Ванадий, ниобий, тантал

Применение тантала

Использование тантала основано на его хорошей пластичности и прочности, способности деталей свариваться между собой, тугоплавкости и высокой коррозионной устойчивости при умеренных температурах, геттерных свойствах при высоких температурах, высоким коэффициентом теплопередачи, особых диэлектрических характеристик анодной окисной пленки тантала и способности тантала не взаимодействовать с живой тканью организма. Живая ткань не отторгает тантал.
Тантал применяется во многих сплавах, действуя также, как и ниобий. Наиболее важными областями применения тантала являются электронная техника и химическое машиностроение. Особенно большое значение приобрело применение тантала для изготовления электролити-ческих конденсаторов взамен алюминиевых. Малогабаритные танталовые конденсаторы широко применяются в схемах с полупроводниковыми приборами. Тантал – важнейший металл для изготовления анодов мощных генераторных ламп.
Танталовые теплообменники, нагреватели, конденсаторы, трубопроводы широко применяют при производстве соляной, серной, азотной и др. кислот. Тантал используют и на предприятиях атомной промышленности. Из него изготавливают лабораторную посуду, фильеры в производстве искусственных волокон. Представляет интерес возможность использования тантала в теплообменниках с жидкими металлами в атомно- энергетических системах.
В восстановительной хирургии листы, фольгу, проволоку из тантала применяют для скрепления костей, нервов, наложения швов, возмещения мышц и пр.

3. Общая характеристика ванадия, ниобия, тантала

Ванадий, ниобий и тантал – элементы побочной подгруппы V группы периодической таблицы элементов Д.И. Менделеева; они относятся к d- элементам. Их электронные формулы:
₂₃V – 3d³4s²,
₄₁Nb – 4d⁴5s¹,
₇₃Ta – 5d³6s².
Несмотря на то, что внешние электронные оболочки ниобия и тантала различаются, они химически очень сходны, хотя и не так близко, как цирконий и гафний. Главная причина этого – близость атомных и ионных радиусов, обусловленная лантаноидным сжатием между ними. Для всех элементов характерна степень окисления +5. При образовании таких соединений их атомы отдают свои s- и d-электроны и получается устойчивая электронная конфигурация благородного газа.
Высшие оксиды всех этих элементов имеют преимущественно кислотный характер, ослабляющийся от V к Ta. В этом же направлении уменьшается способность соответствующих соединений к гидролизу.
Известны также соединения со степенями окисления +2, +3, +4, устойчивость которых при переходе от V к Ta сильно уменьшается. В степенях окисления +5 и +4 они не образуют простых катионов, т.к. отрыв четырех или пяти электронов требует большой затраты энергии (см. табл. 1).
Таблица 1
Свойства V, Nb, Ta

Свойства	V	Nb	Ta
1. Атомный номер Z	23	41	73
2. Атомная масса	50,94	90,91	180,95
Атомный объем, см^3/г-атом	9,1	7,32	10,9
3. Распространенность в земной коре, % масс.	1,5‧10^–2	2‧10^–3	2,5‧10^–4
4. Плотность, г/см^3	6,11	8,57	16,50
5. Температура плавления, °С	1920	2469	2997
6. Температура кипения, °С	3400	4840	5920
7. Атомный радиус, Ǻ	1,31	1,47	1,46
8. Ионный радиус, Ǻ: Ме2+ Ме3+ Ме4+ Ме5+	0,79 0,64 0,58 0,54	– 0,72 0,68 0,64	– 0,72 0,68 0,64
9. Энергия ионизации, эВ: Ме^0→Ме^+ + е Ме^+→Ме^2+ + е Ме^2+→Ме^3+ + е Ме^3+→Ме^4+ + е Ме^4+→Ме^5+ + е 	6,74 15,13 30,31 48,35 68,71 169,23	6,88 13,48 24,70 37,70 51,90 134,66	7,88 12,70 22,27 33,08 44,80 120,73
10. Электродный потенциал Е ^0, В 298	V^2+/V^0 = –1,5	Nb^3+/Nb^0 = –1,10	Ta^5+/Ta^0 = –1,126
11. Сечение захвата тепловых нейтронов, барн	4,98	1,15	5,1

Для ванадия характерно очень большое разнообразие соединений (по мнению некоторых авторов, ванадий по числу соединений уступает только углероду). Ионы V(II) малоустойчивы в растворах, они восстанавливают даже ионы водорода. Соединения V(III) тоже сильные восстановители. Соединения V(V) – сильные окислители, но только в кислых растворах. В

щелочных растворах они устойчивы. Растворы солей V(II) фиолетовые, V(III)
– зеленые, V(IV) – синие, V(V) – бесцветные, светло-желтые или оранжевые. Во всех степенях окисления ванадий, как правило, имеет координационное число 6. В степенях окисления (IV) и (V) образуются также соединения с к.ч. 4 (например, в мета-, ди- и ортованадатах), 5 и 8.
Для ниобия и тантала вследствие неустойчивости низших степеней окисления, а также нерастворимости пентаоксидов, химия водных растворов относительно бедна. Близость конфигураций внешних электронных оболочек и ионных радиусов М⁵⁺ ниобия и тантала является причиной близости свойств и подобии кристаллических структур однотипных соединений. Однако соединения тантала в большей мере обладают оснόвными свойствами (соединения ниобия легче гидролизуются), комплексные соединения тантала с органическими лигандами устойчивее одноименных соединений ниобия и т.д.

4.