Tantal [ˈtʰantʰal] ist ein chemisches Element mit dem Symbol Ta und der Ordnungszahl 73; im Periodensystem steht es in der fünften Nebengruppe oder Vanadiumgruppe. Es ist ein selten vorkommendes, duktiles, graphitgraues, glänzendes Übergangsmetall. Tantal wird vorwiegend für Kondensatoren mit hoher Kapazität bei gleichzeitig geringer Größe verwendet. Da das Metall ungiftig und in Bezug auf Körperflüssigkeiten inert ist, wird es auch für Implantate, etwa für Knochennägel, eingesetzt.

Geschichte

Das Element wurde 1802 von Anders Gustav Ekeberg sowohl in einem Tantalit-Erz aus Kimito in Finnland als auch in Yttererde aus Ytterby in Schweden gefunden. Er trennte ein sehr beständiges Oxid (Tantal(V)-oxid) ab, das sich in keiner Säure löste. Benannt ist es nach Tantalos, einer Figur aus der griechischen Mythologie. Diesen Namen wählte Ekeberg, um auf das Unvermögen, auch bei großer Menge an Säure nichts von dieser aufnehmen zu können, anzuspielen.^[9]

Etwas früher, im Jahr 1801, fand Charles Hatchett in einem Erz aus Massachusetts ein ihm unbekanntes Element, das er Columbium nannte.^[10] Die aus den beiden Erzen gewonnenen Oxide wurden 1809 von William Hyde Wollaston verglichen und für Oxide eines einzigen Elementes gehalten. Die gemessenen Unterschiede im spezifischen Gewicht der Oxide erklärte er durch unterschiedliche Oxidationszustände des Elementes.^[11] Erst Heinrich Rose misstraute diesem Ergebnis und untersuchte die Erze genauer. Ihm gelang es 1844 zu beweisen, dass es zwei unterschiedliche Elemente in Columbit- und Tantalit-Erzen gibt, wobei er das leichtere, im Columbit vorkommende, nach Niobe, der Tochter des Tantalos, Niob nannte.^[12]

Nach der Entdeckung des neuen Elements wurde von verschiedenen Chemikern versucht, Tantal auch elementar darzustellen. Der erste, der elementares Tantal durch Reduktion von Kaliumheptafluorotantalat mit Kalium darstellte, war 1824 Jöns Jakob Berzelius.^[13] Allerdings bestand sein Metall wie das von Rose dargestellte Tantal nur zu 50 % aus Tantal.^[14] Henri Moissan versuchte 1902, Tantal im elektrischen Ofen herzustellen, sein Produkt war jedoch durch den enthaltenen Kohlenstoff sehr hart und spröde.^[15]

Der erste, der reines, duktiles Tantal herstellen konnte, war Werner von Bolton 1903.^[16] Er erreichte dies durch Reduktion der glühenden Oxide im Vakuum sowie durch Schmelzen von unreinem Tantalmetall im Vakuum und elektrischem Flammenbogen.^[17]

Die erste Anwendung des neuen Elementes war diejenige als Glühfaden in Glühlampen. Der Grund für den Wechsel vom vorher verwendeten Osmium zu Tantal lag darin, dass es leichter zu verarbeiten ist und eine höhere mögliche Nutztemperatur bis zu 2300 °C besitzt.^[17] Später wurde es durch Wolfram ersetzt, das einen noch höheren Schmelzpunkt besitzt und damit ein dem Sonnenlicht näheres Lichtspektrum und eine höhere Lichtausbeute ermöglicht.

Im Jahr 1922 wurde mit der Verwendung in Gleichrichtern und ein Jahr später in Radioröhren ein neuer Einsatzzweck für Tantal gefunden.^[18]

Vorkommen

Tantal ist mit einem Gehalt von 2 ppm in der kontinentalen Erdkruste^[19] bzw. 8 ppm in der Erdhülle ein seltenes Element auf der Erde. Die Häufigkeit ist vergleichbar mit der von Arsen und Germanium. Innerhalb der Gruppe nimmt die Häufigkeit jeweils um eine Zehnerpotenz ab. Im Sonnensystem ist Tantal sogar das seltenste stabile Element.^[20]

Tantal kommt nicht gediegen, sondern nur in Form seiner Verbindungen in verschiedenen Mineralen vor. Auf Grund der Ähnlichkeit der beiden Elemente enthalten Tantalerze stets Niob und umgekehrt (Vergesellschaftung). Die wichtigsten Minerale sind die der Columbit- und Tapiolit-Reihe, in der verschiedene Minerale mit der allgemeinen Formel (Mn, Fe²⁺)(Nb,Ta)₂O₆ zusammengefasst werden. Tantalreiche Columbite werden auch als Tantalite bezeichnet. Beispiele für Tantalhaltige Minerale dieser Reihen sind Ferrotapiolith (Fe²⁺, Mn²⁺)(Ta, Nb)₂O₆ und Manganotantalit MnTa₂O₆.^[21] Häufig werden diese Erze auch als Coltan bezeichnet. Seltenere Minerale sind Mikrolith oder Thoreaulith.

2011 entfielen geschätzte 40-50 % des weltweiten Tantalabbaus auf Ruanda und die Demokratische Republik Kongo.^[22] 2007 waren dagegen noch Australien mit 850 Tonnen und Brasilien mit 250 Tonnen die wichtigsten Förderländer von Tantalerzen.^[23] Zwei Minen in Australien waren bedeutend: Die Wodgina Mine im Nordwesten und die Mine in Bridgetown-Greenbushes Shire in Westaustralien. Daneben findet man Coltan auch in Kanada und verschiedenen afrikanischen Ländern wie Äthiopien, Mosambik und Ruanda. In den Medien bekannt geworden sind die Vorkommen im Osten der Demokratischen Republik Kongo, die im Kongokrieg 1996–2008 stark umkämpft waren^[24][25] und in den nachfolgenden bewaffneten Konflikten weiterhin eine wichtige Rolle spielen.

Einige Tantalerze wie Tantalit und Coltan, sowie deren Derivate wurden 2012 von der US-amerikanischen Börsenaufsicht SEC als so genanntes Konfliktmineral eingestuft,^[27] dessen Verwendung für Unternehmen gegenüber der SEC berichtspflichtig ist. Als Grund hierfür werden ebendiese Produktionsorte im Osten des Kongo angeführt, die von Rebellen kontrolliert werden und so im Verdacht stehen, bewaffnete Konflikte mitzufinanzieren.^[28]

Gewinnung und Darstellung

Da in den zur Tantalgewinnung verwendeten Erzen Tantal und Niob immer zusammen vorliegen, müssen sie für eine Gewinnung der Reinmetalle getrennt werden. Dies wird durch die große Ähnlichkeit der beiden Elemente erschwert.

Das erste Verfahren zur Trennung wurde 1866 von Jean Charles Galissard de Marignac entwickelt. Er nutzte dabei die unterschiedliche Löslichkeit der beiden Elemente in verdünnter Flusssäure. Tantal bildet das gering lösliche K₂TaF₇, Niob das gut lösliche K₃NbOF₅ ·2 H₂O.^[29]

Das heute technisch verwendete Verfahren beruht auf Extraktion und nutzt die unterschiedliche Löslichkeit von komplexen Fluorsalzen in Wasser und bestimmten organischen Lösungsmitteln. Dabei wird das Erzgemisch zunächst in konzentrierter Flusssäure oder Gemischen aus Fluss- und Schwefelsäure gelöst. Es bilden sich die komplexen Fluoride [NbOF₅]²⁻ und [TaF₇]²⁻. Nachdem unlösliche Bestandteile abfiltriert wurden, kann die Trennung durch Flüssig-Flüssig Extraktion mit Hilfe von Methylisobutylketon erfolgen. Wird die Lösung mit Methylisobutylketon versetzt, gehen die Niob- und Tantalkomplexe in die organische Phase über, während andere Elemente, wie Eisen, oder Mangan in der wässrigen Phase zurückbleiben. Bei Zugabe von Wasser zur abgetrennten organischen Phase, löst sich nur der Niobkomplex in diesem, das Tantal bleibt im Methylisobutylketon zurück.^[30]

Das Tantal kann mit Hilfe von Kaliumfluorid als schwerlösliches Kaliumheptafluorotantalat K₂[TaF₇] gefällt werden. Die Reduktion zu elementarem Tantal erfolgt meist durch Natrium.

${\displaystyle \mathrm {K_{2}[TaF_{7}]+5\ Na\longrightarrow Ta+5\ NaF+2\ KF} }$

Reduktion mit Natrium

Eine mögliche Alternative zur Extraktion besteht in der fraktionierten Destillation. Dazu werden die unterschiedlichen Siedepunkte der beiden Chloride Niob(V)-chlorid und Tantal(V)-chlorid genutzt. Diese können bei hohen Temperaturen aus den Erzen mit Chlor und Koks gewonnen werden. Nach der Trennung wird das Tantalchlorid ebenfalls mit Natrium zum Metall reduziert.

Neben den Columbit-Tantalit-Erzen sind Schlacken aus der Zinnverhüttung eine wichtige Quelle für die Tantalgewinnung (enthalten wenige Prozent Tantal).

Recycling

Tantal aus Kondensatoren wird fast gar nicht recycelt. Die bei der Pulverherstellung entstehenden internen Abfälle dagegen kommen für internes Recycling in Frage. Bei der Herstellung von Tantal-Walzerzeugnissen (20 % des Verbrauchs) fallen Späne und Fehlchargen an, die durch Umschmelzen effektiv zu recyceln sind. Außerdem sind Tantalcarbid-Legierungzusätze recycelbar.

Tantal(V)-oxid aus Gläsern und solches in Form von Lithiumtantalat-Einkristallen in Elektronikbauteilen erfordert einen aufwendigen chemischen Recyclingprozess. Dieser umfasst Rösten, Auflösen in Flusssäure oder Schwefelsäure, Solventextraktion mit Ketonen sowie die Fällung von Tantal(V)-oxid oder die Kristallisation von Kaliumfluorotantalat. Diese werden anschließend im Elektronenstrahlofen aufgeschmolzen.^[31]

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Tantal ist ein deutlich lilagraues, stahlhartes (Vickershärte: 60–120 HV^[33]), hochschmelzendes Schwermetall, das in den meisten seiner Eigenschaften dem Niob ähnelt. Es kristallisiert in einer kubisch-raumzentrierten Kristallstruktur. Neben der kubischen α-Struktur ist auch β-Tantal bekannt, das in einer tetragonalen, dem β-Uran entsprechenden, Kristallstruktur mit den Gitterparametern a = 1021 pm und c = 531 pm kristallisiert. Diese Modifikation ist metastabil und lässt sich durch Elektrolyse einer Tantalfluoridschmelze gewinnen.^[34]

Mit einem Schmelzpunkt von etwa 3000 °C^[35] besitzt Tantal den höchsten Schmelzpunkt aller Elemente nach Wolfram, Kohlenstoff und Rhenium. Ist im Metall nur eine geringe Menge Kohlenstoff oder Wasserstoff eingelagert, steigt der Schmelzpunkt deutlich an. Ein unterstöchiometrisches Tantalcarbid besitzt mit einem Schmelzpunkt von 3983 °C^[36] einen der höchsten Schmelzpunkte aller Substanzen.

Unterhalb einer Sprungtemperatur von 4,3 Kelvin wird Tantal zum Supraleiter.^[33]

Während reines Tantal duktil ist und sich stark dehnen lässt (Zugfestigkeit: 240 MPa^[33]), verändern schon kleine Mengen Beimengungen an Kohlenstoff oder Wasserstoff die mechanische Festigkeit deutlich. Das Material wird spröde und schwer zu verarbeiten. Man nutzt diesen Sachverhalt zur Herstellung von Tantalpulver. Es wird in der Technik mit Wasserstoff beladen und somit versprödet, dann entsprechend zerkleinert und bei höherer Temperatur durch Ausheizen wieder vom Wasserstoff befreit.

Chemische Eigenschaften

Tantal ist ein unedles Metall und reagiert bei hohen Temperaturen mit den meisten Nichtmetallen, wie Sauerstoff, den Halogenen oder Kohlenstoff. Bei Raumtemperatur ist das Metall allerdings durch eine dünne Schicht aus Tantal(V)-oxid geschützt und damit passiviert. Eine Reaktion findet erst ab einer Temperatur von etwa 300 °C statt.^[33] Als Pulver ist es ein entzündbarer Feststoff, der durch kurzzeitige Einwirkung einer Zündquelle leicht entzündet werden kann und dann nach deren Entfernung weiterbrennt. Die Entzündungsgefahr ist umso größer, je feiner der Stoff verteilt ist. Das Metall in kompakter Form ist nicht brennbar.^[7]

In den meisten Säuren ist Tantal wegen der Passivierung nicht löslich, sogar Königswasser vermag das Metall nicht zu lösen. Angegriffen wird Tantal nur von Flusssäure, Oleum (einer Mischung von Schwefelsäure und Schwefeltrioxid) und Salzschmelzen.

Isotope

Es sind insgesamt 30 Isotope sowie 26 Kernisomere von ¹⁵⁵Ta bis ¹⁸⁵Ta bekannt.^[37] Natürliches Tantal besteht fast ausschließlich (zu 99,988 %) aus dem Isotop ¹⁸¹Ta. Daneben kommt zu 0,012 % das Kernisomer ^180mTa vor.

^180mTa ist das einzige langlebige, natürlich vorkommende Nuklid, das nicht in seinem Grundzustand, sondern in einem angeregten Zustand vorliegt. Es wurde bislang kein radioaktiver Zerfall beobachtet, die Halbwertszeit des Isomers muss bei mindestens 2 · 10¹⁶ Jahren liegen.^[38] Der Grundzustand ¹⁸⁰Ta ist dagegen instabil und zerfällt mit einer Halbwertszeit von nur 8,125 Stunden. ^180mTa hat im Sonnensystem eine Häufigkeit von 2,49 · 10⁻⁶ (bezogen auf Silicium = 1 · 10⁶).^[20]

Verwendung

Der größte Teil des Tantals (weltweite Jahresproduktionsmenge 1.400 t) wird für sehr kleine Kondensatoren mit hoher Kapazität verwendet. 2007 wurden 60 % des Tantals für die Herstellung von Kondensatoren gebraucht.^[23] Diese Tantal-Elektrolytkondensatoren werden überall in der modernen Mikroelektronik, beispielsweise für Mobiltelefone und im Automobilbau, eingesetzt. Die Wirkung beruht auf der selbst in sehr dünner Ausführung noch stabilen und sicher isolierenden Tantaloxidschicht auf der Oberfläche der aufgewickelten Tantalfolie. Je dünner die Schicht zwischen den Elektroden ist, desto höher wird die Kapazität bei gleichbleibender Folienfläche; zudem hat Tantaloxid eine extrem hohe Permittivität, die ebenfalls die Kapazität erhöht.

Da Tantal nicht giftig ist und nicht mit Körpergewebe oder -flüssigkeiten reagiert, wird elementares Tantal für medizinische Implantate und Instrumente eingesetzt. Es werden beispielsweise Knochennägel, Prothesen, Klammern und Kieferschrauben aus Tantal gefertigt.^[33] Daneben ist es ein aufgrund der hohen Kosten wenig eingesetztes^[33] Röntgenkontrastmittel.^[39]

In der chemischen Industrie wird Tantal wegen seiner Beständigkeit eingesetzt. Es dient als Auskleidungsmaterial für Reaktionskessel und wird für Wärmeaustauscher und Pumpen verwendet. Für diese Zwecke wird meist kein reines Tantal, sondern Legierungen, die 2,5–10 % Wolfram enthalten, verwendet. Diese sind stabiler und widerstandsfähiger als reines Tantal. Gleichzeitig bleibt die erwünschte Duktilität erhalten. Weitere Verwendungszwecke sind Laborgeräte, Spinndüsen und die Kathoden von Elektronenröhren. Hier kommt Tantal zugute, dass es in der Lage ist, bei 800 °C bis zu 740 Volumenteile Gase aufzunehmen (Getterwirkung), was ein hohes Vakuum in den Röhren gewährleistet.

Superlegierungen, die im Bau von Turbinen und Flugzeugtriebwerken eingesetzt werden, enthalten bis zu 9 % Tantal. So erhöht der Zusatz von 3–4 % Tantal zu einer Nickel-Superlegierung die Festigkeit des Materials bei hohen Temperaturen.^[33]

Sicherheitshinweise

Unter Laborbedingungen verursacht der Umgang mit Tantal und seinen Verbindungen normalerweise keine Probleme. Elementares Tantal wie auch Tantalverbindungen sind nicht toxisch. Es gibt aber vage Hinweise auf krebsauslösendes Verhalten einiger Tantalverbindungen. Von Tantalpulver und -staub geht – wie auch von anderen fein verteilten Metallen – eine hohe Feuer- und Explosionsgefahr aus.

Verbindungen

Tantal(V)-oxid Ta₂O₅ ist ein weißes Pulver, das zur Herstellung hochlichtbrechender Gläser und spezieller Kristallmaterialien verwendet wird.

Tantalcarbid TaC dient mit seiner Schmelztemperatur von 3880 °C und einer Härte, die ähnlich der von Quarz ist, als Schutzschicht auf hochwarmfesten Legierungen in Triebwerken und Schneidwerkzeugen.

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• Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9.
• Klaus Andersson, Karlheinz Reichert, Rüdiger Wolf: Tantalum and Tantalum Compounds. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, 2000, doi:10.1002/14356007.a26_071.
• Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente - das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. Hirzel, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.

1. ↑ Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
2. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Tantal) entnommen.
3. ↑ CIAAW, Standard Atomic Weights Revised 2013.
4. ↑ N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage. VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 1260.
5. ↑ Robert C. Weast (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990, ISBN 0-8493-0470-9, S. E-129 bis E-145. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
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8. ↑ Schweizerische Unfallversicherungsanstalt (SUVA): Grenzwerte am Arbeitsplatz 2015 – MAK-Werte, BAT-Werte, Grenzwerte für physikalische Einwirkungen, abgerufen am 2. November 2015.
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• Mineralienatlas:Tantal (Wiki)
• tanb.org Tantalum-Niobium International Study Center