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碳化钽

化合物

碳化钽是一类二元化合物，由钽和碳组成，实验式TaCx，x 一般在 0.4 到1 之间。它们的硬度极大，脆，是耐火材料，具有金属的电导率。它是一种棕灰色粉末，通常通过烧结处理。

碳化钽
IUPAC名
Tantalum carbide
别名 碳化钽(IV)
识别
CAS号 12070-06-3  checkY
12070-07-4（(TaC0.5)）  checkY
SMILES
 
  • [Ta+]#[C-]
InChI
 
  • 1S/C.Ta/q-1;+1
InChIKey DUMHRFXBHXIRTD-UHFFFAOYSA-N
性质
化学式 TaC
摩尔质量 192.96 g/mol g·mol⁻¹
外观 棕灰色粉末
氣味 无臭
密度 14.3–14.65 g/cm3 (TaC)
15.1 g/cm3 (TaC0.5)[1]
熔点 3,850—3,880 °C（4,120—4,150 K）(TaC)[2]
3,327 °C（6,021 °F；3,600 K）
(TaC0.5)[1]
沸点 4,780—5,470 °C（5,050—5,740 K）(TaC)[1][2]
溶解性（水） 不溶
溶解性 可溶于HF-HNO3的混合物[1]
熱導率 21 W/m·K
热力学
ΔfHm⦵298K −144.1 kJ/mol
S⦵298K 42.29 J/mol·K
热容 36.71 J/mol·K[3]
相关物质
相关化学品 一氮化锆
碳化铌
碳化锆
若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

作为重要的金属陶瓷（英语：cermet）材料，碳化钽在商业车刀中用于切削应用，有时会添加到碳化钨合金中。[4]

取决于纯度和测量条件，碳化钽的熔点在约3880℃达到峰值。这个值是二元化合物里最高的。[5][6]只有碳化钽铪的熔点可能略高，大约为3942°C，[7]而碳化铪的熔点与TaC相当。

制备

TaCx粉末是由钽和石墨的粉末在真空或惰性气体(氩)里使用炉子或电弧熔化装置在约2000℃的温度下进行加热。[8][9]钽和石墨的量决定了x的值。另一种技术是在真空或氢气气氛中，在1500–1700℃的温度下通过碳进行五氧化二钽的还原。该方法于1876年用于获得碳化钽，[10]但它无法控制产物的化学计量。[6]自蔓延高温合成（英语：self-propagating high-temperature synthesis）法也是已报道的直接从单质制备TaC的方法之一。[11]

晶体结构

 
β-TaC0.5 的晶体结构，蓝色的是钽原子

当 x = 0.7–1.0 时，TaCx有着立方结构 (岩盐的结构) 。[12]碳化钽的晶格常数会随着x增长而增长。[13] TaC0.5有两种结构。较稳定的具有反碘化镉型三角结构，该结构在加热至约2000℃时转变为六方晶格，对碳原子来说已经没有规律了。[8]

实验式 对称性 种类 皮尔逊符号 空间群 No Z ρ (g/cm3) a (nm) c (nm)
TaC 立方 NaCl[13] cF8 Fm3m 225 4 14.6 0.4427
TaC0.75 三方[14] hR24 R3m 166 12 15.01 0.3116 3
TaC0.5 三方[15] 反-CdI2 hP3 P3m1 164 1 15.08 0.3103 0.4938
TaC0.5 六方[9] hP4 P63/mmc 194 2 15.03 0.3105 0.4935

在这个表中，Z是每单位的配位数，ρ是由晶格常数计算而来的密度。

性质

碳化钽中钽和碳原子之间的键是离子键，金属键和共价键混合，是很复杂的键，并且由于强共价成分，这些碳化物是非常坚硬且易碎的材料。举个例子，TaC的显微硬度为1600-2000 kg/mm2 [16]（〜9 Mohs）和285 GPa的弹性模量，而钽的相应值为110 kg/mm2和186 GPa。碳化钽的硬度，屈服和剪切应力随TaCx中碳含量的增加而增加。[17]

碳化钽无论是什么大小和温度都具有金属导电性。TaC 可以在10.35 K以下转变为超导体。[13]

TaCx的磁性能从x≤0.9的反磁性变为“ x”≥0.9的顺磁性。尽管HfCx具有与TaCx相同的晶体结构，但仍观察到了相反的行为（磁性随x的增加而减少）。[18]

应用

碳化钽因其在熔点、硬度、弹性模量、导热性、热冲击方面的优异物理性能而被广泛用作超高温陶瓷（UHTC）的烧结添加剂或高熵合金（HEA）的陶瓷增强材料抵抗力和化学稳定性，这使其成为航空航天工业中飞机和火箭的理想材料。

天然存在

鉭碳礦（英语：Tantalcarbide）是碳化钽的天然存在形式。它属立方晶系，并且非常稀有。[19]

参见

参考资料

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Lide, David R. (编). CRC Handbook of Chemistry and Physics 90th. Boca Raton, Florida: CRC Press（英语：CRC Press）. 2009. ISBN 978-1-4200-9084-0 （英语）. 
  2. ^ 2.0 2.1 5196273 [失效連結]
  3. ^ Tantalum carbide in Linstrom, Peter J.; Mallard, William G. (eds.); NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg (MD), http://webbook.nist.gov (retrieved 2014-07-02)
  4. ^ Emsley, John. Nature's building blocks: an A-Z guide to the elements. Oxford University Press. 11 August 2003: 421– [2 May 2011]. ISBN 978-0-19-850340-8. 
  5. ^ TaC0.89中4000°C的熔点声称不是基于实际测量，而是基于相图的推断，使用与NbC的类比，请参见Emeléus
  6. ^ 6.0 6.1 Emeléus, Harry. Advances in Inorganic Chemistry and Radiochemistry. Academic Press. 1968: 174–176 [3 May 2011]. ISBN 978-0-12-023611-4. （原始内容存档于2017-03-24）. 
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  8. ^ 8.0 8.1 Lonnberg, B; Lundstrom, T; Tellgren, R. A neutron powder diffraction study of Ta2C and W2C. Journal of the Less Common Metals. 1986, 120 (2): 239–245. doi:10.1016/0022-5088(86)90648-X. 
  9. ^ 9.0 9.1 Rudy, Erwin; Brukl, C. E.; Windisch, Stephan. Constitution of Ternary Ta-Mo-C Alloys. Journal of the American Ceramic Society. 1968, 51 (5): 239–250. doi:10.1111/j.1151-2916.1968.tb13850.x. 
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  14. ^ Yvon, K.; Parthé, E. On the crystal chemistry of the close-packed transition-metal carbides. I. The crystal structure of the [zeta]-V, Nb and Ta carbides. Acta Crystallographica Section B. 1970, 26 (2): 149–153. doi:10.1107/S0567740870002091. 
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  18. ^ Gusev, Aleksandr; Rempel, Andrey; Magerl, Andreas. Disorder and order in strongly nonstoichiometric compounds: transition metal carbides, nitrides, and oxides. Springer. 2001: 513–516 [3 May 2011]. ISBN 978-3-540-41817-7. （原始内容存档于2020-08-11）. 
  19. ^ Mindat, Tantalcarbide （页面存档备份，存于互联网档案馆）. [2020-07-27]
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