التنتالوم

هيام بيرقدار

تحضير التنتالوم وخواصه الفيزيائية واستعمالاته

خواص التنتالوم الكيميائية وأهم مركباته

التنتالوم Tantalum  عنصر كيميائي، رمزه Ta وعدده الذري 73، يقع في فصيلة من المعادن الانتقالية هي الفصيلة VB  (الفصيلة 15) بالجدول الدوري، والتي تحوي أيضاً الفاناديوم والنيوبيوم.

اكتشفه الكيميائي السويدي أنديرس إكبرغ Anders Ekberg  عام 1802 في فلز   mineralحصل عليه من إيتربي Ytterby في السويد. وبعد عام من اكتشاف تشارلز هاتشيت Charles  Hatchett  عنصر الكولومبيوم. وقام في عام 1809 الكيميائي الإنكليزي ولاستون William Hyde Wollaston بمقارنة الفلزين اللذين استُحصل منهما المعدنان الكولومبيوم من الكولومبيت (وزن واحدة الحجم منه 5.918 غ/سم³) والثاني التنتاليت (وزن واحدة الحجم منه 7.935 غ/سم³)، واستنتج تطابق الأكسيدين على الرغم من الاختلاف في وزن واحدة الحجوم؛ وأبقى اسم تنتالوم. لاحقاً تحقَّق فوهلر من صحة نتائج ولاستون وعدَّ الكولومبيوم والتنتالوم العنصر ذاته. وأجرى  الكيميائي الألماني روز Heinrich Rose في عام 1846 دراسة مستفيضة على التنتاليت، واستنتج أن التنتاليت يحوي عنصرين إضافيَّين أطلق على أحدهما اسم النيوبيوم نسبة إلى نيوبيNiobe  ابنة تنتالوس من الأساطير اليونانية، والثاني  البيلوبيوم  pelopium  نسبة إلى بيلوبس  Pelops ابن تنتالوس، وتبين فيما بعد أن البيلوبيوم مزيج من التنتالوم والنيوبيوم، وأن النيوبيوم هو الكولومبيوم نفسه الذي اكتشفه هاتشيت.

يعود الفضل إلى الكيميائي السويسري دو ماريناكDe Marignac  الذي حضّر معدن التنتالوم عام 1864 بإرجاع (اختزال) كلوريد التنتالوم بالهدروجين بالتسخين، وبرهن عام 1866 على أن النيوبيوم والتنتالوم معدنان مختلفان.

يصادَف في الطبيعة المعدنان النيوبيوم والتنتالوم مترافقين دوماً لتشابههما الشديد، نظراً لتساوي نصفي قطريهما الذريَّين تقريباً، ولكن بنسب مختلفة، وأهم خاماتهما التنتاليت (Fe,Mn)Ta₂O₆أوالكولومبيت. وللتنتاليت بنية الكولومبيت نفسها (Fe,Mn)(Ta,Nb)₂ O₆. وعندما يحوي الفلز تنتالوم أكثر من النيوبيوم يدعى تنتاليت، وإذا حوى نيوبيوم أكثر من التنتالوم يدعى كولمبيت (أو نيوبيت). ومن فلزاته أيضاً الأوكسنيت euxenite La, Ce((Y, Ca, Er, U, Th)(Nb, Ta, Ti)₂ O₂)، تبلغ وفرة التنتالوم في القشرة الأرضية قرابة 2 مغ/كغ، وفي مياه البحار ^6-10×2 مغ/لتر.

يوجد للتنتالوم نظير مستقر واحد في الطبيعة هو181-Ta  ،  كما يوجد نظير مشع في الطبيعة هو 180-Ta (وهو يكوّن %0.012 من التنتالوم الطبيعي)، وهذا النظير مشع عمر نصفه أكثر من 107 سنوات. ويعرف له تسعة نظائر مشعة أخرى على الأقل أعدادها الكتلية تقع بين 176 و179؛ وبين 182 و186. وقد استعمل النظير 182 مصدراً لأشعة غاما.

تحضير التنتالوم وخواصه الفيزيائية واستعمالاته

لايمكن تحضير التنتالوم النقي بطريقة الإرجاع (الاختزال) العادية نظراً لتفاعله - بتسخينه لدرجات حرارة عالية - مع الأكسجين والآزوت (النتروجين) والكربون، ويحضر بالتحليل الكهربائي لملح مصهور مناسب، أو بإرجاع أكسيد التنتالوم بالألمنيوم وفق المعادلة (1):

3Ta₂O₅ + 10Al → 5Al₂O₃ + 6Ta     (1)

التنتالوم معدن metal  رمادي اللون ذو بريق فضي، وهو ذو قساوة ولدونة عاليتين، قابل للطرق والسحب وناقل للكهرباء ولا يتأثر بالهواء. له شكلان بلوريان ألفا وبتا؛ الأول قابل للسحب ولين، والثاني قاس وقَصِف، ويتحول بتا إلى الشكل البلوري ألفا بتسخينه بين درجة الحرارة 750° و775°س. ويبين الجدول (1) أهم خواصه الفيزيائية.

الجدول (1) الخواص الفيزيائية للتنتالوم.

يستعمل التنتالوم في صناعة أجهزة الالكترونيات حيث تستهلك 50% منه، ويساهم مسحوقه في إنتاج المكثفات capacitors  الإلكترونية. كما يدخل في الصناعة الكيميائية والنووية المعرّضة للتآكل، ويفضل على البلاتين المرتفع الثمن، كما يستعمل في صناعة الطائرات والصواريخ. وهو لا يتفاعل مع سوائل جسم الإنسان؛ لذلك يستعمل في صنع أدوات الجراحة، تصنع منه الخيوط الجراحية والمفاصل الاصطناعية كون جسم الإنسان لا يرفضه. تصنع سبائك بخلطه بمعادن أخرى - مثل الفولاذ الذي لا يصدأ -  تتميز بارتفاع درجة حرارة انصهارها وقابليتها للطرق والسحب.

أكسيد التنتالوم (V) Ta₂O₅ مادة ثنائية القطب تستعمل في صنع المكثفات. ويُصنع منه أيضاً زجاج ذو قرينة انكسار عالية وعدسات الكاميرات أيضاً. وتستعمل تركيبة composite مكونة من كربيد التنتالوم  TaCوالغرافيت - وهي من أقسى المواد المعروفة - في صنع الأطراف الحادة من آلات القطع عالية السرعة. ومن الجدير ذكره أن صناعة التنتالوم تحتاج تقنيات معدنية جديدة وفعالة ذات قيمة مضافة لتلبية متطلبات التطورات التقانية الحديثة للمواد الوظيفية. ويوضح الشكل (1) معدل نمو الاستعمال السنوي المركب للتنتالوم في جميع أنحاء العالم بين عامي 2016 و2021، بحسب المنتج النهائي.

الشكل (1) معدل نمو الاستعمال السنوي المركب للتنتالوم بين عامي 2016 و2021، بحسب المنتج النهائي.

خواص التنتالوم الكيميائية وأهم مركباته

يشبه التنتالوم النيوبيوم في خواصه الكيميائية نظراً لتقارب نصفي قطريهما الذريَّين، وهو لايتأثر بالحموض المعروفة باستثناء المزيج (HF + HNO₃) وفق المعادلة (2):

3Ta + 15HF + 5HNO₃  →  3H₂TaOF₅ + 5NO + 7H₂O      (2)

 ولا يتأثر بمحاليل القلويات؛ إلا أن القلويات المصهورة تحله ببطء وفق المعادلة (3):

 Ta + 5NaOH   →  NATaO₃ + 5/2H₂ + 3Na₂O       (3)

ويتفاعل التنتالوم - برفع درجة حرارته - مع الأكسجين مشكلاً Ta₂O₅، ومع الهالوجينات عدا اليود ويتشكل TaX₅، ويتشكل TaS₂ مع الكبريت، ويتشكل Ta₃N₅  مع الآزوت، وTaC مع الكربون.

درجة أكسدته الرئيسية5+ ؛ إلا أن له بعض المركباتبدرجات الأكسدة 2+,3+,4+، يمتلك أكسيده خواص حمضية ضعيفة، ولاينحل عملياً بالماء، ولا يمكن الحصول على التنتالات إلا بصهر الأكسيد مع القلوي. وتتحلمه التنتالات بسهولة في المحاليل المائية، وتترسب عند تحميض هذه المحاليل قليلاً مادة هلامية بيضاء صيغتها Ta₂O₅.xH₂O، تنحل في محاليل القلويات المركزة وفي محاليل الحموض القوية أيضاً ممّا يدل على خواصها المذبذبة (أمفوتير). يُحصل على الأكاسيد بدرجات الأكسدة الأخفض بإرجاع الأكسيد ذو درجة الأكسدة الأعلى. يشكل الفلوريد TaF₅ معقداً من الشكل [TaF₆] A حيث A معدن أحادي التكافؤ، ومن الشكل [TaF₇] ₂A و[TaF₈] ₃A.