هر آنچه در رابطه با فلز تانتالم باید بدانید – اطلاعات عنصر، خواص و موارد استفاده

تانتالیم (Ta)، عنصر شیمیایی، درخشان، بسیار سخت، فلز خاکستری نقره ای از گروه 5 (Vb) جدول تناوبی که با چگالی بالا، نقطه ذوب بسیار بالا و مقاومت عالی در برابر تمام اسیدها به جز هیدروفلوئوریک در دماهای معمولی مشخص می شود.

تانتالیم که ارتباط نزدیکی با نیوبیوم در سنگ معدن و خواص دارد، توسط شیمیدان سوئدی آندرس گوستاف اِکبرگ (Anders Gustaf Ekeberg) در سال 1802 کشف شد و نام آن را از شخصیت اسطوره‌ای یونانی، تانتالوس (Tantalus) انتخاب کردند. این اسطوره پس از مرگ مجازات شد. او محکوم بود تا با میوه‌هایی رسیده بالای سرخود تا زانو در آب بایستد. هر دو حالت برای همیشه او را به هوس می‌انداخت. اگر برای نوشیدن آب خم می‌شد سطح آب پایین می‌رفت. اگر برای چیدن میوه تلاش می‌کرد، شاخه‌ها از دسترس او دور می‌شدند. این حالت شبیه خواص عمومی واکنش ناپذیری عنصر تانتالیوم است. این عنصر در کنار معرف‌ها قرار می‌گیرد اما در عین حال تحت تأثیرشان نخواهد بود.

به دلیل شباهت شیمیایی زیاد نیوبیم و تانتالیوم، تعیین هویت فردی این دو عنصر بسیار دشوار بود. تانتالیوم به زودی با نیوبیوم (که در آن زمان کلمبیوم نامیده می‌شد) شناسایی شد، اما در سال 1844 شیمیدان آلمانی هاینریش رز ویژگی‌های متمایز آن‌ها را نشان داد. اگرچه مقداری از فلز ناخالص قبلاً جدا شده بود، شیمیدان روسی ورنر بولتون (1903) اولین تانتالیوم انعطاف پذیر را تهیه کرد که برای مدت کوتاهی به عنوان ماده اصلی در لامپ‌های رشته‌ای مورد استفاده قرار گرفت.

تانتالم چیست؟

تانتالم (Tantalum) فلزی براق و نقره‌ای رنگ است که در حالت خالص خود نرم می‌باشد و در صورت داشتن یک لایه اکسید در سطح آن، در برابر خوردگی مقاوم است.

این عنصر در جدول تناوبی مندلیف قرار دارد و با نماد شیمیایی Ta شناخته می‌شود. عدد اتمی عنصر تانتالم ۷۳ و جرم اتمی آن ۱۸۰.۹۴۸ است. خواص عنصر تانتال موجب شده است تا در گروه ۵ و تناوب ۶ جدول تناوبی جای بگیرد.

تانتالیم نسبتا کمیاب است، همراه با نیوبیم، در سری کلمبیت-تانتالیت (که در آن کلمبیت [FeNb2O6] و تانتالیت [FeTa2O6] در نسبت‌های بسیار متغیر وجود دارند) و سری کانی‌های پیروکلر- میکرولیت رخ می‌دهد. فلز تانتالیوم بومی با مقداری نیوبیم و ردپای منگنز و طلا در روسیه به‌طور محدود در کوه‌های اورال و احتمالاً کوه‌های آلتای در آسیای مرکزی یافت می‌شود. رواندا بزرگترین استخراج کننده تانتالیم در جهان است.

از آنجا که اکسید تانتالم بسیار نامحلول است، تقریباً هیچ تانتالیومی در آب‌های طبیعی یافت نمی‌شود. برای اندازه گیری سطح آن در خاک، چند نمونه ساخته شده است که دامنه‌ای از ۰.۱ تا ۳ ppm را نشان می‌دهد. فقط مقدار کمی از تانتالوم توسط گیاهان تشکیل می‌شود که مقدار آن به ندرت از ۵ ppm بیشتر می‌شود.

سنگ معدن اصلی تانتال، تانتالیت است که حاوی آهن، منگنز و نیوبیوم و سامارسکیت است که حاوی هفت فلز می‌باشد. سنگ معدن دیگری که شامل تانتالم و نیوبیوم است، پیروکلر است. مناطق اصلی استخراج رواندا، تایلند، استرالیا، کنگو، برزیل، پرتغال و کانادا هستند. تقاضای تانتالوم حدود ۲۳۰۰ تن در سال است.

تانتالیم با استخراج با حلال در یک فرآیند مایع-مایع از ترکیبات نیوبیم جدا می‌شود و سپس به پودر تانتالیوم فلزی تبدیل می‌شود. این فلز عظیم با تکنیک‌های متالورژی پودر تولید می‌شود. همچنین می‌توان آن را با الکترولیز نمک‌های ذوب شده یا احیای کمپلکس‌های فلوئورو با یک فلز بسیار واکنش‌پذیر مانند سدیم به دست آورد. مهم‌ترین کاربرد تانتالیوم در خازن‌های الکترولیتی و تجهیزات شیمیایی مقاوم در برابر خوردگی است. خازن‌های تانتالیوم بالاترین ظرفیت خازنی در واحد حجم را در بین خازن‌ها دارند و به‌طور گسترده در مدارهای الکتریکی مینیاتوری استفاده می‌شوند. کاربردهای دیگر شامل گیرنده‌ها و قطعات در لوله‌های الکترونی، یکسو کننده‌ها و دستگاه‌های مصنوعی است.

همان‌طور که گفتیم تانتالیم از نظر شیمیایی بسیار شبیه نیوبیوم است زیرا هر دو دارای پیکربندی‌های الکترونیکی مشابهی هستند و اینکه شعاع یون تانتالیوم در نتیجه انقباض لانتانوئید تقریباً مشابه شعاع نیوبیم است. تانتالیم معمولاً در ترکیبات خود در حالت اکسیداسیون +5 است. حالت‌های اکسیداسیون پایین‌تر، به ویژه از +2 تا +4، تهیه شده است. ترکیبات تانتالیوم از نظر تجاری نسبتاً بی‌اهمیت هستند، اگرچه کاربید TaC در ابزارهای کاربید سیمانی برای ماشینکاری فلزات سخت استفاده می‌شود. تقریباً تمام تانتالیوم‌های طبیعی در یک ایزوتوپ پایدار به نام تانتالوم -181 قرار دارند. با این حال، مقدار کمی، 0.012 درصد، تانتالیوم 180 است که دارای خاصیت غیرعادی است که در حالت خاص خود پیدا می‌شود. حالت برانگیخته تانتالیوم 180 نیمه عمری بیش از 1015×1.2 سال دارد. حالت پایه (پایین‌ترین حالت انرژی) تنها 8.154 ساعت طول عمر دارد.

کاربردهای تانتالم

تانتالوم عموماً در کاربردهایی که نیاز به افزایش مقاومت در برابر حرارت، خوردگی و شیمیایی دارند استفاده می‌شود. یکی از کاربردهای اصلی تانتالیوم در تولید قطعات الکترونیکی است. یک لایه اکسیدی که روی سطح تانتالیوم تشکیل می‌شود، می‌تواند به عنوان یک لایه عایق (دی الکتریک) عمل کند. از آنجایی که تانتالیوم را می‌توان برای پوشش فلزات دیگر با یک لایه بسیار نازک استفاده کرد، ظرفیت خازنی بالایی را می‌توان در حجم کم به دست آورد. این باعث می‌شود خازن‌های تانتالیوم برای وسایل الکترونیکی قابل حمل مانند تلفن‌های همراه، جذاب باشند.

از پودر تانتالم برای تولید مدارهای الکتریکی، خازن‌ها و مقاومت‌ها استفاده می‌شود. اساساً به این دلیل که ظرفیت برتر آن باعث می‌شود در هر گرم بار بیشتری نسبت به سایر مواد نگه دارد. این امر امکان تولید قطعات الکتریکی کوچک‌تر و به‌طور گسترده دستگاه‌های الکتریکی کوچک‌تر را فراهم کرده است.

تانتالوم در ساخت ایمپلنت‌های جراحی کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده است. می‌تواند جایگزین استخوان شود، به عنوان مثال در صفحات جمجمه. به صورت فویل، عصب‌های پاره شده را به هم متصل می‌کند و به صورت گاز بافته شده، ماهیچه‌های شکم را می‌بندد.

در برابر خوردگی بسیار مقاوم است و بنابراین در تجهیزات جابجایی مواد خورنده استفاده می‌شود. همچنین به عنوان الکترود برای چراغ‌های نئون، یکسو کننده‌های AC/DC و در شیشه برای لنزهای خاص استفاده شده است.

آلیاژهای تانتالیوم می‌توانند بسیار قوی باشند و برای پره‌های توربین، نازل موشک و کلاهک دماغه هواپیماهای مافوق صوت استفاده شده‌اند.

اکسید تانتالم (تانتالیوم) برای ساخت شیشه‌‌های با ضریب شکست بالا در لنز دوربین کاربرد دارد. علاوه بر این‌ها از این فلز در تولید قسمت‌های کوره خلأ استفاده می‌شود.

تاریخچه تانتالم

تانتالم به عنوان یک فلز جدید در سال 1802 توسط آندرس گوستاو اکبرگ در دانشگاه اوپسالا سوئد گزارش شد. با این حال، زمانی که ویلیام ولاستون مواد معدنی که از آن استخراج شده بود را تجزیه و تحلیل کرد، اعلام کرد که مشابه نیوبیم است که سال قبل کشف شده بود. در نتیجه شباهت آن‌ها بود که در مورد شناسایی آن‌ها سردرگمی ایجاد شد. این دو عنصر اغلب با هم وجود دارند و از آنجایی که از نظر شیمیایی بسیار شبیه هستند، جداسازی آن‌ها با روش‌های موجود در زمان کشف، دشوار بود.

تا سال 1846 بود که هاینریش رز، تانتالیوم و نیوبیم را جدا کرد و به طور قطع ثابت کرد که آن‌ها عناصر متفاوتی هستند، و با این حال نمونه تانتالیوم او هنوز تا حدودی ناخالص بود، و تا سال 1903 بود که تانتالیم خالص توسط ورنر فون بولتون تولید شد.

ایزوتوپ عنصر تانتالیوم

ایزوتوپ‌های تانتالیوم اتم‌هایی هستند که تعداد پروتون‌ها در هسته آن‌ها یکسان است، اما تعداد نوترون‌ها ممکن است متفاوت باشد. تانتالیوم دارای بیش از ۲۵ ایزوتوپ است، اما دو ایزوتوپ پایدارتر و رایج‌تر آن عبارتند از:

1 – تانتالیوم-۱۸۰ (Ta-181)

این ایزوتوپ با ۱۰ پروتون و ۱۷۰ نوترون در هسته دارای وزن اتمی ۱۸۰ است. این ایزوتوپ از نظر استفاده‌های عملی و کاربردهای تانتالیومی اهمیت بسیاری دارد. در ادامه برخی از ویژگی‌ها و کاربردهای این ایزوتوپ را بررسی می‌کنیم:

1. ردیابی از طریق اشعه X: تانتالیوم-۱۸۰ به عنوان یک عنصر ردیابی در روش‌های پزشکی و اشعه‌ای استفاده می‌شود. از طریق انتشار اشعه X توسط تانتالیوم-۱۸۰ در بدن، می‌توان با استفاده از تکنیک‌های تصویربرداری از محل حضور این عنصر در بدن استفاده کرد و به بررسی و تشخیص بیماری‌ها کمک کرد.
2. تحقیقات هسته‌ای: تانتالیوم-۱۸۰ به عنوان یک ایزوتوپ پراستفاده در تحقیقات هسته‌ای و فیزیک هسته‌ای استفاده می‌شود. این ایزوتوپ به عنوان منبع پرتوهای گاما و نوترون در تحقیقات مرتبط با فیزیک هسته‌ای، فیزیک ذرات و شتابدهنده‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
3. برچسب‌گذاری مولکول‌ها: تانتالیوم-۱۸۰ می‌تواند به عنوان برچسب در برچسب‌گذاری مولکول‌ها در تحقیقات شیمیایی و بیولوژیکی استفاده شود. با اضافه کردن تانتالیوم-۱۸۰ به ساختار مولکول‌ها می‌توان آن‌ها را با روش‌های مختلف پیگیری و شناسایی کرد.

میزان تجزیه و تحلیل دقیق‌تر و کاربردهای دیگر ایزوتوپ تانتالیوم-۱۸۰ بستگی به شرایط و مسائل خاص در هر حوزه دارد. این ایزوتوپ به دلیل ویژگی‌های خاص و استفاده‌های گوناگونی که دارد، در علوم پایه و صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد.

2 – تانتالیوم-۱۸۱ (Ta-180)

این ایزوتوپ با ۷۳ پروتون و ۱۰۸ نوترون در هسته دارای وزن اتمی ۱۸۱ است. این ایزوتوپ نیز یکی از ایزوتوپ‌های پایدار تانتالیوم است و در بررسی‌های علمی و تحقیقاتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تانتالیوم، عنصری فلزی بسیار مقاوم و با ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد است که با وزن اتمی ۷۳ و نقطه ذوب بالا، به عنوان یکی از مواد ساختاری و کاتالیست‌های حیاتی در صنایع مختلف از جمله صنعت هوافضا، پزشکی و الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مضرات تانتالم

تانتالم ممکن است از طریق استنشاق، بلع یا جذب پوستی مضر باشد و باعث تحریک چشم و پوست می‌شود. این ماده برای غشاهای مخاطی و دستگاه تنفسی فوقانی تحریک کننده است. هیچ گزارشی مبنی بر اثرات نامطلوب بهداشتی در کارگران در معرض معادن صنعتی وجود ندارد. دوزهای بالای تانتالیوم که از راه داخل تراشه به موش‌ها داده می‌شود ضایعات دستگاه تنفسی ایجاد کرده است. در تماس با بافت، تانتالیوم فلزی بی اثر است.

تانتالیوم در شرایط عادی و در شکل خالص خود، به طور عمده مضرات خاصی ندارد. این عنصر در معرض مواد شیمیایی و عوامل خارجی قرار گرفته و ممکن است با آن‌ها واکنش داشته باشد. در ادامه می‌توانید به برخی موارد خاص که در مورد تانتالیوم و مرتبط با آن مطرح شده است، اشاره کنیم:

1. تانتالیوم خالص و مشتقات شیمیایی آن معمولاً بی‌سم و غیرسمی هستند. از این رو، در شرایط عادی استفاده از تانتالیوم برای کاربردهای مختلف، معمولاً خطرات جدیدی به همراه ندارد.

2. با این حال، برای استفاده‌های صنعتی یا در فرآیندهای تولید تانتالیوم، ممکن است از مواد و ترکیبات شیمیایی دیگری استفاده شود که ممکن است مضرات خاصی داشته باشند. در این صورت، خطرات مرتبط با این ترکیبات و مواد شیمیایی مورد استفاده، باید بررسی شود.

3. در برخی موارد خاص، افرادی که به تانتالیوم واکنش دارند و حساسیت به آن دارند، ممکن است به علائم حساسیتی مانند تحریک پوستی، خارش، قرمزی و تورم برخورد کنند. در این صورت، تماس با تانتالیوم باید به حداقل رسانده شود.

معادن تانتالیوم در جهان

تانتالیوم یک فلز قیمتی است که در برخی مناطق جهان استخراج می‌شود. معادن تانتالیوم در کشورهای زیر یافت می‌شوند:

1. استرالیا: استرالیا یکی از بزرگترین تولیدکنندگان تانتالیوم در جهان است. معادن تانتالیوم در این کشور در ایالت‌های غربی استرالیا و نیو ساوت ولز قرار دارند.

2. برزیل: برزیل نیز یکی از تولیدکنندگان بزرگ تانتالیوم در جهان است. استخراج تانتالیوم در این کشور به‌ویژه در مناطقی مانند استان پارا و میناس ژرایس صورت می‌گیرد.

3. کانادا: معادن تانتالیوم در کانادا در استان‌های اونتاریو، کبک و منیتوبا واقع شده‌اند. کانادا نیز یکی از تولیدکنندگان مهم تانتالیوم در جهان است.

4. روسیه: روسیه نیز دارای معادن تانتالیوم است که در مناطقی مانند کراسنویارسک و آمور در سیبری قرار دارند.

5. آفریقای جنوبی: آفریقای جنوبی نیز یکی از تولیدکنندگان تانتالیوم مهم در جهان است. استخراج تانتالیوم در مناطقی مانند استان نورد ویست و لیمپوپو در این کشور صورت می‌گیرد.

علاوه بر این، معادن تانتالیوم در مناطق دیگری نیز وجود دارد، از جمله مرکز آمریکا، نیجریه، زیمبابوه و کشورهای دیگر. میزان و اهمیت تولید تانتالیوم در هر کشور ممکن است متغیر باشد و بسته به شرایط معدنی و عوامل اقتصادی و سیاسی تفاوت‌هایی داشته باشد.

تانتالیوم در ایران

تانتالیوم در ایران نیز وجود دارد و استخراج آن در چندین معدن صورت می‌گیرد. یکی از مهمترین مناطق استخراج تانتالیوم در ایران، استان کرمان است. در این استان، معادن تانتالیوم در مناطقی مانند کوه‌های کوه‌بیت، گرانیت و خالصیت واقع شده‌اند.

به عنوان مثال، معدن تانتالیوم سرچشمه در منطقه خالصیت در جنوب شرق کرمان واقع شده است و به تولید تانتالیوم می‌پردازد. این معدن در حال حاضر توسط شرکت‌های معدنی متعددی بهره‌برداری می‌شود.

استخراج تانتالیوم در ایران در سال‌های اخیر افزایش یافته است و توسعه‌ی بیشتر این صنعت نیز در دستور کار قرار دارد. تانتالیوم استخراج شده از این معادن معمولاً به عنوان ماده اولیه در صنایع الکترونیک، فضاپیما، پزشکی و سایر صنایع استفاده می‌شود.

قیمت تانتالیوم

قیمت تانتالیوم، مانند هر فلز دیگر، تحت تأثیر چندین پارامتر مختلف قرار می‌گیرد. برخی از پارامترهای تاثیرگذار بر قیمت تانتالیوم عبارتند از:

1. عرضه و تقاضا: عرضه و تقاضا تانتالیوم در بازار، بزرگترین تأثیر را بر قیمت آن دارند. اگر تقاضا برای تانتالیوم بیشتر از عرضه باشد، قیمت افزایش می‌یابد و بالعکس. تقاضا می‌تواند تحت تأثیر عوامل مختلفی مانند رشد صنایع مرتبط با تانتالیوم (مانند الکترونیک، فضاپیما، پزشکی و صنایع شیمیایی) و تغییر در الزامات قوانین و مقررات مرتبط با استفاده از تانتالیوم قرار بگیرد.

2. تولیدکنندگان و عرضه کنندگان: تعداد و عملکرد تولیدکنندگان تانتالیوم نیز بر قیمت تاثیرگذار است. اگر تولیدکنندگان کمیاب باشند یا تولید کننده‌ها با مشکلاتی مواجه شوند، عرضه محدود می‌شود و قیمت تانتالیوم افزایش می‌یابد.

3. نرخ تبدیل ارز: قیمت تانتالیوم به دلار آمریکا معمولاً گزارش می‌شود، بنابراین نرخ تبدیل ارز می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر قیمت نهایی داشته باشد. افزایش یا کاهش قیمت دلار نسبت به ارزهای دیگر می‌تواند قیمت تانتالیوم را به تبع آن تحت تأثیر قرار دهد.

4. عوامل جغرافیایی: شرایط جغرافیایی می‌توانند تأثیر قابل توجهی بر قیمت تانتالیوم داشته باشند. برخی مناطق جهان دارای معادن تانتالیوم غنی هستند، در حالی که در مناطق دیگر عرضه محدود است. عواملی مانند دسترسی به معدن، هزینه‌های حمل و نقل، تأمین انرژی و عوامل سیاسی نیز می‌توانند قیمت را تحت تأثیر قرار دهند.

5. قوانین و مقررات: تانتالیوم به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد خود، استفاده‌های مختلفی دارد و برخی از صنایع از آن به عنوان ماده اولیه استفاده می‌کنند. قوانین و مقررات مربوط به استفاده از تانتالیوم، مانند تنظیمات محدودیت تجاری یا تحریم‌ها، می‌توانند قیمت را تحت تأثیر قرار دهند.

پرسش و پاسخ

فلزات, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 22 آبان 1402