Тантал пентоксид

Тантал се јавува во минералите танталит и колумбит (колумбиум е архаично име за ниобиум), кои се јавуваат во пегматитите, формација на магматска карпа. Мешавините на колумбит и танталит се нарекуваат колтан. Танталитот бил откриен од Андерс Густаф Екеберг во Итерби, Шведска и Кимото, Финска. Минералите микролит и пирохлор содржат приближно 70% и 10% Ta, соодветно.

Рудите на тантал често содржат значителни количини на ниобиум, кој сам по себе е вреден метал. Како такви, двата метали се извлекуваат за да можат да се продаваат. Целокупниот процес е процес на хидрометалургија и започнува со чекор на лужење; во кој рудата се обработува со флуороводородна киселина и сулфурна киселина за да се добијат водород флуориди растворливи во вода, како што е хептафлуоротанталат. Ова им овозможува на металите да се одвојат од различните неметални нечистотии во карпата.

(FeMn)(NbTa)₂O₆ + 16 HF → H₂[TaF₇] + H₂[NbOF₅] + FeF₂ + MnF₂ + 6 H₂O

Хидрогенфлуоридите на тантал и ниобиум потоа се отстрануваат од водениот раствор со течно-течна екстракција користејќи органски растворувачи, како што се циклохексанон или метил изобутил кетон. Овој чекор овозможува едноставно отстранување на разни метални нечистотии (на пример, железо и манган) кои остануваат во водната фаза во форма на флуориди. Раздвојувањето на танталот и ниобиумот потоа се постигнува со прилагодување на pH. Ниобиумот бара повисоко ниво на киселост за да остане растворлив во органската фаза и затоа може селективно да се отстрани со екстракција во помалку кисела вода. Чистиот раствор на танталоводород флуорид потоа се неутрализира со воден амонијак за да се добие хидриран тантал оксид (Ta2O5(H2O)x), кој се калцинира до тантал пентоксид (Ta2O5) како што е опишано во овие идеализирани равенки:^[3]

H₂[TaF₇] + 5 H₂O + 7 NH₃ → 12 Ta₂O₅(H₂O)₅ + 7 NH₄F

Ta₂O₅(H₂O)₅ → Ta₂O₅ + 5 H₂O

Природниот чист тантал оксид е познат како минерал тантит, иако е исклучително редок.^[4]

Тантал оксидот често се користи во електрониката, често во форма на тенки филмови. За овие апликации може да се произведе со MOCVD (или сродни техники), што вклучува хидролиза на неговите испарливи халиди или алкоксиди:

Ta₂(OEt)₁₀ + 5 H₂O → Ta₂O₅ + 10 EtOH

2 TaCl₅ + 5 H₂O → Ta₂O₅ + 10 HCl

Кристалната структура на пентоксидот на тантал е предмет на одредена дебата. Материјалот е нарушен^[5] или е аморфен или поликристален, со единечни кристали кои тешко се одгледуваат. Како таква, рендгенската кристалографија во голема мера е ограничена на дифракција на прав, што обезбедува помалку структурни информации.

Познато е дека постојат најмалку 2 полиморфи. Форма на ниска температура, позната како L- или β-Ta₂O₅ и на висока температура позната како H- или α-Ta₂O₅. Преминот помеѓу овие две форми е бавен и реверзибилен; се одвива помеѓу 1000 и 1360 °C, со мешавина од структури кои постојат на средни температури.^[5] Структурите на двата полиморфи се состојат од синџири изградени од октаедарски TaO₆ и пентагонални бипирамидални TaO₇ полиедри кои споделуваат спротивни темиња, кои понатаму се споени со споделување на рабовите.^[6][7] Целокупниот кристален систем е орторомбичен и во двата случаи, при што вселенската група на β-Ta₂O₅ е идентификувана како Pna2 со дифракција на единечни кристали на Х-зраци.^[8] Пријавена е и форма на висок притисок (Z-Ta₂O₅) во која атомите на Та прифаќаат геометрија од 7 координати за да дадат моноклинична структура (просторна група C2).^[9]

Чисто аморфниот тантал пентооксид има слична локална структура на кристалните полиморфи, изградени од полиедрите TaO₆ и TaO₇, додека растопената течна фаза има посебна структура базирана на полиедри со пониска координација, главно TaO₅ и TaO₆.^[10]

Тешкотијата во формирањето материјал со униформа структура доведе до варијации во неговите пријавени својства. Како и многу метални оксиди,Ta₂O₅ е изолатор, а неговиот јаз во појасот е различно пријавен како помеѓу 3,8 и 5,3 eV, во зависност од методот на производство.^[11][12][13] Општо земено, колку материјалот е поаморфен, толку е поголем неговиот забележан јаз во појасот. Овие набљудувани вредности се значително повисоки од оние предвидени со пресметковната хемија (2.3 - 3.8 eV).^[14][15][16]

Неговата диелектрична константа е типично околу 25^[17] иако се пријавени вредности над 50.^[18] Општо земено, танталовиот пентооксид се смета за диелектричен материјал со висока k.

Ta₂O₅ не реагира значително ниту со HCl ниту со HBr, но сепак ќе се раствори во флуороводородна киселина и реагира со калиум бифлуорид и HF според следната равенка:^[19][20]

Ta₂O₅ + 4 KHF₂ + 6 HF → 2 K₂[TaF₇] + 5 H₂O

Ta₂O₅ може да се редуцира до метален Ta преку употреба на метални редуканти како што се калциум и алуминиум.

Ta₂O₅ + 5 Ca → 2 Ta + 5 CaO

Благодарение на неговиот висок јаз на опсегот и диелектричната константа, танталовиот пентооксид најде различни намени во електрониката, особено во танталовите кондензатори. Тие се користат во автомобилската електроника, мобилните телефони и пејџерите, електронските кола, компоненти со тенок слој и алатки со голема брзина. Во 1990-тите, се зголеми интересот за употребата на тантал оксид како високо-k диелектрик за апликации со DRAM кондензатори.^[21][22]

Се користи во метални-изолатор-метални кондензатори на чип за високофреквентни CMOS интегрирани кола. Танталум оксидот може да има примена како слој за задржување на полнеж за неиспарливи мемории.^[23][24] Постојат апликации на тантал оксид во резистивни преклопни мемории.^[25]

Поради високиот индекс на рефракција, Ta₂O₅ се користи во изработката на стаклата за фотографски леќи.^[2][26] Може да се депонира и како оптичка обвивка со типични апликации кои се антирефлексивни и повеќеслојни филтри премази во близина на УВ до близу инфрацрвено.^[27]