Tântalo

Tântalo
73 Ta
Nb ↑ Ta ↓ Db Tabela periódica háfnio ← tântalo → tungstênio
Aparência
azul cinzento
Propriedades gerais
Nome, símbolo, número	tântalo, Ta, 73
Pronúncia	/ t æ n t əl ə m / TAN -təl-əm; anteriormente / t æ n t æ l Eu ə m / tan- TAL -ee-əm
Categoria elemento	de metal de transição
Grupo, período, bloco	5, 6, d
Peso atômico padrão	180,94788
Configuração eletrônica	[ Xe ] 4f 14 5d 3 6s 2 2, 8, 18, 32, 11, 2
História
Descoberta	Anders Gustaf Ekeberg (1802)
Reconhecido como um distinto elemento por	Heinrich Rose (1844)
Propriedades físicas
Fase	sólido
Densidade (perto RT)	16,69 g · cm -3
Líquido densidade no pf	15 g cm -3 ·
Ponto de fusão	3290 K , 3017 ° C, 5463 ° F
Ponto de ebulição	5731 K, 5458 ° C, 9856 ° F
Calor de fusão	36,57 kJ mol -1 ·
Calor de vaporização	732,8 kJ · mol -1
Capacidade calorífica molar	25,36 J · · mol -1 K -1
Pressão de vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k em T (K) 3297 3597 3957 4395 4939 5634
Propriedades atômicas
Estados de oxidação	5, 4, 3, 2, -1 (ligeiramente ácidas de óxido de)
Eletronegatividade	1,5 (escala de Pauling)
Energias de ionização	1º: 761 kJ · mol -1
	Segunda: 1500 kJ mol -1 ·
Raio atômico	146 pm
O raio de covalência	170 ± 20:00
Miscelânea
A estrutura de cristal	cúbica de corpo centrado α-Ta
	tetragonal β-Ta
Ordenamento magnético	paramagnético
Resistividade elétrica	(20 ° C) 131 Nco · m
Condutividade térmica	57,5 W · m -1 · K -1
Expansão térmica	(25 ° C) de 6,3 uM · · K -1 m -1
Velocidade do som (haste fina)	(20 ° C) 3400 m · s -1
O módulo de Young	186 GPa
Módulo de cisalhamento	69 GPa
Massa de módulo	200 GPa
Rácio de Poisson	0.34
Dureza de Mohs	6.5
Dureza de Vickers	873 MPa
Dureza Brinell	800 MPa
Número de registo CAS	7440-25-7
A maioria dos isótopos estáveis
Ver artigo principal: Isótopos de tântalo
iso N / D meia-vida DM DE ( MeV) DP 177 Ta syn 56,56 h ε 1.166 177 Hf 178 Ta syn 2.36 h ε 1.910 178 Hf 179 Ta syn 1.82 y ε 0,110 179 Hf 180 Ta syn 8,125 h ε 0,854 180 Hf β - 0,708 180 W 180 m Ta 0,012% > 1,2 x 10 15 y ε 0,929 180 Hf β - 0,783 180 W TI 0,075 180 Ta α 2.103 176 Lu 181 Ta 99,988% 181 Ta é estável com 108 nêutrons 182 Ta syn 114,43 d β - 1.814 182 W 183 Ta syn 5.1 d β - 1.070 183 W

O tântalo é um elemento químico com o símbolo Ta e número atômico 73. Anteriormente conhecido como tântalo, o nome vem Tântalo, um personagem da mitologia grega. O tântalo é um raro, difícil, azul-cinza, brilhante metal de transição que é altamente resistente à corrosão. É parte do grupo metais refractários, os quais são amplamente usados como componentes menores em ligas. A inércia química do tântalo torna uma substância valiosa para equipamentos de laboratório e um substituto para a platina , mas seu uso principal hoje é em condensadores de tântalo em eletrônica equipamentos, tais como telefones celulares , DVD players, sistemas de vídeo game e computadores . Tântalo, sempre em conjunto com a química semelhante nióbio , ocorre nos minerais tantalite, columbita e coltan (uma mistura de columbita e tantalita).

História

Tântalo foi descoberto na Suécia em 1802 por Anders Ekeberg. Um ano antes, Charles Hatchett descobriu o elemento columbium . Em 1809, o químico Inglês William Hyde Wollaston comparados os derivados de óxidos de ambos columbium- columbite, com uma densidade de 5,918 g / cm ^3, e tantalum- tântalo, com uma densidade de 7,935 g / cm ^3, e concluíram que os dois óxidos, apesar da sua diferença de densidade medida, eram idênticos. Ele decidiu manter o nome de tântalo. Depois Friedrich Wöhler confirmou estes resultados, pensava-se que colômbio e tântalo eram o mesmo elemento. Esta conclusão foi contestada em 1846 pelo químico alemão Heinrich Rose, que argumentou que havia dois elementos adicionais na amostra tantalite, e ele nomeou-os após os filhos de Tântalo: nióbio (a partir de Niobe, a deusa de lágrimas), e pelopium (de Pelops). O suposto elemento "pelopium" foi posteriormente identificado como uma mistura de tântalo e nióbio, e verificou-se que o nióbio foi idêntico ao colômbio já descobertos em 1801 por Hatchett.

As diferenças entre tântalo e nióbio foram demonstradas inequivocamente em 1864 por Christian Wilhelm Blomstrand, e Henri Etienne Sainte-Claire Deville, bem como por Louis J. Troost, que determinaram as fórmulas empíricas de alguns de seus compostos em 1865. Outra confirmação veio do químico suíço Jean Charles Galissard de Marignac, em 1866, que provou que havia apenas dois elementos. Estas descobertas não impediu os cientistas de publicar artigos sobre o chamado ilmenium até 1871. De Marignac foi o primeiro a produzir a forma metálico de tântalo em 1864, quando ele cloreto de tântalo reduzido por aquecimento, numa atmosfera de hidrogénio . Investigadores início só tinha sido capaz de produzir tântalo impuro, eo primeiro metal dúctil relativamente puro foi produzido por Werner von Bolton em 1903. Fios feitos de tântalo metálico foram utilizados para filamentos de lâmpada até tungstênio substituiu-o em uso generalizado.

O nome de tântalo foi derivado do nome do mitológico Tântalo, o pai de Niobe na mitologia grega . Na história, ele tinha sido punido após a morte por ser condenado a ficar atolado em água com fruta perfeito crescendo acima de sua cabeça, sendo que ambos eternamente atormentado ele. (Se ele se inclinou para beber a água, é drenado abaixo do nível que pudesse alcançar, e se estendeu a mão para a fruta, os galhos movido fora de seu alcance.) Ekeberg escreveu "Este metal que eu chamo de tântalo ... parcialmente em alusão à sua incapacidade , por imersão em ácido, para absorver qualquer e ser saturado. "

Durante décadas, a tecnologia comercial para a separação de tântalo de nióbio envolveu a cristalização fraccionada de potássio heptafluorotantalate longe de potássio oxypentafluoroniobate mono-hidrato, um processo que foi descoberto por Jean Charles Galissard de Marignac em 1866. Este método foi suplantado por extracção com solvente de soluções contendo fluoreto de tântalo.

Características

Propriedades físicas

O tântalo é escura (azul-cinza), denso, ductile, muito duramente, facilmente fabricados, e altamente condutor de calor e eletricidade. O metal é conhecido pela sua resistência à corrosão por ácidos ; na verdade, a temperaturas inferiores a 150 ° C tântalo é quase completamente imune a atacar pelo agressivo normalmente água régia. Ele pode ser dissolvido com ácido fluorídrico ou de soluções ácidas contendo o ião fluoreto e trióxido de enxofre, bem como com uma solução de hidróxido de potássio. Alto ponto de fusão de tântalo de 3017 ° C (ponto de ebulição 5458 ° C) é superado apenas pelo de tungstênio , rênio e ósmio para metais, e de carbono .

Tântalo existe em duas fases cristalinas, alfa e beta. A fase alfa é relativamente dúctil e macio; Tem a estrutura cúbica de corpo centrado ( grupo Im3m espaço, estrutura constante a = 0,33058 nm), Knoop dureza 200-400 HN e elétrica resistividade 15-60 μΩ ּ cm. A fase beta é duro e quebradiço; sua simetria do cristal é tetragonal (espaço grupo P42 / mnm, a = 1,0194 nm, c = 0,5313 nm), dureza Knoop é 1000-1300 HN e resistividade elétrica é relativamente alta em 170-210 μΩ ּ cm. A fase beta é metastável e converte para a fase alfa por aquecimento a 750-775 ° C. Massa de tântalo é quase inteiramente fase alfa, e a fase beta geralmente existe como filmes finos obtidos por magnetrão pulverização catódica, ou deposição de vapor químico deposição electroquimica de um solução de sal fundido eutética.

Propriedades químicas

Formas de tântalo óxidos com os estados de oxidação +5 (Ta ₂ O ₅₎ e 4 (GAT _2). O estado de oxidação mais estável é 5, pentóxido de tântalo. Pentóxido de tântalo é o material de partida para vários compostos de tântalo. Os compostos são criados pela dissolução do pentóxido de básicas de hidróxido de soluções ou fundindo-o num outro óxido de metal. Tais exemplos são tantalato de lítio (Litao ₃₎ e lantânio tantalato (latão _4). No tantalato de lítio, o ião tantalato TAO -
3 não ocorrer; em vez disso, esta parte da fórmula representa ligação de TaO 7-
6 octahedra para formar uma imagem tridimensional estrutura perovskita; enquanto o tantalato lantânio contém solitário TaO 3-
4 grupos tetraédricos.

Os fluoretos de tântalo pode ser utilizado para a sua separação a partir de nióbio. Tântalo forma compostos halogenados nos estados de oxidação de 5, 4, 3 e do tipo de imposto _{5, 4} fiscais e tributárias _3, embora complexos multi-núcleo e compostos subestequiométricas também são conhecidos. Pentafluoreto de tântalo (TAF ₅₎ é um sólido branco com um ponto de fusão de 97,0 ° C e pentacloreto de tântalo (TACL ₅₎ é um sólido branco com um ponto de fusão 247,4 ° C. O tântalo é pentacloreto hidrolisada por água e reage com tântalo adicional a temperaturas elevadas formando a preto e altamente tetracloreto de tântalo higroscópico (TACL _4). Embora os compostos trihalogen pode ser obtido por redução dos pentahalogenes com hidrogénio, os compostos di-halogéneo não existem. Forma-se uma liga de tântalo-telúrio quasicristais. Compostos de tântalo com estados de oxidação tão baixo como -1 foram relatados em 2008.

Semelhante a maioria dos outros metais refratários, os compostos mais difícil conhecidas de tântalo são os seus nitretos e carbonetos estáveis. Tântalo carboneto, a TAC, como o mais comumente usado carboneto de tungsténio, é um cerâmico muito duro, que é usada em ferramentas de corte. Tântalo (III) é usado como nitreto de um isolador de filme fino, em alguns processos de fabricação da microelectrónica. Químicos da Los Alamos National Laboratory, nos Estados Unidos, desenvolveram um tântalo carbide- grafite material compósito que é um dos materiais mais duros já sintetizados. Pesquisadores coreanos desenvolveram uma liga de tântalo-tungsténio-cobre amorfo que é mais flexível e duas a três vezes mais forte do que as ligas de aço comummente utilizados. Há dois Aluminetos tântalo, Taal ₃ e Ta ₃ Al. Estes são estáveis, refractário, e reflector, e que têm sido propostos para uso como revestimentos em espelhos de onda infravermelho.

Isótopos

Tântalo natural consiste de dois isótopos : Ta ^180m (0,012%) e ¹⁸¹ de Ta (99,988%) ¹⁸¹ Ta é um. isótopo estável ^180m Ta (m denota um estado metaestável) está previsto para decaimento de três maneiras.: isomérica transição para o estado fundamental de ¹⁸⁰ Ta, decaimento beta para ¹⁸⁰ W , ou a captura eletrônica de ¹⁸⁰ Hf . No entanto, a radioactividade do presente isómero nuclear nunca foi observada. Apenas um limite inferior na sua meia-vida de mais de 10 ¹⁵ anos foi definido. O estado fundamental de ¹⁸⁰ Ta tem uma meia-vida de apenas 8 horas. ^180m Ta é a única que ocorre naturalmente isômero nuclear (excluindo nuclidos de curto e de vida radiogênicos cosmogénicos). Ele também é o isótopo mais raro no Universo, tendo em conta a abundância elementar de tântalo e abundância isotópica de ^180m Ta na mistura natural de isótopos (e novamente excluindo nuclidos de curto e de vida radiogênicos cosmogénicos).

Tântalo foi examinado teoricamente como uma " salga "material para armas nucleares ( cobalto é o material de salga hipotético mais conhecido). Uma concha externa de ¹⁸¹ Ta seria irradiada pelo fluxo de neutrões de alta energia intensiva de uma arma nuclear explodindo hipotético. Isso iria transmutar o tântalo na radioativo isótopo ¹⁸² Ta, que tem uma meia-vida de 114,4 dias e produz raios gama com cerca de 1,12 milhões de elétron-volts (MeV) de energia cada um, o que aumentaria significativamente a radioactividade da precipitação nuclear da explosão por vários meses. Tais armas "salgados" nunca foram construídos ou testadas, tanto quanto é do conhecimento público, e certamente nunca usados como armas.

Ocorrência

Tantalita, Distrito de Pilbara, Austrália

O tântalo é estimada para compensar cerca de 1 ppm ou 2 ppm da Terra 's crosta em peso. Existem muitas espécies de minerais de tântalo, das quais apenas algumas são até agora a ser utilizados pela indústria como matérias-primas: tantalite, microlite, wodginite, euxenite, polycrase. Tantalite ( Fe , Mn ) Ta ₂ O ₆ é o mineral mais importante para a extracção de tântalo. Tantalite tem a mesma estrutura como mineral columbita ( Fe , Mn ) (Ta, Nb ) ₂ O _6; quando houver mais do que Ta Nb é chamado tantalite e quando há mais do que Nb Ta é chamado columbita (ou niobite). A elevada densidade de tântalo e outros tântalo contendo minerais faz com que a utilização da separação gravitacional o melhor método. Outros incluem minerais samarskite e fergusonite.

A mineração primária de tântalo é na Austrália , onde o maior produtor, Metais globais avançadas, anteriormente conhecido como Talison Minerais, opera duas minas na Austrália Ocidental, Greenbushes no Sudoeste e No Wodgina Região de Pilbara. A mina Wodgina foi reaberto em janeiro de 2011 depois de mineração no local foi suspenso no final de 2008, devido à crise financeira global. Menos de um ano depois que foi reaberto, o Global Metals avançadas anunciou que, devido ao novo "... suavizando a demanda de tântalo ...", e outros fatores, as operações de mineração de tântalo deviam cessar no final de fevereiro de 2012. Wodgina produz uma tântalo primário concentrar-se que é ainda mais atualizado na operação Greenbushes antes de serem vendidos aos clientes. Considerando que os grandes produtores de nióbio estão em Brasil e Canadá , o minério lá também produz uma pequena percentagem de tântalo. Alguns outros países, como China , Etiópia e Moçambique minérios de minas com uma maior percentagem de tântalo, e que produzem uma percentagem significativa da produção do mundo dele. Tântalo também é produzido na Tailândia e Malásia como um subproduto do estanho mineração lá. Durante a separação gravitacional dos minérios de depósitos placer, não só é Cassiterita (SnO ₂₎ encontrou, mas uma pequena porcentagem de tantalite também incluídas. A escória de estanho, em seguida, as fundições contém quantidades economicamente úteis de tântalo, que é lixiviado a partir da escória. Futuras fontes de fornecimento de tântalo, por ordem de tamanho estimado, estão sendo exploradas em Arábia Saudita , Egito , Groenlândia , China , Moçambique , Canadá , Austrália , o Estados Unidos , Finlândia e Brasil .

Coltan, o nome de um industrial columbite- tantalite mineral a partir do qual columbium (ou seja, de nióbio) e tântalo são extraídos, também podem ser encontradas em África Central , razão pela qual tântalo está sendo ligada à guerra na República Democrática do Congo (ex- Zaire). De acordo com um 23 de outubro de 2003 das Nações Unidas relatório, o contrabando e exportação de coltan ajudou a alimentar a guerra no Congo, uma crise que resultou em cerca de 5,4 milhões de mortes desde 1998 - tornando-o mais mortífero conflito documentado do mundo desde a Segunda Guerra Mundial . Questões éticas têm sido levantadas sobre o comportamento responsável das empresas, os direitos humanos, e pondo em risco a vida selvagem, devido à exploração de recursos, como coltan nas regiões de conflito armado da Bacia do Congo. No entanto, embora importante para a economia local no Congo, a contribuição da mineração de coltan no Congo para a oferta mundial de tântalo é geralmente pequeno. O United States Geological Survey relata em seu anuário que esta região produziu um pouco menos de 1% da produção de tântalo do mundo em 2002-2006, chegando a 10% em 2000 e 2008.

Estima-se que há menos de 50 anos deixou de recursos tântalo, com base na extração nas taxas atuais, demonstrando a necessidade de aumentar a reciclagem .

Produção e fabricação

Vários passos estão envolvidos na extração de tântalo de tantalite. Em primeiro lugar, o mineral é esmagado e concentrada por separação por gravidade. Esta é geralmente realizada perto da mina local. O processamento adicional por separação química é geralmente realizado por tratamento dos minérios com uma mistura de ácido fluorídrico e ácido sulfúrico em mais de 90 ° C. Estes reagentes dissolver os de tântalo e nióbio para dar óxidos fluoretos complexos, que podem ser separados uns impurezas e do outro:

Ta ₂ O ₅ + 14 HF → 2H ₂ [TaF _7] + 5 _H2O

Nb ₂ O ₅ + 10 HF → 2H ₂ [NbOF _5] + 3 _H2O

A primeira separação em escala industrial, desenvolvido pela de Marignac, utilizada a diferença em solubilidade entre os nióbio e tântalo fluoretos complexos K ₂ [NbOF _5] • _H2O (oxypentafluoroniobate de potássio mono-hidrato) e K ₂ [TaF _7] ( heptafluorotantalate de potássio) em água. Processos mais recentes utilizam o líquido de extracção a partir dos fluoretos solução aquosa de solventes orgânicos , tais como ciclohexanona. Os nióbio e tântalo fluoretos complexos são extraídos separadamente do solvente orgânico com água, e seja precipitado pela adição de fluoreto de potássio para produzir um complexo de fluoreto de potássio, ou precipitado com amónia como o pentóxido:

H ₂ [TaF _7] 2 + KF → K ₂ [TaF _7] ↓ 2 + HF

2 H ₂ [TaF _7] + 14 _NH4OH → Ta ₂ O ₅ ↓ + 14 NH ₄ F + 9 _H2O

O purificada K ₂ [TaF _7] é geralmente tratada por redução com fundido de sódio para produzir um pó de tântalo grosseiro.

Em termos de fabrico, todos soldadura de tântalo deve ser feito em uma atmosfera inerte de árgon ou hélio , a fim de protegê-lo de contaminação com gases atmosféricos. Tântalo não é solderable. Moagem de tântalo é difícil, especialmente para tântalo recozido. Na condição recozido, tântalo é extremamente dúcteis e podem ser prontamente formados como chapas de metal.

Aplicações

Eletrônica

Tântalo capacitor eletrolítico

A principal utilização de tântalo, como o metal em pó, é na produção de componentes electrónicos, principalmente condensadores e alguns de alta potência resistências. Tântalo capacitores eletrolíticos explorar a tendência de tântalo para formar um protector camada de superfície de óxido, utilizando o pó de tântalo, comprimidos numa forma de pelotas, como um "prato" do condensador, o óxido sob a dieléctrica, e uma solução electrolítica sólida condutora ou como outro "placa". Porque a camada dieléctrica pode ser muito fina (mais fina do que a camada similar em, por exemplo, um condensador de electrólito de alumínio), uma alta capacitância pode ser alcançada em um pequeno volume. Devido ao tamanho e peso vantagens, condensadores de tântalo são atraentes para telefones portáteis, computadores pessoais , e eletrônica automotiva.

Alloys

O tântalo é também utilizado para produzir uma variedade de ligas que têm pontos de fusão elevados, são fortes e têm boa ductilidade. Misturado com outros metais, que também é utilizado na fabricação de ferramentas de metal duro e de equipamento de trabalho de metais na produção de superligas para componentes de motores a jato, equipamentos de processo químico, reatores nucleares, e peças de mísseis. Por causa da sua ductilidade, tântalo pode ser transformado em fios ou filamentos finos, que são utilizados para a evaporação de metais tais como alumínio . Desde que resiste ao ataque de fluidos do corpo e é não irritante, tântalo é amplamente utilizado na fabricação de instrumentos cirúrgicos e implantes. Por exemplo, os revestimentos porosos de tântalo são usados na construção de implantes ortopédicos devido à capacidade de tântalo para formar uma ligação directa ao tecido duro.

O tântalo é inerte contra a maioria dos ácidos, excepto ácido fluorídrico e quente ácido sulfúrico , também quente soluções alcalinas causar tântalo a corroer. Esta propriedade faz com que seja um metal ideal para recipientes de reacção químicos e tubos para líquidos corrosivos. Permuta de calor bobinas para o aquecimento a vapor de ácido clorídrico são feitas de tântalo. Tântalo foi extensivamente usado na produção de frequências ultra-elevadas tubos de elétrons para transmissores de rádio. O tântalo é capaz de captar oxigénio e azoto, através da formação de nitretos e óxidos e, por conseguinte, ajuda a manter o vácuo elevado necessário para os tubos.

Outros usos

O ponto de fusão elevado e resistência à oxidação de chumbo para a utilização do metal na produção de Peças de forno a vácuo. O tântalo é extremamente inerte e, portanto, é formado numa variedade de corrosão resistentes partes, tais como as bainhas, corpos de válvula, e fixadores de tântalo. Devido à sua elevada densidade, carga moldada e explosivamente forros penetradores formados foram construídos a partir de tântalo. Tântalo aumenta consideravelmente as capacidades de penetração de armadura em forma de uma taxa, devido à sua alta densidade e alto ponto de fusão. Ele também é usado ocasionalmente no preciosos relógios , por exemplo a partir de Audemars Piguet, Hublot, Montblanc, Omega, e Panerai. O tântalo é também altamente bio-inerte e é utilizado como um material de implante ortopédico. A elasticidade de tântalo torna um ótimo material para substituição da anca para evitar blindagem stress. O óxido é utilizado para fazer especial de alta índice de refração de vidro para lentes da câmera.

Precauções

Compostos contendo tântalo são raramente encontrados no laboratório. O metal é altamente biocompatível e é usada para o corpo implantes e revestimentos, por conseguinte, a atenção pode ser focado em outros elementos ou a natureza física do composto químico . Um único estudo é a única referência na literatura ligando para locais de tântalo sarcomas. O estudo foi citado em IARC Monografia vol. 74 que inclui o seguinte "Aviso ao leitor": "A inclusão de um agente no Monografias não implica que é um carcinogéneo, só que os dados publicados foram examinados. "