第73號元素

**鉭**（拼音：tǎn，注音：ㄉㄢˋ；英語：**Tantalum**；舊譯**鐽**），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。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」。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。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_ = 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。

### 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 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。

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 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。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。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。

### 同位素

自然產生的鉭由兩種同位素組成：180mTa（0.012%）和 181Ta（99.988%）。181Ta 是一種穩定同位素。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 1015 年。180Ta 基態的半衰期只有 8 小時。180mTa 是唯一一種自然產生的鉭同核異構體，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 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。

### 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希，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，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。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）。

　
: 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。

## 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。

## 參考資料

## 外部連結

* 元素鉭在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
* EnvironmentalChemistry.com —— 鉭（英文）
* 元素鉭在 _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）的介紹（英文）
* 元素鉭在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – 鉭（英文）
* Tantalum-Niobium International Study Center （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* CDC - NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）