Czym właściwie jest tantal?

Inspiracja tytułem z serialu Amazon „Jack Ryan”.

W centrum uwagi:

• Czym jest tantal i jego historia
• Kluczowa rola tantalu w elektronice
• Gdzie wydobywa się i produkuje tantal
• Ryzyko związane z dostawami tantalu

Czy znają Państwo mit o Tantalu? Grecki król najbardziej znany jest z kary wymierzonej mu w głębi Tartaru, gdzie musiał stać w sadzawce pod drzewem z gałęziami uginającymi się od owoców. Owoce pozostawały zawsze poza jego zasięgiem, a woda cofała się za każdym razem, gdy Tantal próbował się napić.

‍

‍

Prawdziwa tortura.

Ale to nie jest lekcja mitologii greckiej. To jedynie wprowadzenie do pochodzenia tantalu – szarego, twardego i ciężkiego metalu, który wyróżnia się wyjątkową odpornością na korozję oraz jest zaliczany do grupy „pierwiastków ziem rzadkich”. I rzeczywiście jest rzadki: zawartość tantalu w skorupie ziemskiej to średnio tylko 2 części na milion.

Krótka historia tantalu

W 1802 roku Anders Gustav Ekeberg ogłosił odkrycie nowego metalu na Uniwersytecie w Uppsali w Szwecji. Nazwa tantal pochodzi od greckiego mitu, ponieważ rozpuszczenie metalu w kwasie stanowiło „kuszący problem”.

Z powodu trudności w rozkładzie metalu za pomocą kwasu dalsza analiza wykazała początkowo, że tantal jest identyczny z niobem – metalem już wcześniej odkrytym.

Nie wiedziano wtedy jeszcze, że tantal i niob często występują razem i są chemicznie bardzo podobne. Dopiero w 1846 roku Heinrich Rose wykazał, że oba pierwiastki można oddzielić, potwierdzając, że są to dwa odrębne elementy chemiczne.

Jednak próbka, którą dysponował Rose, nadal nie była czystym tantalem. Dopiero w 1903 roku Werner von Bolton uzyskał czysty tantal.

Choć zdobycie nowego, czystego pierwiastka wzbudziło entuzjazm, mało kto w 1903 roku przewidział, jak krytyczną rolę metal ten odegra w produkcji przenośnej elektroniki.

Czym jest tantal?

A więc czym dokładnie jest ten szary metal, nazwany na cześć udręczonego greckiego króla z mitu?

Tantal bywa sporadycznie spotykany w stanie wolnym w naturze, lecz najczęściej występuje jako kolumbit-tantalit, zawierający także inne metale, takie jak niob. Komercyjnie tantal pozyskuje się również jako produkt uboczny przy wydobyciu cyny. Można powiedzieć: dwie korzyści w jednym procesie.

Szary, odporny na korozję tantal nie odgrywa żadnej znanej roli biologicznej i jest nietoksyczny. W temperaturze pokojowej jest metalem o wysokiej temperaturze topnienia i wrzenia: odpowiednio 3017 i 5455 stopni Celsjusza. Tylko trzy inne metale mają wyższą temperaturę topnienia.

‍

Tantal charakteryzuje się wyjątkowo wysoką wytrzymałością na rozciąganie, około dwukrotnie większą od wytrzymałości stali wysokowytrzymałych. Kwasom i zasadom praktycznie nie szkodzi.

Ale dość już chemicznych niuansów. Przejdźmy dalej…

Dlaczego tantal jest niezbędny dla elektroniki

Głównym zastosowaniem tantalu jest produkcja komponentów elektronicznych. Metal ten cechuje się najwyższą spośród wszystkich metali zdolnością do magazynowania ładunku elektrycznego. To brzmi jak coś ważnego.

Na powierzchni tantalu tworzy się warstwa tlenku pełniąca funkcję bariery izolującej (dielektryka). Dzięki tej warstwie izolacyjnej tantal jest często wykorzystywany w bardzo cienkiej powłoce do pokrywania innych metali i uzyskiwania wysokiej pojemności w małej objętości.

‍

Ta cienka, a jednocześnie o dużej pojemności warstwa tantalu sprawia, że kondensatory tantalowe są znakomitym wyborem dla elektroniki przenośnej, jak telefony komórkowe. Metal jest też wykorzystywany jako elektrody do lamp neonowych oraz prostowników AC/DC, dzięki swoim właściwościom prostującym.

Zastosowanie tantalu sięga jednak daleko poza elektronikę konsumencką, zahaczając również o medycynę. Ten specyficzny, szary metal nie wywołuje reakcji immunologicznej u ssaków, dzięki czemu świetnie sprawdza się jako materiał na implanty chirurgiczne. Tantal w postaci płytek metalowych wykorzystywany jest do zastępowania kości, jako folia lub przewód – do łączenia przerwanych nerwów, a w formie gazy splatanej z tantalu – do wzmacniania ścian brzucha.

Producenci aparatów fotograficznych wymagają również tlenku tantalu do produkcji specjalnych szkieł o wysokim współczynniku załamania światła, stosowanych w obiektywach. Z kolei producenci z sektora lotniczego często polegają na tantalu przy wytwarzaniu części do samolotów i rakiet.

Łatwo zrozumieć, skąd pochodzi nazwa tego rzadkiego pierwiastka. Tantal rzeczywiście oferuje „kuszącą” opcję dla wielu branż.

Gdzie pozyskuje się i produkuje tantal?

Ten istotny pierwiastek często występuje w wyspecjalizowanych lub wysoce zróżnicowanych granitach i powiązanych z nimi pegmatytach. Dla osób spoza branży geologicznej: tantal znajduje się w granitowych skałach i pochodzących z nich kryształach.

Tantal jest również obecny w złożach cyny i może być pozyskiwany z odpadów po produkcji cyny.

Jak już wspomniano, tantal występuje często z niobem oraz innymi pierwiastkami śladowymi, takimi jak złoto czy mangan. Aby oddzielić tantal, stosuje się proces ekstrakcji rozpuszczalnikowej, uzyskując metal w postaci proszku, a następnie formując go ponownie w metal z zastosowaniem technik metalurgicznych. Oddzielanie tantalu od niobu i innych pierwiastków może się odbywać także przez elektrolizę stopionych soli lub redukcję fluorokompleksów za pomocą reaktywnych metali, na przykład sodu.

Obecnie największym producentem tantalu jest Brazylia, a zaraz za nią Australia. Przed kryzysem ekonomicznym w 2008 roku do czołówki należały również Australia, Kanada i Mozambik. Jednak od tego czasu w każdym z tych krajów wydobycie tantalu zostało zamknięte lub prowadzone jest sporadycznie.

Największa obecnie czynna kopalnia tantalu znajduje się w Nazareno w Brazylii i może produkować nawet 220 ton tantalu rocznie. To stanowi około 15% światowej produkcji.

‍

Ryzyko dla dostaw tantalu

Royal Society of Chemistry ocenia ryzyko związane z dostępnością tantalu jako wysokie, z wynikiem 7,1 na 10 (gdzie 10 oznacza najwyższe ryzyko). Wskaźnik ten opiera się na danych przedstawionych w poniższej tabeli. Z niską zawartością skorupową, niewielkim wskaźnikiem recyklingu i trudnością w zastąpieniu, trudno się dziwić, że tantal wiąże się z tak wysokim ryzykiem dostaw.

Średnia możliwość zastąpienia oznacza, że, choć można znaleźć zamiennik dla tego metalu, to zazwyczaj wiąże się to z dodatkowymi kosztami lub pogorszeniem parametrów.

‍

Tantal występuje z podobną częstością jak uran, czyniąc go dość rzadkim. Obecny poziom recyklingu budzi uzasadnione obawy o przyszłą dostępność tego kluczowego pierwiastka. Przy utrzymaniu obecnych trendów szacuje się, że światowe zasoby tantalu mogą wyczerpać się w ciągu mniej niż 50 lat. To poważny problem dla miniaturowej elektroniki.

Zwiększenie recyklingu to dziś absolutna konieczność.

Wraz z kurczącymi się dostawami wielu producentów elektroniki może znaleźć się w sytuacji bez wyjścia.

A może precyzyjniej – między drzewem owocowym a sadzawką.