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钽(金属元素)

钽是一种金属元素,原子序数为73,化学符号Ta,元素对应的单质为钢灰色金属,具有极高的抗腐蚀性,无论是在冷和热的条件下,对盐酸、浓硝酸及“王水”都不反应。

钽主要存在于钽铁矿中,同铌共生。钽的硬度适中 ,富有延展性,可以拉成细丝式制薄箔。其热膨胀系数很小。钽有非常出色的化学性质,具有极高的抗腐蚀性。可用来制造蒸发器皿等,也可做电子管的电极、整流器、电解电容。医疗上用来制成薄片或细线,缝补破坏的组织。虽然钽的抗腐蚀性很强,但是其抗腐蚀性是由于表面生成稳定的五氧化二钽(Ta₂O₅)保护膜。

冶炼方法:钽铌矿中常伴有多种金属,钽冶炼的主要步骤是分解精矿,净化和分离钽、铌,以制取钽、铌的纯化合物,最后制取金属。

矿石分解可采用氢氟酸分解法、氢氧化钠熔融法和氯化法等。钽铌分离可采用溶剂萃取法〔常用的萃取剂为甲基异丁基酮(MIBK)、磷酸三丁酯(TBP)、仲辛醇和乙酰胺等〕、分步结晶法和离子交换法。

分离:首先将钽铌铁矿的精矿用氢氟酸和硫酸分解钽和铌呈氟钽酸和氟铌酸溶于浸出液中,同时铁、锰、钛、钨、硅等伴生元素也溶于浸出液中,形成成分很复杂的强酸性溶液。钽铌浸出液用甲基异丁基酮萃取钽铌同时萃入有机相中,用硫酸溶液洗涤有机相中的微量杂质,得到纯的含钽铌的有机相洗液和萃余液合并,其中含有微量钽铌和杂质元素,是强酸性溶液,可综合回收。纯的含钽铌的有机相用稀硫酸溶液反萃取铌得到含钽的有机相。铌和少量的钽进入水溶液相中然后再用甲基异丁基酮萃取其中的钽,得到纯的含铌溶液。纯的含钽的有机相用水反萃取就得到纯的含钽溶液。反萃取钽后的有机相返回萃取循环使用。纯的氟钽酸溶液或纯的氟铌酸溶液同氟化钾或氯化钾反应分别生成氟钽酸钾(K₂TaF₇)和氟铌酸钾(K₂NbF₇)结晶,也可与氢氧化铵反应生成氢氧化钽或氢氧化铌沉淀。钽或铌的氢氧化物在900~1000℃下煅烧生成钽或铌的氧化物。

钽的制取:

①金属钽粉可采用金属热还原(钠热还原)法制取。在惰性气氛下用金属钠还原氟钽酸钾:K2TaF7+5Na─→Ta+5NaF+2KF。反应在不锈钢罐中进行,温度加热到900℃时,还原反应迅速完成。此法制取的钽粉,粒形不规则,粒度细,适用于制作钽电容器。金属钽粉亦可用熔盐电解法制取:用氟钽酸钾、氟化钾和氯化钾混合物的熔盐做电解质把五氧化二钽(Ta2O5)溶于其中,在750℃下电解,可得到纯度为99.8~99.9%的钽粉。

②用碳热还原Ta2O5亦可得到金属钽。还原一般分两步进行:首先将一定配比的Ta2O5和碳的混合物在氢气氛中于1800~2000℃下制成碳化钽(TaC),然后再将TaC和Ta2O5按一定配比制成混合物真空还原成金属钽。金属钽还可采用热分解或氢还原钽的氯化物的方法制取。致密的金属钽可用真空电弧、电子束、等离子束熔炼或粉末冶金法制备。高纯度钽单晶用无坩埚电子束区域熔炼法制取。

17世纪中叶 ,在北美洲发现的一种很重的黑色矿物质(钽的密度为16.68g/cm³),送到了英国博物馆保管。过了约150年,直至1801年,英国化学家查理斯·哈契特(C.Hatchett,1765~1847)接受了英国博物馆的这种矿石的分析任务,从其中发现了一种新元素并把它命名为钶元素(Columbium,后改名为铌),这是为了纪念该矿物质最早被发现的地方--哥伦比亚。

1802 年,瑞典化学家安德斯·古斯塔夫·埃克伯格(A.G.Ekaberg,1767~1813)在分析斯堪的那维亚半岛的一种矿物(铌钽矿)时,使它们的酸生成氟化复盐后,进行再结晶,从而发现了新元素,他参照希腊神话中宙斯神的儿子坦塔拉斯(Tantalus)的名字,将这个元素命名为Tantalum(钽)。

由于钶和钽的性质非常相似,人们曾一度认为它们是同一种元素。1809年,英国化学家威廉·海德·沃拉斯顿(William Hyde Wollaston)对钽和钶的氧化物分别做了对比,虽然得出不同的密度值,但他认为两者是完全相同的物质。

到1844年,德国化学家罗塞(Heinrich Rose,1795~1864),驳斥钽和钶是同种元素的结论,并通过化学方法判明了它们是两种不同的元素。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" 。

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

同年,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。早期炼成的钽金属都含有较多的杂质。Werner von Bolton在1903年首次制成纯钽金属。

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。

钽虽然在19世纪初就已被发现了,但直到1903年才制出了金属钽,1922年开始工业生产钽。因此,世界钽工业的发展始于20世纪20年代,中国钽工业始于1956年 。

美国是世界上最早开始生产钽的国家,1922年开始工业规模生产金属钽。日本和其他资本主义国家均是从20世纪50年代末或60年代初开始发展钽工业的。经过几十年的发展,世界钽工业生产已经达到了相当高的水平。20世纪90年代以来,较有规模的钽产品生产企业有美国Cabot 集团(美国Cabot、日本昭和Cabot)、德国HCST集团(德国HCST、美国NRC、日本V-Tech、泰国TTA)和中国宁夏东方钽业股份有限公司三大集团,这三大集团生产的钽产品占世界总量的80%以上。国外钽工业的产品、工艺技术和装备水平普遍都很高,适应了世界科技高速发展的需要。

中国钽工业始于20世纪60年代 。中国初期钽冶炼、加工生产规模、技术水平、产品档次和质量状况与发达国家比较相差甚远。自90年代,特别是1995年以来,中国钽生产应用呈现出快速发展的态势,如今,中国钽工业已实现了“从小到大、从军到民、从内到外”的转变,形成了世界唯一的从采矿、冶炼、加工到应用的工业体系,高、中、低端产品全方位的进入了国际市场,中国成为世界钽冶炼加工第三强国,进入世界钽工业大国的行列。

化学符号Ta,钢灰色金属,在元素周期表中属VB族,原子序数73,原子量180.9479,体心立方晶体,常见化合价为+5。钽的硬度较低,并与含氧量相关,普通纯钽,退火态的维氏硬度仅有140HV 。它的熔点高达2995℃ ,在单质中 ,仅次于碳,钨,铼和锇,位居第五。钽富有延展性,可以拉成细丝式制薄箔。其热膨胀系数很小。每升高一摄氏度只膨胀百万分之六点六。除此之外,它的韧性很强,比铜还要优异。

CAS号:7440-25-7

系列:过渡金属。

相对原子质量:180.947 88 (12C = 12.0000)

密度16650 kg/m³;16.654 g/cm³

硬度:6.5

元素分区:5族,6,d

颜色: 蓝灰色

价电子排布:[氙]4f5d6s

原子体积:(立方厘米/摩尔)

10.90

元素在海水中的含量:(ppm)0.000002

地壳中含量: 1(ppm)

2

氧化态:

Main Ta+5

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

晶体结构:晶胞为体心立方晶胞,每个晶胞含有2个金属原子。

晶胞参数:

a = 330.13 pm

b = 330.13 pm

c = 330.13 pm

α = 90°

β = 90°

γ = 90°

维氏硬度(电弧熔炼并冷作硬化):230HV

维氏硬度(再结晶退火):140HV

维氏硬度(经一次电子束熔炼):70HV

维氏硬度(经二次电子束熔炼):45-55HV

熔点:2995℃

声音在其中的传播速率:(m/S) 3400

电离能 (kJ /mol)

M - M+ 761

M+ - M2+ 1500

M2+ - M3+ 2100  M3+ - M4+ 3200

M4+ - M5+ 4300

发现人:1802年由瑞典化学家安德斯·古斯塔法·埃克博格发现。

元素命名: 埃克博格根据古希腊神话中中第比斯城皇后尼奥比的父亲坦塔罗斯的名字命名了该元素。

来源:主要存在于钽铁矿中,同铌共生。

还可以用做电子元件的电容。

钽还有非常出色的化学性质,具有极高的抗腐蚀性,无论是在冷和热的条件下,对盐酸、浓硝酸及“王水”都不反应。但钽在热的浓硫酸中能被腐蚀,在150℃以下,钽不会被浓硫酸腐蚀,只有在高于此温度才会有反应,在175度的浓硫酸中1年,被腐蚀的厚度为0.0004毫米,将钽放入200℃的硫酸中浸泡一年,表层仅损伤0.006毫米。在250度时,腐蚀速度有所增加,为每年被腐蚀的厚度为0.116毫米,在300度时,被腐蚀的速度则更加快,浸泡1年,表面被腐蚀1.368毫米。在发烟硫酸(含15%的SO₃)腐蚀速度比浓硫酸中更加严重,在130度的该溶液里浸泡1年,表面被腐蚀的厚度为15.6毫米。钽在高温下也会被磷酸腐蚀,但该反应一般在150度以上才发生,在250度的85%的磷酸中,浸泡1年,表面被腐蚀20毫米,另外,钽在氢氟酸和硝酸的混酸中能迅速溶解,在氢氟酸中也能被溶解。但是钽更害怕强碱,在110度40%浓度的烧碱溶液里,钽会被迅速溶解,在同样浓度的氢氧化钾溶液中,只要100度就会被迅速溶解。除上面所述情况外,一般的无机盐在150度以下一般不能腐蚀钽。实验证明,钽在常温下,对碱溶液、氯气、溴水、稀硫酸以及其他许多药剂均不起作用,仅在氢氟酸和热浓硫酸作用下有所反应。这样的情况在金属中是比较罕见的。

但高温下,钽表面的氧化膜被破坏,因此能与多种物质反应,常温下钽能与氟反应。在150℃时,钽对氯溴碘均呈惰性,在250℃时,钽对干燥的氯气仍然有抗腐蚀能力,在含有水蒸气的氯气中加热到400℃,仍然能保持光亮,在500℃则开始被腐蚀,在300℃以上钽与溴反应,对碘蒸汽则当温度达到赤热之前均呈惰性。氯化氢在410℃时和钽反应,生产五氯化物,溴化氢则在375℃与钽反应。当加热到200℃或者更低的温度下,S能与Ta作用,碳及烃类在800-1100℃与钽作用。

钽所具有的特性,使它的应用领域十分广阔。在制取各种无机酸的设备中,钽可用来替代不锈钢,寿命可比不锈钢提高几十倍。此外,在化工、电子、电气等工业中,钽可以取代过去需要由贵重金属铂承担的任务,使所需费用大大降低。 钽被制造成了电容装备到军用设备中。美国的军事工业异常发达,是世界最大军火出口商。世界上钽金属的产量一半被用在钽电容的生产上,美国国防部后勤署则是钽金属最大的拥有者,曾一度买断了世界上三分之一的钽粉。

主要吸收线及其主要参数:

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:波长

f:振子强度

W:单色器光谱通带

N-A(氧化亚氮-乙炔焰)

S*:元素的特征浓度(1%吸收灵敏度)

CL:元素的检测极限

R·S:同一元素主要吸收线间的相对灵敏度

F:火焰类型

钽的线胀系数在0~100℃之间为6.5×10-6K-1,超导转变临界温度为4.38K,原子的热中子吸收截面为21.3靶恩。

在低于150℃的条件下钽是化学性质最稳定的金属之一。与钽能起反应的只有氟、氢氟酸、含氟离子的酸性溶液和三氧化硫。在室温下与浓碱溶液反应,并且溶于熔融碱中。致密的钽在200℃开始轻微氧化,在280℃时明显氧化。钽有多种氧化物,最稳定的是五氧化二钽(Ta2O5)。钽和氢在250℃以上生成脆性固溶体和金属氢化物如:Ta2H,TaH,TaH2,TaH3。在800~1200℃的真空下,氢从钽中析出钽又恢复塑性。钽和氮在300℃左右开始反应生成固溶体和氮化合物;在高于2000℃和高真空下,被吸收的氮又从钽中析出。钽与碳在高于2800℃下以三种物相存在:碳钽固溶体、低价碳化物和高价碳化物。钽在室温下能与氟反应,在高于250℃时能与其他卤素反应,生成卤化物。

钽在酸性电解液中形成稳定的阳极氧化膜,用钽制成的电解电容器,具有容量大、体积小和可靠性好等优点,制电容器是钽的最重要用途,70年代末的用量占钽总用量2/3以上。钽也是制作电子发射管、高功率电子管零件的材料。钽制的抗腐蚀设备用于生产强酸、溴、氨等化学工业。金属钽可作飞机发动机的燃烧室的结构材料。钽钨、钽钨铪、钽铪合金用作火箭、导弹和喷气发动机的耐热高强材料以及控制和调节装备的零件等。钽易加工成形,在高温真空炉中作支撑附件、热屏蔽、加热器和散热片等。钽可作骨科和外科手术材料,例如用钽条替代人体中的骨头肌肉还会在钽条上生长,所以它有一个“亲生物金属”。碳化钽用于制造硬质合金。钽的硼化物、硅化物和氮化物及其合金用作原子能工业中的释热元件和液态金属包套材料。氧化钽用于制造高级光学玻璃和催化剂。1981年钽在美国各部门的消费比例约为:电子元件73%,机械工业19%,交通运输6%,其他2%。

钽是稀有金属矿产资源之一,是电子工业和空间技术发展不可缺少的战略原料。

钽和铌的物理化学性质相似,因此共生于自然界的矿物中。划分钽矿或铌矿主要是根据矿物中钽和铌的含量,铌含量高时称为铌矿,钽含量高时则称为钽矿。铌主要用于制造碳钢、超级合金、高强度低合金钢、不锈钢、抗热钢及合金钢;钽则主要用于电子原器件及合金的生产。钽铌矿物的赋存形式和化学成分复杂,其中除钽、铌外,往往还含有稀土金属、钛、锆、钨、铀、钍和锡等。钽的主要矿物有:钽铁矿[(Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6]、重钽铁矿(FeTa2O6)、细晶石[(Na,Ca)Ta2O6(O,OH,F)]和黑稀金矿[(Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)2O6]等。炼锡的废渣中含有钽,也是钽的重要资源。已查明世界的钽储量(以钽计)约为134000短吨,扎伊尔占首位。1979年世界钽矿物的产量(以钽计)为 788短吨(1短吨=907.2公斤)。中国从含钽比较低的矿物中提取钽的工艺,取得了成就 。

电容器是钽的主要最终消费领域,约占总消费量的60%。美国是钽消费量最大的国家,1997年消费量达500吨,其中60%用于生产钽电容器。日本是钽消费的第二大国,消费量为334吨。21世纪初,随着电容器生产的发展迅速,市场供不应求。预计,世界钽电容器的生产量达2.50亿件,需消费钽1000吨。据美国地质调查局的统计,钽在地壳中的自然储量为15万吨,可开采储量超过4.3万吨。2004年,世界钽开采量为1510吨, 其中,澳大利亚730吨,莫桑比克280吨,巴西250吨,加拿大69吨,刚果60吨。 中国资源量,主要分布在江西、福建、新疆、广西、湖南等省。从未来发展的需求看,电容器仍是钽的主要应用领域。如果按储量基础24000吨计算,也只能保证24年的需求。尽管如此,钽资源的前景仍然是看好的。首先,在世界十分丰富的铌矿床中,伴生有大量的钽资源。其中,格陵兰南部加达尔铌、钽矿的钽资源量就达100万吨。其次,西方已开始利用含Ta2O5 3%以下的大量锡炉渣。此外,代用品的研究和利用也有了很快的发展,如铝和陶瓷在电容器领域代替钽;硅、锗、铯可在电子仪器用途上,代替钽制造整流器等。

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