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鉭   73Ta
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Uuo(未知特性)
Nb



Db
外觀
灰藍色


鉭的譜線(400 nm至700 nm)
概況
名稱·符號·序數 鉭(Tantalum)·Ta·73
元素類別 過渡金屬
·週期· 5·6·d
標準原子質量 180.94788
電子排布

[Xe] 4f14 5d3 6s2
2, 8, 18, 32, 11, 2

鉭的电子層(2, 8, 18, 32, 11, 2)
歷史
發現 安德斯·古斯塔夫·埃克貝格(1802年)
證明為化學元素 海因里希·羅澤(1844年)
物理性質
物態 固體
密度 (接近室温
16.69 g·cm−3
熔點時液體密度 15 g·cm−3
熔點 3290 K,3017 °C,5463 °F
沸點 5731 K,5458 °C,9856 °F
熔化熱 36.57 kJ·mol−1
汽化熱 732.8 kJ·mol−1
比熱容 25.36 J·mol−1·K−1

蒸汽壓

壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 3297 3597 3957 4395 4939 5634
原子性質
氧化態 5, 4, 3, 2, -1(微酸性氧化物)
電負性 1.5(鲍林标度)
電離能

第一:761 kJ·mol−1

第二:1500 kJ·mol−1
原子半徑 146 pm
共價半徑 170±8 pm
雜項
晶體結構

體心立方[1]

鉭具有體心立方晶體結構

α-Ta

四方[1]

鉭具有四方晶体结构

β-Ta
磁序 順磁性[2]
電阻率 (20 °C)131 n Ω·m
熱導率 57.5 W·m−1·K−1
膨脹係數 (25 °C)6.3 µm·m−1·K−1
聲速(細棒) (20 °C)3400 m·s−1
楊氏模量 186 GPa
剪切模量 69 GPa
體積模量 200 GPa
泊松比 0.34
莫氏硬度 6.5
維氏硬度 873 MPa
布氏硬度 800 MPa
CAS號 7440-25-7
最穩定同位素

主条目:鉭的同位素

同位素 豐度 半衰期 方式 能量MeV 產物
177Ta 人造 56.56小時 ε 1.166 177Hf
178Ta 人造 2.36小時 ε 1.910 178Hf
179Ta 人造 1.82年 ε 0.110 179Hf
180Ta 人造 8.125小時 ε 0.854 180Hf
β 0.708 180W
180mTa 0.012% >1.2×1015 ε 0.929 180Hf
β 0.783 180W
IT 0.075 180Ta
α 2.103 176Lu
181Ta 99.988% 穩定,带108个中子
182Ta 人造 114.43天 β 1.814 182W
183Ta 人造 5.1天 β 1.070 183W

Tantalum,舊譯作[3])是一種化學元素,符號為Ta原子序為73。其名稱「Tantalum」取自希臘神話中的坦塔洛斯[4]鉭是一種堅硬藍灰色的稀有過渡金屬,抗腐蝕能力極強。鉭屬於難熔金屬,常作為合金的次要成份。鉭的化學活性低,適宜代替作實驗器材的材料。目前鉭的最主要應用為鉭電容,在手提電話DVD播放機電子遊戲機電腦等電子器材中都有用到。鉭在自然中一定與化學性質相近的一齊出現,一般在鉭鐵礦鈮鐵礦鈳鉭鐵礦中可以找到。

歷史[编辑]

1802年,安德斯·古斯塔夫·埃克貝格(Anders Gustaf Ekeberg)在瑞典發現了鉭元素。一年之前,查理斯·哈契特發現鈳元素(Columbium,後改名為)。[5]1809年,英國化學家威廉·海德·沃拉斯頓(William Hyde Wollaston)對鉭和鈳的氧化物進行了對比,雖然得出不同的密度值,但他認為兩者是完全相同的物質。[6]德國化學家弗里德里希·維勒其後證實了這一結果,因此人們以為鉭和鈳是同一種元素。另一德國化學家海因里希·羅澤(Heinrich Rose)在1846年駁斥這一結論,並稱原先的鉭鐵礦樣本中還存在著另外兩種元素。他以希臘神話坦塔洛斯的女兒尼俄伯(Niobe,淚水女神)和兒子珀羅普斯(Pelops)把這兩種元素分別命名為「Niobium」和「Pelopium」。[7][8]後者其實是鉭和鈮的混合物,而前者則與先前哈契特所發現的鈳相同。

1864年,克利斯蒂安·威廉·布隆斯特蘭(Christian Wilhelm Blomstrand)、[9]亨利·愛丁·聖克萊爾·德維爾和路易·約瑟夫·特羅斯特(Louis Joseph Troost)明確證明了鉭和鈮是兩種不同的化學元素,並確定了一些相關化合物的化學公式。[9][10]瑞士化學家讓-夏爾·加利薩·德馬里尼亞(Jean Charles Galissard de Marignac)[11]在1866年進一步證實除鉭和鈮以外別無其他元素。然而直到1871年還有科學家發表有關第三種元素「Ilmenium」的文章。[12]1864年,德馬里尼亞在氫氣環境中加熱氯化鉭,從而經還原反應首次製成鉭金屬。[13]早期煉成的鉭金屬都含有較多的雜質。維爾納·馮·博爾頓(Werner von Bolton)在1903年首次製成純鉭金屬。鉭曾被用作電燈泡燈絲,直到被淘汰為止。[14]

科學家最早使用分層結晶法把鉭(七氟鉭酸鉀)從鈮(一水合五氟氧鈮酸鉀)中提取出來。這一方法由德馬里尼亞於1866年發現。今天科學家所用的則是對含氟化物的鉭溶液進行溶劑萃取法。[10]

性質[编辑]

物理屬性[编辑]

鉭是一種灰藍色[15]高密度堅硬金屬,具高延展性、導熱性和導電性。鉭能抵抗的腐蝕,它在150 °C以下甚至能夠抵抗王水的侵蝕。能夠溶解鉭的物質包括:氫氟酸、含離子和三氧化硫的酸性溶液以及氫氧化鉀溶液。鉭的熔點高達3017 °C(沸點5458 °C),只有的熔點比它更高。

鉭有兩種晶體相,分別稱為α和β。其中α態柔軟,具延展性,晶體結構為體心立方空間群Im3m,晶格常數a = 0.33058 nm),努普硬度為200至400 HN,電阻率為15至60 µΩ⋅cm。β態則堅硬易碎,晶體結構屬於四方晶系(空間群為P42/mnma = 1.0194 nm,c = 0.5313 nm),努普硬度為1000至1300 HN,電阻率為170至210 µΩ⋅cm。β態是一種亞穩態,在加溫至750至775 °C後會轉變為α態。鉭金屬塊幾乎完全由α態晶體組成,β態通常以薄片形式存在,可經磁控濺射化學氣相沉積或從共晶液態鹽電化學沉積而得。[16]

化學屬性[编辑]

鉭可以形成氧化態為+5和+4的氧化物,分別為五氧化二鉭(Ta2O5)和二氧化鉭(TaO2),[17]其中五氧化二鉭較為穩定。[17]五氧化二鉭可以用來合成多種鉭化合物,過程包括將其溶解在鹼性氫氧化物溶液中,或與另一種金屬氧化物一同熔化。如此形成的物質有鉭酸鋰(LiTaO3)和鉭酸(LaTaO4)等。在鉭酸鋰中,鉭酸離子TaO
3
並不出現,這其實代表TaO7−
6
所形成的八面體鈣鈦礦骨架結構。鉭酸鑭則含有單個TaO3−
4
四面體基。[17]

氟化鉭可以用來從鈮當中分離出鉭元素。[18]鉭的鹵化物可以有+5、+4和+3氧化態,分別對應TaX5TaX4TaX3型的化合物,另外還存在多核配合物以及亞化學計量化合物。[17][19]五氟化鉭(TaF5)是一種白色固體,熔點為97.0 °C;五氯化鉭(TaCl5)也是白色固體,熔點為247.4 °C。五氯化鉭可以被水解,且在高溫下可與更多的鉭反應,形成吸濕性很強、呈黑色的四氯化鉭(TaCl4)。鉭的五鹵化物可以用氫還原成三鹵化物,但無法進一步還原成二鹵化物。[17]鉭﹣合金會形成準晶體[17]2008年一份文章表示存在氧化態為−1的鉭化合物。[20]

與其他難熔金屬一樣,最堅硬的鉭化合物是其氮化物和碳化物。碳化鉭(TaC)與碳化鎢相似,都是十分堅硬的陶瓷材料,常被用於製造切割工具。氮化鉭(III)在某些微電子生產過程中被用作薄膜絕緣體。[21]美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的化學家研發出了一種碳化鉭﹣石墨複合材料,這是人們已知最堅硬的物質之一。韓國科學家研發了一種比常見鋼合金強2至3倍的無定形鉭﹣鎢﹣碳合金,其柔韌度也比鋼更高。[22]鋁化鉭有兩種:TaAl3和Ta3Al。兩者均穩定、耐火、反射率高,因此有可能可用作紅外線反射鏡塗層。[23]

同位素[编辑]

自然產生的鉭由兩種同位素組成:180mTa(0.012%)和181Ta(99.988%)。181Ta是一種穩定同位素。180mTa(「m」表示亞穩態)有三種理論預測的衰變方式: 內轉換基態180Ta,β衰變180W,或經電子捕獲形成180Hf。不過,尚未有實驗證明該同核異構體具有放射性。其半衰期至少有1015年。180Ta基態的半衰期只有8小時。180mTa是唯一一種自然產生的鉭同核異構體,也是全宇宙最稀有的同位素(經其他元素衰變產生及宇宙射線產生的短壽命同核異構體除外)。[24]

鉭可以作為鹽彈的「鹽」(是另一種「鹽」)。鹽彈是一種假想的大殺傷力核武器。其外層(所謂的鹽)由181Ta組成,會因內部核彈爆炸所產生的高能中子流而嬗變182Ta。這一同位素的半衰期為114.4天,衰變時產生112萬電子伏特(即1.12 MeV)的伽馬射線。這可大大加強爆炸後數月之內輻射落塵的危害性。這種鹽彈從未投入生產或測試,也因而未曾在戰爭中使用過。[25]

存量[编辑]

澳洲皮爾布拉地區開採的鉭鐵礦

鉭在地球地殼中的含量依重量計約為百萬分之1[26]至2[19]。鉭礦物有許多種,其中鉭鐵礦細晶石、錫錳鉭礦、黑稀金礦複稀金礦等可作為工業鉭開採的原石。鉭鐵礦(Fe, Mn)Ta2O6是最重要的鉭原石。鉭鐵礦的結構和鈳鐵礦(Fe, Mn) (Ta, Nb)2O6相同。如果礦物中的鉭比鈮更多,則稱鉭鐵礦,相反則稱鈳鐵礦(或鈮鐵礦)。鉭及其礦物的密度都很高,所以最適宜用重力分離方法進行萃取。其他含鉭礦物還有鈮釔礦褐釔鈮礦等等。

鉭的開採主要集中在澳洲,環球卓越金屬(Global Advanced Metals)在西澳大利亞擁有兩座礦場,一座位於西南部格林布什,另一座位於皮爾布拉地區的沃吉納。[27]巴西加拿大是鈮的主要產國,當地的礦石開採也會產出少量的鉭元素。另外,中國埃塞俄比亞莫桑比克也是重要的鉭產國。鉭在泰國馬來西亞開採過程的副產品。[10][28]未來估計最大的鉭來源依次為:沙特阿拉伯埃及格林蘭、中國、莫桑比克、加拿大、澳洲、美國、芬蘭及巴西。[29][30]

鈳鐵礦和鉭鐵礦合稱鈳鉭鐵礦[31]中非有一定的存量。第二次剛果戰爭就與此有關。根據2003年10月23日的一份聯合國報告,[32]鈳鉭鐵礦的走私和運輸使得當地戰爭得以持續。該戰爭自1998年以來已導致約540萬人死亡,[33]第二次世界大戰以來死傷最為嚴重的軍事衝突。剛果盆地戰地的鈳鉭鐵礦開採所引發的企業道德、人權及環境生態問題成為廣受關注的議題。[34][35][36][37]雖然鈳鉭鐵礦開採對剛果經濟十分重要,但是剛果的鉭產量卻只是世界總產量的很少一部份。根據美國地質調查局的年報告,該地區的鉭產量在2002至2006年期間佔了不到世界總量的1%,在2000及2008年也只達到10%。[28]

根據目前的趨勢預測,所有鉭資源在50年以內會消耗殆盡,因此急需加大回收再用。[38]

生產[编辑]

截止2012年的鉭生產趨勢[39]

鉭從鉭鐵礦中的萃取過程有多個步驟。首先原石在壓碎後經重力分離提高鉭礦物的含量。這一步一般在礦場附近進行。

化學提煉[编辑]

鉭礦石一般含有大量鈮元素,因此兩者都會經提煉後出售。整個濕法冶金過程由淋洗開始,礦石浸溶在氫氟酸硫酸中,產生水溶氫氟化物。這樣就可以把鉭從各種非金屬雜質中分離出來。

Ta2O5 + 14 HF → 2 H2[TaF7] + 5 H2O
Nb2O5 + 10 HF → 2 H2[NbOF5] + 3 H2O

氫氟化鉭和氫氟化鈮可經溶劑提取法從水溶液中提取出來,適用的有機溶劑包括環己酮甲基異丁基酮。這一步會移除各種金屬雜質(如鐵、錳、)的水溶氟化物。通過調節pH值可將鉭從鈮中分離出來。鈮在有機溶劑中需較高的酸度才可溶解,因此在酸度較低的環境下可以輕易地移除。剩餘的純氫氟化鉭溶液在經氨水中和之後,會形成氫氧化鉭(Ta(OH)5),煅燒後產生五氧化二鉭(Ta2O5)。[40]

H2[TaF7] + 5 H2O + 7 NH3 → Ta(OH)5 + 7 NH4F
2 Ta(OH)5 → Ta2O5 + 5 H2O

氫氟化鉭還可以與氟化鉀反應形成七氟鉭酸鉀(K2[TaF7])

H2[TaF7] + 2 KF → K2[TaF7] + 2 HF

它與在800 °C左右的熔融鹽中會發生還原反應,從而製成鉭金屬。[41]

K2[TaF7] + 5 Na → Ta + 5 NaF + 2 KF

更早期的一種分離方法在氫氟化物混合溶液中加入氟化鉀,這種過程叫做德馬里尼亞過程。

H2[TaF7] + 2 KF → K2[TaF7] + 2 HF
H2[NbOF5] + 2 KF → K2[NbOF5] + 2 HF

這樣產生的K2[TaF7]和K2[NbOF5]具有不同的水溶性,所以能利用分離結晶法分開。

電解[编辑]

鉭的電解提煉方法與霍爾-埃魯電解煉鋁法相似。與其不同的是,鉭的電解提煉法的起始氧化物和金屬產物都不是液態,而是固態粉末。這一方法由劍橋大學科學家於1997年發現。他們將少量金屬氧化物置於熔融鹽中,並用電流對其進行還原。陰極是金屬氧化物的粉末,而陽極則由碳組成。電解質是處於1000 °C的熔融鹽。首個利用這種方法的精煉廠可產出全球鉭需求量的3至4%。[42]

加工[编辑]

鉭的焊接必須在氣或氣等惰性環境下進行,以避免空氣中其他氣體對其造成污染。鉭不可軟焊,也很難磨碎,特別是已退火的鉭金屬。已退火的鉭可延展性極高,能輕易製成薄片。[43]

應用[编辑]

電子[编辑]

鉭電解電容

鉭的最大應用是用鉭粉末製成的電子元件,以電容器和大功率電阻器為主。鉭電解電容利用鉭能夠形成氧化物保護層的原理,以壓製成圓球狀的鉭粉末作為其中一塊「偏板」,以其氧化物作為介電質,並以電解質溶液或固體導電體作為另一塊「偏板」。由於介電質層非常薄,所以每單位體積內能夠達到很高的電容。這樣的電容器體積小、重量輕,很適用於作為手提電話電腦以及汽車內的電子元件。[44]

合金[编辑]

鉭可用來製造各種熔點高的可延展合金。這些合金可作為超硬金屬加工工具的材料,以及製造高溫合金,用於噴射引擎、化學實驗器材、核反應爐以及導彈當中。[44][45]鉭具有高可延展性,能夠拉伸成絲。這些鉭絲被用於氣化各種金屬,如。鉭可以抵禦生物體液的侵蝕,又不會刺激組織,所以被廣泛用來製造手術工具和植入體。例如,鉭可以直接與硬組織成鍵,因此不少骨骼植入物都有多孔鉭塗層。[46]

除了氫氟酸和熱硫酸之外,鉭能抵抗幾乎所有酸的腐蝕。因此鉭可以作化學反應容器以及腐蝕性液體導管的材料。氫氯酸加熱過程所用的熱交換線圈就是鉭製的。[47]特高頻無線電發射器電子管的生產用到大量的鉭,鉭可以捕獲電子管中的氧和氮,分別形成氧化物和氮化物,從而保持所需的高真空狀態。[18][47]

其他用途[编辑]

鉭的熔點高,且能抵禦氧化,所以可作真空爐部件的材料。許多抗腐蝕部件都需要用到鉭,包括熱電偶套管、閥體和扣件等等。由於鉭的密度很高,所以錐形裝藥爆炸成形彈頭內層都可用鉭製成。[48]鉭可以大大提升錐形裝藥的裝甲穿透能力。[49][50]氧化鉭可用來製造高折射率相機鏡片玻璃[51]

參考資料[编辑]

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  2. ^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
  3. ^ 「鐽」後亦成為110號化學元素Darmstadtium的中文譯名
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外部鏈接[编辑]