Tantal - Tantalum

Tantal,  ₇₃ Ta

Tantal
Aussprache	/ T æ n t ə l əm / ( TAN -tə-ləm )
Aussehen	grau Blau
Standardatomgewicht A r, std (Ta)	180.947 88 (2)
Tantal im Periodensystem
Wasserstoff Helium Lithium Beryllium Bor Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor Neon Natrium Magnesium Aluminium Silizium Phosphor Schwefel Chlor Argon Kalium Kalzium Scandium Titan Vanadium Chrom Mangan Eisen Kobalt Nickel Kupfer Zink Gallium Germanium Arsen Selen Brom Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirkonium Niob Molybdän Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silber Cadmium Indium Zinn Antimon Tellur Jod Xenon Cäsium Barium Lanthan Cer Praseodym Neodym Promethium Samarium Europa Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platin Gold Quecksilber (Element) Thallium Das Blei Wismut Polonium Astatin Radon Francium Radium Aktinium Thorium Protactinium Uran Neptunium Plutonium Amerika Kurium Berkelium Kalifornien Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Röntgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moskau Lebermorium Tennessine Oganesson Nb ↑ Ta ↓ Db Hafnium ← Tantal → Wolfram
Ordnungszahl ( Z )	73
Gruppe	Gruppe 5
Zeitraum	Periode 6
Block	D-Block
Elektronenkonfiguration	[ Xe ] 4f 14 5d 3 6s 2
Elektronen pro Schale	2, 8, 18, 32, 11, 2
Physikalische Eigenschaften
Phase bei  STP	fest
Schmelzpunkt	3290  K ​(3017 °C, ​5463 °F)
Siedepunkt	5731 K ​(5458 °C, ​9856 °F)
Dichte (nahe  rt )	16,69 g / cm 3
wenn flüssig (bei  mp )	15 g / cm 3
Schmelzwärme	36,57  kJ/mol
Verdampfungswärme	753 kJ/mol
Molare Wärmekapazität	25,36 J/(mol·K)
Dampfdruck P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k bei  T  (K) 3297 3597 3957 4395 4939 5634
Atomare Eigenschaften
Oxidationsstufen	−3, −1, 0, +1, +2, +3, +4, +5 (ein schwach saures Oxid)
Elektronegativität	Pauling-Skala: 1,5
Ionisierungsenergien
Atomradius	empirisch: 146  pm
Kovalenter Radius	170±20 Uhr
Spektrallinien von Tantal
Andere Eigenschaften
Natürliches Vorkommen	urtümlich
Kristallstruktur	kubisch raumzentrierte (bcc) α-Ta
Kristallstruktur	tetragonal β-Ta
Schallgeschwindigkeit dünner Stab	3400 m/s (bei 20 °C)
Wärmeausdehnung	6,3 µm/(m⋅K) (bei 25 °C)
Wärmeleitfähigkeit	57,5 W/(m⋅K)
Elektrischer widerstand	131 nm (bei 20 °C)
Magnetische Bestellung	paramagnetisch
Molare magnetische Suszeptibilität	+154,0 × 10 -6  cm 3 /mol (293 K)
Elastizitätsmodul	186 GPa
Schubmodul	69 GPa
Schüttmodul	200 GPa
QUERKONTRAKTIONSZAHL	0,34
Mohs-Härte	6,5
Vickers-Härte	870–1200 MPa
Brinellhärte	440–3430 MPa
CAS-Nummer	7440-25-7
Geschichte
Entdeckung	Anders Gustaf Ekeberg (1802)
Anerkannt als eigenständiges Element von	Heinrich Rose (1844)
Haupt Isotope von Tantal
Isotop Fülle Halbwertszeit ( t 1/2 ) Decay-Modus Produkt 177 Ta syn 56,56 Stunden ε 177 Hf 178 Ta syn 2,36 Stunden ε 178 Hf 179 Ta syn 1,82 Jahre ε 179 Hf 180 Ta syn 8.125 h ε 180 Hf β − 180 W 180 m Ta 0,012% stabil 181 Ta 99,988% stabil 182 Ta syn 114,43 d β − 182 W 183 Ta syn 5,1 Tage β − 183 W
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Tantal ist ein chemisches Element mit dem Symbol Ta und der Ordnungszahl 73. Früher als Tantal bekannt , ist es nach Tantalus , einem Bösewicht aus der griechischen Mythologie, benannt. Tantal ist ein seltenes, hartes, blaugraues, glänzendes Übergangsmetall , das sehr korrosionsbeständig ist. Es gehört zur Gruppe der Refraktärmetalle , die häufig als Nebenkomponenten in Legierungen verwendet werden.

Die chemische Inertheit von Tantal macht es zu einem wertvollen Stoff für Laborgeräte und als Ersatz für Platin . Sein Haupteinsatzgebiet sind heute Tantalkondensatoren in elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen , DVD-Playern , Videospielsystemen und Computern . Tantal, immer zusammen mit dem chemisch ähnlichen Niob , tritt in den Mineralgruppen Tantalit , Columbit und coltan (letztere ist eine Mischung aus Columbit und Tantalit, wenn auch nicht als separate Mineralart erkannt). Tantal gilt als technologiekritisches Element .

Geschichte

Tantal wurde 1802 in Schweden von Anders Ekeberg in zwei Mineralproben entdeckt – eine aus Schweden und die andere aus Finnland. Ein Jahr zuvor Charles Hatchett hatte entdeckt , Niobium (jetzt Niob) und im Jahr 1809 der englischen Chemiker William Hyde Wollaston im Vergleich sein Oxid, Columbit mit einer Dichte von 5,918 g / cm ³ , der von Tantal, Tantalit mit einer Dichte von 7,935 g / cm ³ . Er kam zu dem Schluss, dass die beiden Oxide trotz ihres Unterschieds in der gemessenen Dichte identisch waren und behielten den Namen Tantal bei. Nachdem Friedrich Wöhler diese Ergebnisse bestätigt hatte, dachte man, dass Columbium und Tantal dasselbe Element seien. Diese Schlussfolgerung wurde 1846 vom deutschen Chemiker Heinrich Rose bestritten , der argumentierte, dass die Tantalitprobe zwei zusätzliche Elemente enthielt, und er benannte sie nach den Kindern von Tantalus : Niob (von Niobe , der Göttin der Tränen) und Pelopium ( von Pelops ). Das vermeintliche Element "Pelopium" wurde später als eine Mischung aus Tantal und Niob identifiziert, und es stellte sich heraus, dass das Niob mit dem bereits 1801 von Hatchett entdeckten Columbium identisch war.

Die Unterschiede zwischen Tantal und Niob wurden 1864 von Christian Wilhelm Blomstrand und Henri Etienne Sainte-Claire Deville sowie von Louis J. Troost zweifelsfrei nachgewiesen , der 1865 die empirischen Formeln einiger ihrer Verbindungen bestimmte der Schweizer Chemiker Jean Charles Galissard de Marignac im Jahr 1866, der bewies, dass es nur zwei Elemente gibt. Diese Entdeckungen hinderten Wissenschaftler nicht daran, bis 1871 Artikel über das sogenannte Ilmenium zu veröffentlichen. De Marignac war der erste, der 1864 die metallische Form von Tantal herstellte, als er Tantalchlorid durch Erhitzen in einer Wasserstoffatmosphäre reduzierte . Frühere Forscher konnten nur unreines Tantal herstellen, und das erste relativ reine duktile Metall wurde 1903 von Werner von Bolton in Charlottenburg hergestellt . Drähte aus metallischem Tantal wurden für Glühbirnen verwendet , bis Wolfram es weit verbreitet ersetzte.

Der Name Tantal leitet sich vom Namen des mythologischen Tantalus ab , dem Vater der Niobe in der griechischen Mythologie . In der Geschichte war er nach dem Tod bestraft worden, indem er dazu verurteilt wurde, knietief im Wasser zu stehen, während über seinem Kopf perfekte Früchte wuchsen, was ihn beides für immer quälte . (Wenn er sich bückte, um das Wasser zu trinken, floss es unter das Niveau, das er erreichen konnte, und wenn er nach der Frucht griff, bewegten sich die Zweige aus seinem Griff.) Anders Ekeberg schrieb: "Dieses Metall nenne ich Tantal ... teilweise in Anspielung zu seiner Unfähigkeit, in Säure eingetaucht, irgendwelche aufzunehmen und gesättigt zu werden."

Jahrzehntelang umfasste die kommerzielle Technologie zur Abtrennung von Tantal von Niob die fraktionierte Kristallisation von Kaliumheptafluortantalat aus Kaliumoxypentafluorniobat-Monohydrat, ein Verfahren, das 1866 von Jean Charles Galissard de Marignac entdeckt wurde. Dieses Verfahren wurde durch die Lösungsmittelextraktion aus fluoridhaltigen . ersetzt Tantallösungen.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Tantal ist dunkel (blau-grau), dicht, duktil, sehr hart, leicht zu verarbeiten und gut wärme- und elektrisch leitfähig. Das Metall wird für seine Beständigkeit gegen bekannte Korrosion durch Säuren ; Tatsächlich ist Tantal bei Temperaturen unter 150 ° C fast vollständig immun gegen den Angriff des normalerweise aggressiven Königswassers . Es kann mit Flusssäure oder sauren Lösungen, die das Fluoridion und Schwefeltrioxid enthalten , sowie mit einer Kaliumhydroxidlösung gelöst werden . Der hohe Schmelzpunkt von Tantal von 3017 °C (Siedepunkt 5458 °C) wird unter den Elementen nur von Wolfram , Rhenium und Osmium für Metalle und Kohlenstoff übertroffen .

Tantal existiert in zwei kristallinen Phasen, Alpha und Beta. Die Alpha-Phase ist relativ duktil und weich; es hat eine kubisch-raumzentrierte Struktur ( Raumgruppe Im3m , Gitterkonstante a = 0,33058 nm), eine Knoop-Härte von 200–400 HN und einen spezifischen elektrischen Widerstand von 15–60 µΩ⋅cm. Die Beta-Phase ist hart und spröde; seine Kristallsymmetrie ist tetragonal (Raumgruppe P42/mnm , a = 1.0194 nm, c = 0.5313 nm), die Knoop-Härte beträgt 1000–1300 HN und der spezifische elektrische Widerstand ist mit 170–210 µΩ⋅cm relativ hoch. Die Beta-Phase ist metastabil und wandelt sich beim Erhitzen auf 750–775 °C in die Alpha-Phase um. Tantal als Masse besteht fast vollständig aus der Alpha-Phase, und die Beta-Phase existiert normalerweise als dünne Filme, die durch Magnetron- Sputtern , chemische Dampfabscheidung oder elektrochemische Abscheidung aus einer eutektischen geschmolzenen Salzlösung erhalten werden.

Isotope

Natürliches Tantal besteht aus zwei Isotopen : ^180m Ta (0,012%) und ¹⁸¹ Ta (99,988%). ¹⁸¹ Ta ist ein stabiles Isotop . ^Es wird vorhergesagt, dass ^180m Ta ( m bezeichnet einen metastabilen Zustand) auf drei Arten zerfällt: isomerer Übergang in den Grundzustand von ¹⁸⁰ Ta, Beta-Zerfall auf ¹⁸⁰ W oder Elektroneneinfang auf ¹⁸⁰ Hf . Die Radioaktivität dieses Kernisomers wurde jedoch nie beobachtet, und es wurde nur eine untere Grenze für seine Halbwertszeit von 2,0 × 10 ¹⁶  Jahren festgelegt. Der Grundzustand von ¹⁸⁰ Ta hat eine Halbwertszeit von nur 8 Stunden. ^180m Ta ist das einzige natürlich vorkommende Kernisomer (ohne radiogene und kosmogene kurzlebige Nuklide). Es ist auch das seltenste primordiale Isotop im Universum, wenn man die elementare Häufigkeit von Tantal und die Isotopenhäufigkeit von ^180m Ta im natürlichen Isotopengemisch berücksichtigt (und wiederum ohne radiogene und kosmogene kurzlebige Nuklide).

Tantal wurde theoretisch als " Salzmaterial " für Atomwaffen untersucht ( Kobalt ist das bekanntere hypothetische Salzmaterial). Eine äußere Hülle von ¹⁸¹ Ta würde durch den intensiven hochenergetischen Neutronenfluss einer hypothetischen explodierenden Kernwaffe bestrahlt. Dies würde das Tantal in das radioaktive Isotop ¹⁸² Ta umwandeln, das eine Halbwertszeit von 114,4 Tagen hat und Gammastrahlen mit etwa 1,12 Millionen Elektronenvolt (MeV) Energie pro Stück erzeugt, was die Radioaktivität des nuklearen Fallouts von deutlich erhöhen würde die Explosion für mehrere Monate. Solche "gesalzenen" Waffen wurden, soweit öffentlich bekannt, nie gebaut oder getestet und schon gar nicht als Waffen verwendet.

Tantal kann als Zielmaterial für beschleunigte Protonenstrahlen zur Herstellung verschiedener kurzlebiger Isotope verwendet werden, darunter ⁸ Li, ⁸⁰ Rb und ¹⁶⁰ Yb.

Chemische Komponenten

Tantal bildet Verbindungen in den Oxidationsstufen –III bis +V. Am häufigsten anzutreffen sind Oxide von Ta(V), zu denen alle Mineralien gehören. Die chemischen Eigenschaften von Ta und Nb sind sehr ähnlich. In wässrigen Medien weist Ta nur die Oxidationsstufe +V auf. Wie Niob ist Tantal in verdünnten Lösungen von Salz- , Schwefel- , Salpeter- und Phosphorsäure aufgrund der Ausfällung von wasserhaltigem Ta(V) -Oxid kaum löslich . In basischen Medien kann Ta aufgrund der Bildung von Polyoxotantalat-Spezies solubilisiert werden.

Oxide, Nitride, Carbide, Sulfide

Tantalpentoxid (Ta ₂ O ₅ ) ist die anwendungstechnisch wichtigste Verbindung. Tantaloxide in niedrigeren Oxidationsstufen sind zahlreich, einschließlich vieler Defektstrukturen , und sind wenig untersucht oder schlecht charakterisiert.

Tantalate, Verbindungen mit [TaO ₄ ] ³⁻ oder [TaO ₃ ] ⁻ sind zahlreich. Lithiumtantalat (LiTaO ₃ ) nimmt eine Perowskitstruktur an. Lanthanum Tantalat (LaTaO ₄ ) enthält isoliert TaO³⁻
₄ Tetraeder.

Wie bei anderen Refraktärmetallen sind die härtesten bekannten Tantalverbindungen Nitride und Karbide. Tantalcarbid , TaC, ist wie das häufiger verwendete Wolframcarbid eine harte Keramik , die in Schneidwerkzeugen verwendet wird. Tantal(III)-Nitrid wird in einigen mikroelektronischen Herstellungsprozessen als Dünnschichtisolator verwendet.

Die am besten untersuchte Chalcogenid ist TaS ₂ , ein geschichteter Halbleiter , wie für andere gesehen Übergangsmetall Dichalcogenide . Eine Tantal-Tellur-Legierung bildet Quasikristalle .

Halogenide

Tantalhalogenide umfassen die Oxidationsstufen +5, +4 und +3. Tantalpentafluorid (TaF ₅ ) ist ein weißer Feststoff mit einem Schmelzpunkt von 97,0 °C. Zur Abtrennung von Niob wird das Anion [TaF ₇ ] ^2- verwendet. Das Chlorid TaCl
₅, das als Dimer vorkommt, ist das Hauptreagens bei der Synthese neuer Ta-Verbindungen. Es hydrolysiert leicht zu einem Oxychlorid . Die niederen Halogenide TaX
₄und TaX
₃, verfügen über Ta-Ta-Anleihen.

Tantalorganische Verbindungen

Organotantalverbindungen umfassen Pentamethyltantal , gemischte Alkyltantalchloride, Alkyltantalhydride, Alkylidenkomplexe sowie Cyclopentadienylderivate davon. Für das Hexacarbonyl [Ta(CO) ₆ ] ⁻ und verwandte Isocyanide sind verschiedene Salze und substituierte Derivate bekannt .

Auftreten

Es wird geschätzt, dass Tantal etwa 1  ppm oder 2  ppm der Erdkruste nach Gewicht ausmacht . Es gibt viele Arten von Tantalmineralien, von denen bisher nur einige von der Industrie als Rohstoffe genutzt werden: Tantalit (eine Reihe bestehend aus Tantalit-(Fe), Tantalit-(Mn) und Tantalit-(Mg)) Mikrolith (jetzt ein Gruppenname), Wodginit , Euxenit (eigentlich Euxenit-(Y)) und Polycrase (eigentlich Polycrase-(Y)). Tantalit ( Fe , Mn )Ta ₂ O ₆ ist das wichtigste Mineral für die Tantalgewinnung. Tantalit hat die gleiche Mineralstruktur wie Columbit ( Fe , Mn ) (Ta, Nb ) ₂ O ₆ ; wenn mehr Tantal als Niob vorhanden ist, wird es Tantalit genannt, und wenn mehr Niob als Tantal vorhanden ist, wird es Columbit (oder Niobit ) genannt. Die hohe Dichte von Tantalit und anderen tantalhaltigen Mineralien macht den Einsatz der Gravitationstrennung zur besten Methode. Andere Mineralien sind Samarskit und Fergusonit .

Tantal wird hauptsächlich in Australien abgebaut , wo der größte Produzent, Global Advanced Metals , früher bekannt als Talison Minerals , zwei Minen in Westaustralien betreibt, Greenbushes im Südwesten und Wodgina in der Region Pilbara . Die Mine Wodgina wurde im Januar 2011 wiedereröffnet, nachdem der Abbau an der Stätte Ende 2008 aufgrund der globalen Finanzkrise eingestellt worden war . Weniger als ein Jahr nach der Wiedereröffnung gab Global Advanced Metals bekannt, dass der Tantalabbau aufgrund der erneut "... nachlassenden Tantalnachfrage ..." und anderer Faktoren Ende Februar 2012 eingestellt werden sollte. Wodgina produziert ein primäres Tantal Konzentrat, das im Greenbushes-Betrieb weiter aufgerüstet wird, bevor es an Kunden verkauft wird. Während die großen Niobproduzenten in Brasilien und Kanada liegen , liefert das dortige Erz auch einen geringen Anteil an Tantal. Einige andere Länder wie China , Äthiopien und Mosambik bauen Erze mit einem höheren Tantalanteil ab, und sie produzieren einen erheblichen Prozentsatz der weltweiten Produktion davon. Tantal wird auch in Thailand und Malaysia als Nebenprodukt des dortigen Zinnabbaus produziert . Bei der gravitativen Abscheidung der Erze aus Seifenlagerstätten wird nicht nur Kassiterit (SnO ₂ ) gefunden, sondern auch ein kleiner Prozentsatz Tantalit. Die Schlacke aus den Zinnhütten enthält dann wirtschaftlich sinnvolle Mengen an Tantal, das aus der Schlacke ausgelaugt wird.

Die weltweite Produktion von Tantalminen hat seit Beginn des 21. Jahrhunderts, als die Produktion hauptsächlich aus Australien und Brasilien stammte, eine bedeutende geografische Verschiebung erfahren. Von 2007 bis 2014 verlagerten sich die Hauptquellen der Tantalproduktion aus Minen dramatisch in die Demokratische Republik Kongo, Ruanda und einige andere afrikanische Länder. Zukünftige Tantal-Lieferquellen werden in der Reihenfolge ihrer geschätzten Größe in Saudi-Arabien , Ägypten , Grönland , China , Mosambik , Kanada , Australien , den Vereinigten Staaten , Finnland und Brasilien erforscht .

Es wird geschätzt, dass auf der Grundlage der gegenwärtigen Fördermengen weniger als 50 Jahre Tantalressourcen übrig sind, was die Notwendigkeit eines verstärkten Recyclings zeigt .

Status als Konfliktressource

Tantal gilt als Konfliktressource . Coltan , der Industrie Name für ein Columbit - Tantalit Mineral , aus dem Niob und Tantal extrahiert werden, kann auch gefunden werden in Zentralafrika , weshalb Tantal ist verbunden ist in der Demokratischen Republik Kongo Krieg (früher Zaire ). Laut einem Bericht der Vereinten Nationen vom 23. Oktober 2003 hat der Schmuggel und der Export von Coltan dazu beigetragen, den Krieg im Kongo anzuheizen, eine Krise, die seit 1998 etwa 5,4 Millionen Tote gefordert hat – was es zum weltweit tödlichsten dokumentierten Konflikt seit dem Zweiten Weltkrieg macht . Durch die Ausbeutung von Ressourcen wie Coltan in den bewaffneten Konfliktregionen des Kongobeckens wurden ethische Fragen zu verantwortungsvollem Unternehmensverhalten, Menschenrechten und Gefährdung von Wildtieren aufgeworfen . Der United States Geological Survey berichtet in seinem Jahrbuch, dass diese Region in den Jahren 2002-2006 etwas weniger als 1 % der weltweiten Tantalproduktion produzierte, mit einem Höchststand von 10 % in den Jahren 2000 und 2008. USGS-Daten, die im Januar 2021 veröffentlicht wurden, zeigten, dass fast 40 % der weltweiten Tantalminenproduktion stammte aus der Demokratischen Republik Kongo, weitere 18% aus den Nachbarländern Ruanda und Burundi .

Das erklärte Ziel des Tantal-Projekts Solutions for Hope ist es, "konfliktfreies Tantal aus der Demokratischen Republik Kongo zu beziehen".

Produktion und Fertigung

Bei der Gewinnung von Tantal aus Tantalit sind mehrere Schritte beteiligt. Zuerst wird das Mineral zerkleinert und durch Schwerkrafttrennung konzentriert . Dies wird in der Regel in der Nähe des Minengeländes durchgeführt .

Veredelung

Die Raffination von Tantal aus seinen Erzen gehört zu den anspruchsvolleren Trennverfahren in der industriellen Metallurgie. Das Hauptproblem besteht darin, dass Tantalerze erhebliche Mengen an Niob enthalten , dessen chemische Eigenschaften fast identisch mit denen von Ta sind. Um dieser Herausforderung zu begegnen, wurde eine Vielzahl von Verfahren entwickelt.

In der Neuzeit wird die Trennung durch Hydrometallurgie erreicht . Die Extraktion beginnt mit der Auslaugung des Erzes mit Flusssäure zusammen mit Schwefelsäure oder Salzsäure . Dieser Schritt ermöglicht die Trennung von Tantal und Niob von den verschiedenen nichtmetallischen Verunreinigungen im Gestein. Obwohl Ta als verschiedene Mineralien vorkommt, wird es bequemerweise als Pentoxid dargestellt, da sich die meisten Tantal(V)-Oxide unter diesen Bedingungen ähnlich verhalten. Eine vereinfachte Gleichung für ihre Extraktion lautet daher:

Ta ₂ O ₅ + 14 HF → 2 H ₂ [TaF ₇ ] + 5 H ₂ O

Völlig analoge Reaktionen laufen für die Niobkomponente ab, jedoch überwiegt unter den Extraktionsbedingungen typischerweise das Hexafluorid.

Nb ₂ O ₅ + 12 HF → 2 H[NbF ₆ ] + 5 H ₂ O

Diese Gleichungen sind vereinfacht: Es wird vermutet, dass Hydrogensulfat (HSO ₄ ⁻ ) und Chlorid als Liganden um die Nb(V)- und Ta(V)-Ionen konkurrieren, wenn Schwefel- bzw. Salzsäure verwendet wird. Die Tantal- und Niobfluoridkomplexe werden dann durch Flüssig-Flüssig-Extraktion in organische Lösungsmittel , wie Cyclohexanon , Octanol und Methylisobutylketon, aus der wässrigen Lösung entfernt . Dieses einfache Verfahren ermöglicht die Entfernung der meisten metallhaltigen Verunreinigungen (zB Eisen, Mangan, Titan, Zirkonium), die in Form ihrer Fluoride und anderer Komplexe in der wässrigen Phase verbleiben .

Die Abtrennung des Tantals vom Niob wird dann durch Erniedrigung der Ionenstärke des Säuregemisches erreicht, wodurch sich das Niob in der wässrigen Phase auflöst. Es wird vorgeschlagen, dass unter diesen Bedingungen Oxyfluorid H ₂ [NbOF ₅ ] gebildet wird. Nach der Entfernung des Niobs wird die Lösung von gereinigtem H ₂ [TaF ₇ ] mit wässrigem Ammoniak neutralisiert, um hydratisiertes Tantaloxid als einen Feststoff auszufällen, der zu Tantalpentoxid (Ta ₂ O ₅ ) kalziniert werden kann .

Anstelle der Hydrolyse kann das H ₂ [TaF ₇ ] mit Kaliumfluorid behandelt werden , um Kaliumheptafluortantalat herzustellen :

H ₂ [TaF ₇ ] + 2 KF → K ₂ [TaF ₇ ] + 2 HF

Im Gegensatz zu H ₂ [TaF ₇ ] wird das Kaliumsalz leicht kristallisiert und als Feststoff gehandhabt.

K ₂ [TaF ₇ ] kann durch Reduktion mit Natrium bei ca. 800 °C in einer Salzschmelze in metallisches Tantal umgewandelt werden .

K ₂ [TaF ₇ ] + 5 Na → Ta + 5 NaF + 2 KF

In einem älteren Verfahren, dem sogenannten Marignac- Verfahren, wurde die Mischung aus H ₂ [TaF ₇ ] und H ₂ [NbOF ₅ ] in eine Mischung aus K ₂ [TaF ₇ ] und K ₂ [NbOF ₅ ] umgewandelt, die dann be durch fraktionierte Kristallisation getrennt , wobei ihre unterschiedlichen Wasserlöslichkeiten ausgenutzt werden.

Elektrolyse

Tantal kann auch durch Elektrolyse veredelt werden, wobei eine modifizierte Version des Hall-Héroult-Verfahrens verwendet wird . Anstatt das Eingangsoxid und das Ausgangsmetall in flüssiger Form zu erfordern, arbeitet die Tantal-Elektrolyse mit nicht-flüssigen pulverförmigen Oxiden. Die erste Entdeckung kam 1997, als Forscher der Universität Cambridge kleine Proben bestimmter Oxide in Salzschmelzen tauchten und das Oxid mit elektrischem Strom reduzierten. Die Kathode verwendet pulverisiertes Metalloxid. Die Anode besteht aus Kohlenstoff. Das geschmolzene Salz bei 1.000 ° C (1.830 ° F) ist der Elektrolyt. Die erste Raffinerie hat genug Kapazität, um 3–4 % des weltweiten Jahresbedarfs zu decken.

Fertigung und Metallbearbeitung

Alle Schweißarbeiten von Tantal müssen in einer inerten Atmosphäre von Argon oder Helium durchgeführt werden, um es vor Kontamination mit atmosphärischen Gasen zu schützen. Tantal ist nicht lötbar . Das Schleifen von Tantal ist schwierig, insbesondere bei geglühtem Tantal. Tantal ist im geglühten Zustand extrem duktil und lässt sich gut zu Blechen umformen.

Anwendungen

Elektronik

Die hauptsächliche Verwendung für Tantal, als das Metallpulver, ist in der Herstellung von elektronischen Komponenten, vor allem Kondensatoren und einige Hochleistungswiderständen . Tantal - Elektrolytkondensatoren nutzen die Tendenz von Tantal eine Schutz zu bilden oxidischen Oberflächenschicht, Tantalpulver verwendet wird , in eine Pelletform gepresst, als eine „Platte“ des Kondensators, die Oxid als Dielektrikum , und eine elektrolytische Lösung oder leitenden Feststoff als andere "Platte". Da die dielektrische Schicht sehr dünn sein kann (dünner als die ähnliche Schicht beispielsweise in einem Aluminium-Elektrolytkondensator), kann eine hohe Kapazität in einem kleinen Volumen erreicht werden. Aufgrund der Größen- und Gewichtsvorteile sind Tantalkondensatoren für tragbare Telefone , Personalcomputer , Automobilelektronik und Kameras attraktiv .

Legierungen

Tantal wird auch verwendet, um eine Vielzahl von Legierungen herzustellen , die hohe Schmelzpunkte, Festigkeit und Duktilität aufweisen. Legiert mit anderen Metallen wird es auch bei der Herstellung von Hartmetallwerkzeugen für Metallbearbeitungsgeräte und bei der Herstellung von Superlegierungen für Düsentriebwerkskomponenten, chemische Prozessausrüstungen, Kernreaktoren , Raketenteile, Wärmetauscher, Tanks und Behälter verwendet. Aufgrund seiner Duktilität kann Tantal zu feinen Drähten oder Filamenten gezogen werden, die zum Verdampfen von Metallen wie Aluminium verwendet werden . Da es dem Angriff durch Körperflüssigkeiten widersteht und nicht reizend ist, wird Tantal häufig bei der Herstellung von chirurgischen Instrumenten und Implantaten verwendet. Zum Beispiel werden poröse Tantalbeschichtungen beim Bau von orthopädischen Implantaten aufgrund der Fähigkeit von Tantal verwendet, eine direkte Bindung an hartes Gewebe zu bilden.

Tantal ist gegenüber den meisten Säuren außer Flusssäure und heißer Schwefelsäure inert , und heiße alkalische Lösungen verursachen auch eine Korrosion von Tantal. Diese Eigenschaft macht es zu einem nützlichen Metall für chemische Reaktionsgefäße und Rohre für korrosive Flüssigkeiten. Wärmetauscher für die Dampferwärmung von Salzsäure werden aus Tantal hergestellt. Tantal wurde in großem Umfang bei der Herstellung von Ultrahochfrequenz- Elektronenröhren für Radiosender verwendet. Tantal ist in der Lage, Sauerstoff und Stickstoff durch die Bildung von Nitriden und Oxiden einzufangen und trägt somit dazu bei, das für die Rohre erforderliche Hochvakuum aufrechtzuerhalten, wenn es für Innenteile wie Gitter und Platten verwendet wird.

Andere Verwendungen

Tantal wurde von der NASA verwendet, um Komponenten von Raumfahrzeugen wie Voyager 1 und 2 vor Strahlung zu schützen. Der hohe Schmelzpunkt und die Oxidationsbeständigkeit führen zum Einsatz des Metalls bei der Herstellung von Vakuumofenteilen . Tantal ist extrem inert und wird daher zu einer Vielzahl von korrosionsbeständigen Teilen wie Schutzrohren , Ventilkörpern und Tantal-Befestigungselementen geformt . Aufgrund seiner hohen Dichte wurden Hohlladungs- und explosionsartig geformte Penetrator- Liner aus Tantal hergestellt. Tantal erhöht aufgrund seiner hohen Dichte und seines hohen Schmelzpunkts die Durchschlagskraft einer Hohlladung erheblich. Gelegentlich wird es auch in kostbaren Uhren zB von Audemars Piguet , FP Journe , Hublot , Montblanc , Omega und Panerai verwendet . Tantal ist außerdem hoch bioinert und wird als orthopädisches Implantatmaterial verwendet. Die hohe Steifigkeit von Tantal macht es notwendig, es als hochporösen Schaumstoff oder als Gerüst mit geringerer Steifigkeit für Hüftersatzimplantate zu verwenden, um Stress-Shielding zu vermeiden . Da Tantal ein nicht eisenhaltiges, nicht magnetisches Metall ist, gelten diese Implantate als akzeptabel für Patienten, die sich MRT-Verfahren unterziehen. Das Oxid wird verwendet, um spezielles Glas mit hohem Brechungsindex für Kameraobjektive herzustellen .

Umweltprobleme

Tantal wird im Umweltbereich weit weniger beachtet als in anderen Geowissenschaften. Die Konzentration der oberen Kruste (UCC) und das Nb/Ta-Verhältnis in der oberen Kruste und in Mineralien sind verfügbar, da diese Messungen als geochemisches Instrument nützlich sind. Der neueste Wert für die Konzentration der oberen Kruste beträgt 0,92 ppm, und das Nb/Ta(w/w)-Verhältnis liegt bei 12,7.

Über die Tantalkonzentrationen in den verschiedenen Umweltkompartimenten liegen nur wenige Daten vor, insbesondere in natürlichen Gewässern, wo noch nicht einmal zuverlässige Schätzungen der „gelösten“ Tantalkonzentrationen in Meer- und Süßwasser erstellt wurden. Einige Werte zu gelösten Konzentrationen in Ozeanen wurden veröffentlicht, aber sie sind widersprüchlich. Werte in Süßwasser schneiden wenig besser ab, aber in allen Fällen liegen sie wahrscheinlich unter 1 ng L ⁻¹ , da „gelöste“ Konzentrationen in natürlichen Gewässern weit unter den meisten gegenwärtigen analytischen Fähigkeiten liegen. Die Analyse erfordert Verfahren vor der Konzentration, die im Moment keine konsistenten Ergebnisse liefern. Und auf jeden Fall scheint Tantal in natürlichen Gewässern eher als Feinstaub als gelöst vorzukommen.

Werte für Konzentrationen in Böden, Bettsedimenten und atmosphärischen Aerosolen sind leichter zu ermitteln. Die Werte in Böden liegen nahe 1 ppm und damit bei UCC-Werten. Dies weist auf eine zerstörerische Herkunft hin. Für atmosphärische Aerosole sind die verfügbaren Werte verstreut und begrenzt. Wenn eine Tantalanreicherung beobachtet wird, ist dies wahrscheinlich auf den Verlust von mehr wasserlöslichen Elementen in Aerosolen in den Wolken zurückzuführen.

Eine Verschmutzung im Zusammenhang mit der Verwendung des Elements durch den Menschen wurde nicht festgestellt. Tantal scheint in biogeochemischer Hinsicht ein sehr konservatives Element zu sein, aber seine Zyklen und Reaktivität sind noch nicht vollständig verstanden.

Vorsichtsmaßnahmen

Tantalhaltige Verbindungen sind im Labor selten anzutreffen. Das Metall ist hochgradig biokompatibel und wird für Körperimplantate und Beschichtungen verwendet , daher kann die Aufmerksamkeit auf andere Elemente oder die physikalische Natur der chemischen Verbindung gerichtet werden .

Menschen können am Arbeitsplatz Tantal durch Einatmen, Haut- oder Augenkontakt ausgesetzt werden. Die Arbeitsschutzbehörde (OSHA) hat den gesetzlichen Grenzwert ( zulässiger Expositionsgrenzwert ) für die Tantal-Exposition am Arbeitsplatz auf 5 mg/m ³ über einen 8-Stunden-Arbeitstag festgelegt. Das National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) hat einen empfohlenen Expositionsgrenzwert (REL) von 5 mg/m ³ über einen 8-Stunden-Arbeitstag und einen Kurzzeitgrenzwert von 10 mg/m ^{3 festgelegt} . Tantal ist ab 2500 mg/m ³ unmittelbar gefährlich für Leben und Gesundheit .

Verweise

Externe Links

• Tantal-Niob-Internationales Studienzentrum
• CDC – NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards