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元素家族
钽,元素周期表第73号元素。
17世纪中叶,北美洲发现了一种很重的黑色矿物,被送到英国博物馆保管。大约过了150年,1801年,英国化学家查理斯·哈契特受命分析博物馆中的这种矿石,从中发现了一种新元素,这就是铌。1802年,瑞典化学家安德斯·埃克博格在分析斯堪的纳维亚半岛的一种矿物时发现了一种新元素,命名为钽。由于早期炼成的钽含有较多杂质,直到1903年,德国化学家博尔顿才首次制备出纯的金属钽。
与锆、铪类似,钽和铌也是一对“姊妹花”,它们的物理化学性质非常相似,并共生于自然界的矿物中。不同的矿石中,两种元素的含量不同,铌含量高的矿物称为铌矿,钽含量高的就称为钽矿。钽的主要矿物有钽铁矿、细晶石等,钽铌矿中往往还含有其他稀土金属,炼锡的废渣中就有钽,是金属钽的重要来源。1956年,我国开始发展钽工业,如今,宁夏东方钽业股份有限公司已成长为世界三大钽业集团之一,能从含钽比较低的矿物中提取钽,并拥有批量生产全系列钽产品的能力。
金属钽硬度适中,富有延展性,加工性能好,具有极高的抗腐蚀性,是化学性质最稳定的金属,在任何温度下与浓硝酸,甚至腐蚀性非常强的液体“王水”都不反应,仅能与氟气、氢氟酸、三氧化硫等反应。相对酸来说,钽更怕强碱:40%的烧碱溶液在110℃时会迅速溶解;在氢氧化钾溶液中温度更低就可迅速溶解;常温下,一般的无机盐对钽根本不起作用。这几种特性使钽可替代不锈钢,寿命比不锈钢提高几十倍,在化工、电子、电气等工业中能承担贵金属铂的作用,以降低生产成本。
钽的抗腐蚀性还可以制作飞机发动机燃烧室的结构材料,钽钨、钽钨铪、钽铪合金均可用作火箭、导弹和喷气发动机的耐热高强材料及控制调节装备的零件。钽还是一种“亲生物金属”,可以制作骨科和外科手术材料。
钽在电容器领域应用最为广泛,约占其总消费量60%。1956年,美国贝尔实验室首先研制出了一种体积小且电容量大的钽电容,是利用钽做介质,不需要电解液,也不需要使用镀铝膜电容纸的电容,很适合在高温下长时间工作,并能制成贴装的小型和片型元件。
钽金属表面能生成极薄的五氧化二钽膜,既能防止钽腐蚀,又能与电容器的一端极结合成一个整体,使钽电容单位体积内能具有非常高的工作电场强度,电容量特别大,在电源滤波、交流旁路等用途上具有绝对优势。
(作者系武汉市第二十中学化学教师、武汉市科学家科普团成员)