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Tantal - Referat
Inhalt
1 Vorkommen und Eigenschaften des Tantals
1.1 Vorkommen
1.2 Eigenschaften
2 Verwendung
3 Nachweis von Tantalat-Ionen
4 Mythologischer Ursprung des Namens „Tantal"
5 Wichtige historische Persönlichkeiten, die das Wissen über Tantal
prägten
5.1 Anders Gustav Ekeberg
5.2 Werner von Bolton
6 Vanadiumgruppe
6.1 Vanadium
6.1.1 Vorkommen
6.1.2 Eigenschaften
6.1.3 Verwendung
6.2 Niob
6.2.1 Vorkommen
6.2.2 Eigenschaften
6.2.3 Verwendung
6.3 Dubnium
7. Verbindungen des Tantals
1 Vorkommen und Eigenschaften des Tantals
1.1 Vorkommen
In der Natur kommt Tantal in verschiedenen Mineralien vor. Das häufigste ist Columbit , (Fe,Mn)(Nb,TaO3)2, Bei Überwiegen der Tantalkomponente nennt man es auch Tantalit. Am Aufbau der Erdkruste ist Tantal zu 2,9×10-4% beteiligt.
Das Mineral wird fast ausschließlich im Kongo abgebaut. Man findet es jedoch auch in Südafrika, Namibia und in Australien.
Natürliches Tantal besteht zu 99,988% aus dem stabilen Isotop mit der Massezahl 181. Die restlichen 0,012% bildet das b-Strahlen aussendende Isotop mit der Massezahl 180, das eine Halbwertszeit von 1013 Jahren hat.
Um reines Tantal aus den Niob-Tantal-Erzen zu gewinnen, bereitet man diese auf und trennt die beiden Elemente voneinander. Vor allem durch Umsetzung von Kalium-hepta-fluorotantalat(V) mit Natrium, durch Reduktion von Tantal(V)-chlorid oder –fluorid im Wasserstoffplasma oder durch Elektrolyse zum Beispiel einer Tantal(V)-oxid-/ Kalium-hepta-fluorotantalat(V)-/ Alkalichlorid-/ Alkalifluorid-Schmelze wird das Metall erzeugt und danach ähnlich dem homologen Niob raffiniert.
1.2 Eigenschaften
Das Element Tantal hat das chemische Symbol Ta und die Ordnungszahl 73. Zudem hat es eine Massezahl von 180,95. Im Periodensystem findet man es in der 5. Nebengruppe, es gehört also zur Vanadiumgruppe.
Tantal und dessen Verbindungen sind nicht toxisch. Aber es gibt Hinweise auf die krebsauslösenden Wirkungen einiger Tantalverbindungen. Mit Tantalpulver und Tantalstaub sollte man vorsichtig umgehen, da eine hohe Feuer- und Explosionsgefahr von ihnen, wie auch bei allen anderen fein zerteilten Metallen, ausgeht.
Tantal ist ein relativ hartes Schwermetall mit einer hellgrau glänzenden Färbung. Es ist sehr zäh und elastisch. In reiner Form ist es ein gut walz-, schmied- und dehnbares, im kubisch-raumzentrierten Gitter kristallisierendes Metall. Es hat eine Dichte von 16,65g/cm³. Es beginnt bei 2996°C zu schmelzen und siedet bei 5425°C. Dadurch gehört es zu den Metallen mit den höchsten Schmelz- und Siedetemperaturen.
Aufgrund des negativen Normalpotentials von –0,75 V ist es chemisch gesehen unedel. Da es bei Zimmertemperatur eine passivierende Oxidschicht, Tantal(V)-oxid Ta2O5, bildet, ist es bei geringen Temperaturen sehr widerstandsfähig gegenüber Luft und den meisten Säuren und Basen, ausgenommen Flusssäure, heiße konzentrierte Schwefelsäure und schmelzende Alkalien.
Die Elektronenkonfiguration des Elementes Tantal ist 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d8 4p6 5s2 4d8 5p6 6s2 4f10 5d3.
In Verbindung treten die Oxidationsstufen +3 bis +5 auf, was vermuten lässt, dass entweder nur die 3 Elektronen des 5d-Orbitals beziehungsweise diese und die zwei Elektronen des 6s-Orbitals abgegeben werden, da diese dann leer sind, was eine höhere Stabilität erzeugt als nur zum Teil besetzte Orbitale. Dabei ist +5 die häufigste und stabilste Oxidationszahl.
Durch Aufnahme von Wasserstoff oder Stickstoff wird das Metall härter und die Sprödigkeit erhöht sich. Bereits bei Zimmertemperatur reagiert Tantal mit Fluor, jedoch erst bei Temperaturen über 130°C mit Chlor, Schwefel und Brom. Obwohl Tantal bei Zimmertemperatur Wasserstoff aufnehmen kann, werden für die Aufnahme von Sauerstoff über 300°C benötigt. Verbrennt man Tantalpulver, so oxidiert dieses an der Luft unter lebhaftem Aufleuchten.
Aufgrund der nahezu identischen Atom- und Ionenradien bei analoger Elektronenanordnung, ähnelt das Tantal sehr dem - im Periodensystem der Elemente über ihm stehenden - Niob. Die chemischen Eigenschaften beider Elemente sind relativ gleich. Zur Unterscheidung nutzt man Ionenaustauschverfahren und Papierchromatographie aufgrund der unterschiedlichen Löslichkeit der Fluorometallate(V).
2 Verwendung
Aufgrund der chemischen Widerstandsfähigkeit und Festigkeit findet Tantal in vielen Gebieten Verwendung. Man nutzt es zur Herstellung chemischer Apparate, chirurgischer Instrumente, wie zum Beispiel Knochennägel, Pinzettespitzen, Kanüle, Nadeln, Klammern, Schrauben und so weiter, und für Innenauskleidungen von Vakuumöfen.
In der Vergangenheit würden auch Glühbirnen mit Tantaldrähten hergestellt. Man verwendet hochbrechendes Glas, das Tantaloxid enthält, für den Bau extrem lichtstarker Objektive.
Tantal-Niob-Legierungen sind in der Stahlindustrie von Bedeutung. Aufgrund ihrer Neigung zur Carbidbildung verwendet man sie zur Herstellung besonders korrosionsbeständiger und rostfreier Stähle. Aus Kostengründen wird die Tantal-Niob-Legierung nur als sehr dünne Schicht durch Sprengplattierung auf das Grundmaterial aufgetragen.
Es wird außerdem in der Elektroindustrie zur Herstellung von Röntgen- und Elektronenröhren, Tantalgleichrichtern und –kondensatoren, Isotopbatterien und als Getter in Elektronenröhren verwendet.
3 Nachweis von Tantalat-Ionen
Tantalat-Ionen kann man durch Fällen als Natriumorthotantalat(V) nachweisen. Dazu benötigt man ein Mikroskop, einen Objektträger, ein Deckgläschen, ein Halbmikro-Reagenzglas und einen Halbmikro-Tropfer. Zusätzlich braucht man Tantal(V)-oxid, Kaliumhydroxidlösung (40%) und Natriumchlorid.
Zunächst wird im Halbmikro-Reagenzglas eine Spitze der Untersuchungssubstanz, also des Tantal(V)-oxids, in 1 ml Kaliumhydroxidlösung gelöst. Dabei sollte man vorsichtig sein, denn es handelt sich um eine giftige und ätzende Substanz. Danach bringt man einen Tropfen dieser Lösung auf den Objektträger und gibt ein Körnchen Natriumchlorid hinzu. Setzt die Kristallbildung ein, bedeckt man das ganze mit dem Deckgläschen. Man kann den Probetropfen auch erhitzt einsetzen. Danach beobachtet man die Veränderungen unter dem Mikroskop bei 250…600facher Vergrößerung. Man sieht, dass sich hexagonale Platten und Tafeln bilden. Verwendet man eine heiße Lösung, so entstehen längliche Nadeln und Sterne. Die gebildeten Kristalle sind stets farblos.
Ta2O5 + 6KOH -> 2K3TaO4 + 3H2O
TaO43- + 3Na+ -> Na3TaO4 (Natriumorthotantalat(V))
4 Mythologischer Ursprung des Namens „Tantal“
Als Anders Gustav Ekeberg im Jahre 1802 das Element entdeckte, benannte er es nach dem griechischen Sagenkönig Tantalos.
Der Mythologie nach war Tantalos, Sohn des Zeus und der Pluto, der Stammvater des Geschlechtes der Tantaliden. Verheiratet war er mit der Dione und Niobe, Broteas, Daskylos und Pelops waren seine Kinder.
Er kam in Ungunst der Götter, welche daraufhin ihn und sein ganzes Haus verfluchten. Dieser Fluch stürzte ihn und fünf Generationen seiner Nachkommen in eine Kette von Verbrechen und Gewalt.
Tantalos selber wurde von den Göttern in den Tartaros verstoßen. Dort stand er inmitten eines Teiches. Sein Kinn wurde vom Wasser umspült. Jedoch wollte er vor Durst davon trinken, so senkte sich der Wasserspiegel. Über ihm hingen früchtetragende Zweige mit Birnen, Granaten, grünen Oliven, süßen Feigen und Äpfeln. Streckte er sich jedoch nach ihnen, um eine der Früchte zu pflücken, wurden die Zweige sofort vom Sturm empor gewirbelt. So gelang es ihm, weder Wasser zu trinken noch Früchte zu essen.
Den Namen erhielt das Tantal aufgrund des Verhaltens gegenüber Säuren, da es unter ihnen „schmachten muss und seinen Durst nicht löschen kann, wie Tantalos in der Unterwelt“.
5 Wichtige historische Persönlichkeiten, die das Wissen über Tantal prägten
5.1 Anders Gustav Ekeberg
Der Schwede Anders Gustav Ekeberg wurde am 16. Januar 1767 in Stockholm geboren. Er studierte Chemie und wurde Assistent, ab 1794 war er sogar Professor der Chemie an der Universität Uppsala.
1802 entdeckte Ekeberg bei der Untersuchung eines schwedischen columbitähnlichen Minerals einen manganfreien Stoff. Diesen nannte er Tantal. Tatsächlich entdeckte er jedoch das in Säuren unlösliche Tantalit oder Tantalpentoxid.
Anders Gustav Ekeberg starb am 11. Februar in Uppsala.
5.2 Werner von Bolton
Werner von Bolton wurde am 8. April 1868 in Tiflis (Tbilissi) geboren. Er studierte von 1888-1893 an der TH Berlin. Danach arbeitete er dort, bevor er nach Leipzig ging und 1895 promovierte.
Bolton beschäftigte sich mit der Entwicklung eines hochwertigen und zugleich wirtschaftlich einsetzbaren Drahtes für die Glühlampenindustrie. Dafür untersuchte er verschiedene seltene Metalle. Er fand heraus, dass Tantal ein geeigneter Stoff ist und bemühte sich darum, es als reines Metall aus dem Oxid herstellen zu können. Dies gelang ihm durch die Reduktion mit Natrium.
1903 stellte er nach langjähriger Forschung die erste Tantalfadenlampe her. Schon 1905 konnte diese als erste erfolgreiche Metallfadenglühlampe für die Öffentlichkeit produziert werden.
In den Jahren 1906 und 1907 beschäftigte sich Bolton mit den Eigenschaften von Tantal und Niob.
Werner von Bolton starb am 28. Oktober 1912 in Berlin.
6 Vanadiumgruppe
Als Vanadiumgruppe bezeichnet man die Elemente der 5. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente, namentlich Vanadium, Niob, Tantal und Dubnium. Dabei handelt es sich um eher seltene Metalle. Vanadium hat zum Beispiel einen Massenanteil an der Erdkruste von 0,014%, Niob nur 0,0019% und Tantal sogar davon nur die Hälfte. Dubnium kommt in der Natur nicht vor, es ist ein kurzlebiger, künstlicher a-Strahler. Bei den anderen drei Elementen handelt es sich um hochschmelzende Schwermetalle mit geringfügig unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften. Besonders ähnlich sind sich Tantal und Niob. Die häufigste Oxidationszahl der Vanadiumgruppe ist +5, die man von der Stellung im Periodensystem ablesen kann. Dabei sind die d-Elektronen an den chemischen Bindungen beteiligt. Typisch für Übergangsmetalle ist das Auftreten geringerer positiver Oxidationszahlen.
6.1 Vanadium
Vanadium hat das chemische Symbol V und die Ordnungszahl 23. Es besitzt eine Atommasse von 50,94u.
6.1.1 Vorkommen
Vanadium kommt in der Natur in verschiedenen Mineralien vor. Die wichtigsten sind : Vanadinit, Pb5(VO4)3Cl, Patronit, VS4, Carnotit, K2(UO2)2(VO4)2×3H2O, und Roscoelit, K(Al,V)2(OH,F)2[AlSi3O10]. 0,25% des natürlichen Vanadiums besteht aus dem schwach radioaktiven Isotop mit der Massezahl 50. Die restlichen 99,75% aus dem stabilen Element mit der Massezahl 51.
6.1.2 Eigenschaften
Das relativ weiche Metall ist hellsilbern und duktil. Es hat eine Dichte von 6,11g/cm³. Vanadium schmilzt bei 1890°C, und der Siedepunkt befindet sich bei 3380°C.
Bei Zimmertemperatur ist das Metall durch eine dünne, zusammenhängende Schicht von Vanadiumpentoxid V2O5 passiviert. Dadurch ist es an der Luft stabil. Außerdem wird es von Säuren und Laugen nicht angegriffen, ausgenommen sind Königswasser, heiße Salpetersäure und konzentrierte Schwefelsäure. Bei Temperaturen über 700°C kann man Reaktionen mit Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und anderen Nichtmetallen beobachten. Die beständigsten Oxidationsstufen betragen +5 und +4, jedoch treten auch die Stufen +3 und +2 in Verbindungen auf.
6.1.3 Verwendung
Vanadium wird als Ferrovanadin, einer Verbindung mit Eisen, in der Stahlindustrie verwendet, um die Härte, Dehnbarkeit, Schlag-, Stoß- und Temperaturfestigkeit des Stahls zu erhöhen. Die Legierung von Vanadium und Gallium im Verhältnis 3:1 zeigt Eigenschaften eines Supraleiters. Fünfwertige Verbindungen des Vanadiums werden als Katalysatoren zum Beispiel beim Kontaktverfahren zur Schwefelsäurenherstellung verwendet.
6.2 Niob
Nb steht für das chemische Element Niob mit der Atommasse 92,91u. Es hat die Ordnungszahl 41.
6.2.1 Vorkommen
In der Natur kommt Niob hauptsächlich im Eisenniobat Columbit, FeNb2O6, vor. Man findet es aber auch in anderen Niobmineralien wie Samarskit, (Y,ER)4(Nb2O7)3, und Pyrochlor, (NaCa)(Nb2O6)F.
6.2.2 Eigenschaften
Das gut schmiedbare Metall ist hellsilbern, relativ weich und hat eine kubisch raumzentrierte Kristallstruktur. Die Dichte beträgt 8,57g/cm³. Niob schmilzt bei einer Temperatur von 2468°C, und der Siedepunkt liegt bei 4927°C.
Trotz des - chemisch gesehen - unedlen Charakters ist das Metall an der Luft stabil und in Säuren, selbst in Königswasser, unlöslich. Bei einer Temperatur von 200°C kann man die Bildung einer blauen Oxidschicht beobachten. Die stabilste Oxidationsstufe des Niob beträgt +5, man findet aber auch drei- und vierwertige Verbindungen.
6.2.3 Verwendung
Niob findet Verwendung in der Stahlveredlung. Aufgrund der chemischen Beständigkeit nutzt man es auch beim Apparatebau und in der Reaktor- und Raumfahrtechnik. Die Legierung des Niob mit Germanium im Verhältnis 3:1 besitzt die höchste Sprungtemperatur für metallische Supraleiter von –251°C.
6.3 Dubnium
Am Kurtschatov-Institut bei Moskau wurde 1967 von einem russischen Forscherteam das Element der Ordnungszahl 105 durch Beschuss des Americiumisotops mit Neonkernen hergestellt. Dabei entstanden Isotope mit verschiedenen Massen. Das stabilste hatte eine Halbwertszeit von 40 Sekunden. Die russischen Physiker nannten das Element Nielsbohrium. Eine amerikanische Forschungsgruppe der Universität von Kalifornien wiederholte den Versuch und nannte das entstandene Element Hahnium.
Heutzutage nennt man dieses Element jedoch Dubnium. Aufgrund der geringen bisher hergestellten Mengen kann man nur Vermutungen über die physikalischen und chemischen Eigenschaften aufstellen.
7 Verbindungen des Tantals
Die Verbindungen des Tantals verhalten sich weitgehend genau wie die entsprechenden Niobverbindungen.
Tantalcarbid, TaC, ist so hart wie Diamant. Es handelt sich dabei um ein im reinen Zustand messingfarbenes Pulver mit geringer Wärmeleitfähigkeit. Man nutzt Tantalcarbid als Beschichtung hochbeanspruchter, schnelldrehender Bohrmeißel.
Die besonders bis zu sehr hohen Temperaturen widerstandsfähigen Verbindungen Tantalborid und Tantalnitrid finden ebenfalls Anwendung als Beschichtungsmaterialien stark beanspruchter Metallteile.
Eine weitere Verbindung des Tantals ist das Tantal(V)-oxid. Ta2O5 ist ein weißes Pulver. Man nutzt es zur Herstellung hochlichtbrechender Gläser und spezieller Kristallmineralien. Des Weiteren stellt man daraus Kondensatoren her, und es dient bei einigen organischen Synthesen als Katalysator.
Tantalpentachlorid, Ta2Cl5, besteht aus hellgelben Kristallen und schmilzt erst bei 242°C. Man setzt es als Chlorierungsmittel bei chemischen Synthesen ein.
Dieses Referat wurde eingesandt vom User: Nienor
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