Tantalpentoxid - Tantalum pentoxide
 |
|
| Namn | |
|---|---|
|
IUPAC-namn
Tantal (V) oxid
|
|
|
Systematiskt IUPAC-namn
Ditantal pentaoxid |
|
| Identifierare | |
|
3D-modell ( JSmol )
|
|
| ChemSpider | |
| ECHA InfoCard |
100.013.854 
|
|
PubChem CID
|
|
| UNII | |
|
CompTox Dashboard ( EPA )
|
|
|
|
|
|
| Egenskaper | |
| Ta 2 O 5 | |
| Molmassa | 441,893 g / mol |
| Utseende | vitt, luktfritt pulver |
| Densitet | β-Ta 2 O 5 = 8,18 g / cm 3 α-Ta 2 O 5 = 8,37 g / cm 3 |
| Smältpunkt | 1872 ° C (3,402 ° F; 2145 K) |
| försumbar | |
| Löslighet | olösligt i organiska lösningsmedel och de flesta mineralsyror , reagerar med HF |
| Bandgap | 3,8–5,3 eV |
| −32,0 × 10 −6 cm 3 / mol | |
|
Brytningsindex ( n D )
|
2.275 |
|
Om inte annat anges anges data för material i standardtillstånd (vid 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). |
|
 verifiera ( vad är ?)
  |
|
| Infoboxreferenser | |
Tantalpentoxid , även känd som tantal (V) oxid, är den oorganiska föreningen med formeln Ta
2 O
5 . Det är ett vitt fast ämne som är olösligt i alla lösningsmedel men attackeras av starka baser och fluorvätesyra. Ta
2 O
5 är ett inert material med högt brytningsindex och låg absorption (dvs. färglös), vilket gör det användbart för beläggningar. Det används också i stor utsträckning vid tillverkning av kondensatorer på grund av dess höga dielektriska konstant .
Förberedelse
Förekomst
Tantal förekommer i mineralerna tantalit och columbite (columbium är ett arkaiskt namn för niob), som förekommer i pegmatiter , en vulkanisk bergformation. Blandningar av columbite och tantalit kallas coltan . Tantalite upptäcktes av Anders Gustaf Ekeberg i Ytterby , Sverige och Kimoto, Finland. Mineralerna microlite och pyrochlore innehåller cirka 70% respektive 10% Ta.
Raffinering
Tantalmalmer innehåller ofta betydande mängder niob , vilket i sig är en värdefull metall. Som sådan extraheras båda metallerna så att de kan säljas. Den övergripande processen är en av hydrometallurgi och börjar med ett urlakningssteg ; i vilken malmen behandlas med fluorvätesyra och svavelsyra för att framställa vattenlösliga vätefluorider , såsom heptafluortotat . Detta gör att metallerna kan separeras från de olika icke-metalliska föroreningarna i berget.
Tantal och niobväteflorider avlägsnas sedan från den vattenhaltiga lösningen genom extraktion av vätska-vätska med användning av organiska lösningsmedel , såsom cyklohexanon eller metylisobutylketon . Detta steg möjliggör enkel avlägsnande av olika metallföroreningar (t.ex. järn och mangan) som förblir i vattenfasen i form av fluorider . Separation av tantal och niob uppnås sedan genom pH- justering. Niob kräver en högre syrahalt för att förbli löslig i den organiska fasen och kan därför selektivt avlägsnas genom extraktion i mindre surt vatten. Den rena tantal vätefluorid Lösningen neutraliseras sedan med vattenhaltig ammoniak för att ge hydratiserad tantaloxid (Ta 2 O 5 (H 2 O) x ), som kalcineras till tantalpentoxid (Ta 2 O 5 ) som beskrivs i dessa idealiserade ekvationer:
- H 2 [TaF 7 ] + 5 H 2 O + 7 NH 3 → 1 / 2 Ta 2 O 5 (H 2 O) 5 + 7 NH 4 F
- Ta 2 O 5 (H 2 O) 5 → ta 2 O 5 + 5 H 2 O
Naturlig ren tantaloxid är känd som mineral tantit , även om det är extremt sällsynt.
Från alkoxider
Tantaloxid används ofta i elektronik, ofta i form av tunna filmer . För dessa applikationer kan den produceras med MOCVD (eller relaterade tekniker), som involverar hydrolys av dess flyktiga halider eller alkoxider :
- Ta 2 (OEt) 10 + 5 H 2 O → ta 2 O 5 + 10 EtOH
- 2 TACI 5 + 5 H 2 O → Ta 2 O 5 + 10 HCl
Struktur och egenskaper
Kristallstrukturen av tantalpentoxid har varit fråga om en del debatt. Bulkmaterialet är stört , antingen amorft eller polykristallint ; med enstaka kristaller som är svåra att växa. Som sådan har röntgenkristallografi till stor del begränsats till pulverdiffraktion , vilket ger mindre strukturell information.
Minst två polymorfer är kända för att existera. En form med låg temperatur, känd som L- eller β-Ta 2 O 5 , och den höga formen temperatur känd som H- eller α-Ta 2 O 5 . Övergången mellan dessa två former är långsam och reversibel; äger rum mellan 1000 och 1360 ° C, med en blandning av strukturer som finns vid mellanliggande temperaturer. Strukturerna för båda polymorferna består av kedjor byggda från oktaedriska TaO 6 och femkantiga bipyramidala TaO 7 polyeder som delar motsatta hörn; som förenas ytterligare genom kantdelning. Den totala kristallsystemet är ortorombisk i båda fallen, med rymdgruppen av β-Ta 2 O 5 identifieras som PNA2 genom enkristall röntgendiffraktion. En högtrycksform ( Z -TA 2 O 5 ) har också rapporterats, i vilken TA-atomer anta en 7 samordna geometri för att ge en monoklinisk struktur (rymdgrupp C2).
Ren amorf tantalpentoxid har en liknande lokal struktur som de kristallina polymorferna, byggda av TaO 6 och TaO 7 polyeder, medan den smälta vätskefasen har en distinkt struktur baserad på lägre koordination polyhedra, huvudsakligen TaO 5 och TaO 6 .
Svårigheten att forma material med en enhetlig struktur har lett till variationer i dess rapporterade egenskaper. Liksom många metalloxider är Ta 2 O 5 en isolator och dess bandgap har olika rapporterats vara mellan 3,8 och 5,3 eV, beroende på tillverkningsmetod. Generellt ju mer amorft materialet är desto större blir dess observerade bandgap. Dessa observerade värden är signifikant högre än de som beräknas genom beräkningskemi (2,3 - 3,8 eV).
Dess dielektriska konstant är typiskt cirka 25 även om värden på över 50 har rapporterats. I allmänhet anses tantalpentoxid vara ett dielektriskt material med hög k .
Reaktioner
Ta 2 O 5 reagerar inte nämnvärt med antingen HCl eller HBr, men det kommer att lösa sig i fluorvätesyra , och reagerar med kaliumbifluorid och HF i enlighet med följande ekvation:
- Ta 2 O 5 + 4 KHF 2 + 6 HF → 2 K 2 [TaF 7 ] + 5 H 2 O
Ta 2 O 5 kan reduceras till metalliskt ta via användningen av metalliska reduktanter såsom kalcium och aluminium.
- Ta 2 O 5 + 5 Ca → 2 Ta + 5 CaO
Användningar
Inom elektronik
På grund av dess höga bandgap och dielektriska konstant har tantalpentoxid funnit en mängd olika användningsområden inom elektronik, särskilt i tantalkondensatorer . Dessa används i fordonselektronik , mobiltelefoner och personsökare, elektroniska kretsar; tunnfilmskomponenter; och höghastighetsverktyg. På 1990-talet ökade intresset för användningen av tantaloxid som en hög-dielektrikum för DRAM- kondensatorapplikationer.
Den används i metall-isolator-metall-kondensatorer på chip för högfrekventa CMOS- integrerade kretsar. Tantaloxid kan ha applikationer som laddningsfångande skikt för icke-flyktiga minnen . Det finns applikationer av tantaloxid i resistiva omkopplingsminnen .
Andra användningsområden
Grund av dess höga brytningsindex , Ta 2 O 5 har utnyttjats i tillverkningen av glas av fotografiska linser . Det kan också deponeras som en optisk beläggning med typiska tillämpningar som antireflektions- och flerskiktsfilterbeläggningar i nära UV till nästan infraröd .