Tantale

Le tantale est un élément chimique du tableau périodique, de symbole Ta et de numéro atomique 73.


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Tantale
Hafnium ← Tantale → Tungstène
Nb
  Structure cristalline cubique à corps centré

73		 Ta
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
↑
Ta
↓
Db
Table complète • Table étendue
Informations générales
Nom, Symbole, Numéro Tantale, Ta, 73
Série chimique métaux de transition
Groupe, Période, Bloc 5 (VB) , 6, d
Masse volumique 16, 4 g·cm-3 [1]
Dureté 6, 5 ou ∼1700 HV
Couleur Bleu gris
N° CAS 7440-25-7 [2]
N° EINECS 231-135-5
Propriétés atomiques
Masse atomique 180, 94788 ± 0, 00002 u[1]
Rayon atomique (calc) 145 pm (200 pm)
Rayon de covalence 1, 70 ± 0, 08 Å [3]
Configuration électronique [Xe]4f14 5d3 6s2
Électrons par niveau d'énergie 2, 8, 18, 32, 11, 2
État (s) d'oxydation 5
Oxyde acide
Structure cristalline Cubique corps centré
Propriétés physiques
État ordinaire solide
Point de fusion 3 017 °C [1]
Point d'ébullition 5 458 °C [1]
Énergie de fusion 743 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 753 kJ·mol-1[4]
Volume molaire 10, 85×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur 1 Pa à 3 024 °C;

10 Pa à 3 324 °C;
100 Pa à 3 684 °C;
1 kPa à 4 122 °C;
10 kPa à 4 666 °C;

100 kPa à 5 361 °C[4]
Vitesse du son 3 400 m·s-1 à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling) 1, 5
Chaleur massique 25, 4 J·K-1·mol-1 (cristal) ;
20, 9 J·K-1·mol-1 (gaz) [4]
Conductivité électrique 7, 61×106 S·m-1
Conductivité thermique 57, 5 W·m-1·K-1
Solubilité sol. dans HF + HNO3 [5]
Énergies d'ionisation[6]
1re : 7, 54957 eV
Isotopes les plus stables
iso AN Période MD Ed PD
MeV
179Ta {syn. } 1, 82 a ε 0, 110 179Hf
180Ta {Syn. } 8, 125 h ε
β+		 0, 854
0, 708		 180Hf
180W
180mTa 0, 012 % >1, 2×1015 a β-
ε
TI		 0, 783
0, 929
0, 075		 180W
180Hf
180Ta
181Ta 99, 988 % stable avec 108 neutrons
Précautions
Directive 67/548/EEC
Facilement inflammable
F
Phrases R : 11,
Phrases S : 43,
Transport
40
   3089   
SIMDUT[7]
Produit non contrôlé
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le tantale est un élément chimique du tableau périodique, de symbole Ta et de numéro atomique 73.

Tantalum.jpg

Ce métal de transition est gris-bleu[8], lourd, ductile, particulièrement dur, particulièrement résistant à la corrosion des acides, de plus il est un bon conducteur de chaleur et d'électricité. On le trouve dans le minéral nommé tantalite et dans certains minerais complexes sous forme d'oxyde, associé au niobium, surtout dans le coltan, de couleur noire.

Le tantale est utilisé pour la fabrication d'instruments chirurgicaux et d'implants car il ne réagit pas avec les fluides corporels. Il est particulièrement connu en électronique pour la fabrication de condensateurs dits «gouttes de tantale», ainsi appelés à cause de leur forme aisément reconnaissable et qui ont la capacité principale comparé à la taille.

Cet élément a un point de fusion élevé qui n'est dépassé que par le tungstène, le carbone et le rhénium (point de fusion à 3 016, 85 °C, point d'ébullition 5 457, 85 °C).

Histoire [9]

Le tantale et le niobium (ex-colombium) ont originellement été pris pour un même élément.

On démontra rapidement que columbium et niobium n'étaient qu'un même élément. Il s'ensuivit une querelle d'experts sur le nom à utiliser, et ce fut "niobium" qui s'imposa.

Au début 1900, le tantale trouve sa première application comme filament à incandescence pour les ampoules[11] jusqu'à l'arrivée du tungstène. En 1940, le tantale commence à être utilisé pour faire des condensateurs. Deux ans plus tard la première exploitation de colombo-tantalite au Congo belge (future République démocratique du Congo) voit le jour.

Géologie

Minerai de Tantale (tantalite) en provenance d'Australie.

Le tantale est estimée à à peu près 1 ppm[12] ou 2 ppm de la masse de la croute terrestre. Il se trouve essentiellement dans les filons hydrothermaux qui sont des zones où les éléments présents dans l'eau peuvent se minéraliser en rencontrant une source importante de chaleur, comme une poche de magma. Ces lieux sont plus aisément présents dans des lieux géologiquement instables, proche de faille tectonique et de région volcanique.

Ces filons sont fréquemment particulièrement riches en minéraux comme l'or, l'argent, l'uranium, le cobalt, le tungstène et évidemment le tantale mais aussi le niobium. Par la suite, par érosion les éléments peuvent être emportés et se retrouver dans un cours d'eau où les substances les plus lourdes se déposent dans des lieux de faible courant, comme les méandres ou les marmites. Il arrive que ces zones denses en éléments lourds puissent former des veines et se retrouver ensevelies. On peut ainsi trouver de la colombo-tantalite autant dans des roches métamorphiques que sédimentaires.

Production

Plusieurs étapes sont impliquées dans l'extraction du tantale de la tantalite : dans un premier temps le minerai est concassé et concentré par gravimétrie. Ceci est le plus souvent effectué à proximité du site de la mine. La procédure se poursuit par séparation chimique qui se fait le plus souvent par traitement des minerais avec un mélange d'acide fluorhydrique et d'acide sulfurique à plus de 90 °C. Cela provoque une réaction qui permet au tantale et au niobium de se dissoudre en fluorures complexes, qui peuvent ainsi être scindés des impuretés insolubles.

Ta2O5 + 14 HF → 2 H2[TaF7] + 5 H2O
Nb2O5 + 10 HF → 2 H2[NbOF5] + 3 H2O

La première séparation à l'échelle industrielle a été mise au point par Jean Charles Galissard de Marignac, en utilisant la différence de solubilité entre le niobium et le fluorure de tantale complexe K2 [NbOF5] • H2O et [K2 TaF7] dans l'eau. Un processus plus récent utilise l'extraction liquide des fluorures d'une solution aqueuse par des solvants organiques tels que la cyclohexanone. Les complexes de niobium et les fluorures de tantale sont extraits séparément du solvant organique avec de l'eau et sont précipités par l'ajout de fluorure de potassium pour produire un complexe de fluorure de potassium ou précipités par l'ammoniaque[13] :

H2[TaF7] + 2 KF → K2[TaF7]↓ + 2 HF
2 H2[TaF7] + 14 NH4OH → Ta2O5↓ + 14 NH4F + 9 H2O

Le sel fluorotantalate de potassium résultant est le plus souvent traité par une réduction au sodium liquide pour produire une poudre de tantale secondaire[14].

Les différentes sources de tantale

Comme l'ensemble des minerais, le tantale est une ressource non renouvelable.

Ses applications et propriétés

Son application en électronique

Pentoxyde de tantale

L'électronique est la première application du tantale. En effet à peu près 68 % de la production annuelle est utilisée juste pour ce domaine. Il est essentiellement utilisé dans la construction de condensateurs. Dans ceux-ci, le tantale peut avoir deux rôles :

  • Le tantale pur joue celui de conducteur électrique;
  • Et son pentoxyde (Ta2O5) celui de diélectrique.

Il y a trois principaux types de condensateurs au tantale :

Condensateur électrolytique au tantale
  • les condensateurs électrolytiques secs qui restent particulièrement performants même extrêmement miniaturisés. Ils sont essentiellement utilisés dans la fabrication de téléphones portables de 3e génération, d'ordinateurs portables, d'appareils photo, de caméras, de consoles de jeux,  etc. Quoique la quantité de tantale soit particulièrement faible dans ces condensateurs, les produits dans lesquels ils sont présents sont des produits de grande consommation et au final la masse utilisée se révèle colossale ;
  • les condensateurs électrolytiques humides qui offrent des performances exceptionnelles. Ils sont énormément utilisés dans des domaines de technologie de pointe comme l'aérospatiale, l'armement,  etc. Ces condensateurs sont malgré tout peu utilisés à cause de leur coût excessif ;
  • les condensateurs en plaque, nettement moins habituels, sont utilisés dans des domaines où les tensions électriques sont particulièrement importantes.

Le tantale a toujours énormément d'autres applications en électronique comme les écrans à cristaux liquides, les filtres d'ondes acoustiques de surface, les puces d'accès aléatoire dynamique,  etc. Le secteur automobile consomme aussi de plus en plus de tantale. Ceci s'explique par la présence de plus en plus courante d'électronique comme les GPS, les dispositifs anticollisions et autre gadgets. Ces types de produits ne sont qu'à leurs débuts, on peut par conséquent prévoir une importante augmentation de la consommation de tantale dans ce secteur pour les quinze prochaines années.

Son application dans l'industrie chimique

Le tantale est aussi beaucoup utilisé dans l'industrie chimique pour ses propriétés de résistance à la corrosion ainsi qu'à la température. Il est essentiellement utilisé dans les échangeurs de chaleur et comme revêtement pour les tuyaux et les réacteurs chimique. Il se révèle même indispensable pour des applications dans des milieux en contact avec l'acide sulfurique.

A une température inférieure à 150 °C, le tantale est presque insensible aux attaques chimiques acides. Il est uniquement attaqué par l'acide fluorhydrique, les autres solutions d'acides contenant un ion fluorure et l'eau régale.

Son application pour les superalliages

Monocristal de tantale et cube de 1 cm3

Il est aussi utilisé dans l'élaboration de superalliage comme additif. Ces alliages servent en particulier dans des milieux particulièrement stricts thermiquement ou/et chimiquement comme les aubes de turbine des réacteurs d'avion ou celles des turbines à gaz, etc. Ces alliages à haute performance sont en monocristal ce qui leur offre de très bons comportements au fluage, à la corrosion ainsi qu'à la température. Il est utilisé en aérospatiale, mais l'aéronautique civile reste de loin le secteur où la demande de ces matériaux est la plus élevée.

Ses autres applications

Sous forme de carbure (TaC) le tantale, particulièrement dur, (environ 1700 HV) est utilisé pour la fabrication d'outils de coupe. L'acier au tantale est surtout employé dans la fabrication de fraise dentaire et d'outils chirurgicaux.
Le tantalate de lithium (TaLiO3) est aussi utilisé dans le domaine de l'optique comme additif pour limiter l'aberration chromatique dans les lentilles. Ceci est dû au fort indice de réfraction de son oxyde. Il est aussi utilisé dans les nanocouches pour les antireflets ou pour ajouter une couleur.

Le tantale est aussi biocompatible ce qui lui offre énormément de débouchés dans le domaine médical pour faire par exemple des prothèses, des agrafes, des pacemakers, des instruments chirurgicaux des implants dentaires, etc. Il est toujours utilisé dans l'horlogerie pour son aspect, comme film filtrant pour les rayons X, ou encore en élément d'alliage dans certains métaux précieux pour favoriser le décolletage.

L'utilisation du tantale demain ?

Le tantale a une gamme de propriétés impressionnantes et il est utilisé dans bien des domaines de la haute technologie. Le tantale a certainement toujours énormément de débouchés technologiques à venir. La tendance de production augmente en moyenne 8 à 12% par année, une croissance pour 2010 est attendue de :

∼ 10% pour le domaine de la téléphonie,
∼ 6% pour les superalliages hors aéronautique,
∼ 3% pour les carbures de tantale,
∼ 2% pour l'industrie chimique et médicale,
∼ 1, 3% pour les superalliages dans l'aéronautique.

Isomères nucléaires

Voir la fiche film : tantale 180m1

Le tantale 180m1 a la particularité d'être stable sur au moins 1015 ans, ce qui est d'autant plus remarquable que l'état essentiel de l'isotope 180Ta est , au contraire, particulièrement instable : le 180mTa est l'unique isomère nucléaire présent dans le milieu naturel. Le mécanisme de sa formation dans les supernovas est d'ailleurs assez énigmatique.

Précautions

Les composés à base de tantale se rencontrent rarement dans les laboratoires. Le métal est bio-compatible et est utilisé dans les implants médicaux sous forme de structure ou de revêtement. L'attention liée à la sécurité peut par conséquent se porter sur des éléments d'alliage présent avec le tantale (mercure, étain etc... ) ou sur la nature physique du composé chimique (poudre).

Voir aussi

Liens externes

Notes et références

  1. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, 2009, 90e éd. , Relié, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0)  
  2. Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
  3. (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, «Covalent radii revisited», dans Dalton Trans. , 2008, p.  2832 - 2838 (ISSN 1477-9226) [ lien DOI ] 
  4. «Tantalum» dans la base de données Hazardous Substances Data Bank, consulté le 1 mai 2010
  5. (en) Metals handbook, vol.  10 : Materials characterization, ASM International, 1986, 1310 p. (ISBN 0-87170-007-7) , p.  344 
  6. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC, 2009, 89e éd. , p.  10-203 
  7. «Tantale» dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
  8. (en) Classical Mythology & More : A Reader Workbook, 2007-06-30 (ISBN 9780865165731) [lire en ligne], «Tantalum» 
  9. [1], Tantalum and Niobium - Early History
  10. William P. Griffith, «Charles Hatchett FRS (1765-1847), Chemist and Discoverer of Niobium», dans Notes and Records of the Royal Society of London, vol.  57, no 3, 2003, p.  299 [ texte intégral, lien DOI ] 
  11. (en) «The Tantalum lamp», dans Popular Mechanics, Hearst Magazines, vol.  7, no 4, avril 1905, p.  434 (ISSN 0032-4558) [ texte intégral (page consultée le 27 juillet 2010)  ] 
  12. (en) John Emsley, Nature's Building Blocks : An A-Z Guide to the Elements, Oxford University Press, Oxford, England, UK, 2001,  p. (ISBN 0198503407) , «Tantalum» 
  13. (en) Holleman, A. F., Wiberg, E., Wiberg, N., Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102nd ed. , de Gruyter, 2007 (ISBN 978-3-11-017770-1)  
  14. Extraction/refining
  15. TANTALE par Louis Perron



  s1 s2 g f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 p1 p2 p3 p4 p5 p6
1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
8 Uue Ubn * Ute Uqn Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Upq Upp Uph Ups Upo Upe Uhn Uhu Uhb Uht Uhq Uhp Uhh Uhs Uho
  ↓  
  g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18  
  * Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto  


Métalloïdes Non-métaux Halogènes Gaz rares
Métaux alcalins  Métaux alcalino-terreux  Métaux de transition Métaux pauvres
Lanthanides Actinides Superactinides Éléments non classés

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