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钽

原子序數為73的化學元素

钽（tǎn）（英语：Tantalum；旧译𫟼[注 1]），是一种化学元素，其化学符号为Ta，原子序数为73，原子量为180.94788 u。其名称“Tantalum”取自希腊神话中的坦塔洛斯。[4]钽是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分。钽的化学活性低，适宜代替铂作实验器材的材料。目前钽的最主要应用为钽质电容，在手提电话、DVD播放机、电子游戏机和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铌一齐出现，一般在钽铁矿、铌铁矿和钶钽铁矿中可以找到。

钽 73Ta
氢（非金属） 氦（惰性气体）
锂（碱金属） 铍（碱土金属） 硼（类金属） 碳（非金属） 氮（非金属） 氧（非金属） 氟（卤素） 氖（惰性气体）
钠（碱金属） 镁（碱土金属） 铝（贫金属） 硅（类金属） 磷（非金属） 硫（非金属） 氯（卤素） 氩（惰性气体）
钾（碱金属） 钙（碱土金属） 钪（过渡金属） 钛（过渡金属） 钒（过渡金属） 铬（过渡金属） 锰（过渡金属） 铁（过渡金属） 钴（过渡金属） 镍（过渡金属） 铜（过渡金属） 锌（过渡金属） 镓（贫金属） 锗（类金属） 砷（类金属） 硒（非金属） 溴（卤素） 氪（惰性气体）
铷（碱金属） 锶（碱土金属） 钇（过渡金属） 锆（过渡金属） 铌（过渡金属） 钼（过渡金属） 锝（过渡金属） 钌（过渡金属） 铑（过渡金属） 钯（过渡金属） 银（过渡金属） 镉（过渡金属） 铟（贫金属） 锡（贫金属） 锑（类金属） 碲（类金属） 碘（卤素） 氙（惰性气体）
铯（碱金属） 钡（碱土金属） 镧（镧系元素） 铈（镧系元素） 镨（镧系元素） 钕（镧系元素） 钷（镧系元素） 钐（镧系元素） 铕（镧系元素） 钆（镧系元素） 铽（镧系元素） 镝（镧系元素） 钬（镧系元素） 铒（镧系元素） 铥（镧系元素） 镱（镧系元素） 镏（镧系元素） 铪（过渡金属） 钽（过渡金属） 钨（过渡金属） 铼（过渡金属） 锇（过渡金属） 铱（过渡金属） 铂（过渡金属） 金（过渡金属） 汞（过渡金属） 铊（贫金属） 铅（贫金属） 铋（贫金属） 钋（贫金属） 砈（类金属） 氡（惰性气体）
钫（碱金属） 镭（碱土金属） 锕（锕系元素） 钍（锕系元素） 镤（锕系元素） 铀（锕系元素） 镎（锕系元素） 钚（锕系元素） 镅（锕系元素） 锔（锕系元素） 锫（锕系元素） 锎（锕系元素） 锿（锕系元素） 镄（锕系元素） 钔（锕系元素） 锘（锕系元素） 铹（锕系元素） 𬬻（过渡金属） 𬭊（过渡金属） 𬭳（过渡金属） 𬭛（过渡金属） 𬭶（过渡金属） 鿏（预测为过渡金属） 𫟼（预测为过渡金属） 𬬭（预测为过渡金属） 鿔（过渡金属） 鿭（预测为贫金属） 𫓧（贫金属） 镆（预测为贫金属） 𫟷（预测为贫金属） 鿬（预测为卤素） 鿫（预测为惰性气体）
铌
↑
钽
↓
𬭊
铪 ← 钽 → 钨
外观
灰蓝色
概况
名称·符号·序数钽（Tantalum）·Ta·73
元素类别过渡金属
族·周期·区5·6·d
标准原子质量180.94788(2)[1]
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）
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
蒸气压
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
钽的原子谱线
杂项
晶体结构体心立方[2]
α-Ta

四方[2]

钽具有四方晶体结构

β-Ta
磁序顺磁性[3]
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
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
178Ta 人造 2.36 小时 β+ 0.888 178Hf
179Ta 人造 1.82 年 ε 0.105 179Hf
180Ta 人造 8.154 小时 ε 0.846 180Hf
β− 0.702 180W
180mTa 0.01201% 稳定，带107粒中子
181Ta 99.98799% 稳定，带108粒中子
182Ta 人造 114.74 天 β− 1.815 182W
183Ta 人造 5.1 天 β− 1.072 183W

历史

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，后改名为铌）。[5]1809年，英国化学家威廉·海德·沃拉斯顿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着另外两种元素。他以希腊神话中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，直到被钨淘汰为止。[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

物理属性

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。钽能抵抗酸的腐蚀，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、含氟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），只有钨、铼、锇和碳的熔点比它更高。

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（空间群为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/mnm，a = 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

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）和钽酸镧（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TaX
5、TaX
4和TaX
3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﹣碲合金会形成准晶体。[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

主条目：钽的同位素

自然产生的钽由两种稳定同位素组成：180mTa（0.012%）和181Ta（99.988%）。180mTa（“m”表示亚稳态）有三种理论预测的衰变方式：内转换至基态180Ta，β衰变成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2.9×1017年。[24]180Ta基态的半衰期只有8小时。180mTa是唯一一种自然产生的同核异构体，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）。[25]

钽可以作为盐弹的“盐”（铬是另一种“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成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。[26]

存量

 
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[27]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和褐钇铌矿等等。

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。[28]巴西和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、埃塞俄比亚和莫桑比克也是重要的钽产国。钽在泰国和马来西亚是锌开采过程的副产品。[10][29]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。[30][31]

钶铁矿和钽铁矿合称钶钽铁矿，[32]在中非有一定的存量。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，[33]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，[34]是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。[35][36][37][38]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分。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%。[29]

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。[39]

生产

 
截止2012年的钽生产趋势[40]

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

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，矿石浸溶在氢氟酸和硫酸中，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和甲基异丁基酮。这一步会移除各种金属杂质（如铁、锰、钛、锆）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。剩余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）。[41]

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

它与钠在800 °C左右的熔融盐中会发生还原反应，从而制成钽金属。[42]

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

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%。[43]

加工

钽的焊接必须在氩气或氦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。[44]

应用

电子

 
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。[45]

合金

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、核反应堆以及导弹当中。[45][46]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，如铝。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。[47]

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。[48]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][48]

其他用途

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，所以锥形装药和爆炸成形弹头内层都可用钽制成。[49]钽可以大大提升锥形装药的装甲穿透能力。[50][51]氧化钽可用来制造高折射率相机镜片玻璃。

[52]

注释

  1. ^ “𫟼”后亦成为110号化学元素Darmstadtium的中文译名

参考资料

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    2    H
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外部链接

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