään ydintekniikassa gammasäteilyä absorboivan lasin sulattamiseen . Yksi yleisimmin käytetyistä tällaisen lasin koostumuksista: piidioksidi - 2%, lyijymonoksidi (litharge) - 82%, boorioksidi - 14%, tantaalipentoksidi - 2%;
• numismatiikassa. Vuodesta 2006 lähtien Kazakstanin keskuspankki on laskenut liikkeeseen bimetallisia 100 ja 500 tengen juhlarahoja hopeasta ja tantaalista.

Katso myös

• Kolumbiitti-tantaliitti

Muistiinpanot

1. ↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg , Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang-Kun Zhu. Alkuaineiden atomipainot 2011 (IUPAC Technical Report  )  // Pure and Applied Chemistry . - 2013. - Vol. 85 , no. 5 . - s. 1047-1078 . - doi : 10.1351/PAC-REP-13-03-02 . Arkistoitu alkuperäisestä 5. helmikuuta 2014.
2. ↑ Tulenkestävät ja seosaineet  (venäjäksi)  ? . chem21. Käyttöönottopäivä: 29.1.2019.  (määrätön)
3. ↑ 1 2 3 4 5 Tantaali: fysikaaliset  ominaisuudet . WebElements. Haettu 17. elokuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 2. tammikuuta 2010.
4. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Chemical Encyclopedia: in 5 tons / Toim.: N. S. Zefirov (päätoimittaja). - M . : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1995. - T. 4. - S. 494. - 639 s. - 20 000 kappaletta.  - ISBN 5-85270-039-8.
5. ↑ Mahtava kahdeksan . Harvinaiset maametallit . Haettu 5. heinäkuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 25. helmikuuta 2020. (määrätön)
6. ↑ Suuri venäläinen tietosanakirja: 30 nidettä / tieteellisen toim. Neuvosto Yu. S. Osipov. Rep. toim. S. L. Kravets. T. 8. Grigorjev - Dynamiikka. - M .: Suuri venäläinen tietosanakirja, 2007. - 767 s.: ill.: kartat.
7. ↑ G. N. Fadeev. Viides pystysuora. - Moskova: Koulutus, 1985. - S. 173. - 191 s.
8. ↑ Audi G. , Bersillon O. , Blachot J. , Wapstra AH NUBASE-arviointi ydin- ja hajoamisominaisuuksista  // Nuclear Physics A. - 2003. - T. 729 . - S. 3-128 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 . - .
9. ↑ Venetsky S. I. Syntynyt tuskissa // Tarinoita metalleista. - M . : Metallurgy, 1979. - S. 167. - 240 s. - 60 000 kappaletta.
10. ↑ Tantaali, USD/kg maailmanmarkkinahinta . infogeo.ru. Haettu 17. elokuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 4. syyskuuta 2013. (määrätön)
11. ↑ Faktaa tantaalielementistä  . Chemicool.com. Haettu 17. elokuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 7. elokuuta 2013.
12. ↑ Aleksandrova S. A., Aleksandrova O. I., Khomutov V. P., Morgunov M. S., Blinova M. I. Anodiseen tantaalioksidiin perustuvan elektreetin sähkökentän vaikutus luuytimen stroomasolujen erilaistumisominaisuuksiin potilaalla, jolla on osteoartroos // Sytologia. - 2018. - nro 60(12). - S. 987-995.

Linkit

• Tantaali kemiallisten elementtien suositussa kirjastossa

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Suuri tanskalainen Suuri katalaani Hienoa norjalaista Iso venäläinen Brockhaus ja Efron kanadalainen Pieni Brockhaus ja Efron Britannica (verkossa) Treccani Universalis Universalis
Bibliografisissa luetteloissa	GND : 4059023-9 J9U : 987007558428505171 LCCN : sh85132346 NDL : 00572700

D. I. Mendelejevin kemiallisten alkuaineiden jaksollinen järjestelmä

yksi 2                             3 neljä 5 6 7 kahdeksan 9 kymmenen yksitoista 12 13 neljätoista viisitoista 16 17 kahdeksantoista yksi H   Hän 2 Li Olla   B C N O F Ne 3 Na mg   Al Si P S Cl Ar neljä K Ca   sc Ti V Cr Mn Fe co Ni Cu Zn Ga Ge Kuten Se Br kr 5 Rb Sr   Y Zr Huom Mo Tc Ru Rh Pd Ag CD Sisään sn Sb Te minä Xe 6 Cs Ba La Ce PR Nd pm sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu hf Ta W Re Os Ir Pt Au hg Tl Pb Bi Po klo Rn 7 Fr Ra AC Th Pa U Np Pu Olen cm bk vrt Es fm md ei lr RF Db Sg bh hs Mt Ds Rg Cn Nh fl Mc Lv Ts Og   alkalimetallit maa-alkalimetallit Lantanidit aktinidit siirtymämetallit kevyet metallit Puolimetallit ei-metallit Halogeenit jalokaasut

Tantaaliyhdisteet _

Tantaaliantimonidi (Ta 5 Sb 4 ) Tantaali(II)bromidi (TaBr 2 ) Tantaali(III)bromidi (TaBr 3 ) Tantaali(V)bromidi (TaBr 5 ) Heksafluorotantaalihappo (H[TaF 6 ]) kaliumheptafluorotantalaatti (V) (K 2 [TaF 7 ]) Tantaalidiboridi (TaB 2 ) Tantaali(IV)jodidi (TaI 4 ) Tantaali(V)jodidi (TaI 5 ) Tantaalikarbidi (TaC) Tantaalihafniumkarbidi (Ta 4 HfC 5 ) Tantaalinitridi (TaN) Tantaali(V)nitridi (Ta 3 N 5 ) kaliumoksiheksafluorotantalaatti (K 3 [TaOF 6 ]) Tantaali(I)oksidi (Ta 2 O) Tantaali(II)oksidi (TaO) Tantaali(III)oksidi (Ta 2 O 3 ) Tantaali(IV)oksidi (TaO 2 ) Tantaali(V)oksidi (Ta 2 O 5 ) Tantaali(V) oksitribromidi (TaOBr3 ) Tantaali(V) oksitrikloridi ( TaOCl3 ) Tantaali(IV)sulfidi (TaS 2 ) Tantaali(III)fluoridi (TaF 3 ) Tantaali(V)fluoridi (TaF 5 ) Tantaali(II)kloridi (TaCl 2 ) Tantaali(III)kloridi (TaCl 3 ) Tantaali(IV)kloridi (TaCl 4 ) Tantaali(V)kloridi (TaCl 5 )