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Tantalio

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Tantalio
73 Ta
Nb

Ta

Db
hafniotantaliotungsteno
Apariencia
azul gris
Propiedades generales
Nombre, símbolo, número tantalio, Ta, 73
Pronunciación / t æ n t əl ə m /
TAN -təl-əm;
previamente / t æ n t æ l yo ə m /
tan- TAL -ee-əm
Categoría Elemento metal de transición
Grupo, período, bloque 5, 6, d
Peso atómico estándar 180.94788
Configuración electrónica [ Xe ] 4f 14 5d 3 6s 2
2, 8, 18, 32, 11, 2
Capas de electrones de tántalo (2, 8, 18, 32, 11, 2)
Historia
Descubrimiento Anders Gustaf Ekeberg (1802)
Reconocido como un distinto elemento por Heinrich Rose (1844)
Propiedades físicas
Fase sólido
Densidad (cerca rt) 16,69 g · cm -3
Líquido densidad en mp 15 g · cm -3
Punto de fusion 3290 K , 3017 ° C, 5463 ° F
Punto de ebullicion 5731 K, 5458 ° C, 9856 ° F
Calor de fusión 36.57 kJ · mol -1
El calor de vaporización 732.8 kJ · mol -1
Capacidad calorífica molar 25.36 J · mol -1 · K -1
Presión del vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
en T (K) 3297 3597 3957 4395 4939 5634
Propiedades atómicas
Estados de oxidación 5, 4, 3, 2, -1 (ligeramente ácida óxido)
Electronegatividad 1,5 (escala de Pauling)
Energías de ionización Primero: 761 kJ · mol -1
Segundo: 1500 kJ · mol -1
Radio atómico 146 pm
Radio covalente 170 ± 20:00
Miscelánea
Estructura cristalina centrada en el cuerpo cúbico
Tantalio tiene una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo

α-Ta
tetragonal
Tantalio tiene una estructura de cristal tetragonal

β-Ta
Ordenamiento magnético paramagnético
La resistividad eléctrica (20 ° C) 131 nΩ · m
Conductividad térmica 57.5 W · m -1 · K -1
Expansión térmica (25 ° C) 6,3 micras · m -1 · K -1
Velocidad del sonido (varilla delgada) (20 ° C) 3400 m · s -1
El módulo de Young 186 GPa
Módulo de corte 69 GPa
Módulo de volumen 200 GPa
Relación de Poisson 0.34
Dureza de Mohs 6.5
Dureza Vickers 873 MPa
Dureza Brinell 800 MPa
Número de registro del CAS 7440-25-7
La mayoría de los isótopos estables
Artículo principal: Los isótopos de tantalio
iso N / A media 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 × 10 15 y ε 0,929 180 Hf
β - 0,783 180 W
Informática 0,075 180 Ta
α 2,103 176 Lu
181 Ta 99.988% 181 Ta es estable con 108 neutrones
182 Ta syn 114,43 d β - 1,814 182 W
183 Ta syn 5.1 d β - 1,070 183 W

El tantalio es un elemento químico con el símbolo Ta y número atómico 73. Anteriormente conocido como tantalio, el nombre proviene de Tántalo, un personaje de la mitología griega. El tantalio es un raro, duro, de color gris azulado, brillante metal de transición que es altamente resistente a la corrosión. Es parte de la grupo de metales refractarios, que son ampliamente utilizados como componentes menores en aleaciones. La inercia química de tántalo hace que sea una sustancia valiosa para equipo de laboratorio y un sustituto de platino , pero su uso principal es hoy en condensadores de tantalio en electrónica equipos tales como teléfonos móviles , Reproductores de DVD, sistemas de videojuegos y computadoras . Tantalio, siempre junto con el químicamente similar niobio , se produce en los minerales tantalita, columbita y coltán (mezcla de columbita y tantalita).

Historia

El tantalio fue descubierto en Suecia en 1802 por Anders Ekeberg. Un año antes, Charles Hatchett había descubierto el elemento columbio . En 1809, el químico Inglés William Hyde Wollaston comparó los óxidos derivados tanto columbium- columbita, con una densidad de 5,918 g / cm 3, y tantalum- tantalita, con una densidad de 7,935 g / cm 3, y llegó a la conclusión de que los dos óxidos, a pesar de su diferencia de densidad medida, eran idénticos. Él decidió mantener el nombre tantalio. Después Friedrich Wöhler confirmó estos resultados, se pensó que columbio y tantalio eran el mismo elemento. Esta conclusión se disputó en 1846 por el químico alemán Heinrich Rose, quien argumentó que había dos elementos adicionales en la muestra tantalita, y los nombres de los hijos de Tántalo: niobio (de Niobe, la diosa de las lágrimas), y pelopium (de Pelops). El elemento supuesta "pelopium" fue identificado más tarde como una mezcla de tántalo y niobio, y se encontró que el niobio era idéntica a la ya columbio descubierto en 1801 por Hatchett.

Las diferencias entre el tántalo y el niobio se demostraron inequívocamente en 1864 por Christian Wilhelm Blomstrand, y Henri Etienne Sainte-Claire Deville, así como por Louis J. Troost, que determina las fórmulas empíricas de algunos de sus compuestos en 1865. Otra confirmación vino del químico suizo Jean Charles Galissard de Marignac, en 1866, que demostró que sólo había dos elementos. Estos descubrimientos no dejaron de científicos de la publicación de artículos sobre la llamada ilmenium hasta 1871. De Marignac fue el primero en producir la forma metálica de tantalio en 1864, cuando él reducción de cloruro de tántalo calentándolo en una atmósfera de hidrógeno . Los primeros investigadores habían sido sólo capaz de producir tantalio impuro, y el primer metal dúctil relativamente puro fue producido por Werner von Bolton en 1903. Los cables hechos de tántalo metálico se utiliza para filamentos de bombillas hasta tungsteno reemplazaron en uso generalizado.

El nombre de tántalo se deriva del nombre de la mitológica Tántalo, el padre de Niobe en la mitología griega . En la historia, que había sido castigado después de la muerte al ser condenado a pie hasta las rodillas en el agua con la fruta perfecta creciendo por encima de la cabeza, los cuales eternamente le atormentaba. (Si se inclinó para beber el agua, se escurre por debajo del nivel que podía alcanzar, y si él tomó la fruta, las ramas se movió fuera de su alcance.) Ekeberg escribió "Este metal llamo tantalio ... en parte, en alusión a su incapacidad , cuando se sumerge en ácido, para absorber cualquier y estar saturado ".

Durante décadas, la tecnología comercial para la separación de tantalio niobio implicó la cristalización fraccionada de potasio heptafluorotantalate lejos de potasio oxypentafluoroniobate monohidrato, un proceso que fue descubierto por Jean Charles de Marignac Galissard en 1866. Este método ha sido suplantado por extracción con disolventes de soluciones que contienen fluoruro de tantalio.

Características

Propiedades físicas

El tantalio es oscura (azul-gris), denso, dúctil, muy duro, fácilmente fabricado, y altamente conductor de calor y electricidad. El metal es conocido por su resistencia a la corrosión por ácidos ; de hecho, a temperaturas inferiores a 150 ° C tántalo es casi completamente inmune para atacar por el normalmente agresivo agua regia. Puede disolverse con ácido fluorhídrico o soluciones ácidas que contienen el ion fluoruro y trióxido de azufre, así como con una solución de hidróxido de potasio. Punto de fusión alto de tantalio de 3017 ° C (punto de ebullición 5458 ° C) sólo es superado por tungsteno , renio y osmio para los metales, y de carbono .

Tantalio existe en dos fases cristalinas, alfa y beta. La fase alfa es relativamente dúctil y suave; tiene estructura cúbica centrada en el cuerpo ( grupo espacial Im3m, constante de red a = 0,33058 nm), Dureza Knoop 200-400 HN y resistividad eléctrica 15-60 μΩ ּ cm. La fase beta es duro y quebradizo; su simetría cristal es tetragonal (grupo espacial P42 / mnm, a = 1,0194 nm, c = 0,5313 nm), dureza Knoop es 1000-1300 HN y la resistividad eléctrica es relativamente alta en 170-210 μΩ ּ cm. La fase beta es metaestable y se convierte en la fase alfa por calentamiento a 750-775 ° C. Tántalo a granel es la fase casi en su totalidad alfa, y la fase beta generalmente existe como películas delgadas obtenidas por magnetrón pulverización catódica, deposición de vapor químico o deposición electroquímica de una solución de sal fundida eutéctica.

Propiedades químicas

Formas de tantalio óxidos con los estados de oxidación +5 (Ta 2 O 5) y 4 (TAO 2). El estado de oxidación más estable es 5, pentóxido de tantalio. El tantalio es el pentóxido de material de partida para varios compuestos de tantalio. Los compuestos se crean disolviendo el pentóxido de básicas de hidróxido de soluciones o por fusión en otro óxido metálico. Tales ejemplos son tantalato litio (LiTaO3) y lantano tantalato (latao 4). En el tantalato de litio, el ion tantalato - TAO
3 no se produce; En su lugar, esta parte de la fórmula representa vinculación del Tao 7-
6 octaedros para formar un tridimensional marco perovskita; mientras que el tantalato de lantano contiene solitario TaO 3-
4 grupos tetraédricos.

Los fluoruros de tantalio se pueden utilizar para su separación de niobio. Tántalo forma compuestos halógenos en los estados de oxidación de 5, 4 y 3 del tipo de impuesto del 5, el impuesto 4, y el impuesto 3, aunque también se conocen complejos de núcleo múltiple y compuestos subestequiométricas. Pentafluoruro de tantalio (TAF 5) es un sólido blanco con un punto de fusión de 97,0 ° C y pentacloruro de tántalo (TACL 5) es un sólido blanco con un punto de fusión 247,4 ° C. El tantalio es pentacloruro hidrolizado por el agua y reacciona con tántalo adicional a temperaturas elevadas formando el negro y altamente tetracloruro de tantalio higroscópico (TACL 4). Aunque los compuestos trihalogen se pueden obtener por reducción de los pentahalogenes con hidrógeno, no existen los compuestos dihalogenados. Se forma una aleación de tántalo-telurio cuasicristales. Compuestos de tántalo con estados de oxidación tan bajas como -1 han sido reportados en 2008.

Al igual que la mayoría de otros metales refractarios, los compuestos más difícil conocidas de tantalio son sus nitruros y carburos estables. Carburo de tántalo, tac, como el más comúnmente utilizado carburo de tungsteno, es una cerámica muy duro que se utiliza en herramientas de corte. Tantalio (III) nitruro se utiliza como un aislante de película delgada en algunos procesos de fabricación microelectrónica. Químicos de la Laboratorio Nacional de Los Álamos en los Estados Unidos han desarrollado un carburo de tantalio grafito material compuesto que es uno de los materiales más duros vez sintetizados. Investigadores coreanos han desarrollado una aleación amorfa de tántalo y tungsteno-cobre, que es más flexible y de dos a tres veces más fuerte que las aleaciones de acero de uso común. Hay dos aluminiuros tantalio, Taal 3 y Ta 3 Al. Estos son estables, refractario, y reflexivo, y han sido propuestos como recubrimientos para uso en espejos de onda infrarrojas.

Isótopos

Tántalo Natural consta de dos isótopos : 180m Ta (0,012%) y 181 Ta (99,988%) 181 Ta es a. isótopo estable 180m Ta (m denota un estado metaestable) se predice a la caries de tres maneras.: transición isomérica a la estado fundamental del 180 Ta, desintegración beta a 180 W , o captura de electrones a 180 Hf . Sin embargo, la radioactividad de esta isómero nuclear nunca ha sido observada. Sólo un límite inferior en su medio de vida de más de 10 15 años se ha establecido. El estado fundamental del Ta 180 tiene una vida media de sólo 8 horas. 180m Ta es el que ocurre naturalmente sólo isómero nuclear (con exclusión de los nucleidos de corta vida radiogénicos y cosmogónicos). También es el isótopo más raro en el Universo, teniendo en cuenta la abundancia elemental de tántalo y abundancia isotópica de 180m Ta en la mezcla natural de isótopos (y de nuevo excluyendo nucleidos de corta vida radiogénicos y cosmogónicos).

Tantalio ha sido examinado teóricamente como un " salazón "material para armas nucleares ( cobalto es el material de salazón hipotética mejor conocido). Una cáscara externa de 181 Ta se irradia por el alto flujo de neutrones de energía intensiva de un arma nuclear de explosión hipotético. Esto transmutar el tántalo en el radiactivo isótopo 182 Ta, que tiene una vida media de 114,4 días y produce rayos gamma con aproximadamente 1,12 millones de electrón-voltios (MeV) de energía cada uno, lo que aumentaría significativamente la radiactividad de la lluvia radiactiva de la explosión durante varios meses. Tales armas "salados" nunca se han construido o probado, por lo que es de conocimiento público, y desde luego nunca utilizó como armas.

Aparición

Tantalita, Distrito de Pilbara, Australia

El tantalio se estima que representan alrededor del 1 ppm o 2 ppm de la Tierra 's corteza en peso. Hay muchas especies de minerales de tantalio, sólo algunos de los cuales están siendo utilizados hasta ahora por la industria como materias primas: tantalita, microlite, Wodginita, euxenite, polycrase. Tantalita ( Fe , Mn ) Ta 2 O 6 es el mineral más importante para la extracción de tantalio. Tantalita tiene la misma estructura mineral como columbita ( Fe , Mn ) (Ta, Nb ) 2 O 6; cuando hay más de Ta Nb se llama tantalita y cuando hay más de Nb Ta es llamado columbita (o niobite). La alta densidad de tantalita y otros minerales de tántalo que contiene hace que el uso de la separación gravitatoria el mejor método. Otros minerales incluyen samarskita y fergusonite.

La minería primaria de tántalo se encuentra en Australia , donde el mayor productor, Global Metales avanzadas, anteriormente conocido como Talison Minerales, opera dos minas en Australia Occidental, Greenbushes en el suroeste y Wodgina en el Región de Pilbara. La mina Wodgina se reabrió en enero de 2011 después de la minería en el sitio fue suspendido a finales de 2008 debido a la crisis financiera mundial. Menos de un año después de su reapertura, Global Metales avanzadas anunció que debido al nuevo "... debilitamiento de la demanda de tántalo ...", y otros factores, las operaciones mineras tantalio debían cesar a finales de febrero de 2012. Wodgina produce una tantalio primaria concentrar el que se actualiza más a fondo en la operación Greenbushes antes de ser vendidos a los clientes. Considerando que los grandes productores de niobio están en Brasil y Canadá , el mineral existe también rinde un pequeño porcentaje de tantalio. Algunos otros países como China, , Etiopía y Mozambique minerales de la mina con un mayor porcentaje de tantalio, y producen un porcentaje significativo de la producción mundial de la misma. Tantalio también se produce en Tailandia y Malasia como un subproducto de la lata de la minería allí. Durante la separación gravitacional de los minerales de depósitos de placer, no sólo es Casiterita (SnO2) encontró, pero un pequeño porcentaje de tantalita también incluido. La escoria de los hornos de fundición de estaño a continuación, contiene cantidades económicamente útiles de tantalio, que se lixivia de la escoria. Futuras fuentes de suministro de tántalo, en orden de tamaño estimado, se están explorando en Arabia Saudita , Egipto , Groenlandia , de China , Mozambique , Canadá , Australia , el Reino Unidos , Finlandia y Brasil .

El coltán, el nombre industrial para una columbite- mineral tantalita de la que columbio (es decir, niobio) y tantalio se extraen, también se puede encontrar en el África central , por lo que el tantalio está siendo vinculado a la guerra en la República Democrática del Congo (antes Zaire). De acuerdo con un 23 de octubre 2003 de las Naciones Unidas informe, el contrabando y la exportación de coltan ha ayudado a alimentar la guerra en el Congo, una crisis que se ha traducido en unos 5,4 millones de muertes desde 1998 - por lo que es un conflicto documentado más mortífero del mundo desde la Segunda Guerra Mundial . Las cuestiones éticas se han planteado sobre el comportamiento responsable de las empresas, los derechos humanos y la vida silvestre en peligro, debido a la explotación de recursos como el coltán en las regiones de conflicto armado de la cuenca del Congo. Sin embargo, si bien es importante para la economía local en el Congo, la contribución de la minería coltán en el Congo a la oferta mundial de tantalio es generalmente pequeño. La Encuesta Geológica de Estados informa en su anuario que esta región produce un poco menos del 1% de la producción de tántalo del mundo en el período 2002-2006, alcanzando el 10% en 2000 y 2008.

Se estima que hay menos de 50 años a la izquierda de los recursos de tantalio, basado en la extracción a las tasas actuales, lo que demuestra la necesidad de aumentar el reciclaje .

Producción y fabricación

Varios pasos están involucrados en la extracción de tántalo de tantalita. En primer lugar, el mineral es aplastado y se concentra por la separación por gravedad. Esto se lleva a cabo generalmente cerca de la mina de sitio. El tratamiento posterior por separación química se realiza generalmente mediante el tratamiento de los minerales con una mezcla de ácido fluorhídrico y ácido sulfúrico en más de 90 ° C. Estos reactivos se disuelven los óxidos de tantalio y niobio para dar fluoruros complejos, que pueden ser separados de impurezas y el uno del otro:

Ta 2 O 5 + 14 HF → 2 H 2 [TaF 7] + 5 H 2 O
Nb 2 O 5 + 10 HF → 2 H 2 [NbOF 5] + 3 H 2 O

La primera separación a escala industrial, desarrollado por de Marignac, utiliza la diferencia de solubilidad entre el complejo de niobio y tantalio fluoruros K 2 [NbOF 5] • H 2 O (oxypentafluoroniobate de potasio monohidrato) y K 2 [TaF 7] ( heptafluorotantalate potasio) en agua. Procesos nuevos usan la extracción de líquido de los fluoruros de solución acuosa de disolventes orgánicos tales como ciclohexanona. Los complejos de niobio y tantalio fluoruros se extraen por separado del disolvente orgánico con agua, y, o bien precipitados por la adición de fluoruro de potasio para producir un complejo de fluoruro de potasio, o se precipita con amoníaco como el 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 H 2 O

El purificada K 2 [TaF 7] es tratado generalmente por reducción con fundido de sodio para producir un polvo de tántalo gruesa.

En términos de fabricación, toda la soldadura de tántalo se debe realizar en una atmósfera inerte de argón o de helio con el fin de protegerlo de la contaminación con los gases atmosféricos. Tantalio no es soldable. Es Molienda tantalio difícil, sobre todo por lo que para el tantalio recocido. En el estado recocido, tántalo es extremadamente dúctil y se puede formar fácilmente como hojas de metal.

Aplicaciones

Electrónica

Tantalio condensador electrolítico

El uso principal de tántalo, como el polvo de metal, es en la producción de componentes electrónicos, principalmente condensadores y algunos de alta potencia resistores. Condensadores electrolíticos de tantalio explotan la tendencia de tántalo para formar un protector capa superficial de óxido, usando polvo de tantalio, pulsa en una forma de pellet, como una "placa" del condensador, el óxido como el dieléctrico, y una solución electrolítica o sólida conductora como la "placa" otro. Porque el capa dieléctrica puede ser muy delgada (más delgada que la capa similar en, por ejemplo, un condensador electrolítico de aluminio), una alta capacitancia se puede lograr en un pequeño volumen. Debido a las ventajas de tamaño y peso, condensadores de tantalio son atractivos para teléfonos móviles, ordenadores personales , y electrónica automotriz.

Aleaciones

Tantalio también se utiliza para producir una variedad de aleaciones que tienen altos puntos de fusión, son fuertes y tienen buena ductilidad. Aleado con otros metales, también se utiliza en la fabricación de herramientas de metal duro para el equipo de trabajo de los metales y en la producción de superaleaciones para componentes de motores a reacción, equipos de proceso químico, reactores nucleares, y partes de misiles. Debido a su ductilidad, tántalo se puede dibujar en alambres o filamentos finos, que se utilizan para evaporar metales tales como aluminio . Ya que resiste el ataque de los fluidos corporales y no es irritante, tantalio es ampliamente utilizado en la fabricación de instrumentos quirúrgicos y los implantes. Por ejemplo, los recubrimientos de tantalio poroso se utilizan en la construcción de implantes ortopédicos debido a la capacidad de tántalo para formar un enlace directo al tejido duro.

El tantalio es inerte contra la mayoría de los ácidos excepto ácido fluorhídrico y caliente de ácido sulfúrico , también caliente soluciones alcalinas causan tantalio se corroa. Esta propiedad hace que sea un metal ideal para recipientes de reacción químicos y tuberías para líquidos corrosivos. Bobinas de intercambio de calor para la calefacción de vapor de ácido clorhídrico están hechos de tantalio. El tantalio se utiliza ampliamente en la producción de ultra alta frecuencia tubos de electrones para transmisores de radio. El tantalio es capaz de capturar oxígeno y nitrógeno mediante la formación de nitruros y óxidos y por lo tanto ayuda a mantener el alto vacío necesario para los tubos.

Otros usos

El punto de fusión alto y resistencia a la oxidación de plomo a la utilización del metal en la producción de partes de hornos de vacío. El tantalio es extremadamente inerte y por lo tanto se forma en una variedad de corrosión Résistants partes, tales como vainas, cuerpos de válvulas, y los sujetadores de tantalio. Debido a su alta densidad, carga hueca y revestimientos de penetradores formados explosivamente se han construido a partir de tantalio. Tantalio aumenta en gran medida las capacidades de penetración de armadura de una carga hueca debido a su alta densidad y alto punto de fusión. También se usa ocasionalmente en preciosos relojes por ejemplo de Audemars Piguet, Hublot, Mont Blanc, Omega, y Panerai. El tantalio es también altamente bioinerte y se utiliza como un material de implante ortopédico. La elasticidad de tántalo hace que sea un gran material para prótesis de cadera para evitar escudo de estrés. El óxido se utiliza para hacer especial de alto índice de refracción de vidrio para lentes de cámara.

Precauciones

Los compuestos que contienen tántalo se encuentran raramente en el laboratorio. El metal es altamente biocompatible y se utiliza para el cuerpo implantes y recubrimientos, por lo tanto, la atención puede centrarse en otros elementos o la naturaleza física del compuesto químico . Un solo estudio es la única referencia en la literatura que une tantalio a lo local sarcomas. El estudio fue citado en Vol IARC Monografía. 74 que incluye la siguiente "Nota al lector": "La inclusión de un agente en las monografías no implica que se trata de un cancerígeno, sólo que se han examinado los datos publicados ".

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