Tantal (Ta) – właściwości, działanie i występowanie tantalu

Tantal (Ta) jest jednym z zaskakująco licznych pierwiastków chemicznych nazwanych na cześć postaci mitologicznych. Według starożytnych Greków Tantal był królem Lidii, który za podkradanie bogom nektaru i ambrozji został skazany na wieczną udrękę. Odkrywca tytułowego metalu, Anders Ekeberg, zainspirował się ową historią chcąc podkreślić niezwykłe właściwości pierwiastka, niemożliwego do nasycenia kwasami.



Tantal w układzie okresowym pierwiastków. Źródło: magnetix/ShutterstockTantal w układzie okresowym pierwiastków. Źródło: magnetix/Shutterstock
  1. Historia tantalu
  2. Właściwości tantalu – jakie związki tworzy?
  3. Występowanie i wydobycie tantalu
  4. Zastosowania tantalu
  5. Wpływ tantalu na zdrowie
  6. Tantal a ekologia
We wspomnianym micie Tantal musi po wsze czasy stać po kolana w wodzie z jabłkiem wiszącym tuż nad jego głową. Niestety, gdy schyli się, by się napić, woda odcieka; gdy wyciągnie dłoń po owoc, gałąź odsuwa się, pozostawiając go wiecznie spragnionym i głodnym.

Historia tantalu


Odkrycie tantalu to opowieść niemniej soczysta niż greckie mity. W 1802 r. szwedzki chemik Anders Ekeberg wyizolował z dwóch próbek minerałów znalezionych w Skandynawii nieznany pierwiastek, który nazwał tantalem. Rok wcześniej jednak Charles Hatchett odkrył inny pierwiastek, który ochrzcił jako columbium. Nie byłoby w tym fakcie nic niezwykłego, gdyby nie angielski chemik William Hyde Wollaston, który w 1809 r. porównał tlenki obu pierwiastków i stwierdził, że mowa o jednej i tej samej substancji. Nazwę tantalu pozostawiono.

W 1846 r. niemiecki naukowiec Heinrich Rose ogłosił, że bryłkach minerału tantalit (nazwanego od zawartości) znajdują się jeszcze dwa inne pierwiastki. W hołdzie dla mitologii nazwał je niobium oraz pelopium, od dwóch dzieci Tantala, Niobe oraz Pelopsa. Niestety, wkrótce okazało się, że niob (niobium) jest w rzeczywistości tożsamy z dawnym columbium, który różni się jednak od tantalu. Pelopium zidentyfikowano natomiast jako mieszankę tantalu i niobu. Do dzisiaj pozostały nam więc w układzie okresowym więc dwa pierwiastki: tantal, o liczbie atomowej 73 oraz niob, o liczbie atomowej 41.

W 1903 r. rosyjski chemik Werner Bolton po raz pierwszy wyizolował czysty tantal, który wykorzystał następnie do produkcji lampy jarzeniowej.
Tabela przedstawiająca właściwości tantalu; opracowanie własne

Właściwości tantalu – jakie związki tworzy?


Tantal jest połyskliwym, srebrnoszarym metalem, o wysokich parametrach gęstości i twardości (6,5 w skali Mohsa). Jednocześnie jest dość ciągliwy i doskonale przewodzi ciepło oraz prąd elektryczny. Posiada również wyjątkowo wysoką temperaturę topnienia (3017 °C) oraz niemniej imponującą temperaturę wrzenia (5458 °C).

W tablicy Mendelejewa tantal zajmuje pozycję między hafnem a tungstenem, w grupie 5, okresie 6. Tym samym zaliczany jest do metali przejściowych, czyli pierwiastków o zmiennej wartościowości, wykazujących cechy metali, ale zdolnych do tworzenia kationów o niezapełnionej całkowicie podpowłoce.

Najbardziej bodaj spektakularną cechą tantalu, która zafascynowała już Ekeberga, jest odporność na działanie kwasów. W temperaturze poniżej 150 stopni °C nie ulega on korozji nawet w kontakcie z tzw. wodą królewską (aqua regia), czyli mieszanką kwasu azotowego oraz solnego, zdolną do rozpuszczania większości metali, łącznie ze złotem. Jedyne substancje zdolne do rozpuszczania tantalu to kwas fluorowodorowy, roztwory zawierające jony fluoru lub trójtlenku siarki, a także roztwór zasady potasowej.

W stopniach utlenienia od -3 do +5 tantal tworzy szereg związków chemicznych, przede wszystkim tlenków. Jego pięciotlenek zasługuje na szczególną uwagę i znajduje stosunkowo szeroki wachlarz zastosowań. Ponadto tantal tworzy związki z azotem oraz węglem, które odznaczają się wyjątkową twardością. Węglik tantalu (TaC) to rodzaj najtwardszej ceramiki.

Inne związki tantalu nie mają istotnego znaczenia gospodarczego. Wiemy jednak, że pierwiastek może łączyć się także z siarką, halogenkami, a nawet tworzyć związki metaloorganiczne.

W naturze tantal występuje w formie dwóch izotopów. Dominujący jest Ta-181, czyli stabilny izotop, który tworzy aż 99,988% wszystkich pokładów na Ziemi. Resztę stanowi Ta-180, który w stanie podstawowym cechuje się połowicznym czasie rozpadu wynoszącym zaledwie 8 godzin. Co ciekawe, izotop Ta-180 spotykany jest również w stanie wzbudzonym, czyli postaci o podwyższonej energii (pojęcie z zakresu mechaniki kwantowej).
Bryła tantalitu – minerału zawierającego tantal. Źródło: anne-tipodees/Shutterstock

Występowanie i wydobycie tantalu


Tantal jest pierwiastkiem relatywnie rzadkim. Jego udział w skorupie ziemskiej szacuje się na 1-2 ppm całkowitej wagi - jest to ilość porównywalna z uranem. W czystej postaci jest w naturze spotykany dosłownie sporadycznie (jedynie w górach Ural oraz Ałtaj), ale za to występuje w całym wachlarzu minerałów. Najbardziej zasobny w tantal jest oczywiście tantalit (FeTa2O6), ale spore jego ilości znajdują się również w kolumbicie. W obu tych minerałach obecny jest razem z bardzo podobnym pod względem chemicznym niobem. Poza tym tantal odnajdywany jest także minerałach pirochlorowych.

Historycznie prym w produkcji tantalu wiodła przez wiele dekad Australia, ale wskutek globalnego kryzysu finansowego w 2008 r. część kopalni zamknięto. Obecnie największym producentem jest Rwanda, a w czołówce znajdują się również Demokratyczna Republika Kongo oraz Brazylia, gdzie tantal wydobywany jest wraz z niobem. Perspektywiczne złoża, które w razie potrzeby będą eksploatowane, odkryto także w Arabii Saudyjskiej, USA, na Grenlandii, w Chinach, Mozambiku czy Finlandii. Niestety, z obecnych szacunków wynika, że o ile nie zaczniemy tantalu recyklingować, jego zasoby wyczerpią się do 2060 roku!

Aby uzyskać czysty tantal należy go przede wszystkim odizolować od niobu. Proces ten odbywa się za pomocą rozpuszczalników w środowisku płynnym, po czym tantal redukowany jest do postaci proszku metalicznego. Alternatywna metoda produkcji wykorzystuje elektrolizę soli nasyconych tantalem lub redukcję jego związków z fluorkami.

Zastosowania tantalu


Mimo że wykorzystywany jest w małych ilościach, tantal zyskał sobie już renomę metalu o niezwykłym znaczeniu gospodarczym. Jego głównym zastosowaniem jest produkcja kondensatorów elektrolitycznych, czyli komponentów szerokiej gamy sprzętu elektronicznego. Tantalowe kondensatory znajdują się dziś w praktycznie każdym komputerze czy telefonie komórkowym – łatwo jest zrozumieć więc obawy o wyczerpanie zasobów tego unikalnego pierwiastka. Obecnie roczne zapotrzebowanie sięga ok. 2300 ton.

Jak inne metale przejściowe, tantal dodawany jest również do stopów celem zwiększenia ich siły, ciągliwości lub podwyższenia temperatury topnienia. W szczególności wykorzystywany jest do produkcji węglikowych narzędzi stosowanych w przemyśle metalurgicznym oraz nadstopów. Te ostatnie znajdują zastosowanie w konstrukcji silników odrzutowych, sprzęcie do laboratoriów chemicznych, reaktorach atomowych, zbiornikach metalowych, rurach czy pojazdach. Dzięki wysokiej ciągliwości tantal łatwo przerabiany jest na druty i włókna, które wykorzystuje się m.in. do odparowywania aluminium. Bardzo obiecujące jest również zastosowanie do konstrukcji implantów i protez medycznych – powłoka z tantalu nie poddaje się bowiem wpływowi płynów fizjologicznych.

Właściwości tantalu czynią go również perspektywicznym surowcem w wielu gałęziach nowoczesnej technologii. Już w przeszłości posłużył do ochrony sond kosmicznych Voyager 1 i 2 przed promieniowaniem. Doskonale sprawdza się też w roli elementu chroniącego przed korozją, a także wzmacniającego odporność broni i pojazdów militarnych. Niszowe zastosowania obejmują również produkcję ekskluzywnych zegarków oraz szkieł wykorzystywanych w aparatach fotograficznych.

Wpływ tantalu na zdrowie


Wykorzystanie tantalu w implantologii i protetyce wydaje się świadczyć o jego nieszkodliwości. Faktycznie, wspomniane zastosowania poprawiają jakość życia pacjentów na całym świecie, a na dodatek oferują korzyść w postaci kompatybilności z badaniami rezonansem magnetycznym. Nie oznacza to jednak, że tantal jest zupełnie bezpieczny dla zdrowia.

Ekspozycja w miejscu pracy – poprzez inhalację, kontakt ze skórą lub oczami – może stwarzać realne zagrożenie i dlatego organizacje zajmujące się BHP ustaliły już dozwolone normy środowiskowe. W skrajnie wysokich dawkach przekraczających 2500 mg/m3 tantal oficjalnie stanowi ryzyko dla zdrowia i życia. U gryzoni, którym podawano pierwiastek drogą wziewną zaobserwowane masywne zmiany w płucach. Na szczęście, taki poziom ekspozycji jest mało realny dla ogromnej większości społeczeństwa.
Tantal wykorzystywany jest m.in. w płytkach obwodu drukowanego. Źródło: KPixMining/Shutterstock

Tantal a ekologia


Niewiele wiemy o koncentracji tantalu w środowisku naturalnym – stężenie pierwiastka w wodach morskich i śródlądowych szacowane jest na bardzo niskie. Nieco więcej metalu odkryto w glebie, ale jego obecność nie wydaje się mieć związku z działalnością człowieka. Aktualne dane nie wskazują więc na potencjalne zagrożenie związane z eksploatacją i wykorzystaniem tantalu w przemyśle. Naukowcy przyznają jednak, że nie wszystko o tantalu jeszcze wiemy i rozumiemy.
Ekologia.pl (Agata Pavlinec)

Bibliografia

1. „Tantalum” Britannica, https://www.britannica.com/science/tantalum, 25/07/2022
2. “Tantalum” Royal Society of Chemistry, https://www.rsc.org/periodic-table/element/73/tantalum, 25/07/2022
3. “5 Interesting Facts About Tantalum” Advanced Refractory Metals, https://www.refractorymetal.org/facts-about-tantalum/, 25/07/2022
4. “Tantalum Facts (Atomic Number 73 and Element Symbol Ta)” Anne Marie Helmenstine, https://www.thoughtco.com/tantalum-facts-606600, 25/07/2022
5. “Tantalum – Ta” Lenntech, https://www.lenntech.com/periodic/elements/ta.htm, 25/07/2022

Ocena (3.9) Oceń: