Tantal

²⁻ und [TaF₇]²⁻. Nachdem unlösliche Bestandteile abfiltriert wurden, kann die Trennung durch Flüssig-Flüssig Extraktion mit Hilfe von Methylisobutylketon erfolgen. Wird die Lösung mit Methylisobutylketon versetzt, gehen die Niob- und Tantalkomplexe in die organische Phase über, während andere Elemente, wie Eisen, oder Mangan in der wässrigen Phase zurückbleiben. Bei Zugabe von Wasser zur abgetrennten organischen Phase, löst sich nur der Niobkomplex in diesem, das Tantal bleibt im Methylisobutylketon zurück.<ref>Joachim Eckert: Niobium and Niobium Compounds, in: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 2000, doi:10.1002/14356007.a17_251.</ref>

Das Tantal kann mit Hilfe von Kaliumfluorid als schwerlösliches Kaliumheptafluorotantalat K₂[TaF₇] gefällt werden. Die Reduktion zu elementarem Tantal erfolgt meist durch Natrium.

<math>\mathrm{K_2[TaF_7] + 5\ Na \longrightarrow Ta +5\ NaF + 2\ KF}</math>

Reduktion mit Natrium

Eine mögliche Alternative zur Extraktion besteht in der fraktionierten Destillation. Dazu werden die unterschiedlichen Siedepunkte der beiden Chloride Niob(V)-chlorid und Tantal(V)-chlorid genutzt. Diese können bei hohen Temperaturen aus den Erzen mit Chlor und Koks gewonnen werden. Nach der Trennung wird das Tantalchlorid ebenfalls mit Natrium zum Metall reduziert.

Neben den Columbit-Tantalit-Erzen sind Schlacken aus der Zinnverhüttung eine wichtige Quelle für die Tantalgewinnung (enthalten wenige Prozent Tantal).

Recycling

Tantal aus Kondensatoren wird fast gar nicht recycelt. Die bei der Pulverherstellung entstehenden internen Abfälle dagegen kommen für internes Recycling in Frage. Bei der Herstellung von Tantal-Walzerzeugnissen (20 % des Verbrauchs) fallen Späne und Fehlchargen an, die durch Umschmelzen effektiv zu recyceln sind. Außerdem sind Tantalcarbid-Legierungzusätze recycelbar.

Tantal(V)-oxid aus Gläsern und solches in Form von Lithiumtantalat-Einkristallen in Elektronikbauteilen erfordert einen aufwendigen chemischen Recyclingprozess. Dieser umfasst Rösten, Auflösen in Flusssäure oder Schwefelsäure, Solventextraktion mit Ketonen sowie die Fällung von Tantal(V)-oxid oder die Kristallisation von Kaliumfluorotantalat. Diese werden anschließend im Elektronenstrahlofen aufgeschmolzen.<ref name=recycling>Eintrag zu Tantal-Recycling. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 19. April 2014.</ref>

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Tantal ist ein deutlich lilagraues, stahlhartes (Vickershärte: 60–120 HV<ref name="ullmann" />), hochschmelzendes Schwermetall, das in den meisten seiner Eigenschaften dem Niob ähnelt. Es kristallisiert in einer kubisch-raumzentrierten Kristallstruktur. Neben der kubischen α-Struktur ist auch β-Tantal bekannt, das in einer tetragonalen, dem β-Uran entsprechenden, Kristallstruktur mit den Gitterparametern a = 1021 pm und c = 531 pm kristallisiert. Diese Modifikation ist metastabil und lässt sich durch Elektrolyse einer Tantalfluoridschmelze gewinnen.<ref>Alla Arakcheeva, Gervais Chapuis, Vladimir Grinevitch: The self-hosting structure of β-Ta. In: Acta Crystallographica Section B Structural Science. 58, 2002, S. 1–7, doi:10.1107/S0108768101017918.</ref>

Mit einem Schmelzpunkt von etwa 3000 °C<ref>L. Malter, D. Langmuir: Resistance, Emissivities and Melting Point of Tantalum. In: Physical Review. 55, 1939, S. 743–747, doi:10.1103/PhysRev.55.743.</ref> besitzt Tantal den höchsten Schmelzpunkt aller Elemente nach Wolfram, Kohlenstoff und Rhenium. Ist im Metall nur eine geringe Menge Kohlenstoff oder Wasserstoff eingelagert, steigt der Schmelzpunkt deutlich an. Ein unterstöchiometrisches Tantalcarbid besitzt mit einem Schmelzpunkt von 3983 °C<ref>D. J. Rowcliffe, W. J. Warren: Structure and properties of tantalum carbide crystals. In: Journal of Materials Science. 5, 1970, S. 345–350, doi:10.1007/BF02397788.</ref> einen der höchsten Schmelzpunkte aller Substanzen.

Unterhalb einer Sprungtemperatur von 4,3 Kelvin wird Tantal zum Supraleiter.<ref name="ullmann" />

Während reines Tantal duktil ist und sich stark dehnen lässt (Zugfestigkeit: 240 MPa<ref name="ullmann">Klaus Andersson, Karlheinz Reichert, Rüdiger Wolf: Tantalum and Tantalum Compounds, in: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 2000.</ref>), verändern schon kleine Mengen Beimengungen an Kohlenstoff oder Wasserstoff die mechanische Festigkeit deutlich. Das Material wird spröde und schwer zu verarbeiten. Man nutzt diesen Sachverhalt zur Herstellung von Tantalpulver. Es wird in der Technik mit Wasserstoff beladen und somit versprödet, dann entsprechend zerkleinert und bei höherer Temperatur durch Ausheizen wieder vom Wasserstoff befreit.

Chemische Eigenschaften

Tantal ist ein unedles Metall und reagiert bei hohen Temperaturen mit den meisten Nichtmetallen, wie Sauerstoff, den Halogenen oder Kohlenstoff. Bei Raumtemperatur ist das Metall allerdings durch eine dünne Schicht aus Tantal(V)-oxid geschützt und damit passiviert. Eine Reaktion findet erst ab einer Temperatur von etwa 300 °C statt.<ref name="ullmann" /> Als Pulver ist es ein entzündbarer Feststoff, der durch kurzzeitige Einwirkung einer Zündquelle leicht entzündet werden kann und dann nach deren Entfernung weiterbrennt. Die Entzündungsgefahr ist umso größer, je feiner der Stoff verteilt ist. Das Metall in kompakter Form ist nicht brennbar.<ref name="GESTIS" />

In den meisten Säuren ist Tantal wegen der Passivierung nicht löslich, sogar Königswasser vermag das Metall nicht zu lösen. Angegriffen wird Tantal nur von Flusssäure, Oleum (einer Mischung von Schwefelsäure und Schwefeltrioxid) und Salzschmelzen.

Isotope

Es sind insgesamt 30 Isotope sowie 26 Kernisomere von ¹⁵⁵Ta bis ¹⁸⁵Ta bekannt.<ref name="nubase">G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A. H. Wapstra: The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties (PDF; 1,0 MB). In: Nuclear Physics. Bd. A 729, 2003, S. 3–128.</ref> Natürliches Tantal besteht fast ausschließlich (zu 99,988 %) aus dem Isotop ¹⁸¹Ta. Daneben kommt zu 0,012 % das Kernisomer ^180mTa vor.

^180mTa ist das einzige langlebige, natürlich vorkommende Nuklid, das nicht in seinem Grundzustand, sondern in einem angeregten Zustand vorliegt. Es wurde bislang kein radioaktiver Zerfall beobachtet, die Halbwertszeit des Isomers muss bei mindestens 2 · 10¹⁶ Jahren liegen.<ref>Mikael Hult, J.S. Elisabeth Wieslander, Gerd Marissens, Jo l Gasparro, Uwe Waetjen, Marcin Misiaszek: Search for the radioactivity of ^180mTa using an underground HPGe sandwich spectrometer. In: Applied Radiation and Isotopes. 67, 2009, S. 918–921, doi:10.1016/j.apradiso.2009.01.057.</ref> Der Grundzustand ¹⁸⁰Ta ist dagegen instabil und zerfällt mit einer Halbwertszeit von nur 8,125 Stunden. ^180mTa hat im Sonnensystem eine Häufigkeit von 2,49 · 10⁻⁶ (bezogen auf Silicium = 1 · 10⁶).<ref name="Laeter"/>

Verwendung

Der größte Teil des Tantals (weltweite Jahresproduktionsmenge 1.400 t) wird für sehr kleine Kondensatoren mit hoher Kapazität verwendet. 2007 wurden 60 % des Tantals für die Herstellung von Kondensatoren gebraucht.<ref name="usgs" /> Diese Tantal-Elektrolytkondensatoren werden überall in der modernen Mikroelektronik, beispielsweise für Mobiltelefone und im Automobilbau, eingesetzt. Die Wirkung beruht auf der selbst in sehr dünner Ausführung noch stabilen und sicher isolierenden Tantaloxidschicht 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.

Da Tantal nicht giftig ist und nicht mit Körpergewebe oder -flüssigkeiten reagiert, wird elementares Tantal für medizinische Implantate und Instrumente eingesetzt. Es werden beispielsweise Knochennägel, Prothesen, Klammern und Kieferschrauben aus Tantal gefertigt.<ref name="ullmann" /> Daneben ist es ein aufgrund der hohen Kosten wenig eingesetztes<ref name="ullmann" /> Röntgenkontrastmittel.<ref>E. Kammler, W. T. Ulmer: Ein neuer Weg in der Bronchographie – Über die Darstellung des Trascheobronchialbaumes beim Tier durch Inhalation von Tantalstaub. In: Pneumologie, Ausgabe 144, Band 4, S. 344–351, Springer-Verlag 1971.</ref>

In der chemischen Industrie wird Tantal wegen seiner Beständigkeit eingesetzt. Es dient als Auskleidungsmaterial für Reaktionskessel und wird für Wärmeaustauscher und Pumpen verwendet. Für diese Zwecke wird meist kein reines Tantal, sondern Legierungen, die 2,5–10 % Wolfram enthalten, verwendet. Diese sind stabiler und widerstandsfähiger als reines Tantal. Gleichzeitig bleibt die erwünschte Duktilität erhalten. Weitere Verwendungszwecke sind Laborgeräte, Spinndüsen und die Kathoden von Elektronenröhren. Hier kommt Tantal zugute, dass es in der Lage ist, bei 800 °C bis zu 740 Volumenteile Gase aufzunehmen (Getterwirkung), was ein hohes Vakuum in den Röhren gewährleistet.

Superlegierungen, die im Bau von Turbinen und Flugzeugtriebwerken eingesetzt werden, enthalten bis zu 9 % Tantal. So erhöht der Zusatz von 3–4 % Tantal zu einer Nickel-Superlegierung die Festigkeit des Materials bei hohen Temperaturen.<ref name="ullmann" />

Sicherheitshinweise

Unter Laborbedingungen verursacht der Umgang mit Tantal und seinen Verbindungen normalerweise keine Probleme. Elementares Tantal wie auch Tantalverbindungen sind nicht toxisch. Es gibt aber vage Hinweise auf krebsauslösendes Verhalten einiger Tantalverbindungen. Von Tantalpulver und -staub geht – wie auch von anderen fein verteilten Metallen – eine hohe Feuer- und Explosionsgefahr aus.

Verbindungen

Tantal(V)-oxid Ta₂O₅ ist ein weißes Pulver, das zur Herstellung hochlichtbrechender Gläser und spezieller Kristallmaterialien verwendet wird.

Tantalcarbid TaC dient mit seiner Schmelztemperatur von 3880 °C und einer Härte, die fast die eines Diamanten erreicht, als Schutzschicht auf hochwarmfesten Legierungen in Triebwerken und Schneidwerkzeugen.

Literatur

• A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1Vorlage:Holleman-Wiberg/Startseite fehlt.
• Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9.
• Klaus Andersson, Karlheinz Reichert, Rüdiger Wolf: Tantalum and Tantalum Compounds, in: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 2000, doi:10.1002/14356007.a26_071.
• Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente - das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. Hirzel, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.

Einzelnachweise

<references />

Weblinks

• Mineralienatlas:Tantal (Wiki)
• tanb.org Tantalum-Niobium International Study Center