Tàntal

element químic amb nombre atòmic 73
Per a altres significats, vegeu «Tàntal (desambiguació)».

El tàntal és un element químic de nombre atòmic 73 que se situa en el grup 5 de la taula periòdica dels elements i al 6è període. El seu símbol és Ta. És un metall de transició molt semblant al niobi, situat just damunt a la taula periòdica, amb el qual es presenta en la majoria dels minerals que els contenen. Els minerals més important d'on se'ls extreu són els del grup de la columbita-tantalita o coltan. Fou descobert el 1802 pel químic Anders Ekeberg. Se'n produeixen anualment unes 1800 tones, majoritàriament a la República Democràtica del Congo i a Ruanda. És un metall de gran importància degut a que amb ell s'han pogut miniaturitzar els condensadors de tots els dispositius electrònics que hom té a l'abast. Per la seva biocompatibilitat s'empra en diversos tipus d'implants. També s'empra en aliatges que han de resistir altes temperatures i en lents d'objectius fotogràfics.

Tàntal
73Ta
hafnitàntaltungstè
Nb

Ta

Db
Aspecte
Blau grisós

Cristalls de tàntal i un cub d'1 cm3


Línies espectrals del tàntal
Propietats generals
Nom, símbol, nombre Tàntal, Ta, 73
Categoria d'elements Metalls de transició
Grup, període, bloc 56, d
Pes atòmic estàndard 180,94788
Configuració electrònica [Xe] 4f14 5d3 6s2
2, 8, 18, 32, 11, 2
Configuració electrònica de Tàntal
Propietats físiques
Fase Sòlid
Densitat
(prop de la t. a.)
16,69 g·cm−3
Densitat del
líquid en el p. f.
15 g·cm−3
Punt de fusió 3.290 K, 3.017 °C
Punt d'ebullició 5.731 K, 5.458 °C
Entalpia de fusió 36,57 kJ·mol−1
Entalpia de vaporització 732,8 kJ·mol−1
Capacitat calorífica molar 25,36 J·mol−1·K−1
Pressió de vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
a T (K) 3.297 3.597 3.957 4.395 4.939 5.634
Propietats atòmiques
Estats d'oxidació 5, 4, 3, 2, -1 (òxid àcid feble)
Electronegativitat 1,5 (escala de Pauling)
Energies d'ionització 1a: 761 kJ·mol−1
2a: 1.500 kJ·mol−1
Radi atòmic 146 pm
Radi covalent 170±8 pm
Miscel·lània
Estructura cristal·lina Cúbica centrada en la cara[1]
Tàntal té una estructura cristal·lina cúbica centrada en la cara
(α-Ta)
Tetragonal[1]
Tàntal té una estructura cristal·lina tetragonal
(β-Ta)
Ordenació magnètica Paramagnètic[2]
Resistivitat elèctrica (20 °C) 131 nΩ·m
Conductivitat tèrmica 57,5 W·m−1·K−1
Dilatació tèrmica (25 °C) 6,3 µm·m−1·K−1
Velocitat del so (barra prima) (20 °C) 3.400 m·s−1
Mòdul d'elasticitat 186 GPa
Mòdul de cisallament 69 GPa
Mòdul de compressibilitat 200 GPa
Coeficient de Poisson 0,34
Duresa de Mohs 6,5
Duresa de Vickers 873 MPa
Duresa de Brinell 800 MPa
Nombre CAS 7440-25-7
Isòtops més estables
Article principal: Isòtops del tàntal
Iso AN Semivida MD ED (MeV) PD
177Ta sin 56,56 h ε 1,166 177Hf
178Ta sin 2,36 h ε 1,910 178Hf
179Ta sin 1,82 a ε 0,110 179Hf
180Ta sin 8,125 h ε 0,854 180Hf
β 0,708 180W
180mTa 0,012% >1,2×1015 a ε 0,929 180Hf
β 0,783 180W
IT 0,075 180Ta
α 2,103 176Lu
181Ta 99,988% 181Ta és estable amb 108 neutrons
182Ta sin 114,43 d β 1,814 182W
183Ta sin 5,1 d β 1,070 183W

HistòriaModifica

Anders Gustaf Ekeberg (1767-1813), químic de la Universitat d'Uppsala, Suècia, comunicà el descobriment del tàntal com a nou element químic el 1802. Tot i això, quan el 1809 el químic britànic William Hyde Wollaston (1776-1828) analitzà els minerals dels quals s'havia extret, conclogué que era idèntic al niobi, que havia sigut descobert pel químic anglès Charles Hatchet el 1801 i que havia anomenat columbi.[3] Com a resultat de la similitud d'ambdós elements es produí confusió quant a la seva identificació. Aquests dos elements sovint es donen junts i, essent químicament molt similars, eren difícils de separar pels mètodes disponibles en el moment del descobriment.

No fou fins al 1846 que el químic alemany Heinrich Rose (1795-1864) separà el tàntal i el niobi i demostrà de manera concloent que eren elements diferents, i tanmateix la seva mostra de tàntal encara era una mica impura, i no fou fins al 1903 que el tàntal pur pogué ser obtingut pel químic alemany Werner von Bolton (1868-1912).

El nom tàntal prové del llatí científic tantalum, i aquest del llatí Tantălus 'Tàntal', personatge mitològic, fill de Zeus i de la nimfa Pluto, castigat a patir fam i set eternament, per al·lusió a la nul·la capacitat d'absorció del tàntal quan se submergeix en àcids.[4] Tántal és el pare de la deessa Níobe, que dóna nom al niobi.[5]

Estat natural i obtencióModifica

 
Tantalita-(Mn)   conté un 70,57 % de Ta

El tàntal és un element poc abundant a l'escorça de la Terra, només té una concentració mitjana de 2 ppm, ocupant la 51a posició en quan a abundància dels elements químics. Se'l pot trobar com a mineral natiu en placers de rius i formant molts minerals en els quals hi és present en elevades proporcions. Els minerals que en contenen més d'un 75 % són: tantalcarbur   93,78 %; tantita   81,90 %; litiowodginita   80,09 %; natrotantita   76,53 %; i tantalowodginita 76,24 %.[6]

 
Miners de coltan del Congo-Kinshasa

El tàntal natiu amb una mica de niobi i traces de manganès i or se'l troba amb escassetat a Rússia a placers de les muntanyes Urals i possiblement al massís de l'Altai a l'Àsia Central.[7] S'obté de forma industrial dels minerals del grup de la columbita-tantalita  , que també es coneixen per l'acrònim coltan. S’obté comercialment una part de tàntal com a subproducte de l’extracció d’estany.[8] Els principals jaciments actuals es troben a Austràlia, Brasil, Ruanda, Zimbàbue, Congo-Kinshasa, Nigèria i Canadà.[5] El principals extractors són Congo-Kinshasa i Ruanda (740 tones i 370 tones respectivament el 2019).[9]

El tàntal se separa dels compostos de niobi per extracció de dissolvents en un procés líquid-líquid i després es redueix a pols de tàntal metàl·lic. El metall massiu es produeix mitjançant tècniques de metal·lúrgia en pols. També es pot obtenir mitjançant electròlisi de sals fusionades o reducció de complexos fluorats amb un metall molt reactiu com el sodi.[7]

PropietatsModifica

Propietats físiquesModifica

El tàntal és un metall gris, brillant, pesant, dúctil, d'alta densitat 16,4 g/cm³, molt alts punt de fusió i d'ebullició, 3017 °C i 5458 °C respectivament. És bon conductor de l'electricitat i la calor, i molt dur.[5] Cristal·lina en l'estructura cúbica centrada en el cos.[10]

Propietats químiquesModifica

El tàntal no reacciona amb l’aire en condicions normals degut a que la superfície del tàntal metall queda protegida per una fina capa d’òxid que evita l'oxidació de la resta del tàntal. Tampoc reacciona amb l’aigua en condicions normals. El tàntal reacciona amb els halògens en escalfar-se per formar halurs de tàntal(5+).

 
 
 
 

Sembla que el tàntal no és atacat per molts àcids a temperatura ambient, però es dissol en àcid fluorhídric, HF o oleum (una solució de triòxid de sofre,  , en àcid sulfúric,  , també conegut com àcid sulfúric fumant). El metall tàntal és atacat per àlcalis fusos.[10]

 
Carbur de tàntal  

Hom pot trobar composts de tàntal on el tàntal actua amb nombres d'oxidació +1, +2, +3, +4 i +5. A més dels halogenurs ja indicats hi ha descrits el següents composts: aluminur de tàntal  , monoborur de tàntal  , diborur de tàntal  , bromur de tàntal(III)  , bromur de tàntal(IV)  , carbur de tàntal  , clorur de tàntal(III)  , clorur de tàntal(IV)  , hidrur de tàntal  , iodur de tàntal(IV)  , nitrur de tàntal  , òxid de tàntal(IV)  , òxid de tàntal(V)  , selenur de tàntal(IV)  , silicur de tàntal  , sulfur de tàntal(IV)  , tel·lurur de tàntal(IV)  .[5]

IsòtopsModifica

Article principal: Isòtops del tàntal

Es coneixen 34 isòtops i isòmers del tàntal, però només dos se'ls troba a la natura, el tàntal 181 que representa la pràctica totalitat (99,99 %) i el tàntal 180 metaestable, que té un període de semidesintegració de 1,2×1015 anys.

AplicacionsModifica

Vegeu també: Aplicacions industrials del tàntal
 
Condensadors de tàntal

Indústria electrònicaModifica

La principal aplicació del tàntal és la producció de condensadors. La capacitat d'emmagatzemar electricitat en petita quantitat de metall ha permès la miniaturització de tots els dispositius electrònics, com telèfons mòbils, videoconsoles, microprocessadors, aparells de ràdio, armes «intel·ligents», míssils, etc., mitjançant la substitució dels clàssics condensadors d'alumini (més grossos) pels de tàntal (molt més petits).[11]

 
Objectius de càmeres fotogràfiques

Indústria òpticaModifica

L'òxid de tàntal s'afegeix al vidre per a augmentar-ne la transparència i l'índex de refracció alhora que el fa més lleuger. Aquests vidres s'empren en la fabricació d'objectius per a les càmeres fotogràfiques.[11]

Indústria metal·lúrgicaModifica

El carbur de tàntal es considera més resistent que el carbur de tungstè, i s'empra en eines de tall i en la fabricació de motors que han de treballar a altes temperatures i en un ambient corrosiu. També es fabrica instrumental quirúrgic i aparells químics amb aquest metall.[11]

MedicinaModifica

 
Desfibril·lador cardioversor implantable

Els condensadors d'alumini o de ceràmica no són una opció còmoda pels límits del cos humà. Tanmateix els condensadors de tàntal són excepcionalment fiables, altament duradors i molt petits, la qual cosa permet implantar dispositius petits i potents que els contenguin en pacients. Així els audiòfons implantables, el neurostimuladors i les bombes d’insulina són possibles gràcies a aquests condensadors. L’aplicació més destacada és pels desfibril·ladors cardioversors implantables (ICDs). L’alternativa tradicional a un ICD és un desfibril·lador extern que s’ha de portar a tot arreu pel pacient. Un ICD pot lliurar 750 volts, suficients per ser eficaç fins i tot en el cos humà més gran.[12]

 
Radiografia d'una pròtesi de maluc

El recobriment natural molt prim d'òxid de tàntal(V) de les superfícies del metall és totalment inert als fluids corporals, característica que converteix el tàntal en un material idoni per a implants quirúrgics. S'han utilitzat implants de tàntal en cirurgia general i en neurocirurgia durant més de mig segle i mai s'han descrit problemes de biocompatibilitat. Les aplicacions quirúrgiques del tàntal inclouen: accessoris de substitució de maluc i genoll; monofilaments i cables de sutura trenada pel tancament de la pell, tendons i reparació de nervis; làmines per a anastomosis nervioses; pinces pel lligament de vasos; grapes per a cirurgia abdominal; làmines i plaques flexibles per a la cranioplàstia i altres cirurgies reconstructives.[12]

Com el tàntal és tant radiopàtic com biològicament inert també es pot utilitzar com a un marcador ortopèdic en forma de bolles o perles. S'utilitzen per rastrejar objectes a l'interior d'un cos, com ara per fer un seguiment dels implants fixats en el cos. El tàntal també es pot utilitzar per revestir escuma de carboni per crear un recanvi biocompatible per a implants òssies, per exemple en implants dentals o per a vèrtebres. Aquesta estructura és de 70 a 80% porosa i un cop implantada el nou teixit biològic creix a través seu, ajudant a fixar-lo al seu lloc.[12]

Qüestions ambientalsModifica

El tàntal ha rebut molta poca atenció per part dels estudis ambientals. Si coneixem les concentracions a l'escorça externa (UCC, en les seves sigles angleses) i la raó Nb/Ta en l'escorça externa i en minerals és perquè aquestes mesures són útils com a eines geoquímiques.[13] Els valors més recents d'UCC i de la raó Nb/Ta (p/p) en l'escorça externa són 0,92 ppm i 12,7 respectivament.[14]

Hi ha poca informació disponible sobre les concentracions de tàntal en els diferents compartiments ambientals, especialment en aigües naturals, on ni tan sols hi ha càlculs fiables de concentracions de tàntal dissolt en aigües salades i dolces.[15] S'han publicat alguns valors sobre concentracions dissoltes en oceans, però són contradictoris. Els valors per aigües dolces no són molt millors, però, en tots els casos, probablement són inferiors a 1 ng L–1, ja que les concentracions "dissoltes" en aigües naturals estan molt per sota de les capacitats analítiques actuals.[16] L'anàlisi requereix procediments de preconcentració que, de moment, no donen resultats coherents. I, en tot cas, el tàntal sembla estar present a les aigües naturals principalment com a partícules i no en forma dissolta.[15]

Els valors per a concentracions en sòls, sediments fluvials i aerosols atmosfèrics són més fàcils d'aconseguir.[15] Els valors en sòls són propera a 1 ppm i, per tant, als valors UCC, el que indica un origen detrític. Per als aerosols atmosfèrics, els valors existents són dispersos i limitats. Quan s'observa un augment en la concentració de tàntal, probablement es degui a la pèrdua d'elements més solubles en aerosols en els núvols.[17]

No s'ha detectat contaminació relacionada amb l'ús humà de l'element.[18] El tàntal sembla un element molt conservador en termes biogeoquímics, però el seu cicle i la seva reactivitat encara no s'entenen completament.

ReferènciesModifica

  1. 1,0 1,1 Moseley, P. T.; Seabrook, C. J. «The crystal structure of β-tantalum» (en anglès). Acta Crystallographica Section B Structural Crystallography and Crystal Chemistry, 29, 5, 1973, pàg. 1170–1171. DOI: 10.1107/S0567740873004140.
  2. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, a Handbook of Chemistry and Physics, 81a edició, CRC press. (anglès)
  3. Weeks, Mary Elvira, 1892-. The discovery of the elements. Kessinger Pub, [2003]. ISBN 0-7661-3872-0. 
  4. ASALE, RAE-; RAE. «tántalo | Diccionario de la lengua española» (en castellà). [Consulta: 19 febrer 2020].
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 William M. Haynes. CRC handbook of chemistry and physics : a ready-reference book of chemical and physical data.. 2016-2017, 97th edition. Boca Raton, Florida: CRC Press, 2016. ISBN 978-1-4987-5429-3. 
  6. «Mineral Species sorted by the element Ta Tantalum». [Consulta: 20 febrer 2020].
  7. 7,0 7,1 «Tantalum | chemical element» (en anglès). Encyclopædia Britannica. Encyclopædia Britannica, inc., 01-03-2018. [Consulta: 20 febrer 2020].
  8. «Tantalum - Element information, properties and uses | Periodic Table». Royal Society of Chemistry. [Consulta: 20 febrer 2020].
  9. «Niobium (Columbium) and Tantalum Statistics and Information». National Minerals Information Center. [Consulta: 20 febrer 2020].
  10. 10,0 10,1 «WebElements Periodic Table » Tantalum » the essentials». [Consulta: 21 febrer 2020].
  11. 11,0 11,1 11,2 Sanz Balagué, J.; Tomasa Guix, O. Elements i recursos minerals : aplicacions i reciclatge. 3a. Iniciativa Digital Politècnica, 2017. ISBN 978-84-9880-666-3. 
  12. 12,0 12,1 12,2 «Tantalum Applications & Products». Tantalum-Niobium International Study Center (TIC), 2018. [Consulta: 21 febrer 2020].
  13. Green, TH «Significance of Nb/Ta as an indicator of geochemical processes in the crust-mantle system». Chemical Geology, 120, 3-4, 1995, pàg. 347–359. Bibcode: 1995ChGeo.120..347G. DOI: 10.1016/0009-2541(94)00145-X.
  14. Hu, Z; Gao, S «Upper crustal abundances of trace elements: a revision and update». Chemical Geology, 253, 3-4, 2008, pàg. 205. Bibcode: 2008ChGeo.253..205H. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2008.05.010.
  15. 15,0 15,1 15,2 Filella, M. «Tantalum in the environment». Earth-Science Reviews, 173, 2017, pàg. 122-140. DOI: 10.1016/j.earscirev.2017.07.002.
  16. Filella, M.; Rodushkin, I. «A concise guide for the determination of less-studied technology-critical elements (Nb, Ta, Ga, In, Ge, Te) by inductively coupled plasma mass spectrometry in environmental samples». Spectrochimica Acta Part B, 141, 2018, pàg. 80-84. DOI: 10.1016/j.sab.2018.01.004.
  17. Vlastelic, I.; et al. «The high field strength element budget of atmospheric aerosols (puy de Dôme, France)». Geochimica et Cosmochimica Acta, 167, 2015, pàg. 253–268. Bibcode: 2015GeCoA.167..253V. DOI: 10.1016/j.gca.2015.07.006.
  18. Filella, M.; Rodríguez-Murillo, JC. «Less-studied TCE: are their environmental concentrations increasing due to their use in new technologies?». Chemosphere, 182, 2017, pàg. 605-616. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2017.05.024. PMID: 28525874.