4Та+5О2 = 2Та2О5,
с галогенами (250 — 300°С):
2Ta + 5Cl2 = 2TaCl5,
с серой
Ta + 2S = TaS2
и даже с азотом (при накаливании до 600о С в токе азота):
2Ta +N2 = 2TaN
Металлический тантал же устойчив в подавляющем большинстве агрессивных сред. На него не действуют никакие кислоты и даже «царская водка». Исключение составляет лишь плавиковая кислота H2F2, но это из-за присутствия в ней иона фтора. Очень слабо действуют на него даже расплавы щелочей.
Секрет устойчивости металлического тантала состоит в том, что на его поверхности всегда имеется тонкая, но прочнейшая пленка оксида Ta2O5. Если вещество или соединение может вступать во взаимодействие с этой пленкой или проникать сквозь нее, то оно будет разрушать металл, а если нет, то тантал будет сохранять свою «неприступность». К реагентам, обладающим разрушительной способностью, относятся: ионы фтора, оксид серы (VI) да еще расплавы щелочей. Эта же пленка препятствует протеканию электрического тока от металла в раствор при электролизе (когда танталовый электрод служит анодом). Поэтому тантал используется в электронной технике для изготовления выпрямителей тока.
В отсутствие кислорода и азота тантал устойчив ко многим жидким металлам. Обескислороженный металлический натрий не действует на него даже при 1200°С, магний и сплавы — уран-магний и плутоний-магний — при 1150°С. Это позволяет использовать тантал для изготовления некоторых деталей ядерных реакторов.
Тантал способен поглощать довольно значительные количества (до 1%) водорода, кислорода и азота. Происходит процесс, который называется абсорбцией, — явление поглощения какого-либо вещества всем объемом поглотителя без образования прочных соединений. Подобный процесс обратим. Поглощенный водород при нагревании металла в вакууме при 600°С весь выделяется. Металл, которому водород придал хрупкость, восстанавливает свои прежние механические качества. Свойством тантала растворять газы пользуются, когда вводят его в качестве добавки в сталь.
При. повышенной температуре происходит образование соединений. При 500°С могут существовать гидриды Та2Н или ТаН в зависимости от содержания водорода в металле. Выше 600 — 700°С при взаимодействии с кислородом возникает оксид Та2О5, примерно при такой же температуре идет реакция с азотом — появляется нитрид тантала TaN. Углерод при высокой температуре (1200—1400°С) соединяется с танталом, давая ТаС — тугоплавкий и твердый карбид.
В расплавленных щелочах тантал окисляется с образованием солей танталовой кислоты, которые скорее можно считать смешанными оксидами 4Na2O.3Та2О5.25Н2О; 4К2О.3Та2О5.16Н2О. В плавиковой кислоте тантал растворяется с образованием фторидных комплексов типа [ТаF6]-, [TaF7]2-, [TaF8]3-. Так как комплексы неустойчивы и гидролизуются, то в растворе находятся комплексы - продукты гидролиза [ТаОF5]2-, [TaOF6]3-.
IV.3. Химия танталовых соединений
Соединения тантала повторяют довольно близко свойства таких же образований ниобия. В основном известны соединения, где тантал имеет степень окисления +5. Однако при действии восстановителей могут возникать вещества с более низкими степенями окисления этого элемента. Наиболее хорошо изучены оксид Ta2O5 и пятигалогениды TaF5 и TaCl5, так как именно из них получают металл в свободном состоянии:
3Та2О5 + 10А1 = 5А12О3 + 6Та;
2TaCl5 = Ta + 5Cl2;
K2TaF7+5Na = Ta + 5NaF + 2KF
Оксид тантала (V) —белый порошок, нерастворимый ни в воде, ни в кислотах (кроме H2F2). Очень тугоплавкий (tпл = 1875°С). Кислотный характер оксида выражен довольно слабо и в основном проявляется при реакции с расплавами щелочей:
Та2О5 + 2NаОН = 2NаТаО3 + Н2О
или карбонатов:
Та2О5 + 3Nа2СО3 = 2Nа3ТаО4 + 3СО2
В основном оксид тантала (V) повторяет свойства аналогичного соединения ниобия. Поэтому я покажу их отличия друг от друга. Отличие первое— температура плавления оксида тантала (V) на 400°С выше, чем у оксида ниобия (V). Отличие второе - Ta2O5 (плотность 8,71 г/см3) почти в два раза тяжелее Nb2O5 (4,55 г/см3). Такое большое различие позволяет ориентировочно оценить состав смеси по ее плотности. Отличие третье — сплавление с карбонатом натрия в случае оксида тантала происходит труднее. Отличие четвертое — соли «танталовой кислоты» и щелочных металлов гидролизуются сильнее ниобатов. Уже при значении рН=6 (т. е. при концентрации ионов водорода 10~6 моль/л) происходит выделение студенистого осадка так называемой «танталовой кислоты». Однако она даже свежеприготовленная не растворяется ни в соляной, ни в азотной кислотах и в этом не похожа на ниобиевую. Пятое отличие — гель оксида тантала (V) легче, чем гель оксида ниобия (V), отщепляет воду. После удаления всей воды масса накаляется из-за мгновенной кристаллизации.
Соли, содержащие тантал в состоянии окисления -4, -5, могут быть нескольких видов: метатанталаты NaTaO3, ортотанталаты Nа3ТаО4, но существуют полиионы пента-и гекса-, кристаллизующиеся вместе с молекулами воды, [Ta5O16]7- и [Ta6O19]8-. Эти формы позволяют проводить аналогию не только с ниобием, но и с элементами главкой подгруппы—фосфором и мышьяком. С ниобием аналогия более полная, так как пятизарядный тантал образует при реакциях с кислотами катион ТаО3+ и соли ТаО(NО3)3 или Nb2О5(SO4)3, продолжая «традицию» побочной подгруппы, введенную ионом ванадия VO2+.
При 1000°С Ta2O5 взаимодействует с хлором и хлороводородом:
Та2O5+ 10НС1==2ТаС15+5Н2О
Следовательно, можно утверждать, что и для оксида тантала (V) характерна амфотерность с превосходством кислотных свойств над свойствами основания.
В технике Та2O5 получают из двойного фторидя 2KF.TaF5 разложением его разбавленной серной кислотой:
2K2TaF7 + 2H2SO4 + 5H2O = Ta2O5 + 2K2SO4 + 14HF
Полученная таким способом студенеобразная масса загрязнена адсорбируемыми из раствора веществами. В чистом виде оксид получают прокаливанием металла в токе кислорода или окислением соединений, например карбидов:
4ТаС+9О2 = 2Та2О5+4СО2
Чистый Ta2O5 не изменяется при прокаливании на воздухе, в атмосфере сероводорода и парах серы. Соединения почти все производятся от оксида тантала (V). Известны соединения и меньшей степени окисления, но они менее стабильны. При высокой температуре в смеси с углем оксид тантала (V) превращается вТаО2 :
2Та2O5 + С = 4ТаО2 + СO2
Гидроксид, соответствующий оксиду тантала (V), получается нейтрализацией кислых растворов четырехлористого тантала. Эта реакция, также, подтверждает неустойчивость степени окисления +4.
При низких степенях окисления наиболее стабильные соединения -галогениды (см. рис. 3), Проще всего их получить через пиридиновые комплексы. Пентагалогениды TaX5 (где Х- это С1, Вг, I) легко восстанавливаются пиридином (обозначается Ру) с образованием комплексов состава МХ4(Ру)2.
Затем небольшим нагреванием до 200°С можно разрушить пиридиновый комплекс;
Тетрагалогениды представляют собой твердые кристаллические вещества с темной окраской от темно-оранжевой до черно-коричневой.
Взаимодействием тантала с серой при высоких температурах может быть подучен сульфид;
Ta + S2 = TaS2
Он не очень стоек и горячей водой разлагается с выделением сероводорода и водорода. В растворе выпадает студенистый осадок Та2О5.xН2О.
Чем ниже степень окисления, тем менее устойчивы соединения. Хлориды ТаС13 (черно-зеленый) и ТаСl2 (оливковый) еще могут существовать при обычной температуре, а бромиды и иодиды нестойки и трудны для исследования.
Из других соединений интересны нитрид и карбид тантала.По существу их несколько. Известны низшие нитрид Ta2N и карбид Ta2C и высшие TaN и ТаС. Нитриды тугоплавки, серого цвета с голубоватым отливом; при температуре, близкой к абсолютному нулю, переходят в сверхпроводящее состояние. Нитриды более стойки, чем тантал, к действию кислорода. Получаются нагреванием тантала или Ta2O5 до 1000 - 1500°С в атмосфере азота и водорода. Высокая температура плавления (около 3000°С) привлекает к ним внимание.Их используют как тугоплавкое покрытие для различных технических изделий.
Карбиды тантала исключительно высоко ценятся металлургами. Высший карбид ТаС имеет золотистый цвет и необычайно высокую температуру кипения 3800 °С (тем пл. 3500 °С). Это близко к температуре на поверхности Солнца. Введение карбидов в сплав повышает его прочность, жаростойкость и уменьшает хрупкость. Сами карбиды применяются в производствах, связанных с действием высоких температур, в качестве нагревателей, деталей печей, анодов и т. п.
Рассматривая характер элемента и тех веществ, которые он образует, я уже обращала внимание на особенности, представляющие ценность для практического использования. Тантал, как и ниобий, применяется преимущественно в электровакуумной технике и химической промышленности. Однако все чаще и чаще мелькают в печати сообщения об использовании тантала наряду с ниобием в самолето- и ракетостроении, а вместе с тем, вероятно, и в космической технике.