Tántalo: estructura, propiedades, usos, obtención
El tántalo, conocido también como tantalio, es un metal de transición cuyo símbolo químico es Ta. Es de color oscuro, de brillo metálico, dúctil, maleable, duro y de alta densidad. Quizás su característica más distintiva es su resistencia a la mayoría de los compuestos químicos.
El tántalo fue descubierto en 1802 por el químico sueco Anders Gustaf Ekenberg, asignándole el nombre en recuerdo del personaje mitológico griego Tantalus, relacionándolo con el problema tentador de disolver los óxidos del metal en ácido.
No obstante, por ser el tántalo y el niobio metales muy semejantes, se pensó que Ekenberg había aislado al niobio. Pero en 1844 el químico alemán Heinrich Rose demostró que el niobio y el tántalo son metales distintos, devolviéndose el crédito a Ekenberg por su descubrimiento.
El tántalo es un metal cuya principal utilidad radica en la elaboración de capacitores de pequeños tamaños usados en teléfonos celulares, laptops, cámaras electrónicas, etc. Asimismo, el tántalo se utiliza con fines médicos en los implantes óseos y en la reparación de los huesos del cráneo.
Muchas de sus menas se ubican en el centro del continente africano. Su obtención ha significado conflictos armados entre varios países, los cuales batallan para tomar las canteras de donde se extraen los minerales del Tántalo. Se puede decir, por lo tanto, que se trata de uno de los metales más conflictivos de la época moderna, en lo que concierne a su obtención y mercadeo.
Índice del artículo
- 1 Estructura del tántalo
- 2 Configuración electrónica
- 3 Propiedades del tántalo
- 3.1 Apariencia física
- 3.2 Número atómico
- 3.3 Masa molar
- 3.4 Punto de fusión
- 3.5 Punto de ebullición
- 3.6 Densidad
- 3.7 Calor de fusión
- 3.8 Calor de vaporización
- 3.9 Capacidad calórica molar
- 3.10 Punto de ignición
- 3.11 Índice de refracción
- 3.12 Dureza
- 3.13 Estados de oxidación
- 3.14 Electronegatividad
- 3.15 Energías de ionización
- 3.16 Reactividad
- 4 Usos
- 5 Obtención
- 6 Isótopos
- 7 Referencias
El tántalo puede adoptar a temperatura ambiente dos estructuras cristalinas: la cúbica centrada en el cuerpo (bcc), designada como fase α (α-Ta) y responsable de su ductilidad; y la tetragonal o fase β (β-Ta), la cual es metaestable, aporta dureza, y se transforma en la fase α cuando los cristales se calientan entre 750-775 ºC.
Algunas fuentes también reportan la existencia de una tercera estructura cristalina: la cúbica centrada en las caras (fcc), la cual se considera anómala y solo ha podido observarse en láminas muy delgadas de tántalo. Siendo así, esta estructura (fcc-Ta) cuenta como un tercer alótropo.
El tántalo tiene la siguiente configuración electrónica:
[Xe] 4f14 5d3 6s2
Los electrones del orbital 4f se encuentran muy “adentro” del átomo de tántalo en lo que concierne en energía; es decir, no participan en ninguna de sus reacciones químicas. Por lo tanto, el tántalo solo puede usar los electrones de los orbitales 5d y 6s para perderlos y transformarse en cationes, de manera que interactúen con otros átomos o aniones para originar sus compuestos.
Cuando el tántalo pierde los cinco electrones de estos orbitales 5d y 6s, se convierte en el catión pentavalente Ta5+, el cual es muy estable electrónicamente; característica que de hecho comparte con sus homólogos V5+ y Mo5+. Esta es la razón por la que los compuestos de tántalo (V) o +5 son los más comunes para este metal.
Es un metal brillante pero oscuro, y que puede presentar algunos visos azulados o púrpuras. Estas coloraciones se deben a las capas con diferentes espesuras de su óxido que recubren la superficie del metal.
Las piezas de tántalo son muy dúctiles y maleables, aunque dependiendo de su proceso de obtención también pueden ser muy duras y quebradizas.
Es un buen conductor de la electricidad y al calor. Posee un punto de fusión muy alto (3017 ºC), solo superado por el tungsteno, el renio y el osmio. Además, es uno de los pocos metales refractarios; es decir, es muy resistente al calor y al desgaste.
El tántalo presenta dos formas alotrópicas: la alfa, dúctil y blanda; y la beta, dura y quebradiza. Es un metal resistente a la corrosión, debido a una película de óxido que lo recubre. El tántalo en forma de polvo puede incendiarse espontáneamente en el aire.
73
180.947 g/mol
3017 ºC
5458 ºC
16.69 g/cm3
36.57 kJ/mol
753 kJ/mol
25.36 J/(mol·K)
>250 ºC
2.05
6.5 en la escala Mohs
Los átomos de tántalo pueden participar en sus compuestos con los siguientes estados de oxidación: -3, -1, +1, +2, +3, +4 y +5, siendo este último el más predominante. Por lo tanto, son más comunes y estables los compuestos de tántalo (V) o +5 (Ta5+).
1.5 escala de Pauling.
Primera: 761 kJ/mol
Segunda: 1500 kJ/mol
El tántalo a temperaturas inferiores a 150 ºC es uno de los metales de mayor inercia química o menor reactividad. A la temperatura ambiente no es atacado por los ácidos diluidos o concentrados, inclusive es resistente a la acción del agua regia. Solamente puede ser disuelto por el ácido fluorhídrico.
El tántalo no es atacado por la mayoría de los álcalis disueltos en agua, pero sí por los álcalis fundidos y el hidróxido de potasio. A temperaturas elevadas puede reaccionar con el flúor, el cloro y el oxígeno.
El tántalo se oxida para formar un pentóxido (Ta2O5), compuesto que tiene varias aplicaciones. El nitruro y el carburo de tántalo son compuestos de gran dureza, usados en las herramientas de corte. Además, el tántalo puede formar parte de algunos compuestos organometálicos, como por ejemplo: el pentametiltántalo, Ta(CH3)5.
Los capacitores o condensadores construidos con tántalo tienen un valor mayor de la relación entre la capacitancia y el volumen que cualquier otro tipo de capacitor, permitiendo así que sean utilizados en instrumentos que poseen microcircuitos; tales como teléfonos celulares, laptops, cámaras electrónicas, etc.
El tántalo ha sido utilizado en la producción de tubos de electrones de frecuencia ultra alta para transmisores de radio. El tántalo reacciona con el nitrógeno y el oxígeno ayudando a mantener el alto vacío en los tubos, necesario cuando se utilizan piezas internas como rejillas y placas.
También se utiliza para la fabricación de electrodos para luces de neón y rectificadores AC/DC. El tántalo, debido a su ductilidad, se usa para fabricar alambres muy delgados que se emplean en la evaporación del aluminio.
El tántalo es un metal duro y resistente, por lo que ha sido utilizado, bajo la forma de carburo, en herramientas de corte y trabajo de metales. También se ha empleado en la fabricación de motores a reacción, reactores nucleares, piezas de misiles, palas de turbinas y tapas de nariz para aviones.
Debido a que el tántalo es un metal que es inerte para una gran cantidad de compuestos químicos, y resistente además a la corrosión, se utiliza en recipientes para reacciones químicas, en la construcción de tuberías para líquidos corrosivos, así como en equipos de laboratorio.
Además, debido a su alto punto de fusión y resistencia a la oxidación, se usa en la fabricación de crisoles para destilaciones en hornos de vacío.
El tántalo es un metal no irritante y resistente a los fluidos corporales, por lo que ha sido empleado en implantes óseos ortopédicos; y además, debido a su maleabilidad, se han construido láminas del metal empleadas en la reparación de porciones dañadas del cráneo. Dichas láminas también se utilizan en la conexión de nervios desgarrados.
El tántalo se emplea en la elaboración del metal trabecular, el cual es semejante a un material óseo y se aproxima a sus propiedades físicas. Su configuración trabecular y porosa favorece la formación del hueso y la infiltración tisular rápida y extensa.
Este procedimiento tiene aplicación en la artroplastia de cadera y rodilla, y en el tratamiento de la necrosis del tejido óseo de la cabeza femoral.
El hialurorano es un gel que se utiliza para transportar medicamentos a través de un catéter por vía percutánea. El tántalo se incorpora al gel para hacerlo opaco a los rayos X y observar su ingreso al organismo.
Asimismo, el tántalo ha sido investigado para la prevención de la osteoartritis y la escoliosis idiopática adolescente.
El tántalo se usa en la industria cauchera como catalizador en la síntesis del butadieno. También se usa en la elaboración de puntas de bolígrafos, de balanzas analíticas y de instrumentos quirúrgicos y odontológicos en sustitución del platino.
El óxido de tántalo se utiliza en la fabricación de un vidrio de un alto índice de refracción para lentes de cámaras.
El tántalo tiene una abundancia entre 1 y 2 ppm en la corteza terrestre, no encontrándose en estado libre. Se explota comercialmente a partir del mineral tantalita, aunque se encuentra también en la columbita y el coltán.
El mineral de triturarse, es lixiviado con ácido fluorhídrico mezclado con ácido sulfúrico o clorhídrico, produciéndose un complejo de tántalo y fluoruro, H2[TaF7]. Este complejo se somete a una extracción líquido-líquido mediante el uso de disolventes orgánicos.
El H2[TaF7] se trata con fluoruro de potasio para producir el fluorotantalato de potasio, K2[TaF7], el cual finalmente es reducido con el sodio metálico mediante calentamiento en un horno eléctrico, obteniéndose así el tántalo metálico.
El tántalo posee un total de 38 isótopos, de los cuales uno solo puede considerarse estable: el 181Ta. Este isótopo tiene una abundancia del 99.98 % del tántalo, mientras que el 0.12% restante lo representa el 180mTa.
El isótopo con la menor vida media es el 191Ta, con un valor superior a los 300 nanosegundos; mientras que el de mayor vida media es el mencionado 180mTa 2.0·1016 . La parte del decaimiento radiactivo es producido por captura electrónica y por emisión de partículas α y β–.
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