Тантал

С Википедије, слободне енциклопедије
Уколико сте тражили појам из грчке митологије, погледајте чланак Тантал (митологија).
Тантал
Tantalum single crystal and 1cm3 cube.jpg
Општа својства
Име, симболтантал, Ta
Изгледсиво плав
У периодном систему
Водоник Хелијум
Литијум Берилијум Бор Угљеник Азот Кисеоник Флуор Неон
Натријум Магнезијум Алуминијум Силицијум Фосфор Сумпор Хлор Аргон
Калијум Калцијум Скандијум Титанијум Ванадијум Хром Манган Гвожђе Кобалт Никл Бакар Цинк Галијум Германијум Арсен Селен Бром Криптон
Рубидијум Стронцијум Итријум Цирконијум Ниобијум Молибден Технецијум Рутенијум Родијум Паладијум Сребро Кадмијум Индијум Калај Антимон Телур Јод Ксенон
Цезијум Баријум Лантан Церијум Празеодијум Неодијум Прометијум Самаријум Европијум Гадолинијум Тербијум Диспрозијум Холмијум Ербијум Тулијум Итербијум Лутецијум Хафнијум Тантал Волфрам Ренијум Осмијум Иридијум Платина Злато Жива Талијум Олово Бизмут Полонијум Астат Радон
Францијум Радијум Актинијум Торијум Протактинијум Уранијум Нептунијум Плутонијум Америцијум Киријум Берклијум Калифорнијум Ајнштајнијум Фермијум Мендељевијум Нобелијум Лоренцијум Радерфордијум Дубнијум Сиборгијум Боријум Хасијум Мајтнеријум Дармштатијум Рендгенијум Коперницијум Нихонијум Флеровијум Московијум Ливерморијум Тенесин Оганесон
Nb

Ta

Db
хафнијумтанталволфрам
Атомски број (Z)73
Група, периодагрупа 5, периода 6
Блокd-блок
Рел. ат. маса (Ar)180,94788(2)[1]
Ел. конфигурација
по љускама
2, 8, 18, 32, 11, 2
Физичка својства
Тачка топљења3290 K ​(3017 °‍C, ​5463 °F)
Тачка кључања5731 K ​(5458 °‍C, ​9856 °F)
Густина при с.т.16,69 g/cm3
течно ст., на т.т.15 g/cm3
Топлота фузије36,57 kJ/mol
Топлота испаравања753 kJ/mol
Мол. топл. капацитет25,36 J/(mol·K)
Напон паре
P (Pa) 100 101 102
на T (K) 3297 3597 3957
P (Pa) 103 104 105
на T (K) 4395 4939 5634
Атомска својства
Електронегативност1,5
Енергије јонизације1: 761 kJ/mol
2: 1500 kJ/mol
Атомски радијус146 pm
Ковалентни радијус170±8 pm
Линије боје у спектралном распону
Остало
Кристална структураунутрашњецентр. кубична (BCC)[2]
Body-centered cubic кристална структура за тантал

α-Ta
тетрагонална[2]
Tetragonal кристална структура за тантал

β-Ta
Брзина звука танак штап3400 m/s (на 20 °‍C)
Топл. ширење6,3 µm/(m·K) (на 25 °‍C)
Топл. водљивост57,5 W/(m·K)
Електрична отпорност131 nΩ·m (на 20 °‍C)
Магнетни распоредпарамагнетичан[3]
Магнетна сусцептибилност (χmol)+154,0·10−6 cm3/mol (293 K)[4]
Јангов модул186 GPa
Модул смицања69 GPa
Модул стишљивости200 GPa
Поасонов коефицијент0,34
Мосова тврдоћа6,5
Викерсова тврдоћа870–1200 MPa
Бринелова тврдоћа440–3430 MPa
CAS број7440-25-7
Историја
ОткрићеАндреас Густав Екеберг (1802)
Препознао га је као засебан елементХајнрих Розе (1844)
Главни изотопи
изо РА полуживот (t1/2) ТР ПР
177Ta syn 56,56 h ε 177Hf
178Ta syn 2,36 h ε 178Hf
179Ta syn 1,82 y ε 179Hf
180Ta syn 8,125 h ε 180Hf
β 180W
180mTa 0,012% стабилни
181Ta 99,988% стабилни
182Ta syn 114,43 d β 182W
183Ta syn 5,1 d β 183W
референцеВикиподаци

Тантал (Ta, лат. tantalium) прелазни је метал VB групе са атомским бројем 73.[5][6] Име је добио по личности из грчке митологијеТанталу.[7] Тантал је ретки, тврди, плаво-сиви, сјајни прелазни метал, изразито отпоран на корозију. Спада у групу ватросталних метала, који су доста кориштени као споредне компоненте у легурама. Хемијска инертност тантала чини га врло вредном супстанцом за израду лабораторијске опреме као и замену за платину. Данас се овај метал користи за танталске кондензаторе у електронској опреми као што су мобители, ДВД уређаји, системи видео-игара и рачунара. Тантал, увек као пратња хемијски сличног елемента ниобијума, јавља се у минералима танталиту, колумбиту као и колтану (мешавини колумбита и танталита).

Историја[уреди | уреди извор]

Тантал је открио Андерс Екеберг у Шведској 1802. године.[8][9] Годину раније, Чарлс Хачет је открио елемент колумбијум.[10] Године 1809. енглески хемичар Вилијам Хајд Воластон упоредио је оксиде изведене из оба елемента, колумбијума (колумбит) са густином од 5,918 g/cm3, те тантала (танталит) чија густина износи 7,935 g/cm3. Закључио је да су та два оксида, и поред разлика у измереној густина, била иста. Одлучио је да задржи назив тантал за тај елемент.[11] Након што је Фридрих Велер потврдио Воластонова мерења, тадашњи научници су закључили да су колумбијум и тантал заправо исти хемијски елемент. Међутим, овај закључак је 1846. оповргнуо немачки хемичар Хајнрих Росе, који је тврдио да у узорку танталита има два елемента. Дао им је имена по деци митолошког Тантала: ниобијум (према Ниоби, божици суза) и пелопијум (према Пелопу).[12][13] Касније је претпостављени елемент „пелопијум” идентификован као мешавина тантала и ниобијум, а доказано је да је ниобијум заправо колумбијум којег је већ 1801. открио Хачет.

Тек 1864. Христијан Вилхелм Бломстранд[14] и Анри Атјен Сент-Клер Девил су недвосмислено доказали да постоје разлике између тантала и ниобијума, што је такође утврдио и Луј Ж. Труст, који је 1865. одредио емпиријске формуле за неке од њихових једињења.[14][15] Каснија потврда дошла је 1866. од швајцарског хемичара Жан Шарла Галисар де Маригњака,[16] који је такође доказао да се ради о само два елемента. Међутим, ова открића нису зауставила неке научнике које су све до 1871. објављивали чланке о такозваном илменијуму.[17] Де Маригњак је први добио метални облик тантала 1864. када је редуковао тантал-хлорид загрејавајући га у атмосфери водоника.[18] Први истраживачи су успевали да добију само нечисти тантал, а први релативно чисти дуктилни метал добио је Вернер фон Болтон 1903. у Шарлотенбургу (Берлин). Све док га није заменио волфрам, жице начињене од металног тантала су се користиле као филаменти за сијалице.[19]

Назив за елемент тантал изведен је из истоименог митолошког бића, оца Ниобе из грчке митологије. У предању стоји да је он након смрти кажњен да стоји у води до кољена а изнад главе му расте прекрасно воће, а обоје га вечито мучи. (Ако се сагне да пије воду, она се повуће испод нивоа до којег он може досегнути, а ако покуша убрати воће, гране се подигну изнад његовог досега).[20] Екеберг је написао „Овај метал којег називам тантал... делимично као алузију на немогућност метала да, када је уроњен у киселину, не апсорбира је и постане засићена”.[21]

Деценијама, комерцијална технологија за раздвајање тантала од ниобијума укључивала је фракцијску кристализацију калијум хептафлуоротанталата из калијум оксипентафлуорниобат монохидрата. Тај процес је развио де Маригњак 1866. године. Ова метода је превазиђена а данас се користи издвајање (екстракција) растварача из раствора тантала који садрже флуориде.[15]

Особине[уреди | уреди извор]

Физичке[уреди | уреди извор]

Тантал је тамни (плаво-сиви),[22] густи, дуктилни, веома тврди метал, лако обрадив и изузетно добро проводи топлоту и електричну струју. Метал је познат по својој отпорности на корозију помоћу киселина; заправо на температурама испод 150°C, тантал је готово у потпуности „имун” на напад, обично врло агресивне, царске воде. Може се растварати у флуороводичној киселини или киселим растворима који садрже флуоридни јон и сумпор-триоксид, као и у растворима калијум хидроксида. Висока тачка топљења тантала од 3017°C (тачка кључања 5458°C) премашује већину елемената осим волфрама, ренијума, осмијума (код метала) и угљеника.

Овај метал постоји у две кристалне фазе: алфа и бета. Алфа фаза је релативно дуктилнија и мекша; има просторно-центрирану кубичну структуру (просторна група, Im3m, константа решетке a = 0,33058 nm), тврдоћу по Кнупу 200 до 400 HN а специфични електрични отпор 15–60 µΩּcm. Бета фаза је тврђа и крхкија; њена кристална симетрија је тетрагонална (просторна група P42/mnm, константе решетке a = 1,0194 nm и c = 0,5313 nm), тврдоћу по Кнупу 1000 до 1300 HN и релативно велики специфични електрични отпор од 170 до 210 µΩּcm. Међутим, бета фаза је метастабилна те прелази у алфа фазу након загрејавања на 750–775°C. Тантал у већим комадима готово у потпуности се састоји из алфа фазе, док се бета фаза појављује обично у виду танких слојева добијених процесима катодног распршавања (енгл. sputtering), хемијске диспозиције паром (CVD) или електрохемијском диспозицијом из еутектичних раствора истопљених соли.[23]

Хемијске[уреди | уреди извор]

Тантал гради оксиде у којима је у оксидационим стањима +5 (Ta2O5) и +4 (TaO2).[24] Најстабилније оксидационо стање тантала је +5, као што је то случај код тантал-пентоксида.[24] Ово једињење је почетни материјал за добијање неколико других једињења тантала. Једињења се добијају растварањем пентоксида у базним хидроксидним растворима или њиховим растарањем са другим металним оксидима. Неки од примера су литијум-танталат (LiTaO3) и лантан-танталат (LaTaO4). Код литијум-танталата, не јавља се танталатни јон TaO
3
, уместо њега овај део формуле се представља везама октаедралног TaO7−
6
који гради тродимензионални оквир перовскита, док лантан-танталат садржио усамљене тетраедарске TaO3−
4
групе.[24]

Флуориди тантала се могу искористити за њихово одвајање од ниобијума.[25] Тантал гради халогена једињења у оксидационим стањима +5, +4 и +3 типа TaX
5
, TaX
4
и TaX
3
, мада су познати и вишејезгрени комплекси и субстехиометријска једињењапојеви.[24][26] Тантал-пентафлуорид (TaF5) јесте бела супстанца чија је тачка топљења 97,0°C док је тантал-пентахлорид (TaCl5) такође бео, али с тачком топљења од 247,4°C. Тантал-пентахлорид се хидролизује водом и реагује с додатним танталом при повишеним температурама дајући црни и веома хигроскопни тантал-тетрахлорид (TaCl4). И док се трихалиди могу добити редукцијом пентахалида с водоником, дихалиди уопште не постоје.[24] Легуре тантала и телур граде квазикристале.[24] Године 2008. су откривена једињења тантала чија оксидациона стања се крећу и до -1.[27]

Као што је то случај и код већине других ватросталних метала, најтврђа позната једињења тантала су његови стабилни нитриди и карбиди. Тантал-карбид, Tac, као и много више кориштени волфрам-карбид, је веома тврди керамички материјал, кориштен такође за израду алата за сечење. Тантал(III)-нитрид се користи као танки филм-изолатор у неким процесима производње микроелектронских компоненти.[28] Хемичари при Националној лабораторији у Лос Аламосу, САД, развили су композитни материјал од тантал-карбида и графита, који је прозван најтврђим материјалом икад синтетисаним. Корејски истраживачи развили су аморфну легуру од тантала, волфрама и бакра, која је много флексибилнија и два до три пута јача од обичних челичних легура.[29] Постоји и два тантал-алуминида: TaAl3 и Ta3Al. Они су врло стабилни, ватростални и рефлективни, а постоји идеја[30] о њиховој употреби као огледала за инфрацрвене таласе.

Изотопи[уреди | уреди извор]

Тантал у природи се састоји из два изотопа: 180mTa (са уделом од 0,012%) и 181Ta (99,988%). Изотоп 181Ta је стабилан. За изотоп 180mTa (m означава метастабилно стање) се претпоставља да се распада на три начина: изомерском транзицијом на основно стање 180Ta, бета распадом на 180W или захватом електрона на 180Hf. Међутим, радиоактивност овог нуклеарног изомера никад није потврђена нити измерена, а постављена је само доња граница његовог времена полураспада од 2,0 × 1016 година.[31]

Основно стање изотопа 180Ta има време полураспада од само 8 сати. 180mTa је једини нуклеарни изомер који се јавља у природи (не рачунајући радиогенске и космогенске краткоживе нуклиде). Такође је и најређи изотоп у свемиру, ако се рачуна елементарна распрострањеност тантала и изомерски удео 180mTa у природној смеси изотопа (ни овде се не рачунају радиогенски и космогенски краткоживи нуклиди).[32] Тантал се теоретски проучавао као материјал за радиоактивну атомску „прљаву бомбу” (иако је кобалт много познатији материјал за ту хипотетску намјену). У таквој бомби спољна љуска направљена од 181Ta би била изложена интензивној радијацији високоенергетског неутронског тока из хипотетске експлозије нуклеарне бомбе. На тај начин тантал би прешао (трансмутирао) у радиоактивни изотоп 182Ta, чије време полураспада износи 114,4 дана производећи гама-зраке са отприлике 1,12 MeV (милиона електрон-волти) енергије по атому, што би знатно повећало радиоактивност нуклеарног отпада насталог после експлозије током неколико месеци. Такве "прљаве" бомбе никад нису направљене нити тестиране, барем у мери да није јавно објављено, а засигурно никад нису кориштене као оружје.[33]

Тантал се може употребљавати као материјал за мете за снопове убрзаних протона, који се користе за добијање разних краткоживућих изотопа попут 8Li, 80Rb и 160Yb.[34]

Референце[уреди | уреди извор]

  1. ^ Meija, J.; et al. (2016). „Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265—291. doi:10.1515/pac-2015-0305. 
  2. ^ а б Moseley, P. T.; Seabrook, C. J. (1973). „The crystal structure of β-tantalum”. Acta Crystallographica Section B Structural Crystallography and Crystal Chemistry. 29 (5): 1170—1171. doi:10.1107/S0567740873004140. 
  3. ^ Lide, D. R., ур. (2005). „Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds”. CRC Handbook of Chemistry and Physics (PDF) (86th изд.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5. 
  4. ^ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. стр. E110. ISBN 0-8493-0464-4. 
  5. ^ Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga. 
  6. ^ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. изд.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6. 
  7. ^ Euripid, Orest
  8. ^ Anders Ekeberg (1802). „Of the Properties of the Earth Yttria, compared with those of Glucine; of Fossils, in which the firts of these Earths in contained; and of the Discovery of a metallic Nature (Tantalium)”. Journal of Natural Philosophy, Chemistry, and the Arts. 3: 251—255. 
  9. ^ Anders Ekeberg (1802). „Uplysning om Ytterjorden egenskaper, i synnerhet i aemforelse med Berylljorden:om de Fossilier, havari förstnemnde jord innehales, samt om en ny uptäckt kropp af metallik natur”. Kungliga Svenska vetenskapsakademiens handlingar. 23: 68—83. 
  10. ^ William P. Griffith; Morris, Peter J. T. (2003). „Charles Hatchett FRS (1765–1847), Chemist and Discoverer of Niobium”. Notes and Records of the Royal Society of London. 57 (3): 299. JSTOR 3557720. doi:10.1098/rsnr.2003.0216. 
  11. ^ William Hyde Wollaston (1809). „On the Identity of Columbium and Tantalum”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 99: 246—252. JSTOR 107264. doi:10.1098/rstl.1809.0017. 
  12. ^ Heinrich Rose (1844). „Ueber die Zusammensetzung der Tantalite und ein im Tantalite von Baiern enthaltenes neues Metall”. Annalen der Physik (на језику: немачки). 139 (10): 317—341. Bibcode:1844AnP...139..317R. doi:10.1002/andp.18441391006. 
  13. ^ Heinrich Rose (1847). „Ueber die Säure im Columbit von Nordamérika”. Annalen der Physik (на језику: немачки). 146 (4): 572—577. Bibcode:1847AnP...146..572R. doi:10.1002/andp.18471460410. 
  14. ^ а б Marignac, Blomstrand; H. Deville; L. Troost; R. Hermann (1866). „Tantalsäure, Niobsäure, (Ilmensäure) und Titansäure”. Fresenius' Journal of Analytical Chemistry. 5 (1): 384—389. doi:10.1007/BF01302537. 
  15. ^ а б C. K. Gupta; Suri, A. K. (1994). Extractive Metallurgy of Niobium. CRC Press. ISBN 0-8493-6071-4. 
  16. ^ M. C. Marignac (1866). „Recherches sur les combinaisons du niobium”. Annales de chimie et de physique (на језику: француски). 4 (8): 7—75. 
  17. ^ R. Hermann (1871). „Fortgesetzte Untersuchungen über die Verbindungen von Ilmenium und Niobium, sowie über die Zusammensetzung der Niobmineralien (Further research about the compounds of ilmenium and niobium, as well as the composition of niobium minerals)”. Journal für Praktische Chemie (на језику: немачки). 3 (1): 373—427. doi:10.1002/prac.18710030137. 
  18. ^ „Niobium”. Universidade de Coimbra. Архивирано из оригинала на датум 10. 12. 2007. Приступљено 28. 9. 2016. 
  19. ^ Bowers, B. (2001). „Scanning Our Past from London The Filament Lamp and New Materials”. Proceedings of the IEEE. 89 (3): 413. doi:10.1109/5.915382. 
  20. ^ Sule Aycan (2005). „Chemistry Education and Mythology”. Journal of Social Sciences. 1 (4): 238—239. doi:10.3844/jssp.2005.238.239. 
  21. ^ N. N. Greenwood; A. Earnshaw (1988). Chemie der Elemente (1 изд.). Weinheim: VCH. стр. 1260. ISBN 3-527-26169-9. 
  22. ^ Colakis, Marianthe; Masello, Mary Joan (30. 6. 2007). „Tantalum”. Classical Mythology & More: A Reader Workbook. ISBN 978-0-86516-573-1. 
  23. ^ Lee S; et al. (2004). „Texture, structure and phase transformation in sputter beta tantalum coating”. Surface and Coatings Technology. 177–178: 44. doi:10.1016/j.surfcoat.2003.06.008. 
  24. ^ а б в г д ђ Holleman, A. F.; Wiberg, E.; Wiberg, N. (2007). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (102. изд.). de Gruyter. ISBN 978-3-11-017770-1. 
  25. ^ Donald J. Soisson; McLafferty, J. J.; Pierret, James A. (1961). „Staff-Industry Collaborative Report: Tantalum and Niobium”. Ind. Eng. Chem. 53 (11): 861—868. doi:10.1021/ie50623a016. 
  26. ^ Anatoly Agulyansky (2004). The Chemistry of Tantalum and Niobium Fluoride Compounds. Elsevier. ISBN 978-0-444-51604-6. Приступљено 30. 9. 2016. 
  27. ^ Morse, P. M.; Shelby, Q. D.; Kim, D. Y.; Girolami, G. S. (2008). „Ethylene Complexes of the Early Transition Metals: Crystal Structures of [HfEt
    4
    (C
    2
    H
    4
    )2−
    ]
    and the Negative-Oxidation-State Species [TaHEt(C
    2
    H
    4
    )3−
    3
    ]
    and [WH(C
    2
    H
    4
    )3−
    4
    ]
    ”. Organometallics. 27 (5): 984. doi:10.1021/om701189e.
     
  28. ^ S. Tsukimoto; Moriyama, M.; Murakami, Masanori (1961). „Microstructure of amorphous tantalum nitride thin films”. Thin Solid Films. 460 (1–2): 222—226. Bibcode:2004TSF...460..222T. doi:10.1016/j.tsf.2004.01.073. 
  29. ^ TV Arirang (6. 5. 2005). „Researchers Develop New Alloy”. Digital Chosunilbo (engl. izdanje): Daily News in English About Korea. Архивирано из оригинала на датум 28. 3. 2008. Приступљено 22. 12. 2008. 
  30. ^ Braun, Hilarion "Substance for front surface mirror"; SAD patent br. 5923464, izdan 13. jula 1999.
  31. ^ Hult Mikael; Wieslander J.S. Elisabeth; et al. „Search for the radioactivity of 180mTa using an underground HPGe sandwich spectrometer”. Приступљено 1. 10. 2016. 
  32. ^ Audi Georges; Bersillon O.; Blachot J.; Wapstra A.H. (2003). „The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties”. Nuclear Physics A. Atomic Mass Data Center. 729: 3—128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. 
  33. ^ Win David Tin; Al Masum Mohammed (2003). „Weapons of Mass Destruction” (PDF). Assumption University Journal of Technology. 6 (4): 199—219. 
  34. ^ Yields For Tantalum Targets, pristupljeno 1. 10. 2016.

Спољашње везе[уреди | уреди извор]