Скачать (105 Кб)

Тантал

С. И. Венецкий
Химия и Жизнь №9, 1971 г, с.18-23

МУКИ ТАНТАЛА

Фригийского царя Тантала боги наказали за неоправданную жестокость. Боги обрекли Тантала на вечные муки жажды, голода и страха. С тех пор стоит он в преисподней по горло в прозрачной воде. Под тяжестью созревших плодов склоняются к нему ветви деревьев. Когда томимый жаждой Тантал открывает уста, чтобы напиться, вода уходит вниз. Стоит ему протянуть руку к сочным плодам, ветер поднимает ветвь, и обессилевший от голода грешник не может ее достать. А прямо над его головой нависла скала, грозя в любой миг обрушиться...

Так мифы древней Греции повествуют о муках Тантала.

Должно быть, не раз шведскому химику А. Экебергу пришлось вспомнить о танталовых муках, когда он безуспешно пытался растворить в кислотах "землю", открытую им в 1802 году, и выделить из нее новый элемент. Сколько раз, казалось, ученый был близок к цели, но выделить новый металл в чистом виде ему так и не удалось. Отсюда - "мученическое" название элемента №73.

Андрес Экеберг (1767-1813) - шведский химик и минералог. В 1802 году открыл новый элемент тантал.

СПОРЫ И ЗАБЛУЖДЕНИЯ

Спустя некоторое время выяснилось, что у тантала есть двойник, который появился на свет годом раньше. Этот двойник - элемент № 41, открытый в 1801 году и первоначально названный Колумбией. Позже его переименовали в ниобий. Сходство Колумбия и тантала ввело в заблуждение химиков. После долгих споров они пришли к выводу, что это один и тот же элемент.

Поначалу такого же мнения придерживался и известнейший химик того времени йене Якоб Берцелиус, однако в дальнейшем он усомнился в этом. В письме к своему ученику, немецкому химику Фридриху Вёлеру, Берцелиус писал: "Посылаю обратно твой "икс", который я вопрошал, как мог, но от которого я получил уклончивые ответы. Ты титан? - спрашивал я. Он отвечал: Вёлер же тебе сказал, что я не титан. Я также установил это. Ты цирконий? - Нет, - отвечал он, - я же растворяюсь в соде, чего не делает цирконовая земля. - Ты олово? - Я содержу олово, но очень мало. - Ты тантал? - Я с ним родственен, - отвечал он, - но я растворяюсь в едком кали и осаждаюсь из него желто-коричневым. - Ну что же ты тогда за дьявольская вещь? - спросил я. Тогда мне показалось, что он ответил: Мне не дали имени.

Между прочим, я не вполне уверен, действительно ли я это слышал, потому что он был справа от меня, а я очень плохо слышу на правое ухо. Так как твой слух лучше моего, то я тебе шлю этого сорванца назад, чтобы учинить ему новый допрос...".

Речь в этом письме шла об аналоге тантала - элементе, открытом англичанином Чарльзом Хэтчетом в 1801 году. Но и Вёлеру не удалось внести ясность во взаимоотношения тантала с колумбием. Ученым суждено было заблуждаться более сорока лет. Лишь в 1844 году немецкому химику Генриху Розе удалось разрешить запутанную проблему и доказать, что Колумбии, как и тантал, имеет полное право на "химический суверенитет". А уж поскольку налицо были родственные связи этих элементов, Розе дал Колумбию новое имя - ниобий, которое подчеркивало их семейственность (в древнегреческой мифологии Ниобея - дочь Тантала).

ПЕРВЫЕ ШАГИ

На протяжении многих десятилетий конструкторы и технологи не проявляли к танталу никакого интереса. Да, собственно говоря, тантала, как такового, попросту и не существовало: ведь в чистом компактном виде этот металл ученые смогли получить лишь в XX веке. Первым это сделал немецкий химик В. фон Болтон, разложивший четырехокись тантала Та₂О₄ при очень высоких температурах (случилось это в 1903 году). Еще раньше попытки выделить тантал в чистом виде предпринимали многие ученые, в частности Анри Муассан. Но металлический порошок, полученный Муассаном, восстановившим пятиокись тантала Та₂О₅ углеродом в электрической печи, не был чистым танталом, порошок содержал 0,5% С, то есть 9% ТаС.

Итак, в начале нашего века в руки исследователей попал чистый тантал, и теперь они уже могли детально изучить свойства этого светло-серого металла со слегка синеватым оттенком.

Что же он собой представляет? Прежде всего, это тяжелый металл: его плотность 16,6 г/см³ (заметим, что для перевозки кубометра тантала понадобилось бы шесть трехтонных грузовиков).

Высокая прочность и твердость сочетаются в нем с отличными пластическими характеристиками. Чистый тантал хорошо поддается механической обработке, легко штампуется, перерабатывается в тончайшие листы (толщиной около 0,04 мм) и проволоку. Характерная черта тантала - его высокая теплопроводность. Но, пожалуй, самое важное физическое свойство тантала - его тугоплавкость: он плавится почти при 3000°С (точнее при 2996°С), уступая в этом лишь вольфраму и рению.

Когда стало известно, что тантал весьма тугоплавок, у ученых возникла мысль использовать его в качестве материала для нитей электроламп. Однако уже спустя несколько лет тантал вынужден был уступить это поприще еще более тугоплавкому и не столь дорогому вольфраму.

В течение еще нескольких лет тантал не находил практического применения. Лишь в 1922 году его смогли использовать в выпрямителях переменного тока (тантал, покрытый окисной пленкой, пропускает ток лишь в одном направлении), а спустя еще год - в радиолампах. Тогда же началась разработка промышленных методов получения этого металла. Первый промышленный образец тантала, полученный одной из американских фирм в 1922 году, был величиной всего со спичечную головку. Спустя двадцать лет та же фирма ввела в эксплуатацию специализированный завод по производству тантала.

КАК ТАНТАЛ РАЗЛУЧАЮТ С НИОБИЕМ

Земная кора содержит всего лишь 0,0002% Та, но минералов его известно много - свыше 130. Тантал в этих минералах, как правило, неразлучен с ниобием, что объясняется чрезвычайным химическим сходством этих элементов и почти одинаковыми размерами ионов.

Тонкие частички порошко-образного тантала, полученного восстановлением пятихлористого тантала магнием. Снимок сделан под электронным микроскопом. Увеличение около 13000

Трудность разделения этих металлов долгое время тормозила развитие промышленности тантала и ниобия. До недавних пор для их разделения применяли лишь способ, предложенный еще в 1866 году швейцарским химиком Ж. Мариньяком, который воспользовался различной растворимостью фтортанталата и фторниобата калия в разбавленной плавиковой кислоте.

В последние годы важное значение приобрел также экстракционный метод разделения тантала, основанный на различной растворимости солей тантала и ниобия в некоторых органических растворителях. Опыт показал, что наилучшими экстракционными свойствами обладают метилизобутилкетон и циклогексанон.

ПРОДУКЦИЯ - ТАНТАЛ

В наши дни основной способ производства металлического тантала - электролиз расплавленного фтортанталата калия в графитовых, чугунных или никелевых тиглях, служащих по совместительству катодами. Танталовый порошок осаждается на стенках тигля. Извлеченный из тигля, этот порошок подвергают сначала прессованию в пластины прямоугольного сечения (если заготовка предназначена для прокатки в листы) либо в штабики квадратного сечения (для волочения проволоки), а затем - спеканию.

Некоторое применение находит также натриетермический способ получения тантала. В этом процессе взаимодействуют фтортанталат калия и металлический натрий:

К₂ТаF₇ + 5Nа = Та + 2КF + 5NаР

Конечный продукт реакции - порошкообразный тантал, который затем спекают. В последние два десятилетия стали применять и другие методы обработки порошка - дуговую или индукционную плавку в вакууме и электронно-лучевую плавку. Последний метод, основанный на бомбардировке металла электронами, особенно перспективен.

НА СЛУЖБЕ ХИМИИ

Несомненно, самое ценное свойство тантала - его исключительная химическая стойкость: в этом отношении он уступает только благородным металлам, да и то не всегда. Тантал не растворяется даже в такой химически агрессивной среде, как царская водка, которая без труда растворяет и золото, и платину, и другие благородные металлы. О высочайшей коррозионной стойкости тантала свидетельствуют и такие факты. При 200°С он не подвержен коррозии в 70%-ной азотной кислоте, в серной кислоте при 150°С коррозии тантала также не наблюдается, а при 200°С металл корродирует, но лишь на 0,006 мм в год. К тому же тантал - металл пластичный, из него можно изготовить тонкостенные изделия и изделия сложной формы. Неудивительно, что он стал незаменимым конструкционным материалом для химической промышленности.

Танталовую аппаратуру применяют в производстве многих кислот (соляной, серной, азотной, фосфорной, уксусной), брома, хлора, перекиси водорода. 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. Из всех кислот лишь плавиковая способна растворять тантал (особенно при высоких температурах). Из него изготовляют змеевики, дистилляторы, клапаны, мешалки, аэраторы и многие другие детали химических аппаратов. Реже - аппараты целиком.

Из тантала делают многие детали химических аппаратов и аппараты целиком. На снимке - змеевик из тантала; поверхность теплообмена - 0,6 м²

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

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 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.

"НУЖНО ИМЕТЬ ТАНТАЛОВЫЕ НЕРВЫ..."

Уникальное качество тантала - его высокая биологическая совместимость, то есть 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.

Право, есть что-то символическое в том, что именно на долю металла, названного в честь мифологического мученика, выпала гуманная миссия - облегчить людские муки...

ОСНОВНОЙ ЗАКАЗЧИК - 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.

Делают из тантала и фильеры для производства искусственных волокон

Очень важная область применения тантала - производство жаропрочных сплавов, 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°С, а более массивные детали выдерживают выше 3300°С! 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° С). При опытных запусках ракет такие сопла выдерживали колоссальные температуры, при которых сам сплав быстро корродирует и разрушается.

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

РАБОТА ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ

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. Любопытно, что эти конденсаторы могут сами себя ремонтировать: предположим, возникшая при высоком напряжении искра нарушила 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, то есть газопоглотителя. Так, при 800°С тантал способен поглотить количество газа, в 740 раз большее его собственного объема. А еще из тантала делают горячую арматуру ламп - аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие нагреваемые детали. 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.

ПОБОЧНЫЕ "СПЕЦИАЛЬНОСТИ" ТАНТАЛА

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. В производстве наконечников для перьев автоматических ручек танталом заменяют более дорогой иридий.

В последнее время танталом заинтересовались как возможным конструкционным материалом для атомных реакторов. Специалисты по военной технике считают, что из тантала целесообразно изготовлять некоторые детали управляемых снарядов и реактивных двигателей.

Широкое применение находят и соединения тантала. Так, фтортанталат калия используют как катализатор в производстве синтетического каучука. В этой же роли выступают и некоторые окислы тантала - при получении бутадиена из этилового спирта.

Окислы тантала иногда применяют и в стеклоделии - для изготовления стекол с высоким коэффициентом преломления. Смесь пятиокиси тантала Та₂О₅ с небольшим количеством трехокиси железа предложено использовать для ускорения свертывания крови. Гидриды тантала успешно служат для припаивания контактов на кремниевых полупроводниках.

...Спрос на тантал постоянно растет, и потому можно не сомневаться, что в ближайшие годы производство этого замечательного металла будет расти еще быстрее, чем сейчас.

ЧТО ВЫ ЗНАЕТЕ И ЧЕГО НЕ ЗНАЕТЕ О ТАНТАЛЕ И ЕГО СОЕДИНЕНИЯХ

ТАНТАЛ ТВЕРЖЕ ТАНТАЛА

Танталовые покрытия не менее привлекательны, чем, скажем, никелевые и хромовые. Привлекательны не только внешне. Разработаны способы, позволяющие покрывать танталовым слоем различной толщины изделия больших размеров (тигли, трубы, листы, сопла ракет), причем покрытие может быть нанесено на самые разнообразные материалы - сталь, железо, медь, никель, молибден, окись алюминия, графит, кварц, стекло, фарфор и другие. Характерно, что твердость танталового покрытия по Бринелю составляет 180-200 кг/мм², в то время как твердость технического тантала в виде отожженных прутков или листов колеблется в пределах 50-80 кг/мм².

ДЕШЕВЛЕ ПЛАТИНЫ - ДОРОЖЕ СЕРЕБРА

Замена платины танталом, как правило, весьма выгодна - он дешевле ее почти в 15 раз. Тем не менее дешевым тантал не назовешь. Достаточно сказать, что он в несколько раз дороже серебра, что для получения тонны танталового концентрата необходимо переработать до 3000 тонн руды.

МЕТАЛЛ ИЗ ГРАНИТА

Поиски танталового сырья продолжаются и в наши дни. Ценные элементы, в том числе тантал, есть в обычных гранитах. В Бразилии уже пробовали добывать тантал из гранитов. Правда, промышленного значения этот процесс получения тантала и других элементов пока не имеет - он весьма сложен и дорог.

СЕРДЦЕ БЬЕТСЯ, КАК ЧАСЫ

Французские ученые разработали и применили на практике ядерный стимулятор сердца для людей, страдающих хроническими заболеваниями этого важнейшего органа. Источником энергии служит радиоактивный плутоний-238. Чтобы защитить организм человека от радиоактивного излучения, изотоп плутония помещают в специальную капсулу, выполненную из тантала и платины.