1、元素概述
鉭的質(zhì)地十分堅硬,硬度可以達到6-6.5。它的熔點高達2996℃ ,僅次于碳,鎢,錸和鋨,位居第五。鉭富有延展性,可以拉成細絲式制薄箔。其熱膨脹系數(shù)很小,每升高一攝氏度只膨脹百萬分之六點六。除此之外,它的韌性很強,比銅還要優(yōu)異。
2、化學性質(zhì)
鉭還有非常出色的化學性質(zhì),具有極高的抗腐蝕性。無論是在冷和熱的條件下,對鹽酸、濃硝酸及“王水”都不反應。但鉭在熱的濃硫酸中能被腐蝕,在150℃以下,鉭不會被濃硫酸腐蝕,只有在高于此溫度才會有反應,在175度的濃硫酸中1年,被腐蝕的厚度為0.0004毫米,將鉭放入200℃的硫酸中浸泡一年,表層僅損傷0.006毫米。在250度時,腐蝕速度有所增加,為每年被腐蝕的厚度為0.116毫米,在300度時,被腐蝕的速度則更加快,浸泡1年,表面被腐蝕1.368毫米。在發(fā)煙硫酸(含15%的SO3)腐蝕速度比濃硫酸中更加嚴重,在130度的該溶液里浸泡1年,表面被腐蝕的厚度為15.6毫米。鉭在高溫下也會被磷酸腐蝕,但該反應一般在150度以上才發(fā)生,在250度的85%的磷酸中,浸泡1年,表面被腐蝕20毫米,另外,鉭在氫氟酸和硝酸的混酸中能迅速溶解,在氫氟酸中也能被溶解。但是鉭更害怕強堿,在110度40%濃度的燒堿溶液里,鉭會被迅速溶解,在同樣濃度的氫氧化鉀溶液中,只要100度就會被迅速溶解。除上面所述情況外,一般的無機鹽在150度以下一般不能腐蝕鉭。實驗證明,鉭在常溫下,對堿溶液、氯氣、溴水、稀硫酸以及其他許多藥劑均不起作用,僅在氫氟酸和熱濃硫酸作用下有所反應。這樣的情況在金屬中是比較罕見的。
但高溫下,鉭表面的氧化膜被破壞,因此能與多種物質(zhì)反應,常溫下鉭能與氟反應。在150度時,鉭對氯溴碘均呈惰性,在250度時,鉭對干燥的氯氣仍然有抗腐蝕能力,在含有水蒸氣的氯氣中加熱到400度,仍然能保持光亮,在500度則開始被腐蝕,在300度以上鉭與溴反應,對碘蒸汽則當溫度達到赤熱之前均呈惰性。氯化氫在410度時和鉭反應,生產(chǎn)五氯化物,溴化氫則在375度與鉭反應。當加熱到200度或者更低的溫度下,S能與Ta作用,碳及烴類在800-1100度與鉭作用。
3、性質(zhì)用途
鉭的線脹系數(shù)在0~100℃之間為6.5×10-6K-1,超導轉(zhuǎn)變臨界溫度為4.38K,原子的熱中子吸收截面為21.3靶恩。
在低于150℃的條件下鉭是化學性質(zhì)最穩(wěn)定的金屬之一。與鉭能起反應的只有氟、氫氟酸、含氟離子的酸性溶液和三氧化硫。在室溫下與濃堿溶液反應,并且溶于熔融堿中。致密的鉭在200℃開始輕微氧化,在280℃時明顯氧化。鉭有多種氧化物,最穩(wěn)定的是五氧化二鉭(Ta2O5)。鉭和氫在250℃以上生成脆性固溶體和金屬氫化物如:Ta2H,TaH,TaH2,TaH3。在800~1200℃的真空下,氫從鉭中析出鉭又恢復塑性。鉭和氮在300℃左右開始反應生成固溶體和氮化合物;在高于2000℃和高真空下,被吸收的氮又從鉭中析出。鉭與碳在高于2800℃下以三種物相存在:碳鉭固溶體、低價碳化物和高價碳化物。鉭在室溫下能與氟反應,在高于250℃時能與其他鹵素反應,生成鹵化物。
4、元素用途
鉭在酸性電解液中形成穩(wěn)定的陽極氧化膜,用鉭制成的電解電容器,具有容量大、體積小和可靠性好等優(yōu)點,制電容器是鉭的最重要用途,70年代末的用量占鉭總用量2/3以上。鉭也是制作電子發(fā)射管、高功率電子管零件的材料。鉭制的抗腐蝕設備用于生產(chǎn)強酸、溴、氨等化學工業(yè)。金屬鉭可作飛機發(fā)動機的燃燒室的結構材料。鉭鎢、鉭鎢鉿、鉭鉿合金用作火箭、導彈和噴氣發(fā)動機的耐熱高強材料以及控制和調(diào)節(jié)裝備的零件等。鉭易加工成形,在高溫真空爐中作支撐附件、熱屏蔽、加熱器和散熱片等。鉭可作骨科和外科手術材料。碳化鉭用于制造硬質(zhì)合金。鉭的硼化物、硅化物和氮化物及其合金用作原子能工業(yè)中的釋熱元件和液態(tài)金屬包套材料。氧化鉭用于制造高級光學玻璃和催化劑。1981年鉭在美國各部門的消費比例約為:電子元件73%,機械工業(yè)19%,交通運輸6%,其他2%。
5、鉭的氧化物
五氧化二鉭(Ta2O5)是白色細晶粉末,為兩性氧化物,難溶于水,易溶于氫氟酸,可溶于熔融的NaOH、KOH、K2S2O7、KHSO4,但難溶于氫氟酸以外的無機鹽。Ta2O5和氯化劑作用一般生成TaCl5。
五氧化二鉭在1000~1200℃時仍保持白色,繼續(xù)提高溫度,則變成灰色。已知非晶態(tài)的五氧化二鉭在500℃開始結晶生成低溫晶體(T型),在830℃時轉(zhuǎn)化為溫晶型(M型),超過830℃時生成高溫晶型(H型)。
6、鉭的水合氧化物
鉭的水合氧化物(氫氧化物)組成為Ta2O5?nH2O,由于水分子n時可變的,因而沒有固定的組成。鉭水和氧化物是兩性化合物,不溶于水和稀酸中,但可溶于氫氟酸、草酸、酒石酸、氟硅酸、氨、氫氧化鉀等溶液,部分溶于濃硫酸、濃鹽酸、濃硝酸、鉻酸、正磷酸。
7、鉭基合金
為了改善金屬的性能,在金屬鉭中添加一些難溶金屬,以形成鉭基合金。用于改善其耐腐蝕性和在高溫下保持其高強度和優(yōu)良的加工性能。包括Ta-W系列、Ta40Nb、Ta-8W-2Hf、Ta-222、鉭鉻合金、鉭鎢鉿合金。鉭鉿合金用于火箭、導彈和噴氣發(fā)動機的耐熱高強度材料,鉭拾鎢合金熔點3080℃,密度16.6g/m3,具有高溫韌性,耐沖擊,可在高溫2500℃下使用。
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