NGUYÊN TỐ TANTAN

I. Đơn chất
1. Tính chất vật lí
Cấu hình electron: Ta (Z=73) [Xe] 4f145d36s2
Tantan là một kim loại chuyển tiếp, có kí hiệu là Ta và số nguyên tử bằng 73. Thuộc nhóm VB, chu kì 6 trong bảng tuần hoàn.
Nó là một kim loại màu trắng xám, rất khó nóng chảy và khó sôi. Tinh thể kim loại có mạng lưới lập phương tâm khối.
Một số hằng số vật lí của kim loại Ta:
Nhiệt độ nóng chảy, oC
Nhiệt độ sôi, oC
Nhiệt thăng hoa, Kj/mol
Tỉ khối
Độ cứng
(Thang Moxơ)
Độ dẫn điện (Hg=1)
~3015
~5500
782
16,65
6
6
Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và nhiệt độ thăng hoa của Ta rất cao. Những hằng số vật lí cao này được giải thích bằng độ bền của liên kết kim loại trong tinh thể gây nên bởi số lớn electron d độc thân (4e) tham gia thành liên kết cộng hóa trị.
Ta tinh khiết có tính chất cơ lí rất tốt nhưng khi chứa tạp chất (O, N, C, B, H...) trở nên dòn do tạo nên những hợp chất có thành phần biến đổi.
2. Tính chất hóa học
Ở nhiệt độ thường, Tantan khá trơ về mặt hóa học. Nguyên nhân chính là do có màng oxit mỏng bảo vệ bề mặt kim loại. Khi đun nóng, Ta tác dụng với oxi và flo tạo thành oxit Ta2O5 và florua TaF5. Ở nhiệt độ cao, nó tác dụng với clo, lưu huỳnh, nitơ, cacbon, silic,… thường tạo nên một số hợp chất kiểu xâm nhập và có thành phần biến đổi. Cacbua TaC có độ cứng và nhiệt độ nóng chảy cao (khoảng 3800oC) không thua kém kim cương. Ở dạng bột, Ta tác dụng với hơi nước giải phóng khí H2.
Ở nhiệt độ thường, Tatan chỉ tác dụng chậm với dung dịch HF và tan dễ hơn trong hỗn hợp HF và HNO3.
3Ta + 5HNO3 +21HF 3H2[TaF7] + 5NO +10H2O
Tantan chỉ tác dụng với kiềm nóng chảy khi có mặt của chất oxi hóa:
4Ta + 12KOH + 5O2 4K3[TaO4] + 6H2O
Tính trơ của tantan là do màng oxit mỏng và bền bảo vệ bề mặt kim loại.
3. Úng dụng
Tantan được sử dụng chủ yếu dưới dạng bột kim loại, để tạo ra các linh kiện điện tử. Do tụ điện tantan có điện dung lớn nhưng kích thước nhỏ nên chúng được dùng nhiều trong sản xuất điện thoại di động, máy nhắn tin, máy tính và các linh kiện điện tử trong ô tô…
Tantan được sử dụng để chế tạo các loại hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao và cứng dùng để làm các dụng cụ tôi luyện chế tạo các siêu hợp kim cho động cơ phản lực, các dụng cụ thí nghiệm, lò phản ứng hạt nhân, các bộ phận của lò luyện chân không và bộ phận của tên lửa.
Do có tính dẻo, có thể kéo thành sợi nhỏ và nhiệt độ nóng chảy cao, tantan có thể dùng như dây tóc làm bốc hơi các kim loai khác như nhôm.
Trong y học: Do tính bền hóa học nên Tantan không phản ứng với các dung dịch trong cơ thể, vì thế nó được dùng để chế tạo dụng cụ phẫu thuật, hoặc kéo thành sợi nhỏ để nối dây chằng và huyết quảng trong cơ thể.
4. Trạng thái thiên nhiên và phương pháp điều chế
Tantan là nguyên tố hiếm. Trữ lượng của nó trong vỏ Trái Đất chỉ khoảng 2.10-5 %. Tantan là nguyên tố phân tán, không có mỏ lớn mà ở lẫn trong khoáng vật của các kim loại khác. Tantan và Niobi luôn luôn đồng hành với nhau. Khoáng vật quan trọng của chúng là niobat-tantalat ((Fe, Mn)(EO3)2), khoáng vật có nhiều tantan hơn gọi là tantalit ((Fe, Mn)(TaO3)2) và có nhiều niobi hơn gọi là columbit ((Fe, Mn)(NbO3)2).
Tantan kim loại được điều chế bằng cách dùng những kim loại natri, canxi khử pentaoxit, pentaclorua hay muối phức floro của nó.
K2[TaF7] + 5Na 2KF + 5NaF + Ta
Tantan còn được điều chế bằng cách điện phân Ta2O5 trong K2[TaF7] nóng chảy.
Trong tự nhiên, Tantan thường đi chung với Niobi (Nb). Vì vậy, người ta cần chế hóa quặng và tách riêng chúng ra.
Quá trình chế hóa quặng và tách riêng Ta và Nb:
Quặng niobat-tantalat sau khi đã tuyển, được nấu chảy với kiềm hoặc cacbonat kim loại kiềm:
Fe(EO3)2 + 6NaOH 2Na3EO4+FeO+3H2O
Mn(EO3)2 + NaOH 2Na3EO4 + MnO + 3H2O
Rửa sản phẩm với nước để hòa tan những hợp chất tan như silicat, aluminat, stanat,vonframat (gây nên bởi các tạp chất có trong quặng) rồi chế hóa tiếp với axit loãng để hòa tan FeO và MnO và còn lại hyđrat của các pentaoxit:
2Na3EO4 + 6HCl E2O5 + 3H2O + 6NaCl
Chế hóa các hyđrat với dung dịch hỗn hợp HF và KF:
Nb2O5 + 4KF + 6HF 2K2[NbOF5] + H2O
TaO5 + 4KF + 10HF 2K2[TaF7] + 5H2O
Dựa vào độ tan khác nhau, K2[NbOF5] tan hoi nhiều hơn K2[TaF7], người ta kết tinh phân đoạn để tách hai muối ra khỏi nhau.
Quặng các kim loại đất hiếm có chứa Nb và Ta, sau khi đã tuyển, được clo hóa khi có mặt than ở nhiệt độ cao. Những clorua dễ bay hơi của Ti(IV), Nb(V) và Ta(V) thoát ra ngoài còn những clorua không bay hơi của đất hiếm, kim loại kiềm thổ và kim loại kiềm ở lại trong khối nóng chảy. Chưng cất phân đoạn để tách riêng lấy NbCl5 và TaCl5. Để tăng khoảng chênh lệch nhiệt độ sôi, người ta cho thêm POCl3 vào và chưng cất phân đoạn hỗn hợp sản phẩm kết hợp NbCl5.POCl3 và TaCl5.POCl3 để tách riêng chúng.
Để tách riêng Nb và Ta người ta còn có thể chiết chọn lọc hỗn hợp florua bằng tribenzylamin hay cupferon hoặc dùng phưoơng pháp trao đổi ion.
II. Hợp chất bền của Tantan
Trong hợp chất Tantan thể hiện nhiều trạng thái oxi hóa. Trong đó, trạng thái oxi hóa +4, +5 của Ta là bền. Các hợp chất Ta(II) và Ta(III) có ít và đều kém bền.
1. Hợp chất Ta(IV)
Tantan đioxit (TaO2): là bột màu đen, có kiến trúc kiểu rutin lệch được cấu taọ nên bởi các bát diện TaO6 nối với nhau qua đỉnh O chung. Các ion kim loại ở bên trong các bát diện TaO6 ở gần nhau và oxit có độ từ cảm tương đối thấp nên trong TaO2 có liên kết kim loại - kim loại.
TaO2 khó nóng chảy và bền nhiệt. Khi đun nóng trong không khí TaO2 bị oxi hóa thành Ta2O5.
TaO2 trơ với các dung dịch axit và kiềm.
TaO2 được tạo nên khi khử oxit Ta2O5 ở nhiệt độ cao.
Ta2O5 + C 2TaO2 + CO
Tetrahalogenua TaX4: Người ta đã biết hầu hết các tetrahalogenua của Ta trừ TaF4. Các tetrahalogenua của Ta bền với nhiệt, đa số có thể thăng hoa ở ~300oC.
Các tetrahalogenua dể bị thủy phân. Khi tác dụng với dung dịch nước, tetrahalogenua của tantan bị biến đổi trạng thái oxi hóa.
4TaCl4 + 5H2O 2TaCl3 + Ta2O5 + 10HCl
2TaCl4 + 14NaOH 2Na3TaO4 + 8NaCl + 6H2O + H2
Tantan tetraclorua có màu đen và được điều chế bằng cách dùng Al khử TaCl5.
3TaCl5 + Al 3TaCl4 + AlCl3
2. Hợp chất của Ta(V)
Tantan pentaoxit (Ta2O5): là chất dạng tinh thể màu trắng, khó nóng chảy (tnc=1870oC), được cấu taọ bởi các nhóm bát diện TaO6 nối với nhau qua cạnh chung và đỉnh chung.
Ta2O5 khá trơ về mặt hóa học, không tan trong nước, không tan trong dung dịch axit và kiềm, chỉ tan trong kiềm nóng chảy tạo thành tantanat.
Ở nhiệt độ cao, Ta2O5 bị H2, C, kim loại khử thành oxit thấp hay thành kim loại.
Tantan pentaoxit có thể điều chế bằng cách tác dụng trực tiếp từ nguyên tố hoặc bằng cách đun nóng các oxit thấp trong không khí.
Tantalat: là chất dạng tinh thể các thành phần và kiến trúc phức tạp. Những hợp chất có thành phần đơn giản hơn là MTaO3, M3TaO4 và M4TaO7 (trong đó M là ion kim loại kiềm hoặc NH4+ ). Tantalat là chất ở dạng polyme. Ví dụ, Mn(TaO3)2 có kiến trúc kiểu ritin.

Tantalat được tạo nên khi nấu chảy pentaoxit Ta2O5 trong kiềm hay trong cacbonat kim loại kiềm:
Ta2O5 + 3K2CO3 3K3TaO4 + 3CO2
Tantalat tạo nên ở thể chảy như vậy được coi là những oxit hỗn hợp trong khi một số tantalat tan được trong nước có chứa những polianion riêng rẽ. Sản phẩm thu được khi nấu chảy Ta2O5 trong KOH khi tan trong nước tạo nên kali hexatantalat:
6K3TaO4 + 5H2O K8Ta6O19 + 10KOH
Trong hiđrat tinh thể K8TaO19.16H2O có mặt anion hexatantalat Ta6O198-. Những polianion Ta6O198- được cấu tạo bởi bát diện EO6 nối với nhau qua các cạnh chung:


Như vậy, hexatantalat cũng như axit hỗn hợp kiểu NaTaO3 hay Na4Ta2O7 dều được cấu tạo nên bởi các bát diện TaO6 mà Ta ở trung tâm bát diện. Nhưng trong muối hexa trên, các bát diện TaO6 dược sắp xếp theo cách tạo nên những “bát diện lớn” bao gồm những nguyên tử Ta làm cho trong tinh thể có mặt những polianion E6O198-.
Khi axit hóa dung dịch nước hay huyền phù trong nước của tantalat sẽ thu được kết tủa ít tan trong nước, dễ tan trong HF và dung dịch kiềm. Đó là những hiđrat của các pentaoxit Ta2O5.yH2O mà người ta thường gọi là axit tantalic.
Peoxitantalat:
Anion tetrapeoxitantalat Ta(O2)43- không có màu.
Peoxitantalat được tạo nên khi các hợp chất của Ta(V) tác dụng với dung dịch H2O2.
Ta2O5 + 8H2O2 + 6KOH 2K3Ta(O2)4 + 11H2O
Pentahalogenua TaX5: Dưới đây là màu sắc, nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy của các pentahalogenua đã biết.
Chất
TaF5
TaCl5
TaBr5
TaI5
Màu sắc
Trắng
Trắng
Vàng nhạt
Đen
Nđnc, oC
97
210
280
496
Nđs, oC
229
233
345
543
Phân tử của pentaflorua ở dạng tetrame (TaF5)4 còn phân tử tetraclorua và tetrabromua ở dạng đime (TaX5)2:

Các pentahalogen đều hoạt động hóa học. Chúng có tính chất giống các halogenanhiđrit, bị thủy phân dể dàng tạo nên hiđrat của các pentaoxit và axit halogenhiđric:
2TaX5 + 5H2O Ta2O5 + 10HX
Với các oxitrihalogenua TaOX3, phản ứng thủy phân cũng xảy ra tương tự:
2TaOX3 + 3H2O Ta2O5 + 6HX
Các pentaflorua và pentaclorua của Ta có thể tác dụng với florua kim loại kiềm tạo nên anion phức [TaF6]-,[TaF7]2-, [TaF8]3- và [TaCl6]-.
TaF5 + 2KF K2[TaF7]
Tương tự như vậy các oxitrihalogen TaOX3 cũng tác dụng với halogen kim loại kiềm tạo nên anion phức [TaOCl4]-, [TaOX5]2- và [TaOF6]3-.
Các pentahalogenua được tổng hợp trực tiếp từ các nguyên tố TaI5 được tạo nên khi chưng cất TaBr5 với HI. Ngoài ra còn một số phương pháp điều chế khác.
Ta2O5 + 5PCl5 2TaCl5 + 5PoCl3
Ta2O5 + 5Cl2 + 5C 2TaCl5 + 5CO
Khi các kim loại tác dụng với halogen nếu có mặt khí oxi thì ngoài pentahalogenua còn tạo nên cả oxitrihalogenua nữa.