טנטלום כלוריד: שימושים וייצור

כיצד מכינים טנטלום כלוריד

ייצור טנטלום פנטכלוריד כרוך בהכלרה של טנטלום בצורה כלשהי. ישנם שני מסלולים עיקריים: כלור של מתכת טנטלום וכלור של תרכובות טנטלום (בדרך כלל תחמוצות). בכל המקרים, התגובה חייבת להתבצע בסביבה יבשה ונטולת חמצן. התהליכים הבסיסיים הם:

● כלורציה ישירה של טנטלום מתכתי:מתכת טנטלום דק (לעתים קרובות שבבים או אבקה) מחוממת בזרם של גז כלור. בטמפרטורות סביב 170-250 מעלות צלזיוס, הכלור מגיב עם המתכת ליצירת אדי TaCl₅:
2 Ta+5 Cl2⟶2 TaCl5.2\,Ta + 5\,Cl_2 \longrightarrow 2\,TaCl_5.
תגובה אקסותרמית זו הופכת במהירות מתכת לכלוריד. בפועל, הטנטלום מוכנס לתנור או לכור וגז Cl₂ מוזרם מעליו בטמפרטורה מבוקרת. אדי ה-TaCl₅ המתקבלים מתעבים לאחר מכן לנוזל או מוצק כשהם מתקררים. (שיטה קשורה משתמשת בגז מימן כלורי (HCl) במקום Cl₂, אך זה דורש טמפרטורה גבוהה יותר - בסביבות 400 מעלות צלזיוס - כדי להניע את התגובה.)

● כלורינציה עקיפה (מתחמוצות):לעיתים קרובות, מתכת טנטלום בעלת טהרה גבוהה אינה זמינה בקלות או שהיא יקרה מדי. במקום זאת, ניתן להתחיל עם טנטלום פנטוקסיד (Ta₂O₅), הנמצא בשפע בתרכיזי עפרות. ניתן להמיר את Ta₂O₅ ל-TaCl₅ באמצעות חומר כלור כגוןתיוניל כלוריד (SOCl₂)התגובה היא:
Ta2O5+5 SOCl2→240∘C2 TaCl5+5 SO2.\text{Ta}_2\text{O}_5 + 5\,SOCl_2 \xrightarrow{240^\circ\text{C}} 2\,TaCl_5 + 5\,SO_2.
בשיטה זו, Ta₂O₅ מוצק מעורבב עם SOCl₂ נוזלי ומחומם (בסביבות 240 מעלות צלזיוס). ה-SOCl₂ ממיר ביעילות את התחמוצת לכלוריד, ומייצר גז גופרית דו-חמצנית כתוצר לוואי. דרך עקיפה זו שימושית בעבודה עם אבקות תחמוצת ויכולה להניב TaCl₅ טהור מאוד.

שתי השיטות לעיל מייצרותגז TaCl₅, אשר אז חייב להיותמרוכז ומטוהרבפועל, הגז המכיל כלור מקורר כך ש-TaCl₅ הופך לנוזלי (נקודת רתיחה ~239 מעלות צלזיוס). זיקוק משמש לעתים קרובות להפרדת TaCl₅ מכל זיהומים או חומרים בעלי רתיחה נמוכה יותר. לדוגמה, בעת סינתזה במעבדה, ניתן להעביר את הגז דרך מלכודת קור או סדרה של מעבים. לאחר העיבוי, המוצר מיובש (מחומם בעדינות תחת ואקום) כדי להסיר עקבות של לחות. התוצאה היא מוצק לבן בעל טוהר גבוה. (אלוּחַסיכום שיטות הסינתזה הללו - רישום מגיבים, תנאים ותוצרים - יכול לסייע בהשוואת המסלולים זה לצד זה.)

● הפקה תעשייתית מעפרה:בקנה מידה גדול, טנטלום מתקבל לעתים קרובות ממינרלים כמו טנטליט או קולטן, המכילים גם תחמוצות טנטלום וגם ניוביום. בתהליך תעשייתי אחד, תרכיז העפרה מעורבב עם פחמן (קוק) ומגיב עם גז כלור בטמפרטורה גבוהה. קרבונולציה זו הופכת את התחמוצות לכלורידים נדיפים. בתחילה, תערובת של כלורידים של טיטניום, ניוביום וטנטלום נוצרת ומתעבה לנוזל הנקרא "טיטניום-ניוביום-טנטלום אוקסיכלוריד". נוזל זה עובר זיקוק חלקי: תחילה מוסר טיטניום טטרכלוריד (TiCl₄) (רתיחה 136 מעלות צלזיוס), ומשאיר בעיקר כלורידים של ניוביום וטנטלום. לאחר מכן, התערובת הנותרת עוברת כלור נוסף (במידת הצורך) כדי להמיר כל אוקסיכלורידים לפנטכלורידים. לבסוף, כלוריד הניוביום (NbCl₅) וכלוריד הטנטלום (TaCl₅) מופרדים באמצעות זיקוק חלקי, מכיוון ש-TaCl₅ רותח ב-239 מעלות צלזיוס ו-NbCl₅ ב-248 מעלות צלזיוס. התוצאה הסופית היא TaCl₅ מטוהר. TaCl₅ זה מגיב לעתים קרובות עם אמוניה מימית כדי להזרים פלואוריד או אוקסיכלוריד של אמוניום טנטלום, אשר לאחר קלינצציה מניב Ta₂O₅ טהור במיוחד. למעשה, TaCl₅ משמש כחומר ביניים בזיקוק טנטלום מעפרותיו.תרשים זרימההמחשת השלבים הללו - מעפרה גולמית ל-TaCl₅ ולתחמוצת - תהיה שימושית לקוראים כדי להמחיש את התהליך התעשייתי.

לסיכום, טנטלום כלוריד מיוצר על ידי הלוגנציה של מתכת טנטלום או תרכובות שלה. כלור ישיר של מתכת Ta עם Cl₂ הוא דרך המעבדה הפשוטה ביותר, בעוד שתהליכים תעשייתיים משתמשים לעתים קרובות בכלור בטמפרטורה גבוהה של תרכיזי תחמוצת טנטלום עם פחמן (קרבוכלורינציה) או עם חומרי כלור אחרים. לאחר מכן, ה-TaCl₅ הגזי מתעבה ומזוקק לטוהר גבוה. ראוי לציין כי הערה טכנית של יצרן אחד מדגישה כי TaCl₅ משמש ב"כלורינציה של חומרים אורגניים" וכ"חומר ביניים כימי" בייצור מתכת טנטלום טהורה, מה שמדגיש את תפקידו גם כריאגנט וגם כחומר ביניים מרכזי.