Меню
Главная
Случайная статья
Настройки
|
Ниобий (химический символ — Nb, от лат. Niobium, устар. название — колумбий) — химический элемент 5-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы пятой группы, VB), Пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 41.
Простое вещество ниобий — блестящий переходный металл серебристо-серого цвета с кубической объёмноцентрированной кристаллической решёткой типа -Fe, а = 0,3294. Для ниобия известны изотопы с массовыми числами от 81 до 113.
Содержание
История
Ниобий был открыт в 1801 году английским учёным Чарльзом Хэтчетом в минерале, присланном ещё в 1734 году в Британский музей из штата Массачусетс Джоном Уинтропом (внуком Джона Уинтропа младшего). Минерал был назван колумбитом, а химический элемент получил название «колумбий» (Cb) в честь страны, откуда был получен образец (Колумбии — торжественного наименования США)[3].
В 1802 году А. Г. Экеберг открыл тантал, который совпадал практически по всем химическим свойствам с ниобием, и поэтому долгое время считалось, что это один и тот же элемент. Лишь в 1844 году немецкий химик Генрих Розе установил, что это отличный от тантала элемент и переименовал его в «ниобий» в честь дочери Тантала — Ниобы, чем подчеркнул сходство между элементами. Однако в некоторых странах (США, Англии) долго сохранялось первоначальное название элемента — колумбий, и только в 1950 году решением Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК, IUPAC) элементу окончательно было присвоено название ниобий.
Впервые чистый ниобий был получен в конце XIX века французским химиком Анри Муассаном электротермическим путём: он восстановил оксид ниобия углеродом в электропечи[4].
Нахождение в природе
Кларк ниобия — 18 г/т. Содержание ниобия увеличивается от ультраосновных (0,2 г/т Nb) к кислым породам (24 г/т Nb). Ниобию всегда сопутствует тантал. Близкие химические свойства ниобия и тантала обусловливают совместное их нахождение в одних и тех же минералах и участие в общих геологических процессах. Ниобий способен замещать титан в ряде титансодержащих минералов (сфен, ортит, перовскит, биотит). Форма нахождения ниобия в природе может быть разной: рассеянной (в породообразующих и акцессорных минералах магматических пород) и минеральной. В общей сложности известно более ста минералов, содержащих ниобий. Из них промышленное значение имеют лишь некоторые: колумбит-танталит (Fe, Mn)(Nb, Ta)2O6, пирохлор (Na, Ca, TR, U)2(Nb, Ta, Ti)2O6(OH, F) (Nb2O5 0 — 63 %), лопарит (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb)O3 ((Nb, Ta)2O5 8 — 10 %), иногда используются эвксенит, торолит, ильменорутил, а также минералы, содержащие ниобий в виде примесей (ильменит, касситерит, вольфрамит). В щелочных — ультраосновных породах ниобий рассеивается в минералах типа перовскита и в эвдиалите. В экзогенных процессах минералы ниобия и тантала, являясь устойчивыми, могут накапливаться в делювиально-аллювиальных россыпях (колумбитовые россыпи), иногда в бокситах коры выветривания. Концентрация ниобия в морской воде 1105 мг/л[5].
Месторождения
Месторождения ниобия расположены в США, Японии[6], России (Кольский полуостров), Бразилии, Канаде[7]. Крупнейшим в мире по запасам признано Томторское месторождение в Якутии[8].
Добыча ниобия по странам (тонн)[9] (оценка USGS)
| Страна
|
2000
|
2001
|
2002
|
2003
|
2004
|
2005
|
2006
|
2007
|
2008
|
2009
|
2010
|
2011
|
| Австралия |
160 |
230 |
290 |
230 |
200 |
200 |
200 |
? |
? |
? |
? |
?
|
| Бразилия |
30 000 |
22 000 |
26 000 |
29 000 |
29 900 |
35 000 |
40 000 |
57 300 |
58 000 |
58 000 |
58 000 |
58 000
|
| Канада |
2,290 |
3,200 |
3,410 |
3,280 |
3,400 |
3,310 |
4,167 |
3020 |
4380 |
4330 |
4420 |
4400
|
| Демократическая Республика Конго |
? |
50 |
50 |
13 |
52 |
25 |
? |
? |
? |
? |
? |
?
|
| Мозамбик |
? |
? |
5 |
34 |
130 |
34 |
29 |
? |
? |
? |
? |
?
|
| Нигерия |
35 |
30 |
30 |
190 |
170 |
40 |
35 |
? |
? |
? |
? |
?
|
| Руанда |
28 |
120 |
76 |
22 |
63 |
63 |
80 |
? |
? |
? |
? |
?
|
| Всего в мире |
32 600 |
25 600 |
29 900 |
32 800 |
34 000 |
38 700 |
44 500 |
60 400 |
62 900 |
62 900 |
62 900 |
63 000
|
Изотопы
Природный ниобий состоит из единственного стабильного изотопа — 93Nb. Все остальные искусственно полученные изотопы ниобия с массовыми числами от 81 до 113 радиоактивны (всего их известно 32). Наиболее долгоживущий изотоп — 92Nb с периодом полураспада 34,7 млн лет.
Также известны 25 метастабильных состояний ядер его разных изотопов.
Физические свойства
Полная электронная конфигурация атома ниобия: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d45s1
Ниобий — это пластичный тугоплавкий переходный металл, чьи физические свойства зависят от значений температуры.
Температура плавления 2468 °С и плотностью 8,57 г/см3 (при 20 °С). Температура кипения ниобия равна 4742 °С, структура решетки объемно центрированная кубическая с периодом 0,33 нм. К наиболее интересным свойствам этого материала, несомненно, относятся его коррозионная стойкость и сверхпроводимость, причем последняя особенно ярко проявляется при воздействии низких температур.
Химические свойства
Химически ниобий довольно устойчив, но уступает в этом отношении танталу. На него практически не действуют соляная, ортофосфорная, разбавленная серная, азотная кислоты. Металл растворяется в плавиковой кислоте HF, смеси HF и HNO3, концентрированных растворах едких щелочей, а также в концентрированной серной кислоте при нагревании свыше 150 °C. При прокаливании на воздухе окисляется до Nb2О5. Для этого оксида описано около 10 кристаллических модификаций. При обычном давлении стабильна -форма Nb2О5.
- При сплавлении Nb2О5 с различными оксидами получают ниобаты: Ti2Nb10О29, FeNb49О124. Ниобаты могут рассматриваться как соли гипотетических ниобиевых кислот. Они делятся на метаниобаты MNbO3, ортониобаты M3NbO4, пирониобаты M4Nb2O7 или полиниобаты M2O·nNb2O5 (M — однозарядный катион, n = 2-12). Известны ниобаты двух- и трехзарядных катионов.
- Ниобаты реагируют с HF, расплавами гидрофторидов щелочных металлов (KHF2) и аммония. Некоторые ниобаты с высоким отношением M2O/Nb2O5 гидролизуются:
- 6Na3NbO4 + 5H2O = Na8Nb6O19 + 10NaOH.
- Ниобий образует NbO2, NbO, ряд оксидов, промежуточных между NbO2,42 и NbO2,50 и близких по структуре к -форме Nb2О5.
- С галогенами ниобий образует пентагалогениды NbHal5, тетрагалогениды NbHal4 и фазы NbHal2,67 — NbHal3+x, в которых имеются группировки Nb3 или Nb2. Пентагалогениды ниобия легко гидролизуются водой.
- В присутствии паров воды и кислорода NbCl5 и NbBr5 образуют оксигалогениды NbOCl3 и NbOBr3 — рыхлые ватообразные вещества.
- При взаимодействии ниобия и графита образуются карбиды Nb2C и NbC, твёрдые жаропрочные соединения. В системе Nb — N существуют несколько фаз переменного состава и нитриды Nb2N и NbN. Сходным образом ведёт себя ниобий в системах с фосфором и мышьяком. При взаимодействии ниобия с серой получены сульфиды: NbS, NbS2 и NbS3. Синтезированы двойные фториды Nb и калия (натрия) — K2[NbF7].
- Из водных растворов выделить электрохимически ниобий пока не удалось. Возможно электрохимическое получение сплавов, содержащих ниобий. Электролизом безводных солевых расплавов может быть выделен металлический ниобий.
Получение
Руды ниобия — обычно комплексные и бедны металлом. Рудные концентраты содержат Nb2O5: пирохлоровые — не менее 37 %, лопаритовые — 8 %, колумбитовые — 30—60 %. Большую их часть перерабатывают алюмо- или силикотермическим восстановлением на феррониобий (40—60 % Nb) и ферротанталониобий. Металлический ниобий получают из рудных концентратов по сложной технологии в три стадии:
- вскрытие концентрата,
- разделение ниобия и тантала и получение их чистых химических соединений,
- восстановление и рафинирование металлического ниобия и его сплавов.
Основные промышленные методы производства ниобия и его сплавов — алюмотермический, натрийтермический, карботермический: из смеси Nb2O5 и сажи вначале получают при 1800 °C в атмосфере водорода карбид, затем из смеси карбида и пятиокиси при 1800—1900 °C в вакууме — металл; для получения сплавов ниобия в эту смесь добавляют окислы легирующих металлов; по другому варианту ниобий восстанавливают при высокой температуре в вакууме непосредственно из Nb2O5 сажей. Натрийтермическим способом ниобий восстанавливают натрием из K2NbF7, алюминотермическим — алюминием из Nb2O5. Компактный металл (сплав) производят методами порошковой металлургии, спекая спрессованные из порошков штабики в вакууме при 2300 °C либо электронно-лучевой и вакуумной дуговой плавкой; монокристаллы ниобия высокой чистоты — бестигельной электронно-лучевой зонной плавкой.
Применение
Применение и производство ниобия быстро возрастают, что обусловлено сочетанием таких его свойств, как тугоплавкость, малое сечение захвата тепловых нейтронов, способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие и др. сплавы, коррозионная стойкость, геттерные свойства, низкая работа выхода электронов, хорошие обрабатываемость давлением на холоде и свариваемость.
Основные области применения ниобия: ракетостроение, авиационная и космическая техника, радиотехника, электроника, химическое аппаратостроение, атомная энергетика.
Применение металлического ниобия- Из чистого ниобия или его сплавов изготовляют детали летательных аппаратов; оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов; контейнеры и трубы для жидких металлов; детали электролитических конденсаторов; «горячую» арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и др.); коррозионноустойчивую аппаратуру в химической промышленности.
- Ниобием легируют другие цветные металлы, в том числе уран. Например, алюминий, если в него ввести всего 0,05 % ниобия, совсем не реагирует со щелочами[источник не указан 4238 дней], хотя в обычных условиях он в них растворяется. Сплав ниобия с 20 % меди обладает высокой электропроводностью и при этом он вдвое твёрже и прочнее чистой меди
- Ниобий применяют в криотронах — сверхпроводящих элементах вычислительных машин. Ниобий также используется в ускоряющих структурах большого адронного коллайдера[10].
- Ниобий и тантал используют для производства электролитических конденсаторов высокой удельной ёмкости. Тантал позволяет производить более качественные конденсаторы, чем металлический ниобий. Однако конденсаторы на основе оксида ниобия наиболее надёжны и устойчивы к возгоранию.
- Австрия, Британские Виргинские Острова, Канада, Латвия, Либерия, Люксембург, Палау и Сьерра-Леоне выпускают биметаллические памятные монеты с использованием ниобия[11][12].
Интерметаллиды и сплавы ниобия- Станнид Nb3Sn (станнид триниобия, известный также как сплав ниобий-олово), германид Nb3Ge (германийтриниобий), нитрид NbN и сплавы ниобия с титаном (ниобий-титан) и цирконием применяются для изготовления сверхпроводящих соленоидов. Так, обмотки сверхпроводящих магнитов Большого адронного коллайдера изготовлены из 1200 тонн кабеля из сплава ниобий-титан.
- Ниобий и сплавы с танталом во многих случаях заменяют тантал, что даёт большой экономический эффект (ниобий дешевле и почти вдвое легче, чем тантал).
- Феррониобий[13] вводят (до 0,6 % ниобия) в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии (в том числе той, которая иначе началась бы после сварки нержавейки) и разрушения и в стали др. типов для улучшения их свойств.
- Ниобий используется при чеканке коллекционных монет. Так, Банк Латвии утверждает, что в коллекционных монетах достоинством 1 лат наряду с серебром используется ниобий[14][15].
- Ниобий входит в состав многих высоко- и среднеэнтропийных сплавов, обладающих уникальными или очень ценными параметрами.
Применение соединений ниобия- Nb2O5 — катализатор в химической промышленности.
- В производстве огнеупоров, керметов, специальных стёкол, нитрид, карбид, ниобаты.
- Карбид ниобия (т. пл. 3480 °C) в сплаве с карбидом циркония и карбидом урана-235 является важнейшим конструкционным материалом для тепловыделяющих элементов твердофазных ядерных реактивных двигателей
- Нитрид ниобия NbN используется для производства тонких и ультратонких сверхпроводящих плёнок с критической температурой от 5 до 10 К с узким переходом, порядка 0,1 К.
Сверхпроводящие материалы первого поколения
|
|
.svg){kind=link}
