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Tantale (chimie)

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Tantale
Image illustrative de l’article Tantale (chimie)
Échantillons de tantale.
Hafnium ← Tantale → Tungstène
Nb
  Structure cristalline cubique centrée
 
73		 Ta
  
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
   
                                           
↑
Ta
↓
Db
Tableau complet • Tableau étendu
Position dans le tableau périodique
Symbole Ta
Nom Tantale
Numéro atomique 73
Groupe 5
Période 6e période
Bloc Bloc d
Famille d'éléments Métal de transition
Configuration électronique [Xe] 4f14 5d3 6s2
Électrons par niveau d’énergie 2, 8, 18, 32, 11, 2
Propriétés atomiques de l'élément
Masse atomique 180,947 88 ± 0,000 02 u[1]
Rayon atomique (calc) 145 pm (200 pm)
Rayon de covalence 170 ± 8 pm[2]
État d’oxydation 5
Électronégativité (Pauling) 1,5
Oxyde Acide
Énergies d’ionisation[3]
1re : 7,549 57 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD
MeV
179Ta{syn.}1,82 aε0,110179Hf
180Ta{syn.}8,125 hε
β-		0,854
0,708		180Hf
180W
180mTa0,012 %[4](>20×1015 a)β-
ε
TI		0,783
0,929
0,075		180W
180Hf
180Ta
181Ta99,988 %stable avec 108 neutrons
Propriétés physiques du corps simple
État ordinaire solide
Masse volumique 16,4 g·cm-3[1]
Système cristallin Cubique centré
Dureté (Mohs) 6,5 HV
Couleur Bleu gris
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[5]
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[5]

Vitesse du son 3 400 m·s-1 à 20 °C
Chaleur massique 25,4 J·K-1·mol-1 (cristal);

20,9 J·K-1·mol-1 (gaz)[5]

Conductivité électrique 7,61×106 S·m-1
Conductivité thermique 57,5 W·m-1·K-1
Solubilité sol. dans HF + HNO3[6]
Divers
No CAS 7440-25-7[7]
No ECHA 100.028.304
No CE 231-135-5
Précautions
SGH[8]
État pulvérulent :
SGH02 : Inflammable
Danger
H228, P210, P240, P241, P280 et P370+P378
SIMDUT[9]

Produit non contrôlé
Transport[8]
   3089   
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.
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Le tantale est l'élément chimique de numéro atomique 73, de symbole Ta.

Le corps simple tantale est un métal de transition gris-bleu[10], lourd, dur mais ductile, très résistant à la corrosion des acides, et bon conducteur de la chaleur et de l'électricité[11]. 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 connu en électronique, entrant dans la composition de condensateurs dits « gouttes », à cause de leur forme, ou « tantale », 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).

Son nom est emprunté[12] au latin scientifique moderne tantalum[12], nom qui lui a été donné en [12] par le chimiste suédois Anders Gustaf Ekeberg[12], par allusion au caractère insoluble de ce métal dans les acides[12].

Histoire

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Exemple de lingot de tantale.

Le tantale et le niobium (ex-colombium) ont initialement été pris pour un même élément[13].

En 1801, un nouveau métal fut découvert par le chimiste anglais Charles Hatchett[14] (1765-1847) en analysant un minéral noir provenant de la collection du gouverneur du Connecticut, alors appelé Columbia. Il le baptisa colombium.

En 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), connu pour son supplice[15]. Cependant, le tantale étant chimiquement proche du niobium (colombium), découvert un an plus tôt, l'identification du tantale fut controversée[16].

En 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[16].

On démontra rapidement que columbium et niobium n'étaient qu'un même élément[17]. 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[18] 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 et minéralogie

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

La proportion de tantale est estimée à environ 1 ou 2 ppm[19] 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 métaux lourds comme l’or, l’argent, l’uranium, le cobalt, le tungstène et bien sûr le tantale et 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.

Le tantale forme très peu de minéraux spécifiques, et n'est en proportion notable que dans assez peu d'autres minéraux. Le principal minerai est le coltan (ou columbotantalite), association en proportions variables de columbite et de tantalite, deux minéraux eux-mêmes de composition variable. Le terme de tantalite recouvre la série continue entre la tantalite-(Fe) et la tantalite-(Mn), de composition générique (Fe,Mn)Ta2O6. Parmi les minéraux spécifiques, on peut citer le tantalcarbide, carbure de composition TaC.

Isotopes

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Article détaillé : Isotopes du tantale.

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 180,947 88(2) u[20].

Les différentes sources de tantale

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Carte de la production du tantale en 2015
La production du tantale en 2015.

Comme tous les minerais, le tantale est une ressource non renouvelable. La production annuelle est en 2019 de l'ordre de 1 800 tonnes[21].

  • 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[22], qui produit à 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 (RDC). 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 États-Unis décident de réduire leurs réserves et de vendre pour 91,3 M$ de colombo-tantalite[23].

Production et raffinage

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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[24]:

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[25].

Applications et propriétés

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Électronique

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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[26]. Dans ceux-ci, le tantale peut avoir deux rôles :

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 autres 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.

Industrie chimique

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Le tantale est utilisé 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[27]. 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.

Superalliages

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Monocristal de tantale et cube de 1 cm3

Le tantale est employé 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 combustion, 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

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Sous forme de carbure (TaC), le tantale, très dur (environ 1 700 HV), est un abrasif[28]. L’acier au tantale est notamment employé dans la fabrication de fraise dentaire et d’outils chirurgicaux. Le tantalate de lithium (LiTaO3) est employé 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. Déposé sous forme de nanocouche sur les optiques, il offre des anti-reflets ou permet d'ajouter une couleur.

Le tantale est 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.

Enfin, il est 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.

Précautions

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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 présents avec le tantale (mercure, étain, etc.) ou sur la nature physique du composé chimique (poudre).

Notes et références

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  1. ↑ a b c et d (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, , 90e éd., 2804 p., Relié (ISBN 978-1-420-09084-0)
  2. ↑ (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, « Covalent radii revisited », Dalton Trans.,‎ , p. 2832 - 2838 (ISSN 1477-9226, DOI 10.1039/b801115j)
  3. ↑ (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC, , 89e éd., p. 10-203
  4. ↑ La demi-vie entre parenthèses est une borne minimale d'une radioactivité prédite, mais non encore observée.
  5. ↑ a b et c « Tantalum » dans la base de données Hazardous Substances Data Bank, consulté le 1 mai 2010
  6. ↑ (en) Metals handbook, vol. 10 : Materials characterization, ASM International, , 1310 p. (ISBN 0-87170-007-7), p. 344
  7. ↑ Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
  8. ↑ a et b Entrée « Tantalum, Powder » dans la base de données de produits chimiques GESTIS de la IFA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand, anglais), accès le 6 juillet 2018 (JavaScript nécessaire)
  9. ↑ « 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
  10. ↑ (en) Colakis, Marianthe et Masello, Mary Joan, Classical Mythology & More : A Reader Workbook, Mundelein, Bolchazy Carducci Pub, , 459 p., poche (ISBN 978-0-86516-573-1, OCLC 154691325, LCCN 2009275114, lire en ligne), « Tantalum »
  11. ↑ « tantale (définition) », sur Futura-Sciences (consulté le )
  12. ↑ a b c d et e Informations lexicographiques et étymologiques de « tantale » dans le Trésor de la langue française informatisé, sur le site du Centre national de ressources textuelles et lexicales [consulté le 31 mai 2016].
  13. ↑ Tantalum and Niobium - Early History
  14. ↑ (en) William P. Griffith, « Charles Hatchett FRS (1765-1847), Chemist and Discoverer of Niobium », Notes and Records of the Royal Society of London, vol. 57, no 3,‎ , p. 299 (DOI 10.1098/rsnr.2003.0216, lire en ligne)
  15. ↑ (en) « Tantalum | Rare Earth Element, Uses in Electronics & Alloys | Britannica », sur www.britannica.com, (consulté le )
  16. ↑ a et b « Tantalum - Element information, properties and uses | Periodic Table », sur www.rsc.org (consulté le )
  17. ↑ (en) « Niobium processing | History, Ores, Mining, & Extraction | Britannica », sur www.britannica.com (consulté le )
  18. ↑ (en) « The Tantalum lamp », Popular Mechanics, Hearst Magazines, vol. 7, no 4,‎ , p. 434 (ISSN 0032-4558, lire en ligne)
  19. ↑ (en) John Emsley, Nature's Building Blocks : An A-Z Guide to the Elements, Oxford, England, UK, Oxford University Press, , 538 p., poche (ISBN 978-0-19-850340-8, lire en ligne), « Tantalum », p. 420.
  20. ↑ J. Meija, T.B. Coplen, M. Berglund, W.A. Brand, P. De Bièvre, M. Gröning, N.E. Holden, J. Irrgeher, R.D. Loss, T. Walczyk et T. Prohaska, « Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report) », Pure and Applied Chemistry, vol. 88, no 3,‎ , p. 265-91 (DOI 10.1515/pac-2015-0305, lire en ligne)
  21. ↑ « Tantale », sur L'élémentarium (consulté le ).
  22. ↑ TANTALE par Louis Perron
  23. ↑ (fr) Authors : Jeroen Cuvelier and Tim Raeymaekers, European companies and the coltan trade : an update
  24. ↑ (de) Holleman, A. F., Wiberg, E., Wiberg, N., Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102nd ed., Berlin, de Gruyter, , 102e éd., 2149 p. (ISBN 978-3-11-017770-1)
  25. ↑ (en) « Extraction/refining », T.I.C. (consulté le )
  26. ↑ (en) « Tantalum », sur www.thecanadianencyclopedia.ca (consulté le )
  27. ↑ Encyclopædia Universalis, « TANTALE ET NIOBIUM : Applications », sur Encyclopædia Universalis, (consulté le )
  28. ↑ Jeanne Mager Stellman, Encyclopédie de sécurité et de santé au travail, International Labour Organization, (ISBN 978-92-2-209815-6, lire en ligne), p. 63.46

Voir aussi

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Articles connexes

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Liens externes

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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 Nh Fl Mc Lv Ts Og
8  119 120 *    
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