Carburo de tántalo

 
Carburo de tántalo
General
Fórmula molecular TaC
Identificadores
Número CAS 12070-06-3[1]​
Propiedades físicas
Masa molar 192,96 g/mol
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El carburo de tántalo es una familia de compuestos intersticial de carbono y tantalo que tiene la fórmula química genérica TaCx , donde x esta generalmente comprendida entre 1 y 0,4, x = 0,5 corresponde a carburo de tántalo (II), Ta2C, también llamada ditantalo monocarburo, mientras que x = 1 corresponde a carburo de tántalo (IV).

Utilidad

Son cerámicas refractarias extremadamente duras y quebradizas con un conductividad similar al metal. Se presenta como polvos de color marrón gris oscuros generalmente procesados por sinterización. Estos son componentes importantes de los materiales cermet que se utilizan comercialmente en diversas herramientas usadas en el corte y metales a veces se añaden a las aleaciones de carburo de wolframio.[2]​

Preparación

Los polvos TaCx de composición deseada se preparan calentando una mezcla de polvos de tántalo y grafito en polvo en vacío o en una atmósfera inerte (argón) a 2000 °C usando un horno industrial o de arco eléctrico[3]​·.[4]​ Otro método es reducir el óxido de tántalo (V), Ta2O5 con el carbono al vacío o en una atmósfera de hidrógeno a una temperatura de entre 1500 a 1700 °C. Este proceso se utilizó para producir en 1.876 carburo de tántalo,[5]​ pero no se controla la estequiometría del producto.[6]​

Estructura cristalina

TaC x compuestos tienen una cúbica (sal gema) estructura cristalina para x = 0.7-1.0;[7]​ el parámetro de red aumenta con x [8]​ TaC 0.5 tiene dos formas cristalinas principales simetría. El uno más estable tiene un anti- yoduro de cadmio estructura trigonal-tipo que transforma después del calentamiento a aproximadamente 2.000 °C en una red hexagonal con ninguna orden de largo alcance de los átomos de carbono.[9]​

Fórmula Simetría Tipo Símbolo de Pearson Grupo espacial No Z ρ (g/cm³) a (nm) c (nm)
TaC Cúbica NaCl[10]​ cF8 Fm3m 225 4 14.6 0.4427
TaC0.75 Trigonal[11]​ hR24 R3m 166 12 15.01 0.3116 3
TaC0.5 Trigonal[12]​ anti-CdI2 hP3 P3m1 164 1 15.08 0.3103 0.4938
TaC0.5 Hexagonal[13]​ hP4 P63/mmc 194 2 15.03 0.3105 0.4935

Aquí Z es el número de unidades de fórmula por celda unidad, ρ es la densidad calculada a partir de parámetros de red.

Propiedades físicas

Los enlaces entre los átomos de carbono y tántalo en carburos de tantalio son de enlaces iónicos .La gran contribución de estos últimos da a estos materiales de muy duro y frágil en la naturaleza. TaC y tiene una microdureza de 1600 a 2000 kg·mm-2 (sobre 9 en la escala de Mohs) y un módulo de elasticidad de 285 MPa, mientras que los valores correspondientes para el tantalio puro son 110 kg·mm-2 y 186 MPa.

La dureza, la resistencia a la fluencia y al cizallamiento, son sensibles a la temperatura y aumentan de la tasa de carbono. El punto de fusión de los carburos de tantalio alcanza un máximo alrededor de 3880 °C dependiendo de las condiciones de medición y la pureza de la muestra. Este valor se encuentra entre los más altos conocidas para compuestos binarios.[14]​[6]​Sólo el compuesto terciario carburo de tántalo-hafnio tiene una temperatura de fusión sustancialmente más alta, del orden de 4215 °C , mientras que la temperatura de fusión del carburo de hafnio es comparable a la de carburo de tántalo. El carburo de tántalo es un superconductor con una temperatura crítica es 10,35 K.[15]​

Las propiedades magnéticas de TaCx depende de la cantidad de carbono, para x ≤ 0,9 es diamagnético y se vuelven paramagnético para x > 0,9. El carburo de hafnio tiene el comportamiento opuesto aunque comparte la misma estructura cristalina que el carburo de tántalo.[16]​

Propiedades químicas

El carburo de tántalo es un compuesto químicamente estable a temperatura ambiente con respecto a la mayoría de las mezclas reactivas. Es insoluble en una solución al 20% de hidróxido de sodio. Disolución del compuesto tiene lugar principalmente en ebullición de ácido sulfúrico, ácido fosfórico y mezclas de hidróxido de sodio y agua de bromo, hidróxido de sodio y peróxido de hidrógeno , ácido sulfúrico y ácido fosfórico a una temperatura de 105 °C para formar un precipitado de sales.

EL carburo de tántalo se disuelve completamente en la mezcla de fluoruro de hidrógeno y ácido nítrico.

A partir de 600 °C, reacciona con el oxígeno para formar un Ta2O5.[17]​

Referencias

  1. ↑ Número CAS
  2. ↑ (en inglés) John Emsley, « Nature's building blocks: an A-Z guide to the elements », Oxford University Press (11 August 2003), pp. 421-. ISBN 978-0-19-850340-8.
  3. ↑ «A neutron powder diffraction study of Ta2C and W2C». Journal of the Less Common Metals (en inglés) 120 (2): 239-245. junio de 1986. Consultado el 13 de octubre de 2013.  doi 10.1016/0022-5088(86)90648-X
  4. ↑ «Constitution of Ternary Ta-Mo-C Alloys». Journal of the American Ceramic Society (en inglés) 51 (5): 239-250. mayo de 1968. Consultado el 13 de octubre de 2013.  doi 10.1111/j.1151-2916.1968.tb13850.x
  5. ↑ Joly, A. (1876). Compt. Rend. 82: 1905. 
  6. ↑ a b Harry Julius Emeléus (1968). Advances in Inorganic Chemistry and Radiochemistry. Academic Press. pp. 174-176. ISBN 978-0-12-023611-4. Consultado el 3 de mayo de 2011. 
  7. ↑ Lavrentyev, A; Gabrelian, B; Vorzhev, V; Nikiforov, I; Khyzhun, O; Rehr, J (2008). «Electronic structure of cubic HfxTa1–xCy carbides from X-ray spectroscopy studies and cluster self-consistent calculations». Journal of Alloys and Compounds 462 (1–2): 4-10. doi:10.1016/j.jallcom.2007.08.018. 
  8. ↑ Valvoda, V. (1981). «X-ray diffraction study of Debye temperature and charge distribution in tantalum monocarbide». Physica Status Solidi A 64 (1): 133-142. Bibcode:1981PSSAR..64..133V. doi:10.1002/pssa.2210640114. 
  9. ↑ Lonnberg, B; Lundstrom, T; Tellgren, R (1986). «A neutron powder diffraction study of Ta2C and W2C». Journal of the Less Common Metals 120 (2): 239-245. doi:10.1016/0022-5088(86)90648-X. 
  10. ↑ Valvoda, V. (1981). «X-ray diffraction study of Debye temperature and charge distribution in tantalum monocarbide». Physica Status Solidi (a) 64: 133-142. doi:10.1002/pssa.2210640114. 
  11. ↑ Yvon, K.; Parthé, E. (1970). «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 Structural Crystallography and Crystal Chemistry 26 (2): 149-153. doi:10.1107/S0567740870002091. 
  12. ↑ Bowman, A. L.; Wallace, T. C.; Yarnell, J. L.; Wenzel, R. G.; Storms, E. K. (1965). «The crystal structures of V2C and Ta2C». Acta Crystallographica 19: 6-9. doi:10.1107/S0365110X65002670. 
  13. ↑ Rudy, Erwin; Brukl, C. E.; Windisch, Stephan (1968). «Constitution of Ternary Ta-Mo-C Alloys». Journal of the American Ceramic Society 51 (5): 239-250. doi:10.1111/j.1151-2916.1968.tb13850.x. 
  14. ↑ El valor del punto de fusión en 4,000 ° C del TaC0.89 no se basa en la medición real sino en una extrapolación del diagrama de fase, utilizando una analogía con la NbC, ver Emeléus
  15. ↑ «X-ray diffraction study of Debye temperature and charge distribution in tantalum monocarbide». physica status solidi (a) (en inglés) 64 (1): 133-142. marzo de 1981. Consultado el 13 de octubre de 2013.  doi 10.1002/pssa.2210640114
  16. ↑ (en inglés) Aleksandr Ivanovich Gusev, Andreĭ Andreevich Rempel et Andreas J. Magerl, « Disorder and order in strongly nonstoichiometric compounds: transition metal carbides, nitrides, and oxides », Springer (2001), pp. 513–516. ISBN 978-3-540-41817-7. Consulté le 3 mai 2011.
  17. ↑ Climent Montoliu, F.; Castella Junza, G. Caracterización de la reacción de oxidación del tantalio a Ta205 mediante difracción de rayos X a alta temperatura, análisis térmico y microscopía electrónica de barrido. Departamento de Ingeniería Química y Metalúrgica. (Area de Ciencia de Materiales). Facultad de Química. Universidad de Barcelona.