Периодическая система элементов Менделеева - Тантал
| Ta | 73 | Тантал |
|||||||
| to кип. (oС) | 5425 | Степ.окис. | +5 (+2 +3 +4) | ||||||
| 180,9479 | to плав.(oС) | 3010 | Плотность | 16600 | |||||
| 5d36s2 | ОЭО | 1,33 | в зем. коре | 0,00025 % | |||||
Однажды фригийский царь Тантал - любимый сын Зевса, желая потрясти приглашенных к нему на пиршество богов, подал к столу мясо собственного сына Пелопса. Разгневанные этой жестокостью боги решили обречь 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 от его губ. Стоит ему протянуть руку к сочным плодам, ветер поднимает ветвь, и обессилевший от голода грешник не может ее достать. А над его головой нависла скала, грозя вот-вот обрушиться.
Так мифы древней Греции повествуют о «муках Тантала».
Должно быть, не раз пришлось шведскому химику Андерсу Экебергу вспомнить о мучениях этого мифологического страдальца, когда он безуспешно пытался растворить в кислотах окисел открытого им в 1802 году элемента. Столько раз, казалось, ученый был близок к цели, но выделить новый металл в чистом виде ему так и не удалось. В конце концов он вынужден был отказаться от этой затеи, но, видимо, в память о своих мучениях решил назвать новичка «танталом».
Спустя некоторое время выяснилось, что у тантала есть близнец, который, правда, появился на свет годом раньше, но почти не отличался от него по свойствам. Этим близнецом был Колумбии, открытый в 1801 году англичанином Чарльзом Гатчетом. Столь поразительное сходство ввело в заблуждение многих химиков. После долгих споров они пришли к ошибочному выводу, что речь идет об одном и том же элементе — тантале.
Заблуждаться ученым суждено было более сорока лет. Лишь в 1844 году немецкому химику Генриху Розе удалось внести ясность в этот запутанный вопрос и доказать, что Колумбии, как и тантал, имеет полное право претендовать на индивидуальное место под Солнцем. А уж поскольку налицо были родственные связи этих элементов, Розе дал Колумбию новое имя - «ниобий», которое подчеркивало их семейственность (мифологическая богиня Ниоба—дочь Тантала).
С тех пор тантал и ниобий шагают рука об руку по жизненному пути. А путь этот был тернистым...
На протяжении многих десятилетий промышленный мир не проявлял к танталу никакого интереса. Да, собственно говоря, тантала, как такового, попросту и не существовало: ведь в чистом компактном виде тантал удалось получить лишь после того, как он отпраздновал столетие со дня своего рождения. Это произошло в самом начале нашего века - в 1903 году. И тогда же, т. е. на 101-м году жизни, он получил наконец приглашение на работу:
узнав, что этот металл обладает весьма тугоплавким «характером», ученые решили использовать его для нитей электроламп. Не имея других предложений, тантал вынужден был дать согласие, хотя чувствовал, что это не его признание.
И, действительно, суровые законы конкурентной борьбы, царящие в мире металлов, вскоре лишили тантал работы. На его место был взят другой металл - вольфрам, который оказался еще более тугоплавким, а потому и более счастливым.
Снова потянулись годы вынужденного безделья. На «бирже труда» котировались лишь те металлы, которые либо были давно известны, либо успели представить свои отличные характеристики, заверенные физиками, химиками и другими учеными. Тантал в то время имел мало знакомств в мире науки и техники и вынужден был сидеть «сложа руки». Но удача все же пришла: в 1922 году он был успешно применен в выпрямителях тока, а спустя год - в радиолампах. Тогда же началась разработка промышленных методов получения этого металла.
Любопытно, что первый промышленный штабик тантала (полуфабрикат, подвергаемый дальнейшей обработке), который был получен в 1922 году, не превышал по величине спичечную головку. В последнее время на танталовых заводах рождаются штабики иногда в 1000 раз крупнее «первенца».
Земная кора содержит лишь 0,0002% тантала, однако природа сравнительно богата его минералами - их насчитывается более 130 (как правило, тантал в этих минералах неразлучен с ниобием). Наиболее важное сырье для получения тантала - танталит и колумбит. Большие месторождения их имеются в Африке и Южной Америке.
Если до второй мировой войны ежегодная добыча тантало-ниобиевых руд составляла всего 600—900 тонн, то уже к 1944 году она возросла в несколько раз. Только в США за период с 1940 по 1944 год производство тантала увеличилось в 12 раз. Повышенный интерес к танталу объясняется просто: уже тогда науке стали известны многие его ценные свойства, которые не могли оставить равнодушными представителей самых различных областей техники.
Тантал - светло-серый металл со слегка синеватым оттенком. По тугоплавкости (температура плавления около 3000°С) он уступает лишь вольфраму и рению. Высокая прочность и твердость сочетаются в нем с отличными пластическими характеристиками. Чистый тантал хорошо поддается различной механической обработке, легко штампуется, перерабатывается в тончайшие листы (толщиной около 0,04 миллиметра) и проволоку.
Но, несомненно, самым важным свойством тантала является исключительная химическая стойкость - в этом отношении он уступает только благородным металлам, да и то не во всех случаях. Тантал не растворяется даже в таких известных химических «агрессорах», как «царская водка» и концентрированная азотная кислота. При 200°С в 70%-ной азотной кислоте тантал вовсе не подвергается коррозии; в серной кислоте при 150°С коррозии также не наблюдается, а при 200°С металл корродирует лишь на 0,006 миллиметра в год. Это делает тантал ценным конструкционным материалом для химической промышленности.
Танталовую аппаратуру применяют при производстве многих кислот (соляной, серной, азотной, фосфорной, уксусной), перекиси водорода, брома, хлора. На одном из предприятий, использующих газообразный хлористый водород, детали из нержавеющей стали выходили из строя уже через 2 месяца. Но как только сталь была заменена танталом, даже самые тонкие детали (толщиной 0,3—0,5 миллиметра) оказались практически вечными: срок службы их увеличился до 20 лет. Лишь плавиковая кислота вправе утверждать, что перед ней пасует сам тантал.
Танталовые катоды применяют при электролитическом выделении золота и серебра. Достоинство этих катодов - в том, что осадок золота и серебра растворяется «царской водкой», которая не может причинить вреда танталу.
Уникальное качество тантала - его высокая биологическая совместимость с живыми тканями, т. е. способность сживаться с тканями тела, не вызывая их раздражения. На этом свойстве основано широкое применение его 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 создано искусственное ухо, причем пересаженная с бедра кожа при этом настолько хорошо прижилась, что ухо трудно было отличить от настоящего. Танталовая пряжа служит для возмещения мускульной ткани. С помощью тантала хирурги укрепляют после операции стенки брюшной полости. Танталовые скрепки, подобные тем, которыми сшивают тетради, надежно соединяют кровеносные сосуды. Сетки из тантала применяют при изготовлении глазных протезов. Тончайшие нити этого металла заменяют сухожилия и даже нервные волокна. И если выражение «железные нервы» обычно употребляется в переносном смысле, то людей с танталовыми нервами вы, быть может, не раз встречали на улице.
Швейцарские врачи считают, что тантал может с успехом служить своеобразным индикатором при рентгенографическом анализе бронхов и легких человека. Безвредная для организма танталовая пыль при вдыхании проникает в мельчайшие ответвления бронхов, но не задерживается там: ее удаляют оттуда «реснички», имеющиеся на здоровых клетках. Больные же клетки не в силах очистить себя от танталовой пыли, и она «маркирует» эти участки на рентгеновском снимке, помогая тем самым врачу поставить точный диагноз заболевания.
Медицина хотя и не самая важная, но, пожалуй, самая благородная «профессия» тантала. Право, есть что-то символическое в том, что именно на долю металла, названного в честь мифологического мученика, выпала гуманная миссия — облегчать людские страдания и муки.
На медицинские нужды расходуется лишь 5% производимого в мире тантала; около 20% потребляет химическая промышленность. Основной же заказ на этот металл и его соединения (более 45%) поступает от металлургов. В последние годы тантал все чаще используют в качестве легирующего элемента в специальных сталях - сверхпрочных, коррозионностойких, жаропрочных. Действие, оказываемое на сталь танталом, сходно с влиянием ниобия. Добавка этих металлов к обычным коррозионно-стойким хромистым сталям повышает их прочность, понижает хрупкость после закалки и отжига.
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. Листы из такого сплава можно применять до 2500°С, а более массивные детали выдерживают чудовищные температуры-- выше 3300°С! За рубежом этот сплав считают вполне надежным для изготовления форсунок, выхлопных труб, деталей систем газового контроля и регулирования, передней кромки 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 более поразительной становится жаропрочность деталей из танталовольфрамового сплава, если на них нанесено покрытие -слой карбида тантала (температура плавления 4000°С). При опытных запусках ракет такие сопла выдерживали колоссальные температуры, при которых сплав без покрытия довольно быстро корродирует и разрушается.
Карбид тантала отличается и очень высокой твердостью (близкой к твердости алмаза), благодаря которой он широко применяется в производстве твердых сплавов. При скоростном резании металл настолько разогревается, что стружка приваривается к режущему инструменту - кромка его выкрашивается, ломается. Резцам, изготовленным из твердых сплавов на основе карбида тантала, выкрашивание не грозит, и они служат весьма продолжительный срок.
Многие записи в «трудовой книжке» тантала свидетельствуют о его тесных связях с электрическим током: приблизительно четвертая часть мирового производства этого металла потребляется электротехнической и электровакуумной промышленностью. Танталовые выпрямители применяют в сигнальной службе железных дорог, телефонных коммутаторах, противопожарных сигнальных системах. Миниатюрные танталовые конденсаторы используют в передаточных радиостанциях, радарных установках и других электронных схемах.
Тантал служит материалом для различных деталей электровакуумных приборов. Как и ниобий, он является отличным геттером, т. е. газопоглотителем. Так, при 800°С тантал способен поглотить 740 объемов газа. Адсорбируя газы, оставшиеся в электронных лампах после откачки вакуум-насосами, геттеры обеспечивают высокую степень разрежения. Из тантала изготовляют горячую арматуру ламп - аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие нагреваемые детали. В тантале особенно нуждаются те лампы, которые, работая при высоких температурах и напряжениях, должны долго сохранять точные характеристики. В некоторых типах вакуумных ламп тантал применяют для поддержания давления газов на определенном уровне.
Танталовую проволоку можно встретить в криотронах - сверхпроводящих элементах, используемых в вычислительной технике.
Упомянем еще об одном электротехническом занятии тантала: он служит отличным материалом для газовых разрядников. Металл, словно из солидарности со своим мифическим тезкой Танталом, бросает вызов Зевсу-громовержцу, разряжая молнии, которые тот в гневе посылает на землю.
При производстве искусственного шелка волоки для протягивания нитей имеют мельчайшие отверстия - диаметр их равен сотым долям миллиметра. Волоки часто засоряются, и их постоянно приходится чистить. Но при этом диаметр отверстия должен оставаться строго постоянным. Естественно, что для волок необходим прочный, износостойкий, некорродируемый материал. Вот почему эти детали изготовляют из тантала - металла, отвечающего всем этим требованиям.
В последнее время тантал начал пробовать свои силы и в ювелирном деле: во многих случаях ему удается успешно заменять платину. Такая замена дает солидную экономию: ведь платина в 15 раз дороже тантала. Ювелирной деятельности этого металла способствует его свойство покрываться тончайшей пленкой окиси красивых радужных цветов. Тантал используют для изготовления часов, браслетов, различных украшений.
Международное Бюро мер и весов во Франции и Бюро стандартов США применяют тантал вместо платины для изготовления стандартных аналитических разновесов большой точности. В производстве наконечников для перьев автоматических ручек тантал выступает как заменитель весьма дорогого иридия.
Конечно, конкурировать в цене с платиной или иридием танталу тяжело, но цены на него достаточно высоки. Во многом это объясняется дороговизной используемых в производстве тантала материалов и сложностью технологии его получения. Достаточно сказать, что для получения 1 тонны танталового концентрата необходимо переработать до 3000 тонн руды. Но все затраты окупаются с лихвой.
...Уже отошли в область преданий молодые годы тантала, когда он был полон сил и желания трудиться, но тем не менее рисковал прослыть тунеядцем. В наши дни, как вы убедились, работы у этого металла хватает. А сколько важных, нужных и интересных дел ему еще предстоит свершить!...
Назад На главную страницу
Поддержите сайт, поставте на нас ссылку. | |
| Пример ссылки | Код ссылки |
| Мир химии | |
| Выбрать другой баннер... | |
