Tantal
| Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Allgemein | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Name, Symbol, Ordnungszahl | Tantal, Ta, 73 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Serie | Übergangsmetalle | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gruppe, Periode, Block | 5 (VB), 6, d | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Aussehen | grau blau | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Massenanteil an der Erdhülle | 8 · 10-4 % | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomar | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atommasse | 180,9479 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomradius (berechnet) | 145 (200) pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kovalenter Radius | 138 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| van der Waals-Radius | k. A. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronenkonfiguration | [Xe]4f145d36s2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronen pro Energieniveau | 2, 8, 18, 32, 11, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Oxidationszustände (Oxide) | 5 (leicht sauer) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Normalpotential | -0,750 V (½Ta2O5 + 5H+ + 5e- → Ta + 2½H2O) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronegativität | 1,5 (Pauling-Skala) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. Ionisierungsenergie | 761 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. Ionisierungsenergie | 1500 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Physikalisch | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Aggregatzustand | fest | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Modifikationen | - | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kristallstruktur | kubisch raumzentriert | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dichte (Mohshärte) | 16650 kg/m3 (6,5) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Magnetismus | - | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzpunkt | 3290 K (3017 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Siedepunkt | 5731 K (5458 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Molares Volumen | 10,85 · 10-6 m3/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Verdampfungswärme | 743 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzwärme | 33,7 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dampfdruck | 0,776 Pa bei 3269 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schallgeschwindigkeit | 3400 m/s bei 293,15 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Verschiedenes | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Spezifische Wärmekapazität | 140 J/(kg · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektrische Leitfähigkeit | 7,61 · 106 S/m | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Wärmeleitfähigkeit | 57,5 W/(m · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Isotope | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| NMR-Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Tantal ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Ta und der Ordnungszahl 73.
Es ist ein selten vorkommendes, duktiles, graphitgraues, glänzendes Übergangsmetall mit hoher Korrosionsbeständigkeit bei Normaltemperatur.
Bei höheren Temperaturen reagiert das Metall dagegen heftig mit fast allen Gasen unter Versprödung, zum Teil unter Feuererscheinung. Feinverteiltes Tantal(pulver) ist stark pyrophor und verbrennt unter starker Licht- und Hitzeentwicklung, ähnlich Magnesium. Tantal wird für die Herstellung von medizinischen Instrumenten und Implantaten verwendet, da es nicht mit Körpergeweben und -flüssigkeiten reagiert.
Geschichte
Tantal (Tantalos, griechische Mythologie) wurde 1802 in Schweden durch Anders Gustav Ekeberg (1767-1813)aus finnischen Mineralien in Form seines Oxides entdeckt und elementar 1815 von J. J. Berzelius durch Reduktion des Fluorids mit Kalium dargestellt. Lange Zeit hielt man Niob und Tantal für identisch. Erst 1844 konnte Heinrich Rose das unterschiedliche Verhalten von Niob- und Tantalsäure zeigen. Seinen Namen erhielt es in Anlehnung an die griechische Mythologie, da es unter der Säure "schmachten muss und seinen Durst nicht löschen kann, wie Tantalos in der Unterwelt". (Weil Ta2O5 mit Säuren keine Salze bildet.) 1903 gelang die Darstellung von duktilem (siehe "duktil") und relativ reinem metallischen Tantal (Werner von Bolton). Tantaldraht diente bis zur Einführung von Wolframdraht als Glühfaden in elektrischen Glühbirnen.
Vorkommen
Fast ausschließlich in Afrika und Australien. Im Kongo, Südafrika und Namibia als in Pegmatite eingelagerte Minerale Columbit und Tantalit, trivial als Coltan bezeichnet. Die Tantalkonzentration ist sehr gering. Bis zu achtzig Prozent des heute verwendeten Tantals stammen aus dem Kongo.
Eine technisch außerordentlich wichtige Quelle ist tantalhaltige Schlacke aus der Zinnverhüttung. In den 1980ern stellte sie die größte Tantalquelle dar.
Gewinnung und Darstellung
Die Trennung von Niob und Tantal ist aufgrund des ähnlichen Verhaltens der beiden Elemente sehr aufwändig.
Großtechnisch stehen mehrere Wege offen:
- Elektrolyse von geschmolzenem Kaliumfluorotantalat
- Reduktion von Kaliumfluorotantalat mit Natrium
- Reaktion von Tantalkarbid mit Tantaloxid
Das reine Metall wird unter Hochvakuum pulvermetallurgisch aufbereitet, gesintert und geschmolzen.
Geschweißt wird das Metall aufgrund seiner hohen Reaktivität unter Hochvakuum oder Reinargon.
Eigenschaften
Tantal ist dunkelgrau, schwer, weich und mechanisch leicht zu bearbeiten. Es leitet Wärme und Strom mäßig gut. Unter 150 °C ist Tantal durch Schutzschichtbildung beständig gegen die meisten Säuren; Ausnahmen sind Flußsäure, saure Fluoridlösungen und freies Schwefeltrioxid. Nur Wolfram und Rhenium haben einen höheren Schmelzpunkt. Legieren lässt sich Tantal sehr gut mit Wolfram und anderen hochschmelzenden Metallen; nicht legieren läßt es sich zum Beispiel mit Kupfer.
Verwendung
Tantal wird hauptsächlich für sehr kleine Kondensatoren mit hoher Kapazität verwendet. Diese Elektrolytkondensatoren werden überall in der modernen Mikroelektronik, zum Beispiel beim Bau von Mobiltelefonen verwendet. Die Wirkung beruht auf der selbst in sehr dünner Ausführung noch stabilen und sicher isolierenden oxidischen Deckschicht auf der Oberfläche der aufgewickelten Tantalfolie. Je dünner die Schicht zwischen den Elektroden ist, desto höher wird die Kapazität bei gleichbleibender Folienfläche, zudem hat Tantaloxid eine extrem hohe Permittivität, die ebenfalls die Kapazität erhöht.
Ebenso wird elementares Tantal zur Herstellung von hochschmelzenden und hochfesten Legierungen eingesetzt. Als Legierungszusatz wird es zur Herstellung karbidhaltiger Werkzeug- und Schneidstähle, zur Herstellung von Superlegierungen für den Einsatz in Gasturbinen, für Ausrüstungskomponenten in der chemischen Prozessindustrie, Komponenten in Nuklearreaktoren und für Raketenteile verwendet. Als duktile Legierung kann Tantal zu Feindraht gezogen werden.
Einsatz findet das Metall in der Chemischen Industrie, im Spezialapparatebau in Form einer 95 % Legierung mit Wolfram zur Festigkeitssteigerung.
Wegen seiner Immun-Neutralität und nicht reizenden Eigenschaften gegenüber Körpergeweben wird elementares Tantal für medizinische Implatate und Instrumente eingesetzt. Tantaloxid wird für Spezialgläser mit einer hohen Brechzahl, beispielsweise für Kameralinsen verwendet. Metallisches Tantal wird auch für Komponenten in der Hochvakuumtechnik und im Vakuumofenbau verwendet.
Tantal eignet sich auch als Strahlenschutzmaterial zum Schutz vor ionisierender Strahlung.
Die guten technischen Eigenschaften, die vielfältige Verwendbarkeit und die sich daraus ergebende hohe Nachfrage, sowie die problematische Liefersituation, ließen den Preis für Tantal in den letzten Jahren explodieren, so daß heute mit aktuellen Preisen um 1000 €/kg zu rechnen ist.
Sicherheitshinweise
Tantalhaltige Verbindungen kommen selten vor. Unter Laborbedingungen verursacht der Umgang mit ihnen normalerweise keine Probleme. Elementares Tantal und seine Verbindungen sind nicht toxisch. Es gibt aber vage Hinweise auf krebsauslösendes Verhalten einiger Tantalverbindungen. Von Tantalpulver und -staub geht wie auch bei anderen fein verteilten Metallen eine hohe Feuer- und Explosionsgefahr aus.
Verbindungen
Tantalpentoxid Ta2O5 ist ein weißes Pulver, das zur Herstellung hochlichtbrechender Gläser und spezieller Kristallmaterialien verwendet wird.
