Els empèdocles moderns – Anders Gustaf Ekeberg (1802) i l’element 73 (Ta) – tàntal (nilseptitri, Nst)

En els relats sobre les penes infernals que ens ha llegat la mitografia grega apareix un punt comú sobre la futilitat de la recerca de la felicitat material: quan hom assoleix l’objectiu llargament cobejat i pel qual s’ha menyspreat tota observança de lleis divines i humanals, hom no en queda pas sadollat sinó que empal•lideix l’objectiu assolit per uns altres de més llunyans i que exigiran més esforç (= més crims) Vegem, ara que ens toca, el cas de Tàntal, que fou castigat, segons ens canta Homer a través de la visita que Odisseu va fer els inferns aconsellat per Circe, amb “turments terribles”. Tàntal, en efecte, era dret en un llac, amb l’aigua que li arribava fins al mentó. Tàntal, assedegat, prova de tant en tant de beure aigua, però quan ho fa un dèmon hi eixuga el líquid, de manera que quedava al descobert la terra negrosa del fons del llac. Damunt llac, que es torna a omplir, penjaven les branques d’arbres fruiters (ὄγχναι καὶ ῥοιαὶ καὶ μηλέαι ἀγλαόκαρποι συκέαι τε γλυκεραὶ καὶ ἐλαῖαι τηλεθόωσαι). Tàntal, afamat, prova de tant en tant de menjar-ne els fruits, però quan ho fa bufa el vent de manera que les branques s’alcen fins els núvols. D’aquest càstig, han adoptat algunes llengües el mot “tantalitzar”, que seria “turmentar algú amb la vista de quelcom desitjat, però impossible d’abastar” o, més generalment, de “engrescar amb la generació d’expectatives que són repetidament decebudes”. Què va fer Tàntal per provocar els déus fins el punt d’aquest càstig infernal? Homer no ens ho diu. Tàntal era, en el seu temps, un habitual dels banquets divins, i havia gaudit de la confiança de Zeus. Abusà d’aquesta confiança fins el punt de robar nèctar i ambrosia (beguda i aliment reservat als déus), tal com ens explica Píndar (Olímpica 1, 62-64), o de revelar secrets divins, tal com ens diu Eurípides (Orestes, 4-10). Però allò que va fer vessar el got fou un acte amb el qual Tàntal esperava recuperar la gràcia dels Olímpics. Prengué el seu fill Pèlops, el sacrificà secretament, i n’oferí la carn hàbilment cuinada a les divinitats. Però, com ens diu Píndar, εἰ δὲ θεὸν ἀνήρ τις ἔλπεταί τι λαθέμεν ἔρδων, ἁμαρτάνει. Tan sols Demèter, distreta, va fer una queixalada al seu tros. Els altres déus, horroritzats pel crim, recompongueren com pogueren els trossos i restauraren la vida de Pèlops, bo i substituint el tros mossegat per Demèter per una peça d’ivori tallada per Hefest. Qui era aquest Tàntal que havia estat tan afavorit pels Déus i tan desagraït amb ells? Alguns el presenten com de llinatge reial, fill d’un sobirà frigi o lidi, però suggereixen que era en realitat fill de Zeus i de la nimfa Pluto. La nimfa Pluto era associada a la riquesa subterrània, i se suposa que la fortuna originària de Tàntal derivava de les mines de Tmolos i Sipilos. D’acord amb la cronologia mitològica, Tàntal hauria viscut en el segle XIV a.e.c. (els Jocs amb els quals Pèlops accedí al poder a la península encara avui coneguda com a Peloponès haurien estat fets l’any 1314 a.e.c.). Hom ha volgut vincular Tàntal amb el rei hitita Hantili II. Fos com fos, nosaltres arribem així al nombre 73 de la nostra sèrie.

En aquest quadre de Gioacchino Assereto (1600-1649), Tàntal prova debades d’arribar als fruits que té gairebé a les mans

Anders Gustaf Ekeberg i la descoberta del tàntal

Anders Gustaf Ekeberg

Anders Gustaf Ekeberg va nàixer a Estocolm el 16 de gener del 1767, fill del matrimoni format per Hedvig Ulrika Kilberg i Joseph Eric Ekeberg. Els Ekeberg procedien de Djursholm, localitat del nord del comtat d’Estocolm. Joseph Eric Ekeberg era armador, en una família tradicionalment abocada al mar. Germà de Joseph Eric, era Carl Gustaf, nascut el 1716. Aquest Carl Gustaf Ekeberg s’havia format com a metge, i s’embarcà des del 1742 en bucs de la Companyia Sueca de les Índies Orientals, i durant els 36 anys següents va fer deu viatges a Índia i a Xina, que implicaven la circumnavegació d’Àfrica. Carl Gustaf Ekeberg esdevingué capità en el 1750, realitzà treballs de cartografia (recopilats a “Ostindiska Resa”, 1773), memòries de viatges, a banda d’innombrables contribucions d’història natural. També fou un advocat de la vaccinació, és a dir la inoculació de la “petita verola” (o varola bovina) com a tractament preventiu contra el contagi de la verola. Membre de l’Acadèmia Reial de Ciències i cavaller de l’Ordre de Vasa, Carl Gustaf Ekeberg es va morir el 4 d’abril del 1784.

En l’any 1784, precisament, Anders Gustaf Ekeberg ingressava a la Universitat d’Uppsala. Arrossegava encara, i ho faria durant tota la vida, els efectes d’una afecció infantil. Tot i amb tot, això no li havia impedit rebre una bona formació, primer a Söderåkra i després a Västervik. A Uppsala comptà amb el suport d’amics del seu oncle, com Johan Låstbom, i amb professors com Carl Peter Thunberg (1743-1828), que tot just acaba de publicar la “Flora Japonica”. En el 1787, Anders Gustaf superà reeixidament l’exam pro exercitio, i l’any següent el pro gradu, accedint al títol de “filosofie magister”. Gràcies a la recepció d’un estipendi, realitzà un viatge d’ampliació d’estudis a Greifswald (en la Pomerània “sueca”) i a Berlin. D’aquesta època són les seves obres literàries més conegudes, “Ode öfver nordiska kriget” (1788) i “Tal öfver freden mellan Sverige och Ryssland” (1790).

En retornar, va combinar una posició al Col•legi de Mines amb la docència de química a Uppsala (1794). En el 1795 publicà juntament amb Pehr von Afzellius un “Försök till svensk nomenklatur för chemien, lämpad efter de sednaste upptäckterne”. L’esforç d’adaptar els neologismes de la química moderna a la llengua sueca es manifesten en propostes com “syre” (per l’oxigen), “väte” (per l’hidrogen) o “kväve” (pel nitrogen), una bona part de les quals va prendre (de les tres que hem posades com a exemple, tan sols “syre” ha de compartir espai amb “oxygen” en els diccionaris actuals).

La situació subalterna d’Ekeberg a Uppsala explica que una bona part dels articles científics d’aquest període, especialment els de natura més polèmica, restessin sense signar. Això ja comença a canviar en el 1799, quan esdevé professor adjunt de química, el mateix any que ingressa (amb el nombre 294) a l’Acadèmia Reial de Ciències.

Tantalita procedent de Pilbara (Austràlia). Fou a partir de minerals com aquest, que Ekeberg va descriure per primera vegada el metall que va denominar tàntal. El nom fa referència a la successió de cicles necessaris per separar el tàntal del ferro, manganès i d’altres metalls que integren aquests minerals

En el 1801, a conseqüència d’una explosió química en el seu laboratori va perdre la visió d’un ull. No obstant, continuà fent recerca. En el 1802, publicà la descoberta d’un nou metall, després de tota una sèrie de cicles d’atac àcid i de precipitació al qual havia sotmès el mineral originari per determinar-ne la composició. Ekeberg aconseguí una quantitat suficient d’aquest metall com per descriure’n les propietats fonamentals:

“Aquest metall el denomino tantali (tantalium), en part en al•lusió a la incapacitat, en submergir-lo en àcid d’absorbir-ne gens i saturar-s’hi”

Com en Tàntal, el metall no podia “beure” en fugir-li el líquid. Una altra raó del nom era el nombre elevat de cicles, virtualment inacabable, per aconseguir de purificar la terra de tàntal del ferro, manganès i d’altres metalls continguts en el mineral que, en conseqüència, rebia el nom de tantalita.

L’acceptació del tàntal com a metall elemental no fou, però, universal. John Dalton, a “New System of Chemical Philosophy” (1808), en el llistat de 36 elements simples, no inclou el tàntal, per bé que sí inclou altres elements descoberts en les darreres dècades (urani, tungstè, titani, ceri, itri, beril•li, zirconi).

William Hyde Wollaston, en el 1809, publicà a Philosophical Transactions un article en el qual postulava la identitat del columbi i del tàntal. El columbi havia estat descrit per Charles Hatchett en el 1801 en un espècimen del British Museum d’un mineral rar de Massachussetts. El paral•lelisme entre les característiques dels minerals, el procediment de purificació dels dos metalls i algunes propietats fonamentals, ja havien fet pensar que columbi i tàntal eren el mateix element. Els mateixos Hatchett i Ekeberg ho havien sospitat, però ningú abans que Wollaston havia pogut disposar, d’una banda, de minerals suec de tàntal (tantalita i itro-tantalita) i de l’altra de l’òxid de columbi conservat per Hatchett. Wollaston comparà els materials, i després encara adquirí una submostra del mineral de Massachussetts amb el qual havia treballat Hatchett. Tantalita i columbita no presentaven diferències ni en color, ni en llustre de fractura, més que una major fragilitat potser de la columbita. Químicament, els dos minerals consistien en un òxid blanc (l’òxid de tàntal i l’òxid de columbi, respectivament) combinat amb ferro i manganès. La reactivitat també era semblant.

La identificació de Wollaston presentava, això sí, un problema. La gravetat específica de la columbita era, segons Hatchett, de 5,918, mentre que la tantalitat d’Ekeberg era de 7,953. Wollaston confirmà aquesta dada, i admetia que era explicable per una diferència de densitat entre l’òxid de tàntal i l’òxid de columbi. Com podien dues substàncies químicament idèntiques presentar diferències de densitat tan considerables? L’estat d’oxidació, per exemple, semblava, d’acord amb els experiments de Wollaston, similar. Així a Wollaston únicament li quedava pensar que la columbita tingués una major porositat o un menor estat d’agregació.

Els arguments de Wollaston semblaven convincents. El criteri de Wollaston donava preferència al nom de “tàntal” (per al metall) i de “tantalita” (per al mineral), bo i considerant sinònims, respectivament, “columbi” i “columbita”.

Ekeberg sembla haver acceptat aquesta identitat, així com la prioritat de la descoberta de Hatchett. En aquells anys, Ekeberg treballava en mètodes d’obtenció d’una porcellana que fos més forta, alhora que més clara i translúcida. Els va interrompre la mort, escaiguda l’11 de febrer del 1813 a Karlskrona, a 46 anys.

Jöns Jacob Berzelius, que havia tingut una relació científica rellevant amb Ekeberg, també admetia la identificació de columbi i tàntal, però reconeixia la prioritat de la descoberta de Hatchett. Així, en el 1813, en la seva llista de 47 elements químics, parla del “columbium”, per al qual proposa el símbol químic “Cl”. Més tard, però, aquest símbol seria assignat al clor, de manera que el símbol del columbi esdevingué “Cb”.

La identitat entre columbi i tàntal fou encara confirmada per Friedrich Wöhler (1800-1882). La tendència majoritària, si més no a Europa, era de denominar el metall amb el nom de “tàntal” i simbolitzar-lo com a “Ta”.

Heinrich Rose

Aquest era el criteri terminològic que feia servir Heinrich Rose (1795-1864). En el 1844, a partir d’anàlisis de tantalita procedent de Baviera, Rose oferia una explicació sobre la composició d’aquest grup de minerals. En la fracció d’òxid blanc, la tantalita de Baviera contenia dos metalls. Proposà reservar el nom de tàntal per al metall majoritari, mentre que per al metall minoritari proposa el nom de niobi (símbol Nb), ja que al capdavall Tàntal fou el pare de Níobe. Les diferències de densitat entre la columbita de Hatchett i la tantalita d’Ekeberg es podien explicar, segons Rose, per diferències en les proporcions de tàntal i de niobi. La tantalita més densa, en termes generals, era la més rica en tàntal.

En el 1846, Rose comunicava la descoberta d’un tercer metall d’aquest grup. El denominà pelopi (símbol Pe), a partir del nom d’un altre fill de Tàntal, Pèlops. En el 1847, Rose analitzava columbita procedent de Nord-Amèrica, i en determinava les proporcions d’òxids de tàntal, niobi i pelopi.

Analitzant mostres de samarskita procedents de la serra d’Ilmen (Urals), R. Hermann, en el 1847, descrivia encara un quart metall d’aquest grup, al que denominà “ilmeni”. Poc després, hom va descriure encara un altre metall, el “diani” (denominat així per la dea que havia estat ofesa per Níobe i que s’ho va pagar amb escreix).

Christian Wilhelm Blomstrand

Així per alguns autors, calia parlar dels “metalls del grup de tàntal”, entre els quals hom comptava, a més del tàntal i potser del columbi, el niobi, el pelopi, el diani i l’ilmeni. Generalment, però, hom identificava el columbi amb el niobi, i no tothom acceptava el diani com a element. D’altres arribaven a l’extrem de considerar que únicament el tàntal era un metall elemental. Christian Wilhelm Blomstrand postulà que únicament tenien caràcter elemental, el niobi i el tàntal, i que el pelopi, el diani i l’ilmeni eren realment barreges de niobi i tàntal. En aquest esquema, quedava reivindicada la idea que Hatchett i Ekeberg havien descrit, respectivament, el niobi i el tàntal com a elements diferents. Alhora, s’acceptava una continuïtat entre la columbita i la tantalita: en la primera predominava el niobi i en la segona el tàntal. A efectes pràctics, la continuïtat justificava parlar més aviat de “columbita-tantalita” (coltan). Marignac introduí en el 1866 una tècnica de separació de tàntal i niobi mitjançant la cristal•lització fraccional d’heptafluorotantalat de potassi.

Espectre del tàntal en la banda visible. La caracterització espectroscòpica del tàntal fou central en la delimitació d’aquest element dins del grup de metalls específics de la columbita-tantalita

Aquesta proposta ja la recull, per exemple, John Newlands en la taula d’elements químics basada en la llei de l’octau (1865). El tàntal (Ta) hi apareix amb el nombre 46 (adscrit al grup del bor) i el niobi (Nb) amb el nombre 48 (adscrit al grup del nitrogen).

En el 1866 aparegué a “Zeitschrift für analytische Chemie” una col•laboració amb el títol “Tantalsäure, Niobsäure, (Ilmensäure) und Titansäure”. L’afegit entre parèntesi de l’òxid d’ilmeni, es devia a un dels co-autors, Hermann, que es resistia a renunciar a l’element que havia anunciat gairebé vint anys abans. Ara bé, els estudis dels altres co-autors, Jean Charles Galissard de Marignac (1817-1894), Blomstrand, Henri-Étienne Saint-Claire Deville (1818-1881) i Louis Joseph Troost (1825-1911) indicaven la dualitat tàntal-niobi. Hermann mantingué la reivindicació de l’ilmeni fins el 1871. D’altra banda, la literatura nord-americana sostenia que el niobi havia de ser denominat columbi en reconeixement de la prioritat de Hatchett.

L’obtenció de tàntal metàl•lic en una quantitat suficient com per fer-ne l’estudi no havia estat possible fins aquells anys. En el 1864, Marignac havia reduït clorur de tàntal escalfant-lo en una atmosfera d’hidrogen. Tot i amb tot, la puresa era baixava, com mostrava la poca ductilitat del material. En qualsevol cas, hom aconseguí una determinació precisa del pes atòmic i de l’espectre d’absorció.

En la taula periòdica de Dmitri Mendeleev del 1869, el tàntal (Ta) és assenyalat amb un pes atòmic de 182 equivalents d’hidrogen. Apareix en el sisè període, compartint grup amb el vanadi (quart període) i el niobi (cinquè període).

En la taula del 1871, el tàntal (Ta = 182) apareix en el desè període, en el grup V, atenent en particular a l’estequiometria del seu òxid (Ta2O5).

En el 1902, Werner von Bolton (1868-1912), químic de la companyia Siemens & Halske, proposava l’ús de filaments de tàntal per a confegir una bombeta elèctrica incandescent. Superà la primera dificultat, la d’aconseguir tàntal de prou puresa i ductilitat com per fer-ne filaments. L’èxit de la proposta li valgué a Von Bolton la posició de director del nou Laboratori Central de Siemens & Halske. Eventualment, a partir del 1910, les bombetes de fil de tàntal serien desplaçades per les de fil de tungstè.

L’estandardització de la nomenclatura química va fixar definitivament la forma “tantalum” (tàntal) per damunt de l’original de “tantalium” (tantali), amb la qual havia oscil•lat des de mitjan segle XIX. Pel que fa a la derivació, la forma més consegüent seria de la de tantali, i fet aquesta és la més utilitzada en italià (“tantalio”) i en grec (“τανταλιο”). En català ha predominat la forma “tàntal” (que coincideix amb el nom de l’heroi, mentre que en llatí, no, Tantalus vs. tantalum): la majoria de llengües fan la derivació a partir de la forma “tantalum”.

El tàntal: isòtops i abundància

El tàntal és gairebé un element monoisotòpic, amb 181Ta com a únic isòtop natural (hi ha traces també de 180m1Ta). Per això com a massa atòmica estàndard s’assum la del 181Ta: 180,94788 uma. El llistat d’isòtops coneguts fa:
– tàntal-155 (155Ta; 154,97459 uma). Nucli format per 73 protons i 82 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 1,3•10-5 s.
– tàntal-156 (156Ta; 155,97230 uma). Nucli format per 73 protons i 83 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,144 s. Decau majoritàriament (95,8%) a hafni-156 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (4,2%), a hafni-155 (amb emissió d’un protó).
– tàntal-157 (157Ta; 156,96819 uma). Nucli format per 73 protons i 84 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 0,0101 s. Decau majoritàriament (91%) a luteci-153 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (9%), a hafni-157 (amb emissió d’un positró). Posseeix dos estats metastables, un a 22 keV (157m1Ta; que té una semivida de 0,0043 s) i un altre a 1593 keV (157m2Ta; que té una semivida de 0,0017 s, i que decau a luteci-153).
– tàntal-158 (158Ta; 157,96670 uma). Nucli format per 73 protons i 85 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,049 s. Decau majoritàriament (96%) a luteci-154 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (4%), a hafni-158 (amb emissió d’un positró). Posseeix un estat metastable (158mTa) a 141 keV, que té una semivida de 0,036 s, i que decau bé a l’estat basal o directament a hafni-158 o a luteci-154 (93%).
– tàntal-159 (159Ta; 158,963018 uma). Nucli format per 73 protons i 86 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,04 s. Decau majoritàriament (66%) a hafni-159 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (34%), a luteci-155 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Posseeix un estat metastable (159mTa) a 64 keV, que té una semivida de 0,514 s, i que decau a luteci-155 (56%) o a hafni-159 (44%).
– tàntal-160 (160Ta; 159,96149 uma). Nucli format per 73 protons i 87 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,70 s. Decau bé a luteci-156 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o bé a hafni-160 (amb emissió d’un positró). Posseeix un estat metastable (160mTa) a 310 keV, que té una semivida de 1,55 s, i que decau bé a hafni-160 (66%) o bé a luteci-156 (34%).
– tàntal-161 (161Ta; 160,95842 uma). Nucli format per 73 protons i 88 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3 s. Decau majoritàriament (95%) a hafni-161 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (5%), a luteci-157 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Posseeix un estat metastable (161mTa) a 50 keV, que té una semivida de 2,89 s.
– tàntal-162 (162Ta; 161,95729 uma). Nucli format per 73 protons i 89 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3,57 s. Decau normalment (99,92%) a hafni-162 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (0,073%), a luteci-158 (amb emissió d’un nucli d’heli-4).
– tàntal-163 (163Ta; 162,95433 uma). Nucli format per 73 protons i 90 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 10,6 s. Decau normalment (99,8%) a hafni-163 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (0,2%), a luteci-159 (amb emissió d’un nucli d’heli-4).
– tàntal-164 (164Ta; 163,95353 uma). Nucli format per 73 protons i 91 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 14,2 s. Decau a hafni-164, amb emissió d’un positró.
– tàntal-165 (165Ta; 164,950773 uma). Nucli format per 73 protons i 92 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 31,0 s. Decau a hafni-165, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (165mTa) a 60 keV.
– tàntal-166 (166Ta; 165,95051 uma). Nucli format per 73 protons i 93 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 34,4 s. Decau a hafni-166, amb emissió d’un positró.
– tàntal-167 (167Ta; 166,94809 uma). Nucli format per 73 protons i 94 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 79,8 s. Decau a hafni-167, amb emissió d’un positró.
– tàntal-168 (168Ta; 167,94809 uma). Nucli format per 73 protons i 95 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 120 s. Decau a hafni-168, amb emissió d’un positró.
– tàntal-169 (169Ta; 168,94601 uma). Nucli format per 73 protons i 96 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 290 s (5 minuts). Decau a hafni-169, amb emissió d’un positró.
– tàntal-170 (170Ta; 169,94618 uma). Nucli format per 73 protons i 97 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 406 s (7 minuts). Decau a hafni-170, amb emissió d’un positró.
– tàntal-171 (171Ta; 170,94448 uma). Nucli format per 73 protons i 98 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1400 s (23 minuts). Decau a hafni-181, amb emissió d’un positró.
– tàntal-172 (172Ta; 171,94490 uma). Nucli format per 73 protons i 99 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2210 s (37 minuts). Decau a hafni-172, amb emissió d’un positró.
– tàntal-173 (173Ta; 172,94375 uma). Nucli format per 73 protons i 100 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,13•104 s (3 hores). Decau a hafni-173, amb emissió d’un positró.
– tàntal-174 (174Ta; 173,94445 uma). Nucli format per 73 protons i 101 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4100 s (1 hora). Decau a hafni-174, amb emissió d’un positró.
– tàntal-175 (175Ta; 174,94374 uma). Nucli format per 73 protons i 103 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3,78•104 s (11 hores). Decau a hafni-175, amb emissió d’un positró.
– tàntal-176 (176Ta; 175,94486 uma). Nucli format per 73 protons i 103 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,91•104 s (8 hores). Decau a hafni-176, amb emissió d’un positró. Posseeix tres estats metastable, un a 103 keV (176m1Ta; que té una semivida de 0,0011 s, i que decau a l’estat basal), un altre a 1372,6 keV (176m2Ta; que té una semivida de 3,8•10-6 s) i un tercer a 2820 keV (176m3Ta; que té una semivida de 9,7•10-4 s).
– tàntal-177 (177Ta; 176,944472 uma). Nucli format per 73 protons i 104 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,036•105 s (57 hores). Decau a hafni-177, amb emissió d’un positró. Posseeix quatre estats metastables, un a 73,36 keV (177m1Ta; que té una semivida de 4,1•10-7 s), un segon a 186,15 keV (177m2Ta; que té una semivida de 3,62•10-6 s), un tercer a 1355,01 keV (177m3Ta; que té una semivida de 5,31•10-6 s) i un quart a 4656,3 keV (177m4Ta; que té una semivida de 1,33•10-4 s).
– tàntal-178 (178Ta; 177,945778 uma). Nucli format per 73 protons i 105 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 559 s (9 minuts). Decau a hafni-178, amb emissió d’un positró. Posseeix tres estats metastables, un a 100 keV (178m1Ta; que té una semivida de 8500 s, i que decau a hafni-178), un altre a 1570 keV (178m2Ta; que té una semivida de 0,059 s) i un tercer a 3000 keV (178m3Ta; que té una semivida de 0,29 s).
– tàntal-179 (179Ta; 178,9459295 uma). Nucli format per 73 protons i 106 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 5,74•107 s (2 anys). Decau a hafni-179, per captura electrònica. Posseeix sis estats metastables, un a 30,7 keV (179m1Ta; que té una semivida de 1,42•10-6 s), un segon a 520,23 keV (179m2Ta; que té una semivida de 3,35•10-7 s), un tercer a 1252,61 keV (179m3Ta; que té una semivida de 3,22•10-7 s), un quart a 1317,3 keV (179m4Ta; que té una semivida de 0,009 s, i que decau a l’estat basal), un cinquè a 1327,9 keV (179m5Ta; que té una semivida de 1,6•10-6 s) i un sisè a 2639,3 keV (179m6Ta; que té una semivida de 0,0541 s).
– tàntal-180 (180Ta; 179,9474648 uma). Nucli format per 73 protons i 107 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,935•104 s (8 hores). Decau majoritàriament (86%) a hafni-180 (per captura electrònica) o, alternativament (14%), a tungstè-180 (amb emissió d’un electró). Posseeix quatre estats metastables. El primer, a 77,1 keV, és 180m1Ta, que teòricament decau a l’estat basal, a hafni-180 o a tungstè-180. Ho faria, però, amb una semivida de 3,8•1022 s (cinc ordres de magnitud superior a l’edat actual de l’univers). De fet, 180m1Ta és l’únic isòmer nuclear observacionalment estable, i té una freqüència isotòpica de 0,012%. Els altres estats metastables són 180m2Ta (1452,4 keV; que té una semivida de 3,12•10-5 s), 180m3Ta (3679,0 keV; que té una semivida de 2•10-6 s) i 180m4Ta (4171 keV; que té una semivida de 1,7•10-5 s).
– tàntal-181 (181Ta; 180,9479958 uma). Nucli format per 73 protons i 108 neutrons. Teòricament, decau a luteci-177 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Ho fa, però, amb una semivida tan llarga que, a efectes observacionals, és un isòtop estable. La seva freqüència és de 99,998%. Posseeix quatre estats metastables, un a 6,238 keV (181m1Ta; que té una semivida de 6,05•10-6 s), un altre a 615,21 keV (181m2Ta; que té una semivida de 1,8•10-5 s), un tercer a 1485 keV (181m3Ta; que té una semivida de 2,5•10-5 s) i un quart a 2230 keV (181m4Ta; que té una semivida de 2,1•10-4 s).
– tàntal-182 (182Ta; 181,9501518 uma). Nucli format per 73 protons i 109 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 9,8868•106 s (114 dies). Decau a tungstè-182, amb emissió d’un electró. Posseeix dos estats metastables, un a 16,263 keV (182m1Ta; que té una semivida de 0,283 s, i que decau a l’estat basal) i un altre a 519,573 keV (182m2Ta; que té una semivida de 950,4 s).
– tàntal-183 (183Ta; 182,9513726 uma). Nucli format per 73 protons i 110 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4,4•105 s (5 dies). Decau a tungstè-183, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (183mTa) a 73,174 keV, que té una semivida de 1,07•10-7 s.
– tàntal-184 (184Ta; 183,954008 uma). Nucli format per 73 protons i 111 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3,1•104 s (9 hores). Decau a tungstè-184, amb emissió d’un electró.
– tàntal-185 (185Ta; 184,955559 uma). Nucli format per 73 protons i 112 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2960 s (49 minuts). Posseeix un estat metastable (185mTa) a 1308 keV, que té una semivida de poc més de 0,001 s.
– tàntal-186 (186Ta; 185,95855 uma). Nucli format per 73 protons i 113 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 630 s (11 minuts). Decau a tungstè-186, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (186mTa), que té una semivida de 92,4 s.
– tàntal-187 (187Ta). Nucli format per 73 protons i 114 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 100 s. Decau a tungstè-187, amb emissió d’un electró.
– tàntal-188 (188Ta; 187,96370 uma). Nucli format per 73 protons i 115 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 20 s. Decau a tungstè-188, amb emissió d’un electró.
– tàntal-189 (189Ta; 188,96583 uma). Nucli format per 73 protons i 116 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3 s.
– tàntal-190 (190Ta; 189,96923 uma). Nucli format per 73 protons i 117 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,3 s.

L’àtom neutre de tàntal conté 73 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d36s2. Això el situa com l’element de període 6 del grup 5 (el grup del vanadi i del niobi), dins del bloc d (metalls de transició). L’estat d’oxidació més habitual és +5, encara que també el podem trobar amb +4, +3, +2, 0 i -1 (descrit per primera vegada per Morse et al., 2008). El radi atòmic és de 1,46•10-10 m.

En el centre, peça monocristal•lina de tàntal metàl•lic (99,999%), envoltada de diverses altres peces monocristal•lines, així com un cub de 99,99% de puresa

En condicions estàndards de pressió i de temperatura, el tàntal es presenta com un sòlid metàl•lic de color gris blavós, dur (6,5 en l’escala de Mohs), dens (16690 kg•m-3) , molt fort, dúctil i bon conductor elèctric (resistivitat de 131 nΩ•m) i tèrmic (57,5 W•m-1•K-1). Existeixen dos al•lòtrops principals:
– alfa-tàntal (α-Ta). Cristal•litza en forma cúbica centrada en el cos. És la forma més dúctil i tova.
– beta-tàntal (β-Ta). Cristal•litza en sistema tetragonal. És una forma més dura i fràgil, amb un major resistivitat elèctrica. És una forma metastable i, en condicions estàndards de pressió, transiciona a α-Ta a 1050 K.

En condicions estàndards de pressió, el tàntal elemental fon a 3290 K, punt de fusió tan sols superat, entre els elements, a banda del carboni, per altres metalls refractaris (tungstè, reni, osmi)

Ja hem vist com Ekeberg remarcava ja la resistència de tàntal metàl•lic a la corrosió amb àcids. A temperatures inferiors a 323 K, és gairebé immune a l’aigua règia. No obstant, és soluble en solucions d’àcid fluorhídric, així com en solucions bàsiques de KOH.

Entre els compostos de tàntal podem esmentar:
– òxids: L’òxid de tàntal (V) (Ta2O5) és l’òxid més estable. També hi ha l’òxid de tàntal (IV) (TaO2).
– tantalats: com el tantalat de liti (LiTaO3) o el tantalat de lantà (LaTaO4).
– halurs: TaF5 (sòlid blanc, amb un punt de fusió de 374 K), TaCl5 (sòlid blanc, amb un punt de fusió de 520,6 K), TaCl4 (sòlid negre, altament higroscòpic).
– aluminiürs: TaAl3, Ta3Al
– carbur: TaC (sòlid de gran duresa).
– tel•luriür: l’aliatge de tàntal-tel•luri forma quasicristalls.
A- nitrur: TaN

L’abundància atòmica del tàntal en l’univers depèn dels processos de nucleosíntesi de supernoves i grans estels, i de l’estabilitat dels seus isòtops. Com correspon a un element de Z el tàntal tan sols presenta com a formes prou estables l’isòmer 180m1Ta i l’isòtop 181Ta. Això juga en contra de l’abundor. Dels elements més lleugers, tan sols dos elements sense isòtops estables, com són el tecneci i el prometi són menys abundants que el tàntal. Dels elements més pesants, són uns quants els que superen en abundància atòmica el tàntal: tungstè, reni, osmi, iridi, platí, or, mercuri, tal•li, plom, bismut i tori.

En el planeta Terra, l’abundància global de tàntal és de 0,03 ppm en termes de massa (0,004 ppm en termes atòmics). Com a element litòfil, és molt més concentrat a l’escorça terra, on arriba a 2 ppm en termes de massa. Entre els minerals que contenen tàntal destaca la columbita-tantalita (que hom anomena columbita si el niobi és més abundant que el tàntal, i tantalita en el cas contrari). També podem esmentar la microlita ((Na,Ca)2Ta2O6(O,OH,F)), la wodginita (Mn2+(Sn,Ta)Ta2O8), l’euxenita ((Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)2O6), la policrasa ((Y,Ca,Ce,U,Th)(Ti,Nb,Ta)2O6), la samarskita o la fergusonita. El tàntal apareix, doncs, associat sovint al niobi i al titani i, no poques vegades, amb elements de terres rares.

La concentració de tàntal en l’oceà és de 2 μg•m-3.

En l’atmosfera, el tàntal és present de manera transitòria en forma de traça.

El tàntal, pel que se sap, no és un bioelement per a cap organisme. Hom calcula que un individu humà de 70 kg, pot haver un contingut total de 0,2 mg de tàntal. Considerat un metall biocompatible és utilitzat en implants mèdics. En general, el tàntal metàl•lic i els compostos de tàntal són considerats poc tòxics. Oppenheimer et al. (1956) mostraren com l’administració de tàntal a rates podia induir sarcomes locals, però la manca d’altres evidència, fa que el tàntal no sigui comptat entre els carcinògens.

El coltan i els condensadors: l’economia del tàntal

Evolució de la producció mundial de tàntal en les darreres dècades. Els anys 1990 i 2000 conegueren una expansió estroncada per la caiguda de la demanda com a conseqüència de la Gran Recessió iniciada en el 2008

Malgrat les oscil•lacions de la demanda i, a més llarg termini malgrat els canvis tecnològics, és previsible que el tàntal continuï present com un recurs estratègic, motor de conflictivitat regional i global. Certament, el cas més clar s’escaigué a la Gran Guerra Congolesa del 1998-2003. Un report de Nacions Unides del 2003 ja feia un resum del rol que l’explotació il•legal de recursos naturals tingué en aquella paorosa guerra. Tot i que la producció congolesa de columbita-tantalita, el coltan, el mineral que és matèria primera de tàntal (i de niobi), no suposés un part quantitativament rellevant de la producció mundial de tàntal, aquest recurs cridà poderosament l’opinió pública africana i mundial. Al capdavall, el coltan explotat al Congo era tramès a l’exterior, processat per obtindre tàntal i vehiculat a la producció de dispositius electrònics (on els condensadors de tàntal són gairebé generals). El Congo potser pesava poc en la indústria del tàntal, però el coltan esdevenia un recurs estratègic per aconseguir les divises amb les quals comprar armes. L’explotació del coltan, alhora, demanava el control de les zones més riques, suposava difondre més el conflicte, elevar encara més les violacions de drets humans i la destrucció d’hàbitats naturals.

Peça de ferrocolumbita-magnanotantalita

La mineria del coltan, doncs, fou un motor del conflicte d’Ituri. Però la qüestió del coltan i de la mineria en general al Congo continua oberta. Si l’explotació de mà d’obra agrícola fou el motor inicial de la depredació imperialista belga, els recursos miners han impactat, particularment des de mitjan segle XX, els destins d’aquestes contrades. No és pas un tòpic dir que el Congo-Kinshasha és el territori estatal més ric del món quant a recursos minerals.

El riu Epulu és un dels cursos fluvials dels boscos humits d’Ituri. La generalització de la telefonia mòbil en el tombant de segle suposà un fort augment en la demanda de tàntal, i la mineria de coltan a Ituri esdevingué una font de finançament per als diferents grups implicats en la Segona Guerra Congolesa

El Congo és el principal productor de mineral de cobalt. Com ja s’ha dit, no és pas el principal productor de coltan. Amb fluctuacions, el coltan congolès suposa l’1%-10% de la producció global. Ara bé, hom calcula que el 70% dels recursos accessibles de coltan són en territori de Congo-Kinshasha. El percentatge és encara més elevat si comptem altres regions de l’Àfrica Central i Oriental. Amb el ritme actual de consum (765 tones anuals de producció de tàntal), les reserves accessibles s’esgotarien en 50 anys. Val a dir que aquest càlcul no és gens fàcil, ja que hom podria accedir a noves reserves i a la incertesa associada a les aplicacions electròniques del tàntal i del niobi.

La producció mundial de mineral de tàntal es concentra a Austràlia, on Global Advanced Metals explota Greenbushes (Austràlia Sud-Occidental) i Wodgina (Pilbara). També hem de comptar amb la producció sud-americana (Brasil) i nord-americana (Canadà), així com l’asiàtica (Xina). La producció minera és altament sensible a la demanda industrial de tàntal. A banda del coltan, que és el miner+al de tàntal més explotat, cal no oblidar altres fonts: microlita, wodginia, euxenita, policrasa. A Tailàndia i Malàisia, el tàntal apareix com a subproducte de minerals d’estany (cassiterita).

La tantalita i altres minerals de tàntal són esmicolats i concentrats per decantació, en uns processos que solen fer-se en instal•lacions de la pròpia mina o properes. El procés hidrometal•lúrgic ulterior ja es fa sovint en plantes separades. Les matèria minerals són dissoltes en àcid fluorhídric o en àcid sulfúric. En el primer cas, el Ta2O5 és transformat a H2[TaF7]. El fluorur es pot extraure amb l’ús de solvents orgànics (ciclohexanona, metil-isobutil-cetona), amb un ajustament ulterior de pH. Aquesta fase permet la separació de bona part d’altres metalls (ferro, manganès, titani, zirconi), però no pas la del niobi. Calen, doncs, processos ulteriors de purificació (cristal•lització fraccional) que separin el tàntal (en forma d’òxid o de fluorur) del niobi. En termes generals, el niobi és subproducte de la producció de tàntal, ja que aquest metall i els seus compostos tenen una demanda quantitativa superior.

El tàntal metàl•lic s’assoleix sovint a partir de l’heptafluorotantalat de potassi (K2[TaF7]), que és reduït amb sodi en sal fosa a 1100 K. Preferentment, hom produeix α-Ta, però diverses tècnics poden donar lloc a pel•lícules fines de β-Ta.

Recentment, va obrir la primera refineria de tàntal que emprava el procés FFC Cambridge (desenvolupat per Derek Fray, Tom Farthing i George Chen a la Universitat de Cambridge en 1997), amb capacitat per fornir el 3-4% de la demanda global de tàntal metàl•lic. Aquest procés electrolític pot emprar com a matèria primera òxid de tàntal en pols. Com a càtode s’empra òxid metàl•lic en pols, i com a ànode carboni.

Les aplicacions metal•lúrgiques del tàntal són limitades, ja que cal operar en atmosfera inert (argó, heli) per evitar que el tàntal reaccioni amb els gasos atmosfèrics (no tan sols l’oxigen, sinó també el nitrogen). A més, el tàntal no és soldable. No obstant, el tàntal és emprat per augmentar el punt de fusió, la força i la ductilitat de diversos aliatges, que trobem en motors aeronàutics, equipaments de la indústria química (és resistent a la corrosió àcida i alcalina), reactors nuclears, forns de buit, míssils, etc. Filaments de tàntal són utilitzats en l’evaporació de metalls com l’alumini. Hem esmentat, també, com la seva biocompatibilitat fa possible l’ús de tàntal en instruments quirúrgics i en implants ortopèdics. Cohen et al. (2006) revisaren l’aplicació de tàntal porós (70-80%) en artroplàstia total de maluc, ja que el metall pot unir-se directament als teixits durs.

Condensador electrolític de tàntal

La principal aplicació del tàntal és la producció de components electrònics (condensadors, resistències d’alta potència), pels quals la matèria primera és la pols de tàntal metàl•lic. En el cas dels condensadors electrolítics de tàntal, la pols de tàntal és compactada en forma de placa. Exposada a l’aire una de les cares, s’hi forma una capa superficial d’òxid (que, alhora, evita l’oxidació ulterior). D’aquesta manera, l’òxid de tàntal actual de material dielèctric. Els condensadors de tàntal ofereixen una elevada relació capacitància/volum. És aquesta la raó per la qual substituïren altres condensadors (com els condensadors d’alumini) en la fabricació de telèfons mòbils, computadors portàtils o en l’electrònica de vehicles.

La irradiació de tàntal amb corrents de protons generades en acceleradors de partícules és utilitzada en la generació d’isòtops inestables, com el liti-8, el rubidi-80 o l’iterbi-160.

La irradiació de tàntal amb corrents de neutrons ha estat explorada teòricament per a armament nuclear. Una coberta de tàntal (tàntal-181) d’un arma nuclear rebria un flux neutrònic, amb la generació de tàntal-182 que, amb una semivida de 114 dies, i una forta emissió de raigs gamma, allargaria les emissions radioactives associades a l’explosió durant mesos. Aquesta idea, estudiada sobretot amb el cobalt, no ha estat posada a la pràctica en la fabricació de caps nuclears.

El Ta2O5 és la matèria primera d’altres compostos de tàntal. Per exemple, dissolt en solucions alcalines amb altres òxids metàl•lics pot donar lloc a LiTaO3 o LaTaO4.

Podem esmentar diverses aplicacions de compostos de tàntal:
– el carbur de tàntal (TaC) és emprat en ganivets ceràmics, per bé que no tant com el carbur de tungstè (WC). Encara de major duresa són algunes combinacions de TaC-grafit.
– el nitrur de tàntal (TaN) és utilitzat com a capa aïllant en processos de fabricació microelectrònica.
– hom investiga l’aplicació d’aluminiürs de tàntal (TaCl3, Ta3Al) com a revestiments per a la confecció de miralls d’infraroig.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: