Геохімія елементів

Тантал і ніобій - близькі за властивостями і завжди зустрічаються спільно.

Металічний тантал темного сіро-голубого кольору метал, щільний, ковкий, дуже міцний, добре піддається обробці та дуже добре проводить електрику та тепло. Цей метал дуже стійкій до корозії в кислотах; фактично при температурах до 150 °C він зовсім не взаємодіє із царською горілкою. Його можна розчинити у розчинах, що містять флуорид та триоксид сірки, або у розплаві лугів. Тантал має найвищу з металів температуру плавлення 3017 °C, вище якої плавляться лише вольфрам, реній та осмій.

Металічний тантал складається із двох кристалічних фаз: альфа та бета. Альфа-фаза більш ковка та м'яка; вона має об'ємоцентровану кубічну ґратку (типу Im3m, константа ґратки a = 0,33058 nm), Показник твердості за Кнупом 200—400 HN та питомий електричний опір 15-60 µΩּcm. Бета-фаза крихка та тверда; її кристалічна симетрія тетрагональна (тип P42/mnm, a = 1,0194 нм, c = 0,5313 нм), твердість за Кнупом 1000—1300 HN та питомий опір 170—210 µΩּcm. Бета-фаза є метастабільною та переходить у альфа-фазу при нагріванні 750—775 °C. Основна маса танталу знаходиться у альфа-фазі, та бета-фаза звичайно отримується шляхом магнетронногонапилення, хімічного нанесення або електролізу з евтектичного сольового розплаву.

Тантал формує оксиди зі ступенями окиснення +5 (Ta₂O₅) та +4 (TaO₂). Найбільш стабільний ступінь окислення це +5, пентаоксид танталу. Пентаоксид танталу є вихідним матеріалом для отримання багатьох похідних танталу. Шляхом сплавлення його із лугами отримують солі танталової кислоти — танталати. Наприклад, танталатлітію (LiTaO₃) та танталат лантану (LaTaO₄). В танталаті літію, іон танталату TaO-3 не міститься; замість нього там міститься ланцюг TaO7-6 октаедр, що формує ґратку типуперовськіту; wа танталат лантану в свою чергу містить тетраедричні іони TaO3-4.

Фториди танталу можуть бути використані для відділення його від ніобію. З галогенами тантал утворює сполуки у ступенях окислення +5, +4, та +3 типу TaX₅, TaX₅, та TaX₃, однак також відомі багатометалеві комплексні іони та нестехіометричні сполуки. Пентафторид танталу (TaF₅) це біла кристалічна речовина з температурою плавлення 97,0 °C а пентахлорид танталу (TaCl₅) це також біла кристалічна речовина із температурою плавлення 247,4 °C. Пентахлорид танталу гідроліз легко гідролізує водою, і здатний реагувати із металічним танталом, утворюючи чорний та високогігроскопічний тетрахлорид танталу (TaCl₄). Широкий ряд галогенпохідних танталу може бути отриманий шляхлм відновлення пентахлориду танталу воднем, дігалогенпохідні для танталу невідомі. Тантал-телурові сплави утворюють квазікристали. Про сполуки Танталу із ступенем окіслення меньше −1 було повідомлено у 2008 році.

Як і більшість тугоплавких металів, тантал утворює дуже тугоплавкі карбіди та нітриди. Карбід танталу, TaC, як і широко відомий карбід вольфраму, використовується для виготовлення ріжучого інструменту. Танталу(III) нітрид використовується як ізолятор у вигляді тонких плівок у єлектронній промисловості. Хіміки Лос-Аламоської національної лабораторії (США) розробили карбід-тантало-графітний композитний матеріал — один з найпрочніших з усіх відомих. Корейські дослідники розробили тантало-вольфрамо-мідний сплав якій набагато пружній та гнучкий, та в декілька разів прочніший ніж сталевий. Відомо 2 алюмініду танталу, TaAl₃ та Ta₃Al. Вони дуже стабільні, жаростійкі, та мають високу здатність відбивати світло, та запропоновані як покриття для дзеркал інфрачервоного випромінення.

Природний тантал складається із двох ізотопів: ^180mTa (0,012%) and ¹⁸¹Ta (99,988%). ¹⁸¹Ta це стабільний ізотоп. Для ^180mTa (m позначає метастабільний стан) передбачено три шляхи розпаду: ізомерне перетворення в основний стан — ¹⁸⁰Ta, що зазнає бета-розпад в ¹⁸⁰W, або електронне захоплення до ¹⁸⁰Hf. До речі, радіоактивність цього ядерного ізомеру ніколи не спостерігалася. Тільки нижня оцінка його періоду напіврозпаду становить більше 10¹⁵ років. Основний стан, ізотоп ¹⁸⁰Ta має період напіврозпаду лише 8 годин. ^180mTa є єдиним природним ядерним ізомером (виключаючи ті, що утворилися в наслідок радіогенних та космічних впливів). Це також найрідкісніший з ізотопів у Всесвіті.

У біосфері геохімія Ніобію вивчена погано. Встановлено, що в районах лужних порід, збагачених ніобієм, він мігрує у вигляді сполук з органічними та іншими комплексами). У морській воді лише близько 1.10 -9% ніобію по масі. В природі один стабільний ізотоп ⁹³Nb.

Кристалічна гратка ніобію об'емноцентрована кубічна з параметром а = 3,294 Å. Щільність 8,57 г/см3 (20 ° С); tпл 2500 ° С; tкип 4927 ° С; тиск пари (в мм рт. Ст.; 1 мм рт. Ст. = 133,3 н/м2) 1.10^(-5) (2194 ° С), 1.10^(-4) (2355 ° С). Теплопровідність в вт / (м · К) при 0 °С і 600 °С відповідно 51,4 і 56,2, то ж в кал / (см · сек · ° С) 0,125 і 0,156. Питомий об'ємний електричний опір при 0°С 15,22 · 10^(-8) ом · м. Температура переходу в надпровідний стан 9,25 К. Ніобій - парамагнетик.

Чистий ніобій легко обробляється тиском на холоді і зберігає задовільні механічні властивості при високих температурах. Його межа міцності при 20 і 800 ° С відповідно дорівнює 342 та 312 мН/м^(2), то ж в кгс/мм^(2) 34,2 і 31,2; відносне подовження при 20 і 800 ° С відповідно 19,2 і 20,7%. Твердість чистого ніобію по Брінеллю 450, технічного 750-1800 Mн/м2. Домішки деяких елементів, особливо водню, азоту, вуглецю і кисню, сильно погіршують пластичність і підвищують твердість ніобію.

За хімічними властивостям ніобій близький до танталу. Обидва вони надзвичайно стійкі (тантал більш стійкий) до холоду і при невеликому нагріванні до дії багатьох агресивних середовищ. Компактний ніобій помітно окислюється на повітрі тільки вище 200 ° С. На ніобій діють: хлор вище 200 ° С, водень при 250 ° С (інтенсивно при 360 ° С), азот при 400 ° С. Практично не діють на ніобій очищені від домішків кисню рідкі Na, К і їхні сплави, Li, Bi, Pb, Hg, Sn.

Ніобій стійкий до дії багатьох кислот і розчинів солей. На нього не діють царська горілка, соляна і сірчана кислоти при 20 ° С, азотна, фосфорна, хлорна кислоти, водні розчини аміаку. Плавикова кислота, її суміш з азотною кислотою і лугу розчиняють ніобій.

Конфігурація зовнішніх електронів атома Nb 4d45sl. Найбільш стійкі сполуки пятивалентного ніобію, але відомі й з'єднання зі ступенями окислення + 4, +3, +2 і +1, до утворення яких Ніобій схильний більше, ніж тантал. Наприклад, у системі Ніобій-кисень встановлені фази: оксид Nb2O5 (tпл 1512 ° С, колір білий), оксид NbO2 (tпл 2080 ° С, колір чорний), оксид NbO (tпл 1935 ° С, колір сірий) та твердий розчин кисню в ніобію. NbO2 - напівпровідник;

Дата добавления: 2015-05-23