（；舊譯鐽「鐽」後亦成為 110 號化學元素 Darmstadtium 的中文譯名），是一種化學元素，其化學符號為，原子序數為 73，原子量為。其名稱「Tantalum」取自希臘神話中的坦塔洛斯。歐裡庇得斯，《歐瑞斯忒斯》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。 歷史 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）。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。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裡希羅澤（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」。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）、亨利愛丁聖克萊爾德維爾和路易約瑟夫特羅斯特（Louis Joseph Troost）明確證明瞭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。瑞士化學家讓 夏爾加利薩德馬里尼亞（Jean Charles Galissard de Marignac）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。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。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。 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。 性質 物理屬性 鉭是一種灰藍色高密度堅硬金屬，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 033058 nm），努普硬度為 200 至 400 HN，電阻率為 15 至 60 µΩcm。β 態則堅硬易碎，晶體結構屬於四方晶系（空間群為 P42mnm，a 10194 nm，c 05313 nm），努普硬度為 1000 至 1300 HN，電阻率為 170 至 210 µΩcm。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。 化學屬性 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），其中五氧化二鉭較為穩定。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，鉭酸離子並不出現，這其實代表所形成的八面體鈣鈦礦骨架結構。鉭酸鑭則含有單個四面體基。 氟化鉭可以用來從鈮當中分離出鉭元素。鉭的鹵化物可以有 5、4 和 3 氧化態，分別對應、和型的化合物，另外還存在多核配合物以及亞化學計量化合物。五氟化鉭（TaF5）是一種白色固體，熔點為 970 C；五氯化鉭（TaCl5）也是白色固體，熔點為 2474 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。鉭碲合金會形成準晶體。2008 年一份文章表示存在氧化態為1 的鉭化合物。 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。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。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。Braun Hilarion Substance for front surface mirror Issued on July 13 1999 同位素 自然產生的鉭由兩種穩定同位素組成：180mTa（0012）和 181Ta（99988）。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 29 年。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）。 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 1144 天，衰變時產生 112 萬電子伏特（即 112 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。 存量 鉭在地球地殼中的含量依重量計約為百萬分之 1 至 2。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。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、衣索比亞和莫三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。未來估計最大的鉭來源依次為：沙烏地阿拉伯、埃及、格林蘭、中國、莫三比克、加拿大、澳洲、美國、芬蘭及巴西。 鈳鐵礦和鉭鐵礦合稱鈳鉭鐵礦，TantalumNiobium International Study Center Coltan Retrieved 20080127 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，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，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。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。 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。 生產 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 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。透過調節 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）。 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。 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 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。 加工 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汙染。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。 應用 電子 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。 合金 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。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。 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。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。 其他用途 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。鉭可以大大提升錐形裝藥的裝甲穿透能力。氧化鉭可用來製造高折射率相機鏡片玻璃。 註釋 參考資料 外部連結 TantalumNiobium International Study Center CDC NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards Category 生物材料 6S 6S Category 自然元素礦物 Category 稀有金屬 Category 過渡金屬 Category 耐火金屬