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Articulo de referencia

pentóxido de tantalio

2 O 5 \n| MolarMass = 441.893 g/mol\n| Solubility = negligible\n| SolubleOther = insoluble in organic solvents and most [[mineral acid]]s, reacts with HF\n| Density = β-Ta 2 O 5...

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El pentóxido de tantalio , también conocido como óxido de tantalio (V), es el compuesto inorgánico con la fórmula Ta2 O5. Es un sólido blanco insoluble en todos los disolventes, pero atacado por bases fuertes yácidofluorhídrico.2 O5 es un material inerte con un altoíndice de refraccióny baja absorción (es decir, incoloro), lo que lo hace útil para recubrimientos. [ 2 ] También se utiliza ampliamente en la producción decapacitores, debido a su altaconstante dieléctrica.

Preparación

Aparición

El tantalio se encuentra en los minerales tantalita y columbita (siendo columbio un nombre arcaico para el niobio ), que se forman en las pegmatitas , una formación rocosa ígnea. Las mezclas de columbita y tantalita se denominan coltán . El tantalio fue descubierto en la tantalita en 1802 por Anders Gustaf Ekeberg en Ytterby , Suecia, y Kimoto, Finlandia. Los minerales microlita y pirocloro contienen aproximadamente un 70 % y un 10 % de tantalio, respectivamente.

Refinación

Los minerales de tantalio suelen contener cantidades significativas de niobio , un metal valioso. Por ello, ambos metales se extraen para su comercialización. El proceso general es hidrometalúrgico y comienza con una etapa de lixiviación , en la que el mineral se trata con ácido fluorhídrico y ácido sulfúrico para producir fluoruros de hidrógeno solubles en agua , como el heptafluorotantalato . Esto permite separar los metales de las diversas impurezas no metálicas presentes en la roca.

(FeMn)(NbTa) 2 O 6 + 16 HF → H 2 [TaF 7 ] + H 2 [NbOF 5 ] + FeF 2 + MnF 2 + 6 H 2 O

Los hidrogenofluoruros de tantalio y niobio se eliminan de la solución acuosa mediante extracción líquido-líquido con disolventes orgánicos , como ciclohexanona o metil isobutil cetona . Este paso permite la eliminación sencilla de diversas impurezas metálicas (por ejemplo, hierro y manganeso) que permanecen en la fase acuosa en forma de fluoruros . La separación del tantalio y el niobio se logra mediante ajuste de pH . El niobio requiere un nivel de acidez mayor para permanecer soluble en la fase orgánica y, por lo tanto , puede eliminarse selectivamente mediante extracción en agua menos ácida. La solución pura de hidrogenofluoruro de tantalio se neutraliza con amoníaco acuoso para obtener óxido de tantalio hidratado ( Ta₂O₅ (H₂O ) ₓ ) , que se calcina a pentóxido de tantalio (Ta₂O₅ ) como se describe en estas ecuaciones idealizadas: [ 3 ]

H 2 [TaF 7 ] + 5 H 2 O + 7 NH 3 → ⁠ 1 / 2 ⁠ Ta 2 O 5 (H 2 O) 5 + 7 NH 4 F
Ta 2 O 5 (H 2 O) 5 → Ta 2 O 5 + 5 H 2 O

El óxido de tantalio puro natural se conoce como el mineral tantita , aunque es extremadamente raro. [ 4 ]

A partir de alcóxidos

El óxido de tantalio se utiliza frecuentemente en electrónica, a menudo en forma de películas delgadas . Para estas aplicaciones, se puede producir mediante MOCVD (o técnicas relacionadas), que implica la hidrólisis de sus haluros o alcóxidos volátiles :

Ta 2 (OEt) 10 + 5 H 2 O → Ta 2 O 5 + 10 EtOH
2 TaCl 5 + 5 H 2 O → Ta 2 O 5 + 10 HCl

Estructura y propiedades

La estructura cristalina del pentóxido de tantalio ha sido objeto de debate. El material a granel es desordenado , [ 5 ] siendo amorfo o policristalino ; y resulta difícil obtener monocristales . Por ello, la cristalografía de rayos X se ha limitado en gran medida a la difracción de polvo , que proporciona menos información estructural.

Se conocen al menos dos polimorfos . Una forma de baja temperatura, conocida como L- o β- Ta₂O₅ , y la forma de alta temperatura conocida como H- o α-Ta₂O₅ . La transición entre estas dos formas es lenta y reversible; tiene lugar entre 1000 y 1360 ° C, existiendo una mezcla de estructuras a temperaturas intermedias. [ 5 ] Las estructuras de ambos polimorfos consisten en cadenas construidas a partir de poliedros octaédricos TaO₆ y bipiramidales pentagonales TaO₇ que comparten vértices opuestos; que además se unen compartiendo aristas. [ 6 ] [ 7 ] El sistema cristalino general es ortorrómbico en ambos casos, y el grupo espacial de β-Ta₂O₅ se ha identificado como Pna2 mediante difracción de rayos X de monocristal. [ 8 ] [ 9 ] 

También se ha descrito una forma de alta presión ( Z - Ta₂O₅ ), en la que los átomos de Ta adoptan una geometría de 7 coordenadas para dar lugar a una estructura monoclínica (grupo espacial C2). [ 10 ]

El pentóxido de tantalio puramente amorfo tiene una estructura local similar a la de los polimorfos cristalinos, construida a partir de poliedros TaO 6 y TaO 7 , mientras que la fase líquida fundida tiene una estructura distinta basada en poliedros de menor coordinación, principalmente TaO 5 y TaO 6 . [ 11 ]

La dificultad para formar un material con una estructura uniforme ha dado lugar a variaciones en sus propiedades reportadas. Al igual que muchos óxidos metálicos, el Ta₂O₅ es un aislante y su banda prohibida se ha reportado en diversos rangos, entre 3,8 y 5,3 eV, dependiendo del método de fabricación. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] En general, cuanto más amorfo es el material, mayor es su banda prohibida observada. Estos valores observados son significativamente más altos que los predichos por la química computacional (2,3 - 3,8 eV). [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

Su constante dieléctrica suele ser de alrededor de 25 [ 18 ] aunque se han reportado valores superiores a 50. [ 19 ] En general, el pentóxido de tantalio se considera un material dieléctrico de alta κ .

Reacciones

El Ta 2 O 5 no reacciona apreciablemente con HCl ni con HBr, sin embargo se disuelve en ácido fluorhídrico y reacciona con bifluoruro de potasio y HF según la siguiente ecuación: [ 20 ] [ 21 ]

Ta 2 O 5 + 4 KHF 2 + 6 HF → 2 K 2 [TaF 7 ] + 5 H 2 O

El Ta 2 O 5 se puede reducir a Ta metálico mediante el uso de reductores metálicos como el calcio y el aluminio.

Ta 2 O 5 + 5 Ca → 2 Ta + 5 CaO
Varios condensadores de tantalio de 10 μF × 30 V CC , de cuerpo sólido y recubiertos de epoxi. La polaridad está claramente indicada.

Usos

En electrónica

Debido a su gran banda prohibida y constante dieléctrica , el pentóxido de tantalio ha encontrado diversas aplicaciones en electrónica, especialmente en condensadores de tantalio . Estos se utilizan en electrónica automotriz , teléfonos celulares y buscapersonas, circuitos electrónicos, componentes de película delgada y herramientas de alta velocidad. En la década de 1990, creció el interés por el uso del óxido de tantalio como dieléctrico de alta constante dieléctrica para aplicaciones de condensadores DRAM . [ 22 ] [ 23 ]

Se utiliza en condensadores metal-aislante-metal en chip para circuitos integrados CMOS de alta frecuencia . El óxido de tantalio puede tener aplicaciones como capa de atrapamiento de carga para memorias no volátiles . [ 24 ] [ 25 ] Existen aplicaciones del óxido de tantalio en memorias de conmutación resistiva . [ 26 ]

En óptica

Debido a su alto índice de refracción , el Ta₂O₅ se ha utilizado en la fabricación del vidrio de lentes fotográficas . [ 2 ] [ 27 ] También se puede depositar como recubrimiento óptico, con aplicaciones típicas como recubrimientos antirreflectantes y filtros multicapa en el rango ultravioleta cercano al infrarrojo cercano . [ 28 ]

También se ha descubierto que el Ta₂O₅ tiene un alto índice de refracción no lineal , [ 29 ] [ 30 ] del orden de tres veces el del nitruro de silicio , lo que ha generado interés en la utilización del Ta₂O₅ en circuitos integrados fotónicos . El Ta₂O₅ se ha utilizado recientemente como plataforma de material para la generación de supercontinuo [ 31 ] [ 32 ] y peines de frecuencia de Kerr [ 30 ] en guías de onda y resonadores de anillo ópticos . Mediante la adición de dopantes de tierras raras en el proceso de deposición, se han presentado láseres de guía de onda de Ta₂O₅ para una variedad de aplicaciones, como la detección remota y el LiDAR . [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]

Referencias

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