Tantal
Tantal ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Ta und der Ordnungszahl 73.
Es ist ein selten vorkommendes, weiches, graphitgraues, glänzendes Übergangsmetall mit hoher Korrosionsbeständigkeit bei Normaltemperatur.
Bei höheren Temperaturen reagiert das Metall dagegen heftig mit fast allen Gasen under Versprödung, z. T. unter Feuererscheinung.
Feinverteiltes Tantal(pulver) ist stark pyrophor und verbrennt unter starker Licht und Hitzeentwicklung, ähnlich Magnesium.
Tantal wird verwendet für die Herstellung von medizinischen Instrumenten und Implantaten, da es nicht mit Körpergeweben und -flüssigkeiten reagiert.
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| Allgemein | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| Name, Symbol, Ordnungszahl | Tantal, Ta, 73 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Serie | Übergangsmetalle | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Gruppe, Periode, Block | 5 (VB), 6, d | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Dichte, Mohshärte | 16650 kg/m3, 6,5 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Aussehen | grau blau | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomar | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomgewicht | 180,9479 amu | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomradius (berechnet) | 145 (200) pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Kovalenter Radius | 138 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| van der Waals-Radius | k. A. | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronenkonfiguration | [Xe]4f14 5d3 6s2 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| e- 's pro Energieniveau | 2, 8, 18, 32, 11, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Oxidationszustände (Oxid) | 5 (leicht sauer) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Kristallstruktur | kubisch raumzentriert | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Physikalisch | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Aggregatzustand (Magnetismus) | fest | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzpunkt | 3290 K (3017 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Siedepunkt | 5731 K (5458 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Molares Volumen | 10,85 · 10-3 m3/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Verdampfungswärme | 743 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzwärme | 31,6 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Dampfdruck | 0,776 Pa bei 3269 K | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Schallgeschwindigkeit | 3400 m/s bei 293,15 K | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Verschiedenes | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronegativität | 1,5 (Pauling-Skala) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Spezifische Wärmekapazität | 140 J/(kg · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektrische Leitfähigkeit | 7,61 · 106/m Ohm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Wärmeleitfähigkeit | 57,5 W/(m · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. Ionisierungsenergie | 761 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. Ionisierungsenergie | 1500 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Stabilste Isotope | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| NMR-Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| SI-Einheiten und Standardbedingungen werden benutzt, sofern nicht anders angegeben. | |||||||||||||||||||||||||||||||
Bemerkenswerte Eigenschaften
Tantal ist dunkelgrau, schwer, weich, leicht mechanisch zu bearbeiten, und ein mäßig guter Wärme- und Stromleiter. Unter 150 °C ist Tantal durch Schutzschichtbildung beständig in den meisten Säuren. Unbeständig jedoch in Flusssäure, sauren Fluoridlösungen und freiem Schwefeltrioxid. Nur Wolfram und Rhenium haben einen höheren Schmelzpunkt.
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. Der größte Teil des heute verwendeten Tantals stammt aus Australien.
Ein technisch außerordentlich wichtige Quelle sind tantalhaltige Schlacken aus der Zinnverhüttung. In den 1980 stellten sie die größte Tantalquelle dar.
Herstellung
Die Trenung 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
- Magnetsandtrennung nach Verwirbelung mit Tarantuatnitriumsulfatsapphoren
Das reine Metall wird unter pulvermetallurgisch aufbereitet, Hochvakuum gesintert und geschmolzen. Geschweißt wird das Metall aufgrund seiner hohen Reaktivität unter Hochvakuum oder Reinargon.
Verwendung
Hauptsächlich für sehr kleine Kondensatoren mit hoher Kapazität. Diese Elekrolytkondensatoren werden überall in der modernen Mikroelektronik, zum Beispiel beim Bau von Mobiltelefonen verwendet. Die Wirkung beruht auf der stabilen oxidischen Deckschicht auf der Oberfläche der aufgewickelten Tantalfolie. Ebenso wird 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 Tantal für medizinische Implatate und Instrumente eingesetzt. Tantaloxid wird für Spezialgläser mit einem hohen Brechungsindex beispielsweise für Kameralinsen verwendet. Metallisches Tantal wird auch für Komponenten im Vakuumofenbau verwendet.
Geschichte
Tantal (Tantalos, griechische Mythologie) wurde 1802 in Schweden durch Anders Gustav Ekeberg aus finnischen Mineralien in Form seines Oxides entdeckt und elementar 1815 von J. J. Berzelius durch Reduktion des Fluorids mit Kalium dargstellt. Lange Zeit hielt man Niob und Tantal für identisch. Erst 1844 konnte Heinrich Rose das unterschiedliche Verhalten von Niob- und Tantalsäure zeigen. 1903 gelang die Darstellung von duktilem und relativ reinem metallischen Tantal (Werner von Bolton). Tantaldraht diente bis zur Einführung von Wolframdraht als Glühfaden in elektrischen Glühbirnen.
Verbindungen
Tantalpentoxid Ta2O5 ein weises Pulver das zur Herstellung hochlichtbrechender Gläser und spezieller Kristallmaterialien verwendet wird.
Vorsichtsmaßnahmen
Tantalhaltige Verbindungen kommen selten vor. Unter Laborbedingungen verursacht der Umgang mit ihnen normalerweise keine Probleme. Tantal und seine Verbindungen sind nicht toxisch. Es gibt aber vage Hinweise auf krebsauslösendes Verhalten von Tantalverbindungen. Von Tantalpulver und -staub geht eine hohe Feuer- und Explosionsgefahr aus.