Tantal

Eigenschaften
[Xe] 4f145d36s2 73 Ta Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Tantal, Ta, 73
Serie	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	5, 6, d
Aussehen	grau blau
Massenanteil an der Erdhülle	8 · 10-4 %
Atomar
Atommasse	180,9479 u
Atomradius (berechnet)	145 (200) pm
Kovalenter Radius	138 pm
Van-der-Waals-Radius	- pm
Elektronenkonfiguration	[Xe] 4f145d36s2
Elektronen pro Energieniveau	2, 8, 18, 32, 11, 2
1. Ionisierungsenergie	761 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	1500 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Modifikationen	-
Kristallstruktur	kubisch raumzentriert
Dichte	16,65 g/cm3
Mohshärte	6,5
Magnetismus
Schmelzpunkt	3290 K (3017 °C)
Siedepunkt	5731 K (5458 °C)
Molares Volumen	10,85 · 10-6 m3/mol
Verdampfungswärme	743 kJ/mol
Schmelzwärme	33,7 kJ/mol
Dampfdruck	0,776 Pa bei 3269 K
Schallgeschwindigkeit	3400 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität	140 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit	7,61 · 106 S/m
Wärmeleitfähigkeit	57,5 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände	5
Oxide (Basizität)	(leicht sauer)
Normalpotential	-0,750 V (½Ta2O5 + 5H+ + 5e- → Ta + 2½H2O)
Elektronegativität	1,5 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP 177Ta {syn.} 56,56 h ε 1,166 177Hf 178Ta {syn.} 2,36 h ε 1,910 178Hf 179Ta {syn.} 1,82 a ε 0,110 179Hf 180Ta {syn.} 8,125 h ε 0,854 180Hf β− 0,708 180W 180metaTa 0,012 % >1,2 · 1015 a]] ε 0,929 180Hf β− 0,783 180W IT 0,075 180Ta 181Ta 99,988 % Stabil 182Ta {syn.} 114,43 d β− 1,814 182W 183Ta {syn.} 5,1 d β− 1,070 183W
NMR-Eigenschaften
Spin γ in rad·T−1·s−1 E fL bei B = 4,7 T in MHz 181Ta 7/2 3,202 · 107 0,036 23,9
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung
(Pulver) F Leichtent- zündlich
R- und S-Sätze	R: 11 (Pulver)
	S: 43
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Tantal [ˈtantal] ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Ta und der Ordnungszahl 73. Es ist ein selten vorkommendes, duktiles, graphitgraues, glänzendes Übergangsmetall mit hoher Korrosionsbeständigkeit bei Normaltemperatur. Bei höheren Temperaturen reagiert das Metall dagegen heftig mit vielen Stoffen zum Teil unter Feuererscheinung. Feinverteiltes Tantal ist pyrophor und verbrennt unter starker Licht- und Hitzeentwicklung, ähnlich dem Magnesium. Tantal wird für die Herstellung medizinischer Instrumente und Implantate verwendet, da es mit Körpergeweben und -flüssigkeiten nicht reagiert. Aufgrund seiner Formbarkeit bei gleichzeitig hoher Dichte setzt man es auch zur Herstellung Panzerbrechender Munition ein.

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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 Jöns Jakob Berzelius durch Reduktion des Fluorids mit Kalium dargestellt. Lange Zeit hielt man Niob und Tantal für identisch. Erst 1844 konnte Heinrich Rose das unterschiedliche Verhalten von Niob- und Tantalsäure zeigen.

Seinen Namen erhielt es in Anlehnung an die griechische Mythologie, da es unter der Säure „schmachten muss und seinen Durst nicht löschen kann, wie Tantalos in der Unterwelt“ – Tantal(V)-oxid Ta₂O₅ löst sich nicht in Säuren.

1903 gelang die Darstellung von duktilem und relativ reinem metallischen Tantal durch Werner von Bolton. Tantaldraht diente bis zur Einführung von Wolframdraht als Glühfaden in elektrischen Glühlampen, später (1922) für Gleichrichter und Radioröhren.

Vorkommen

Tantalvorkommen finden sich überwiegend in Afrika: Kongo, Madagaskar und in Australien: Greenbushes und Wodgina in Westaustralien. Kleinere Vorkommen sind in Südafrika und Namibia bekannt. Diese Vorkommen stellen in Pegmatite eingelagerte Minerale dar, besonders Columbit und Tantalit (Fe,Mn)[(Ta,Nb)207], selten auch Wodginit (Tantaloxid). Gemische aus Niobit/Tantalit Mischgliedern (=Columbit) mit schwankendem Tantalgehalt werden trivial als Coltan bezeichnet. Die Tantalkonzentration in den Vorkommen ist sehr gering (wenige 100 ppm). Bis zu achtzig Prozent des heute verwendeten Tantals stammen aus dem Kongo und Australien. Größere Reserven befinden sich auch in Brasilien und Kanada.

Eine technisch außerordentlich wichtige Quelle ist tantalhaltige Schlacke aus der Zinnverhüttung. In den 1980ern stellte sie die größte Tantalquelle dar (Verarbeitung z.B. in Rhina bei Laufenburg am Hochrhein).

Gewinnung und Darstellung

Die Trennung 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

Das reine Metall wird unter Hochvakuum pulvermetallurgisch aufbereitet, gesintert und geschmolzen. Geschweißt wird das Metall aufgrund seiner hohen Reaktivität unter Hochvakuum oder Reinargon.

Eigenschaften

  Tantal ist dunkelgrau, schwer, weich und mechanisch leicht zu bearbeiten. Tantal hat einen sehr hohen Schmelzpunkt, der lediglich von Wolfram und Rhenium übertroffen wird. Es leitet Wärme und Strom mäßig gut. Unterhalb 150 °C ist Tantal durch Schutzschichtbildung beständig gegen die meisten Säuren (sogar gegen Königswasser und konzentrierte Salpetersäure); Ausnahmen sind Flusssäure, saure Fluoridlösungen und freies Schwefeltrioxid. Tantal lässt sich sehr gut mit Wolfram und anderen hochschmelzenden Metallen legieren; keine Legierungen bildet es zum Beispiel mit Kupfer.

Verwendung

Tantal wird hauptsächlich für sehr kleine Kondensatoren mit hoher Kapazität verwendet. Diese Elektrolytkondensatoren werden überall in der modernen Mikroelektronik, zum Beispiel beim Bau von Mobiltelefonen verwendet. Die Wirkung beruht auf der selbst in sehr dünner Ausführung noch stabilen und sicher isolierenden oxidischen Deckschicht auf der Oberfläche der aufgewickelten Tantalfolie. Je dünner die Schicht zwischen den Elektroden ist, desto höher wird die Kapazität bei gleich bleibender Folienfläche; zudem hat Tantaloxid eine extrem hohe Permittivität, die ebenfalls die Kapazität erhöht.

Tantal wird zur Herstellung hochschmelzender, hochfester 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. Tantal kann wegen seiner Duktilität zu Feindraht gezogen werden. Einsatz findet das Metall weiterhin in der Chemischen Industrie (z.B. Elektroden bei der elektrolytischen Gewinnung von Gold und Silber) sowie im Spezialapparatebau in Form einer 95 %igen Legierung mit Wolfram zur Festigkeitssteigerung.

Wegen seiner Neutralität gegenüber dem Immunsystem und nicht-reizenden Eigenschaften gegenüber Körpergeweben wird elementares Tantal für medizinische Implantate und Instrumente eingesetzt. Tantaloxid wird für Spezialgläser mit einer hohen Brechzahl, beispielsweise für Kameralinsen verwendet. Metallisches Tantal wird auch für Komponenten in der Hochvakuumtechnik und im Vakuumofenbau verwendet. Tantal eignet sich auch als Strahlenschutzmaterial zum Schutz vor ionisierender Strahlung.

Die guten technischen Eigenschaften, die vielfältige Verwendbarkeit und die sich daraus ergebende hohe Nachfrage sowie die problematische Liefersituation ließen den Preis für Tantal im Jahr 2001 bis in Bereiche von über 1200 US-$ pro Kilogramm explodieren. Im ersten Quartal 2002 läutete ein drastischer Preiseinbruch von über 50 % die Normalisierung der Marktsituation ein. Dadurch wurden viele Händler, die sich auf diesen Bereich spezialisiert hatten, in den Konkurs getrieben. Aktuell darf man von einem relativ stabilen Markt sprechen, auf welchem die Preise zwischen 70 - 120 US$/kg schwanken.

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 bei 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 3942 °C und einer Härte, die fast die eines Diamanten erreicht, als Schutzschicht auf hochwarmfesten Legierungen in Triebwerken und Schneidwerkzeugen.

Physiologie

Für Tantal wurde bislang keine biologische Funktion gefunden.