ТАНТАЛ (по имени героя др.-греч. мифологии Тантала, осужденного на вечную неутолимую жажду; назван так из-за трудности получения его в чистом виде; лат. Tantalum)Ta, хим. элемент V гр. периодич. системы, ат. н. 73, ат. м. 180,9479. В природе два изотопа: стаб. ¹⁸¹Та (99,9877%) и радиоактивный ¹⁸⁰Та (0,0123%, b-излучатели, Т_1/2 1·10¹³ лет). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 2,13·10^-27 м². Конфигурация внеш. электронных оболочек атома 5s²5р⁶5d³6s²; степень окисления +5, значительно реже + 4, +3 и +2; энергии ионизации Та⁰ : Та⁺ : Та²⁺ соотв. 7,89 и 16,2 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,5; атомный радиус 0,146 нм, ионные радиусы, нм (в скобках указаны координац. числа): Та³⁺ 0,086(6), Та⁴⁺ 0,082(6), Та⁵⁺ 0,078 (6), 0,083 (7), 0,088(8).

Содержание Т. в земной коре 2,5·10^-4% по массе. Встречается в природе обычно вместе с Nb. Входит в состав неск. десятков минералов, представляющих собой тантало-нио-баты или титано-тантало-ниобаты. Важнейшие из них-колумбит-танталит и пирохлор (см. Ниобии), микролит-разновидность пирохлора с содержанием 55-74% Та₂О₅. Т. содержится также в касситерите (см. Олово), при переработке к-рого Т. переходит в шлаки восстановит. плавки (11-15%, иногда до 30% Та₂О₅). Месторождения Т. имеются в Нигерии, Канаде, Бразилии, СНГ, Австралии, Заире, Малайзии, Мозамбике и Таиланде. Общие мировые запасы Т. в 1980 оценивались в 254 тыс. т, в пром. месторождениях-ок. 65, 3 тыс. т.

Свойства. Т.-блестящий серебристо-серый металл; кри-сталлич. решетка кубическая объемноцентрированная, а = 0,3296 нм, z = 2, пространств. группа Iт3т. Т. пл. 3014°С, т. кип. ок. 5500°С; плотн. 16,60 г/см³ (20°С); 25,39 Дж/(моль · К); DH_пл 34,8 кДж/моль (3287 К), 787 кДж/моль (298 К), 751 кДж/моль (5773 К); 41,6 Дж/(моль·К); т-ра перехода в сверхпроводящее состояние 4,45 К; ур-ние температурной зависимости давления пара: lgp(Па) = 13,98-41600/T-lgT (2200-3263 К); температурный коэф. линейного расширения 6,5·10^-6 К^-1 (293--393 К) и 8,0·10^-6 K^-1 (293-1773 К); теплопроводность 54,43 Вт/(м·К) при 293 К; rl,32·10^-7(0°C) и 8,7· 10^-7 Ом·м (2000°С), температурный коэф. r 3,82·10^-3 К^-1 (0-100°С). Т. парамагнитен, уд. магн. восприимчивость +9,49·10^-7 (18°С). Имеет очень малую величину работы выхода электронов (6,60·10^-19 Дж).

Примеси H, N, С и О снижают пластичность и повышают твердость Т. Чистый Т. легко обрабатывается давлением на холоду; жаропрочен; s_раст при 293 К отожженного образца высокой чистоты 280-330 МПа, неотожженного 600-1400 МПа; относит. удлинение отожженного и неотожженного образцов соотв. 20-35 и 2-20%; твердость по Бринеллю чистого отожженного образца 500 МПа. Т. не переходит в хрупкое состояние до — 211°С.

Химически Т. очень инертен. В компактном виде начинает окисляться на воздухе выше 300 °С, устойчив к действию сухих Вr₂ и I₂ при 150°С, взаимод. с Сl₂ выше 200 °С (см. Тантала галогениды), с Н₂-выше 250 °С (интенсивно-при 300 °С), с Р₂-выше 250 °С, с С и углеводородами-при 800-1100 °С. Ниже 150°С не раств. в царской водке, при обычной т-ре-в соляной, фосфорной и серной к-тах, не реагирует с большинством др. к-т, водным NH₃, водными р-рами солей, орг. в-вами. Не взаимод. с разб. р-рами щелочей, но медленно раств. в их конц. горячих р-рах. Устойчив к большинству расплавл. металлов (Li, Na, К, Си, Cd, Hg, Sn, Pb, Bi), но корродирует в расплавл. Fe, Ni и Со. Раств. во фтористоводородной к-те, ее смесях с HNO₃, в горячих конц. H₂SO₄ и Н₃РО₄, в расплавл. щелочах и NH₄HF₂.

На воздухе Т. покрывается тончайшей пленкой тантала оксидов. Обратимо поглощает Н₂ с образованием твердого р-ра внедрения (до 30 ат. %Н) и гидрида состава Та₂Н (тетрагон. кристаллич. решетка, а = 0,338 нм, с = 0,341 нм). Р-римость Н₂(мг в 100 г Т.) меняется от 417 при 17 °С до 6,66 при 1300°С, выше 1500 °С-близка к нулевой. Макс. содержанию растворенного Н₂ соответствует ф-ла ТаН_0,78. Гидриды Т. образуются также при электролизе к-т с катодом из Т., при восстановлении Та₂О₅ гидридом Са; при взаимод. ТаСl₅ с C₆H₅MgBr в атмосфере Н₂ получены ТаН, ТаН₂ и ТаН₃. Гидрирование Т. и дегидрирование при нагр. используют для Получения мелкодисперсного Т.

При взаимод. с углем Т. дает карбиды Та₂С и ТаС. В системе Та-С установлено существование трех фаз: a (твердый р-р С в Т) и с недостатком С (структуры вычитания)-b(Та₂С) и g(ТаС). При 150°С Т. растворяет 0,02% по массе С; при содержании С в Та до 2,46% присутствуют a- и b-фазы, при содержании 2,46-3,21%-Та₂С (ТаС_{0,38 - 0,50}), в области концентраций С 3,21-3,71% -b- и g-фазы, в области 3,71-5,7%-ТаС (ТаС_0,58__0,91). Параметры кристаллич. решетки гексагон. b-фазы изменяются в пределах: а = 0,31030-0,31044 нм, с = 0,49367-0,49430 нм; кубич. гранецентрир. g-фазы-в пределах 0,44206-0,44564 нм. Для Та₂С: плотн. 15,22 г/см³; - 208,7 кДж/моль; 81,7 ДжДмоль-К). Золотисто-желтый монокарбид ТаС имеет т. пл. ок. 3800 °С; плота. 14,4 г/см³;36,8 Дж/(моль · К); - 142 кДж/моль; 42,4 Дж/(моль · К); весьма устойчив к хим. реагентам; на воздухе ниже 1000°С не окисляется; раств. только в смеси HF-HNO₃; при нагр. реагирует с N₂ и NH₃, образуя нитриды.

В системе Ta-N существуют 4 фазы (нитриды): b(TaN_0,05), g(TaN_0,40__0,45), d(TaN_0,8__0,9) и e (TaN). b-Фаза имеет кубич. кристаллич. решетку (а = 0,3369 нм;, остальные-гексагональную с параметрами: для g-фазы а = 0,3041-0.3048 нм, с = 0,4907-0,4918 нм; для d-фазы а = 0,2925-0,2938 нм, с = 0,2876-0,2883 нм; для e-фазы а = 0,518 нм, с = 0,2908 нм. При нагр. до 2800-3000 °С нитриды Т. теряют азот, превращаясь в a-фазу (р-р азота в Т.). Нитриды Т. очень устойчивы к действию разл. хим. в-в. TaN голубовато-серого или черного цвета; плотн. 14,36 г/см³;42,7 ДжДмоль · К); D - 252,7 кДж/моль; 41,9 Дж/(моль·К). Нитриды TaN и Ta₂N образуют твердые р-ры соотв. с ТаС и Та₂С. Описана фаза Ta₃N₅ (красного цвета), образующаяся при взаимод. Та₂О₅ с NH₃ при 860-920 °С в присут. Ti. Она кристаллизуется в тетрагон. сингонии (а = 1,02265 им, с = 0,3898 нм, z = 4); плотн. 9,85 г/см³. При высоком давлении N₂ получают Ta₅N₆.

С фосфором Т. образует фосфиды ТаР и Та₂Р, с As-ap-сениды TaAs и TaAs₂, с Sb-антимониды Ta₃Sb, Ta₅Sb₄, TaSb₂, с S-сульфиды TaS₃ и TaS₂.

Известно 4 устойчивых кристаллич. силицида: TaSi₂ (т. пл. ок. 2200°С, гексагон. кристаллич. решетка, а = 0,4781 ям, с = 0,6534 нм, плота. 9,14 г/см³), Ta₅Si₃ (т. пл. ок. 2500 °С, имеет две тетрагон. кристаллич. модификации, для низкотемпературной а = 0,6516 нм, с = 1,1872 нм), Ta₂Si (т. пл. ок. 2450 °С, тетрагон. кристаллич. решетка, a = 0,6157нм, с = 0,5039 нм) и Ta₉Si₂ (т. пл. ок. 2500 °С, гексагон. кристаллич. решетка, a = 0,6105нм, с = 0,4918 нм). Компактный TaSi₂ устойчив к окислению на воздухе до 1000 °С и выше. Взаимод. с фтористоводородной к-той и расплавл. щелочами, устойчив к действию др. минеральных к-т и разб. р-ров щелочей.

С бором Т. образует бориды ТаВ₂ (т. пл. ок. 3200°С), ТаВ (т. пл. ок. 2000 °С), а также инконгруэнтно плавящиеся Та₂В, Та₃В₂, Та₃В₄.

Бесцв. сульфат Ta₂(SO₄)₅ гидролизуется водой, при нагр. выше 100°С разлагается с выделением SO₃. Выделены также Ta₂O₄SO₄·3H₂O и соли типа (NH₄)₃Та(SO₄)₄. Фосфаты Т. имеют состав Та₃(РО₄)₅ и ТаОРО₄. Возможно существование гидрофосфатов, а также пирофосфата (ТаО₂)₄Р₂О₇. Соли гилотетич. танталовых к-т- танталаты получают спеканием Та₂О₅ с оксидами металлов. См. также Танталорганические соединения.

Получение. Большую часть Т. получают из пирохлоровых и танталит-колумбитовых концентратов и из шлаков оловянной плавки. Руды обогащают гравитац. методами и флотацией, а также электромагн. или радиометрич. сепарацией. Содержание Та₂О₅ и Nb₂O₅ в концентратах достигает 50%. Концентраты и шлаки перерабатывают преим. до Та₂О₅ иди K₂[TaF₇] (значительно реже до ТаС1₅), из к-рых затем получают металлические Т. Концентраты и шлаки подвергают выщелачиванию действием фтористоводородной к-ты с послед. очисткой; Nb и Та разделяют экстракцией трибутилфосфатом, циклогексаноном или метилизобутил-кетоном, реже-др. экстрагентами. Из водной фазы действием водным NH₃ осаждают гидроксид Т. (к-рый сушат и прокаливают до Та₂О₅) или действием KF осаждают K₂TaF₇.

По хлоридному способу концентрат смешивают с углем или коксом, брикетируют и хлорируют брикеты в шахтной печи при 700-800 °С или фторируют непосредственно смесь мелкоизмелъченных концентрата и кокса в солевом хлорид-ном расплаве, содержащем NaCl и КС1. Далее конденсируют образовавшиеся летучие пентахлориды Nb и Та, разделяют и очищают ректификацией. Оксид Та₂О₅ получают гидролизом ТаС1₅ с послед. прокаливанием осадка гидрок-сида Т. Иногда хлорированию подвергают феррониобий или отходы металла.

По сульфатному способу концентраты обрабатывают конц. H₂SO₄ или ее смесью с (NH₄)₂SO₄ при 150-300 °С, выщелачивают сульфаты водой, отделяют осадок, разделяют и очищают Та и Nb экстракцией из фторидных сред, а затем выделяют Та₂О₅ или K₂TaF₇. Разрабатывают способы экстракционного разделения Та и Nb непосредственно из сульфатных р-ров.

Металлические Т. получают натриетермич. восстановлением K₂TaF₇ или электролитич. восстановлением из расплава K₂TaF₇-Ta₂O₅-KF-KCl. После отмывки полученного порошка Т. от примесей его брикетируют, спекают в штабики, к-рые переплавляют в вакууме в электродуговых и электроннолучевых печах.

Металлические Т. можно получить восстановлением Та₂О₅-карботермически, алюмотермически или нагреванием в смеси с ТаС в вакууме при 2700 °С.

Описаны спосрбы переработки концентратов Т. с использованием жидких или газообразных фторирующих реагентов.

Мировое произ-во (в развитых странах) Т. в виде металла и сплавов ок. 700 т (1985); в т.ч. ²/₃ из шлаков оловянной плавки.

Определение. Для определения Т. применяют те же методы, что и для ниобия. Главная трудность-сходство хим. св-в Nb и Та, проявление эффекта "потери индивидуальности" Т. в присут. Nb и Ti. Для разделения этих элементов применяют осаждение Т. из р-ров таннином, экстракцию, напр. кетонами из р-ров в смеси к-т HCl-HF, купфероном и др., хроматографич. методы. Количественно Т. определяют колориметрически (с использованием пирогаллола и др.), гравиметрически, люминесцентным, рентгеноспект-ральными, флуоресцентными, спектральными и нейтрон-но-активационным методами.

Применение. Ок. 35-45% производимого Т. используют в виде порошка для электролитич. конденсаторов и при произ-ве деталей электронных приборов, ок. 20-25%-в виде карбидов (ТаС входит в состав нек-рых твердых сплавов; см. Тантала сплавы), ок. 15-20%-в виде проката, а также присадок к сплавам (напр., добавка Т. в нержавеющие стали повышает их коррозионную устойчивость), ок. 3-6%-в виде оксидов для ферросплавов. Из Т. изготовляют аноды, сетки, катоды и др. детали электронных ламп, его применяют в качестве геттера. В хим. пром-сти Т. служит материалом теплообменников, нагревателей, зондов для измерения т-ры, кислотоупорной облицовки аппаратов. Из Т. изготовляют тигли для вакуумного напыления и плавки металлов, фторидов и оксидов. Т.-уникальный биосовместимый материал, в медицине его используют для костного протезирования. Нитрид TaN применяют в виде устойчивых к истиранию покрытий, ТаSi₂-при изготовлений структур металл-оксид-полупроводник, защитных и нротивоотражательных покрытий. См. также Лития танталат.

Т. открыт в 1802 А. Экебергом. В виде пластичного металла впервые получен в 1905 В. Болтоном.

===
Исп. литература для статьи «ТАНТАЛ»: Константинов В. И., Электролитическое получение тантала, ниобия и их сплавов, М., 1977; West wood W. D., Waterhouse N., Wi Icox P. S, Tantalum thin films, L·, 1975. См. также лит. при ст. Ниобий.

Э. Г. Раков, М. В. Мелкумянц.

Страница «ТАНТАЛ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.