Физические свойства тантала

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«МАТИ» - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. К.Э. Циолковского

Кафедра "РТН"

РЕФЕРАТ

по теме: «Тантал».

по дисциплине: «Общая химия»

Составил:

Горячкин О.В

Проверил:

Ряховская Е.В.

Москва 2015 г

1. История открытия

Открытие тантала (англ. Tantalum, франц. Tantale, нем. Tantal) тесно связано с открытием ниобия. Год спустя после того как Гатчет (1801) открыл ниобий, названный сначала колумбием, химик из Упсалы Экеберг занялся исследованием некоторых минералов из северных стран, в частности из Иттерби и Кимито (Финляндия). Он выделил из этих минералов окисел нового элемента, оказавшийся чрезвычайно устойчивым по отношению к кислотам и растворимым в щелочах. Следул принципу Клапрота, Экеберг назвал металл, содержашийся в этом окисле, танталом, что символизировало невозможность "насытить" его окисел кислотами. Минералы, в которых был открыт тантал, Экеберг наименовал танталитом и иттротанталитом. Но, вероятно, шведский химик имел дело с нечистым танталом, так как в 1809 г. Волластон, подвергнув минералы колумбит и танталит тщательным исследованиям, пришел к выводу, что колумбий Гатчета и тантал Экеберга являются одним и тем же элементом. Это мнение было принято химиками всех стран до середины 40-х годов XIX в. В 1844 г. Розе вновь изучал колумбиты и танталиты из различных мест и нашел в них новый металл, близкий по свойствам к танталу. Это был ниобий. Колумбий же Гатчета, вероятнее всего, тоже был ниобием со значительной примесью тантала. Несмотря на то что Розе грубо ошибся (вместе с ниобием он открыл несуществующий элемент пелопий), его работы стали основой для строгого различия ниобия (колумбия) и тантала. В первые десятилетия XIX в. еще существовала большая путаница: тантал нередко называли колумбием, в русской литературе еще и колумбом.

2. Нахождение в природе

Тантал почти всегда сопутствует ниобию в танталитах и ниобитах. Земная кора содержит лишь 0,0002% тантала, однако природа сравнительно богата его минералами - их насчитывается более 130 (как правило, тантал в этих минералах неразлучен с ниобием). Наиболее важное сырье для получения тантала - танталит и колумбит. Основные месторождения танталита находятся в Финляндии, Скандинавии и в Северной Америке. Большие месторождения танталита и колумбита имеются в Африке и Южной Америке. Характерный элемент гранитной и осадочной оболочек (среднее содержание достигает 3,5·10-4%); в глубинных частях земной коры и особенно в верх, мантии тантал мало (в ультраосновных породах 1,8·10-6%). В большинстве магматических пород и биосфере тантал рассеян; его содержание в гидросфере и организмах не установлено. Известно 17 собственных минералов тантал и более 60 танталсодержащих минералов; все они образовались в связи с магматической деятельностью (танталит, колумбит, лопарит, пирохлор и другие). В минералах тантал находится совместно с ниобием вследствие сходства их физических и химических свойств. Руды тантала известны в пегматитах гранитных и щелочных пород, карбонатитах, в гидротермальных жилах, а также в россыпях, которые имеют наибольшее практическое значение. Как примесь содержится в касситерите.

3. Получение

Руды, содержащие Тантал, редки, комплексны, бедны Танталом; перерабатывают руды, содержащие до сотых долей процента (Та, Nb)2O5, и шлаки восстановительной плавки оловянных концентратов. Основным сырьем для производства Тантала, его сплавов и соединений служат танталитовые и лопаритовые концентраты, содержащие соответственно около 8% Ta2O5 и 60% и более Nb2O5. Концентраты перерабатывают 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, например, трибутилфосфатом из плавиковокислых растворов, или ректификацией хлоридов. Для производства металлического Тантала применяют восстановление его из Ta2O5 сажей в одну или в две стадии (с предварительным получением ТаС из смеси Ta2O5 с сажей в атмосфере СО или Н2 при 1800-2000 °С); электрохимическое восстановление из расплавов, содержащих K2TaF7 и Та2О5, и восстановление натрием K2TaF7 при нагревании. Возможны также процессы термической диссоциации хлорида или восстановление из него Тантала водородом. Компактный металл производят либо вакуумной дуговой, электроннолучевой или плазменной плавкой, либо методами порошковой металлургии. Слитки или спеченные из порошков штабики обрабатывают давлением; монокристаллы особо чистого Тантала получают бестигельной электроннолучевой зонной плавкой. Для получения металлического тантала пользуются металлическим натрием, восстанавливая им тантал из двойного оксифторида при 900 °C. В 1947 году был предложен простой и легко осуществимый метод получения танталового порошка путем восстановления его магниевой стружкой, смешанной с хлоридом калия.Для восстановления тантала можно применять также металлический натрий. Впервые металлический тантал был получен таким путем в 1857 году. Для получения особо чистых металлов применяется метод термической диссоциации хлоридов или йодидов; особенно много внимания уделяется в последнее время йодидному методу.

В технике Та2O5 получают из двойного фторида 2KF.TaF5 разложением его разбавленной серной кислотой:

2K2TaF7 + 2H2SO4 + 5H2O = Ta2O5 + 2K2SO4 + 14HF

Полученная таким способом студнеобразная масса загрязнена адсорбируемыми из раствора веществами. В чистом виде оксид получают прокаливанием металла в токе кислорода или окислением соединений, например карбидов:

4ТаС+9О2 = 2Та2О5+4СО2

Чистый Ta2O5 не изменяется при прокаливании на воздухе, в атмосфере сероводорода и парах серы. Соединения почти все производятся от оксида тантала (V). Известны соединения и меньшей степени окисления, но они менее стабильны. При высокой температуре в смеси с углем оксид тантала (V) превращается в ТаО2:

2Та2O5 + С = 4ТаО2 + СO2

4. Физические свойства

Тантал обладает высокой температурой плавления -- 3290 K (3017 °C); кипит при 5731 K (5458 °C).

Плотность тантала -- 16,65 г/смі[2]. 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. Тантал имеет кубическую объемноцентрированную решетку. Обладает парамагнитными свойствами. При 4,38 К становится сверхпроводником. Чистый Тантал - пластичный металл, обрабатывается давлением на холоде без значительного наклепа. Его можно деформировать со степенью обжатия 99% без промежуточного отжига. Переход Тантала из пластичного в хрупкое состояние при охлаждении до -196 °С не обнаружен. Свойства Тантала в большой степени зависят от его чистоты; примеси водорода, азота, кислорода и углерода делают металл хрупким.

Электронное строение атома.

1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d3

порядковый номер-73

Группа- 5

Принадлежность к группе- А

d- элемент

Оксид тантала (V) --белый порошок, нерастворимый ни в воде, ни в кислотах (кроме H2F2). Очень тугоплавкий (tпл = 1875°С). Кислотный характер оксида выражен довольно слабо и в основном проявляется при реакции с расплавами щелочей: тантал атом окисление ниобий

Та2О5 + 2NаОН = 2NаТаО3 + Н2О

или карбонатов:

Та2О5 + 3Nа2СО3 = 2Nа3ТаО4 + 3СО2

Соли, содержащие тантал в состоянии окисления -4, -5, могут быть нескольких видов: метатанталаты NaTaO3, ортотанталаты Nа3ТаО4, но существуют полиионы пента-и гекса-, кристаллизующиеся вместе с молекулами воды, [Ta5O16]7- и [Ta6O19]8-. Пятизарядный тантал образует при реакциях с кислотами катион ТаО3+ и соли ТаО(NО3)3 или Nb2О5(SO4)3, продолжая «традицию» побочной подгруппы, введенную ионом ванадия VO2+.

При 1000°С Ta2O5 взаимодействует с хлором и хлороводородом:

Та2O5+ 10НС1==2ТаС15+5Н2О

Следовательно, можно утверждать, что и для оксида тантала (V) характерна амфотерность с превосходством кислотных свойств над свойствами основания.

Гидроксид, соответствующий оксиду тантала (V), получается нейтрализацией кислых растворов четырехлористого тантала. Эта реакция, также, подтверждает неустойчивость степени окисления +4.

При низких степенях окисления наиболее стабильные соединения -галогениды (см. рис. 3), Проще всего их получить через пиридиновые комплексы. Пентагалогениды TaX5 (где Х- это С1, Вг, I) легко восстанавливаются пиридином (обозначается Ру) с образованием комплексов состава МХ4(Ру)2.

Соли тантала. Соли шестой подгруппы преимущественно бесцветные кристаллы или белые порошки. Многие из них очень гигроскопичны и расплываются на воздухе. Окислы этих металлов обладают амфотерными свойствами, поэтому большинство их солей легко подвергается гидролизу, переходя в основные соли, мало или вовсе нерастворимые в воде известны также соли, где эти металлы входят в состав анионов (например, ниобаты и танталаты) Гидратация и дегидратация. Все катализаторы этого класса имеют сильное сродство к воде. Главный представитель Ь класса--глинозем. Применяется также фосфорная кислота или ее кислые соли на носителях, подобных алюмосиликатному гелю и силикагелю с окислами тантала, циркония или гафния. В первых работах по разделению тантала и ниобия путем фракционированной экстракции предложены системы соляная кислота-- ксилол--метилдиоктиламин (1952 г.), а также соляная кислота--фтористоводородная кислота--диизопропилкетон (1953 г.). Оба металла растворяются в водных растворах кислот в виде солей, а затем тантал экстрагируется органическим растворителем. В системе 6/W серной кислоты--9 Ai фтористоводородной

7. Из тантала изготовляют фильеры для протяжки нитей в производстве искусственных волокон. Раньше такие фильеры делали из платины и золота. Самые твердые сплавы получают из карбида тантала с никелем в качестве цементирующей добавки. Они настолько тверды, что оставляют царапины даже на алмазе, который считается эталоном твердости.

Первое место по величине критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние было отдано германиду ниобия Nb3Ge. Его критическая температура составляет 23,2К (примерно--250 °С). Другое соединение -- станнид ниобия -- становится сверхпроводником при немного более низкой температуре --255 °С. Чтобы полнее оценить этот факт, укажем, что большинство сверхпроводников известны лишь для температур жидкого гелия (2,172 К). Сверхпроводники из ниобиевых материалов позволяют изготавливать магнитные катушки, создающие чрезвычайно мощные магнитные поля. Магнит диаметром 16 см и высотой 11 см, где обмоткой служит лента из такого материала, способен создать поле колоссальной напряженностью. Необходимо только перевести магнит в сверхпроводящее состояние, т. е. охладить, а охлаждение до менее низкой температуры произвести, конечно, легче.

Важна роль ниобия в сварочном деле. Пока сваривали обычную сталь, никаких особых трудностей этот процесс не представлял и сложностей не создавал. Однако, когда начали сваривать конструкции из специальных сталей сложного химического состава, сварные швы стали терять многие ценные качества свариваемого металла. Ни изменения состава электродов, ни усовершенствование конструкций сварочных аппаратов, ни сварка в атмосфере инертных газов никакого эффекта не давали. Вот тут-то на помощь и пришел ниобий. Сталь, в которую как небольшая добавка введен ниобий, можно сваривать, не опасаясь за качество сварного (рис. 4) шва. Хрупкость шву придают возникающие при сварке карбиды, но способность ниобия соединяться с углеродом и препятствовать образованию карбидов других металлов, нарушающих свойства сплавов, спасли положение. Карбиды же самого ниобия, как и тантала, обладают достаточной вязкостью. Это особенно ценно при сварке котлов и газовых турбин, работающих под давлением и в агрессивной среде.

Ниобий и тантал способны поглотить значительные количества таких газов, как водород, кислород и азот. При комнатной температуре 1 г ниобия способен поглотить 100 см3 водорода. Но даже при сильном нагревании это свойство практически не слабеет. При 500°С ниобий еще может поглотить 75 см3 водорода, а тантал в 10 раз больше. Этим свойством пользуются для создания высокого вакуума или в электронных приборах, где необходимо сохранить точные характеристики при высоких температурах. Ниобий и тантал, нанесенные на поверхность деталей, как губка, поглощают газы, обеспечивая стабильную работу приборов. С помощью этих металлов больших успехов достигла восстановительная хирургия. В медицинскую практику вошли не только пластинки из тантала, но и нити из тантала и ниобия. Хирурги успешно используют такие нити для сшивания порванных сухожилий, кровеносных сосудов и нервов. Танталовая «пряжа» служит для возмещения мускульной силы. С ее помощью хирурги укрепляют после операции стенки брюшной полости. Тантал имеет исключительно прочную связь между атомами. Это обусловливает его чрезвычайно высокую температуру плавления и кипения. Механические качества и химическая стойкость приближают тантал к платине. Химическая промышленность использует такое благоприятное сочетание качеств тантала. Из него готовят детали кислотостойкого оборудования химических заводов, нагревательные и охладительные устройства, имеющие контакт с агрессивной средой.

В бурно развивающейся атомной энергетике находят применение два свойства ниобия. Ниобий обладает удивительной «прозрачностью» для тепловых нейтронов, т. е. способен пропускать их через слой металла, практически с нейтронами не реагируя. Искусственная радиоактивность ниобия (получающаяся при контакте с радиоактивными материалами) невелика. Поэтому из него можно делать контейнеры для хранения радиоактивных отходов и установки по их переработке. Другим не менее ценным (для ядерного реактора) свойством ниобия является отсутствие заметного взаимодействия с ураном и другими металлами даже при температуре 1000 °С. Расплавленные натрий и калий, применяемые в качестве теплоносителей в атомных реакторах некоторых типов, свободно могут циркулировать по ниобиевым трубам, не причиняя им никакого вреда.

Список литературы

1 Николаев Л.А. Неорганическая химия.-М.: Просвещение,1982.

2 Конареев Б.Н. Любознательным о химии. Неорганическая химия.-М.: 1979.

3 Павлов Н.Н. Неорганическая химия. -М.:Высшая школа,1986.

4 Петров М.Н. Неорганическая химия.-М.: Химия. 1981.

5 Энциклопедия для детей, том 17, химия.-М.:Аванта+,2006.

6 С.С. Олегин, Г.Н. Фадеев. Неорганическая химия.-М.:Высшая школа,1979.

7 Венецкий С.И. Рассказы о металлах.-М.:Металлургия,1985.

Размещено на Allbest.ru