Tantalcarbid

Kristallstruktur
Strukturformel von Tantalcarbid
Vorlage:Farbe Ta4+ 0 Vorlage:Farbe C4−
Kristallsystem	kubisch
Raumgruppe	Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225<ref name="StrunzNickel" />
Gitterparameter	445 pm (entspricht 4,45 Å)<ref name="StrunzNickel" />
Allgemeines
Name	Tantalcarbid
Verhältnisformel	TaC
Kurzbeschreibung	braunes Pulver oder goldfarbener kristalliner Feststoff<ref name="Remy" />
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer Vorlage:CASRN EG-Nummer 235-118-3 ECHA-InfoCard 100.031.914 PubChem DrugBank Wikidata [[:d:|]]
Eigenschaften
Molare Masse	192,959 g·mol−1
Aggregatzustand	fest
Dichte	13,9 g·cm−3<ref name="alfa" />
Schmelzpunkt	3880 °C<ref name="alfa" />
Siedepunkt	5500 °C<ref name="alfa" />
Löslichkeit	nahezu unlöslich in Wasser<ref name="alfa" />
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung<ref name="alfa" /> Achtung H- und P-Sätze H: 228 P: 210<ref name="alfa" />
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa).

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<ref name="Fundorte" /> und 1962 durch Clifford Frondel beschrieben. Seine ursprüngliche Bezeichnung „Tantalum carbide“ wandelte Hugo Strunz 1966 in die bis heute gültige Form Tantalcarbid ab.<ref name="Hey" />

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.<ref name="IMA-Liste" />

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)<ref name="IMA-Liste-2009" /> 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).<ref name="Dana-Systematik" />

In der Natur konnte Tantalcarbid bisher ausschließlich in Form von mikrokristallinen Körnern bis etwa 0,2 mm Größe gefunden werden.<ref name="Handbookofmineralogy" />

Gewinnung und Darstellung

Tantalcarbid wird durch Umsetzung von Tantalpulver mit Flammruß

<math>\mathrm{Ta + C \longrightarrow TaC}</math>

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.<ref name="brauer" />

Eigenschaften

Kristallstruktur und -form

Tantalcarbid kristallisiert isostrukturell mit Niobocarbid<ref name="Mindat" /> 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.<ref name="StrunzNickel" /> Die Kristallstruktur von Tantalcarbid entspricht der Natriumchlorid-Struktur.

Das Carbid ist undurchsichtig und entwickelt gelblichgraue bis bronzefarbene, kubische Kristalle mit metallischem Glanz.<ref name="MA" />

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<ref name="Klockmann" /> bzw. 6,5 bis 7<ref name="Lapis" /> oder 9 bis 10<ref name="spektrum.de" />. Anderen Quellen zufolge hat Tantalcarbid eine Vickershärte (Mikrohärte HV_0,05) von 1800,<ref name="Bertau-et-al" /> was einer Mohshärte von etwa 8,5 bis 9 entspräche.

Mit einer Dichte von 13,9 g·cm⁻³<ref name="alfa" /> ist Tantalcarbid fast zweimal so dicht wie Stahl.

Neben TaC ist auch noch die intermetallische Phase Ta₂C bekannt, welches eine Schmelztemperatur von 3500 °C und eine Dichte von 15 g·cm⁻³ besitzt.<ref name="brauer" />

Verwendung

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

Einzelnachweise

<references> ><ref name="alfa"> Datenblatt Tantalum carbide, 99.5% (metals basis) bei Alfa AesarVorlage:Abrufdatum (Seite nicht mehr abrufbar). </ref> <ref name="Bertau-et-al"> 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).  </ref> <ref name="brauer"> 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. </ref> <ref name="Dana-Systematik"> 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 ().  </ref> <ref name="Handbookofmineralogy"> </ref> <ref name="Fundorte"> Fundortliste für Tantalcarbid Mineralienatlas (deutsch) und bei Mindat (englisch), abgerufen am 8. September 2021. </ref> <ref name="Hey"> 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).  </ref> <ref name="IMA-Liste-2009"> Ernest H. Nickel, Monte C. Nichols: IMA/CNMNC List of Minerals 2009. (PDF; 1,9 MB) In: cnmnc.units.it. IMA/CNMNC, Januar 2009, archiviert vom Vorlage:IconExternal am 29. Juli 2024; abgerufen am 30. Juli 2024 ().  </ref> <ref name="IMA-Liste">Malcolm Back, Cristian Biagioni, William D. Birch, Michel Blondieau, Hans-Peter Boja und andere: The New IMA List of Minerals – A Work in Progress – Updated: July 2024. (PDF; 3,6 MB) In: cnmnc.units.it. IMA/CNMNC, Marco Pasero, Juli 2024, abgerufen am 13. August 2024 (). </ref> <ref name="Klockmann"> 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).  </ref> <ref name="Lapis"> 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.  </ref> <ref name="MA"> Tantalcarbid. In: Mineralienatlas Lexikon. Geolitho Stiftung, abgerufen am 21. September 2020.  </ref> <ref name="Mindat"> Tantalcarbide. In: mindat.org. Hudson Institute of Mineralogy, abgerufen am 8. September 2021 ().  </ref> <ref name="Remy"> Heinrich Remy: Lehrbuch der Anorganischen Chemie Band I + II, Leipzig 1973. </ref> <ref name="spektrum.de"> Tantalcarbid im Lexikon der Chemie. In: spektrum.de. Abgerufen am 21. September 2020.  </ref> <ref name="StrunzNickel"> </ref> </references>