Tantale (chimie)

Hafnium ← Tantale → Tungstène
Nb	73 Ta

F

Le tantale est un élément chimique du tableau périodique, de symbole Ta et de numéro atomique 73.

Ce métal de transition est gris-bleu, lourd, ductile, très dur, très résistant à la corrosion des acides, de plus il est 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 rapport à la taille.

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

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

• 1801, un nouveau métal fut découvert par le chimiste anglais Charles Hatchett (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’Upsal (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 minerais 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 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.

Le tantale est estimée à environ 1 ppm ou 2 ppm de la masse de la croute 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.

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 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:

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.

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 du Greenbushes de la «Sons of Gwalia» en Australie, 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 RDC. La région la plus exploitée de République démocratique du Congo 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 à 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.

Son application en électronique

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 :

• les condensateurs électrolytiques secs qui restent très performants même extrêmement miniaturisés. Ils sont principalement utilisés dans la fabrication de téléphones portables de 3 génération, 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 au final 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 d’accès aléatoire dynamique, 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 anticollisions et autre gadgets. Ces types de produits ne sont qu’à leurs débuts, on peut donc prévoir une importante augmentation de la consommation de tantale dans ce secteur pour les quinze prochaines années.

Son application dans l’industrie chimique

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

A une température inférieure à 150 °C, le tantale est quasiment insensible aux attaques chimiques acides. Il est seulement attaqué par l'acide fluorhydrique, les autres solutions d'acides contenant un ion fluorure et l'eau régale.

Son application pour les superalliages

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 en 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.

Ses autres applications

Sous forme de carbure (TaC) le tantale, très dur, (environ 1700 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 (TaLiO₃) 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 antireflets 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.

L’utilisation du tantale demain ?

Le tantale a une gamme de propriétés impressionnantes et il est utilisé dans bien des domaines de la haute technologie. Le tantale a probablement encore énormément de débouchés technologiques à venir. La tendance de production augmente en moyenne 8 à 12% par année, une croissance pour 2010 est attendue de :

~ 10% pour le domaine de la téléphonie,

~ 6% pour les superalliages hors aéronautique,

~ 3% pour les carbures de tantale,

~ 2% pour l’industrie chimique et médicale,

~ 1,3% pour les superalliages dans l’aéronautique.

Le tantale 180m1 a la particularité d'être stable sur au moins 10 ans, ce qui est d'autant plus remarquable que l'état fondamental de l'isotope Ta est, au contraire, très instable : le Ta est le seul isomère nucléaire présent dans le milieu naturel. Le mécanisme de sa formation dans les supernovas est d'ailleurs assez énigmatique.

Des composés contenant du tantale se rencontrent rarement dans les laboratoires. Le métal est bio-compatible et est utilisé pour les implants corps et revêtements, par conséquent, l'attention peut se concentrer sur d'autres éléments ou la nature physique du composé chimique.