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下級欄目:

(Tantalum),金屬元素,主要存在于鉭鐵礦中,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。其熱膨脹系數很小。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??捎脕碇圃煺舭l器皿等,也可做電子管的電極、整流器、電解電容。醫療上用來制成薄片或細線,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于表面生成穩定的五氧化二鉭(Ta2O5)保護膜。
鉭的性質
  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:(cm3/mol)10.90
  元素在海水中的含量:(ppm)0.000002
  地殼中含量: (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°
  β = 90°
  γ = 90°
  維氏硬度(電弧熔煉并冷作硬化):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℃
        沸點5425°C
        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
鉭元素概述
  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。
  鉭是由瑞典化學家??素惱?(A.G.Ekeberg)在1802年發現的,按希臘神話人物Tantalus(坦塔羅斯)的名字命名為 tantalum。1903年德國化學家博爾頓(W.von Bolton)首次制備了塑性金屬鉭用作燈絲材料。1940年大容量的鉭電容器出現,并在軍用通信中廣泛應用。第二次世界大戰期間,鉭的需要量劇增。50年代以后,由于鉭在電容器、高溫合金、化工和原子能工業中的應用不斷擴大,需要量逐年上升,促進了鉭的提取工藝的研究和生產的發展。中國于60年代初期建立了鉭的冶金工業。
  鉭的硬度較低,并與含氧量相關,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,僅次于碳,鎢,錸和鋨,位居第五。鉭富有延展性,可以拉成細絲式制薄箔。其熱膨脹系數很小。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,只有在高于此溫度才會有反應,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。但是鉭更害怕強堿,在110度40%濃度的燒堿溶液里,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,對堿溶液、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,鉭對干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。
鉭元素應用
  鉭所具有的特性,使它的應用領域十分廣闊。在制取各種無機酸的設備中,鉭可用來替代不銹鋼,壽命可比不銹鋼提高幾十倍。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。 鉭被制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,美國國防部后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*:元素的特征濃度(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
鉭資源簡介
  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,因此共生于自然界的礦物中。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。鈮主要用于制造碳鋼、超級合金、高強度低合金鋼、不銹鋼、抗熱鋼及合金鋼;鉭則主要用于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復雜,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,扎伊爾占首位。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%用于生產鉭電容器。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,可開采儲量超過4.3萬噸。2004年,世界鉭開采量為1510噸, 其中,澳大利亞730噸,莫桑比克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應用領域。如果按儲量基礎24000噸計算,也只能保證24年的需求。盡管如此,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;硅、鍺、銫可在電子儀器用途上,代替鉭制造整流器等。
鉭性質用途
  鉭的線脹系數在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。
  在低于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。在室溫下與濃堿溶液反應,并且溶于熔融堿中。致密的鉭在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;在高于2000℃和高真空下,被吸收的氮又從鉭中析出。鉭與碳在高于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,在高于250℃時能與其他鹵素反應,生成鹵化物。
鉭元素用途
  鉭在酸性電解液中形成穩定的陽極氧化膜,用鉭制成的電解電容器,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。鉭也是制作電子發射管、高功率電子管零件的材料。鉭制的抗腐蝕設備用于生產強酸、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、導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件、熱屏蔽、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”。碳化鉭用于制造硬質合金。鉭的硼化物、硅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。氧化鉭用于制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%。
鉭制備方法
  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,凈化和分離鉭、鈮,以制取鉭、鈮的純化合物,最后制取金屬。
  礦石分解可采用氫氟酸分解法、氫氧化鈉熔融法和氯化法等。鉭鈮分離可采用溶劑萃取法〔常用的萃取劑為甲基異丁基酮(MIBK)、磷酸三丁酯(TBP)、仲辛醇和乙酰胺等〕、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于浸出液中,同時鐵、錳、鈦、鎢、硅等伴生元素也溶于浸出液中,形成成分很復雜的強酸性溶液。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并,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后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。反萃取鉭后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淀。鉭或鈮的氫氧化物在900~1000℃下煅燒生成鉭或鈮的氧化物。
  鉭的制?。?br />  ?、俳饘巽g粉可采用金屬熱還原(鈉熱還原)法制取。在惰性氣氛下用金屬鈉還原氟鉭酸鉀:K2TaF7+5Na─→Ta+5NaF+2KF。反應在不銹鋼罐中進行,溫度加熱到900℃時,還原反應迅速完成。此法制取的鉭粉,粒形不規則,粒度細,適用于制作鉭電容器。金屬鉭粉亦可用熔鹽電解法制?。河梅g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)溶于其中,在750℃下電解,可得到純度為99.8~99.9%的鉭粉。
 ?、谟锰紵徇€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于1800~2000℃下制成碳化鉭(TaC),然后再將TaC和Ta2O5按一定配比制成混合物真空還原成金屬鉭。金屬鉭還可采用熱分解或氫還原鉭的氯化物的方法制取。致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制備。高純度鉭單晶用無坩堝電子束區域熔煉法制取。

 

 

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