탄탈럼
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1. 개요
탄탈럼은 어두운 청회색을 띠는 전이 금속으로, 1802년 스웨덴의 안데르스 구스타프 에케베리가 발견했다. 전기 회로 부품, 특히 축전기 제조에 주로 사용되며, 의료용 임플란트, 초경합금 공구, 우주선 부품 등에도 활용된다. 탄탈럼은 높은 녹는점, 내식성, 생체 적합성 등의 특성을 가지며, 주로 탄탈라이트 광석에서 추출하거나 주석 제련 과정의 부산물에서 얻는다. 2000년대 이후 콩고 민주 공화국 등 아프리카 국가가 주요 생산지이며, 대한민국에서는 전자 부품 등 산업적 용도로 수입하여 사용한다.
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- 탄탈럼 - 탄탈럼 동위 원소
탄탈럼 동위 원소는 원자 번호 73번 탄탈럼 원소의 동위원소들을 지칭하며, 안정 동위 원소 탄탈럼-180m, 탄탈럼-181과 여러 방사성 동위 원소로 구성되어 의료, 산업, 연구 분야에서 활용되고, 특히 탄탈럼-181은 생체 적합성 및 내식성으로 산업 및 의료 기기 소재로 쓰인다. - 가상 인물의 이름이 포함된 화학 원소 - 토륨
토륨은 은백색의 방사성 악티늄족 금속 원소로, 높은 녹는점과 끓는점을 가지며 지구 지각에 풍부하게 존재하고 핵연료로서의 잠재력을 지니지만, 방사능으로 인해 사용이 감소하고 있다. - 가상 인물의 이름이 포함된 화학 원소 - 카드뮴
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생체 적합성은 의료 기기나 생체재료가 생체 내에서 안전하게 기능하는 정도를 의미하며, 유해한 영향이 없는 특성부터 원하는 조직 반응을 유도하는 능력까지 포함하는 포괄적인 개념으로, 화학적 조성, 표면 특성, 기계적 성질, 세포 상호작용 등 다양한 요소가 고려되고 포괄적인 정의 및 평가 방법 개발이 요구된다.
| 탄탈럼 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 원자 번호 | 73 |
| 원소 기호 | Ta |
| 원자량 | 180.94788 |
| 전자 배치 | Xe]] 4f14 5d3 6s2 |
| 껍질당 전자 수 | 2, 8, 18, 32, 11, 2 |
| 분류 | 전이 금속 |
| 족 | 5 |
| 주기 | 6 |
| 블록 | d |
| 겉모습 | 은회색 |
| 상태 | 고체 |
| 밀도 (상온) | 16.654 g/cm³ |
| 밀도 (융점) | 15.000 g/cm³ |
| 녹는점 | 3258 K (2985 °C) |
| 끓는점 | 5783 K (5510 °C) |
| 융해열 | 36.57 kJ/mol |
| 기화열 | 732.8 kJ/mol |
| 열용량 | 25.36 J/(mol·K) |
| 증기압 (1 Pa) | 3297 K |
| 증기압 (10 Pa) | 3597 K |
| 증기압 (100 Pa) | 3957 K |
| 증기압 (1 kPa) | 4395 K |
| 증기압 (10 kPa) | 4939 K |
| 증기압 (100 kPa) | 5634 K |
| 결정 구조 | 체심 입방 구조 (α-Ta) |
| 결정 구조 (2) | 정방정계 (β-Ta) |
| 원자 속성 | |
| 산화 상태 | 5, 4, 3, 2, -1 (약산성 산화물) |
| 전기 음성도 | 1.5 |
| 이온화 에너지 (1차) | 761 kJ/mol |
| 이온화 에너지 (2차) | 1500 kJ/mol |
| 원자 반지름 | 146 pm |
| 공유 반지름 | 170±8 pm |
| 자기 정렬 | 상자성 |
| 기타 정보 | |
| 전기 저항 (20°C) | 131 nΩ·m |
| 열전도율 | 57.5 W/(m·K) |
| 열팽창 (25°C) | 6.3 µm/(m·K) |
| 음속 (막대, 20°C) | 3400 m/s |
| 영률 | 186 GPa |
| 전단 탄성 계수 | 69 GPa |
| 부피 탄성 계수 | 200 GPa |
| 포아송 비 | 0.34 |
| 모스 경도 | 6.5 |
| 비커스 경도 | 873 |
| 브리넬 경도 | 800 |
| CAS 등록 번호 | 7440-25-7 |
| 동위 원소 | |
| 탄탈럼-177 | 인공, 반감기: 56.56시간, 붕괴 방식: ε, 붕괴 에너지: 1.166 MeV, 생성 핵종: Hf-177 |
| 탄탈럼-178 | 인공, 반감기: 2.36시간, 붕괴 방식: ε, 붕괴 에너지: 1.910 MeV, 생성 핵종: Hf-178 |
| 탄탈럼-179 | 인공, 반감기: 1.82년, 붕괴 방식: ε, 붕괴 에너지: 0.110 MeV, 생성 핵종: Hf-179 |
| 탄탈럼-180 | 인공, 반감기: 8.125시간, 붕괴 방식: ε, 붕괴 에너지: 0.854 MeV, 생성 핵종: Hf-180 |
| 탄탈럼-180 | 인공, 반감기: 8.125시간, 붕괴 방식: β-, 붕괴 에너지: 0.708 MeV, 생성 핵종: W-180 |
| 탄탈럼-180m | 존재비: 0.012%, 반감기: > 1.2×1015년, 붕괴 방식: ε, 붕괴 에너지: 0.929 MeV, 생성 핵종: Hf-180, 붕괴 방식: β-, 붕괴 에너지: 0.783 MeV, 생성 핵종: W-180, 붕괴 방식: IT, 붕괴 에너지: 0.075 MeV, 생성 핵종: 탄탈럼-180 |
| 탄탈럼-181 | 존재비: 99.988% |
| 탄탈럼-182 | 인공, 반감기: 114.43일, 붕괴 방식: β-, 붕괴 에너지: 1.814 MeV, 생성 핵종: W-182 |
| 탄탈럼-183 | 인공, 반감기: 5.1일, 붕괴 방식: β-, 붕괴 에너지: 1.070 MeV, 생성 핵종: W-183 |
| 발견 | |
| 발견자 | 안데르스 에케베리 |
| 발견 년도 | 1802년 |
| 관련 정보 | |
| 참고 자료 | 유럽연합의 중요 원자재 탄탈럼 초전도 회로의 손실 분석 최첨단 초전도 회로에서 탄탈럼의 산화물 화학 프로필 |
2. 역사
탄탈럼은 1802년 스웨덴의 안데르스 구스타프 에케베리(Anders Gustaf Ekeberg)가 스웨덴과 핀란드산 광물 샘플에서 발견했다.[5][6] 1년 전, 찰스 해쳇(Charles Hatchett)은 컬럼븀(현재 니오븀)을 발견했다.[7] 1809년, 영국의 화학자 윌리엄 하이드 윌라스턴(William Hyde Wollaston)은 컬럼바이트와 탄탈라이트, 즉 컬럼븀과 탄탈럼의 산화물을 비교했다. 두 산화물의 측정된 밀도는 5.918 g/cm³과 7.935 g/cm³으로 달랐지만, 그는 그것들이 동일하다고 결론짓고 탄탈럼이라는 이름을 유지했다.[8] 프리드리히 뵐러가 이러한 결과를 확인한 후, 컬럼븀과 탄탈럼은 같은 원소라고 여겨졌다. 그러나 1846년 독일 화학자 하인리히 로제는 탄탈라이트 샘플에 두 가지 추가 원소가 있다고 주장하며, 탄탈로스의 자녀들의 이름을 따서 니오븀(니오베에서 유래)과 펠로피움(펠롭스에서 유래)이라고 명명했다.[9][10] 추정 원소 "펠로피움"은 나중에 탄탈럼과 니오븀의 혼합물로 확인되었고, 니오븀은 1801년 해쳇이 이미 발견한 컬럼븀과 동일한 것으로 밝혀졌다.
1864년 크리스티안 빌헬름 블롬스트란트[11], 앙리 에티엔 생클레르 드빌과 루이 J. 트루스트는 탄탈럼과 니오븀의 차이를 명확하게 증명하였고, 1865년에 그들의 화합물 중 일부의 실험식을 결정했다.[11][18] 1866년 스위스 화학자 장 샤를 갈리사르 드 마리냐크가 두 가지 원소만 있다는 것을 증명하면서 추가 확인이 이루어졌다.[12] 이러한 발견에도 불구하고 과학자들은 1871년까지 "일메늄"에 대한 논문을 계속 발표했다.[13]
드 마리냐크는 1864년 수소 분위기에서 탄탈럼 염화물을 가열하여 환원시켜 탄탈럼 금속 형태를 처음으로 생산한 사람이었다.[14] 초기 연구자들은 불순한 탄탈럼만 생산할 수 있었고, 비교적 순수한 연성 금속은 1903년 베르너 폰 볼턴이 샤를로텐부르크에서 처음 생산했다. 금속 탄탈럼으로 만든 전선은 텅스텐이 널리 사용되기 전까지 백열전구 필라멘트로 사용되었다.[15]
탄탈럼이라는 이름은 그리스 신화에서 니오베의 아버지인 신화 속 인물 탄탈로스의 이름에서 유래되었다. 이야기에서 그는 죽은 후 물에 무릎까지 담그고 머리 위에는 완벽한 과일이 자라고 있는 상태로 영원히 괴로움을 당하는 형벌을 받았다.[16] 안데르스 에케베리는 "이 금속을 탄탈럼이라고 부른다… 부분적으로는 산에 담가도 흡수하거나 포화되지 않는 성질을 암시하는 것이다"라고 썼다.[17]
수십 년 동안 탄탈럼을 니오븀으로부터 분리하는 상업 기술은 1866년 장 샤를 갈리사르 드 마리냐크가 발견한 방법으로, 칼륨 옥시펜타플루오로니오베이트 일수화물로부터 칼륨 헵타플루오로탄탈레이트를 분별 결정화하는 과정을 포함했다. 이 방법은 탄탈럼의 불화물 함유 용액으로부터 용매 추출에 의해 대체되었다.[18]
2. 1. 발견
탄탈럼은 1802년 스웨덴의 안데르스 구스타프 에케베리(Anders Gustaf Ekeberg)가 스웨덴과 핀란드산 광물 샘플에서 발견했다.[5][6] 1년 전, 찰스 해쳇(Charles Hatchett)은 컬럼븀(현재 니오븀)을 발견했다.[7] 1809년, 영국의 화학자 윌리엄 하이드 윌라스턴(William Hyde Wollaston)은 컬럼바이트와 탄탈라이트, 즉 컬럼븀과 탄탈럼의 산화물을 비교했다. 두 산화물의 측정된 밀도는 5.918 g/cm³과 7.935 g/cm³으로 달랐지만, 그는 그것들이 동일하다고 결론짓고 탄탈럼이라는 이름을 유지했다.[8] 프리드리히 뵐러가 이러한 결과를 확인한 후, 컬럼븀과 탄탈럼은 같은 원소라고 여겨졌다. 그러나 1846년 독일 화학자 하인리히 로제는 탄탈라이트 샘플에 두 가지 추가 원소가 있다고 주장하며, 탄탈로스의 자녀들의 이름을 따서 니오븀(니오베에서 유래)과 펠로피움(펠롭스에서 유래)이라고 명명했다.[9][10] 추정 원소 "펠로피움"은 나중에 탄탈럼과 니오븀의 혼합물로 확인되었고, 니오븀은 1801년 해쳇이 이미 발견한 컬럼븀과 동일한 것으로 밝혀졌다.1864년 크리스티안 빌헬름 블롬스트란트[11], 앙리 에티엔 생클레르 드빌과 루이 J. 트루스트는 탄탈럼과 니오븀의 차이를 명확하게 증명하였고, 1865년에 그들의 화합물 중 일부의 실험식을 결정했다.[11][18] 1866년 스위스 화학자 장 샤를 갈리사르 드 마리냐크가 두 가지 원소만 있다는 것을 증명하면서 추가 확인이 이루어졌다.[12] 이러한 발견에도 불구하고 과학자들은 1871년까지 "일메늄"에 대한 논문을 계속 발표했다.[13]
드 마리냐크는 1864년 수소 분위기에서 탄탈럼 염화물을 가열하여 환원시켜 탄탈럼 금속 형태를 처음으로 생산한 사람이었다.[14] 초기 연구자들은 불순한 탄탈럼만 생산할 수 있었고, 비교적 순수한 연성 금속은 1903년 베르너 폰 볼턴이 샤를로텐부르크에서 처음 생산했다. 금속 탄탈럼으로 만든 전선은 텅스텐이 널리 사용되기 전까지 백열전구 필라멘트로 사용되었다.[15]
탄탈럼이라는 이름은 그리스 신화에서 니오베의 아버지인 신화 속 인물 탄탈로스의 이름에서 유래되었다. 이야기에서 그는 죽은 후 물에 무릎까지 담그고 머리 위에는 완벽한 과일이 자라고 있는 상태로 영원히 괴로움을 당하는 형벌을 받았다.[16] 안데르스 에케베리는 "이 금속을 탄탈럼이라고 부른다… 부분적으로는 산에 담가도 흡수하거나 포화되지 않는 성질을 암시하는 것이다"라고 썼다.[17]
수십 년 동안 탄탈럼을 니오븀으로부터 분리하는 상업 기술은 1866년 장 샤를 갈리사르 드 마리냐크가 발견한 방법으로, 칼륨 옥시펜타플루오로니오베이트 일수화물로부터 칼륨 헵타플루오로탄탈레이트를 분별 결정화하는 과정을 포함했다. 이 방법은 탄탈럼의 불화물 함유 용액으로부터 용매 추출에 의해 대체되었다.[18]
2. 2. 초기 연구 및 활용
탄탈럼은 1802년 스웨덴의 안데르스 에케베리(Anders Ekeberg)에 의해 스웨덴과 핀란드산 광물 샘플에서 발견되었다.[5][6] 1년 전 찰스 해쳇(Charles Hatchett)이 컬럼븀(현재 니오븀)을 발견했고,[7] 1809년 영국의 화학자 윌리엄 하이드 윌라스턴(William Hyde Wollaston)은 컬럼바이트와 탄탈라이트의 산화물 밀도를 비교했다. 그는 밀도 차이(각각 5.918 g/cm³, 7.935 g/cm³)에도 불구하고 두 산화물이 동일하다고 결론짓고 탄탈럼이라는 이름을 유지했다.[8] 프리드리히 뵐러(Friedrich Wöhler)가 이 결과를 확인한 후, 컬럼븀과 탄탈럼은 같은 원소로 여겨졌다.그러나 1846년 독일 화학자 하인리히 로제(Heinrich Rose)는 탄탈라이트 샘플에 두 가지 추가 원소가 있다고 주장하며, 탄탈로스의 자녀들의 이름을 따서 니오븀(니오베에서 유래)과 펠로피움(펠롭스에서 유래)이라고 명명했다.[9][10] "펠로피움"은 나중에 탄탈럼과 니오븀의 혼합물로 확인되었고, 니오븀은 해쳇이 발견한 컬럼븀과 동일한 것으로 밝혀졌다.
1864년 크리스티안 빌헬름 블롬스트란트(Christian Wilhelm Blomstrand),[11] 앙리 에티엔 생클레르 드빌(Henri Etienne Sainte-Claire Deville)과 루이 J. 트루스트(Louis J. Troost)는 탄탈럼과 니오븀의 차이를 명확하게 증명했고, 1865년에 그들의 화합물 중 일부의 실험식을 결정했다.[11][18] 1866년 스위스 화학자 장 샤를 갈리사르 드 마리냐크(Jean Charles Galissard de Marignac)[12]는 두 가지 원소만 있다는 것을 증명했다.[12] 이러한 발견에도 불구하고, 1871년까지 "일메늄"에 대한 논문이 발표되었다.[13]
드 마리냐크는 1864년 수소 분위기에서 탄탈럼 염화물을 가열하여 환원시켜 탄탈럼 금속 형태를 처음으로 생산했다.[14] 초기 연구자들은 불순한 탄탈럼만 생산할 수 있었고, 비교적 순수한 연성 금속은 1903년 베르너 폰 볼턴(Werner von Bolton)이 샤를로텐부르크(Charlottenburg)에서 처음 생산했다. 금속 탄탈럼으로 만든 전선은 텅스텐이 널리 사용되기 전까지 백열전구 필라멘트로 사용되었다.[15]
탄탈럼이라는 이름은 그리스 신화에서 니오베의 아버지인 탄탈로스(Tantalos)의 이름에서 유래되었다. 그는 죽은 후 물에 무릎까지 담그고 머리 위에는 완벽한 과일이 자라고 있는 상태로 영원히 괴로움을 당하는 형벌을 받았다.[16] 안데르스 에케베리는 "이 금속을 탄탈럼이라고 부른다… 부분적으로는 산에 담가도 흡수하거나 포화되지 않는 성질을 암시하는 것이다"라고 썼다.[17]
수십 년 동안 탄탈럼을 니오븀으로부터 분리하는 상업 기술은 1866년 장 샤를 갈리사르 드 마리냐크가 발견한 칼륨 옥시펜타플루오로니오베이트 일수화물로부터 칼륨 헵타플루오로탄탈레이트를 분별 결정화하는 과정을 포함했다. 이 방법은 탄탈럼의 불화물 함유 용액으로부터 용매 추출에 의해 대체되었다.[18]
3. 특성
3. 1. 물리적 특성
탄탈럼은 어두운 청회색의 광택을 가진 전이 금속으로, 무겁고 매우 단단하며 연성이 뛰어나고 가공성이 좋은 금속이다.[19] 열전도율과 전기 전도율이 매우 좋고 산에 거의 부식되지 않는다.[19][104] 150°C 이하에서는 왕수와도 잘 반응하지 않으며 플루오린 이온이나 삼산화 황 등을 포함한 산성 용액에서 녹는다.[19] 녹는점은 3017°C, 끓는점은 5458°C로 매우 높으며, 이는 텅스텐, 탄소, 레늄, 오스뮴에 이어 원소들 중 5번째로 높은 것이다.[19][104]탄탈럼은 두 종류의 동소체가 존재한다. α 구조일 때는 연성이 뛰어나며 결정형은 체심 입방정계 구조이다.[105] 누프 경도는 200~400 HN이고 전기 저항률은 15~60 μΩ⋅cm이다. β 구조일 때는 단단하지만 부서지기 쉬우며 결정형은 정방정계 구조이다.[105] 누프 경도는 1000~1300 HN이고 전기 저항률은 170~210 μΩ⋅cm로 비교적 높다. 결정형이 β 구조일 때 준안정하며, 750°C 이상으로 가열하면 α 구조로 전환된다.[20][105] 자연에 존재하는 탄탈럼은 대부분 체심입방구조이다.
1930년경에는 임계 온도 4.5 K에서 초전도 현상을 나타낸다는 것이 발견되었다.[106] 2011년에는 탄탈산칼륨 단결정의 표면 부근이 0.005 K 미만에서 초전도 현상을 나타내는 현상도 발견되었다.[107]
3. 2. 화학적 특성
탄탈럼은 +4와 +5의 산화 상태를 가질 수 있으며, 각각 이산화 탄탈럼(TaO2)과 오산화 탄탈럼(Ta2O5)을 만들 수 있다. 산화수가 +5일 때 가장 안정하며, 이들 외에 +3, -1의 산화수를 가지기도 한다.4. 동위 원소
자연에는 180mTa(0.012%)와 181Ta(99.988%) 두 종류의 탄탈럼 동위 원소가 존재한다.[22][108] 181Ta는 안정 동위원소이다. 180mTa은 준안정한 핵 이성질체로, 180Ta의 바닥 상태로의 이성질체 전이, 180W로의 베타 붕괴, 180Hf로의 전자 포획 등 세 가지 방법으로 붕괴될 것으로 예측되지만, 아직 방사성 붕괴가 관찰된 적은 없으며, 반감기가 2.0 × 1016년(2경 년) 이상인 것으로 추정된다.[108] 바닥상태의 180Ta은 반감기가 약 8시간이다.[22][108] 180mTa는 자연에 존재하는 모든 동위 원소들 중 유일한 이성질핵이며, 우주에서 가장 희귀한 원시 동위원소이기도 하다.[23][109]
탄탈럼은 이론적으로 핵무기의 외피에 씌워 더 많은 방사선을 내는 폭탄(소금 폭탄)의 제조에 사용할 수 있다.[24][110] 이는 코발트 폭탄과 비슷한 개념으로, 181Ta이 핵무기가 폭발하면서 방출하는 중성자로 인해 강력한 감마선을 방출하는 방사성 동위 원소 182Ta(반감기 114.4일)이 되는 점을 이용한다.[24][110] 182Ta는 112만 전자볼트의 에너지를 가진 감마선을 방출하여 핵폭발로 발생한 방사성 낙진의 방사능을 수 개월에 걸쳐 크게 증강시킨다.[110] 그러나 공개적으로 알려진 바에 따르면, 그러한 "소금물질" 무기는 제작되거나 시험된 적이 없으며, 무기로 사용된 적도 확실히 없다.[24][110]
탄탈럼은 양성자선을 쪼여 8Li, 80Rb, and 160Yb과 같은 다양한 단수명 방사성 동위원소를 만드는 데 사용된다.[25][111]
5. 존재 및 생산
탄탈럼은 지각 속에 약 1~2ppm 정도 포함된 것으로 추정된다.[34][31] 주로 탄탈석, 콜탄, 컬럼바이트 등에 포함되어 있으며, 2010년대 이전에는 오스트레일리아가 주 생산지였으나,[40] 2007년부터 2014년까지 콩고 민주 공화국, 르완다 등 아프리카 국가로 주요 생산지가 이동하였다.[40] 글로벌 어드밴스드 메탈스는 서호주 그린부시와 우드지나 광산을 운영했으나, 2008년 세계 금융 위기로 채굴이 중단되었다가 2011년 재개, 2012년 다시 중단되었다.[36][37]
탄탈럼 광석 중 하나인 콜탄은 중앙아프리카 지역에서 주로 생산되는데, 이는 콩고 민주 공화국의 내전과 관련이 있었다.[40] 이 내전은 제2차 세계대전 이후 가장 많은 사망자를 낸 전쟁이다.
산업에서 원료로 사용되는 탄탈럼 광물은 탄탈라이트(탄탈라이트-(Fe), 탄탈라이트-(Mn), 탄탈라이트-(Mg)로 구성된 계열), 미크로라이트(현재는 그룹 명칭), 우드지나이트, 옥시나이트(실제로는 옥시나이트-(Y)), 폴리크레이스(실제로는 폴리크레이스-(Y)) 등이 있다.[35] 탄탈럼 추출에 가장 중요한 광물은 탄탈라이트(철, 망간)Ta₂O₆이며, 콜럼바이트(철, 망간)(Ta, Nb)₂O₆와 같은 광물 구조를 가진다. 탄탈라이트 및 기타 탄탈럼 함유 광물의 높은 밀도로 인해 중력 선별이 최적의 방법이다.[35] 그 외 사마스카이트와 퍼거소나이트가 있다.
브라질, 캐나다는 니오븀의 대규모 생산국이며, 이곳 광석에서도 소량의 탄탈럼이 생산된다. 중국, 에티오피아, 모잠비크 등은 탄탈럼 함량이 더 높은 광석을 채굴한다.[18] 태국과 말레이시아에서는 주석 채굴 부산물로 탄탈럼이 생산된다.[18][39]
탄탈럼의 미래 공급원은 사우디아라비아, 이집트, 그린란드, 중국, 모잠비크, 캐나다, 오스트레일리아, 미국, 핀란드, 브라질에서 탐사되고 있다.[41][42]
탄탈의 우주 존재도는 무게 비율로 약 0.08 ppb[126] 정도이며, 원자 수로는 전체 원자 수의 8×10-9퍼센트 정도로, 안정된 원소 중에서는 우주에서 가장 희귀하다[127]. 탄탈에는 180Ta (0.012 %)와 181Ta (99.988 %)의 두 가지 천연 동위원소가 존재하며, 이 중 180Ta는 모든 핵종 중에서 가장 적다.[87]
5. 1. 존재
탄탈럼은 지각 속에 약 1~2ppm 정도 포함된 것으로 추정된다.[34][31] 주로 탄탈석, 콜탄, 컬럼바이트 등에 포함되어 있으며, 2010년대 이전에는 호주가 주 생산지였으나,[40] 2007년부터 2014년까지 콩고 민주 공화국, 르완다 등 아프리카 국가로 주요 생산지가 이동하였다.[40] 글로벌 어드밴스드 메탈스는 서호주 그린부시와 우드지나 광산을 운영했으나, 2008년 세계 금융 위기로 채굴이 중단되었다가 2011년 재개, 2012년 다시 중단되었다.[36][37]탄탈럼 광석 중 하나인 콜탄은 중앙아프리카 지역에서 주로 생산되는데, 이는 콩고 민주 공화국의 내전과 관련이 있었다.[40] 이 내전은 제2차 세계대전 이후 가장 많은 사망자를 낸 전쟁이다.
산업에서 원료로 사용되는 탄탈럼 광물은 탄탈라이트(탄탈라이트-(Fe), 탄탈라이트-(Mn), 탄탈라이트-(Mg)로 구성된 계열), 미크로라이트(현재는 그룹 명칭), 우드지나이트, 옥시나이트(실제로는 옥시나이트-(Y)), 폴리크레이스(실제로는 폴리크레이스-(Y)) 등이 있다.[35] 탄탈럼 추출에 가장 중요한 광물은 탄탈라이트(철, 망간)Ta₂O₆이며, 콜럼바이트(철, 망간)(Ta, Nb)₂O₆와 같은 광물 구조를 가진다. 탄탈라이트 및 기타 탄탈럼 함유 광물의 높은 밀도로 인해 중력 선별이 최적의 방법이다.[35] 그 외 사마스카이트와 퍼거소나이트가 있다.
브라질, 캐나다는 니오븀의 대규모 생산국이며, 이곳 광석에서도 소량의 탄탈럼이 생산된다. 중국, 에티오피아, 모잠비크 등은 탄탈럼 함량이 더 높은 광석을 채굴한다.[18] 태국과 말레이시아에서는 주석 채굴 부산물로 탄탈럼이 생산된다.[18][39]
탄탈럼의 미래 공급원은 사우디아라비아, 이집트, 그린란드, 중국, 모잠비크, 캐나다, 오스트레일리아, 미국, 핀란드, 브라질에서 탐사되고 있다.[41][42]
탄탈의 우주 존재도는 무게 비율로 약 0.08 ppb[126] 정도이며, 원자 수로는 전체 원자 수의 8×10-9퍼센트 정도로, 안정된 원소 중에서는 우주에서 가장 희귀하다[127]. 탄탈에는 180Ta (0.012 %)와 181Ta (99.988 %)의 두 가지 천연 동위원소가 존재하며, 이 중 180Ta는 모든 핵종 중에서 가장 적다.[87]
5. 2. 생산
탄탈럼 생산은 크게 탄탈라이트 광석에서 추출하는 방법과 주석 제련 과정의 부산물인 슬래그에서 추출하는 방법으로 나뉜다.[87] 탄탈럼 제련은 야금 공업에서도 매우 까다로운 공정에 속한다. 그 이유는 탄탈럼 광석에 화학적 성질이 매우 유사한 니오븀이 상당량 포함되어 있기 때문이다.[134]광석에서 탄탈럼을 추출하는 일반적인 과정은 먼저 광물을 파쇄하고 중력 선별하여 농축하는 것으로 시작되며, 이는 광산 근처에서 수행된다.[134] 이후 습식 야금을 통해 탄탈럼을 분리 및 정련한다.[134] 습식 제련은 플루오르화수소산과 황산 또는 염산을 사용한 광석 침출 과정으로 시작된다.[134] 이를 통해 탄탈럼과 니오븀을 광석 내 다른 불순물로부터 분리한다. 이 과정을 단순화한 반응식은 다음과 같다.
: Ta₂O₅ + 14 HF → 2 H₂[TaF₇] + 5 H₂O
: Nb₂O₅ + 12 HF → 2 H[NbF₆] + 5 H₂O
이 반응에서 니오븀은 주로 육불화물 형태로 생성된다. 황산과 염산을 사용하는 경우, 황산수소 이온(HSO₄⁻)과 염화물 이온이 니오븀(V) 및 탄탈럼(V) 이온과 배위자로 경쟁한다.[134] 이후 사이클로헥사논, 옥탄올, 메틸 이소부틸 케톤과 같은 유기 용매를 사용한 액체-액체 추출을 통해 탄탈럼 및 니오븀 불화물 착물을 수용액에서 분리한다. 이 과정에서 철, 망간, 티타늄, 지르코늄 등 대부분의 금속 불순물은 수용액에 남아 제거된다.[134]
탄탈럼과 니오븀의 분리는 산 혼합물의 이온 강도를 낮춰 니오븀을 수용액에 용해시키는 방식으로 이루어진다. 이 조건에서 니오븀은 옥시플루오라이드 H₂[NbOF₅]를 형성하는 것으로 추정된다. 니오븀 제거 후, 정제된 H₂[TaF₇] 용액을 암모니아 수용액으로 중화하여 수화된 탄탈럼 산화물을 고체로 침전시키고, 이를 소성하여 산화탄탈럼(Ta₂O₅)을 얻는다.[135]
또 다른 방법으로는 H₂[TaF₇] 용액을 플루오르화칼륨으로 처리하여 헵타플루오로탄탈산칼륨을 생성하는 방법이 있다.
: H₂[TaF₇] + 2 KF → K₂[TaF₇] + 2 HF
K₂[TaF₇]은 H₂[TaF₇]과 달리 결정화가 용이하여 고체로 다루기 쉽다.
과거에는 마리냐크 공정을 통해 H₂[TaF₇]과 H₂[NbOF₅] 혼합물을 K₂[TaF₇]과 K₂[NbOF₅] 혼합물로 전환하고, 물에 대한 용해도 차이를 이용한 분별 결정으로 분리하였다.
정련된 플루오르화 탄탈산칼륨(K₂[TaF₇])은 약 800°C의 용융염에서 나트륨으로 환원하여 금속 탄탈럼으로 전환할 수 있다.[136]
: K₂[TaF₇] + 5 Na → Ta + 5 NaF + 2 KF
산업적으로는 나트륨 환원법 또는 용융염전해법이 사용된다.[87] 나트륨 환원법은 반응 도가니에 플루오르화 탄탈산칼륨을 쌓고 아르곤 등의 불활성 기체로 채운 후, 가열하면서 금속 나트륨을 도입하여 환원 반응을 진행시킨다.[87] 환원 후, 온수나 메탄올로 세척하여 탄탈럼 조금속을 얻는다.[87]
홀-에루 전기분해법을 변형한 용융염전해를 통해 탄탈럼을 정제할 수도 있다. 이 방법은 분말 산화물을 음극, 탄소를 양극으로 사용하며, 약 1000°C의 용융염을 전해질로 사용한다.[137]
21세기 초 오스트레일리아와 브라질이 주요 생산국이었으나, 2007년부터 2014년까지 콩고민주공화국, 르완다 등 아프리카 국가로 생산 중심이 이동했다.[139] 2017년 기준 주요 탄탈럼 생산국은 르완다(390톤), 콩고민주공화국(370톤), 나이지리아(190톤), 브라질(100톤), 중화인민공화국(95톤) 순이다.[140] 미래 탄탈럼 공급원은 사우디아라비아, 이집트, 그린란드, 중화인민공화국, 모잠비크, 캐나다, 오스트레일리아, 미국, 핀란드, 브라질 등이 있다.[141][142]
오스트레일리아의 최대 생산업체인 는 서호주의 그린부시와 우도기나 광산을 운영했으나, 2008년 우도기나 광산 운영 중단, 2011년 재개, 2012년 다시 생산 중단을 발표했다.[143][144] 니오븀 주요 생산국인 브라질과 캐나다에서도 소량의 탄탈럼이 생산되며, 중화인민공화국, 에티오피아, 모잠비크 등도 높은 비율의 탄탈럼을 생산한다.[146] 태국과 말레이시아의 주석 생산 부산물로도 탄탈럼을 얻을 수 있다.[103][146]
탄탈럼 연간 생산량은 1997년부터 2001년까지 1,478톤에서 2,257톤 사이였다.[87] 현재 생산량 기준 잔존 매장량은 50년 미만으로 추산되어 재활용 필요성이 높아지고 있다.[147]
탄탈럼은 원자재 시장에서 거래되지 않으며, 광석 형태의 매매는 당사자 간 직접 협상으로 결정된다.[148] 30% Ta₂O₅ 광석 기준 1파운드(약 454그램)당 가격은 1980~1990년대 20~30달러 수준이었으나, 2000년대 IT 수요 변화에 따라 급등락을 반복, 2011~2012년에는 120달러를 넘기도 했다.[87][149]
탄탈럼 용접은 대기 중 오염을 막기 위해 아르곤, 헬륨 등 불활성 기체 환경에서 수행해야 하며, 납땜은 불가능하다. 탄탈럼, 특히 풀림 처리된 탄탈럼은 절삭 가공이 어렵지만, 연성이 높아 금속판으로 쉽게 가공할 수 있다.[138]
6. 화합물
탄탈럼은 -III에서 +V까지의 산화 상태에서 화합물을 형성하며, 가장 일반적인 것은 Ta(V)의 산화물이다. 탄탈럼과 니오븀의 화학적 성질은 매우 유사하며, 수용액에서 탄탈럼은 +V 산화 상태만 나타낸다.[31] 탄탈럼은 묽은 염산, 황산, 질산, 인산 용액에 거의 녹지 않지만,[31] 염기성 매질에서는 폴리옥소탄탈레이트 종의 형성으로 인해 용해될 수 있다.[26]
오산화탄탈륨(Ta₂O₅)은 응용 측면에서 가장 중요한 화합물이다.[27] 낮은 산화 상태의 탄탈륨 산화물은 결함 구조를 포함한 여러 가지가 있지만, 연구가 거의 되지 않았거나 특성이 제대로 밝혀지지 않았다.[27]
탄탈산염은 [TaO₄]³⁻ 또는 [TaO₃]⁻를 포함하는 화합물이 많다. 탄탈산리튬(LiTaO₃)은 페로브스카이트 구조를 채택하며, 란타넘 탄탈산염(LaTaO₄)은 분리된 사면체를 포함한다.[28]
다른 내화금속과 마찬가지로 탄탈륨의 가장 단단한 화합물은 질화물과 탄화물이다. 탄탈륨 탄화물(TaC)은 텅스텐 탄화물과 같이 단단한 세라믹으로 절삭 공구에 사용된다.[29] 탄탈륨(III) 질화물은 일부 마이크로 전자 제작 공정에서 박막 절연체로 사용된다.[29]
가장 잘 연구된 칼코겐화물은 황화탄탈륨(TaS₂)이며, 다른 전이금속 이황화물과 같이 층상 반도체이다. 탄탈륨-텔루륨 합금은 준결정을 형성한다.[28]
탄탈륨 할로겐화물은 +5, +4, +3의 산화 상태를 가지며, 오플루오르화탄탈륨(V)(TaF5)는 녹는점이 97.0 °C인 백색 고체이다. [TaF7]2- 음이온은 니오븀으로부터 탄탈륨을 분리하는 데 사용된다.[30] 은 새로운 탄탈륨 화합물 합성의 주요 시약이며 쉽게 옥시염화물로 가수분해된다. 하위 할로겐화물 및 은 Ta-Ta 결합을 특징으로 한다.[28][31]
유기탄탈륨 화합물에는 펜타메틸탄탈륨, 혼합 알킬탄탈륨 염화물, 알킬탄탈륨 수소화물, 알킬리덴 착물 및 사이클로펜타디에닐 유도체가 포함된다.[32][33] 헥사카보닐 [Ta(CO)6]− 및 관련 이소시아나이드의 다양한 염과 치환 유도체가 알려져 있다.
탄탈은 산화수 +2, +3, +4, +5의 화합물을 형성하며, 이 중 +5가가 가장 안정적이다.[112] +5가의 이온 반지름은 73 pm이다.[113] 탄탈의 화합물 중 산화물이 안정적이며, 탄탈의 광물은 모두 산화광물이다. 산화수가 3보다 작은 무기 화합물은 탄탈 원자 간의 화학 결합을 특징으로 한다.[114] 탄소 원자가 탄탈 원자와 화학 결합하고 있는 유기 탄탈 화합물에서는 +1, 0, −1 등 더 낮은 산화수를 취하기도 한다.
탄탈과 니오브의 화학적 특성은 매우 유사하다. 같은 5족 원소인 바나듐과도 유사한 점이 있지만, 바나듐에서 흔히 볼 수 있는 산화수 +2, +3의 화합물은 탄탈과 니오브에서는 적다.[115]
오산화탄탈 은 실용적인 관점에서 가장 중요한 화합물이다. 4가의 산화물 은 비화학량론적 화합물이며, 루틸 구조를 취한다. 3가의 산화물 은 알려져 있지 않다.[116]
탄탈산염은 실제로는 복산화물인 경우가 대부분이며, 고립된 탄탈산 이온을 포함하는 화합물은 드물다.[117] 탄탈산리튬 (LiTaO3)이나 탄탈산칼륨 (KTaO3)은 탄탈 원자가 6개의 산소 원자에 둘러싸여 있으며, 고립된 이온은 존재하지 않는다. 탄탈산이트륨 은 휘중석과 비슷한 구조를 가지며 고립된 사면체형의 탄탈(V)산 이온 이 포함된다.[118]
오산화탄탈과 수산화알칼리를 용융 후 물로 처리하면 수용성 이소폴리산염이 얻어진다.[114] 칼륨 이온 과 헥사탄탈산 이온 으로 구성된 이 잘 알려져 있다. 는 6개의 팔면체가 모서리를 공유하여 연결된 구조를 하고 있으며, 텅스텐의 이소폴리산 이온 과 같은 형태이다. 25개의 원자로 구성된 큰 이온이지만, 수용액에서도 이 형태로 존재한다.[115]
다른 내화금속과 마찬가지로, 발견된 탄탈륨 화합물 중에서 가장 단단한 것은 붕화물과 탄화물이다. 탄화탄탈륨(TaC)은 탄화텅스텐과 마찬가지로 단단한 세라믹이며, 절삭 공구에 사용된다. 질화탄탈륨은 마이크로일렉트로닉스 분야에서 박막 절연체로 사용된다.[119]
가장 많이 연구된 탄탈륨의 칼코겐화물은 이황화탄탈륨(IV) (TaS2)이며, 층상 반도체이다. 탄탈륨과 텔루륨의 합금은 준결정을 형성한다.[120]
탄탈의 할로겐화물은 +5, +4, +3의 산화수를 갖는다. 플루오르화탄탈(V) 는 녹는점이 97.0 °C인 백색 고체이다. 기상의 고립된 분자는 삼방쌍뿔형 분자 구조를 취하지만, 고체에서는 팔면체가 정점을 공유한 사량체로 존재한다. 헵타플루오로탄탈(V)산 이온 은 탄탈을 니오브로부터 분리할 때 사용된다.[121] 염화탄탈(V), 브롬화탄탈(V), 요오드화탄탈(V) 는 고체 내에서는 팔면체가 모서리를 공유한 이량체로 존재하며, 물과 반응하면 가수분해되어 할로겐화 산화물이 된다.[122] 염화탄탈(V)는 유기 탄탈 화합물의 합성에서 출발 물질로 사용된다.[123]
플루오르화탄탈(IV) 는 알려져 있지 않다. 다른 할로겐화탄탈(IV) 도 불안정하며, 공기 중에서 쉽게 산화되어 할로겐화 산화물을 생성한다. 또한 가열하면 산화수 +5의 할로겐화물 과 산화수 +3의 할로겐화물 로 불균일화한다.[114]
겉보기 산화수가 +2.5 또는 +2.33인 염화물, 브롬화물, 요오드화물이 알려져 있다. 이러한 할로겐화물에서는 6개의 탄탈 원자가 정팔면체 모양으로 배열된 또는 가 구성 단위이다. 이 구성 단위에 포함된 할로겐 원자는 탄탈 원자가 만드는 팔면체의 바깥쪽에 위치하며, 화합물 내 금속 원자 사이에 화학 결합이 존재함을 나타낸다.[114][116]
유기 탄탈 화합물로는, , 알킬탄탈 클로라이드, 알킬탄탈 하이드라이드, 그리고 카르벤 착물 및 시클로펜타디에닐 착물 등이 있다.[124][125] 금속 카르보닐은, 헥사카르보닐탄탈(-I)산 이온 및 관련 이소시아나이드에 대해, 다양한 염과 치환 유도체가 알려져 있다.
7. 용도
7. 1. 전자기기
탄탈럼은 주로 전자 회로의 부품, 특히 고성능 저항기와 축전기 제조에 사용된다.[57][158] 탄탈럼 분말이 산화 피막을 형성하여 생성된 탄탈럼 산화물은 유전체의 역할을 한다. 탄탈럼 축전기는 작은 부피에도 큰 용량을 저장할 수 있어 휴대 전화, 컴퓨터, 자동차 내 전기 부품, 카메라 등에 사용된다.[57][158]
표면 탄성파 필터(SAW 필터)의 재료로도 사용되는데, 휴대 전화 등에서 지정된 송수신 주파수 이외의 주파수 성분을 제거하는 데 사용된다. 압전 효과를 이용하여 전기 신호를 기계적인 진동으로 변환하고, 고체 표면을 전파하는 탄성 표면파로 한 후, 압전 결정 기판 위에 형성된 패턴 구조에 따라 선택적으로 주파수 필터를 적용하여 다시 전기 신호로 변환한다. 이를 위한 압전 단결정으로 탄탈산리튬(LiTaO₃) 또는 니오브산리튬(LiNbO₃)이 사용된다.[159]
스퍼터링을 통해 박막을 형성할 때, 타겟 재료로 탄탈(오산화 탄탈)을 사용하면 고유전율·고절연 내압의 박막 형성이 가능하다.[160][161]
과거에는 백열전구의 필라멘트 제조에 탄탈럼이 사용되었다. 1902년 독일 지멘스의 기술자 베르너 폰 볼톤이 탄탈럼을 이용한 필라멘트를 개발했다.[162] 이 전구는 효율이 좋고 밝고 흰 빛을 냈지만, 텅스텐 필라멘트를 이용한 전구가 더 효율이 높고 수명이 길어 탄탈럼 전구는 사용되지 않게 되었다.[163][164]
탄탈럼은 질소나 산소를 포획할 수 있어, 무선 송신기의 극초단파 진공관 제조에 널리 사용되었고 진공관 내부에 필요한 높은 진공도를 유지하기 위한 게터로도 이용할 수 있다.[121][167]
7. 2. 합금
탄탈럼을 합금에 첨가하면 녹는점이 높아지고 강도가 증가하며, 연성이 좋아지는 장점이 있다.[58][57][59] 이러한 특성으로 인해 탄탈럼은 금속 가공 장비용 초경합금 공구 제작과 제트 엔진 부품, 화학 공정 장비, 원자로, 미사일 부품, 열교환기, 탱크 및 용기용 초합금 생산에 사용된다.[165][158][166]탄탈럼은 플루오르화수소산과 고온의 황산을 제외한 대부분의 산에 불활성이지만, 고온의 알칼리 용액은 탄탈럼을 부식시킨다. 이러한 특성 때문에 부식성 액체를 위한 화학 반응 용기 및 파이프에 유용한 금속이 된다. 염산의 증기 가열을 위한 열교환 코일은 탄탈럼으로 만들어진다.[167] 화학 공업에서 유리 라이닝 반응 용기 등이 손상된 경우 보수 방법 중 하나로 탄탈럼을 사용하기도 한다.[168]
연성이 있기 때문에 탄탈럼은 미세한 와이어 또는 필라멘트로 가공할 수 있으며, 이는 알루미늄과 같은 금속을 증발시키는 데 사용된다. 융점이 높고 내산화성이 있기 때문에 진공로 부품 생산에도 사용된다. 또한 백금 도가니의 대용품으로 탄탈 도가니가 사용되는 경우가 있으며, 탄탈럼의 불활성 특성으로 인해 써모웰, 밸브 본체, 탄탈럼제 체결 부품 등 다양한 내식성 부품 제조에 사용된다.
7. 3. 의료용
탄탈럼은 반응성이 낮아 체액과도 잘 반응하지 않고 생체 적합성이 뛰어나 의료용 목적으로 많이 사용된다.[61][62][63] 1938년 로스앤젤레스 정형외과 병원의 제럴드 L. 버크(Gerald L. Burke)는 탄탈럼이 인체 조직에서 생체 불활성(bio-inert)이며 정형외과 임플란트 재료로 안전하게 사용될 수 있다는 것을 최초로 발견했다. 또한 버크는 외과 수술에서 탄탈럼이 주변 뼈의 손상 없이 뼈에 영구적으로 결합한다는 사실을 입증했다.[61] 이후 버크의 팀은 탄탈럼이 외과 수술 도구로 제작될 만큼 충분히 단단하면서도, 흉터가 남지 않는 봉합사에 사용될 수 있을 만큼 충분히 연성이 있고 강한 형태로 제작될 수 있다는 것을 보였다.[61][62] 1940년에는 인공관절 수술, 전자간골절 수술, 턱 수술 및 치과 임플란트에 탄탈럼을 사용하는 것을 최초로 제안했다.[62]오늘날에도 탄탈럼은 외과 수술 기구와 임플란트 제작에 널리 사용되며, 다공성 탄탈럼 코팅이 티타늄 임플란트 제작에 사용되기도 한다.[64] 탄탈럼은 비철(non-ferrous) 비자성 금속이므로, 탄탈럼 임플란트는 MRI 절차를 받는 환자에게 적합하다.[65] 탄탈륨은 강성이 높기 때문에 를 피하기 위해 다공질 발포체나 낮은 강성의 골격 형태로 인공 고관절 치환술에 사용된다.[174] 탄탈륨은 체액에 견디고 생체에 대해 불활성이며 자극이 적기 때문에 외과용 의료 기구나 인체 이식 재료(임플란트 재료) 등의 제작에 널리 사용된다.
7. 4. 기타 용도
탄탈럼은 NASA에서 보이저 1호와 보이저 2호와 같은 우주선 부품을 방사선으로부터 보호하는 데 사용되었다.[66] 높은 녹는점과 내산화성으로 인해 진공로(vacuum furnace) 부품 생산에도 사용되었다. 탄탈륨은 매우 불활성이므로, 서모웰(thermowell), 밸브 본체 및 탄탈륨 패스너와 같은 다양한 내식성 부품으로 제작된다. 높은 밀도로 인해 성형 작약과 자기단조탄 라이너가 탄탈륨으로 제작되었다.[67] 탄탈륨은 높은 밀도와 높은 녹는점으로 인해 성형 작약의 장갑 관통 능력을 크게 향상시킨다.[68][69]
오데마 피게, 위블로, 몽블랑, 오메가, 오피치네 파네라이와 같은 고급 손목시계와 고급 보석류 제조에도 사용된다. 탄탈륨은 체액에 견디고 생체에 대해 불활성이며 자극이 적기 때문에 외과용 의료 기구나 인체 이식 재료(임플란트 재료) 등의 제작에 널리 사용된다. 예를 들어 탄탈륨은 경조직에 직접 접착하는 능력이 높기 때문에 다공성 탄탈륨 코팅이 정형외과용 이식물 제작에 사용된다.[172][173] 탄탈륨은 강성이 높기 때문에 응력차폐를 피하기 위해 다공질 발포체나 낮은 강성의 골격 형태로 인공 고관절 치환술에 사용된다.[174] 탄탈륨은 비철·비자성 금속이므로 이러한 임플란트 재료를 이식받은 환자도 핵자기공명영상법(MRI) 검사를 받을 수 있다고 알려져 있다.[175] 또한 탄탈륨 산화물은 카메라 렌즈용으로 특별히 높은 굴절률의 유리를 만들기 위해 사용된다.[70] 기체 또는 액체를 사용하여 용융 탄탈륨을 분무하여 생산된 구형 탄탈륨 분말은 균일한 형태, 우수한 유동성 및 높은 녹는점으로 인해 첨가제 제조(additive manufacturing)에 일반적으로 사용된다.[71][72]
8. 환경 및 안전성
탄탈럼은 다른 지구과학 분야에 비해 환경 분야에서 덜 주목받고 있다. 상부 지각 농도(UCC)와 상부 지각 및 광물 내 Nb/Ta 비율은 지구화학적 도구로 유용하기 때문에 관련 데이터가 존재한다.[73] 최근 상부 지각 농도 값은 0.92 ppm이며, Nb/Ta(w/w) 비율은 12.7이다.[74] 2008년 당시 최신 상부 지각의 탄탈 농도는 0.92 ppm이며, 니오브/탄탈 비는 12.7이다.[178]
다양한 환경 구획, 특히 자연수에서의 탄탈럼 농도에 대한 데이터는 거의 없다. 특히 해수와 담수에서 '용존' 탄탈럼 농도에 대한 신뢰할 만한 추정치조차 생성되지 않았다.[75] 해양에서의 용존 농도에 대한 일부 값이 발표되었지만, 상반된 결과를 보인다. 담수의 값도 별반 다르지 않지만, 모든 경우에 '용존' 농도는 대부분의 현재 분석 능력보다 훨씬 낮기 때문에 1 ng L−1 이하일 가능성이 높다.[76] 자연수 중의 용해 농도는 현재 분석 능력의 한계 미만이므로, 아마도 1리터당 1나노그램을 밑돌 것으로 생각된다.[180] 분석에는 사전 농축 절차가 필요한데, 현재로서는 일관된 결과를 제공하지 못한다. 어떤 경우든, 탄탈럼은 용존 상태라기보다는 대부분 입자상 물질 형태로 자연수에 존재하는 것으로 보인다.[75]
토양, 하상 퇴적물 및 대기 에어로졸의 농도 값은 더 쉽게 얻을 수 있다.[75] 토양의 값은 약 1 ppm으로 UCC 값과 유사하다. 이는 퇴적 기원을 나타낸다. 대기 에어로졸의 경우, 이용 가능한 값은 산발적이고 제한적이다. 탄탈럼 농축이 관찰될 때, 그것은 구름 속 에어로졸에서 더욱 수용성이 높은 원소의 손실 때문일 가능성이 높다.[77]
인간의 원소 사용과 관련된 오염은 감지되지 않았다.[78] 탄탈럼은 생지구화학적 관점에서 매우 보수적인 원소로 보이지만, 그 순환과 반응성은 아직 완전히 이해되지 않았다.[177] 생지화학적으로 탄탈은 매우 변화가 적은 것으로 보이지만, 그 순환과 반응성에 대해서는 아직 완전히 이해되었다고는 할 수 없다.[182]
탄탈럼을 함유한 화합물은 실험실에서 거의 접하지 않는다. 탄탈럼 금속은 생체 적합성이 매우 높아[61] 인체 이식물 및 코팅에 사용되므로, 다른 원소 또는 화합물의 물리적 특성에 주의를 기울일 수 있다.[79] 탄탈은 생체적합성이 높고,[173] 화학적으로 안정적이며 체액과도 반응하기 어렵기 때문에 인체에 대한 해는 적다고 여겨진다.[183] 오히려 의료용 재료로 체내에 이식하는 경우에는 탄탈보다 의료용 재료로 사용되는 다른 원소나 화합물의 성질에 주의가 기울여진다.[184]
작업장에서 탄탈럼에 노출될 수 있는 경로는 흡입, 피부 접촉 또는 눈 접촉이다. 미국 산업안전보건청(OSHA)은 8시간 작업일 동안 작업장 내 탄탈럼 노출에 대한 법적 한계(허용 노출 한계)를 5 mg/m3로 설정했다. 미국 국립 직업 안전 보건 연구소(NIOSH)는 8시간 작업일 동안 권장 노출 한계 (REL)를 5 mg/m3로, 단기 노출 한계를 10 mg/m3로 설정했다. 2500 mg/m3 수준에서는 탄탈럼 분진이 즉시 생명 및 건강에 위험한 수준이다.[80][185]
8. 1. 환경 문제
탄탈럼은 다른 지구과학 분야에 비해 환경 분야에서 덜 주목받고 있다. 상부 지각 농도(UCC)와 상부 지각 및 광물 내 Nb/Ta 비율은 지구화학적 도구로 유용하기 때문에 관련 데이터가 존재한다.[73] 최근 상부 지각 농도 값은 0.92 ppm이며, Nb/Ta(w/w) 비율은 12.7이다.[74]다양한 환경 구획, 특히 자연수에서의 탄탈럼 농도에 대한 데이터는 거의 없다. 특히 해수와 담수에서 '용존' 탄탈럼 농도에 대한 신뢰할 만한 추정치조차 생성되지 않았다.[75] 해양에서의 용존 농도에 대한 일부 값이 발표되었지만, 상반된 결과를 보인다. 담수의 값도 별반 다르지 않지만, 모든 경우에 '용존' 농도는 대부분의 현재 분석 능력보다 훨씬 낮기 때문에 1 ng L−1 이하일 가능성이 높다.[76] 분석에는 사전 농축 절차가 필요한데, 현재로서는 일관된 결과를 제공하지 못한다. 어떤 경우든, 탄탈럼은 용존 상태라기보다는 대부분 입자상 물질 형태로 자연수에 존재하는 것으로 보인다.[75]
토양, 하상 퇴적물 및 대기 에어로졸의 농도 값은 더 쉽게 얻을 수 있다.[75] 토양의 값은 약 1 ppm으로 UCC 값과 유사하다. 이는 퇴적 기원을 나타낸다. 대기 에어로졸의 경우, 이용 가능한 값은 산발적이고 제한적이다. 탄탈럼 농축이 관찰될 때, 그것은 구름 속 에어로졸에서 더욱 수용성이 높은 원소의 손실 때문일 가능성이 높다.[77]
인간의 원소 사용과 관련된 오염은 감지되지 않았다.[78] 탄탈럼은 생지구화학적 관점에서 매우 보수적인 원소로 보이지만, 그 순환과 반응성은 아직 완전히 이해되지 않았다.[177]
8. 2. 인체 안전성
탄탈럼을 함유한 화합물은 실험실에서 거의 접하지 않는다. 탄탈럼 금속은 생체 적합성이 매우 높아[61] 인체 이식물 및 코팅에 사용되므로, 다른 원소 또는 화합물의 물리적 특성에 주의를 기울일 수 있다.[79] 탄탈은 생체적합성이 높고,[173] 화학적으로 안정적이며 체액과도 반응하기 어렵기 때문에 인체에 대한 해는 적다고 여겨진다.[183]작업장에서 탄탈럼에 노출될 수 있는 경로는 흡입, 피부 접촉 또는 눈 접촉이다. 미국 산업안전보건청(OSHA)은 8시간 작업일 동안 작업장 내 탄탈럼 노출에 대한 법적 한계(허용 노출 한계)를 5 mg/m3로 설정했다. 미국 국립 직업 안전 보건 연구소(NIOSH)는 8시간 작업일 동안 권장 노출 한계 (REL)를 5 mg/m3로, 단기 노출 한계를 10 mg/m3로 설정했다. 2500 mg/m3 수준에서는 탄탈럼 분진이 즉시 생명 및 건강에 위험한 수준이다.[80][185]
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