鉭(金屬元素)

鉭 Ta，金屬元素，主要存在於鉭鐵礦中，同鈮共生。鉭的硬度適中，富有延展性，可以拉成細絲式制薄箔。其熱膨脹係數很小。鉭有非常出色的化學性質，具有極高的抗腐蝕性。無論是在冷和熱的條件下，對鹽酸、濃硝酸及“王水”都不反應。可用來製造蒸發器皿等，也可做電子管的電極、整流器、電解電容。醫療上用來製成薄片或細線，縫補破壞的組織。雖然鉭的抗腐蝕性很強，但是其抗腐蝕性是由於表面生成穩定的五氧化二鉭（Ta2O5）保護膜。

基本介紹

• 中文名：鉭
• 外文名：Tantalum
• 元素符號：Ta
• 相對原子質量：180.9479
• 元素類型：金屬元素
• 原子序數：73
• 熔點：2996°C 
• 沸點：5425°C
• 系列：過度金屬

發展歷程

發現歷史

17世紀中葉，在北美洲發現的一種很重的黑色礦物質（鉭的密度為16.68g/cm³），送到了英國博物館保管。過了約150年，直至1801年，英國化學家查理斯·哈契特(C.Hatchett，1765-1847)接受了英國博物館的這種礦石的分析任務，從其中發現了一種新元素並把它命名為鈳元素(Columbium，後改名為鈮)，這是為了紀念該礦物質最早被發現的地方--哥倫比亞。

1802 年，瑞典化學家安德斯·古斯塔夫·埃克伯格(A.G.Ekaberg，1767-1813)在分析斯堪的那維亞半島的一種礦物(鈮鉭礦)時，使它們的酸生成氟化復鹽後，進行再結晶，從而發現了新元素，他參照希臘神話中宙斯神的兒子坦塔拉斯(Tantalus)的名字，將這個元素命名為Tantalum（鉭）。

由於鈳和鉭的性質非常相似，人們曾一度認為它們是同一種元素。1809年，英國化學家威廉·海德·沃拉斯頓(William Hyde Wollaston)對鉭和鈳的氧化物分別做了對比，雖然得出不同的密度值，但他認為兩者是完全相同的物質。

到1844年，德國化學家羅塞(Heinrich Rose,1795-1864)，駁斥鉭和鈳是同種元素的結論，並通過化學方法判明了它們是兩種不同的元素。他以希臘神話中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"。

1864年，克利斯蒂安·威廉·布隆斯特蘭(Christian Wilhelm Blomstrand)、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。

同年，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。早期煉成的鉭金屬都含有較多的雜質。Werner von Bolton在1903年首次製成純鉭金屬。

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。

發展歷史

鉭雖然在19世紀初就已被發現了，但直到1903年才制出了金屬鉭，1922年開始工業生產鉭。因此，世界鉭工業的發展始於20世紀20年代，中國鉭工業始於1956年。

美國是世界上最早開始生產鉭的國家，1922年開始工業規模生產金屬鉭。日本和其他資本主義國家均是從20世紀50年代末或60年代初開始發展鉭工業的。經過幾十年的發展，世界鉭工業生產已經達到了相當高的水平。20世紀90年代以來，較有規模的鉭產品生產企業有美國Cabot 集團（美國Cabot、日本昭和Cabot）、德國HCST集團（德國HCST、美國NRC、日本V-Tech、泰國TTA）和中國寧夏東方鉭業股份有限公司三大集團，這三大集團生產的鉭產品占世界總量的80%以上。國外鉭工業的產品、工藝技術和裝備水平普遍都很高，適應了世界科技高速發展的需要。

中國鉭工業始於20世紀60年代。中國初期鉭冶煉、加工生產規模、技術水平、產品檔次和質量狀況與已開發國家比較相差甚遠。自90年代，特別是1995年以來，中國鉭生產套用呈現出快速發展的態勢，如今，中國鉭工業已實現了“從小到大、從軍到民、從內到外”的轉變，形成了世界唯一的從採礦、冶煉、加工到套用的工業體系，高、中、低端產品全方位的進入了國際市場，中國成為世界鉭冶煉加工第三強國，進入世界鉭工業大國的行列。

物理性質

化學符號Ta，鋼灰色金屬，在元素周期表中屬VB族，原子序數73，原子量180.9479，體心立方晶體，常見化合價為+5。鉭的硬度較低，並與含氧量相關，普通純鉭，退火態的維氏硬度僅有140HV。它的熔點高達2995℃，在單質中，僅次於碳，鎢，錸和鋨，位居第五。鉭富有延展性，可以拉成細絲式制薄箔。其熱膨脹係數很小。每升高一攝氏度只膨脹百萬分之六點六。除此之外，它的韌性很強，比銅還要優異。

鉭的性質

CAS號：7440-25-7

系列：過渡金屬。

相對原子質量：180.947 88 (12C = 12.0000)

密度16650 kg/m3 16.654 g/cm3

硬度6.5

元素分區5族,6,d

顏色： 藍灰色

價電子排布：[氙]4f5d6s

原子體積:(立方厘米/摩爾)

10.90

元素在海水中的含量:(ppm)0.000002

地殼中含量： 1（ppm）

2

氧化態：

Main Ta+5

Other Ta-3, Ta-1, Ta+1, Ta+2, Ta+3

晶體結構：晶胞為體心立方晶胞，每個晶胞含有2個金屬原子。

晶胞參數：

a = 330.13 pm

b = 330.13 pm

c = 330.13 pm

α = 90°

鉭條

β = 90°

γ = 90°

維氏硬度（電弧熔煉並冷作硬化）：230HV

維氏硬度（再結晶退火）：140HV

維氏硬度（經一次電子束熔煉）：70HV

維氏硬度（經二次電子束熔煉）：45-55HV

熔點：2995℃

聲音在其中的傳播速率：（m/S） 3400

電離能 (kJ /mol)

M - M+ 761

M+ - M2+ 1500

M2+ - M3+ 2100 　M3+ - M4+ 3200

M4+ - M5+ 4300

鉭電容

發現人：1802年由瑞典化學家安德斯·古斯塔法·埃克博格發現。

元素命名： 埃克博格根據古希臘神話中中第比斯城皇后尼奧比的父親坦塔羅斯的名字命名了該元素。

來源：主要存在於鉭鐵礦中，同鈮共生。

還可以用做電子元件的電容。

化學性質

鉭還有非常出色的化學性質，具有極高的抗腐蝕性，無論是在冷和熱的條件下，對鹽酸、濃硝酸及“王水”都不反應。但鉭在熱的濃硫酸中能被腐蝕，在150℃以下，鉭不會被濃硫酸腐蝕，只有在高於此溫度才會有反應，在175度的濃硫酸中1年，被腐蝕的厚度為0.0004毫米，將鉭放入200℃的硫酸中浸泡一年，表層僅損傷0.006毫米。在250度時，腐蝕速度有所增加，為每年被腐蝕的厚度為0.116毫米，在300度時，被腐蝕的速度則更加快，浸泡1年，表面被腐蝕1.368毫米。在發煙硫酸（含15%的SO3）腐蝕速度比濃硫酸中更加嚴重，在130度的該溶液里浸泡1年，表面被腐蝕的厚度為15.6毫米。鉭在高溫下也會被磷酸腐蝕，但該反應一般在150度以上才發生，在250度的85%的磷酸中，浸泡1年，表面被腐蝕20毫米，另外，鉭在氫氟酸和硝酸的混酸中能迅速溶解，在氫氟酸中也能被溶解。但是鉭更害怕強鹼，在110度40%濃度的燒鹼溶液里，鉭會被迅速溶解，在同樣濃度的氫氧化鉀溶液中，只要100度就會被迅速溶解。除上面所述情況外，一般的無機鹽在150度以下一般不能腐蝕鉭。實驗證明，鉭在常溫下，對鹼溶液、氯氣、溴水、稀硫酸以及其他許多藥劑均不起作用，僅在氫氟酸和熱濃硫酸作用下有所反應。這樣的情況在金屬中是比較罕見的。

但高溫下，鉭表面的氧化膜被破壞，因此能與多種物質反應，常溫下鉭能與氟反應。在150度時，鉭對氯溴碘均呈惰性，在250度時，鉭對乾燥的氯氣仍然有抗腐蝕能力，在含有水蒸氣的氯氣中加熱到400度，仍然能保持光亮，在500度則開始被腐蝕，在300度以上鉭與溴反應，對碘蒸汽則當溫度達到赤熱之前均呈惰性。氯化氫在410度時和鉭反應，生產五氯化物，溴化氫則在375度與鉭反應。當加熱到200度或者更低的溫度下，S能與Ta作用，碳及烴類在800-1100度與鉭作用。

製備方法

冶煉方法：鉭鈮礦中常伴有多種金屬，鉭冶煉的主要步驟是分解精礦，淨化和分離鉭、鈮，以製取鉭、鈮的純化合物，最後製取金屬。

礦石分解可採用氫氟酸分解法、氫氧化鈉熔融法和氯化法等。鉭鈮分離可採用溶劑萃取法〔常用的萃取劑為甲基異丁基酮(MIBK)、磷酸三丁酯(TBP)、仲辛醇和乙醯胺等〕、分步結晶法和離子交換法。

分離：首先將鉭鈮鐵礦的精礦用氫氟酸和硫酸分解鉭和鈮呈氟鉭酸和氟鈮酸溶於浸出液中，同時鐵、錳、鈦、鎢、矽等伴生元素也溶於浸出液中，形成成分很複雜的強酸性溶液。鉭鈮浸出液用甲基異丁基酮萃取鉭鈮同時萃入有機相中,用硫酸溶液洗滌有機相中的微量雜質，得到純的含鉭鈮的有機相洗液和萃余液合併,其中含有微量鉭鈮和雜質元素，是強酸性溶液，可綜合回收。純的含鉭鈮的有機相用稀硫酸溶液反萃取鈮得到含鉭的有機相。鈮和少量的鉭進入水溶液相中然後再用甲基異丁基酮萃取其中的鉭,得到純的含鈮溶液。純的含鉭的有機相用水反萃取就得到純的含鉭溶液。反萃取鉭後的有機相返回萃取循環使用。純的氟鉭酸溶液或純的氟鈮酸溶液同氟化鉀或氯化鉀反應分別生成氟鉭酸鉀(K2TaF7)和氟鈮酸鉀(K2NbF7)結晶，也可與氫氧化銨反應生成氫氧化鉭或氫氧化鈮沉澱。鉭或鈮的氫氧化物在900～1000℃下煅燒生成鉭或鈮的氧化物。

鉭的製取：

①金屬鉭粉可採用金屬熱還原（鈉熱還原）法製取。在惰性氣氛下用金屬鈉還原氟鉭酸鉀：K2TaF7+5Na─→Ta+5NaF+2KF。反應在不鏽鋼罐中進行，溫度加熱到900℃時,還原反應迅速完成。此法製取的鉭粉，粒形不規則，粒度細，適用於製作鉭電容器。金屬鉭粉亦可用熔鹽電解法製取：用氟鉭酸鉀、氟化鉀和氯化鉀混合物的熔鹽做電解質把五氧化二鉭(Ta2O5)溶於其中，在750℃下電解,可得到純度為99.8～99.9%的鉭粉。

②用碳熱還原Ta2O5亦可得到金屬鉭。還原一般分兩步進行:首先將一定配比的Ta2O5和碳的混合物在氫氣氛中於1800～2000℃下製成碳化鉭(TaC)，然後再將TaC和Ta2O5按一定配比製成混合物真空還原成金屬鉭。金屬鉭還可採用熱分解或氫還原鉭的氯化物的方法製取。緻密的金屬鉭可用真空電弧、電子束、等離子束熔煉或粉末冶金法製備。高純度鉭單晶用無坩堝電子束區域熔煉法製取。

用途

鉭所具有的特性，使它的套用領域十分廣闊。在製取各種無機酸的設備中，鉭可用來替代不鏽鋼，壽命可比不鏽鋼提高几十倍。此外，在化工、電子、電氣等工業中，鉭可以取代過去需要由貴重金屬鉑承擔的任務，使所需費用大大降低。 鉭被製造成了電容裝備到軍用設備中。美國的軍事工業異常發達，是世界最大軍火出口商。世界上鉭金屬的產量一半被用在鉭電容的生產上，美國國防部後勤署則是鉭金屬最大的擁有者，曾一度買斷了世界上三分之一的鉭粉。

主要吸收線及其主要參數：

λ/nm	f	W	F	S*	CL	G
271.5	0.055	0.2	N-A	30		1.0
260.9(D)		0.2	N-A	23		2.1
265.7		0.2	N-A			2.5
293.4		0.2	N-A			2.5
255.9		0.2	N-A			2.5
264.8		0.2	N-A			x
265.3		0.2	N-A			2.7
269.8		0.2	N-A			2.7
275.8		0.2	N-A			3.1
277.6		0.2	N-A	58

λ：波長

f：振子強度

W：單色器光譜通帶

N-A（氧化亞氮-乙炔焰）

S*：元素的特徵濃度（1%吸收靈敏度）

CL：元素的檢測極限

R·S：同一元素主要吸收線間的相對靈敏度

F：火焰類型

鉭的線脹係數在0～100℃之間為6.5×10-6K-1，超導轉變臨界溫度為4.38K,原子的熱中子吸收截面為21.3靶恩。

在低於150℃的條件下鉭是化學性質最穩定的金屬之一。與鉭能起反應的只有氟、氫氟酸、含氟離子的酸性溶液和三氧化硫。在室溫下與濃鹼溶液反應，並且溶於熔融鹼中。緻密的鉭在200℃開始輕微氧化，在280℃時明顯氧化。鉭有多種氧化物，最穩定的是五氧化二鉭(Ta2O5)。鉭和氫在250℃以上生成脆性固溶體和金屬氫化物如:Ta2H,TaH,TaH2,TaH3。在800～1200℃的真空下，氫從鉭中析出鉭又恢復塑性。鉭和氮在300℃左右開始反應生成固溶體和氮化合物；在高於2000℃和高真空下，被吸收的氮又從鉭中析出。鉭與碳在高於2800℃下以三種物相存在:碳鉭固溶體、低價碳化物和高價碳化物。鉭在室溫下能與氟反應,在高於250℃時能與其他鹵素反應，生成鹵化物。

鉭在酸性電解液中形成穩定的陽極氧化膜，用鉭製成的電解電容器，具有容量大、體積小和可靠性好等優點，制電容器是鉭的最重要用途，70年代末的用量占鉭總用量2/3以上。鉭也是製作電子發射管、高功率電子管零件的材料。鉭制的抗腐蝕設備用於生產強酸、溴、氨等化學工業。金屬鉭可作飛機發動機的燃燒室的結構材料。鉭鎢、鉭鎢鉿、鉭鉿合金用作火箭、飛彈和噴氣發動機的耐熱高強材料以及控制和調節裝備的零件等。鉭易加工成形，在高溫真空爐中作支撐附屬檔案、熱禁止、加熱器和散熱片等。鉭可作骨科和外科手術材料,例如用鉭條替代人體中的骨頭肌肉還會在鉭條上生長,所以它有一個“親生物金屬”。碳化鉭用於製造硬質合金。鉭的硼化物、矽化物和氮化物及其合金用作原子能工業中的釋熱元件和液態金屬包套材料。氧化鉭用於製造高級光學玻璃和催化劑。1981年鉭在美國各部門的消費比例約為:電子元件73%,機械工業19%，交通運輸6%，其他2%。

資源分布

鉭是稀有金屬礦產資源之一，是電子工業和空間技術發展不可缺少的戰略原料。

鉭和鈮的物理化學性質相似，因此共生於自然界的礦物中。劃分鉭礦或鈮礦主要是根據礦物中鉭和鈮的含量，鈮含量高時稱為鈮礦，鉭含量高時則稱為鉭礦。鈮主要用於製造碳鋼、超級合金、高強度低合金鋼、不鏽鋼、抗熱鋼及合金鋼；鉭則主要用於電子原器件及合金的生產。鉭鈮礦物的賦存形式和化學成分複雜,其中除鉭、鈮外，往往還含有稀土金屬、鈦、鋯、鎢、鈾、釷和錫等。鉭的主要礦物有：鉭鐵礦[(Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6]、重鉭鐵礦(FeTa2O6)、細晶石[(Na,Ca)Ta2O6(O,OH,F)]和黑稀金礦[(Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)2O6]等。煉錫的廢渣中含有鉭，也是鉭的重要資源。已查明世界的鉭儲量(以鉭計)約為134000短噸，薩伊占首位。1979年世界鉭礦物的產量(以鉭計)為 788短噸(1短噸=907.2公斤)。中國從含鉭比較低的礦物中提取鉭的工藝，取得了成就。

電容器是鉭的主要最終消費領域，約占總消費量的60%。美國是鉭消費量最大的國家，1997年消費量達500噸，其中60%用於生產鉭電容器。日本是鉭消費的第二大國，消費量為334噸。21世紀初，隨著電容器生產的發展迅速，市場供不應求。預計，世界鉭電容器的生產量達2.50億件，需消費鉭1000噸。據美國地質調查局的統計，鉭在地殼中的自然儲量為15萬噸，可開採儲量超過4.3萬噸。2004年，世界鉭開採量為1510噸， 其中，澳大利亞730噸，莫三比克280噸，巴西250噸，加拿大69噸，剛果60噸。中國資源量，主要分布在江西、福建、新疆、廣西、湖南等省。從未來發展的需求看，電容器仍是鉭的主要套用領域。如果按儲量基礎24000噸計算，也只能保證24年的需求。儘管如此，鉭資源的前景仍然是看好的。首先，在世界十分豐富的鈮礦床中，伴生有大量的鉭資源。其中，格陵蘭南部加達爾鈮、鉭礦的鉭資源量就達100萬噸。其次，西方已開始利用含Ta2O5 3%以下的大量錫爐渣。此外，代用品的研究和利用也有了很快的發展，如鋁和陶瓷在電容器領域代替鉭；矽、鍺、銫可在電子儀器用途上，代替鉭製造整流器等。