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碳化鉭

化合物

碳化鉭是一類二元化合物，由鉭和碳組成，實驗式TaCx，x 一般在 0.4 到1 之間。它們的硬度極大，脆，是耐火材料，具有金屬的電導率。它是一種棕灰色粉末，通常通過燒結處理。

碳化鉭
IUPAC名
Tantalum carbide
別名 碳化鉭(IV)
識別
CAS號 12070-06-3  checkY
12070-07-4（(TaC0.5)）  checkY
SMILES
 
  • [Ta+]#[C-]
InChI
 
  • 1S/C.Ta/q-1;+1
InChIKey DUMHRFXBHXIRTD-UHFFFAOYSA-N
性質
化學式 TaC
摩爾質量 192.96 g/mol g·mol⁻¹
外觀 棕灰色粉末
氣味 無臭
密度 14.3–14.65 g/cm3 (TaC)
15.1 g/cm3 (TaC0.5)[1]
熔點 3,850—3,880 °C（4,120—4,150 K）(TaC)[2]
3,327 °C（6,021 °F；3,600 K）
(TaC0.5)[1]
沸點 4,780—5,470 °C（5,050—5,740 K）(TaC)[1][2]
溶解性（水） 不溶
溶解性 可溶於HF-HNO3的混合物[1]
熱導率 21 W/m·K
熱力學
ΔfHm⦵298K −144.1 kJ/mol
S⦵298K 42.29 J/mol·K
熱容 36.71 J/mol·K[3]
相關物質
相關化學品 一氮化鋯
碳化鈮
碳化鋯
若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

作為重要的金屬陶瓷（英語：cermet）材料，碳化鉭在商業車刀中用於切削應用，有時會添加到碳化鎢合金中。[4]

取決於純度和測量條件，碳化鉭的熔點在約3880℃達到峰值。這個值是二元化合物里最高的。[5][6]只有碳化鉭鉿的熔點可能略高，大約為3942°C，[7]而碳化鉿的熔點與TaC相當。

製備

TaCx粉末是由鉭和石墨的粉末在真空或惰性氣體(氬)里使用爐子或電弧熔化裝置在約2000℃的溫度下進行加熱。[8][9]鉭和石墨的量決定了x的值。另一種技術是在真空或氫氣氣氛中，在1500–1700℃的溫度下通過碳進行五氧化二鉭的還原。該方法於1876年用於獲得碳化鉭，[10]但它無法控制產物的化學計量。[6]自蔓延高溫合成（英語：self-propagating high-temperature synthesis）法也是已報道的直接從單質製備TaC的方法之一。[11]

晶體結構

 
β-TaC0.5 的晶體結構，藍色的是鉭原子

當 x = 0.7–1.0 時，TaCx有着立方結構 (岩鹽的結構) 。[12]碳化鉭的晶格常數會隨着x增長而增長。[13] TaC0.5有兩種結構。較穩定的具有反碘化鎘型三角結構，該結構在加熱至約2000℃時轉變為六方晶格，對碳原子來說已經沒有規律了。[8]

實驗式 對稱性 種類 皮爾遜符號 空間群 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

在這個表中，Z是每單位的配位數，ρ是由晶格常數計算而來的密度。

性質

碳化鉭中鉭和碳原子之間的鍵是離子鍵，金屬鍵和共價鍵混合，是很複雜的鍵，並且由於強共價成分，這些碳化物是非常堅硬且易碎的材料。舉個例子，TaC的顯微硬度為1600-2000 kg/mm2 [16]（〜9 Mohs）和285 GPa的彈性模量，而鉭的相應值為110 kg/mm2和186 GPa。碳化鉭的硬度，屈服和剪切應力隨TaCx中碳含量的增加而增加。[17]

碳化鉭無論是什麼大小和溫度都具有金屬導電性。TaC 可以在10.35 K以下轉變為超導體。[13]

TaCx的磁性能從x≤0.9的反磁性變為「 x」≥0.9的順磁性。儘管HfCx具有與TaCx相同的晶體結構，但仍觀察到了相反的行為（磁性隨x的增加而減少）。[18]

應用

碳化鉭因其在熔點、硬度、彈性模量、導熱性、熱衝擊方面的優異物理性能而被廣泛用作超高溫陶瓷（UHTC）的燒結添加劑或高熵合金（HEA）的陶瓷增強材料抵抗力和化學穩定性，這使其成為航空航天工業中飛機和火箭的理想材料。

天然存在

鉭碳礦（英語：Tantalcarbide）是碳化鉭的天然存在形式。它屬立方晶系，並且非常稀有。[19]

參見

參考資料

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Lide, David R. (編). CRC Handbook of Chemistry and Physics 90th. Boca Raton, Florida: CRC Press（英語：CRC Press）. 2009. ISBN 978-1-4200-9084-0 （英語）. 
  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的熔點聲稱不是基於實際測量，而是基於相圖的推斷，使用與NbC的類比，請參見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. （原始內容存檔於2017-03-24）. 
  7. ^ Agte, C.; Alterthum, H. Researches on Systems with Carbides at High Melting Point and Contributions to the Problem of Carbon Fusion. Zeitschrift für technische Physik. 1930, 11: 182–191. ISSN 0373-0093. 
  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. 
  10. ^ Joly, A. Sur les azotures et carbures de niobium et de tantale. Compt. Rend. 1876, 82: 1195 [2020-07-14]. （原始內容存檔於2020-07-16） （法語）. 
  11. ^ Shuck, Christopher E.; Manukyan, Khachatur V.; Rouvimov, Sergei; Rogachev, Alexander S.; Mukasyan, Alexander S. Solid-flame: Experimental validation. Combustion and Flame. January 2016, 163: 487–493. doi:10.1016/j.combustflame.2015.10.025. 
  12. ^ Lavrentyev, A; Gabrelian, B; Vorzhev, V; Nikiforov, I; Khyzhun, O; Rehr, J. Electronic structure of cubic HfxTa1–xCy carbides from X-ray spectroscopy studies and cluster self-consistent calculations. Journal of Alloys and Compounds. 2008, 462 (1–2): 4–10. doi:10.1016/j.jallcom.2007.08.018. 
  13. ^ 13.0 13.1 13.2 Valvoda, V. X-ray diffraction study of Debye temperature and charge distribution in tantalum monocarbide. Physica Status Solidi A. 1981, 64: 133–142. doi:10.1002/pssa.2210640114. 
  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. 
  15. ^ Bowman, A. L.; Wallace, T. C.; Yarnell, J. L.; Wenzel, R. G.; Storms, E. K. The crystal structures of V2C and Ta2C. Acta Crystallographica. 1965, 19: 6–9. doi:10.1107/S0365110X65002670. 
  16. ^ Kurt H. Stern (1996). Metallurgical and Ceramic Protective Coatings. Chapman & Hall.
  17. ^ Oyama, S. Ted. The chemistry of transition metal carbides and nitrides. Springer. 1996: 29–30 [3 May 2011]. ISBN 978-0-7514-0365-7. （原始內容存檔於2020-07-14）. 
  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. （原始內容存檔於2020-08-11）. 
  19. ^ Mindat, Tantalcarbide （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. [2020-07-27]
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