Tantal

**Tantal**, sembolü **Ta**, atom numarası 73, atom ağırlığı 180,88, yoğunluğu 16,6 olan, 3017&nbsp;°C'de eriyen ve siyah toz durumunda elde edilen nadir bir kimyasal element’tir. Tantal, korozyona karşı çok dayanıklı, çok sert, sünek, parlak, mavi-gri bir geçiş metalidir.

Tantal ismini Yunan mitolojisindeki Tantalos'tan almıştır.

Tantal, sağlam, yüksek erime noktalı alaşımların bileşenleri olarak refrakter metal’ler grubunun parçasıdır. Vanadyum ve niyobyum ile birlikte 5. grup elementi'dir ve jeolojik kaynaklarda her zaman kimyasal olarak benzer niyobyumla birlikte, özellikle tantalit, kolumbit ve koltan mineral gruplarında bulunur.

Tantalın kimyasal asallığı ve yüksek erime noktası, tantalı reaksiyon kapları ve vakum fırınları gibi laboratuvar ve endüstriyel ekipmanlar için değerli kılar. Tantal, bilgisayar gibi elektronik ekipmanlar için tantal kondansatörlerde kullanılır.

Kuantum işlemcilerde yüksek kaliteli süper iletken rezonatörlerde malzeme olarak kullanılması araştırılmaktadır.

Tantal, Avrupa Komisyonu tarafından teknoloji açısından kritik bir unsur olarak değerlendirilmektedir.

## Tarihçe
Tantal, 1802 yılında Anders Ekeberg tarafından İsveç'te, biri İsveç'ten, diğeri Finlandiya'dan olmak üzere iki mineral örneğinde keşfedildi. Bundan bir yıl önce, Charles Hatchett kolumbiyum'u (artık niyobyum denilir) keşfetmişti ve 1809'da İngiliz kimyager William Hyde Wollaston yoğunluğu 5,918&nbsp;g/cm3 olan oksidi kolumbiti, yoğunluğu 7,935&nbsp;g/cm3 olan tantal tantalit ile karşılaştırdı. Ölçülen yoğunluk farklılıklarına rağmen iki oksidin aynı olduğu sonucuna vardı ve tantal adını korudu. Friedrich Wöhler bu sonuçları doğruladıktan sonra, kolumbiyum ve tantalın aynı element olduğu düşünüldü. Bu sonuca 1846'da Alman kimyager Heinrich Rose itiraz etti; H. Rose, tantalit örneğinde iki ek elementin daha olduğunu savundu ve bunlara Tantalos'un çocuklarının adını verdi: niyobyum (Niobe'den), gözyaşı tanrıçası) ve pelopium (Pelops'tan). Sözde "pelopium" elementinin daha sonra tantal ve niyobyum karışımı olduğu tanımlandı ve niyobyumun, 1801'de Hatchett tarafından keşfedilen kolumbiyum ile aynı olduğu bulundu.

Tantal ve niyobyum arasındaki farklar, 1864'te Christian Wilhelm Blomstrand ve Henri Etienne Sainte-Claire Deville'in yanı sıra 1865'te bazı bileşiklerinin ampirik formüllerini belirleyen Louis J. Troost tarafından net bir şekilde ortaya konuldu. 1866'da İsviçreli kimyager Jean Charles Galissard de Marignac'tan yalnızca iki elementin var olduğunu kanıtlayan başka bir doğrulama geldi. Bu keşifler, bilim insanlarının 1871 yılına kadar *ilmenyum* adı verilen madde hakkında makaleler yayınlamasına engel olmadı. De Marignac, 1864 yılında tantal klorürü hidrojen atmosferinde ısıtarak indirgeyerek tantalın metalik formunu üreten ilk kişi oldu. İlk araştırmacılar yalnızca saf olmayan tantal üretebilmişlerdi ve ilk nispeten saf sünek metal, 1903'te Charlottenburg'da Werner von Bolton tarafından üretildi. Yaygın kullanımda yerini tungsten alana kadar, metalik tantaldan yapılan teller ampul filamanları için kullanıldı.

Tantal adı, Yunan mitolojisi'ndeki Niobe'nin babası olan mitolojik Tantalos'un adından türetilmiştir. Hikâyede, Tantalos ölümden sonra diz boyu suda durmaya mahkûm edilerek cezalandırılmış ve başının üzerinde mükemmel meyveler yetişmişti, su ve meyveler onu sonsuza kadar onu *hayal kırıklığına uğratmıştı*. (Suyu içmek için eğilirse ulaşamayacağı seviyeye kadar akıyor, meyvelere uzansa dallar elinden uzağa gidiyordu.) Anders Ekeberg şöyle yazdı: "Bu metale 'tantal' adını veriyorum... kısmen asit içine daldırıldığında herhangi bir şeyi emip doyurma konusundaki yetersizliğine gönderme yapmaktadır."

Onlarca yıldır, tantalı niyobyumdan ayırmaya yönelik ticari teknoloji, 1866'da Jean Charles Galissard de Marignac tarafından keşfedilen bir işlem olan potasyum heptaflorotantalat'ın potasyum oksipentafloroniyobat monohidrattan ayrımsal kristallendirme'sini içeriyordu. Bu yöntemin yerini florür içeren tantal çözeltilerinden çözücü ekstraksiyonu almıştır.

## Özellikler

### Fiziksel özellikler
Tantal, asitlerin neden olduğu korozyona karşı direnciyle bilinmektedir; aslında, 150&nbsp;°C'nin altındaki sıcaklıklarda tantal, normalde agresif olan kral suyu'nun saldırılarına karşı neredeyse tamamen dayanıklıdır. Hidroflorik asit veya florür iyonu ve kükürt trioksit içeren asidik çözeltilerin yanı sıra erimiş potasyum hidroksit ile çözülebilir. Tantalın 3017&nbsp;°C 'lik yüksek erime noktası (kaynama noktası 5458&nbsp;°C), elementler arasında yalnızca metaller için tungsten, renyum ve osmiyum ve bir ametal olan karbon tarafından aşılır.

Tantal alfa ve beta olarak iki kristal fazlıdır. Alfa fazı nispeten sünek ve yumuşaktır; Kübik kristal yapısı (uzay grubu *Im3m*, *a* = 0,33058&nbsp;nm) kafes sabiti, 200–400 HN Knoop sertliği ve15–60 µΩ⋅cm elektriksel direnci vardır. Beta fazı sert ve kırılgandır; kristal simetrisi tetragonal (uzay grubu *P42/mnm*, *a* = 1,0194&nbsp;nm, *c* = 0,5313&nbsp;nm), Knoop sertliği 1000–1300 HN ve elektriksel direnci 170–210 µΩ⋅cm'de olup nispeten yüksektir. Beta fazı yarı kararlıdır ve 750–775&nbsp;°C'ye ısıtıldığında alfa fazına dönüşür. Dökme tantalum neredeyse tamamen alfa fazlıdır ve beta fazı genellikle magnetron püskürtme, kimyasal buhar biriktirme veya ötektik erimiş tuz çözeltisinden elektrokimyasal biriktirme yoluyla elde edilen ince filmler halindedir.

### İzotoplar

Doğal tantal iki kararlı izotoptan oluşur: 180mTa (0.012%) ve 181Ta (99.988%).

180mTa'nın (*m* yarı kararlı bir durumu belirtir) üç şekilde bozunacağı tahmin edilmektedir: 180Ta‘nın temel haline izomerik geçiş, 180W‘a beta bozunması veya 180Hf'a elektron yakalama. Ancak bu nükleer izomer’in radyoaktivitesi hiçbir zaman gözlemlenmemiştir ve yarılanma ömrü için yalnızca yalnızca 2.0&nbsp;×&nbsp;1016&nbsp; yıllık bir alt sınır belirlenmiştir. 180Ta'nın temel halinin yarı ömrü yalnızca 8 saattir. 180mTa doğal olarak oluşan tek nükleer izomer’dir (radyojenik ve kozmojenik kısa ömürlü nüklidler hariç). Aynı zamanda, tantalın elementsel bolluğu ve izotopların doğal karışımındaki 180 180mTa'lık izotop bolluğu dikkate alındığında evrendeki en nadir ilkel izotoptur.

Tantal teorik olarak nükleer silahlar için bir "tuzlama" malzemesi olarak incelenmiştir (kobalt daha iyi bilinen varsayımsal tuzlama malzemesidir). 181Ta'nın dış kabuğu, varsayımsal olarak patlayan bir nükleer silahtan gelen yoğun yüksek enerjili nötron akışıyla ışınlanacaktır. Bu, tantalı yarı ömrü 114,4 gün olan ve her biri yaklaşık 1,12 milyon elektron volt (MeV) enerjili gama ışınları üreten patlamadan kaynaklanan nükleer serpinti’nin radyoaktivitesini birkaç ay boyunca önemli ölçüde artıran radyoaktif izotop 182Ta'ya dönüştürecektir.

Bu tür "tuzlanmış" silahlar, kamuoyunun bildiği kadarıyla hiçbir zaman yapılmamış veya test edilmemiştir ve kesinlikle silah olarak kullanılmamıştır..

Tantal, 8Li, 80Rb ve 160Yb dahil olmak üzere çeşitli kısa ömürlü izotopların üretiminde hızlandırılmış proton ışınları için hedef malzeme olarak kullanılabilir.

## Kimyasal bileşikler
Tantal, −III ila +V oksidasyon durumlarında bileşikler oluşturur. En yaygın olarak karşılaşılanlar, tüm mineralleri içeren Ta(V) oksitleridir. Ta ve Nb'nin kimyasal özellikleri çok benzer. Sulu ortamda Ta yalnızca +V oksidasyon durumunu sergiler. Niyobyum gibi tantal da sulu Ta(V) oksidin çökelmesi nedeniyle hidroklorik, sülfürik, nitrik ve fosforik asit'lerin seyreltik çözeltilerinde zar zor çözünür. Bazik ortamda Ta, polioksotantalat türlerinin oluşumu nedeniyle çözünebilir.

### Oksitler, nitrürler, karbürler, sülfürler
Tantal pentoksit (Ta2O5) uygulamalar açısından en önemli bileşiktir. Düşük oksidasyon durumlarındaki tantal oksitler, birçok kusurlu yapı dahil olmak üzere çok sayıdadır ve üzerinde çok az çalışılmış veya yeterince tanımlanmamıştır.

[TaO4]3− veya [TaO3]− içeren tantalatlar, bileşikler çoktur. Lityum tantalat (LiTaO3) perovskit yapısını benimser. Lantan tantalat (LaTaO4) izole edilmiş  tetrahedra içerir.

Diğer refrakter metallerde olduğu gibi, tantalumun bilinen en sert bileşikleri nitrürler ve karbürlerdir. Tantal karbür, TaC, daha yaygın olarak kullanılan tungsten karbür gibi, kesici takımlarda kullanılan sert bir seramik'tir. Tantal (III) nitrür, bazı mikroelektronik imalat işlemlerinde ince film yalıtkanı olarak kullanılır.

En iyi incelenen kalkojenit, diğer geçiş metali dikalkojenitlerde görüldüğü gibi katmanlı bir yarı iletken olan TaS2'dir. Tantal-tellür alaşımı kuazikristalleri oluşturur.

### Halojenürler
Tantal halojenürler +5, +4 ve +3 oksidasyon durumlarını kapsar. Tantal pentaflorür (TaF5), erime noktası 97,0&nbsp;°C olan beyaz bir katıdır. Anyon [TaF7]2-, niyobyumdan ayrılması için kullanılır. Bir dimer olarak bulunan klorür , yeni Ta bileşiklerinin sentezindeki ana reaktiftir. Kolayca bir oksiklorür'e hidrolize olur. Düşük halojenürler  ve , Ta-Ta bağlarına sahiptir.

### Organotantal bileşikleri
Organotantal bileşikleri arasında pentametiltantal, karışık alkiltantal klorürler, alkiltantal hidritler, alkiliden kompleksleri ve bunların siklopentadienil türevleri vardır. Hekzakarbonil [Ta(CO)6]− ve ilgili izosiyanürler için çeşitli tuzlar ve ikame edilmiş türevler bilinmektedir.

## Oluşum

Tantalın, ağırlıkça Dünya kabuğunun yaklaşık 1&nbsp;ppm veya 2&nbsp;ppm'ini oluşturduğu tahmin edilmektedir.

Tantal minerallerinin birçok türü vardır ve bunlardan yalnızca bazıları şimdiye kadar endüstri tarafından hammadde olarak kullanılmaktadır: tantalit (tantalit-(Fe), tantalit-(Mn) ve tantalit-(Mg)'den oluşan bir seri), mikrolit (artık bir grup adıdır), wodginite, öksenit (aslında öksenit(Y)) ve polikraz (aslında polikraz-(Y)). Tantalit (Fe, Mn) Ta2O6, tantal ekstraksiyonu için en önemli mineraldir.

Tantalit, kolumbit (Fe ile aynı mineral yapısına sahiptir, (Fe, Mn) (Ta, Nb)2O6; niyobyumdan daha çok tantal olduğunda buna tantalit denir ve niyobyum tantaldan daha çok olduğunda buna kolumbit (veya niyobit) denir. Tantalit ve diğer tantallı minerallerin yüksek yoğunluğu nedeniyle yerçekimsel ayırma en iyi yöntemdir. Diğer mineraller arasında samarskit ve fergusonit bulunur.

## Üretim ve imalat

Tantalitten tantalyumun çıkarılmasında birkaç adım vardır. İlk olarak, mineral ezilir ve yerçekimi ayırma ile yoğunlaştırılır. Bu genellikle maden sahasının yakınında gerçekleştirilir.

### Rafine etme
Tantalumun cevherlerinden rafine edilmesi, endüstriyel metalurjideki en zorlu ayırma işlemlerinden biridir. Başlıca sorun, tantalum cevherlerinin kimyasal özellikleri Ta'nınkine neredeyse özdeş olan önemli miktarda niyobyum içermesidir. Bu zorluğun üstesinden gelmek için çok sayıda yöntem geliştirilmiştir.

Modern zamanlarda, ayırma hidrometalurji ile sağlanır. Çıkarma, cevherin hidroflorik asitle birlikte sülfürik asit veya hidroklorik asitle yıkanmasıyla başlar. Bu adım, tantal ve niyobyumun kayadaki çeşitli metalik olmayan safsızlıklardan ayrılmasını sağlar. Ta çeşitli mineraller olarak ortaya çıksa da, tantal(V) oksitlerinin çoğu bu koşullar altında benzer şekilde davrandığından, pentoksit olarak uygun şekilde temsil edilir. Çıkarımı için basitleştirilmiş bir denklem şu şekildedir:

: Ta2O5 + 14 HF → 2 H2[TaF7] + 5 H2O

Niyobyum bileşeni için de tamamen benzer reaksiyonlar meydana gelir, ancak ekstraksiyon koşulları altında genellikle hekzaflorür baskındır.

: Nb2O5 + 12 HF → 2 H[NbF6] + 5 H2O

Bu denklemler basitleştirilmiştir: bisülfat (HSO4−) ve klorürün, sırasıyla sülfürik ve hidroklorik asitler kullanıldığında, Nb(V) ve Ta(V) iyonları için ligand olarak rekabet ettiğinden şüphelenilmektedir. Tantal ve niyobyum florür kompleksleri daha sonra sikloheksanon, oktanol ve metil izobütil keton gibi organik çözücülere sıvı-sıvı ekstraksiyonu yoluyla sulu çözeltiden uzaklaştırılır. Bu basit yöntem, florürleri ve diğer kompleksler şeklinde sulu fazda kalan çoğu metal içeren safsızlığın (örneğin demir, manganez, titanyum, zirkonyum) uzaklaştırılmasına olanak tanır.

Tantalumun niyobyumdan ayrılması daha sonra asit karışımının iyonik kuvvetinin düşürülmesiyle elde edilir, bu da niyobyumun sulu fazda çözünmesine neden olur. Bu koşullar altında oksiflorür H2[NbOF5]'in oluştuğu ileri sürülmektedir. Niyobyumun uzaklaştırılmasının ardından, saflaştırılmış H2[TaF7] çözeltisi sulu amonyakla nötralize edilerek katı olarak hidratlı tantalum oksit çökeltilir ve bu da tantalum pentoksit (Ta2O5)'e kalsine edilebilir.

Hidroliz yerine, H2[TaF7] potasyum florür ile işlenerek potasyum heptaflorotantalat üretilebilir:

: H2[TaF7] + 2 KF → K2[TaF7] + 2 HF

H2[TaF7]'den farklı olarak potasyum tuzu kolaylıkla kristalleşir ve katı olarak işlenir.

K2[TaF7], yaklaşık 800&nbsp;°C'de erimiş tuzda sodyum ile indirgenerek metalik tantala dönüştürülebilir.

: K2[TaF7] + 5 Na → Ta + 5 NaF + 2 KF

Marignac işlemi adı verilen daha eski bir yöntemde, H2[TaF7] ve H2[NbOF5] karışımı, K2[TaF7] ve K2[NbOF5] *karışımına* dönüştürülür ve daha sonra farklı su çözünürlüklerinden yararlanılarak ayrımsal kristalleştirme yoluyla ayrılırdı.

## Uygulamalar

### Elektronik

Metal tozu olarak tantalın ana kullanımı, esasen kondansatör’ler ve bazı yüksek güçlü dirençler’ler olmak üzere elektronik bileşenlerin üretimidir.

Tantal elektrolitik kondansatörler, kondansatörün bir tabakasında elektrolitik çözeltiyi veya iletken katıyı ve diğer tabakasında tantalın pelet şeklinde preslenmiş tantal tozunu, dielektrik olarak oksiti kullanan, koruyucu oksit yüzey katman oluşturma özelliğinden yararlanır.

Dielektrik katman çok ince olabildiğinden (örneğin, alüminyum elektrolitik kondansatördeki benzer katmandan daha incedir), küçük bir hacimde büyük kapasitans elde edilebilir. Boyut ve ağırlık avantajları nedeniyle, tantal kondansatörler kablosuz telefon, kişisel bilgisayar, otomotiv elektroniği ve kamera için caziptir.

Avustralya, 2010'lu yıllardan önce ana tantal üreticisiydi ve Global Advanced Metals (eski adıyla Talison Minerals), ülkedeki en büyük tantal madenciliği şirketiydi. Batı Avustralya'da, güneybatıda Greenbushes ve Pilbara bölgesinde Wodgina olmak üzere iki madeni işletir. Wodgina madeni, küresel mali krizi nedeniyle bölgedeki madenciliğin 2008 sonlarında askıya alınmasının ardından Ocak 2011'de yeniden açıldı.

Yeniden açılmasından bir yıldan az bir süre sonra Global Advanced Metals, yine "... tantal talebinin azalması ..." ve diğer faktörler nedeniyle tantal madencilik faaliyetlerinin Şubat 2012 sonunda durdurulacağını duyurdu. Wodgina, Greenbushes işletmesinde müşterilere satılmadan önce daha da iyileştirilen ana tantal konsantresini üretir.

Büyük ölçekli niyobyum üreticileri Brezilya ve Kanada'da olmasına rağmen, buradaki cevherden de az bir oranda tantal elde edilir. Çin, Etiyopya ve Mozambik gibi diğer bazı ülkeler, daha yüksek oranda tantal içeren cevherler çıkarır ve dünya üretiminin önemli bir yüzdesini üretirler. Tantal ayrıca Tayland ve Malezya'da da kalay madenciliğinin bir yan ürünü olarak üretilir.

Cevherlerin plaser yataklarından yerçekimiyle ayrılmasında, yalnızca kasiterit (SnO2) bulunmaz, aynı zamanda küçük bir oranda tantalit de vardır. Kalay izabe tesislerinden gelen cüruf, daha sonra cüruftan süzülerek ekonomik açıdan faydalı miktarlarda tantal içerir.

Dünya tantal madeni üretimi, üretimin ağırlıklı olarak Avustralya ve Brezilya'dan yapıldığı 21. yüzyılın başından bu yana önemli coğrafi değişime uğradı.

2007'den başlayarak 2014'e kadar, madenlerden tantal üretiminin ana kaynakları önemli ölçüde Kongo Demokratik Cumhuriyeti, Ruanda ve diğer bazı Afrika ülkelerine kaydı. Tahmini büyüklük sırasına göre gelecekteki tantal tedarik kaynakları Suudi Arabistan, Mısır, Grönland, Çin, Mozambik, Kanada, Avustralya ve Amerika Birleşik Devletleri, Finlandiya ve Brezilya'da araştırılmaktadır.

### Alaşımlar
Tantal ayrıca yüksek erime noktasına, dayanıklılığa ve sünekliğe sahip çeşitli alaşım'ların üretilmesinde de kullanılır. Diğer metallerle alaşımlı olarak metal işleme ekipmanları için karbür takımların yapımında, jet motoru parçaları, kimyasal proses ekipmanları, nükleer reaktör'ler, füze parçaları, ısı eşanjörleri, tanklar ve gemiler için süper alaşımların üretiminde de tantal kullanılır.

Sünekliği nedeniyle tantal, alüminyum gibi metalleri buharlaştırmada kullanılan ince teller veya filamentler halinde çekilebilir.

Tantal, vücut sıvılarının saldırısına karşı dayanıklı olduğundan ve tahriş edici olmadığından cerrahi alet ve implant yapımında çok kullanılır. Örneğin, tantalın sert dokuya doğrudan bağlanma yeteneği nedeniyle ortopedik implantların yapımında gözenekli tantal kaplamalar kullanılır.

Tantal, hidroflorik asit ve sıcak sülfürik asit hariç çoğu asitlere karşı etkisizdir ve sıcak alkali çözeltiler de tantalın paslanmasına neden olur. Bu özelliği nedeniyle kimyasal reaksiyon kapları ve aşındırıcı sıvılara yönelik boruların yapımında kullanılır. Hidroklorik asidin buharla ısıtılması için ısı değiştirme bobinleri (eşanjör serpantinleri) tantaldan yapılır.

Tantal, radyo vericileri için ultra yüksek frekans elektron tüpleri üretiminde yaygın olarak kullanıldı. Tantal, nitrürler ve oksitler oluşturarak oksijen ve azotu yakalayabilir ve bu nedenle ızgaralar ve plakalar gibi iç parçalar için kullanıldığında tüpler için gereken derin vakumun korunmasına yardımcı olur.

### Diğer kullanımlar

Tantal, NASA tarafından *[[Voyager 1]]* ve *[[Voyager 2]]* gibi uzay aracı bileşenlerini radyasyondan korumak için kullanıldı.

Yüksek erime noktası ve oksitlenme direnci, metalin vakumlu fırın parçalarının üretiminde kullanılmasına yol açtı.

Tantal son derece asaldır ve bu nedenle termoweller (termal kılıf), valf gövdesi ve tantal bağlantı elemanları gibi çeşitli korozyona dayanıklı parçaların yapımında kullanılır.

Yüksek yoğunluğu nedeniyle, şekilli patlayıcı madde ve patlayıcı biçimde oluşturulmuş delici kılıflar tantaldan yapılır. Tantal, yüksek yoğunluğu ve yüksek erime sıcaklığı nedeniyle şekilli patlayıcının zırh delme kapasitesini büyük ölçüde artırır.

Ayrıca zaman zaman Audemars Piguet, F.P. Journe, Hublot, Montblanc, Omega ve Panerai gibi değerli saat'lerinde de tantal kullanılır.

Tıp araştırmacısı Gerald L. Burke, ilk kez 1940 yılında tantalın aynı zamanda biyolojik olarak son derece asal olduğunu ve ortopedik implant malzemesi olarak güvenle kullanılabileceğini gözlemledi.

Tantalın çok sert olması, stres kalkanını önlemek için kalça protezi implantları için çok gözenekli köpük veya az sert iskele olarak kullanılmasını gerektirir. Tantal demir içermeyen, manyetik olmayan bir metal olduğundan, bu implantların MRI işlemlerine giren hastalar için kabul edilebilir olduğu düşünülmektedir.

Oksit, kamera mercekleri için özel yüksek kırılma indeksli cam yapımında kullanılır.

## Kaynakça