钽

钽tǎn（Tantalum），元素符号Ta，稀有金属^[7]，第六周期VB族——过渡元素，原子序数73^[1]。钽的原子量180.9479，标准熔点2996℃，标准沸点5425±100℃，标准汽化热123Kcal/Kg。^[8]钽的单质为灰色金属，钽熔点很高（2996℃），仅低于钨、铼lái等元素，钽可在150℃下抵抗任何化学侵蚀。^[1]金属钽在常温的空气中稳定，不与水、盐酸、硫酸、硝酸反应，当温度高于500℃则加速氧化生成Ta2O3。^[9]钽具有熔点高、冷加工性能好、高抗液态金属腐蚀能力强等一系列优异性能。^[10][9]

钽是在1802年由瑞典化学家埃克伯格 (A.G.Ekeberg)在矿物中发现的，由于钽和铌ní的物理化学性质相似，二者共生于自然界的矿物中，因此该发现实为钽铌矿石。^[3]根据神斯神之子Tantalus的名字命名。1903年德国化学家冯伯尔顿 (W.von Bolton)首次制备塑性金属钽，用作灯丝材料。1940年大容量的钽电容器出现，并在军用通讯中得到广泛的应用。中国于20世纪60年代初期建立了钽的冶金工业。^[3]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。^[11]

钽电容器具有容量大、体积小和可靠性好等优点，占钽总用量的三分之二以上^[3]。在牙科和医学外科领域，因钽的化学惰性常作为人体牙齿和骨骼的替代物，也可制成丝线用于连接断裂的神经。^[10]钽及其化合物依靠自身的高抗耐蚀性，可做为盐酸和硫酸生产设备的原材料。^[1]

1802年，瑞典化学家埃克伯格(A.G.Ekeberg)首次在铌钽矿中发现钽，他从芬兰基米托(Kimito)地方产的一种黑色矿石(即钽铁矿)和伊特比地方产的一种褐色矿石(即钇yǐ钽矿)中分离出了钽金属的氧化物。^[12]直到1866 年，马里纳克(J.C.Marignac)第一次采用复盐分步结晶法(铌钽分布结晶法分离)将金属钽和铌分开，从而确定埃克伯格的发现的实为两种元素。^[2]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。^[13]

因为钽需要经过冗杂的手段从混合物中分离出来，所以就给钽金属取了古怪的名字叫tantalum，意思是"使人烦恼"。另一种说法是，这一命名来自希腊神话中的英雄坦塔罗斯(Tantalus)，因为钽金属具有英雄的特征，能够抵抗多种酸的侵蚀，因此以其来命名。^[12]

在1903年，德国化学家博尔顿(W.Von.Bolton)首先利用金属钽制得塑性金属，并用以灯丝材料，直到1940 年大容量的钽电容器的出现，并广泛应用于军事通讯中。^[2]中国于20世纪50年代中期，开始对钽进行研究，到90年代建成较为完整的钽科研和生产体系，现在能生产国内所需的各种钽产品和合金制品。^[2]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。^[14][15]

钽是稀土金属元素，和铌共生于铌钽铁矿、烧绿石和细晶石等矿石中。在自然界中的分布较少，存在于分割欧亚大陆的乌拉尔山脉、中亚细亚的阿尔泰山脉^[16]。中国钽资源的储量仅为全世界储量的1/16，主要分布于内蒙古、湖北、江西、广东、福建、新疆、广西等省（区）。^[17][18]1979年世界钽矿物的产量(以钽计)为788短吨(1短吨=907.2公斤)。^[19]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。^[20]

世界钽储量与储量基础见下表。

世界钽储量与储量基础^[21]（千磅 Ta）

金属钽呈灰黑色，高熔点(2996℃)、高沸点(5425℃)，为体心立方结构，晶格常数0.33074nm。^[2][5]钽在常温下的抗拉强度为309MPa，屈服强度为240MPa，伸长率为35%，因此钽具有较好的延展性和可锻性，可加工成复杂的形状。^[22]

钽的主要物理性质^[2]

钽作为低于150℃下化学性质最稳定的金属之一^[1]。与钽能起反应的只有氟fú、氢氟酸、含氟离子的酸性溶液和三氧化硫；钽在室温下可与浓碱溶液反应，并且溶于熔融碱中。钽耐土壤、海洋和工业气氛的腐蚀，在低于250℃的空气、氯气、碳酸气中都很稳定，在超过250℃时能吸收氢、氮、氧。^[2]

钽和氢在250℃以上生成脆性固溶体和氢化物Ta2H、TaH、TaH2、TaH3。^[23]钽与氢的化学反应如下。^[24]

钽和氮在300℃左右开始反应生成氮化合物Ta2N和TaN；在高于2000℃和高真空下，被吸收的氮又从钽中析出。^[23]钽与氮的化学反应如下。^[24]

致密的钽在200℃下开始轻微氧化，在280℃时明显氧化，其中生成的氧化物中最稳定的是Ta2O5。^[23]钽与氧的化学反应如下。^[24]

钽还原是用氟钽酸钾在577~627℃于氢气保护下，在还原炉中用金属钠还原，即得到钽粉，反应如下。^[25]

钽原子的电子结构为[XE]-5d3-6s2。钽元素的核外电子排布呈现2、8、18、32、11、2的构型。在形成化合物时除失去6s轨道中的电子外，同时失去5d轨道中的电子，故钽有从+1到+5的多种价态。^[2]

钽共有十九个同位素，其中有两种天然的稳定同位素73Ta180和73Ta181。^[26]质量数范围为172~186同位素的半衰期、衰变方式和制备方法见下表。

钽的同位素^[27][26]

钽是过渡元素，具有多价性，可与氧、氯、碳、氮等元素反应，生成多种化合物。^[28]

钽的最主要的氧化物是五氧化二钽 (Ta2O5)。Ta2O5为两性氧化物，难溶于水，也不溶于除氢氟酸之外的一切酸；可溶于熔融的NaOH、KOH、K2S2O7、KHSO4，但难溶于氢氟酸以外的无机盐；在真空加热可分解成钽和氧。^[28][27]

Ta2O5可由钽铁矿除去其他金属制得，也可以将氢氧化钽烧脱水制得，还可将纯钽在氧气中加热生成Ta2O5。^[28]它在工业上常作为生产高折射率光学玻璃、电容器等工业品的主要原料。^[28]

Ta2O5常温下为白色细晶粉末，非晶态的Ta2O5在500℃开始结晶生成低温晶体(T型)，在830℃时转化为温晶型(M型)，超过830℃时生成高温晶型 (H型)。^[27]其它主要物理性质见下表。

Ta2O5的主要物理性质^[28]

钽的高价卤化物包括TaF5、TaCL5、TaBr4和TaI5。^[28]

TaF5为白色结晶体，熔点为95.1℃，沸点为229.3~233.3℃；能溶于水但不分解，TaF5的吸湿性很强，在空气中能潮解产生HF气体。^[28]

TaCL5为白色晶体，熔点为220℃，沸点为233~239℃；TaCL5易水解，会析出白色氢氧化物沉淀；TaCL5易挥发，在真空中600℃即可分解成金属Ta，在CCL4中的溶解度为1%，在CS2中溶解度为3%。^[28][27]

TaBr4为橙黄色晶体，熔点为280℃，沸点为348.8℃；能溶于水并发生水解，能溶于甲醇、乙醇和CCL中，也溶于苯胺、液氨；在真空中蒸发时性质稳定不分解。^[27]

TaI5为黑色晶体，熔点为496℃，沸点为543℃；TaI5加热升华而不分解，在潮湿空气中容易水解，可释放出碘化氢。^[28]

钽的主要碳化物为TaC。除氟酸与硝酸混合酸之外，TaC不溶于其他各种性溶液；在空气中低于1100℃时，TaC很稳定，不被氧化；在氨或氮的作用下易生成氮化物。^[28]

TaC的主要物理性质^[28]

钽的氮化物共有3种分别为TaN、Ta2N和Ta5N3，最重要的是TaN。^[28]

TaN不溶于硝酸、氢氟酸和硫酸，但溶于热的碱性溶液并释放出氨气和氮气；TaN在空气中加热可生成氧化物并放出氨气。

TaN的主要物理性质^[28]

钽的硼化物共有3种分别为Ta3B、TaB2和TaB，其中Ta3B只在高温下稳定，TaB2和TaB均在室温下稳定；TaB2和TaB不被盐酸和王水侵蚀，但能被热的硫酸和氢氟酸缓慢分解。TaB2和TaB的物理性质见下表。^[28]

TaB2和TaB的主要物理性质^[28]

钽在氢气中加热可获得钽的氢化物TaH，性质极脆，TaH在常温下稳定，对化学试剂的作用与纯Ta一样稳定。在高真空下加热至1000 ~1200℃，TaH分解放出H2。^[29]

钽、铌的物理化学性质相似，二者在自然界中共存于钽铌铁矿中，因此为得到纯度较高的金属钽及钽的化合物，应对钽铌铁矿进行分离提纯。^[30]

钽的矿石经过选矿作业得到精矿。精矿的分解法有氢氟酸分解法、氯化法、碱熔法(分苛性钠熔融法和苛性钾熔融法)、氟化法、电解法(分熔盐电解法、还原熔炼-水溶液电解法)。^[28]

钽和铌分离的方法有氟络盐分步结晶法、有机溶剂萃取法、离子交换法、氯化物精馏法、选择性还原法等。氟络盐分步结晶法在20世纪曾长期成为工业上分离钽铌的唯一方法。^[28]液-液萃取法具有萃取容量大、产品纯度高、生产过程连续化等优点，现取代氟络盐分步结晶法成为最主要的分离方法。^[27]

金属钽的制备方法主要有纳热还原法、碳热还原法和熔盐电解法等。^[2]其中纳热还原法使用最为普遍，所产的钽粉粒形复杂，比表面积大，适用于制造电容器；碳热还原法生成出的钽，其纯度不够高；熔盐电解法生成的钽粉，仅用用于冶金。^[2]

纳热还原法是用金属钠作还原剂还原K2TaF7，以制备出金属钽，反应式及工艺流程如下。^[28]

钽作为一种体心立方结构，自身高熔点、耐腐蚀、冷加工性能好以及其它多方面的优良特性，使之在电子工业、钢铁工业、化学工业和宇宙航行、医学等各方面得到越来越广泛的应用。^[30]

钽被大量用于电气和电子行业，由于钽与氧和氮原子的高反应性，会在表面形成介电强度高的 Ta2O5 氧化膜层，因而能制成体积小、容量大的电容器。^[31][32][33]用钽制作的电解电容器具有休积小、重量轻、可靠性好、工作温度范围大、耐震、使用寿命长，同时比同样大小的其它电容器容量大五倍以上。^[30]

硬质合金对钽的需求量占市场用钽总量的20%左右，仅次于电子工业。^[34]以碳化钽为基的硬质合金制成的刀具，可避免刀具在熔焊阶段产生的边缘脱落、折断等不良问题。^[35]

钽在150℃以下耐化学腐蚀及大气腐蚀的能力强，具有良好的冲击韧性、塑性及加工性能，因而可作为化工设备结构材料。化学工业中钽消费量的二分之一用于制造生产硫酸设备，四分之一以上用于制造接触氯及其衍生物介质的设备。使用钽的化工设备有：热交换器、浓缩器、加温器、冷却器、回收装置、搅排机、药品容器、耐卤素装置、高压釜、泵、阀门、管道、镀铬槽、酸洗播排风机等。^[35]

金属钽及其合金因其具有耐高温的特点，可用于制作高速飞机的发动机，甚至用于火箭的喷嘴，其使用温度可达2200℃。同时钽对液态金属汞、钠钾合金有很高的化学稳定性，故在原子能工业中可将钽合金制成高温释热元件的扩散壁。^[35]

金属钽能够与人或动物的细胞亲密接触，因此有“亲生物金属”的美誉。^[34]多孔钽是一种与人体骨具有相近孔结构的泡沫状多孔金属材料，与其他医用金属材料相比，多孔钽具有高容积孔隙率、低弹性模量及高表面摩擦系数的典型特性，从而被认为是一种比较理想的骨替代材料。^[36]在医疗过程中，多孔钽利于骨生长，并促进成骨建立骨结合和骨整合，从而显著提高植入物的初始稳定性和骨再生策略的适用性。^[37]

金属钽有引火性及危险有害性^[5]

钽及其化合物属微毒到低毒，但金属钽与组织接触无毒性表现。氧化钽经口和腹腔内注射，由于溶解度低，实际上无毒；经口剂量达8000mg/kg仍无致病效应。^[38]

钽的氯化物、氟化钽钾等可溶性盐类，毒性较高。如大鼠氯化物的半数致死量是958 mg/kg，腹腔内注射是38mg/kg，氟化物的半数致死量是1150mg/kg，腹腔内注射是173 mg/kg。^[39][38]

金属钽为易燃固体，同时与水接触会释放出可自燃的易燃气体，仅在室外或通风良好的区域使用，发生火灾时禁止使用水扑灭。^[5]

存放在密封容器中，且应置于干燥通风的地方处。^[5]