碳化鉭

化合物

碳化鉭是一類二元化合物,由組成,實驗式TaCxx 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 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
ΔfHm298K −144.1 kJ/mol
S298K 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]碳化鉿的熔點與TaC相當。

製備

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TaCx粉末是由鉭和石墨的粉末在真空或惰性氣體()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

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β-TaC0.5 的晶體結構,藍色的是鉭原子

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

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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

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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

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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

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參考資料

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  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. 
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  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). 
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