Elementi della tavola periodica. Tantalio, Ta.(prima parte)

Rinaldo Cervellati

Il tantalio (inglese tantalum), simbolo Ta, è l’elemento n. 73 della Tavola Periodica, posto al 5° Gruppo, 6° Periodo, sotto al niobio con a fianco afnio (a sinistra) e tungsteno (a destra). È un metallo di transizione, di colore blu-grigio brillante, duro, altamente resistente alla corrosione. È abbastanza raro, la sua abbondanza nella crosta terrestre è valutata in 2 ppm.

Il tantalio fu scoperto in Svezia nel 1802 da Anders Gustav Ekeberg[1], in due campioni di minerali di ittrio, uno dalla Svezia e l’altro dalla Finlandia.

Figura 1. Anders Gustav Ekeberg

Un anno prima, Charles Hatchett (1765-1847) aveva scoperto il colombio (ora chiamato niobio), e nel 1809 il chimico inglese William Hyde Wollaston (1766-1828) paragonò il suo ossido, la columbite, con una densità di 5,918 g/cm3, a quello del tantalio, tantalite, con una densità di 7,935 g/cm3. Concluse comunque che i due ossidi, nonostante la loro differenza nella densità misurata, erano identici e mantenne il nome tantalio. Dopo che Friedrich Wöhler (1800-1882) confermò questi risultati, si pensò che columbio e tantalio fossero lo stesso elemento. Questa conclusione fu contestata nel 1846 dal chimico tedesco Heinrich Rose (1795-1848), il quale sostenne che c’erano due elementi aggiuntivi nel campione di tantalite, e li chiamò in onore dei figli di Tantalo: niobio (da Niobe, la dea delle lacrime) e pelopio (da Pelope). Il presunto elemento “pelopium” fu successivamente identificato come una miscela di tantalio e niobio, e si scoprì che il niobio era identico al colombio già scoperto nel 1801 da Hatchett.

Le differenze tra tantalio e niobio furono dimostrate inequivocabilmente nel 1864 da Christian Wilhelm Blomstrand (1826-1897) e Henri Etienne Sainte-Claire Deville (1818-1881), nonché da Louis J. Troost (1825-1911), che determinò le formule empiriche di alcuni dei loro composti nel 1865. Un’ulteriore conferma venne dal chimico svizzero Jean Charles Galissard de Marignac[2] che nel 1866, dimostrò che c’erano solo due elementi. De Marignac fu il primo a produrre la forma metallica del tantalio nel 1864, quando ridusse il cloruro di tantalio riscaldandolo in un’atmosfera di idrogeno.

Figura 2. Jean Charles Galissard de Marignac

Il nome tantalio deriva da Tantalo, il padre di Niobe nella mitologia greca. Nella storia, era stato punito dopo la morte essendo condannato a stare in piedi nell’acqua fino alle ginocchia con un frutto perfetto che cresceva sopra la sua testa, cosa che lo stuzzicava eternamente.

Anders Ekeberg scrisse: “Questo metallo lo chiamo tantalio … in parte alludendo alla sua incapacità, quando immerso nell’acido, di assorbirne qualsiasi cosa ed essere saturo”.

Per decenni, la tecnologia commerciale per separare il tantalio dal niobio ha coinvolto la cristallizzazione frazionata dell’eptafluorotantalato di potassio dall’ossipentafluoroniobato monoidrato di potassio, un processo scoperto da Jean Charles Galissard de Marignac nel 1866.

Caratteristiche fisiche

Il tantalio metallico ha colore blu-grigio scuro, è denso, duro, duttile, di facile fabbricazione e altamente conduttore di calore ed elettricità.

Figura 3. Tantalio metallico

Il metallo è rinomato per la sua resistenza alla corrosione da parte degli acidi; infatti a temperature inferiori a 150 °C è quasi completamente immune agli attacchi dell’acqua regia (una miscela di acidi nitrico e cloridrico 1:3) normalmente aggressiva. Può essere sciolto in acido fluoridrico o soluzioni acide contenenti lo ione fluoruro e anidride solforica, nonché in una soluzione di idrossido di potassio. L’alto punto di fusione del tantalio di 3017 °C (punto di ebollizione 5458 °C) è superato tra gli elementi solo da tungsteno, renio, osmio e carbonio.

Il tantalio elementare esiste in due fasi cristalline, alfa e beta. La fase alfa è relativamente duttile e morbida; ha una struttura cubica a corpo centrato. La fase beta è dura e fragile; la sua simmetria cristallina è tetragonale, è metastabile e si converte nella fase alfa per riscaldamento a 750–775 °C. Il tantalio commerciale sfuso è quasi interamente in fase alfa.

Il tantalio naturale è costituito da due isotopi: 181Ta (99,988%) e 180mTa (0,012%). 181Ta è un isotopo stabile. È stato previsto che 180mTa (m denota uno stato metastabile) decada in tre modi: transizione isomerica allo stato fondamentale di 180Ta, decadimento beta a 180W o cattura di elettroni a 180Hf. Tuttavia, la radioattività di questo isomero nucleare non è mai stata osservata ed è stato fissato solo un limite inferiore alla sua emivita di 2,0 × 1016 anni. Lo stato fondamentale di 180Ta ha un’emivita di sole 8 ore. 180mTa è l’unico isotopo nucleare presente in natura (esclusi i nuclidi a vita breve radiogenici e cosmogenici). È anche l’isotopo primordiale più raro dell’Universo, tenendo conto dell’abbondanza elementare di tantalio e di quella isotopica di 180mTa nella miscela naturale di isotopi.

Esiste un certo numero di isotopi artificiali del tantalio, tutti radioattivi con emivite da 1,82 anni (179Ta) a 5,1 giorni (183Ta).

Composti chimici

Il tantalio forma composti negli stati di ossidazione da −3 a +5. I più comunemente riscontrati sono gli ossidi di Ta(5), che include tutti i minerali. In mezzi acquosi, mostra solo lo stato di ossidazione +5. Come il niobio, il tantalio è a malapena solubile in soluzioni diluite di acido cloridrico, solforico, nitrico e fosforico a causa della precipitazione dell’ossido di Ta(5) idrato.  Nei terreni può essere solubilizzato a causa della formazione di specie poliossotantalate.

Ossidi, nitruri, carburi, solfuri

Il pentossido di tantalio (Ta2O5) è il composto più importante dal punto di vista delle applicazioni. Gli ossidi di tantalio negli stati di ossidazione inferiore sono numerosi, comprese molte strutture difettose, e sono poco studiati o scarsamente caratterizzati.

I tantalati, composti contenenti [TaO4]3− o [TaO3] sono numerosi. Il tantalato di litio (LiTaO3) adotta una struttura simile alla perovskite. Il tantalato di lantanio (LaTaO4) contiene quattro tetraedri TaO43−.

Come nel caso di altri metalli refrattari, i composti più duri conosciuti del tantalio sono nitruri e carburi. Il carburo di tantalio, TaC, come il carburo di tungsteno più comunemente usato, è una ceramica dura che viene utilizzata negli utensili da taglio. Il nitruro di tantalio (III) è utilizzato come isolante a film sottile in alcuni processi di fabbricazione microelettronica.

Il calcogenuro meglio studiato è TaS2, un semiconduttore a strati. Una lega di tantalio-tellurio forma dei quasicristalli.

Alogenuri

Gli alogenuri di tantalio coprono gli stati di ossidazione di +5, +4 e +3. Il pentafluoruro di tantalio (TaF5) è un solido bianco con un punto di fusione di 97,0 °C. L’anione [TaF7]2− viene utilizzato per la sua separazione dal niobio. Il cloruro TaCl5, che esiste come dimero, è il principale reagente nella sintesi di nuovi composti del tantalio. Si idrolizza prontamente a un ossicloruro. Gli alogenuri inferiori TaX4 e TaX3 presentano legami Ta-Ta.

Composti organotantalici

I composti organotantalici includono pentametiltantalio, cloruri di alchiltantalio misti, idruri di alchiltantalio, complessi di alchilidene e derivati ​​ciclopentadienilici degli stessi.

Figura 4. Struttura del pentametil tantalio Ta(CH3)5

Diversi sali e derivati ​​sostituiti sono noti per la sintesi dell’esacarbonile [Ta(CO)6] e di composti isocianuri.

Disponibilità

Esistono molte specie di minerali di tantalio, solo alcuni dei quali sono finora utilizzati dall’industria come materie prime: tantalite (una serie composta da tantalite-(Fe), tantalite-(Mn) e tantalite- (Mg)), microlite (ora un nome di gruppo), wodginite, euxenite e polycrase. Tantalite (Fe, Mn) Ta2O6 è il minerale più importante per l’estrazione del tantalio.

Figura 5. Campione di tantalite

La tantalite ha la stessa struttura minerale della columbite (Fe, Mn)(Ta, Nb)2O6; quando c’è più tantalio del niobio si chiama tantalite e quando c’è più niobio del tantalio si chiama columbite (o niobite). L’alta densità di tantalite e altri minerali contenenti tantalio rende l’uso della separazione gravitazionale il metodo migliore. Altri minerali includono samarskite e fergusonite.

L’estrazione principale del tantalio, fino al 2007, è stata in Australia, dove il più grande produttore, Global Advanced Metals (in precedenza Talison Minerals), gestisce due miniere nell’Australia occidentale, Greenbushes nel sud-ovest e Wodgina nella regione di Pilbara. Wodgina produce un concentrato di tantalio primario che viene ulteriormente potenziato nell’attività di Greenbushes prima di essere venduto ai clienti (figura 6). Alcuni altri paesi come Cina, Etiopia e Mozambico estraggono minerali con una percentuale più alta di tantalio e ne producono una quantità significativa della produzione mondiale. Il tantalio è prodotto anche in Thailandia e Malesia come sottoprodotto dell’estrazione dello stagno. Durante la separazione per gravità dei minerali dai depositi, non solo si trova la cassiterite (SnO2), ma anche una piccola percentuale di tantalite. Le scorie delle fonderie di stagno contengono quindi quantità economicamente utili di tantalio, che viene lisciviato da queste.

Figura 6. Mappa del mondo nel 2006, con Canada, Brasile e Mozambico colorati in blu che rappresentano meno del 20% della produzione mondiale di tantalio e l’Australia colorata in verde che rappresenta il 60% della produzione mondiale di tantalio.

La produzione mondiale di tantalio ha subito un importante cambiamento geografico dall’inizio del 21° secolo, quando proveniva principalmente dall’Australia e dal Brasile. Dal 2007 e fino al 2014, le principali fonti di produzione dalle miniere si sono drasticamente spostate nella Repubblica del Congo, in Ruanda e in alcuni altri paesi africani.  Fonti future di approvvigionamento, in ordine di dimensione stimata, vengono esplorate in Arabia Saudita, Egitto, Groenlandia, Cina, Mozambico, Canada, Australia, Stati Uniti, Finlandia e Brasile (figura 7).

Figura 7. Mappa del mondo nel 2015 con il Ruanda principale produttore di tantalio

Il tantalio è considerato una risorsa di conflitto. Coltan, il nome industriale per un minerale di columbite-tantalite da cui sono estratti niobio e tantalio, si trova in Africa centrale, motivo per cui il tantalio è collegato alla guerra nella Repubblica Democratica del Congo (ex Zaire) . Secondo un rapporto delle Nazioni Unite del 23 ottobre 2003, il contrabbando e l’esportazione di Coltan ha contribuito ad alimentare la guerra in Congo, una crisi che ha provocato circa 5,4 milioni di morti dal 1998, rendendola la più letale al mondo dopo la seconda guerra mondiale. Sono state sollevate questioni etiche sulle responsabilità delle industrie estrattive, sulla mancanza di diritti umani e sui pericoli di estinzione di fauna selvatica, a causa dello sfruttamento di risorse come il Coltan nelle regioni del bacino del Congo in conflitto armato. Tuttavia, sebbene importante per l’economia locale in Congo, il contributo dell’estrazione del Coltan all’approvvigionamento mondiale di tantalio è piccolo. Lo United States Geological Survey riporta nel suo annuario che questa regione ha prodotto poco meno dell’1% della produzione mondiale di tantalio nel 2002-2006, con un picco del 10% nel 2000 e nel 2008.

In base ai tassi attuali di estrazione è stato stimato che siano rimasti meno di 50 anni di risorse di tantalio, a dimostrazione della necessità di un maggiore riciclaggio (figura 8).

Figura 8. Produzione mondiale di tantalio negli anni

(contnua)

Opere consultate

Handbook of Chemistry and Physics, 85th Ed.

https://en.wikipedia.org/wiki/Tantalum


[1] Anders Gustaf Ekeberg (Stoccolma, 1767 – Uppsala, 1813), svedese, è stato un chimico analitico, matematico ed esperto in letteratura greca, scoprì il tantalio nel 1802.

[2] Jean Charles Galissard de Marignac (Ginevra, 1817 – 1894) è stato un chimico svizzero, famoso per le sue ricerche sui pesi atomici e per i suoi studi sulle terre rare, che lo portarono a scoprire l’itterbio (1878) e il gadolinio (1880).

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