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鉭

原子序數為73的化學元素

鉭（ㄉㄢˋ）（英語：Tantalum；舊譯鐽[註 1]），是一種化學元素，其化學符號為Ta，原子序數為73，原子量為180.94788 u。其名稱「Tantalum」取自希臘神話中的坦塔洛斯。[4]鉭是堅硬藍灰色的稀有過渡金屬，抗腐蝕能力極強。鉭屬於難熔金屬，常作為合金的次要成份。鉭的化學活性低，適宜代替鉑作實驗器材的材料。目前鉭的最主要應用為鉭質電容，在手提電話、DVD播放機、電子遊戲機和電腦等電子器材中都有用到。鉭在自然中一定與化學性質相近的鈮一齊出現，一般在鉭鐵礦、鈮鐵礦和鈳鉭鐵礦中可以找到。

鉭 73Ta
氫（非金屬） 氦（惰性氣體）
鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（惰性氣體）
鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（惰性氣體）
鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（惰性氣體）
銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鎝（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（惰性氣體）
銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鎦（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砈（類金屬） 氡（惰性氣體）
鍅（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 錼（錒系元素） 鈽（錒系元素） 鋂（錒系元素） 鋦（錒系元素） 鉳（錒系元素） 鉲（錒系元素） 鑀（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為惰性氣體）
鈮
↑
鉭
↓
𨧀
鉿 ← 鉭 → 鎢
外觀
灰藍色
概況
名稱·符號·序數鉭（Tantalum）·Ta·73
元素類別過渡金屬
族·週期·區5·6·d
標準原子質量180.94788(2)[1]
電子排布[Xe] 4f14 5d3 6s2
2, 8, 18, 32, 11, 2
鉭的電子層（2, 8, 18, 32, 11, 2）
鉭的電子層（2, 8, 18, 32, 11, 2）
歷史
發現安德斯·古斯塔夫·埃克貝格（1802年）
證明為化學元素海因里希·羅澤（1844年）
物理性質
物態固體
密度（接近室溫）
16.69 g·cm−3
熔點時液體密度15 g·cm−3
熔點3290 K，3017 °C，5463 °F
沸點5731 K，5458 °C，9856 °F
熔化熱36.57 kJ·mol−1
汽化熱732.8 kJ·mol−1
比熱容25.36 J·mol−1·K−1
蒸氣壓
壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 3297 3597 3957 4395 4939 5634
原子性質
氧化態5, 4, 3, 2, -1（微酸性氧化物）
電負性1.5（鮑林標度）
電離能第一：761 kJ·mol−1
第二：1500 kJ·mol−1
原子半徑146 pm
共價半徑170±8 pm
鉭的原子譜線
雜項
晶體結構體心立方[2]
α-Ta

四方[2]

鉭具有四方晶體結構

β-Ta
磁序順磁性[3]
電阻率（20 °C）131 n Ω·m
熱導率57.5 W·m−1·K−1
膨脹係數（25 °C）6.3 µm·m−1·K−1
聲速（細棒）（20 °C）3400 m·s−1
楊氏模量186 GPa
剪切模量69 GPa
體積模量200 GPa
泊松比0.34
莫氏硬度6.5
維氏硬度873 MPa
布氏硬度800 MPa
CAS號7440-25-7
同位素
主條目：鉭的同位素
同位素 豐度 半衰期​（t1/2） 衰變
方式 能量​（MeV） 產物
178Ta 人造 2.36 小時 β+ 0.888 178Hf
179Ta 人造 1.82 年 ε 0.105 179Hf
180Ta 人造 8.154 小時 ε 0.846 180Hf
β− 0.702 180W
180mTa 0.01201% 穩定，帶107粒中子
181Ta 99.98799% 穩定，帶108粒中子
182Ta 人造 114.74 天 β− 1.815 182W
183Ta 人造 5.1 天 β− 1.072 183W

歷史

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1802年，安德斯·古斯塔夫·埃克貝格（Anders Gustaf Ekeberg）在瑞典發現了鉭元素。一年之前，查理斯·哈契特發現鈳元素（Columbium，後改名為鈮）。[5]1809年，英國化學家威廉·海德·沃拉斯頓對鉭和鈳的氧化物進行了對比，雖然得出不同的密度值，但他認為兩者是完全相同的物質。[6]德國化學家弗里德里希·維勒其後證實了這一結果，因此人們以為鉭和鈳是同一種元素。另一德國化學家海因里希·羅澤（Heinrich Rose）在1846年駁斥這一結論，並稱原先的鉭鐵礦樣本中還存在著另外兩種元素。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」。[7][8]後者其實是鉭和鈮的混合物，而前者則與先前哈契特所發現的鈳相同。

1864年，克利斯蒂安·威廉·布隆斯特蘭（Christian Wilhelm Blomstrand）、[9]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式。[9][10]瑞士化學家讓-夏爾·加利薩·德馬里尼亞（Jean Charles Galissard de Marignac）[11]在1866年進一步證實除鉭和鈮以外別無其他元素。然而直到1871年還有科學家發表有關第三種元素「Ilmenium」的文章。[12]1864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。[13]早期煉成的鉭金屬都含有較多的雜質。維爾納·馮·博爾頓（Werner von Bolton）在1903年首次製成純鉭金屬。鉭曾被用作電燈泡燈絲，直到被鎢淘汰為止。[14]

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。[10]

性質

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物理屬性

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鉭是一種灰藍色[15]高密度堅硬金屬，具高延展性、導熱性和導電性。鉭能抵抗酸的腐蝕，它在150 °C以下甚至能夠抵抗王水的侵蝕。能夠溶解鉭的物質包括：氫氟酸、含氟離子和三氧化硫的酸性溶液以及氫氧化鉀溶液。鉭的熔點高達3017 °C（沸點5458 °C），只有鎢、錸、鋨和碳的熔點比它更高。

鉭有兩種晶體相，分別稱為α和β。其中α態柔軟，具延展性，晶體結構為體心立方（空間群為Im3m，晶格常數a = 0.33058 nm），努普硬度為200至400 HN，電阻率為15至60 µΩ⋅cm。β態則堅硬易碎，晶體結構屬於四方晶系（空間群為P42/mnm，a = 1.0194 nm，c = 0.5313 nm），努普硬度為1000至1300 HN，電阻率為170至210 µΩ⋅cm。β態是一種亞穩態，在加溫至750至775 °C後會轉變為α態。鉭金屬塊幾乎完全由α態晶體組成，β態通常以薄片形式存在，可經磁控濺射、化學氣相沉積或從共晶液態鹽電化學沉積而得。[16]

化學屬性

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鉭可以形成氧化態為+5和+4的氧化物，分別為五氧化二鉭（Ta2O5）和二氧化鉭（TaO2），[17]其中五氧化二鉭較為穩定。[17]五氧化二鉭可以用來合成多種鉭化合物，過程包括將其溶解在鹼性氫氧化物溶液中，或與另一種金屬氧化物一同熔化。如此形成的物質有鉭酸鋰（LiTaO3）和鉭酸鑭（LaTaO4）等。在鉭酸鋰中，鉭酸離子TaO−
3並不出現，這其實代表TaO7−
6所形成的八面體鈣鈦礦骨架結構。鉭酸鑭則含有單個TaO3−
4四面體基。[17]

氟化鉭可以用來從鈮當中分離出鉭元素。[18]鉭的鹵化物可以有+5、+4和+3氧化態，分別對應TaX
5、TaX
4和TaX
3型的化合物，另外還存在多核配合物以及亞化學計量化合物。[17][19]五氟化鉭（TaF5）是一種白色固體，熔點為97.0 °C；五氯化鉭（TaCl5）也是白色固體，熔點為247.4 °C。五氯化鉭可以被水解，且在高溫下可與更多的鉭反應，形成吸濕性很強、呈黑色的四氯化鉭（TaCl4）。鉭的五鹵化物可以用氫還原成三鹵化物，但無法進一步還原成二鹵化物。[17]鉭﹣碲合金會形成準晶體。[17]2008年一份文章表示存在氧化態為−1的鉭化合物。[20]

與其他難熔金屬一樣，最堅硬的鉭化合物是其氮化物和碳化物。碳化鉭（TaC）與碳化鎢相似，都是十分堅硬的陶瓷材料，常被用於製造切割工具。氮化鉭(III)在某些微電子生產過程中被用作薄膜絕緣體。[21]美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的化學家研發出了一種碳化鉭﹣石墨複合材料，這是人們已知最堅硬的物質之一。韓國科學家研發了一種比常見鋼合金強2至3倍的無定形鉭﹣鎢﹣碳合金，其柔韌度也比鋼更高。[22]鋁化鉭有兩種：TaAl3和Ta3Al。兩者均穩定、耐火、反射率高，因此有可能可用作紅外線反射鏡塗層。[23]

同位素

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主條目：鉭的同位素

自然產生的鉭由兩種穩定同位素組成：180mTa（0.012%）和181Ta（99.988%）。180mTa（「m」表示亞穩態）有三種理論預測的衰變方式：內轉換至基態180Ta，β衰變成180W，或經電子捕獲形成180Hf。不過，尚未有實驗證明該同核異構體具有放射性。其半衰期至少有2.9×1017年。[24]180Ta基態的半衰期只有8小時。180mTa是唯一一種自然產生的同核異構體，也是全宇宙最稀有的同位素（經其他元素衰變產生及宇宙射線產生的短壽命同核異構體除外）。[25]

鉭可以作為鹽彈的「鹽」（鉻是另一種「鹽」）。鹽彈是一種假想的大殺傷力核武器。其外層（所謂的鹽）由181Ta組成，會因內部核彈爆炸所產生的高能中子流而嬗變成182Ta。這一同位素的半衰期為114.4天，衰變時產生112萬電子伏特（即1.12 MeV）的伽馬射線。這可大大加強爆炸後數月之內輻射落塵的危害性。這種鹽彈從未投入生產或測試，也因而未曾在戰爭中使用過。[26]

存量

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澳洲皮爾布拉地區開採的鉭鐵礦

鉭在地球地殼中的含量依重量計約為百萬分之1[27]至2[19]。鉭礦物有許多種，其中鉭鐵礦、細晶石、錫錳鉭礦、黑稀金礦、複稀金礦等可作為工業鉭開採的原石。鉭鐵礦(Fe, Mn)Ta2O6是最重要的鉭原石。鉭鐵礦的結構和鈳鐵礦(Fe, Mn) (Ta, Nb)2O6相同。如果礦物中的鉭比鈮更多，則稱鉭鐵礦，相反則稱鈳鐵礦（或鈮鐵礦）。鉭及其礦物的密度都很高，所以最適宜用重力分離方法進行萃取。其他含鉭礦物還有鈮釔礦和褐釔鈮礦等等。

鉭的開採主要集中在澳洲，環球卓越金屬（Global Advanced Metals）在西澳大利亞擁有兩座礦場，一座位於西南部格林布什，另一座位於皮爾布拉地區的沃吉納。[28]巴西和加拿大是鈮的主要產國，當地的礦石開採也會產出少量的鉭元素。另外，中國、埃塞俄比亞和莫桑比克也是重要的鉭產國。鉭在泰國和馬來西亞是鋅開採過程的副產品。[10][29]未來估計最大的鉭來源依次為：沙特阿拉伯、埃及、格林蘭、中國、莫桑比克、加拿大、澳洲、美國、芬蘭及巴西。[30][31]

鈳鐵礦和鉭鐵礦合稱鈳鉭鐵礦，[32]在中非有一定的存量。第二次剛果戰爭就與此有關。根據2003年10月23日的一份聯合國報告，[33]鈳鉭鐵礦的走私和運輸使得當地戰爭得以持續。該戰爭自1998年以來已導致約540萬人死亡，[34]是第二次世界大戰以來死傷最為嚴重的軍事衝突。剛果盆地戰地的鈳鉭鐵礦開採所引發的企業道德、人權及環境生態問題成為廣受關注的議題。[35][36][37][38]雖然鈳鉭鐵礦開採對剛果經濟十分重要，但是剛果的鉭產量卻只是世界總產量的很少一部份。根據美國地質調查局的年報告，該地區的鉭產量在2002至2006年期間佔了不到世界總量的1%，在2000及2008年也只達到10%。[29]

根據目前的趨勢預測，所有鉭資源在50年以內會消耗殆盡，因此急需加大回收再用。[39]

生產

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截止2012年的鉭生產趨勢[40]

鉭從鉭鐵礦中的萃取過程有多個步驟。首先原石在壓碎後經重力分離提高鉭礦物的含量。這一步一般在礦場附近進行。

化學提煉

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鉭礦石一般含有大量鈮元素，因此兩者都會經提煉後出售。整個濕法冶金過程由淋洗開始，礦石浸溶在氫氟酸和硫酸中，產生水溶氫氟化物。這樣就可以把鉭從各種非金屬雜質中分離出來。

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

氫氟化鉭和氫氟化鈮可經溶劑提取法從水溶液中提取出來，適用的有機溶劑包括環己酮和甲基異丁基酮。這一步會移除各種金屬雜質（如鐵、錳、鈦、鋯）的水溶氟化物。通過調節pH值可將鉭從鈮中分離出來。鈮在有機溶劑中需較高的酸度才可溶解，因此在酸度較低的環境下可以輕易地移除。剩餘的純氫氟化鉭溶液在經氨水中和之後，會形成氫氧化鉭（Ta(OH)5），煅燒後產生五氧化二鉭（Ta2O5）。[41]

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

氫氟化鉭還可以與氟化鉀反應形成七氟鉭酸鉀（K2[TaF7]）

H2[TaF7] + 2 KF → K2[TaF7] + 2 HF

它與鈉在800 °C左右的熔融鹽中會發生還原反應，從而製成鉭金屬。[42]

K2[TaF7] + 5 Na → Ta + 5 NaF + 2 KF

更早期的一種分離方法在氫氟化物混合溶液中加入氟化鉀，這種過程叫做德馬里尼亞過程。

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

這樣產生的K2[TaF7]和K2[NbOF5]具有不同的水溶性，所以能利用分離結晶法分開。

電解

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鉭的電解提煉方法與霍爾-埃魯電解煉鋁法相似。與其不同的是，鉭的電解提煉法的起始氧化物和金屬產物都不是液態，而是固態粉末。這一方法由劍橋大學科學家於1997年發現。他們將少量金屬氧化物置於熔融鹽中，並用電流對其進行還原。陰極是金屬氧化物的粉末，而陽極則由碳組成。電解質是處於1000 °C的熔融鹽。首個利用這種方法的精煉廠可產出全球鉭需求量的3至4%。[43]

加工

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鉭的焊接必須在氬氣或氦氣等惰性環境下進行，以避免空氣中其他氣體對其造成污染。鉭不可軟焊，也很難磨碎，特別是已退火的鉭金屬。已退火的鉭可延展性極高，能輕易製成薄片。[44]

應用

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電子

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鉭電解電容

鉭的最大應用是用鉭粉末製成的電子元件，以電容器和大功率電阻器為主。鉭電解電容利用鉭能夠形成氧化物保護層的原理，以壓製成圓球狀的鉭粉末作為其中一塊「偏板」，以其氧化物作為介電質，並以電解質溶液或固體導電體作為另一塊「偏板」。由於介電質層非常薄，所以每單位體積內能夠達到很高的電容。這樣的電容器體積小、重量輕，很適用於作為手提電話、電腦以及汽車內的電子元件。[45]

合金

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鉭可用來製造各種熔點高的可延展合金。這些合金可作為超硬金屬加工工具的材料，以及製造高溫合金，用於噴射引擎、化學實驗器材、核反應爐以及導彈當中。[45][46]鉭具有高可延展性，能夠拉伸成絲。這些鉭絲被用於氣化各種金屬，如鋁。鉭可以抵禦生物體液的侵蝕，又不會刺激組織，所以被廣泛用來製造手術工具和植入體。例如，鉭可以直接與硬組織成鍵，因此不少骨骼植入物都有多孔鉭塗層。[47]

除了氫氟酸和熱硫酸之外，鉭能抵抗幾乎所有酸的腐蝕。因此鉭可以作化學反應容器以及腐蝕性液體導管的材料。氫氯酸加熱過程所用的熱交換線圈就是鉭製的。[48]特高頻無線電發射器電子管的生產用到大量的鉭，鉭可以捕獲電子管中的氧和氮，分別形成氧化物和氮化物，從而保持所需的高真空狀態。[18][48]

其他用途

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鉭的熔點高，且能抵禦氧化，所以可作真空爐部件的材料。許多抗腐蝕部件都需要用到鉭，包括熱電偶套管、閥體和扣件等等。由於鉭的密度很高，所以錐形裝藥和爆炸成形彈頭內層都可用鉭製成。[49]鉭可以大大提升錐形裝藥的裝甲穿透能力。[50][51]氧化鉭可用來製造高折射率相機鏡片玻璃。

[52]

註釋

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  1. ^ 「鐽」後亦成為110號化學元素Darmstadtium的中文譯名

參考資料

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外部連結

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