Tantale

Le tantale, élément atomique n°73 de symbole Ta : histoire, géologie et minéralogie, isotopes, production et raffinage, applications et propriétés.

Histoire du tantale

À l’époque de sa découverte, les chercheurs ont confondu le tantale avec le niobium et les ont pris pour un seul et même élément.

En 1801, Charles Hatchett, un chimiste anglais, a découvert un nouveau métal après avoir analysé un minéral noir, qui provenait de la collection personnelle du gouverneur de Columbia (le Connecticut d’aujourd’hui). Il a nommé le nouveau métal « columbium ».

En 1802, Anders Gustaf Ekeberg mena des études sur un oxyde difficile à dissoudre et à travailler. Il réussit à en tirer un élément qu’il croyait pur et le nomma tantale en l’honneur de Tántalos, un demi-dieu grec célèbre pour son supplice.

En 1809, William Hyde Wollaston a effectué un nouvel examen du minerai de columbium et la tantalite. Il a alors conclu que c’étaient en réalité deux éléments identiques.

Ce n’est qu’en 1820 que Jöns Jacob Berzelius a réussi à isoler le tantale. 24 ans plus tard, Heinrich Rose a distingué deux éléments distincts dans la tantalite. En effet, en plus du tantale, il a découvert un  nouvel élément chimique, qu’il a nommé niobium, tiré du nom de la fille de Tantale, Niobé. Les travaux ultérieurs ont très vite conclu que columbium et niobium ne formaient qu’un seul et unique élément chimique. Quant au nom à utiliser, le premier a finalement été abandonné au profit du second.

Au début des années 1900, on a tout d’abord utilisé le tantale pour les filaments à incandescence des ampoules. Par la suite, il a été remplacé par le tungstène. Ce n’est qu’à partir de 1940 qu’on le retrouve dans la fabrication des condensateurs.

Géologie et minéralogie

Dans la nature, le tantale ne représente que 2 ppm environ de la masse de la couche superficielle du globe terrestre. Il est surtout abondant dans les filons hydrothermaux. Ces zones sont des endroits où les éléments contenus dans l’eau se minéralisent au contact d’une source importante de chaleur provenant d’une poche de magma souterraine. Elles se retrouvent généralement dans les endroits proches d’une faille tectonique et dans les régions volcaniques.

Les filons hydrothermaux renferment beaucoup de métaux lourds pour ne citer que l’or, le cobalt, le tantale et le niobium. Du fait de l’érosion, ils sont emportés pour se retrouver dans le lit d’un cours d’eau. Ils se déposent alors dans les parties où le courant est le plus faible comme les marmites et les méandres. Le cas échéant, ces zones riches en éléments lourds vont former des veines et par la suite ensevelies. Cela explique la présence de colombo-tantalite dans les roches sédimentaires et les roches métamorphiques.

Le coltan ou columbo tantalite est le principal minerai qui contient du tantale en proportion notable. Il provient de l’association de la colombite et de la tantalite dans des proportions et compositions variables. La tantalite englobe la série entre la tantalite-(Fe) et la tantalite-(Mn), avec comme composition générique (Fe,Mn)Ta₂O₆. Pour rappel, les minéraux spécifiques formés de tantale comme le tantalcarbide, un carbure de formule TaC, sont rares.

Production et raffinage

L’extraction du tantale passe par plusieurs étapes. La première consiste à concasser les minerais et à les concentrer par gravimétrie, à proximité du site d’extraction. Puis, vient la séparation du tantale et du niobium par un traitement avec de l’acide fluorhydrique et l’acide sulfurique à une température supérieure à 90 °C. Les deux éléments chimiques se dissolvent en fluorures complexes et se dissocient des impuretés insolubles suivant les réactions chimiques suivantes :

Ta₂O₅ + 14 HF → 2 H₂[TaF₇] + 5 H₂O

Nb₂O₅ + 10 HF → 2 H₂[NbOF₅] + 3 H₂O

Jean Charles Galissard de Marignac fut le premier à mettre au point le procédé de séparation à l’échelle industrielle. Il repose sur la différence de solubilité du niobium et du fluorure de tantale complexe (K2 [NbOF5] • H2O et [K2 TaF7]) dans l’eau.

Un autre procédé basé sur l’extraction liquide-liquide a été développé plus tard. Les fluorures sont extraits d’une solution aqueuse en utilisant un solvant organique comme la cyclohexanone. Puis, les deux éléments sont séparés du solvant avec de l’eau. Ensuite, ils sont précipités en ajoutant de l’ammoniaque ou du fluorure de potassium :

2 H₂[TaF₇] + 14 NH₄OH → Ta₂O₅↓ + 14 NH₄F + 9 H₂O

H₂[TaF₇] + 2 KF → K₂[TaF₇]↓ + 2 HF

Il en résulte du sel fluorotantalate de potassium qu’on réduit au sodium liquide pour obtenir finalement de la poudre de tantale secondaire.

Applications et propriétés

La première utilisation du tantale remonte au début du 20^ème siècle. Il a été utilisé pour fabriquer du filament à incandescence pour les ampoules jusqu’à son remplacement par le tungstène. Vers 1940, il entre dans la construction de condensateurs.

Électronique

Le principal domaine d’application du tantale est l’électronique avec une utilisation des 68 % de la production annuelle, essentiellement dans la fabrication de condensateurs. Dans ces derniers, le tantale peut être pur (conducteur électrique) ou sous forme de pentoxyde ou Ta₂O₅, (diélectrique).

On distingue trois types de condensateurs au tantale :

• Condensateurs en plaque : peu fréquents, ils sont réservés aux domaines où la tension électrique est élevée.
• Condensateurs électrolytiques secs : ils sont destinés à la fabrication de divers appareils électroniques comme les smartphones, les ordinateurs portables, les consoles de jeux, etc. Ils présentent l’avantage de rester performants même en étant miniaturisés (CMS).
• Condensateurs électrolytiques humides : dont la performance dépassent celle des condensateurs électrolytiques secs et ils sont utilisés en technologie de pointe (aérospatiale, armement, etc.). Toutefois, leur utilisation est restreinte due à leur coût de production jugé trop élevé.

Les autres applications du tantale dans le domaine de l’électronique comprennent les écrans à cristaux liquides et les DRAM ou puces de mémoire vive dynamique, etc.

Par ailleurs, le secteur de l’automobile a de plus en plus recours à l’utilisation du tantale dans les systèmes électroniques des véhicules modernes : anticollision, GPS et autres gadgets. Cette course à la technologie a débuté en 2010 et ne cesse de continuer. Cela augure une hausse importante de la consommation de tantale dans ce secteur dans les décennies à venir.

Industrie chimique

Grâce à sa résistance à la corrosion des acides et à des températures élevées, l’emploi du tantale est répandu dans l’industrie chimique. Ainsi, il entre dans la fabrication de revêtement pour les tuyaux et les réacteurs chimiques. Il s’avère aussi essentiel dans les applications qui sont en contact avec l’acide sulfurique. Cependant, les échangeurs de chaleur restent sa principale utilisation dans ce secteur. À des températures qui n’excèdent pas les 150 °C, cet élément chimique ne craint aucune attaque chimique acide. Seuls l’acide fluorhydrique, les solutions acides aux ions fluorures et l’eau régale peuvent l’éroder.

Superalliages

Le tantale joue aussi le rôle d’additif dans l’élaboration de divers superalliages, particulièrement dans le secteur de l’aéronautique civile. Ces alliages de très haute performance sont utilisés dans les milieux où les exigences thermiques et/ou chimiques sont extrêmement élevées. Par exemple, ils servent à fabriquer les aubes de turbine à combustion et celles des réacteurs d’avion. Les superalliages se présentent en monocristal qui leur confère d’excellents comportements face au fluage, à la corrosion des acides et à la température.

Autres applications

Biocompatible, le tantale est présent sous diverses formes dans le domaine de la médecine. La production de prothèses, d’implants dentaires et de pacemakers fait partie de ses nombreuses utilisations. Il intervient aussi dans la fabrication de différents instruments et outils chirurgicaux.

Avec ses 1 700 HV de dureté et sous forme de carbure (TaC), le tantale est le parfait matériau pour réaliser des outils de coupe. L’acier au tantale est un composant essentiel dans la réalisation des fraises dentaires.

Le tantalate de lithium (LiTaO₃₎ trouve aussi une application dans le domaine de l’optique. En tant qu’additif dans la fabrication de lentilles, il permet de modérer l’aberration chromatique. En effet, son oxyde possède un important indice de réfraction. Sous forme de nanocouche, il confère aux optiques des propriétés antireflets ou leur donne une autre couleur.

L’horlogerie et l’audio sont deux autres domaines d’application du tantale. Les industriels s’en servent comme élément d’alliage avec des métaux précieux pour favoriser le décolletage. Le célèbre fabricant de haut-parleurs Tannoy a recours à cet élément chimique pour ses redresseurs électrolytiques. Les horlogers l’utilisent comme un filtre pour les rayons X.

Précautions

Dans le domaine médical, le tantale est utilisé pour la structure ou le revêtement des implants médicaux. En raison de sa biocompatibilité, il ne présente pas de risque de sécurité. En revanche, il faut porter une attention particulière aux éléments d’alliage utilisés avec le tantale comme le mercure et l’étain.