Tantalcarbid

Kristallstruktur
(c) Goran tek-en, CC BY-SA 4.0
_ Ta4+ 0 _ C4−
Kristallsystem	kubisch
Raumgruppe	Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225[1]
Gitterparameter	445 pm (entspricht 4,45 Å)[1]
Allgemeines
Name	Tantalcarbid
Verhältnisformel	TaC
Kurzbeschreibung	braunes Pulver oder goldfarbener kristalliner Feststoff[2]
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 12070-06-3 EG-Nummer 235-118-3 ECHA-InfoCard 100.031.914 Wikidata Q426498
Eigenschaften
Molare Masse	192,959 g·mol−1
Aggregatzustand	fest
Dichte	13,9 g·cm−3[3]
Schmelzpunkt	3880 °C[3]
Siedepunkt	5500 °C[3]
Löslichkeit	nahezu unlöslich in Wasser[3]
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[3] Achtung H- und P-Sätze H: 228 P: 210[3]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Tantalcarbid ist eine intermetallische Verbindung aus Tantal und Kohlenstoff mit der Summenformel TaC.

Vorkommen

Tantalcarbid wurde bisher erst einmal als natürliche Bildung in der „Aurorinsky Mine“ (Avrorinskii, Avorinskiy) am Fluss Aktai im Barantschinski-Massiv in der russischen Oblast Swerdlowsk (Ural) entdeckt^[4] und 1962 durch Clifford Frondel beschrieben. Seine ursprüngliche Bezeichnung „Tantalum carbide“ wandelte Hugo Strunz 1966 in die bis heute gültige Form Tantalcarbid ab.^[5]

Tantalcarbid als Mineral

Natürliche Vorkommen von Tantalcarbid waren bereits vor der Gründung der International Mineralogical Association (IMA) bekannt. Tantalcarbid ist daher als sogenanntes grandfathered Mineral als eigenständige Mineralart anerkannt.^[6]

Gemäß der Systematik der Minerale nach Strunz (9. Auflage) wird Tantalcarbid unter der System-Nummer 1.BA.20 (Elemente – Metallische Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorverbindungen – Carbide – Tantalcarbidgruppe)^[7] beziehungsweise in der veralteten 8. Auflage unter I/A.09 (Metalle und intermetallische Legierungen (ohne Halbmetalle)) eingeordnet. Die vorwiegend im englischsprachigen Raum verwendete Systematik der Minerale nach Dana führt das Element-Mineral unter der System-Nr. 01.01.19.04 (Elemente: Metallische Elemente außer der Platingruppe – Osbornitgruppe, Carbide und Nitride).^[8]

In der Natur konnte Tantalcarbid bisher ausschließlich in Form von mikrokristallinen Körnern bis etwa 0,2 mm Größe gefunden werden.^[9]

Gewinnung und Darstellung

Tantalcarbid wird durch Umsetzung von Tantalpulver mit Flammruß

${\mathrm {Ta+C\longrightarrow TaC} }$

oder Reduktion von Tantalpentoxid mit Kohlenstoff hergestellt. Aus diesem Grund muss metallisches Tantal durch Reduktion mit Wasserstoff, Alkali- oder Erdalkalimetallen erzeugt werden.

Kleine Mengen Tantalcarbid können aus Tantal-Drähten bei Temperaturen über 2500 °C in einer Wasserstoff-Atmosphäre mit Zusatz geringer Mengen von Kohlenwasserstoffen (z. B. Toluol, Methan, Acetylen) erhalten werden.^[10]

Eigenschaften

Kristallstruktur und -form

Tantalcarbid kristallisiert isostrukturell mit Niobocarbid^[11] im kubischen Kristallsystem in der Raumgruppe Fm3m (Raumgruppen-Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225 mit dem Gitterparameter a = 4,45 Å sowie 4 Formeleinheiten pro Elementarzelle.^[1] Die Kristallstruktur von Tantalcarbid entspricht der Natriumchlorid-Struktur.

Das Carbid ist undurchsichtig und entwickelt gelblichgraue bis bronzefarbene, kubische Kristalle mit metallischem Glanz.^[12]

Physikalische Eigenschaften

Tantalcarbid ist chemisch inert und löst sich nur in Fluss- oder Schwefelsäure. Es besitzt einen der höchsten Schmelzpunkte aller bekannten Stoffe mit 3880 °C – nur Tantalhafniumcarbid hat einen noch höheren Schmelzpunkt. Ist das Material unterstöchiometrisch mit der Formel TaC_0,89, so steigt der Schmelzpunkt auf knapp 4270 K (4000 °C).

Die Angaben zur Härte von Tantalcarbid sind widersprüchlich. Je nach Quelle besitzt die Verbindung TaC entweder eine Mohshärte von 6^[13] bzw. 6,5 bis 7^[14] oder 9 bis 10^[15]. Anderen Quellen zufolge hat Tantalcarbid eine Vickershärte (Mikrohärte HV_0,05) von 1800,^[16] was einer Mohshärte von etwa 8,5 bis 9 entspräche.

Mit einer Dichte von 13,9 g·cm^−3[3] ist Tantalcarbid fast zweimal so dicht wie Stahl.

Neben TaC ist auch noch die intermetallische Phase Ta₂C bekannt, welches ein Schmelztemperatur von 3500 °C und eine Dichte von 15 g·cm⁻³ besitzt.^[10]

Verwendung

Aufgrund seiner hohen Härte zählt Tantalcarbid zu den Hartmetallen und wird vor allem zur Herstellung von Schneidwerkzeugen und Beschichtung von Triebwerksdüsen verwendet.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c} Hugo Strunz, Ernest H. Nickel: Strunz Mineralogical Tables. Chemical-structural Mineral Classification System. 9. Auflage. E. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung (Nägele u. Obermiller), Stuttgart 2001, ISBN 3-510-65188-X, S. 47 (englisch). 
2. ↑ Heinrich Remy: Lehrbuch der Anorganischen Chemie Band I + II, Leipzig 1973.
3. ↑ ^{a b c d e f g} Datenblatt Tantalum carbide, 99.5% (metals basis) bei Alfa Aesar, abgerufen am 6. Dezember 2019 (PDF) (JavaScript erforderlich).
4. ↑ Fundortliste für Tantalcarbid Mineralienatlas (deutsch) und bei Mindat (englisch), abgerufen am 8. September 2021.
5. ↑ M. H. Hey: Twenty-fourth list of new mineral names. In: Mineralogical Magazine. Band 36, Dezember 1966, S. 1126–1164 (minersoc.org [PDF; 1,9 MB; abgerufen am 24. Februar 2018] Tantalcarbid S. 29, Tantalum carbide S. 30). 
6. ↑ Malcolm Back, William D. Birch, Michel Blondieau und andere: The New IMA List of Minerals – A Work in Progress – Updated: September 2020. (PDF; 3,4 MB) In: cnmnc.main.jp. IMA/CNMNC, Marco Pasero, September 2020, abgerufen am 21. September 2020 (englisch). 
7. ↑ Ernest H. Nickel, Monte C. Nichols: IMA/CNMNC List of Minerals 2009. (PDF; 1,82 MB) In: cnmnc.main.jp. IMA/CNMNC, Januar 2009, abgerufen am 21. September 2020 (englisch). 
8. ↑ David Barthelmy: Minerals Arranged by the New Dana Classification. 01.01.19 Osbornite group carbides and nitrides. In: webmineral.com. Abgerufen am 21. September 2020 (englisch). 
9. ↑ Tantalcarbide. In: John W. Anthony, Richard A. Bideaux, Kenneth W. Bladh, Monte C. Nichols (Hrsg.): Handbook of Mineralogy, Mineralogical Society of America. 2001 (englisch, handbookofmineralogy.org [PDF; 127 kB; abgerufen am 21. September 2020]). 
10. ↑ ^{a b} Georg Brauer (Hrsg.) u. a.: Handbuch der Präparativen Anorganischen Chemie. 3., umgearbeitete Auflage. Band III, Ferdinand Enke, Stuttgart 1981, ISBN 3-432-87823-0, S. 1475.
11. ↑ Tantalcarbide. In: mindat.org. Hudson Institute of Mineralogy, abgerufen am 8. September 2021 (englisch). 
12. ↑ Tantalcarbid. In: Mineralienatlas Lexikon. Geolitho Stiftung, abgerufen am 21. September 2020. 
13. ↑ Friedrich Klockmann: Klockmanns Lehrbuch der Mineralogie. Hrsg.: Paul Ramdohr, Hugo Strunz. 16. Auflage. Enke, Stuttgart 1978, ISBN 3-432-82986-8, S. 398 (Erstausgabe: 1891). 
14. ↑ Stefan Weiß: Das große Lapis Mineralienverzeichnis. Alle Mineralien von A – Z und ihre Eigenschaften. Stand 03/2018. 7., vollkommen neu bearbeitete und ergänzte Auflage. Weise, München 2018, ISBN 978-3-921656-83-9. 
15. ↑ Tantalcarbid im Lexikon der Chemie. In: spektrum.de. Abgerufen am 21. September 2020. 
16. ↑ Martin Bertau, Armin Müller, Peter Fröhlich, Michael Katzberg: Industrielle Anorganische Chemie. 4., vollständig überarbeitete und aktualisierte Auflage. John Wiley & Sons, Weinheim 2013, ISBN 978-3-527-33019-5, S. 623 (6.5.4 Carbide der IV. Nebengruppe. in der Google-Buchsuche – Tabelle 6.28: Eigenschaften metallischer Carbide).