Тантал и ниобий, относящиеся к 5 группе периодической системы, не просто образовали единую ветвь. Их объединяют не только похожие качества, но даже «родственность» названий. Оба элемента носят имена мифологических персонажей, которые, кстати, также приходились родственниками друг другу. В древнегреческой мифологии Ниобея считалась дочерью царя Тантала, прогневавшего богов и обречённого на вечные муки.
Современная металлургия активно применяет в производстве оба элемента. Такой спрос на них неудивителен: данные металлы уникальны по своим свойствам. Рассмотрим подробнее качества ниобия и тантала, а также всю «широту» их применения в промышленности и технологию получения.
Свойства ниобия и тантала: сходства и различия
Рисунок 1. Сравнительная таблица свойств ниобия и тантала.
Если брать во внимание размеры атомов и ионов, то здесь данные металлы довольно схожи. Объемы атомов в этих элементах одинаковы потому, что тантал в 4 периоде находится за лантаноидами, которые заполняются электронами аж третьего слоя с наружной стороны. Результатом является лантаноидное сжатие (притяжение большого числа отрицательных электронов). Интересный момент: с увеличением порядкового номера элемента радиус атома будет уменьшаться (правда, незначительно).
И вот на этом этапе изучения тантала и ниобия уже возможно определить различия в этих весьма схожих на первый взгляд металлов. Характер соединений отличается для каждого из них. К примеру, это касается кислотных свойств оксидов. У ниобия и тантала разная структура электронных оболочек их атомов. На наружном слое у ниобия имеется один электрон, а тантал «богат» двумя : Nb 4d45 s1 Та 5 d3 6 s. Вследствие этого у ниобия не происходит «традиционного» заполнения электронами орбиталей. В нем будет наблюдаться немного иной процесс: один из электронов наружного слоя циркония, который находится в периодической системе перед ниобием, переходит на 4d-орбиталь второго внешнего слоя. Разница соединений электронов с ядром в ячейках 4d4 и 5s1 получается, в принципе, незначительной – приблизительно 7 эВ. Благодаря таким специфическим свойствам атом ниобия способен активировать все пять электронов в химических процессах.
Тантал – элемент 5d-группы переходных металлов. Снаружи его атома находится два электрона. В случае химических реакций необходима энергия для перехода одного из них с 6s2-орбитали на р- или d-орбиталь первого или второго наружного слоев. Обязательность дополнительной энергии – это и есть причина химической инертности тантала по сравнению с ниобием. Последний металл имеет большую химическую активность. Также оксид ниобия имеет более значительную кислотность, нежели оксид тантала. В воде и жидких растворах ниобиевые ионы активнее восстанавливаются, чем ионы тантала.
И все-таки в свободном виде ни ниобий, ни тантал не встречаются. В составе минералов – их «соседство» еще более прочное. На сегодняшний день ниобиево-танталовых минералов известно свыше 70. Часто описываемые среди них – это:
- Колумбит-танталит;
- Лопарит;
- Пирохлор.
Ниобий в чистом виде начали получать лишь в последние годы. Такой прогресс был обусловлен применением новейшей техники. Однако осуществление данной задачи – дело весьма нелегкое, требующее больших усилий. Добывают «чистый ниобий» в 4 этапа:
- Сначала производится концентрат либо феррониобия либо ферротанталониобия;
- Путем вскрытия концентрата ниобий и тантал переводят в нерастворимые химические соединения. Так данные вещества отделяются от концентрата;
- Следующий этап – разделение ниобия и тантала друг от друга. Таким образом можно получить их индивидуальные соединения;
- Получение и рафинирование до чистых металлов.
Две первые стадии не представляют особой сложности, несмотря на трудоемкость их преодоления. Ниобий и тантал разделяются лишь на третьем этапе. Для того, чтобы «выжать» из концентрата максимум каждого из данных металлов, ученые разработали новые методы их разделения, а именно:
- Избирательная экстракция;
- Ионный обмен;
- Ректификация соединений ниобия и тантала с галогенами.
Рисунок 2. Схема ректификационной колонны для разделения хлоридов тантала и ниобия.
После полного разделения каждый из этих «вечных спутников» проявляет качества металлов в большей или меньшей степени, что дает почву для их сравнения. Так, механические свойства ниобия уступают таковым у тантала. Это обусловлено тем, что фактически при любом температурном режиме тантал отличается пластичностью и устойчивостью. Он не подвержен деформации или порче даже под воздействием температуры жидкого азота, равной -196 градусам Цельсия. Однако таковым тантал является без наличия в нем каких-либо примесей. Если же он содержит в себе частицы водорода, углерода или кислорода, то его качества как металла становятся значительно хуже. Поэтому в промышленности приветствуется добыча данного элемента в чистом и даже сверхчистом виде. Сегодня для выплавки каждого из этих металлов широко используется дуговая плавка (или электронно –лучевая). Данный процесс обеспечивает сверхмощную очистку ниобия и тантала. Невзирая на сложный процесс их добычи, в зарубежных странах ежегодно выпускают абсолютно чистый металл в объеме до 400 тонн.
Что касается стоимости ниобия и тантала, то тут перевешивают цены на последний. Это связано с его дефицитом в промышленности. Хотя ниобий и тантал вечно вместе, однако они различаются существенно по добываемым объемам. Потому тантал стоит намного дороже, чем ниобий.
Химические соединения тантала и ниобия
Соединения обоих металлов очень схожи. К примеру, свойства оксида тантала аналогичны свойствам оксидных соединений ниобия. Однако ряд отличий все же имеются. Вот они:
- Температура плавления у оксида тантала выше на 400 градусов Цельсия по сравнению с показателями данного параметра у оксидных соединений ниобия;
- Оксид тантала по плотности почти вдвое тяжелее оксида ниобия (плотность 8,71 г/см3 против 4,55 г/см3 соответственно);
- Оксид тантала хуже поддается процессу плавления с карбонатом натрия, нежели ниобий;
- Соли танталовой кислоты лучше гидролизуются, нежели ниобаты. Существенное отличие этих солей от ниобиевых – нерастворимость в кислотах;
- Гель танталового оксида быстрее расщепляет воду, чем гель оксида ниобия.
Применение тантала и ниобия
Несомненно то, что качества обоих металлов делают их бесценным сырьем. И тот, и другой широко используются в производстве электровакуумной техники и химической промышленности. В последние годы тантал и ниобий начали применять в авиастроении и при изготовлении космических конструкций. Уникальное свойство поглощать газы, присущее обоим элементам, способствует поддержанию высокого вакуума. Данные элементы возможно применять в сверхагрессивных условиях (даже атомных реакторах). Целесообразно использование ниобия и тантала в медицинских целях в костной и пластической хирургии. Оба элемента абсолютно безвредны для человеческого организма.
Большой резонанс получило применение данных металлов в металлургической промышленности. Стало ясно: есть прекрасная возможность значительно расширить ассортимент производимых сталей и сплавов. Плюсом сочетания тантала и ниобия с другими металлами является их положительное взаимовлияние. Другими словами, не только эти металлы действуют на качества сплавов, но и добавление ним других элементов совершенствует их качества. К примеру, алюминий способствует прочности ниобия и тантала, а вольфрам и молибден повышают их устойчивость к высоким температурам. Добавление к ниобию и танталу меди увеличивает их электропроводимость. Более того, такие сплавы обладают двойной прочностью и твердостью, нежели медь в чистом виде (отдельно).
Тантал является материалом при изготовлении фильеров для протяжки нитей в процессе производства искусственных волокон. А было время, когда фильеры возможно было получить лишь из платины или золота.
Наибольшей твердостью отличаются сплавы из карбида тантала с никелем. От них остаются царапины даже на алмазе. Если изучать показатели критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние, то здесь лидирует германид ниобия. Чуть слабее него – станнид ниобия. Вообще, ниобиевые соединения являются отличными сверхпроводниками. Их с успехом используют в производстве магнитных катушек, отличающихся сверхмощными магнитными полями. Магнит, в котором обмоткой является лента из ниобиевых материалов, создает поле значительной степени напряженности. Единственное, что необходимо для этого сделать, - перевести магнит в сверхпроводящую позицию (другими словами, охладить его до менее низкой температуры).
Ниобий проявляет ценные свойства в сварочном деле. В прежние времена, когда для сварки применялась обыкновенная сталь, данный процесс протекал сравнительно просто. Но когда началось изготовление металлических конструкций из сложных по своему химическому составу стальных сплавов, сварные швы начали уступать по качеству свариваемому металлу. Проблему пытались решать разными способами: меняли состав электродов, разрабатывали усовершенствованные по конструкции аппараты для сварки. Были также попытки проведения сварки в атмосфере инертных газов. Но ни один из примененных способов не дал ожидаемого результата.
Выходом из сложившейся ситуации стало использование ниобия. Сталь, имеющую в своем составе даже незначительную часть данного металла, можно подвергать сварке безо всяких опасений за качество сварных швов. Хрупкими их делают карбиды, образование которых – характерное явление для процесса сварки. Ниобий способен в сочетании с углеродом препятствовать возникновению карбидов других металлов, негативно влияющих на сплавы. Карбиды самого ниобия (впрочем, как и его «собрата» - тантала) имеют значительную вязкость. Последнее является дополнительным преимуществом в использовании данного металла при сварке котлов и газовых турбин в атмосфере давления и агрессивной среды.
Одним из общих свойств ниобия и тантала считается их способность поглощать большие количества водорода, кислорода и азота. Так, 1 грамм ниобия поглощает 100 кубических сантиметров водорода. Даже при колоссально высоких температурах данное качество металла не уменьшается. К примеру, при температуре в 500 градусов Цельсия ниобий поглощает 75 см3 водорода. А тантал поглощает в 10 раз больше объема. Данное свойство обоих металлов с успехом применяют в производстве высокого вакуума или электроники. Ниобий и тантал, которые наносят на поверхность деталей приборов, отлично поглощают газы, тем самым стабилизируя функции и работу производимой электроники.
Ниобий и тантал сыграли значительную роль в восстановительной хирургии. В медицине активно используются танталовые пластинки и нити из тантала и ниобия. Последние необходимы в целях сшивания порванных сухожилий, сосудов и нервов. Также они восполняют мускульные резервы организма. В хирургической практике танталовые нити используют для укрепления стенок брюшной полости в послеоперационный период.
Отличительным качеством тантала является сверхпрочная связь между его атомами. Поэтому показатели температуры плавления и кипения данного металла весьма высоки. По механическим свойствам и устойчивости к химическим воздействиям тантал можно сравнить разве что с платиной. Такое сочетание свойств данного металла активно используется в химической промышленности. Тантал применяют в производстве нагревательных и охладительных приборов, спецификой функционирования которых является регулярный контакт с агрессивной средой.
На ниобий все больше растет спрос в сфере атомной энергетики, набирающей интенсивные темпы развития. Чем полезен данный металл для этой отрасли? Дело в том, что ниобий легко пропускает тепловые нейтроны сквозь слой металла. При этом реакции взаимодействия между ними практически не происходит. Ниобий обладает незначительной степенью искусственной радиоактивности. Это позволяет широко применять данный металл в производстве емкостей для хранения радиоактивных отходов.
Рисунок 3. Области применения ниобия и тантала.
Заключение
Тантал и ниобий относятся к редким металлом. Однако уникальные свойства каждого из них настолько ценны в различных отраслях, что над усовершенствованием способов добычи этих элементов неустанно трудятся ученые. Такие попытки дают свои плоды: с каждым годом объемы добытых тантала и ниобия не уменьшаются, а увеличиваются. Несмотря на то, что оба металла практически всегда находятся вместе в концентратах, сегодня возможно получение каждого из них в чистом виде. И тогда элементы, которые на первые взгляд неразделимы по свойствам, можно рассматривать каждый отдельно. И это правильно, ведь, помимо общих свойств, у ниобия и тантала есть специфические особенности.
