joomla

22:25, 20th June 2018
Июнь 2018
ВПВСЧПС
12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930
free templates joomla

Элементы ниобий и тантал и их минералогия

    В 1801 году английский химик Ч. Гатчет обнаружил оксид ранее неизвестного элемента в черном тяжелом минерале, присланном в Британский музей из Коннектикута. Он назвал новый элемент по месту его находки колумбием, а минерал – колумбитом. В 1802 году шведский химик А.Г. Экеберг выделил из колумбита оксид еще одного нового элемента, названного им танталом. Сходство между этими элементами оказалось столь велико, что более 40 лет не было единого мнения – одно и то же это вещество, или же разные. В 1844 году немецкий химик Генрих Розе,  изучая колумбит из Баварии, установил, что в нем содержатся два близких по свойствам, но всё же разных элемента. Один из них он отождествил с танталом, а второму дал название ниобий. Термины «ниобий» и «колумбий» равноправно существовали в европейской и американской литературе.Металлический ниобий был получен в 1866 году, а чистый тантал – в 1903 году.

   Применение: Ниобий – важная легирующая добавка к сталям (феррониобий) и цветным металлам. Ниобий и его сплавы используются для изготовления деталей летательных аппаратов. Интерметаллиды ниобия – широко применяемые сверхпроводники. Ниобий (температура плавления 2648ºC) используется для изготовления арматуры, труб и контейнеров для жидких металлов. Тантал имеет еще более высокую температуру плавления (2980ºC) и крайне высокую сопротивляемость коррозии, поэтому широко применяется в жаро- и коррозионно-устойчивых сплавах, кислотоупорной посуде, тиглях (в том числе в металлургии REE) и др. Тантал – лучший материал для электролитических конденсаторов высокой удельной емкости.

   Тантал полностью инертен к жидкостям человеческого организма и поэтому является идеальным хирургическим материалом, из него изготовляют протезы костей, материалы для внутренних швов, для соединения тканей, нервов и пр.Тантал среди всех металлов наиболее устойчив к перегретым парам цезия, и потому используется (в т.ч. в сплавах с ниобием) в теплообменниках ядерно-энергетических систем. Смеси карбидов вольфрама и тантала – твердые сплавы, применяющиеся в самых тяжелых условиях обработки металлов, камня, композитных материалов. Использование ниобия и его сплавов с танталом во многих случаях позволяет заменить тантал, что экономически очень эффективно, т.к. Nb намного дешевле и почти вдвое легче, чем Ta. В природе известно 90 собственных минералов ниобия и 47 – тантала. При том, что  кларки этих элементов отличаются на порядок, по числу собственных минеральных видов Nb и Ta различаются всего лишь вдвое, и уже даже одно это показывает, что степень рассеяния тантала в минералах ниобия (и других элементов) далеко не такая значительная, как, например, у гафния (1 собственный минерал) по отношению к цирконию (104 собственных минерала).

    Минералогия ниобия и минералогия тантала имеют как ряд общих черт, так и существенные различия. Важное сходство заключается в том, что Nb и Ta – единственные среди литофильных редких элементов, для которых главной формой концентрации в природе является оксидная. Среди их минералов оксиды преобладают как по массе, так и по числу. Это особенно ярко проявлено у тантала, 43 из 47 его минеральных видов – оксиды (танталаты), и к ним относятся все его сколь-либо распространенные минералы,  а прочие (силикат, борат, карбид и интерметаллид) весьма редки. Для ниобия доля оксидов (ниобатов) меньше – 47 из 90 минералов, но они также существенно более распространены, чем представители прочих химических классов, среди которых больше всего силикатов (32 вида), затем идут силикооксиды (5), сульфиды, фосфаты (по 2), борат и карбид (по 1).

   Ниобиевые минералы пяти последних классов редки и не играют сколь-либо значимой роли в геохимии этого элемента, тогда как силикаты могут выступать его значимыми концентраторами в агпаитовых щелочных породах (в первую очередь это, правда, относится не к собственным силикатам Nb, а к тем, где он является примесным компонентом: эвдиалит, ловозерит, астрофиллит, титанит, ринкит, лампрофиллит и др.).Таким образом, в минералогии ниобия выделяется, наряду с оксидной, геохимически значимая силикатная ветвь, в то время как минералогия тантала – это практически только минералогия оксидов.

   Главным элементом, с которым тантал изоморфен, и в чьих минералах

   он рассеивается, является, конечно, ниобий: роль природных соединений других элементов, где бы избирательно концентрировался тантал (Ta > Nb), незначительна. Среди них можно отметить силикаты ряда дюмортьерит–холтит (селективное вхождение Ta в одну из позиций Al) и некоторые минералы Sn4+ (например, в касситерите нередко Ta > Nb), Ti4+ (изредка в рутиле примесный Ta преобладает над Nb). В эвдиалите из Посус ди Калдас (Минас Жерайс, Бразилия) Ta входит в позицию Fe, и при этом в минерале Ta >> Nb. Собственные оксиды Ta и Nb, развитые в природе, известны под собирательным названием тантало-ниобаты, и этот термин не только отражает высокие силовые характеристики Nb5+ и Ta5+, но также показывает изоморфизм между этими элементами в таких минералах и количественное преобладание Nb над Ta в природе.

   По сравнению с танталом, у ниобия набор элементов, с которымион входит в изоморфные отношения в минералах, существенно шире. Помимо тантала (минералы с Nb > Ta распространены шире, но и минералы с Ta > Nb не являются редкостью), для него важнейшим «напарником» является титан. В минералогии ниобия отчетливо выделяются «танталовая» и «титановая» ветви. Сопоставимые количества Ta и Ti в ниобиевых

   минералах – редкость: такие минералы малочисленны (по сути, это только богатые танталом члены серий эшинита и бетафита) и распространены незначительно. Обычно, если минерал ниобия обогащен титаном (или минерал титана – ниобием), то тантала в нем мало, и, наоборот, танталаты и богатые танталом ниобаты обеднены титаном. Таким образом, среди природных оксидов распространены тантало-ниобаты, ниобо-танталаты, титано-ниобаты, ниобо-титанаты, тогда как титано-танталаты и тантало-титанаты редки.

   Собственные минералы тантала связаны практически только с гранитными пегматитами редкометального и редкометально-самоцветного типов. В процессе эволюции этих систем осуществляется накопление тантала относительно ниобия: от ранних генераций тантало-ниобатов к поздним в целом происходит рост Ta/Nb-отношения (это характерно и для гранитных пегматитов других типов, в частности, топаз-берилловых, но эволюция в них нечасто доходит до появления минералов с Ta > Nb). В некоторых пегматитах редкометального (литий-цезий-танталового) типа тантала настолько много, что развиты только танталаты, а ниобатов нет (например, некоторые пегматитовые тела Вороньих тундр на Кольском полуострове), в большинстве же случаев ранние генерации Nb,Ta-оксидов представлены минералами с Nb > Ta, а поздние – с Ta > Nb. Главные минералы тантала здесь – манганотанталит и микролит, второстепенную роль могут играть воджинит, иксиолит, ферротапиолит, стибиотанталит, ферротанталит, прочие же минералы Ta более редки.

   Типичные минералы, ассоциирующие с танталатами: кварц, альбит, микроклин, мусковит, лепидолит, берилл, эльбаит, сподумен, поллуцит, спессартин, апатит, Li-фосфаты, касситерит. Вместе с Ta в этих системах накапливаются Mn (относительно Fe), Hf (относительно Zr), Rb (относительно K), Cs, Li, Sn.

   С формацией редкометальных пегматитов связаны не очень крупные, но подчас ураганно богатые месторождения тантала, которые активно разрабатываются во многих регионах мира (Мозамбик, Бразилия, Австралия, Китай и др.). Высокая стоимость тантала обусловливает эффективность ручной рудоразборки пегматитового материала с целью извлечения ниобо-танталатов, в первую очередь крупных выделений колумбита-танталита («колтана») и микролита.

   Минералы группы колумбита стехиометричны, содержания примесных компонентов в них как правило невысоки. Из сколь-либо значимых примесей могут присутствовать Ti, W6+ и Fe3+; схемы замещения: (Nb,Ta)5+ + (Fe,Mn)2+ → Ti4+ + Fe3+ и 2(Nb,Ta)5+  → Ti4+ + W6+. Ниобиевые члены группы называются колумбитами, танталовые – танталитами, видовое же название дается по преобладающему A-катиону: ферроколумбит = колумбит-(Fe), ферротанталит = танталит-(Fe), манганоколумбит = колумбит-(Mn), манганотанталит = танталит-(Mn), магнезиоколумбит = колумбит-(Mg), магнезиотанталит = танталит-(Mg).

 

 

   Рис.1. Кристалл ферроколумбита в альбите, ширина поля 2 см, пегматит Амазонитовый, Кукурт, Восточный Памир Фото: М.А. Миракова. 2018г.

 

 

   

   Рис.2. Кристаллы манганоколумбита в альбите, ширина поля 1,5 см, пегматит Амазонитовый, Кукурт, Восточный Памир Фото: М.А. Миракова. 2018г.

 

 

А

 

Б

   Рис.3. Пластинчатое зерно колумбита-танталита в мусковит-альбитовом агрегате. а – изображение в режиме BSE. б – отраженный свет при одном николе. Прозрачно полированный шлиф. Намангутское пегматитовое поле. (Юго-Западный Памир). Фото. Л.А. Паутова. 2017г.

 

   

   Рис.4. Таблитчатое зерно колумбита-танталита. Изображение в режиме BSE и в отраженном свете при одном николе. Прозрачно-полированный шлиф. Намангут, Юго-Западный Памир. Фото. Л.А.Паутова. 2017г.

   Колумбиты и танталиты образуют призматические, таблитчатые, пластинчатые, игольчатые кристаллы, часто сдвойникованные. В размерах они могут достигать первых десятков сантиметров (в пегматитах); известны почти мономинеральные скопления этих минералов, по массе приближающиеся к тонне. Как правило эти минералы черные с металловидным блеском, но с повышением величины Mn:Fe-отношения у них появляется красноватый оттенок, а самые высокомарганцовистые разновидности колумбита и особенно танталита (не содержащие Fe3+) могут быть красными, оранжево- или коричнево-красными, прозрачными, с алмазным блеском. Для редкометальных и редкометально-самоцветных гранитных пегматитов достаточно характерны специфические ниобо-танталаты трехвалентных сурьмы и висмута – ромбические минералы группы стибиотанталита, образующие непрерывную систему твердых растворов стибиотанталит SbTaO4, стибиоколумбит SbNbO4, висмутоколумбит BiNbO4,  висмутотанталит BiTaO4.

                                                                             М.А.Мираков

Институт геологии, сейсмостойкого строительства и сейсмологии, mirakov.bobish@mail.ru