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钽

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维基百科，自由的百科全书

钽 73Ta
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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

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。

历史

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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

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物理属性

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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电子

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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

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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

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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

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

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