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钽   73Ta
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鉝(预测为贫金属)
Ts(预测为卤素)
Og(预测为惰性气体)




𬭊
外观
灰蓝色


钽的谱线(400 nm至700 nm)
概况
名称·符号·序数 钽(Tantalum)·Ta·73
元素类别 过渡金属
·周期· 5 ·6·d
标准原子质量 180.94788
电子排布

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

钽的电子层(2, 8, 18, 32, 11, 2)
历史
发现 安德斯·古斯塔夫·埃克贝格(1802年)
证明为化学元素 海因里希·罗泽(1844年)
物理性质
物态 固体
密度 (接近室温
16.69 g·cm−3
熔点时液体密度 15 g·cm−3
熔点 3290 K,3017 °C,5463 °F
沸点 5731 K,5458 °C,9856 °F
熔化热 36.57 kJ·mol−1
汽化热 732.8 kJ·mol−1
比热容 25.36 J·mol−1·K−1

蒸汽压

压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温/K 3297 3597 3957 4395 4939 5634
原子性质
氧化态 5, 4, 3, 2, -1(微酸性氧化物)
电负性 1.5(鲍林标度)
电离能

第一:761 kJ·mol−1

第二:1500 kJ·mol−1
原子半径 146 pm
共价半径 170±8 pm
杂项
晶体结构

体心立方[1]


α-Ta

四方[1]

钽具有四方晶体结构

β-Ta
磁序 顺磁性[2]
电阻率 (20 °C)131 n Ω·m
热导率 57.5 W·m−1·K−1
膨胀系数 (25 °C)6.3 µm·m−1·K−1
声速(细棒) (20 °C)3400 m·s−1
杨氏模量 186 GPa
剪切模量 69 GPa
体积模量 200 GPa
泊松比 0.34
莫氏硬度 6.5
维氏硬度 873 MPa
布氏硬度 800 MPa
CAS号7440-25-7
最稳定同位素

主条目:钽的同位素

同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰变
方式 能量MeV 产物
177Ta 人造 56.56小时 ε 1.166 177Hf
178Ta 人造 2.36小时 ε 1.910 178Hf
179Ta 人造 1.82年 ε 0.110 179Hf
180Ta 人造 8.125小时 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% 稳定,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,旧译作𫟼[3])是一种化学元素,符号为Ta原子序为73。其名称“Tantalum”取自希腊神话中的坦塔洛斯[4]钽是一种坚硬蓝灰色的稀有过渡金属,抗腐蚀能力极强。钽属于难熔金属,常作为合金的次要成份。钽的化学活性低,适宜代替作实验器材的材料。目前钽的最主要应用为钽电容,在手提电话DVD播放机电子游戏机电脑等电子器材中都有用到。钽在自然中一定与化学性质相近的一齐出现,一般在钽铁矿铌铁矿钶钽铁矿中可以找到。

历史[编辑]

1802年,安德斯·古斯塔夫·埃克贝格(Anders Gustaf Ekeberg)在瑞典发现了钽元素。一年之前,查理斯·哈契特发现钶元素(Columbium,后改名为)。[5]1809年,英国化学家威廉·海德·沃拉斯顿(William Hyde Wollaston)对钽和钶的氧化物进行了对比,虽然得出不同的密度值,但他认为两者是完全相同的物质。[6]德国化学家弗里德里希·维勒其后证实了这一结果,因此人们以为钽和钶是同一种元素。另一德国化学家海因里希·罗泽(Heinrich Rose)在1846年驳斥这一结论,并称原先的钽铁矿样本中还存在著另外两种元素。他以希腊神话坦塔洛斯的女儿尼俄伯(Niobe,泪水女神)和儿子珀罗普斯(Pelops)把这两种元素分别命名为“Niobium”和“Pelopium”。[7][8]后者其实是钽和铌的混合物,而前者则与先前哈契特所发现的钶相同。

1864年,克利斯蒂安·威廉·布隆斯特兰(Christian Wilhelm Blomstrand)、[9]亨利·爱丁·圣克莱尔·德维尔和路易·约瑟夫·特罗斯特(Louis Joseph Troost)明确证明了钽和铌是两种不同的化学元素,并确定了一些相关化合物的化学公式。[9][10]瑞士化学家让-夏尔·加利萨·德马里尼亚(Jean Charles Galissard de Marignac)[11]在1866年进一步证实除钽和铌以外别无其他元素。然而直到1871年还有科学家发表有关第三种元素“Ilmenium”的文章。[12]1864年,德马里尼亚在氢气环境中加热氯化钽,从而经还原反应首次制成钽金属。[13]早期炼成的钽金属都含有较多的杂质。维尔纳·冯·博尔顿(Werner von Bolton)在1903年首次制成纯钽金属。钽曾被用作电灯泡灯丝,直到被淘汰为止。[14]

科学家最早使用分层结晶法把钽(七氟钽酸钾)从铌(一水合五氟氧铌酸钾)中提取出来。这一方法由德马里尼亚于1866年发现。今天科学家所用的则是对含氟化物的钽溶液进行溶剂萃取法。[10]

性质[编辑]

物理属性[编辑]

钽是一种灰蓝色[15]高密度坚硬金属,具高延展性、导热性和导电性。钽能抵抗的腐蚀,它在150 °C以下甚至能够抵抗王水的侵蚀。能够溶解钽的物质包括:氢氟酸、含离子和三氧化硫的酸性溶液以及氢氧化钾溶液。钽的熔点高达3017 °C(沸点5458 °C),只有的熔点比它更高。

钽有两种晶体相,分别称为α和β。其中α态柔软,具延展性,晶体结构为体心立方空间群Im3m,晶格常数a = 0.33058 nm),努普硬度为200至400 HN,电阻率为15至60 µΩ⋅cm。β态则坚硬易碎,晶体结构属于四方晶系(空间群为P42/mnma = 1.0194 nm,c = 0.5313 nm),努普硬度为1000至1300 HN,电阻率为170至210 µΩ⋅cm。β态是一种亚稳态,在加温至750至775 °C后会转变为α态。钽金属块几乎完全由α态晶体组成,β态通常以薄片形式存在,可经磁控溅射化学气相沉积或从共晶液态盐电化学沉积而得。[16]

化学属性[编辑]

钽可以形成氧化态为+5和+4的氧化物,分别为五氧化二钽(Ta2O5)和二氧化钽(TaO2),[17]其中五氧化二钽较为稳定。[17]五氧化二钽可以用来合成多种钽化合物,过程包括将其溶解在碱性氢氧化物溶液中,或与另一种金属氧化物一同熔化。如此形成的物质有钽酸锂(LiTaO3)和钽酸(LaTaO4)等。在钽酸锂中,钽酸离子TaO
3
并不出现,这其实代表TaO7−
6
所形成的八面体钙钛矿骨架结构。钽酸镧则含有单个TaO3−
4
四面体基。[17]

氟化钽可以用来从铌当中分离出钽元素。[18]钽的卤化物可以有+5、+4和+3氧化态,分别对应TaX5TaX4TaX3型的化合物,另外还存在多核配合物以及亚化学计量化合物。[17][19]五氟化钽(TaF5)是一种白色固体,熔点为97.0 °C;五氯化钽(TaCl5)也是白色固体,熔点为247.4 °C。五氯化钽可以被水解,且在高温下可与更多的钽反应,形成吸湿性很强、呈黑色的四氯化钽(TaCl4)。钽的五卤化物可以用氢还原成三卤化物,但无法进一步还原成二卤化物。[17]钽﹣合金会形成准晶体[17]2008年一份文章表示存在氧化态为−1的钽化合物。[20]

与其他难熔金属一样,最坚硬的钽化合物是其氮化物和碳化物。碳化钽(TaC)与碳化钨相似,都是十分坚硬的陶瓷材料,常被用于制造切割工具。氮化钽(III)在某些微电子生产过程中被用作薄膜绝缘体。[21]美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的化学家研发出了一种碳化钽﹣石墨复合材料,这是人们已知最坚硬的物质之一。韩国科学家研发了一种比常见钢合金强2至3倍的无定形钽﹣钨﹣碳合金,其柔韧度也比钢更高。[22]铝化钽有两种:TaAl3和Ta3Al。两者均稳定、耐火、反射率高,因此有可能可用作红外线反射镜涂层。[23]

同位素[编辑]

自然产生的钽由两种同位素组成:180mTa(0.012%)和181Ta(99.988%)。181Ta是一种稳定同位素。180mTa(“m”表示亚稳态)有三种理论预测的衰变方式: 内转换基态180Ta,β衰变180W,或经电子捕获形成180Hf。不过,尚未有实验证明该同核异构体具有放射性。其半衰期至少有1015年。180Ta基态的半衰期只有8小时。180mTa是唯一一种自然产生的钽同核异构体,也是全宇宙最稀有的同位素(经其他元素衰变产生及宇宙射线产生的短寿命同核异构体除外)。[24]

钽可以作为盐弹的“盐”(是另一种“盐”)。盐弹是一种假想的大杀伤力核武器。其外层(所谓的盐)由181Ta组成,会因内部核弹爆炸所产生的高能中子流而嬗变182Ta。这一同位素的半衰期为114.4天,衰变时产生112万电子伏特(即1.12 MeV)的伽马射线。这可大大加强爆炸后数月之内辐射落尘的危害性。这种盐弹从未投入生产或测试,也因而未曾在战争中使用过。[25]

存量[编辑]

澳洲皮尔布拉地区开采的钽铁矿

钽在地球地壳中的含量依重量计约为百万分之1[26]至2[19]。钽矿物有许多种,其中钽铁矿细晶石、锡锰钽矿、黑稀金矿复稀金矿等可作为工业钽开采的原石。钽铁矿(Fe, Mn)Ta2O6是最重要的钽原石。钽铁矿的结构和钶铁矿(Fe, Mn) (Ta, Nb)2O6相同。如果矿物中的钽比铌更多,则称钽铁矿,相反则称钶铁矿(或铌铁矿)。钽及其矿物的密度都很高,所以最适宜用重力分离方法进行萃取。其他含钽矿物还有铌钇矿褐钇铌矿等等。

钽的开采主要集中在澳洲,环球卓越金属(Global Advanced Metals)在西澳大利亚拥有两座矿场,一座位于西南部格林布什,另一座位于皮尔布拉地区的沃吉纳。[27]巴西加拿大是铌的主要产国,当地的矿石开采也会产出少量的钽元素。另外,中国埃塞俄比亚莫桑比克也是重要的钽产国。钽在泰国马来西亚开采过程的副产品。[10][28]未来估计最大的钽来源依次为:沙特阿拉伯埃及格林兰、中国、莫桑比克、加拿大、澳洲、美国、芬兰及巴西。[29][30]

钶铁矿和钽铁矿合称钶钽铁矿[31]中非有一定的存量。第二次刚果战争就与此有关。根据2003年10月23日的一份联合国报告,[32]钶钽铁矿的走私和运输使得当地战争得以持续。该战争自1998年以来已导致约540万人死亡,[33]第二次世界大战以来死伤最为严重的军事冲突。刚果盆地战地的钶钽铁矿开采所引发的企业道德、人权及环境生态问题成为广受关注的议题。[34][35][36][37]虽然钶钽铁矿开采对刚果经济十分重要,但是刚果的钽产量却只是世界总产量的很少一部份。根据美国地质调查局的年报告,该地区的钽产量在2002至2006年期间占了不到世界总量的1%,在2000及2008年也只达到10%。[28]

根据目前的趋势预测,所有钽资源在50年以内会消耗殆尽,因此急需加大回收再用。[38]

生产[编辑]

截止2012年的钽生产趋势[39]

钽从钽铁矿中的萃取过程有多个步骤。首先原石在压碎后经重力分离提高钽矿物的含量。这一步一般在矿场附近进行。

化学提炼[编辑]

钽矿石一般含有大量铌元素,因此两者都会经提炼后出售。整个湿法冶金过程由淋洗开始,矿石浸溶在氢氟酸硫酸中,产生水溶氢氟化物。这样就可以把钽从各种非金属杂质中分离出来。

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

氢氟化钽和氢氟化铌可经溶剂提取法从水溶液中提取出来,适用的有机溶剂包括环己酮甲基异丁基酮。这一步会移除各种金属杂质(如铁、锰、)的水溶氟化物。通过调节pH值可将钽从铌中分离出来。铌在有机溶剂中需较高的酸度才可溶解,因此在酸度较低的环境下可以轻易地移除。剩馀的纯氢氟化钽溶液在经氨水中和之后,会形成氢氧化钽(Ta(OH)5),煅烧后产生五氧化二钽(Ta2O5)。[40]

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

氢氟化钽还可以与氟化钾反应形成七氟钽酸钾(K2[TaF7])

H2[TaF7] + 2 KF → K2[TaF7] + 2 HF

它与在800 °C左右的熔融盐中会发生还原反应,从而制成钽金属。[41]

K2[TaF7] + 5 Na → Ta + 5 NaF + 2 KF

更早期的一种分离方法在氢氟化物混合溶液中加入氟化钾,这种过程叫做德马里尼亚过程。

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

这样产生的K2[TaF7]和K2[NbOF5]具有不同的水溶性,所以能利用分离结晶法分开。

电解[编辑]

钽的电解提炼方法与霍尔-埃鲁电解炼铝法相似。与其不同的是,钽的电解提炼法的起始氧化物和金属产物都不是液态,而是固态粉末。这一方法由剑桥大学科学家于1997年发现。他们将少量金属氧化物置于熔融盐中,并用电流对其进行还原。阴极是金属氧化物的粉末,而阳极则由碳组成。电解质是处于1000 °C的熔融盐。首个利用这种方法的精炼厂可产出全球钽需求量的3至4%。[42]

加工[编辑]

钽的焊接必须在气或气等惰性环境下进行,以避免空气中其他气体对其造成污染。钽不可软焊,也很难磨碎,特别是已退火的钽金属。已退火的钽可延展性极高,能轻易制成薄片。[43]

应用[编辑]

电子[编辑]

钽电解电容

钽的最大应用是用钽粉末制成的电子元件,以电容器和大功率电阻器为主。钽电解电容利用钽能够形成氧化物保护层的原理,以压制成圆球状的钽粉末作为其中一块“偏板”,以其氧化物作为介电质,并以电解质溶液或固体导电体作为另一块“偏板”。由于介电质层非常薄,所以每单位体积内能够达到很高的电容。这样的电容器体积小、重量轻,很适用于作为手提电话电脑以及汽车内的电子元件。[44]

合金[编辑]

钽可用来制造各种熔点高的可延展合金。这些合金可作为超硬金属加工工具的材料,以及制造高温合金,用于喷射引擎、化学实验器材、核反应炉以及导弹当中。[44][45]钽具有高可延展性,能够拉伸成丝。这些钽丝被用于气化各种金属,如。钽可以抵御生物体液的侵蚀,又不会刺激组织,所以被广泛用来制造手术工具和植入体。例如,钽可以直接与硬组织成键,因此不少骨骼植入物都有多孔钽涂层。[46]

除了氢氟酸和热硫酸之外,钽能抵抗几乎所有酸的腐蚀。因此钽可以作化学反应容器以及腐蚀性液体导管的材料。氢氯酸加热过程所用的热交换线圈就是钽制的。[47]特高频无线电发射器电子管的生产用到大量的钽,钽可以捕获电子管中的氧和氮,分别形成氧化物和氮化物,从而保持所需的高真空状态。[18][47]

其他用途[编辑]

钽的熔点高,且能抵御氧化,所以可作真空炉部件的材料。许多抗腐蚀部件都需要用到钽,包括热电偶套管、阀体和扣件等等。由于钽的密度很高,所以锥形装药爆炸成形弹头内层都可用钽制成。[48]钽可以大大提升锥形装药的装甲穿透能力。[49][50]氧化钽可用来制造高折射率相机镜片玻璃

[51]

参考资料[编辑]

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    4
    (C
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    H
    4
    )2-
    ] and the Negative-Oxidation-State Species [TaEt
    4
    (C
    2
    H
    4
    )3-
    3
    ] and [WH(C
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    H
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外部链接[编辑]