Tantal

Eine Figur aus der griechischen Mythologie musste als Namensgeber für den seltenen Rohstoff herhalten: Tantalus. Tantalus speiste einst mit den Göttern und klaute ihnen Nektar und Ambrosia; er stahl einen goldenen Hund aus dem Tempel des Zeus und wurde für seine Sünden mit «ewigen Qualen» bestraft. Für Anders Gustaf Ekeberg, der Tantal 1801 in finnischem Columbit-Erz entdeckte, ein passender Namenspatron, weil das sehr beständige Metall «schmachten muss und seinen Durst nicht löschen kann, wie Tantalus in der Unterwelt».

Schmachten müssten auch die moderne Welt, wenn es Tantal nicht geben würde. Es brachte früher sogar ganze Städte zum Leuchten: Tantal war der Stoff, aus dem die Drähte in Glühbirnen hergestellt wurden, bevor Wolfram hier die Vorherrschaft übernahm.

Heute findet sich das Metall in vielen Bereichen wieder, ohne die das Leben im 21. Jahrhundert kaum vorstellbar ist: Kondensatoren aus Tantal sind klein, leistungsstark und eignen sich für hohe Frequenzbereiche. Dies macht sie fast unersetzlich und vielseitig einsetzbar, beispielsweise in Mobiltelefonen, Computern, Spielekonsolen, medizinischen Geräten oder Radios: Dinge, auf die heute kaum ein Mensch in der westlichen Welt verzichten mag.

Darüber hinaus wird das Element aufgrund seines sehr hohen Schmelzpunktes auch als Hochtemperatur-Legierung eingesetzt, unter anderem bei Flugzeugturbinen. Selbst in der Medizin ist Tantal zu finden: Da es ungiftig ist und mit Körperflüssigkeiten nicht reagiert, wird es gerne als Implantat verwendet.

Doch die Anwendungen als Kondensatoren verschlingen 551 der weltweit produzierten 1.160 Tonnen Tantal – bis zum Jahr 2030 soll die Menge hierfür gar auf geschätzte 1.410 Tonnen steigen. Jede zweite Tonne davon wird in Australien produziert, Brasilien und Kanada liegen mit deutlichem Abstand auf den Plätzen Zwei und Drei.

Bei all der Beliebtheit kann man nur hoffen, dass Tantal das Schicksal seinen Namensgebers erspart bleibt: Eine Verbannung in die Unterwelt hätte das grauschimmernde Metall auch nicht verdient.

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Metalle in einem Smartphone

Spezifikationen:

Schmelzpunkt:                     3017 °C
Spezifisches Gewicht:         16,68 g/cm3
Farbe:                                   grau-glänzend
Siedepunkt:                          5458 °C
Weltjahresproduktion ca.:    1160 Tonnen
Massenanteil / Erdhülle:      8 ppm

Wertentwicklung:

Im Jahr 2021:                        +30,77%
Im Jahr 2022:                        +29,41%

Verwendung:

  • Chemische Industrie
  • Optik für Spezialgläser
  • Medizinische Implantate
  • Superlegierungen für Gasturbinen
  • Komponenten in Nuklearreaktoren
  • Elektrolytkondensatoren in Mikroelektronik
  • Medizinische Implantate und Instrumente
  • Hochvakuumtechnik und Vakuumofenbau
  • Legierung für Werkzeug- und Schneidstähle
  • Hochschmelzende, hochfeste Legierungen
  • Komponenten für die chemische Prozessindustrie

Die Geschichte von Tantal

Im Jahr 1802 entdeckte der Chemiker Anders Gustav Ekeberg das Element sowohl in einem Tantalit-Erz aus Kimito, Finnland, als auch in Yttererde aus Ytterby, Schweden. Er isolierte ein äußerst beständiges Oxid, das als Tantal(V)-oxid bekannt ist und sich in keiner Säure lösen ließ. Diese bemerkenswerte Unempfindlichkeit gegenüber Säuren, selbst in großen Mengen, erinnerte Ekeberg an die mythologische Figur des Tantalos, der mitten in einem Teich stand und nicht trinken konnte. So erhielt das neu entdeckte Element den Namen „Tantal“.

Kurz zuvor, im Jahr 1801, hatte Charles Hatchett in einem Erz aus Massachusetts ein ihm unbekanntes Element gefunden und es „Columbium“ genannt. Später stellte sich jedoch heraus, dass die Oxide, die aus den beiden Erzen gewonnen wurden, Oxide desselben Elements waren. William Hyde Wollaston verglich die Oxide im Jahr 1809 und erklärte die gemessenen Unterschiede im spezifischen Gewicht der Oxide durch unterschiedliche Oxidationszustände des Elements. Erst 1844 bewies Heinrich Rose, dass es in den Erzen der Columbit-Tantalit-Mischkristallreihe tatsächlich zwei unterschiedliche Elemente gab. Das leichtere Element im Mineral Columbit nannte er nach Niobe, der Tochter des Tantalos, „Niob“.

Nach der Entdeckung des neuen Elements versuchten verschiedene Chemiker, Tantal auch in elementarer Form darzustellen. Der erste, dem dies gelang, war 1824 Jöns Jakob Berzelius, der Tantal durch Reduktion von Kaliumheptafluorotantalat mit Kalium herstellte. Allerdings bestand sein Metall wie das von Rose dargestellte Tantal nur zu 50 % aus reinem Tantal. Erst Werner von Bolton gelang es im Jahr 1903, reines und duktiles Tantal herzustellen. Er erreichte dies durch Reduktion der glühenden Oxide im Vakuum sowie durch Schmelzen von unreinem Tantalmetall im Vakuum und elektrischem Flammenbogen.

Die erste praktische Anwendung des neuen Elements war als Glühfaden in Glühlampen. Tantal erwies sich als leichter zu verarbeiten und besaß eine höhere mögliche Nutztemperatur von bis zu 2300 °C im Vergleich zu dem zuvor verwendeten Osmium. Später wurde Tantal durch Wolfram ersetzt, das einen noch höheren Schmelzpunkt aufwies und damit ein dem Sonnenlicht näheres Lichtspektrum und eine höhere Lichtausbeute ermöglichte.

Im Jahr 1922 fand Tantal eine neue Verwendung in Gleichrichtern und ein Jahr später in Radioröhren. Diese Entdeckungen markierten den Beginn einer Vielzahl von Anwendungen für dieses bemerkenswerte Element in verschiedenen Industriezweigen.

Die Geschichte von Tantal ist eine faszinierende Reise durch wissenschaftliche Entdeckungen und technologische Fortschritte. Von der mythologischen Namensgebung bis hin zu den zahlreichen modernen Anwendungen in der Elektronik und der Industrie hat sich Tantal als vielseitiges und unverzichtbares Element erwiesen. 

Vorkommen und Gewinnung

Tantal ist ein vielseitiges Übergangsmetall, das in verschiedenen industriellen Anwendungen eine wichtige Rolle spielt. Seine Geschichte reicht bis in die Antike zurück, und heute ist es von entscheidender Bedeutung für moderne Technologien. 

Tantal kommt in der Natur nicht in reiner Form vor, sondern ist in verschiedenen Mineralien enthalten. Die wichtigsten Tantal-Mineralien sind Tantalit, Columbit und Kassiterit. Tantalit ist ein Erz, das sowohl Tantal als auch Niob enthält. Columbit hingegen enthält vor allem Niob, kann aber auch geringe Mengen an Tantal enthalten. Kassiterit ist das Erz, aus dem das Element Zinn gewonnen wird, und es kann ebenfalls geringe Mengen an Tantal enthalten.

Tantalvorkommen sind hauptsächlich in Afrika, insbesondere im Kongo, in Madagaskar und in Australien, wie Greenbushes und Wodgina in Westaustralien, zu finden. Kleinere Vorkommen sind auch in Südafrika und Namibia bekannt. Diese Vorkommen sind in Pegmatit-Gesteinen eingebettet und enthalten vor allem die Mineralien Columbit und Tantalit (Fe,Mn)[(Ta,Nb)2O7], manchmal auch Wodginit (Tantaloxid). Diese Mineralien werden zusammenfassend als Coltan bezeichnet, da sie sowohl Tantal- als auch Niob-Verbindungen enthalten können. Die Tantalkonzentration in diesen Vorkommen ist sehr gering und liegt nur bei wenigen hundert ppm. Bis zu 80 Prozent des weltweit verwendeten Tantals stammen aus dem Kongo und Australien. Brasilien und Kanada verfügen ebenfalls über bedeutende Tantalreserven.

Ein weiterer wichtiger technischer Tantalquelle ist tantalhaltige Schlacke aus der Zinnverhüttung. In den 1980er Jahren stellte sie die größte Tantalquelle dar und wurde beispielsweise in Rhina bei Laufenburg am Hochrhein verarbeitet.

Die Gewinnung von Tantal aus den Erzen ist ein komplexer Prozess, der mehrere Schritte umfasst. Der erste Schritt besteht darin, das Tantal-Erz abzubauen und zu zerkleinern, um es für weitere Verarbeitungsschritte vorzubereiten. Anschließend wird das Erz durch verschiedene Verfahren wie Schwerkrafttrennung und Magnetabscheidung angereichert, um das Tantal von anderen Mineralien zu trennen.

Nach der Aufbereitung des Erzes folgt die Gewinnung des Tantaloxids. Hierbei wird das Erz in einem Schmelzofen bei hohen Temperaturen geröstet. Dadurch entsteht Tantalpentoxid (Ta2O5), das die Hauptverbindung von Tantal in den Erzen ist.

Um reines metallisches Tantal zu gewinnen, wird das Tantalpentoxid chemisch reduziert. Eine gängige Methode zur Reduktion ist die Reaktion mit Kaliumheptafluorotantalat in einem Schmelzofen. Dadurch entsteht ein Tantal-Kalium-Legierung, aus der durch weitere Verarbeitungsschritte reines Tantal gewonnen werden kann.

Die Gewinnung von Tantal ist aufgrund des ähnlichen Verhaltens von Tantal und Niob eine anspruchsvolle Aufgabe. Es stehen jedoch verschiedene Großtechnologien zur Verfügung, um Tantal zu gewinnen:

  1. Elektrolyse von geschmolzenem Kaliumfluorotantalat
  2. Reduktion von Kaliumfluorotantalat mit Natrium
  3. Reaktion von Tantalkarbid mit Tantaloxid

Das gewonnene reine Metall wird dann unter Hochvakuum pulvermetallurgisch aufbereitet, gesintert und geschmolzen. Aufgrund seiner hohen Reaktivität erfolgt das Schweißen des Metalls unter Hochvakuum oder Reinargon.

Umweltaspekte

Um Umweltauswirkungen zu minimieren, werden in der modernen Tantal-Gewinnung verschiedene Umweltschutzmaßnahmen eingesetzt. Dazu gehören die Wiederaufforstung von abgebauten Gebieten, die Verwendung umweltfreundlicher Verfahren zur Erzaufbereitung und die sichere Entsorgung von chemischen Abfällen.

Eigenschaften von Tantal

Tantal ist ein dunkelgraues, schweres und weiches Metall mit beeindruckenden Eigenschaften, die es zu einem begehrten Material in verschiedenen Branchen machen. Lassen Sie uns einen genaueren Blick auf die einzigartigen Eigenschaften von Tantal werfen und seine vielseitige Verwendung kennenlernen.

Hervorragende physikalische Eigenschaften

Eine der bemerkenswertesten Eigenschaften von Tantal ist sein außergewöhnlich hoher Schmelzpunkt, der nur von den Metallen Wolfram und Rhenium übertroffen wird. Dies macht Tantal zu einem idealen Material für Anwendungen, bei denen extreme Hitzebeständigkeit gefordert ist. Darüber hinaus weist Tantal eine mäßige Leitfähigkeit für Wärme und Strom auf.

Unterhalb von 150°C bildet Tantal eine schützende Oxidschicht, die es gegen die meisten Säuren resistent macht. Selbst gegenüber starken Säuren wie Königswasser und konzentrierter Salpetersäure bleibt Tantal weitgehend unbeeinflusst. Allerdings ist es nicht resistent gegen Flusssäure, saure Fluoridlösungen und freies Schwefeltrioxid.

Vielseitige Verwendung von Tantal

Tantal wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, dank seiner einzigartigen Eigenschaften und seiner Fähigkeit, mit anderen Metallen zu legieren. Eine wichtige Verwendung von Tantal findet sich in der modernen Mikroelektronik, insbesondere in sehr kleinen Kondensatoren mit hoher Kapazität. Diese Elektrolytkondensatoren werden in Mobiltelefonen und anderen elektronischen Geräten verwendet. Die Fähigkeit von Tantaloxid, auch in dünner Ausführung eine stabile und isolierende Deckschicht zu bilden, erhöht die Kapazität dieser Kondensatoren weiter.

Darüber hinaus wird Tantal zur Herstellung hochschmelzender und hochfester Legierungen verwendet. Es findet Anwendung als Legierungszusatz in Werkzeug- und Schneidstählen, in Superlegierungen für Gasturbinen, in Ausrüstungskomponenten für die chemische Prozessindustrie, in Komponenten für Nuklearreaktoren und Raketenteile. Aufgrund seiner Duktilität kann Tantal zu dünnen Drähten gezogen werden, was es ideal für den Einsatz in verschiedenen Industriezweigen macht.

Tantal wird auch in der Medizin eingesetzt, da es neutral gegenüber dem Immunsystem ist und nicht-reizende Eigenschaften gegenüber Körpergeweben besitzt. Es findet Verwendung in medizinischen Implantaten und Instrumenten. Tantaloxid wird in der Optik für Spezialgläser mit hoher Brechzahl verwendet, beispielsweise in Kameralinsen.

Des Weiteren wird Tantal in der Hochvakuumtechnik und im Vakuumofenbau eingesetzt, da es unter Vakuumbedingungen eine hohe Stabilität aufweist. Es eignet sich auch hervorragend als Strahlenschutzmaterial zum Schutz vor ionisierender Strahlung.

Die Herausforderung der Liefersituation

Die hervorragenden technischen Eigenschaften und die vielseitige Verwendbarkeit von Tantal haben zu einer hohen Nachfrage geführt. Allerdings kann die Liefersituation problematisch sein, was sich auf den Preis von Tantal auswirken kann. In den 2000er Jahren erlebte der Tantalmarkt starke Preisschwankungen, die sowohl Händler als auch Industrie vor Herausforderungen stellten. Aktuell ist der Markt jedoch relativ stabil, und die Preise schwanken zwischen 70 – 120 US-Dollar pro Kilogramm.

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