Тантал и ниобий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тантамл -- химический элемент с атомным номером 73 в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева, обозначается символом Ta (лат. Tantalum). При стандартных условиях представляет собой блестящий серебристо-белый металл (со слабым свинцовым оттенком вследствие образования плотной оксидной плёнки).

Применение

Первоначально использовался для изготовления проволоки для ламп накаливания. Сегодня из тантала и его сплавов изготовляют: коррозионно-устойчивую аппаратуру для химической промышленности, фильеры, лабораторную посуду и тигли; теплообменники для ядерно-энергетических систем. В хирургии листы, фольгу и проволоку из тантала используют для скрепления тканей, нервов, наложения швов, изготовления протезов, заменяющих повреждённые части костей (ввиду биологической совместимости). Карбид тантала применяется в производстве твёрдых сплавов.

Когда давно этот металл, использовался для производства нитей в лампы накаливания. Сегодня же тантал и сплавы тантала используются в следующих отраслях и изделиях:

--при выплавке жаропрочных и коррозионностойких сплавов (например, деталей авиационных двигателей);

--в химической промышленности для создания коррозионностойкой аппаратуры;

--в металлургическом производстве по производству редкоземельных металлов;

--при сооружении ядерных реакторов (тантал является самым устойчивым металлом к парам цезия);

--за счет своей высокой биосовместимости, тантал используется для изготовления медицинских имплантатов и протезов;

--для производства сверхпроводников -- криотронов (это элементы вычислительной техники);

--используется в военной промышленности для изготовления снарядов. Использование этого металла увеличивает пробивную способность боеприпасов;

--из тантала делаются более эффективные конденсаторы низкого напряжения;

--в последнее время тантал прочно вошел в ювелирное дело. Это связано с возможностью металла образовывать прочные пленки оксидов на поверхности, которые могут быть различных цветов и оттенков;

--большое количество модификаций тантала накапливается в ядерных реакторах. В лабораторных или военных целях эта модификация металла может использоваться в качестве источника гамма излучения;

--этот металл используется в качестве основного (после платины) для изготовления эталонов массы, которые обладают повышенной точностью;

--некоторые интерметаллидные соединения тантала имеют очень высокую твердость и прочность, а также повышенную устойчивость к окислению. Эти соединения используются в авиационно и космической отраслях;

--карбиды тантала используются для изготовления режущего инструмента повышенной красностойкости. Инструмент получается методом спекания смеси порошков карбидов. Используются данные инструменты в очень тяжелых условиях, например, при ударном бурении;

--пятивалентный оксид тантала необходим для сварки стекол атомной техники.

Области применения

Самое ценное свойство тантала - его исключительная химическая стойкость: в этом отношении он уступает только благородным металлам, из него можно изготовлять тонкостенные изделия и изделия сложной формы.

Тантал используют в радиоэлектронике и электротехнике, в медицине, в производстве жаропрочных, сверхпроводниковых и твёрдых сплавов ,легированных сталей, в атомной энергетике и химическом машиностроении и химической промышленности т.д.

Многие конструкционные материалы довольно быстро теряют теплопроводность: на их поверхности образуется плохо проводящая тепло окисная или солевая пленка. Танталовая аппаратура свободна от этого недостатка, вернее, пленка окисла может на нем образоваться, но она тонка и хорошо проводит тепло. Кстати, именно высокая теплопроводность в сочетании с пластичностью сделали тантал прекрасным материалом для теплообменников.

На одном из предприятий, использующих газообразный хлористый водород, детали из нержавеющей стали выходили из строя уже через два месяца. Но, как только сталь была заменена танталом, даже самые тонкие детали (толщиной 0,3...0,5 мм) оказались практически бессрочными - срок службы их увеличился до 20 лет.

Тантал обладает сочетанием ценных свойств для изготовления деталей электронных приборов: высокой температуры плавления, хорошими эмиссионными характеристиками и способностью поглощать газы (обеспечивает содержание глубокого вакуума в электровакуумных приборах).

Тантал важен не только для химической промышленности. С ним встречаются и многие химики-исследователи в своей повседневной лабораторной практике. Танталовые тигли, чашки, шпатели - вовсе не редкость.

Химическое машиностроение. Коррозийная стойкость тантала в кислотах и других средах в сочетании с высокой теплопроводностью и пластичностью делает его конструктивным материалом для химической аппаратуры. Металл использую для изготовления подогревателей, облицовки химических аппаратов, мешалок и других деталей. Тантал служит материалом фильер (взамен платины) для формирования волокон искусственного шелка.

Медицина.. Тантал в виде проволоки листов применяют в медицине- в костной и пластической хирургии. Металл не раздражает кожу и не вредит жизнедеятельности организма. Танталаты применяют в качестве пьезоматериалов , сегнетодиэлектриков, преобразователй света.

Уникальное качество тантала - его высокая биологическая совместимость, т.е. способность приживаться в организме, не вызывая раздражения окружающих тканей. На этом свойстве основано широкое применение тантала в медицине, главным образом в восстановительной хирургии - для ремонта человеческого организма. Пластинки из этого металла используют, например, при повреждениях черепа - ими закрывают проломы черепной коробки. В литературе описан случай, когда из танталовой пластинки было сделано искусственное ухо, причем пересаженная с бедра кожа при этом настолько хорошо прижилась, что вскоре танталовое ухо трудно было отличить от настоящего.

Танталовой пряжей иногда возмещают потери мускульной ткани. С помощью тонких танталовых пластин хирурги укрепляют после операции стенки брюшной полости. Танталовыми скрепками, подобными тем, которыми сшивают тетради, надежно соединяют кровеносные сосуды. Сетки из тантала применяют при изготовлении глазных протезов. Нитями из этого металла заменяют сухожилия и даже сшивают нервные волокна. И если выражение «железные нервы» мы обычно употребляем в переносном смысле, то людей с танталовыми нервами, быть может, вам приходилось встречать.

Металлургия. Однако на медицинские нужды расходуется лишь 5% производимого в мире тантала, около 20% потребляет химическая промышленность. Основная часть тантала - свыше 45% - идет в металлургию. В последние годы тантал все чаще используют в качестве легирующего элемента в специальных сталях - сверхпрочных, коррозионностойких, жаропрочных. Действие, оказываемое на сталь танталом, подобно действию ниобия. Добавка этих элементов к обычным хромистым сталям повышает их прочность и уменьшает хрупкость после закалки и отжига.

Производство жаропрочных сплавов - очень важная область применения тантала, в которых все больше и больше нуждается ракетная и космическая техника. Замечательными свойствами обладает сплав, состоящий из 90% тантала и 10% вольфрама. В форме листов такой сплав работоспособен при температуре до 2500°C, а более массивные детали выдерживают свыше 3300°C! За рубежом этот сплав считают вполне надежным для изготовления форсунок, выхлопных труб, деталей систем газового контроля и регулирования и многих других ответственных узлов космических кораблей. В тех случаях, когда сопла ракет охлаждаются жидким металлом, способным вызвать коррозию (литием или натрием), без сплава тантала с вольфрамом просто невозможно обойтись.

Еще большую жаропрочность детали из тантало-вольфрамового сплава приобретают, если на них нанесен слой карбида тантала (температура плавления этого покрытия - свыше 4000°C). При опытных запусках ракет такие сопла выдерживали колоссальные температуры, при которых сам сплав быстро корродирует и разрушается. тантал ниобий минерал руда

Другое достоинство карбида тантала - его твердость, близкая к твердости алмаза, - привело этот материал в производство твердосплавного инструмента для скоростного резания металла.

Электротехническая и электровакуумная промышленность. Приблизительно четвертая часть мирового производства тантала идет в электротехническую и электровакуумную промышленность. Благодаря высокой химической инертности как самого тантала, так и его окисной пленки, электролитические танталовые конденсаторы весьма стабильны в работе, надежны и долговечны: срок их службы достигает 12 лет, а иногда и больше. Миниатюрные танталовые конденсаторы используют в передатчиках радиостанций, радарных установках и других электронных системах. Они обладают высокой ёмкостью и допускают эксплуатацию при температурах от -80 до + 200 ⁰С. Любопытно, что эти конденсаторы могут сами себя ремонтировать: предположим, возникшая при высоком напряжении искра разрушила изоляцию - тотчас же в месте пробоя вновь образуется изолирующая пленка окисла, и конденсатор продолжает работать как ни в чем не бывало.

Окись тантала обладает ценнейшим для электротехники свойством: если через раствор, в который погружен тантал, покрытый тончайшей (всего несколько микрон!) пленкой окиси, пропускать переменный электрический ток, он пойдет лишь в одном направлении - от раствора к металлу. На этом принципе основаны танталовые выпрямители, которые применяют, например, в сигнальной службе железных дорог, телефонных коммутаторах, противопожарных сигнальных системах.

Тантал служит материалом для различных деталей электровакуумных приборов. Как и ниобий, он отлично справляется с ролью геттера, т.е. газопоглотителя. Так, при 800°C тантал способен поглотить количество газа, в 740 раз больше его собственного объема.

Из тантала изготовляют горячую арматуру ламп - аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие детали электронных ламп. Танталовые катоды применяют при электролитическом выделении золота и серебра. Достоинство этих катодов заключается в том, что осадок золота и серебра можно смыть с них царской водкой, которая не причиняет вреда танталу. Тантал особенно нужен лампам, которые, работая при высоких температурах и напряжениях, должны долго сохранять точные характеристики. Танталовую проволоку используют в криотронах - сверхпроводящих элементах, нужных, например, в вычислительной технике.

Другие области применения. Тантал - довольно частый гость в мастерских ювелиров, во многих случаях им заменяют платину. Из тантала делают корпуса часов, браслеты и другие ювелирные изделия. И еще в одной области элемент №73 конкурирует с платиной: стандартные аналитические разновесы из этого металла по качеству не уступают платиновым.

Бериллид тантала чрезвычайно тверд и устойчив к окислению на воздухе до 1650 °C, применяется в авиакосмической технике.

Специалисты по военной технике считают, что из тантала целесообразно изготовлять некоторые детали управляемых снарядов и реактивных двигателей. В производстве боеприпасов тантал применяется для изготовления металлической облицовки, перспективных кумулятивных зарядов улучшающей броненепробиваемость. Тантал-182 используется в ядерно-физических лабораториях МВД.

Ядерный изомер тантал-180m2 накапливающийся в конструкционных материалах атомных реакторов может наряду с гафнием-178m2 служить источником гамма-лучей и энергии при разработке оружия и специальных транспортных средств.

Пятиокись тантала используется в атомной технике для варки стекла поглощающего гамма-излучение. Один из наиболее широко применяемых составов такого стекла: кремния двуокись -- 2 %,монооксид свинца (глет) -- 82 %,оксид бора -- 14 %, пятиокись тантала -- 2 %.

Геохимия

В природных соединениях тантал пятивалентен; координационные числа его атомов XII, пятивалентных катионов- VI. Радиус атомов тантала 0,146; радиусы пятивалентных катионов у тантала 0,073 нм. Тантал из всех металлов обладает наиболее высокими энергетическими константами.

Тантал - типичный литофильный элемент. В природе известны только кислородные соединения этого элемента. Все многочисленные минералы тантала оксиды. Все концентрации тантала, связаны с месторождениями, обращающимися в типично литофильной обстановке (гранитными пегматитами, редкометальными гранитами, разнообразными формациями щелочных пород) .

Минералогия

Тантал входит в состав большого числа минералов. В их состав входят катионы железа, марганца, щелочных и щелочноземельных металлов, редкоземельных элементов, тория, урана и других.

Наиболее важные промышленные материалы танталит-колумбит. Минерал представляет собой изоморфную смесь метаниобатов железа и марганца.

Минералы тантаоит колумбит встречаются в жилах гранитных пегмантитов. Они ассоциируются с касситеритом, вольфрамитом, минералами титана и рядом других элементов.

Наиболее крупные месторождения находятся в Австралии, Канаде, Республике Заир, Нигерии и Бразилии. Руды тантала обычно бедные. В виду комплексного характера большинства руд минерала тантала, извлекают попутно с другими ценными материалами (кассетиритом, вольфрамитом, бериллом, литиевыми минералами, цирконом).

Основной способ обогащения танталитовых руд - гравитация (мокрая отсадка обогащения, обогащение на столах). В результате получают коллективный концентрат, содержащий танталит и некоторые другие минералы.

Некоторые танталитовые руды относят к труднообогатимым. При их обогащении получают бедные концентраты.

Существенный источник тантала - шлаки оловянных заводов, получаемые при выплавке олова из касситереритовых концентратов.

Минералогия ниобия и тантала исключительно богата. Из общего числа (более 400) гипогенных минералов литофильных редких элементов больше трети составляют минералы тантала и ниобия. Наличие такого количества минералов у тантала и ниобия объясняется их самыми высокими энергетическими показателями по сравнению со всеми редкими металлами. К настоящему времени выявлено 47 собственно танталовых и 108 собственно ниобиевых минералов, хотя эти цифры условны из-за большой сложности состава минералов, невозможности порой уверенного отделения вида от разновидности и плохой изученности многих из них.

Резкое, более чем вдвое, преобладание минералов ниобия над минералами тантала объясняется, прежде всего большой распространенностью ниобия по сравнению с танталом. Содержание ниобия в отдельных геологических образованиях достигает 1% и более, тогда как содержание тантала даже в центральных зонах гранитных пегматитов, где он обычно концентрируется, не превышает первых десятых долей процента. Важно также и то, что ниобий обладает большей распространенностью в «щелочных» месторождениях, где его содержание на порядок выше, чем в гранитных пегматитах и кислых танталоносных гранитах.

Среднее содержание тантала в земной коре (кларк) 2,5*10^-4% (по массе), в ультраосновных породах 1*10^-6%, основных -- 4,8*10^-5%, кислых -- 3,5*10^-4%. Тантал -- характерный элемент гранитной и щелочной магм, в процессе их эволюции накапливается в конечных дифференциатах. Известно около 20 собственных минералов тантала -- серия колумбит -- танталит, воджинит, лопарит и др. и более 60 минералов, содержащих тантал. Все они генетически связаны с эндогенным минералообразованием.

Главнейшие рудные минералы этих месторождений -- колумбит-танталит, танталит, манга-нотанталит, иксиолит, воджинит (оловотанталит), микролит, гатчеттолит, стрюверит (танталовый рутил) и др.

Размещено на Allbest.ru