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Tantal ist zwar kein Edelmetall, ist aber durch seine Seltenheit und seine besonders vorteilhaften Eigenschaften wertvoll. Durch seine Eigenschaften wird Tantal immer beliebter und wichtiger in vielen verschiedenen Industrien, darunter auch die Schmuckbranche, in der Tantal noch relativ neu ist.

Da Tantal kein Edelmetall ist, reagiert es unter hohen Temperaturen mit Nichtmetallen. Bei Raumtemperatur ist es jedoch durch Tantal-V-Oxid geschützt und ist dadurch passiviert, was ihm eine hohe Korrosionsbeständigkeit verleiht.

Auch in den meisten Säuren lässt sich Tantal nicht lösen, mit Ausnahme von Flusssäure, Oleum und Salzschmelzen. Als Pulver ist Tantal sehr leicht entzündbar. Außerdem ist reines Tantal allergiefrei und gesundheitlich unbedenklich, weswegen es auch in der Medizintechnik und im Schmuckbereich verwendet wird.

Allerdings gibt es einige Tantal-Verbindungen, die Hinweise auf krebsauslösendes Verhalten zeigen. Bisher sind 30 Isotope und 26 Kernisomere von Tantal bekannt.


Tantal ist extrem hart, schwer und robust mit einer Vickershärte von 60-120 HV und einer Mohshärte von 6,5. Es ist eindeutig härter als Silber und Gold, und ist damit im festen Zustand nicht so einfach verformbar.


Tantal ist ein chemisches Element der fünften Nebengruppe im Periodensystem, mit dem Symbol Ta und der Ordnungszahl 73. Es ist ein seltenes Übergangsmetall, das heute in vielen verschiedenen Bereichen Verwendung findet.


Entdeckung & Namensgebung

Tantal wurde 1802 von Anders Gustav Ekeberg in einem Tantalit-Erz in Finnland entdeckt. Benannt wurde Tantal nach der griechischen Mythologie des Tantalos, da sich das von Ekeberg abgetrennte Tantal-V-Oxid in keiner Säure löste, von der es umgeben war. Genauso, wie Tantalos von Wasser umgeben war, das er aber nicht trinken konnte. Was in der Mythologie eine Bestrafung ist, wird bei Tantal als ideale Eigenschaft beschrieben, denn es entsteht ein Schutzschild, das Tantal robust und allergiefrei macht.


Anwendungen von Tantal

Die sehr reinen Tantal-Legierungen werden häufig für Chemieanlagenausrüstung wie Rohre und Wärmetauscher, medizinische Implantate, chirurgische Instrumente und in Hochtemperaturöfen als Wärmeleiter verwendet. Ein großer Teil der Tantalproduktion wird auch für elektronische Kondensatoren, Schmelztiegel und als Legierungselement in der Stahlindustrie verwendet.


Mikroelektronik

Der größte Teil des Tantals (weltweite Jahresproduktionsmenge 1.400 t) wird für sehr kleine Kondensatoren mit hoher Kapazität verwendet. 2007 wurden 60 % des Tantals für die Herstellung von Kondensatoren gebraucht. Diese Tantal-Elektrolytkondensatoren (Elkos) werden überall in der modernen Mikroelektronik, besonders für Mobiltelefone und im Automobilbau, eingesetzt. Die Wirkung beruht auf der selbst in sehr dünner Ausführung noch stabilen und sicher isolierenden Tantaloxidschicht auf der Oberfläche der aufgewickelten Tantalfolie. Je dünner die Schicht zwischen den Elektroden ist, desto höher wird die Kapazität bei gleich bleibender Folienfläche; zudem hat Tantaloxid eine extrem hohe Permittivität, die ebenfalls die Kapazität erhöht.


Medizintechnik

Da Tantal nicht giftig ist und nicht mit Körpergewebe oder -flüssigkeiten reagiert, wird elementares Tantal für medizinische Implantate und Instrumente eingesetzt. Es werden u.a. Knochennägel, Prothesen, Klammern und Kieferschrauben aus Tantal gefertigt. Neue Hüftimplantate bestehen zu 98 % aus dem biokompatiblen Metall Tantal und erreichen mit ihrer besonderen Struktur eine bisher unbekannte Osseointegration (Anwachsen des Knochens an das Implantat). Durch die Integration des Implantates in die Knochenstruktur kann dessen Überlebenszeit im Körper des Patienten erheblich verlängert werden. Daneben ist Tantal es ein auf Grund der hohen Kosten wenig eingesetztes Röntgenkontrastmittel.


Chemische Industrie

In der chemischen Industrie wird Tantal wegen seiner Beständigkeit eingesetzt. Es dient als Auskleidungsmaterial für Reaktionskessel und wird für Wärmeaustauscher und Pumpen verwendet. Für diese Zwecke wird meist kein reines Tantal, sondern Legierungen, die 2,5–10 % Wolfram enthalten, verwendet. Diese sind stabiler und widerstandsfähiger als reines Tantal. Gleichzeitig bleibt die erwünschte Duktilität erhalten. Weitere Verwendungszwecke sind Laborgeräte, Spinndüsen und die Kathoden von Elektronenröhren. Hier kommt Tantal zugute, dass es in der Lage ist, bei 800 °C bis zu 740 Volumenteile Gase aufzunehmen (Getterwirkung), was ein hohes Vakuum in den Röhren gewährleistet.


Legierungen

Superlegierungen, die im Bau von Turbinen und Flugzeugtriebwerken eingesetzt werden, enthalten bis zu 9 % Tantal. So erhöht der Zusatz von 3–4 % Tantal zu einer Nickel-Superlegierung die Festigkeit des Materials bei hohen Temperaturen


Tantal-Verbindungen

Tantalpentoxid (Tantal(V)-oxid, Ta2O5) wird in der optischen Beschichtungstechnologie mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (englisch physical vapour deposition, kurz PVD), als vakuumbasiertes Beschichtungsverfahren (Dünnschichttechnologien) zur Herstellung hochbrechenden Index-Glases für Kameralinsen verwendet. Der Brechungsindex von Tantalpentoxid beträgt als optische Dünnschicht bei 500 nm Wellenlänge je nach verwendetem Beschichtungsverfahren zwischen 2,1 bis 2,15 (Elektronenstrahlverdampfen) und etwa 2,2 (Ionenstrahlsputtern). Das Material ist von etwa 350 nm bis ungefähr 8 µm Wellenlänge transparent.

Tantalpentoxid ist ein farbloser Feststoff der in zwei Modifikationen auftritt, wobei die Tieftemperaturform T-Form bei 1360 °C reversibel in die oberhalb dieser Temperatur stabile H-Modifikation übergeht. Die T-Modifikation besitzt eine mit T-Niob(V)-oxid verwandte Kristallstruktur mit der orthorhombischen Subzelle, die durch seine chemische (Verunreinigungen mit Oxiden anderer Metalle) und strukturelle Variabilität aber sehr kompliziert ist. Er ist unlöslich in Säuren außer in Flusssäure.

In der Halbleitertechnologie wird Tantalpentoxid als sogenanntes High-k-Dielektrikum für On-Chip-Kondensatoren eingesetzt. Im Unterschied zum gewöhnlich verwendeten Siliciumdioxid (SiO2), das eine relative Permittivität von 3,9 besitzt, beträgt die relative Permittivität von Tantalpentoxid je nach Herstellungsverfahren zwischen 24 und 28.

Die Oxidabscheidung erfolgt mittels Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD) oder Chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition, CVD). Bevorzugtes Basismaterial des Prozesses ist der flüchtige Tantalkomplex Pentakis(dimethylamino)tantal (Ta[N(CH3)2]5), der über Tantalpentachlorid (TaCl5), einem wichtigen Zwischenprodukt in der Tantalherstellung, zugängig ist.


Tantalcarbid (TaC) besitzt mit einem Wert von 9–10 fast die Härte von Diamant und wird etwa zur Beschichtung von Triebwerksdüsen und Schneidwerkzeugen genutzt.

Das Carbid hat mit 3880 °C einen der höchsten Schmelzpunkte aller bekannten Stoffe – nur Tantalhafniumcarbid hat einen noch höheren Schmelzpunkt. Ist das Material unterstöchiometrisch mit der Formel TaC0,89, so steigt der Schmelzpunkt auf knapp 4270 K (4000 °C) und ist damit wiederum höher als jener von Hafniumcarbid. Neben Tantal(IV)-carbid TaC ist auch noch Tantal(II)-carbid Ta2C bekannt, welches eine Schmelztemperatur von 3500 °C und eine Dichte von 15 g/cm3 besitzt.


Symbol: Ta

Schmelzpunkt: 3.020 °C

Atommasse: 180,94788 u

Siedepunkt: 5.457 °C

Elektronenkonfiguration: [Xe] 4f145d36s2

Ordnungszahl: 73

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