Tantalio - Ta

Tantalio: caratteristiche, composti, utilizzo e metodo di produzione del Tantalio

Il tantalio fu scoperto nel 1802 da A.G. Ekeberg nel minerale columbite dove si trova insieme al niobio (inizialmente chiamato columbio); questi due elementi furono confusi per lunghi anni tra loro, e solo nel 1845 H. Rose fu in grado di chiarire la separata identità dei due.

È un elemento relativamente raro, costituendo lo 0,0002-0,0005% della crosta terrestre; non si trova mai libero in natura ma, sotto forma di composti corrispondenti al suo stato di ossidazione +5 e sempre accompagnato dal niobio, in un numero notevole di ossidi minerali.

Il tantalio è un metallo grigio lucente, duro e molto duttile. Nonostante sia un metallo molto elettropositivo, per effetti di passivazione a temperatura ambiente è stabile all'aria e non viene attaccato dagli acidi inorganici anche concentrati, con l'eccezione della miscela HF-HNO3 che lo discioglie facilmente. A caldo (al di sopra di circa 150°C) è attaccato dall'acido solforico concentrato e da altri acidi, dalle soluzioni alcaline concentrate e dagli alcali fusi, mentre a temperature ancora più elevate reagisce facilmente con l'ossigeno e con gli alogeni.

Tantalio: composti

Il pentossido di ditantalio Ta2O5, è un ossido debolmente acido, insolubile negli acidi a eccezione dell'acido fluoridrico con il quale forma anioni complessi, ma solubile negli idrossidi e carbonati alcalini fusi con i quali forma tantalati, come per esempio l’esatantalato di potassio idrato di formula K8Ta6O19∙16H2O. Per fusione di Ta2O5 con la quantità stechiometrica degli idrossidi (o carbonati o ossidi) alcalini o alcalino-terrosi si possono ottenere altri tantalati, strutturalmente del tipo degli ossidi misti, come per esempio. l’ortotantalato di sodio Na3TaO4, il metatantalato di potassio KTaO3 e il metatantalato di litio LiTaO3. Questi  ultimi due sono interessanti per le loro proprietà ferroelettriche, piroelettriche e piezoelettriche.

Trattando con perossido di idrogeno a freddo le soluzioni alcaline di tantalati si ottengono perosso-composti, per esempio il tetraperossotantalato di potassio K3[Ta(O2)4], stabile a freddo, ma che a caldo si decompone liberando ossigeno.

Tra gli alogenuri, si ricorda il pentafluoruro di tantalio, TaF5, acido di Lewis, fortemente elettrofilo, che forma facilmente addotti con eteri e dialchilsolfuri e complessi anionici. Sono noti inoltre fluorotantalati cristallini, quali per esempio. KTaF6, K2TaF7 e K3TaF8. È noto anche il trifluoruro di tantalio, TaF3. Il pentacloruro di tantalio TaCl5, è un solido incolore facilmente sublimabile; è solubile in molti solventi organici e si comporta come un acido di Lewis, formando facilmente addotti e ioni complessi. Il tetracloruro di tantalio TaCl4, per riscaldamento tende a disproporzionare formando tantalio metallico e tricloruro di tantalio TaCl3.

Tantalio: utilizzo

Nonostante il suo alto costo, il tantalio metallico ha impieghi in alcune leghe speciali resistenti alle alte temperature (per esempio la lega con il 10% di tungsteno), allo stato puro nell'industria chimica per rivestimenti di forni e scambiatori di calore che devono operare in ambiente corrosivo acido, nella fabbricazione di condensatori elettrolitici e per applicazioni biomediche (fili per suture, viti e piastre ossee). Composti del tantalio hanno importanti applicazioni in elettronica, per esempio il pentossido come strato isolante in condensatori miniaturizzati e i tantalati alcalini (per esempio: LiTaO3, KTaO3) per le loro proprietà elettro-ottiche.

Tantalio: metodo di produzione

I minerali vengono previamente arricchiti fino a ottenere concentrati con un tenore almeno del 60% dei pentossidi di niobio e tantalio. I concentrati finemente macinati vengono trattati con acido fluoridrico acquoso che discioglie gli ossidi di tantalio e niobio, lasciando insolute gran parte delle impurezze. La soluzione acquosa così ottenuta (leggermente acida) viene trattata con metilisobutilchetone che estrae in tali condizioni solo il tantalio come fluoruro o fluorocomplesso. Dalla fase organica il tantalio viene quindi estratto con acqua e precipitato per aggiunta di ammoniaca come ossido idrato, che viene infine calcinato a pentossido Ta2O5.

In via alternativa, mediante aggiunta di KF alla soluzione acquosa, si può precipitare il tantalio come K2TaF7, il quale a sua volta viene filtrato ed essiccato.

In altri processi i concentrati dei minerali vengono trattati a circa 900°C con soda caustica, e la massa fusa viene quindi disciolta in acqua: mentre il silicio, lo stagno e altri elementi passano in soluzione, il tantalio e il niobio, che restano indisciolti come ossidi idrati (o come tantalati e niobati di sodio), vengono separati e a parte disciolti con acido fluoridrico. La soluzione fluoridrica subisce quindi la già descritta estrazione con chetoni organici per la purificazione e separazione del tantalio dal niobio.

Il tantalio metallico viene preparato per riduzione con sodio a 800 °C del fluotantalato di potassio K2TaF7, o per elettrolisi a 900 °C di una miscela fusa dello stesso tantalato con il pentossido di tantalio. Con questi metodi si ottiene tantalio in polvere il quale, dato il suo alto punto di fusione e la sua reattività a temperature elevate, deve essere lavorato con tecniche di sinterizzazione e di fusione con fascio elettronico.