钽

化学元素解释：

概述

钽为黑灰色金属，有延展性，熔点2996°C，沸点5425°C，密度16.6克/厘米³，金属钽具有体心立方结构。

钽的化学性质特别稳定，常温下除氢氟酸外不受其它无机酸碱的侵蚀;高温下能溶于浓硫酸、浓磷酸和强碱溶液中;金属钽在氧气流中强烈灼烧可得五氧化二钽;常温下能与氟反应;高温下能与氯、硫、氮、碳等单质直接化合。钽最早用于制灯丝，后被钨丝代替;化学工业中钽用于制造耐酸设备;由于钽不被人体排斥，可用作修复骨折所需的金属板、螺钉等，还用于制造外科刀具和人造纤维的拉线模等。

性质

元素符号： Ta

原子序数： 73

相对原子质量：(12C = 12.0000)

原子体积：(立方厘米/摩尔)：0.90

元素在海水中的含量:(ppm)：.000002

地壳中含量：(ppm)：2

氧化态：Main Ta+5

Other Ta-3, Ta-1, Ta+1, Ta+2, Ta+3, Ta+6

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°

莫氏硬度：6.5

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

发现人：1802年由AG Ekeberg (瑞典，乌普萨拉)发现。

来源：主要存在于钽铁矿中，同铌共生。

钽是由瑞典化学家埃克贝里(A.G.Ekeberg)在1802年发现的，按希腊神话人物Tantalus(坦塔罗斯)的名字命名为tantalum。1903年德国化学家博尔顿(W.von Bolton)首次制备了塑性金属钽，用作灯丝材料。1940年大容量的钽电容器出现，并在军用通信中广泛应用。第二次世界大战期间，钽的需要量剧增。50年代以后，由于钽在电容器、高温合金、化工和原子能工业中的应用不断扩大，需要量逐年上升，促进了钽的提取工艺的研究和生产的发展。中国于60年代初期建立了钽的冶金工业。

特性

钽的质地十分坚硬，硬度可以达到6-6.5。它的熔点高达2996℃ ，仅次于钨和铼，位居第三。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分之六点六。除此之外，它的韧性很强，比铜还要优异。

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。将钽放入200℃的硫酸中浸泡一年，表层仅损伤0.006毫米。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。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。

性质

钽在低于150℃的条件下，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。钽和氢在250℃以上生成脆性固溶体和金属氢化物。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。

资源

钽和铌的物理化学性质相似，故多共生于自然界的矿物中。已查明的世界钽的储量(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)。中国钽的储量，1993年为83470吨，当年的产量18.027吨。

制取

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酮、磷酸三丁酯、仲辛醇和乙酰胺等)、分步结晶法和离子交换法

用途

用途：用于金属合金。五氧化钽用于电容器。钽也用于切削工具，真空灯丝，照相机镜头。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。钽制的抗腐蚀设备可用于生产强酸、溴 、氨等化学工业。

金属钽可作收音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。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。

钽合金

tantalum alloys ，以钽为基加入其他元素组成的合金。钽的阳极氧化膜很稳定，耐蚀，介电性能优异，适于制造电解电容器。钽抗化学腐蚀能力强,除氟化氢、三氧化硫、氢氟酸、热浓硫酸和碱外，能抗御一切有机和无机酸的腐蚀，因而可用作化学工业和医学的耐蚀材料。钽的碳化物是制造硬质合金的重要添加剂。此外，钽也用于某些电子管中。1958年，Ta-10W合金投入生产。20世纪60年代，钽合金作为高温结构材料用于航天工业上。钽和钽合金产品有板材、带材、箔材、棒材、线材、异型件和烧结制品等。中国在50年代末开始研究钽的冶炼和塑性加工，60年代中期已能生产钽及其合金的制品。

合金强化 在难熔金属中，钽的低温塑性是最好的，它的塑性-脆性转变温度低于-196℃。研制钽合金必须考虑保持钽的优异的低温塑性。钽合金多采用固溶强化的方法，也采用固溶和沉淀强化相结合的方法来提高强度,在周期表中钽的毗邻元素有的能在钽中完全固溶,有的溶解度很大。强化效果最明显的置换固溶元素是铼、钨、锆和铪。加入元素量如超过一定范围，会损害钽的低温塑性。一般认为加入的原子百分比应少于12～14%。间隙元素氮、碳和氧对提高钽的强度效果不大，却使钽的低温塑性和加工塑性受到明显的损害。这些间隙元素与活性元素锆或铪形成弥散的沉淀相时,才有明显的强化效果。由Ta-10W发展出来的Ta-10W-2.5Hf-0.01C合金是固溶和沉淀强化相结合的典型合金。钽和几种典型的钽合金的力学性能。

坯锭：钽及其合金坯料可用粉末冶金工艺或熔炼工艺生产。粉末冶金工艺多用于生产小型钽制品和加工用的坯料。用热还原法或电解法制得的粉末钽原料，经压制成型后进行真空烧结。烧结工艺取决于对产品的使用要求。一次烧结(1600～2200℃)用于生产熔炼用电极和多孔阳极。二次烧结用于生产锻造、轧制和拉拔等塑性加工用的坯料。两次烧结之间常进行锻造或轧制，加工率约50%。二次烧结温度为2000～2700℃。

真空自耗电弧和电子束熔炼工艺是制取钽及其合金铸

锭的常用方法。电子束熔炼工艺主要用于钽的提纯,自耗电弧熔炼工艺可制取大直径和合金成分更均匀的铸锭，自耗电弧熔炼的电极可用烧结棒或电子束熔炼锭制成，熔炼法得到的铸锭晶粒粗大，常需开坯破碎铸态晶粒以提高塑性。为使钽进一步提纯或制备单晶可使用电子束区域熔炼法。

塑性加工 纯钽的塑性良好，变形抗力小，加工硬化率较小，各种型材和异型零部件都可用塑性加工方法制得。纯钽在室温下可轧成板材、带材、箔材、管材和棒材，加工率可达90%以上。为减轻氧化，纯钽塑性加工常在室温或 500℃以下进行。钽合金由于强度高和铸锭塑性差，须先在1200℃以上进行开坯，以后的加工工艺与纯钽相同。开坯的挤压比应大于4，锻造比应大于2。锭坯在加热开坯时，要防止气体污染而使材料塑性下降。为保证产品有良好冲压和旋压性能，要用交叉轧制。交叉轧制前的加工率应保持在80%左右。钽板通过旋压和深冲可制成杯、帽、管、锥体、喷管等不同形状的零件。供拉丝用的旋锻棒直径一般为2.5毫米。由于钽质软,易和模具粘结和划伤表面，拉丝时常先使线材表面经过阳极氧化形成氧化膜，并用蜂蜡润滑。

焊接：真空电子束焊接和惰性气体保护钨极焊接工艺,可制取塑性-脆性转变温度低的焊件。这种焊接工艺制得的焊接钽管，可满足化工部门的使用要求。钽还可和不锈钢、钛合金、镍合金和碳钢焊接在一起。用高能率成形(爆炸法)可使钢和钽复合成双金属，是制造大型耐蚀设备内衬的有效方法。

切削加工：钽和钽合金容易磨损和粘结刀具，宜用高速钢刀具，并用四氯化碳等有机溶剂冷却。磨削加工宜用碳化硅砂轮，因氧化铝砂轮易使磨面龟裂。

热处理：主要有退火和固溶时效处理。为防止大气污染,钽合金的热处理必须在10-4托的真空中或高纯惰性气体中进行，有时甚至需要用钽箔把产品包裹起来。