Tantale (chimie)

Exemple de lingot de tantale.

Le tantale et le niobium (ex-colombium) ont initialement été pris pour un même élément[13].

• En 1801, un nouveau métal fut découvert par le chimiste anglais Charles Hatchett[14] (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.
• En 1802, Anders Gustaf Ekeberg (1767-1813) professeur à l’université d'Uppsala (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.
• En 1809, William Hyde Wollaston après avoir réexaminé le minerai de colombium et la tantalite déclara que les deux nouveaux éléments n’en étaient en fait qu’un seul.
• En 1820, le tantale a été isolé par Jöns Jacob Berzelius.
• En 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[15] 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.

Minerai de tantale (tantalite) en provenance d'Australie.

La proportion de tantale est estimée à environ 1 ou 2 ppm[16] de la masse de la croûte 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 métaux lourds comme l’or, l’argent, l’uranium, le cobalt, le tungstène et bien sûr le tantale et 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.

Le tantale forme très peu de minéraux spécifiques, et n'est en proportion notable que dans assez peu d'autres minéraux. Le principal minerai est le coltan (ou columbotantalite), association en proportions variables de columbite et de tantalite, deux minéraux eux-mêmes de composition variable. Le terme de tantalite recouvre la série continue entre la tantalite-(Fe) et la tantalite-(Mn), de composition générique (Fe,Mn)Ta₂O₆. Parmi les minéraux spécifiques, on peut citer le tantalcarbide, carbure de composition TaC.

Le tantale possède 36 isotopes connus, de nombre de masse variant entre 155 et 188, ainsi que 37 isomères nucléaires. Parmi ces isotopes, seul un est stable : ¹⁸¹Ta, et, chose unique, un isomère nucléaire : ^180mTa, l'est également. Ce dernier est en principe un état métastable, mais aucune désintégration n'ayant jamais été observée, il est pour l'instant considéré comme stable. ¹⁸¹Ta (99,998 %) et ^180mTa (0,012 %) représentent la totalité du tantale naturellement présent. On lui attribue une masse atomique standard de 180,947 88(2) u[17].

La production du tantale en 2015.

Comme tous les minerais, le tantale est une ressource non renouvelable. La production annuelle est en 2019 de l'ordre de 1 800 tonnes[18].

• La majorité du tantale (58 %) provient des mines. Il peut venir soit de mines industrielles à ciel ouvert, comme le gisement de Greenbushes de la «Sons of Gwalia» en Australie[19], 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 République démocratique du Congo. La région la plus exploitée de la RDC 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 a fait des stocks impressionnants, officiellement pour encourager la prospection et la production minière. En 2001, les États-Unis décident de réduire leurs réserves et de vendre pour 91,3 M$ de colombo-tantalite[20].

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-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[21]:

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[22].

Les composés à base de tantale se rencontrent rarement dans les laboratoires. Le métal est biocompatible et est utilisé dans les implants médicaux sous forme de structure ou de revêtement. L'attention liée à la sécurité peut donc se porter sur des éléments d’alliage présent avec le tantale (mercure, étain, etc.) ou sur la nature physique du composé chimique (poudre).