73, Tantal (Ta)

Tantalos (gr. Mythologie)

Das Element Tantal:

         
  Zr Nb Mo  
  Hf Ta W  
  Rf Db Sg  
         
 
   
   
   
   
   
   
   
Natürliche Entstehung von Tantal (Nukleosynthese): Natürliches Tantal besteht zu 99,988% aus dem Isotop Ta-181, welches durch s- und r-Prozesse aus Eisen-56 durch sukzessiven Neutroneneinfang entsteht. Zu 0,012% besteht Tantal aus dem Isotop Ta-180 in einer angeregten Form (Energie-Inhalt: 771 keV). Dieses ist stabil, und damit das einzige primordial noch vorkommende Kernmesomere. Auch neuere Untersuchungen zeigen keine Hinweise für Radioaktivität.[1] Im Grundzustand zerfällt Ta-180 mit einer Halbwertszeit von etwas mehr als 8 Stunden teilweise (86%) zu Hafnium-180, teilweise (14%) zu Wolfram-180.

Es wird vermutet, dass es in geringen Spuren unmittelbar nach Supernova-Explosionen gebildet wird, wenn Hf-180 starken Neutrinoflüssen bei gleichzeitig hoher Dichte von γ-Quanten ausgesetzt wird. Die Bildung aus einem p-Prozess heraus ist jedenfalls nicht möglich, da hierzu die Kernmasse von 180 zu hoch ist.

Die Tantal-Synthese:
180mTa-Synthese:
(ν-Prozess?)

180Hf + 0,929 MeV + ν → 180mTa + β- + ν

181Ta-Synthese:
(s,r-Prozesse):

180Hf + n → 181Ta + β- + 6,72 MeV

56Fe + 125n → 181Ta + 47β- + 997 MeV

Das meiste gebildete Tantal reagiert infolge anschließender s-Prozesse weiter zu Wolfram oder Rhenium. Dies gilt für beide Isotope: Ta-181 hat einen Neutroneneinfangquerschnitt von 20 barn, Ta-180m von 700 barn. Dies erklärt auch, warum die beiden Nuklide so selten sind.
Vorkommen von Tantal: Tantal ist das seltenste nichtradioaktive Element im Universum, und kommt durchschnittlich zu 80 ng/kg in der Materie vor (Rang 83). Irdisch ist es aufgrund seiner Affinitäten zu Sauerstoff und Niob stark angereichert, und mit durchschnittlich 2 mg/kg etwas seltener als das Zinn (Rang 53).

Seine mineralischen Vorkommen sind ausschließlich in Vergesellschaftung mit Niob; die wichtigsten Erze sind Tantalit, Columbit und Pyrochlor. Diese Erze bezeichnet man häufig auch als Coltan (Columbium-Tantal-Erze). Wie auch das Niob kommt es in einigen Seltenerd-Mineralien vor, so etwa im Euxenit oder im Samarskit.

Wichtige Tantal-Niob-Mineralien

Columbit (Mg|Mn|Fe)(Nb|Ta)2O6[2]

Tantalit(Mg|Mn|Fe)(Ta|Nb)2O6[2]

Pyrochlor (Na2|Ca)(Nb|Ta)2O6(OH|F)[2]

Y-Samarskit (Y|Fe|U)(Nb|Ta)O4[2]

Euxenit (Y|Ca|Ce|U|Th)(Nb|Ta|Ti)2O6[2]


Tantal-Gewinnung: Die Gewinnung des Metalls erfolgt aus tantal- und niobhaltigen Mineralien bzw. Erzen (Coltan). Da das Tantal stets vergesellschaftet mit Niob vorkommt, müssen die beiden Metalle voneinander getrennt werden.

Aufschluss der Mineralien. Zunächst werden die Mineralien schwefelsauer aufgeschlossen. Der verbliebene Rückstand wird dann stark alkalisch gemacht und ausgekocht. Bei diesen beiden Schritten gehen praktisch alle Elemente mit Ausnahme von Niob und Tantal in Lösung. Der Rückstand wird gewaschen und in einem Gemisch aus Schwefelsäure und Fluorwasserstoffsäure gelöst.

Fraktionierende Umkristallation. Früher (vor 1955) trennte man Tantal von Niob durch fraktionierende Kristallisation: Zu der wässrigen Fluorwasserstoff-Lösung wurde Kaliumfluorid zugegeben, wodurch sich schwerer lösliches Dikaliumheptafluoridotantalat (K2TaF7) sowie leichter lösliches Dikaliumoxypentafluoridoniobat (K2NbOF5) bildete. Diese konnten nun durch wiederholendes Lösen und Ausfällen voneinder getrennt werden.

Fraktionierende Extraktion. Seit 1955 bedient man sich des komfortableren Verfahrens, beide Fluoride nacheinander in MIBK (Methylisobutylketon) zu extrahieren. Man schüttelt hierzu die wässrige Lösung der beiden Fluoride gegen MIBK aus, wobei zunächst das Niobfluorid in die organische Phase übergeht, nach Herabsetzen des pH-Werts auch das Tantalfluorid.[3]

Die bei diesen beiden Verfahren erhältlichen Fluoride werden dann mit Hilfe von Ammoniak zu den Oxiden hydrolysiert. Diese werden dann unter Zuschlag von Kohle bei über 2000°C zu den Metallen reduziert. Dabei läuft die Reduktion wahrscheinlich über die Zwischenstufe der Bildung von Niobcarbid ab, welches sich dann in einem Folgeschritt mit noch vorhandenem Nioboxid zum Niob und Kohlenmonoxid umsetzt. Alternativ können die Fluoride auch direkt mit Natrium reduziert werden.

Fraktionierende Destillation der Chloride. Alternativ kann man Niob und Tantal auch dadurch voneinander separieren, indem man zunächst das Oxidgemisch einer reduktiven Chlorierung unterzieht, und sich dann die unterschiedlichen Siedepunkte der Pentachloride zur Trennung zunutze macht. Die Chloride können dann mit Natrium bei 800°C direkt zu den Metallen reduziert werden.

Formeln zur Ta-Gewinnung:
Aufschluss von Columbit:

(Mg|Mn|Fe)(Nb|Ta)2O6 + H2SO4
(Mg|Mn|Fe)SO4 + (Nb|Ta)2O5↓ + H2O
Lösen des Rückstandes in Fluorwasserstoffsäure
und Reduktion des K2TaF7 mit Natrium:

(Nb|Ta)2O5 + 10 HF → 2(Nb|Ta)F5 + 5 H2O
K2TaF7 + 5Na → 2KF + 5NaF + Ta
Reduzierende Chlorierung der Oxide
und Reduktion mit Natrium:

(Nb|Ta)2O5 + 5C + 5Cl2 → 2(Nb|Ta)Cl5 + 5CO
NbCl5 + 5Na → Nb + 5NaCl bzw.
TaCl5 + 5Na → Ta + 5NaCl
Reduktion des Oxids zum Metall:

5Ta2O5 + 35C → 10TaC + 25CO↑
10TaC + 2Ta2O5 → 14Ta + 10CO↑
(Gesamtreaktion: Ta2O5 + 5C → 2Ta + 5CO↑)


Darstellung von Reinsttantal: Tantal kann gleich Titan, Zirconium, Vanadium oder Hafnium mit dem Van-Arkel-de-Boer-Verfahren zu Crystal-Bars höchster Reinheit aufbereitet werden. Kompaktes Metall erhält man dann durch Umschmelzen im Lichtbogenofen.

Bilder zur Darstellung von Tantal

Van-Arkel-de-Boer-Verfahren[4]

Tantalmetall[5]

Schema zur Tantal-Darstellung[6]


Chemie von Tantal: Tantal reagiert aufgrund seiner Elektronenkonfiguration sehr bevorzugt in der Oxidationsstufe +5. Daneben gibt auch Verbindungen, in welchen Tantal in den Oxidationsstufen +3 oder +4 vorliegt; diese sind aber noch stärker als die entsprechenden Niobverbindungen zur Oxidation zu Ta(V) bestrebt.

Tantal ist aufgrund seines negativen Normalpotenzials als unedeles Metall anzusehen; es passiviert sich jedoch mit einer kompakten Oxidschicht derart, dass es in kompakter Form bei Raumtemperatur beständiger gegen Chemikalien ist als Gold.

Reaktionen an der Luft. Bis 250°C ist Tantal vollkommen gegen Luftsauerstoff und Stickstoff beständig. Oberhalb dieser Temperatur oxidiert es sich jedoch rasch zu Tantalpentoxid (Ta2O5), bei Temperaturen der Weißglut wird auch mit dem Stickstoff ein sehr hartes und hochschmelzendes Tantalnitrid (TaN) gebildet.

4Ta + 5O2 → 2Ta2O5 + 3940 kJ


Reaktionen mit Wasser, Säuren und Laugen. Gegen Wasser und Wasserdampf ist das Metall inert. Mit Ausnahme von Flusssäure, Fluorid-Lösungen und Oleum ist Tantal gegen alle Säuren sowohl in der Kälte als auch in der Hitze beständig. Von wässrigen Alkalien wird das Metall in der Kälte nicht, in der Hitze oberhalb pH 11 schwach angegriffen. Schmelzen von Alkalihydroxid oder Alkalicarbonat setzen das Tantal jedoch unter Wasserstoffentwicklung zu Tantalaten (TaO3-, TaO43-) um. Auch oxidierende Salzschmelzen sind in der Lage, das Metall zu korrodieren. In Wasser sind diese zumeist unlöslich, mit Säure hydrolysieren sie vollständig zu hydratisiertem Tatanpentoxid, welches im frischen Zustand in Säuren und Läugen löslich ist.

Wässrige Tantalchemie. Ähnlich wie bei seinem leichteren Homologen Niob existieren auch von Tantal keine Kationen in wässriger Lösung. Selbst bei kleinsten pH-Werten sind keine Ionen wie etwa Ta3+, TaO2+ oder TaO2+ darstellbar, da diese sofort und vollständig zu Ta2O5 hydrolysieren. Anionisch gelingt die Darstellung von wasserlöslichen Fluorido-Komplexen wie etwa TaF6- oder TaF72-.

Reaktion mit Halogenen. Tantal wird erst bei Temperaturen oberhalb von 300°C von Halogenen angegriffen. Mit Fluor, Chlor, Brom und Iod bilden sich dabei die Pentahalogenide (TaX5, X=F, Cl, Br, I).

Tantal und Wasserstoff. Tantal ist in der Lage, bei beginnenender Gelbglut pro Raumteil bis zu 780 Raumteile Wasserstoff aufzunehmen. Hierbei versprödet das Metall derart, dass es sich pulvern lässt. Bei der Temperatur der Weißglut gibt Tantal den Wasserstoff langsam wieder ab. Die Diffusion von Wasserstoff inj das Metall findet langsam auf bei Raumtemperatur statt, weswegen man Tantal nicht als Anode in wässrigen Lösungen verwenden darf.

Tantalcarbid wird aus Tantal- und Rußpulver oder besser durch Reduktion von Tantalpentoxid und Kohlenstoff gewonnen. Es hat eine Mohshärte von ca. 9,5 und ist damit beinahe so hart wie Diamant. Tantalcarbid schmilzt erst oberhalb 3880°C. Es gehört damit zusammen mit Hafniumcarbid und Tantalhafniumcarbid zu den Stoffen, mit der derzeit höchsten bekannten Schmelztemperatur.
Physikalische Besonderheiten von Tantal bzw. von seinen Verbindungen: Supraleitfähigkeit. Tantal zeigt unterhalb einer Temperatur von 4,483 Kelvin keinerlei elektrischen Widerstand mehr. Auch Tantalcarbid wird unterhalb einer Sprungtemperatur von 11K supraleitfähig. In der untenstehenden Tabelle sind einige Legierungen mit Tantal angeführt, die ebenfalls supraleitfähige Eigenschaften aufweisen.

FormelTc FormelTc
Ta4,483K TaC11,0K
TaV23,6K TaN8,9K
Verwendung von Tantal und seinen Verbindungen : Tantal und seine Legierungen:
  • Mikroelektronik. Hier ist Tantal ein essentieller Bestandteil geworden, da aus ihm sehr kleine und gleichzeitig sehr leistungsfähige Kondensatoren gefertigt werden. Da das Metall recht teuer ist, wird beispielsweise im Kongo ein blutiger Krieg um diese Resourcen geführt.

  • Prothesen und Implantate. Als korrosionsfreier, ungiftiger und gut verträglicher Werkstoff ist Tantal optimal zur Fertigung von Prothesen, Knochenimplantate, Knochennägel usw. geeignet.

  • Superlegierungen. Legierungen aus Eisen, Kobalt, Nickel und Tantal (Niob, Titan) haben besonders gute Härteeigenschaften, superlative thermische Beständigkeiten sowie sehr gute Korrosionsbeständigkeiten. Daher werden diese - überaus teuer herzustellenden - Legierungen in Luft- und Raumfahrt sowie in Turbinen eingesetzt.

  • Labortechnik/Chemietechnik. Aufgrund seiner guten Beständigkeit gegen zahlreiche aggressiven Medien können aus Tantal oder Tantallegierungen Reaktoren oder chemische Apperaturen gebaut werden, die überall dort Einsatz finden können, wo die Eigenschaften von Glas oder Keramik nicht ausreichend sind.

Tantalverbindungen:
  • High-k-Dielektrikum: Aufgrund seiner hohen Permittivität (=Durchlässigkeit für elektrische Felder) können aus dem Tantalpentoxid Schichten auf Dielektrika mit relativ geringen Stromverbrächen bei gleichzeitig hohen Schaltgeschwindigkeiten hergestellt werden.[7]

  • Optische Gläser Aufgrund seines hohen Brechungsindexes als wesentlichen Bestandteil für hochlichtbrechenden Gläsern verwendet werden.

  • Schneidwerkzeuge mit sehr hoher Härte und sehr guter Temperaturbeständigkeit werden aus Tantalcarbid oder aus Tantalhafniumcarbid gefertigt werden (siehe auch unter Physik).

  • Tantalnitride sind recht gut beständig gegen reaktive flüssige Metalle, wie z.B. Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Lanthanoide und Actinoide. Daher werden aus Tantalnitrid Schmelztiegel gefertigt. Daneben findet es aber auch Verwendung in der Solarzellenherstellung und der Mikrochiptechnik.
Verwendungsmöglichkeiten von Tantal und seinen Verbindungen

Kondensator[8]

Knochennagel[9]

Turbinenschaufel aus
einer Nickel-Superlegierung[10]


Biologische Bedeutung von Tantal: Tantal hat keine bekannten biologischen Funktionen. Da es in elementarer, kompakter Form weder toxisch noch in irgendeiner Form biologisch aktiv ist, können Knochenprothesen aus Tantal gefertigt werden.
Sonstiges: In der Tabelle sind einige Eigenschaften zwischen Niob und Tantal vergleichend gegenüber gestellt:

CHEMISCHE EIGENSCHAFTEN Nb Ta
Metall-Atomradius (KZ6) 1,43 Å 1,43 Å
Ionenradius (+5, Shannon, KZ6) 0,78 Å 0,78 Å
Elektronenkonfiguration (Kr)5s24d3 (Xe)6s24f145d3
1. Ionisierungenergie 6,76 eV 7,89 eV
Elektronegativität (Allred-Rochow) 1,23 1,33
Normalpotenzial (E/E2O5, sauer) -0,644 V -0,812 V
Bildungsenthalpie E2O5: -1901 kJ/mol -1970 kJ/mol
 
PHYSIKALISCHE EIGENSCHAFTEN Nb Ta
Atommasse: 92,906 u 180,947 u
Dichte (ρ, 20°C) 8,57 g/cm3 16,65 g/cm3
Molvolumen (20°C) 10,84 cm3 10,87 cm3
Schmelzpunkt / Siedepunkt: 2477°C / 4744°C 3017°C / 5458°C
Kristallsystem (20°C): hexagonal hexagonal
Vickershärte: 1320 MPa 873 MPa
Quellen: [1] Quelle: NASA ADS. http://adsabs.harvard.edu

[2] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Rob Lavinsky. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[3] Holleman-Wiberg. Lehrbuch der anorganischen Chemie, 102. Auflage. Seite 1553, Niob und Tantal, Darstellung.

[4] Bildquelle: Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.

[5] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Jurii. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[6] Bildquelle: Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen. Das Bild enthält zwei Bilder, die ebenfalls unter der Creative Commons Lizenz freigegeben wurden: Sequenz Tantalpentachlorid: Urheber W. Oelen; Sequenz Tantalmetall: Urheber Jurii (siehe [5]).

[7] Wikipedia: Artikel Tantal(V)oxid, High-k-Dielektrikum und Permittivität.

[8] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Elcap Jens Both. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[9] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Bullenwächter. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[10] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Stahlkocher. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.