Tantale (chimie)

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Tantale
Hafnium ← Tantale → Tungstène Nb     73 Ta                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               ↑ Ta ↓ Db Tableau complet • Tableau étendu
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
No CAS	7440-25-7 [2]
No EINECS	231-135-5
Propriétés atomiques
Masse atomique	180,94788 ± 0,00002 u[1]
Rayon atomique (calc)	145 pm (200 pm)
Rayon de covalence	170 ± 8 pm [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 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 % [7](>20×1015 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[8]
État pulvérulent : F Symboles : F : Facilement inflammable Phrases R : R11 : Facilement inflammable. Phrases S : S43 : En cas d’incendie, utiliser … (moyens d’extinction à préciser par le fabricant. Si l’eau augmente les risques, ajouter : « Ne jamais utiliser d’eau »). Phrases R : 11, Phrases S : 43,
Transport
40    3089    Code Kemler : 40 : matière solide inflammable ou matière autoréactive ou matière autoéchauffante Numéro ONU : 3089 : POUDRE MÉTALLIQUE INFLAMMABLE, N.S.A. Classe : 4.1 Étiquette : 4.1 : Matières solides inflammables, matières autoréactives et matières solides explosibles désensibilisées Emballage : Groupe d'emballage II/III : matières moyennement/faiblement dangereuses.
SIMDUT[9]
Produit non contrôlé Ce produit n'est pas contrôlé selon les critères de classification du SIMDUT. Divulgation à 1,0% selon la liste de divulgation des ingrédients Commentaires : La dénomination chimique et la concentration de cet ingrédient doivent être divulgués sur la fiche signalétique s'il est présent à une concentration égale ou supérieure à 1,0 % dans un produit contrôlé.
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.
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Le tantale est un élément chimique du tableau périodique, de symbole Ta et de numéro atomique 73. Ce métal de transition gris-bleu^[10], lourd, dur mais ductile^{[réf. nécessaire]}, très résistant à la corrosion des acides, est également un bon conducteur de chaleur et d'électricité. On le trouve dans le minéral appelé tantalite et dans certains minerais complexes sous forme d'oxyde, associé au niobium, notamment 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 très connu en électronique pour la fabrication de condensateurs dits « gouttes de tantale », ainsi nommés à cause de leur forme facilement reconnaissable et qui ont la capacité la plus importante par unité de volume.

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

Histoire

Exemple de lingot de tantale.

Le tantale et le niobium (ex-colombium) ont initialement été pris pour un même élément^[11].

• 1801, un nouveau métal fut découvert par le chimiste anglais Charles Hatchett^[12] (1765-1847) en analysant un minéral noir provenant de la collection du gouverneur du Connecticut, alors appelé Columbia. Il le baptisa colombium, nom qui ne restera pas à cause des travaux ultérieurs.
• 1802, Anders Gustaf Ekeberg (1767-1813) professeur à l’Université d'Uppsala (Suède) travaillait sur un oxyde très difficile à dissoudre et à travailler. Il obtint ce qu'il prit pour un élément pur et le nomma tantale, du nom du demi-dieu grec (Tántalos), bien connu pour son supplice.
• 1809, William Hyde Wollaston après avoir réexaminé le minerai de colombium et la tantalite déclara que les deux nouveaux éléments n’en étaient en fait qu’un seul.
• 1820, le tantale a été isolé par Jöns Jacob Berzélius
• 1844, Heinrich Rose distingua dans la tantalite deux éléments, le tantale, certes, mais aussi un « nouveau » qu’il baptisa niobium, du nom de Niobé la fille de Tantale dans la mythologie grecque.

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^[13] 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.

La proportion de tantale est estimée à environ 1 ou 2 ppm^[14] de la masse de la croûte terrestre. Il se trouve principalement 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 endroits sont plus facilement présents dans des endroits géologiquement instables, proche de faille tectonique et de région volcanique.

Ces filons sont bien souvent très riches en minéraux comme l’or, l’argent, l’uranium, le cobalt, le tungstène et bien sûr le tantale ainsi que 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 endroits 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 aussi bien dans des roches métamorphiques que sédimentaires.

Production

Plusieurs étapes sont impliquées dans l'extraction du tantale de la tantalite : tout d'abord le minerai est concassé et concentré par gravimétrie. Ceci est généralement effectué à proximité du site de la mine. La procédure se poursuit par séparation chimique qui se fait généralement 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 séparés 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-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^[15]:

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 généralement traité par une réduction au sodium liquide pour produire une poudre de tantale secondaire^[16].

Les différentes sources de tantale

Comme tous les minerais, le tantale est une ressource non renouvelable.

• La majorité du tantale (58 %) provient des mines. Il peut venir soit de mines industrielles à ciel ouvert, comme le gisement de Greenbushes de la «Sons of Gwalia» en Australie^[17], qui produit a elle seule 30 % de la production mondiale de tantale, soit de mines en galeries comme au Canada ou encore venir de petites mines artisanales exploitées avec des moyens rudimentaires comme c’est le cas en République démocratique du Congo. La région la plus exploitée de la RDC se situe surtout à l’est dans la région du Kivu qui se trouve à proximité directe de la zone volcanique du Nyiragongo.

• Un tiers du tantale provient tout simplement du recyclage et du concentré synthétique. Avant 1980, l’oxyde de tantale associé à l’étain était considéré comme un déchet. C’est à la montée des prix du tantale que les déchets se sont retrouvés valorisés et transformés en concentré synthétique pour les acheminer dans les entreprises d’affinage.

• Les 9 % qui restent proviennent des réserves du gouvernement des États-Unis. Entre 1952 et 1958, le département des services logistiques de la défense a fait des stocks impressionnants, officiellement pour encourager la prospection et la production minière. En 2001, les USA décident de réduire leurs réserves et de vendre pour 91,3 M$ de colombo-tantalite^[18].

Applications et propriétés

Application en électronique

Pentoxyde de tantale

L’électronique est la première application du tantale. En effet environ 68 % de la production annuelle est utilisée juste pour ce domaine. Il est principalement 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 très performants même extrêmement miniaturisés (CMS). Ils sont principalement utilisés dans la fabrication de téléphones portables, d’ordinateurs portables, d’appareils photo, de caméras, de consoles de jeux, etc. Bien que la quantité de tantale soit très faible dans ces condensateurs, les produits dans lesquels ils sont présents sont des produits de grande consommation et finalement la masse utilisée se révèle colossale ;
• les condensateurs électrolytiques humides qui offrent des performances exceptionnelles. Ils sont beaucoup 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, beaucoup moins fréquents, sont utilisés dans des domaines où les tensions électriques sont très importantes.

Le tantale a encore beaucoup d’autres applications en électronique comme les écrans à cristaux liquides, les filtres d’ondes acoustiques de surface, les puces de mémoire vive dynamique (DRAM), 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 systèmes anti-collisions et autre gadgets. En 2010, ces types de produits n'en étant qu’à leurs débuts, une importante augmentation de la consommation de tantale dans ce secteur est prévue pour les quinze prochaines années.

Application dans l’industrie chimique

Le tantale est aussi en grande quantité dans l’industrie chimique pour ses propriétés de résistance à la corrosion et à la température. Il est principalement utilisé dans des échangeurs de chaleur et comme revêtement pour des tuyaux et des réacteurs chimiques. Il se révèle même indispensable pour des applications dans des milieux en contact avec l’acide sulfurique.

À une température inférieure à 150 °C, le tantale est quasiment insensible aux attaques chimiques acides. Il est seulement attaqué par l'acide fluorhydrique, les solutions acides contenant des ions fluorures et l'eau régale.

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 surtout dans des milieux très exigeants 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 souvent sous forme de monocristal ce qui leur offre de très bons comportements au fluage, à la corrosion et 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.

Autres applications

Sous forme de carbure (TaC), le tantale, très dur (environ 1 700 HV), est utilisé pour la fabrication d’outils de coupe. L’acier au tantale est notamment employé dans la fabrication de fraise dentaire et d’outils chirurgicaux.
Le tantalate de lithium (LiTaO₃) 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 anti-reflets ou pour ajouter une couleur.

Le tantale est également 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 encore 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 faciliter le décolletage.

Il est aussi à l'origine du nom de la légendaire marque anglaise de haut-parleurs Tannoy, dont le nom n'est que la contraction de Tantalum Alloy (alliage de tantale), car elle l'utilisait pour ses redresseurs électrolytiques.

Isotopes

Le tantale possède 36 isotopes connus, de nombre de masse variant entre 155 et 188, ainsi que 37 isomères nucléaires. Parmi ces isotopes, seul un est stable : ¹⁸¹Ta, et, chose unique, un isomère nucléaire : ^180mTa, l'est également. Ce dernier est en principe un état métastable, mais aucune désintégration n'ayant jamais été observée, il est pour l'instant considéré comme stable. ¹⁸¹Ta (99,998 %) et ^180mTa (0,012 %) représentent la totalité du tantale naturellement présent. On lui attribue une masse atomique standard de 178,49(2) u.

Précautions

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

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Coltan
• Niobium
• Métal lourd
• Tantale 180m1
• Métaux réfractaires
• Matières premières minérales critiques

Liens externes

• (fr) BRGM Panorama 2011 du marché du tantale, juillet 2012
• (fr) Tantale par Louis Perron
• (fr) « La crise du tantale de 2000 » ^{(Archive • Wikiwix • Archive.is • Google • Que faire ?)}, consulté le 2013-03-30
• (fr) Coltan : Pour comprendre…
• (en) Tantalum-Niobium International Study Center
• (en) Image du tantale sous différentes formes

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