五酸化タンタル

五酸化タンタル
	IUPAC名 Tantalum(V) oxide
	系統名 Ditantalum pentaoxide
識別情報
CAS登録番号	1314-61-0
PubChem	518712
ChemSpider	452513
UNII	OEZ64Z53M4
	SMILES O=[Ta](=O)O[Ta](=O)=O;
	InChI InChI=1S/5O.2Ta;
特性
化学式	Ta2O5
モル質量	441.893 g/mol
外観	白色、無臭の粉末
密度	β-Ta2O5 = 8.18 g/cm3 ; α-Ta2O5 = 8.37 g/cm3
融点	1872 °C, 2145 K, 3402 °F
水への溶解度	無視できる
溶解度	有機溶媒とほとんどの無機酸に不溶。HFと反応。
バンドギャップ	3.8–5.3 eV
磁化率	−32.0×10−6 cm3/mol
屈折率 (nD)	2.275
	特記なき場合、データは常温 (25 °C)・常圧 (100 kPa) におけるものである。

五酸化タンタル（酸化タンタル(V)とも）は、化学式Ta₂O₅で表される無機化合物。白色固体であり、すべての溶媒に不溶であるが強塩基とフッ化水素酸の腐食をうける。Ta₂O₅は高い屈折率で低い吸収（すなわち無色）の不活性物質であり、コーティングに役立つ^[2]。誘電率が高いため、キャパシタの製造にも広く使用されている。

調製

発生

タンタルは火成岩ペグマタイトで生じる鉱物のタンタル石とコルンブ石（コルンビウムはニオブの古称）で生じる。コルンブ石とタンタル石が混ざったものはコルタンと呼ばれる。タンタル石はアンデシュ・エーケベリによりスウェーデンのイッテルビーとフィンランドのKimotoで発見された。マイクロ石とパイロクロアにもそれぞれ約70%と10%のTaが含まれている。

精製

タンタルの鉱石にはかなりの量のニオブが含まれていることが多く、それ自体も有価金属である。そのため、両方の金属が抽出され販売される。全体の過程は湿式製錬の1つであり、浸出の段階から始まる。この段階では鉱石はフッ化水素酸と硫酸で処理され、へプタフルオロタンタル酸塩（英語版）などの水溶性のフッ化水素が生成される。これにより、金属を岩石のさまざまな非金属不純物から分離できる。

(FeMn)(NbTa)₂O₆ + 16 HF → H₂[TaF₇] + H₂[NbOF₅] + FeF₂ + MnF₂ + 6 H₂O

タンタルとニオブのフッ化水素は、シクロヘキサンやメチルイソブチルケトンなどの有機溶媒を使用した液液抽出により水溶液から取り除かれる。この段階では水相にフッ化物の形で残っているさまざまな金属不純物（鉄やマンガンなど）を簡単に取り除くことができる。タンタルとニオブの分離はpH調整により行われる。ニオブが有機相で溶解したままであるには高いレベルの酸性度を必要とするため、酸性度の低い水に抽出することで選択的に取り除くことができる。次に、純粋なフッ化水素タンタル溶液をアンモニア水で中和して水和タンタル酸化物(Ta₂O₅(H₂O)_x)が生成される。これは次の理想的な式で説明されるように、五酸化タンタル(Ta₂O₅)に焼成される^[3]。

H₂[TaF₇] + 5 H₂O + 7 NH₃ → 12 Ta₂O₅(H₂O)₅ + 7 NH₄F

Ta₂O₅(H₂O)₅ → Ta₂O₅ + 5 H₂O

自然界の純粋な酸化タンタルは鉱物タンタイトとして知られているが、非常に希少である^[4]。

アルコキシドから

酸化タンタルは電子工学で頻繁に使用され、多くの場合薄膜の形で使用される。これらの用途では揮発性のハロゲン化物またはアルコキシドの加水分解を含むMOCVD（またはその関連技術）により生成できる。

Ta₂(OEt)₁₀ + 5 H₂O → Ta₂O₅ + 10 EtOH

2 TaCl₅ + 5 H₂O → Ta₂O₅ + 10 HCl

構造と特性

五酸化タンタルの結晶構造は、いくつかの議論の問題となっている。バルク材料は無秩序であり^[5]、アモルファスもしくは多結晶であり、単結晶の成長は困難である。そのためX線結晶学は主に粉末回折（英語版）に限られており、提供される構造情報は少ない。

少なくとも2つの多形が存在することが知られている（L-またはβ-Ta₂O₅として知られる低温での形態、H-またはα-Ta₂O₅として知られる高温での形態）。これら2つの形態間の移行は遅く、可逆的であり、1000-1360 °Cの中間的な温度で混合の構造が存在する^[5]。両方の多形の構造は、八面体のTaO₆と反対の頂点を共有する五角形の両錐TaO₇多面体であり、縁の共有によりさらに結合される^[6]^[7]。結晶系全体はどちらの場合も直方晶系であり、β-Ta₂O₅の空間群は単結晶X線回折によりPna2と同定される^[8]。高圧の形態(Z-Ta₂O₅)も報告されており、ここではTa原子は7配位をとり、単斜構造（空間群C2）を与える^[9]。

純粋にアモルファスである五酸化タンタルは、TaO₆とTaO₇多面体から構築される結晶多形と同様の局所構造を持つが、溶融液相は主にTaO₅とTaO₆の低い配位多面体に基づいた別の構造を持つ^[10]。

均一な構造の材料を形成することが難しいため、報告されている特性にばらつきが生じている。多くの金属酸化物同様、Ta₂O₅は絶縁体であり、そのバンドギャップは製造方法により3.8eVと5.3eVの間で様々に報告されている^[11]^[12]^[13]。一般に材料がよりアモルファスであるほど観測されるバンドギャップは大きくなる。これらの観測値は計算化学により予測される値(2.3 - 3.8 eV)よりも大幅に高い^[14]^[15]^[16]。

比誘電率は50を超える値が報告されているが^[17]、普通およそ25である^[18]。一般に、五酸化タンタルは誘電率の高い材料と考えられている。

反応

Ta₂O₅はHClとHBrのどちらともそれほど反応しないが、フッ化水素酸に溶解し、次式にしたがってフッ化水素カリウムとHFと反応する^[19]^[20]。

Ta₂O₅ + 4 KHF₂ + 6 HF → 2 K₂[TaF₇] + 5 H₂O

Ta₂O₅はカルシウムやアルミニウムなどの金属還元剤を使用して金属Taに還元することができる。

Ta₂O₅ + 5 Ca → 2 Ta + 5 CaO

用途

電子工学

バンドギャップと比誘電率が高いため、電子工学、特にタンタルキャパシタにさまざまな用途があることが分かっている。これらは自動車の電子部品、携帯電話、ポケットベル、電子回路で使用されている（薄膜部品、高速部品）。1990年代にはDRAMキャパシタ用の高k誘電体として酸化タンタルを使用することの関心が高まった^[21]^[22]。

高周波CMOS集積回路のオンチップ金属-絶縁体-金属で使用される。不揮発性メモリの電荷トラップ層としての用途が考えられる^[23]^[24]。抵抗スイッチングメモリにおける酸化タンタルの用途もある^[25]。

他の用途

屈折率が高いため、Ta₂O₅は写真レンズのガラス製造に使用されている^[2]^[26]。

脚注

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[10] Alderman, O. L. G. Benmore, C. J. Neuefeind, J. C. Coillet, E Mermet, Alain Martinez, V. Tamalonis, A. Weber, J. K. R. (2018). “Amorphous tantala and its relationship with the molten state”. Physical Review Materials 2 (4): 043602. doi:10.1103/PhysRevMaterials.2.043602.

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表話編歴タンタルの化合物
二元化合物	TaB₂ TaBr₃ TaBr₄ TaBr₅ TaC TaCl₃ TaCl₄ TaCl₅ TaF₃ TaF₅ TaH_x TaI₃ TaI₅ TaN TaO TaO₂ Ta₂O₅ TaS₂ TaSe₂ TaTe₂
多元化合物	TaBr₃O TaClO₂ TaCl₂O TaCl₃O TaFO₂ TaF₃O TaIO₂ Ta₂(SO₄)₅ Ta_xHf_1-xC_y
カテゴリ

表話編歴酸化物
酸化数により分類。
混合酸化状態	四酸化アンチモン（英語版） (Sb₂O₄) 四酸化三コバルト (Co₃O₄) Eu₃O₄ 四酸化三鉄 (Fe₃O₄) 鉛丹 (Pb₃O₄) 四酸化三マンガン（英語版） (Mn₃O₄) 一酸化銀 (Ag₂O₂) 八酸化三ウラン (U₃O₈) 亜酸化炭素 (C₃O₂) 無水メリト酸 (C₁₂O₉) 十一酸化六プラセオジム（英語版） (Pr₆O₁₁) 七酸化四テルビウム（英語版） (Tb₄O₇)
酸化数+1	酸化銅(I) (Cu₂O) 酸化セシウム (Cs₂O) 一酸化二炭素 (C₂O) 一酸化二塩素 (Cl₂O) 酸化ガリウム(I)（英語版） (Ga₂O) 酸化リチウム (Li₂O) 酸化カリウム (K₂O) 酸化ルビジウム (Rb₂O) 酸化銀(I) (Ag₂O) 酸化タリウム(I) (Tl₂O) 酸化ナトリウム (Na₂O) 水（酸化水素） (H₂O)
酸化数+2	酸化アルミニウム(II) (AlO) 酸化バリウム (BaO) 酸化ベリリウム (BeO) 酸化カドミウム (CdO) 酸化カルシウム (CaO) 一酸化炭素 (CO) 酸化クロム(II) (CrO) 酸化コバルト(II) (CoO) 酸化銅(II) (CuO) 酸化ユウロピウム(II) (EuO) 二酸化二窒素（英語版） (N₂O₂) 一酸化ゲルマニウム (GeO)) 酸化鉄(II) (FeO) 酸化鉛(II) (PbO) 酸化マグネシウム (MgO) 酸化マンガン(II) (MnO) 酸化水銀(II) (HgO) 酸化ニッケル(II) (NiO) 一酸化窒素 (NO) 酸化パラジウム(II) (PdO) 一酸化ケイ素 (SiO) 酸化ストロンチウム (SrO) 一酸化硫黄 (SO) 二酸化二硫黄（英語版） (S₂O₂) 一酸化トリウム（英語版） (ThO) 酸化スズ(II) (SnO) 酸化チタン(II) (TiO) 酸化バナジウム(II) (VO) 酸化亜鉛 (ZnO)
酸化数+3	酸化アルミニウム (Al₂O₃) 三酸化アンチモン (Sb₂O₃) 三酸化二ヒ素 (As₂O₃) 酸化ビスマス(III) (Bi₂O₃) 酸化ホウ素 (B₂O₃) 酸化セリウム(III) (Ce₂O₃) 三酸化二臭素（英語版） (Br₂O₃) 酸化クロム(III) (Cr₂O₃) 三酸化二窒素 (N₂O₃) 酸化ジスプロシウム(III)(Dy₂O₃) 酸化エルビウム(III) (Er₂O₃) 酸化ユウロピウム(III)（英語版） (Eu₂O₃) 酸化ガドリニウム(III) (Gd₂O₃) 酸化ガリウム(III) (Ga₂O₃) 酸化ホルミウム(III)（英語版） (Ho₂O₃) 酸化インジウム(III) (In₂O₃) 酸化鉄(III) (Fe₂O₃) 酸化ランタン(III) (La₂O₃) 酸化ルテチウム(III) (Lu₂O₃) 酸化マンガン(III) (Mn₂O₃) 酸化ネオジム(III) (Nd₂O₃) 酸化ニッケル(III) (Ni₂O₃) 一酸化リン（英語版） (P O) 六酸化四リン (P₄O₆) 酸化プラセオジム(III) (Pr₂O₃) 酸化プロメチウム(III) (Pm₂O₃) 酸化ロジウム(III)（英語版） (Rh₂O₃) 酸化サマリウム(III)（英語版） (Sm₂O₃) 酸化スカンジウム(III) (Sc₂O₃) 酸化テルビウム(III) (Tb₂O₃) 酸化タリウム(III)（英語版） (Tl₂O₃) 酸化ツリウム(III) (Tm₂O₃) 酸化チタン(III) (Ti₂O₃) 酸化タングステン(III) (W₂O₃) 酸化バナジウム(III)（英語版） (V₂O₃) 酸化イッテルビウム(III) (Yb₂O₃) 酸化イットリウム(III) (Y₂O₃)
酸化数+4	二酸化アメリシウム (AmO₂) 二酸化ビスマス (BiO₂) 二酸化炭素 (CO₂) 三酸化炭素 (CO₃) 酸化セリウム(IV) (CeO₂) 二酸化塩素 (ClO₂) 酸化クロム (CrO₂) 四酸化二窒素 (N₂O₄) 二酸化ゲルマニウム (GeO₂) 酸化ハフニウム(IV) (HfO₂) 二酸化鉛 (PbO₂) 二酸化マンガン (MnO₂) 酸化ネプツニウム(IV) (NpO₂) 二酸化窒素 (NO₂) 酸化オスミウム(IV) (OsO₂) 酸化プルトニウム(IV) (PuO₂) 酸化プラセオジム(IV)（英語版）　(PrO₂) 酸化プロトアクチニウム(IV) (PaO₂) 酸化ロジウム(IV)（英語版） (RhO₂) 二酸化ルテニウム (RuO₂) 二酸化セレン (SeO₂) 二酸化ケイ素 (SiO₂) 二酸化硫黄 (SO₂) 二酸化テルル (TeO₂) 酸化テルビウム(IV)（英語版） (TbO₂) 酸化トリウム(IV) (ThO₂) 酸化スズ(IV) (SnO₂) 酸化チタン(IV) (TiO₂) 酸化タングステン(IV) (WO₂) 酸化ウラン(IV) (UO₂) 酸化バナジウム(IV)（英語版） (VO₂) 二酸化ジルコニウム (ZrO₂)
酸化数+5	五酸化アンチモン（英語版） (Sb₂O₅) 五酸化二ヒ素 (As₂O₅) 五酸化二塩素(Cl₂O₅) 五酸化二窒素 (N₂O₅) 五酸化ニオブ（英語版） (Nb₂O₅) 五酸化二リン (P₂O₅) 酸化プロトアクチニウム(V) (Pa₂O₅) 五酸化タンタル (Ta₂O₅) 五酸化バナジウム (V₂O₅)
酸化数+6	酸化クロム(VI) (CrO₃) 酸化モリブデン(VI) (MoO₃) 酸化レニウム(VI) (ReO₃) 三酸化セレン (SeO₃) 三酸化硫黄 (SO₃) 三酸化テルル (TeO₃) 酸化タングステン(VI) (WO₃) 酸化ウラン(VI) (UO₃) 三酸化キセノン (XeO₃) 三酸化イリジウム (IrO₃)
酸化数+7	七酸化二塩素 (Cl₂O₇) 七酸化二マンガン (Mn₂O₇) 酸化レニウム(VII) (Re₂O₇) 酸化テクネチウム(VII) (Tc₂O₇)
酸化数+8	酸化オスミウム(VIII) (OsO₄) 四酸化ルテニウム (RuO₄) 四酸化キセノン (XeO₄) 四酸化イリジウム (IrO₄) 四酸化ハッシウム (HsO₄)
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