Википедия

Этоксид тантала(V)

Этоксид тантала(V) представляет собой металлоорганическое соединение с формулой Ta2(OC2H5)10, часто сокращенно обозначаемое как Ta2(OEt)10. Это бесцветное твердое вещество, которое растворяется в некоторых органических растворителях, но легко гидролизуется. Используется для приготовления пленок оксида тантала(V).

Этоксид тантала​(V)​
Изображение химической структуры
Общие
Хим. формула C10H25O5Ta
Классификация
Рег. номер CAS 6074-84-6
PubChem 2733710 и 50908975
Рег. номер EINECS 228-010-2
SMILES
 
InChI
 
ChemSpider 21169490
Безопасность
Пиктограммы СГС Пиктограмма «Пламя» системы СГСПиктограмма «Восклицательный знак» системы СГС
NFPA 704
NFPA 704 four-colored diamondОгнеопасность 1: Следует нагреть перед воспламенением (например, соевое масло). Температура вспышки выше 93 °C (200 °F)Опасность для здоровья 2: Интенсивное или продолжительное, но не хроническое воздействие может привести к временной потере трудоспособности или возможным остаточным повреждениям (например, диэтиловый эфир)Реакционноспособность 2: Подвергается серьёзным химическим изменениям при повышенной температуре и давлении, бурно реагирует с водой или может образовывать взрывчатые смеси с водой (например, фосфор, калий, натрий)Специальный код W: Реагирует с водой необычным или опасным образом (например, цезий, натрий, рубидий)
1
2
2
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.

Структура

править

Алкоксиды тантала агрегируют в растворе в виде димеров[1] с октаэдрическими шести-координатными центрами тантала[2]. Последующий кристаллографический анализ установил, что метоксид и изопропоксиды ниобия принимают биоктаэдрические структуры[3][4]. С геометрической точки зрения, десять атомов кислорода этоксидного лиганда молекулы Ta2(OEt)10 в растворе образуют пару октаэдров, имеющих общий край с двумя атомами тантала, расположенными в их центрах. С точки зрения связывания каждый центр тантала окружен октаэдрически четырьмя монодентатными и двумя мостиковыми этоксидными лигандами . Каждый из атомов кислорода мостиковых этоксидов связан с обоими центрами тантала, и эти два лиганда находятся в цис-положении друг с другом в координационной сфере . Формула [(EtO)4Ta(μ-OEt)]2 более полно представляет эту димерную структуру, хотя для большинства целей обычно используется упрощенная формула.

Иллюстрация анализа ЯМР Архивная копия от 11 января 2020 на Wayback Machine.

Изготовление

править

Известно несколько подходов к получению этоксида тантала(V). Метатезис соли из хлорида тантала(V), как правило, наиболее успешен. Пентахлорид тантала, Ta2Cl10, обеспечивает удобную отправную точку для получения этоксида тантала(V). Прямая реакция с этанолом возможна и сопровождается образованием хлористого водорода, сильной кислоты в растворе, согласно уравнению (EtC2H5 относится к этильной группе):

10EtOH + Ta2Cl10 → Ta2(OEt)10 + 10HCl

К сожалению, кислотные условия способствуют образованию смешанных хлоридно-этоксидных соединений TaClx(OC2H5 )5 − x, 0 < x < 5, снижая выход и усложняя очистку продукта этоксида тантала(V). По этой причине обычно добавляют аммиак для улавливания выделенной HCl и поддержания основных условий реакции.

10EtOH + Ta2Cl10 + 10NH3 → Ta2(OEt)10 + 10NH4Cl

Метатезис соли с использованием алкоксида щелочного металла так же часто используется:

10NaOEt + Ta2Cl10 → Ta2(OEt)10 + 10NaCl

Это же соединение может быть получено электрохимически[3]. Два полу-уравнения и общее уравнение для этой реакции:

катод: 2EtOH + 2e− → 2EtO− + H2
анод: Та → Та5+ + 5е−
всего: 2Ta + 10EtOH → 2Ta5+ + 10EtO− + 5H2 → Ta2(OEt)10 + 5H2

Коммерческое производство этоксида тантала(V) с использованием этого электрохимического подхода успешно применяется в России. Соединение также может быть получено путем прямой реакции металлического тантала с этанолом, и в этом случае общее уравнение такое же, как показано выше для электрохимического подхода.

Реакции

править

Наиболее важной реакцией алкоксидов тантала является гидролиз с образованием пленок и гелей оксидов тантала. Хотя эти реакции являются сложными, образование пленки оксида тантала(V) путем гидролиза можно описать этим упрощенным уравнением:

Ta2(OC2H5)10 + 5H2O → Ta2O5 + 10C2H5OH

Оптические покрытия этоксидом тантала(V) могут быть получены химическим осаждением из паровой фазы под низким давлением. При давлении всего 1,33 мПа и температуры 700 °C, пленка кремнезема желаемой глубины сначала осаждается в результате разложения тетраэтоксисилана, Si(OEt)4 или ди-трет-бутиоксидиацетоксисилана, Si(OC(CH3 )3)2(OOCCH3)2, затем тантала(V) этоксид вводится. Как и в случае этоксида ниобия(V), предшественник этоксида термически разлагается с образованием оксидного слоя с соответствующим выделением диэтилового эфира :

Ta2(OEt)10 → Ta2O5 + 5Et–O–Et

Пиролиз также приводит к образованию пленки оксида тантала(V) путем химического осаждения из паровой фазы, и в этом случае этоксид тантала(V) полностью окисляется, образуя диоксид углерода и водяной пар[5]:

Ta2(OC2H5)10 + 30O2 → Ta2O5 + 20CO2 + 25H2O

Пленки из аморфного оксида тантала(V) также могут быть получены методом осаждения на атомном слое или методом импульсного химического осаждения из паровой фазы, в котором этоксид тантала(V) и хлорид тантала(V) наносятся поочередно. При температуре около 450 °С полученные пленки имеют показатели преломления и свойства диэлектрической проницаемости, аналогичные тем, которые получают с помощью традиционных подходов. Подготовка этих пленок происходит с потерей хлорэтана [6]:

Ta2(OC2H5)10 + Ta2Cl 10 → 2Ta2O5 + 10C2H5Cl

Золь-гель обработка также приводит к получению тонких пленок оксида тантала(V) с использованием аналогичного химического подхода. Золь-гель маршруты с использованием этоксида тантала(V) для получения слоистых материалов перовскита также были разработаны[7].

Приложения

править

Соединение в основном используется для изготовления тонкопленочных материалов на основе оксида тантала(V), используя такие подходы, как химическое осаждение из паровой фазы,[8] нанесение атомного слоя,[6] и золь-гель обработка[9]. Эти материалы имеют полупроводниковое, электрохромное,[10] и оптическое применение.

Пленки оксида тантала(V) имеют множество применений, в том числе в качестве оптических пленок с показателями преломления до 2,039[11] и в качестве тонкопленочного диэлектрического материала в динамической памяти с произвольным доступом и полупроводниковых полевых транзисторах[6]. Подход, выбранный для подготовки этих материалов, определяется желаемыми свойствами. Прямой гидролиз целесообразен, когда допустимо присутствие остаточной воды или использование высоких температур для сушки. Микро-паттерны могут быть получены путем сайт-селективного осаждения с использованием подхода гидролиза путем образования самосборного монослоя с последующим отжигом при высокой температуре[12]. Химическое осаждение из паровой фазы позволяет контролировать толщину пленки в нанометровом масштабе, что важно для некоторых применений. Прямой пиролиз удобен для оптических применений, где важны прозрачные материалы с низкими потерями света из-за поглощения, и также используется для подготовки нитридной памяти только для чтения[5]. Электрохромизм — это свойство некоторых материалов изменять цвет при приложении заряда[13] и является средством, с помощью которого действует так называемое « умное стекло» . Пленки, полученные гидролизом этоксида тантала(V), использовали для получения пленок аморфного оксида тантала(V), подходящих для электрохромных применений[10].

Тонкие пленки из смешанных металлов также были получены из этого соединения. Например, пленки танталата лития, LiTaO3, желательны по своим нелинейно-оптическим свойствам и были получены путем первой реакции этоксида тантала(V) с дипивалоилметанатом лития, LiCH(COC(CH3)3)2, для получения предшественника подходит для парофазной эпитаксии металлов (форма химического осаждения из паровой фазы)[14]. Пленки танталата стронция, Sr (TaO3)2, также были получены с использованием методов осаждения атомных слоев и исследованы их свойства[15].

Исследовательское применение этоксида тантала(V) предназначено для синтеза новых соединений с интересными химическими или геометрическими свойствами. В реакции, связанной с гидролизом, обработка карбоновыми кислотами дает оксоалкоксидкарбоксилаты, например, Ta4O4(OEt)8(OOCCH3)4[16]. Ядро Ta4O4 таких соединений образует кластер кубанового типа. Каждый оксолиганд связывается между тремя центрами тантала, каждый из которых также связан с двумя алкоксидными и одним карбоксилатным лигандами.

Безопасность

править

Имеются сведения о вредном воздействии этоксидa тантала(V) на ткани слизистых оболочек и верхних дыхательных путей, что может привести к временной/постоянной потере зрения, ожогам рта, горла и пищеварительного тракта.Внешний СДС Архивная копия от 29 января 2020 на Wayback Machine.

Примечания

править
  1. ↑ Bradley, D. C. Nuclear Magnetic Resonance Studies on Niobium and Tantalum Penta-alkoxides (англ.) // Journal of the Chemical Society[англ.] : journal. — Chemical Society, 1968. — P. 219—223. — doi:10.1039/J19680000219.
  2. ↑ Bradley, D. C. Metal Oxide Alkoxide Polymers: Part II. The Hydrolysis Of Tantalum Pentaethoxide (англ.) // Can. J. Chem.[англ.] : journal. — 1961. — Vol. 39, no. 9. — P. 1818—1826. — doi:10.1139/v61-239.
  3. ↑ 1 2 Turova, N. Y. Tantalum(V) Alkoxides: Electrochemical Synthesis, Mass-Spectral Investigation and Oxoalkoxocomplexes (англ.) // Polyhedron[англ.] : journal. — 1996. — Vol. 15, no. 21. — P. 3869—3880. — doi:10.1016/0277-5387(96)00092-7.
  4. ↑ Mehrotra, Ram C.; Singh, Anirudh. Recent Trends in Metal Alkoxide Chemistry // Progress in Inorganic Chemistry (неопр.). — John Wiley & Sons, 1997. — Т. 46. — С. 239—454. — ISBN 9780470167045. — doi:10.1002/9780470166475.ch4.
  5. ↑ 1 2 Chang, K. K. & Chen, C.-H., "Method For Fabricating A Nitride Read-Only-Memory (NROM)", US patent, issued 2002-10-08
  6. ↑ 1 2 3 Kukli, K. Atomic Layer Deposition and Chemical Vapor Deposition of Tantalum Oxide by Successive and Simultaneous Pulsing of Tantalum Ethoxide and Tantalum Chloride (англ.) // Chem. Mater.[англ.] : journal. — 2000. — Vol. 12, no. 7. — P. 1914—1920. — doi:10.1021/cm001017j.
  7. ↑ Nalwa, H. S. Handbook of Advanced Electronic and Photonic Materials and Devices: Chalcogenide Glasses and Sol-Gel Materials (англ.). — Academic Press, 2001. — P. 208. — ISBN 9780125137553.
  8. ↑ Baumeister, P. W. Optical Coating Technology (неопр.). — SPIE, 2004. — ISBN 9780819453136.
  9. ↑ Chemical Surface Modifications // Metallic Biomaterial Interfaces (неопр.). — John Wiley & Sons, 2008. — С. 51. — ISBN 9783527318605.
  10. ↑ 1 2 Tepehan, F. Z. Optical Properties Of Sol-Gel Dip-Coated Ta2O5 Films For Electrochromic Applications (англ.) // Sol. Eng. Mat. Sol. Cells[англ.] : journal. — 1999. — Vol. 59, no. 3. — P. 265—275. — doi:10.1016/S0927-0248(99)00041-0.
  11. ↑ Oubaha, M. Optical Properties of High Refractive Index Thin Films Processed at Low-Temperature (англ.) // Opt. Mater.[англ.] : journal. — 2012. — Vol. 34, no. 8. — P. 1366—1370. — doi:10.1016/j.optmat.2012.02.023. Архивировано 19 июля 2018 года.
  12. ↑ Masuda, Y. Site-Selective Deposition And Micropatterning Of Tantalum Oxide Thin Films Using A Monolayer (англ.) // J. Eur. Ceram. Soc.[англ.] : journal. — 2004. — Vol. 24, no. 2. — P. 301—307. — doi:10.1016/S0955-2219(03)00230-9.
  13. ↑ Mortimer, R. J. Electrochromic Materials (англ.) // Annu. Rev. Mater. Res.. — 2011. — Vol. 41. — P. 241—268. — doi:10.1146/annurev-matsci-062910-100344.
  14. ↑ Wernberg, A. A. Solid-Phase Epitaxial-Growth Of Lithium Tantalate Thin-Films Deposited By Spray-Metalorganic Chemical-Vapor-Deposition (англ.) // Appl. Phys. Lett. : journal. — 1993. — Vol. 63, no. 3. — P. 331—333. — doi:10.1063/1.110061.
  15. ↑ Lee, W. J. SrTa2O6 Thin Films Deposited By Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition (англ.) // Jpn. J. Appl. Phys.[англ.] : journal. — 2001. — Vol. 40, no. 12. — P. 6941—6944. — doi:10.1143/JJAP.40.6941.
  16. ↑ Schubert, U. Sol–Gel Processing of Metal Compounds // Comprehensive Coordination Chemistry II (неопр.). — Pergamon, 2003. — Т. 7. — С. 629—656. — (Reference Module in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering). — ISBN 978-0-12-409547-2. — doi:10.1016/B0-08-043748-6/06213-7.

Ссылки

править
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Этоксид_тантала(V)&oldid=137196034