способ получения гидроксида тантала

Формула изобретения

Способ получения гидроксида тантала путем обработки пентахлорида тантала раствором аммиака, декантации раствора, фильтрации и сушки осадка, отличающийся тем, что обработку пентахлорида тантала проводят раствором аммиака с концентрацией 6,0-9,5 моль/л при отношении объемов твердой и жидкой фаз 1:(3-5).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к синтезу неорганических соединений, а именно к способу получения гидроксида тантала, и может быть использовано для изготовления материалов компьютерной, электронной и оптоэлектронной техники.

Известен способ получения гидроксида тантала путем сплавления пентаоксида тантала с пиросульфатом или кислым сульфатом калия. Растворимый сульфатный комплекс выщелачивают серной кислотой с концентрацией 5-6 мол/л, далее проводят гидролитическое осаждение гидроксида с повторным переводом в раствор и осаждением аммиаком (Файрбротер Ф. Химия ниобия и тантала. М.: Химия, 1972, с.37).

Недостатком способа является образование плохо фильтрующегося гелеобразного осадка, который трудно отделяется от примесных ионов и требует длительного высушивания, которое в отдельных случаях проводится при нагревании.

Известен способ получения гидроксида тантала с использованием пентахлорида тантала и растворов аммиака в диапазоне концентраций 0,12-12 моль/л (В.В.Сахаров, Н.Е.Иванова, С.С.Коровин, М.А.Захаров. Топохимическое получение гидроокисей ниобия и тантала из различных соединений. //Ж. неорган. химии, 1974, т.19, №3, с.579-584).

Недостатком способа является чрезмерно высокий расход аммиака (в 70 и более раз сверх стехиометрии), что нецелесообразно. Реакцию проводят обработкой пентахлорида тантала раствором аммиака без учета экзотермического характера процесса, связанного с большим выделением тепла, что приводит к выбросу реакционной смеси.

Другим недостатком является то, что в полученном гидроксиде содержатся примеси (в частности, хлорид-иона). Содержание хлорид-иона определяет, в конечном счете, возможности использования материалов, полученных из гидроксида тантала.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения гидроксида тантала методом водно-аммиачного гидролиза с использованием концентрированного раствора аммиака (25%-ный раствор). Отношение объемов твердой и жидкой фаз (Т:Ж) составляет 1:(2,5-3). Маточник декантируют. Влажный осадок высушивают при 120-220°С. Содержание пентаоксида тантала в получаемом гидроксиде составляет 60-70 мас.% (Дробот Д.В., Чуб А.В., Крохин В.А., Мальцев Н.А. Проблемы применения хлорных методов в металлургии редких металлов. М.: Металлургия, 1991, с.150-162).

Недостатком способа является использование концентрированного раствора аммиака, что предопределяет бурное протекание реакции взаимодействия с возможным выбросом и потерями самого пентахлорида на начальной стадии процесса. Степень очистки по хлорид-иону низкая, поскольку содержание хлорид-ионов в промывных водах на конечной стадии отмывки составляет 10-15 г/л. Осадок гидроксида тантала получают во влажном виде и для его высушивания требуется термообработка при 120-200°С.

Технической задачей предлагаемого изобретения является упрощение процесса получения гидроксида тантала с повышенным содержанием пентаоксида тантала, низким содержанием хлорид-иона и увеличение удельной поверхности получаемого гидроксида.

Техническое решение поставленной задачи достигается смешением соединения тантала с водным раствором аммиака и использованием в качестве соединения тантала пентахлорида тантала, а в качестве раствора аммиака - раствор аммиака с концентрацией 6,0-9,5 мол/л при отношении объемов твердой и жидкой фаз (Т:Ж)=1:(3-5) с последующими операциями по декантации маточного раствора, отделения твердой фазы путем фильтрации и высушивания на воздухе. В этих условиях (раствор аммиака с концентрацией 6,0-9,5 мол/л при Т:Ж=1:(3-5)) реакция взаимодействия пентахлорида с раствором аммиака проходит по твердофазному механизму (обмен хлорид-ионов на гидроксил-ионы в твердой фазе), что обеспечивает получение плотного, хорошо фильтрующегося осадка гидроксида тантала с высоким значением удельной поверхности.

Пример 1. Для опыта используют термостойкий стакан вместимостью 800-1000 мл. Пентахлорид тантала TaCl ₅, предварительно измельченный, в количестве 39,6 г (0,11 моль) вносят небольшими порциями при перемешивании в предварительно охлажденный раствор аммиака с концентрацией 7,6 моль/л, взятом в количестве 160 мл (отношение Т:Ж=1:4). Для полноты прохождение гетерофазной реакции взаимодействия реакционную смесь оставляют без перемешивания на 2 часа. После этого осветленный маточный раствор сливают путем декантации, осадок заливают свежей порцией дистиллированной воды в объеме 200-300 мл и оставляют для отстаивания. Для избежания трудностей, связанных с седиментацией мелкодисперсных частиц осадка, дальнейшую промывку осуществляют методом декантации. Операции по декантации проводят несколько раз, контролируя рН маточного раствора и содержание хлорид-иона с использованием AgNO₃. Декантацию заканчивают при достижении рН раствора 7-7,5 и отрицательной реакцией на хлорид-ион. Осадок гидроксида тантала переносят на фильтр. Окончательное высушивание до сыпучего состояния проводят на воздухе, разложив продукт на двойной слой кальки с фильтровальной бумагой.

Получают 28,3 г гидроксида тантала, что составляет 96% выхода от теоретического. Содержание пентаоксида тантала составляет 82 мас.%, хлорид-иона - 0,02%. Гидроксид тантала получают в виде аморфного (данные РФА), сыпучего белого порошка. Состав гидроксида может быть представлен формулой ТаО(ОН)₃·nH ₂O (где n<2). Удельная поверхность порошка гидроксида составляет 130 м²/г, дисперсность порошка - 8 мкм.

Примеры №2-8 проводят аналогично примеру №1 (во всех опытах навеска пентахлорида тантала - 39,6 г), режимы приведены в таблице.

№	Концентрация раствора аммиака, моль/л	Отношение Т:Ж	Содержание Ta2O5 в гидроксиде, мас.%	Остаточная концентрация Cl--иона (%) в гидроксиде	Удельная поверхность, м2/г	Дисперсность, мкм
1	6,7	1:4	82,0	0,02	130	8,0
2	6,1	1:5	81,0	0,01	132	8,0
3	7,4	1:4	83,0	0,02	130	8,0
4	9,5	1:3	85,0	0,01	125	9,0
5	6,5	1:8	75,0	0,50	135	8,0
6	6,5	1:1	80,0	0,50	130	8,0
7	4,0	1:4	63,0	0,20	138	7,0
прото-тип	13,4(25%-ный раствор)	1:3	65,0	0,20

Таким образом, предлагаемый нами способ, в отличие от описанного в прототипе, позволяет получать гидроксид тантала в виде сухого, сыпучего порошка при высушивании в обычных условиях, не требующих термообработки, с содержанием пентаоксида тантала на 15-20% выше и с содержанием хлорид-иона в 8-10 раз меньше.