Τι είναι το ταντάλιο και που χρησιμοποιείται

Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR. 

Το ταντάλιο είναι ανήκει στην ομάδα των μετάλλων μετάπτωσης και βρίσκεται στην ίδια ομάδα με το νιόβιο, το τιτάνιο, το βολφράμιο και το μολυβδαίνιο. Το ταντάλιο δεν βρίσκεται ελεύθερο στη φύση αλλά συνήθως εξορύσσεται από ορυκτά όπως:

• Coltan (Columbite-Tantalite), το πιο σημαντικό εμπορικό ορυκτό
• Tantalite
• Microlite
• Wodginite

Ποιος είναι ο ατομικός αριθμός του τανταλίου; Το ταντάλιο έχει ατομικό αριθμό 73 και δεν είναι ραδιενεργό. Υπάρχουν περισσότερα από 60 συνθετικά παραγόμενα και θεωρητικώς προβλεπόμενα ισότοπα και πυρηνικά ισομερή του τανταλίου που κυμαίνονται από το 155Ta έως το 190Ta, με μετασταθερές υποπαραλλαγές ορισμένων ισοτόπων που αναφέρονται ως m1–m6. Τα πυρηνικά ισομερή περιέχουν ένα ή περισσότερα νετρόνια σε διεγερμένη ενεργειακή κατάσταση που ενδέχεται να διασπαστούν, καθιστώντας τα όχι απαραίτητα διαφοροποιημένα ισότοπα αλλά ισομερή. Όλες αυτές οι συνθετικές μορφές είναι ραδιενεργές, με τους χρόνους ημιζωής να κυμαίνονται μεταξύ 1,82 ετών (179Ta) και 56,56 ωρών (177Ta).

Ποιο είναι το ατομικό βάρος του τανταλίου; Το μόνο φυσικό ισότοπο του τανταλίου έχει ατομική μάζα 180,95, με διάφορα άλλα ισότοπα να αποκλίνουν ελαφρώς από αυτήν την τιμή.

Ποιος είναι ο άλλος όρος για το ταντάλιο; Μία ποικιλία ονομάτων έχουν δοθεί στο ταντάλιο ιστορικά, λόγω της στενής σχέσης του με τα μεταλλεύματα νιοβίου (κολομβίτης, νιοβίτης - τανταλίτης, columbate). Ωστόσο, αυτές οι ονομασίες εγκαταλείφθηκαν, καθώς το στοιχείο απομονώθηκε, μελετήθηκε και με τον καιρό πήρε τη θέση του στον περιοδικό πίνακα ξεχωριστά από τα άλλα μέταλλα. Συχνά υπάρχει σε μεταλλεύματα οξειδίων σπάνιων γαιών ευρέως φάσματος στα οποία υπάρχει νιόβιο και ταντάλιο (π.χ. φεργουσονίτης).

Από τι είναι φτιαγμένο το ταντάλιο; Το ταντάλιο είναι ένα στοιχείο. Είναι κατασκευασμένο από αδιαίρετο, ατομικό ταντάλιο, το οποίο μπορεί να διαμορφωθεί σε μια σειρά συνθετικών, ραδιενεργών ισοτόπων τα οποία ουσιαστικά παραμένουν ταντάλιο. Όταν εμφανίζεται ως κράμα με άλλα συστατικά όπως το βολφράμιο και το νιόβιο, τα κράματα που προκύπτουν διαθέτουν βελτιωμένες ιδιότητες ολκιμότητας σε σχέση με αντίστοιχα κράματα που δεν περιέχουν ταντάλιο. Αυτά τα υλικά μπορούν συχνά να αναφέρονται ως ταντάλιο, παρά τα επιπλέον συστατικά τους.

Ποια είναι η ιστορία του τανταλίου; Το ταντάλιο αναγνωρίστηκε για πρώτη φορά από τον Anders Gustaf Ekeberg το 1802. Αρχικά το ονόμασε «ταντάλιο» από τον ελληνικό μυθολογικό χαρακτήρα Τάνταλο, επειδή ήταν εξαιρετικά δύσκολο να οξειδωθεί. Στα τέλη του 19ου αιώνα, το υψηλό σημείο τήξης και η αντοχή του τανταλίου στη διάβρωση το έκαναν ενδιαφέρον για τους μεταλλουργούς. Κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου, το ταντάλιο χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή ηλεκτρικών εξαρτημάτων, όπως πυκνωτές και ανορθωτές, για στρατιωτικό εξοπλισμό. Οι πυκνωτές τανταλίου έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στα ηλεκτρονικά λόγω της αξιοπιστίας και της σταθερότητας τους. Ο τομέας της πυρηνικής ενέργειας άρχισε επίσης να βασίζεται στο μέταλλο για τη σταθερότητα που επιδεικνύει σε συνθήκες προσβολής από σωματίδια υψηλής ενέργειας. Ο ιατρικός τομέας άρχισε να το χρησιμοποιεί λόγω της βιοσυμβατότητας του και η χημική βιομηχανία άρχισε να βασίζεται σε αυτό για θαλάμους αντιδράσεων που ήταν σταθεροί κάτω από ιδιαίτερα αντίξοες συνθήκες. Πλέον, το ταντάλιο κατέχει μια ολοένα και πιο σημαντική θέση σε πολλούς βιομηχανικούς τομείς, στους οποίους τα οφέλη του υπερτερούν του πολύ υψηλού κόστους του.

Το μέταλλο στην καθαρή του μορφή έχει μια σειρά από πολύ χρήσιμες ιδιότητες και ως κραματικό στοιχείο μπορεί να μεταφέρει πολλές από αυτές στα κράματα που προκύπτουν. Μερικά από τα χαρακτηριστικά του τανταλίου είναι:

• Πολύ υψηλή αντοχή στη διάβρωση σε επιθετικά περιβάλλοντα, συμπεριλαμβανομένων των οξέων και των θερμών, συμπυκνωμένων αλκαλίων. 
• Λόγω της μη αντιδραστικής φύσης του, είναι βιοσυμβατό και μη ερεθιστικό στο δέρμα και σε χειρουργικές εφαρμογές εμφύτευσης βιοσυμβατών συσκευών.
• Μέτρια έως υψηλή ολκιμότητα, παρόμοια με το χάλυβα. Κράματα που περιέχουν ταντάλιο σε συνδυασμό με στοιχεία όπως το βολφράμιο, επωφελούνται από αυτή την ολκιμότητα.
• Ισχυρός αγωγός του ηλεκτρισμού.

Πώς μοιάζει το ταντάλιο; Το ταντάλιο έχει την εμφάνιση ενός λαμπερού μετάλλου. Διατηρεί το χρώμα του καθώς δεν υφίσταται ουσιαστικά καμία οξείδωση ή άλλες χημικές αντιδράσεις υπό κανονικές περιβαλλοντικές συνθήκες.

Ποια είναι η πυκνότητα του τανταλίου; Το ταντάλιο είναι ένα πυκνό στοιχείο, με πυκνότητα 16,69 g/cm³, περίπου 50% περισσότερο από αυτή του μολύβδου και πάνω από τη διπλάσια πυκνότητα σε σχέση με τον σίδηρο. Η αυξημένη πυκνότητα, έχει ως αποτέλεσμα και αυξημένο βάρος.

Είναι το ταντάλιο μαγνητικό; Όχι, το ταντάλιο δεν ανταποκρίνεται στα μαγνητικά πεδία.

Είναι το ταντάλιο ανθεκτικό; Ναι, το ταντάλιο είναι ανθεκτικό σε ακραία φορτία και λειαντική δράση, ακόμη και σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες.

Είναι το ταντάλιο ανθεκτικό στην οξείδωση; Ναι, το ταντάλιο είναι εξαιρετικά ανθεκτικό στην οξείδωση και δεν παρουσιάζει σχεδόν καμία περιβαλλοντική απόκριση, ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες. Εξαίρεση αποτελεί η απόκρισή του στο υδροφθορικό οξύ και άλλα αντιδραστήρια που περιέχουν φθόριο.

Είναι συγκολλήσιμο το ταντάλιο; Ναι, το ταντάλιο μπορεί να συγκολληθεί με συγκόλληση τόξου βολφραμίου υπό προστατευτικό αέριο, συγκόλληση πλάσματος και συγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων. Μπορεί επίσης να συγκολληθεί με επιτυχία σε άλλα μέταλλα, ωστόσο, ορισμένοι συνδυασμοί οδηγούν σε ψαθυρές διαμεταλλικές φάσεις στην περιοχή της συγκόλλησης.

Η κύρια και πιο σημαντική χρήση του τανταλίου είναι στην ηλεκτρονική και συγκεκριμένα στην κατασκευή πυκνωτών (Tantalum Capacitators) μικρού μεγέθους και υψηλής απόδοσης, η οποία αντισταθμίζει το υψηλό κόστος της πρώτης ύλης. Οι πυκνωτές αυτοί διαθέτουν υψηλή αξιοπιστία και μακροχρόνια σταθερότητα, όπως επίσης αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και δονήσεις, και χαμηλή αντίσταση και απώλειες (Equivalent Series Resistance, ESR).

Στους ημιαγωγούς, το ταντάλιο διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο καθώς ένα στρώμα μερικών ατόμων δημιουργεί επικάλυψη στις γκοφρέτες πυριτίου και λειτουργεί ως φράγμα διάχυσης (diffusion barrier) για να εμποδίσει την κίνηση μετάλλων όπως ο χαλκός, ο οποίος, διαφορετικά, θα διαχέονταν προοδευτικά στο πυρίτιο.

Οι κρύσταλλοι τανταλικού λιθίου χρησιμοποιούνται ως επιφανειακά φίλτρα ακουστικών κυμάτων σε κυκλώματα ήχου, για τη βελτίωση της ποιότητας του σήματος, βελτιώνοντας την απόσβεση του ηλεκτρονικού σήματος και τον έλεγχο της συχνότητας.

Το ταντάλιο έχει πολύ υψηλό σημείο τήξης, άνω των 3.000°C. Για το λόγο αυτό, το ταντάλιο και τα κράματα του βρίσκουν εφαρμογή οπουδήποτε απαιτείται έκθεση σε ακραίες θερμοκρασίες και πρέπει να διατηρεί χαμηλή αντιδραστικότητα, υψηλή αντοχή και σταθερότητα διαστάσεων. Αυτό μπορεί να είναι σε θαλάμους καύσης αεριοστροβίλων και πυραύλων, δοχεία αντίδρασης, δομές συγκράτησης πυρηνικών αντιδραστήρων και σε ένα ευρύ φάσμα επιστημονικών, μεταλλουργικών και ερευνητικών εφαρμογών.

Μια σειρά κραμάτων χρησιμοποιούν ταντάλιο. Πιο συγκεκριμένα, τα κράματα τανταλίου-βολφραμίου σε ποικίλες αναλογίες συστατικών προσφέρουν αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και βελτιωμένη ολκιμότητα σε σύγκριση με το καθαρό βολφράμιο. Αυτά τα κράματα χρησιμοποιούνται συχνά σε εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών, όπως κινητήρες αεριοστροβίλου και ακροφύσια πυραύλων. Τα κράματα τανταλίου-νιοβίου (ή υπερκράματα) είναι ιδανικά για εξοπλισμό χημικής επεξεργασίας που έρχεται σε επαφή με εξαιρετικά διαβρωτικά περιβάλλοντα ή χημικές αντιδράσεις.

Τα κράματα τανταλίου-αφνίου έχουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες σε υψηλές θερμοκρασίες. Είναι κατάλληλα για εφαρμογές στις οποίες εξαρτήματα υπό υψηλό φορτίο αντιμετωπίζουν περιοδικές ή μακροχρόνιες ακραίες θερμοκρασίες, όπως στους τομείς της αεροδιαστημικής μηχανικής και της πυρηνικής τεχνολογίας. Τέλος, τα κράματα τανταλίου-ζιρκονίου χρησιμοποιούνται ευρέως λόγω της αντοχής τους σε εξαιρετικά όξινα και αλκαλικά περιβάλλοντα σε εξοπλισμό χημικής επεξεργασίας και παρόμοια περιβάλλοντα ιδιαίτερα αντίξοων συνθηκών.

Το ταντάλιο και πολλά από τα κράματα του είναι ιδανικά για χρήση σε διαβρωτικά περιβάλλοντα, τα οποία χαρακτηρίζονται από υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις. Η μόνη ευπάθεια του τανταλίου είναι σε αντιδραστικές χημικές ουσίες που βασίζονται σε φθόριο, όπως το υδροφθορικό οξύ.

Η εξαιρετικά χαμηλή έως μηδενική αντιδραστικότητα του τανταλίου και πολλών από τα κράματα του τα καθιστά ιδανικά για χρήση σε χειρουργικά εμφυτεύματα, τα οποία δεν προκαλούν θέματα ευαισθητοποίησης και είναι βιοσυμβατά.

Συνολικά, το ταντάλιο ως στοιχείο, οξείδιο ή άλας και ως συστατικό κραμάτων, έχει ένα ευρύ φάσμα χρήσεων, όπως:

• Ως ηλεκτρολύτης, το πεντοξείδιο του τανταλίου και άλλα οξείδια διευκολύνουν την υψηλή χωρητικότητα ανά μονάδα μάζας πυκνωτή. Αυτό επιτρέπει σε εξαρτήματα πολύ μικρών διαστάσεων να παρέχουν υψηλή τιμή χωρητικότητας.
• Ως άλας σε συνδυασμό με τανταλικό λίθιο, οι κρύσταλλοι αυτού του υλικού έχουν ευεργετικά αποτελέσματα στην επιλεκτική απόσβεση των ηχητικών σημάτων και στη βελτίωση της ποιότητας τους.
• Ως καθαρό μέταλλο, προσφέρει υψηλή αντοχή στη διάβρωση, υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό, υψηλή ολκιμότητα και μία από τις υψηλότερες αντοχές σε υψηλές θερμοκρασίες μεταξύ των μετάλλων.
• Ως κραματικό συστατικό, το ταντάλιο μπορεί να ενισχύσει την ολκιμότητα, τη σκληρότητα και την ελαστικότητα των κατά τα άλλα λιγότερο όλκιμων μετάλλων. Επίσης, μπορεί να δημιουργήσει υπερκράματα σε συνδυασμό με μέταλλα πολύ χαμηλότερου κόστους, επιτυγχάνοντας επαρκείς ιδιότητες χωρίς υψηλό κόστος.

Το ταντάλιο έχει μια ποικιλία περιορισμών που επηρεάζουν τις εφαρμογές του, όπως:

• Στην υψηλής καθαρότητας μεταλλική του μορφή είναι από τα πιο ακριβά μέταλλα στο εμπόριο. Κοστίζει 310$/kg, σε σύγκριση με άλλα μέταλλα όπως το χρώμιο στα επίπεδα των 12-14$/kg ή το νικέλιο στα 20$/kg.
• Η επεξεργασία του τανταλίου απαιτεί εξαιρετικά εξειδικευμένο εξοπλισμό, καθώς το σημείο τήξης του υπερβαίνει τους 3.000°C και οι θερμοκρασίες επεξεργασίας του κυμαίνονται από 2.000-3.000°C.
• Το ταντάλιο έχει έντονη ευαισθησία σε φθοριωμένες χημικές ουσίες όπως το υδροφθορικό οξύ. Η επαφή με ανάλογες ενώσεις μπορεί να προκαλέσει τη διάλυση του τανταλίου, αν και αυτό θα μπορούσε να θεωρηθεί ως ένας πολύ συγκεκριμένος περιορισμός στη χρήση του.

Η εξόρυξη και η επεξεργασία του τανταλίου, όπως και πολλών άλλων ορυκτών πόρων, έχει σημαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Η εξόρυξη περιλαμβάνει την επέμβαση σε μεγάλες εκτάσεις γης και, αν δεν πραγματοποιείται υπεύθυνα, μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια βιοποικιλότητας, διατάραξη των οικοσυστημάτων, διάβρωση του εδάφους, μόλυνση των υδάτινων οδών και των υπόγειων υδάτων και διασπορά τοξικών χημικών στον αέρα και το έδαφος.

Οι εργασίες εξόρυξης και επεξεργασίας τανταλίου είναι ενεργοβόρες. Η κατανάλωση ορυκτών καυσίμων τόσο στην εξόρυξη όσο και στην επεξεργασία του, έχει ως αποτέλεσμα τις εκπομπές άνθρακα. Επιπλέον, τα κέρδη από την εξόρυξη τανταλίου, μαζί με εκείνη άλλων μετάλλων υψηλής αξίας, χρηματοδοτούν συγκρούσεις, ιδιαίτερα στην Κεντρική Αφρική όπου βρίσκονται πολλά από τα πιο προσβάσιμα αποθέματα τανταλίου.

Τα τελευταία χρόνια πραγματοποιείται προσπάθεια ανακύκλωσης εξαρτημάτων κινητήρων που περιέχουν ταντάλιο καθώς οι σχετικές πηγές τείνουν να είναι σχετικά μεγάλες και να αναγνωρίζονται εύκολα. Σημαντική είναι επίσης η προσπάθεια ανάκτησης του μετάλλου από πυκνωτές.

Με πληροφορίες από xometry.com

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR