Ниобий

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
41 ЦирконийНиобийМолибден
V

Nb

Ta
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Олово Сурьма Теллур Иод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Ртуть Таллий Свинец Висмут Полоний Астат Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклий Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Борий Хассий Мейтнерий Дармштадтий Рентгений Коперниций Унунтрий Флеровий Унунпентий Ливерморий Унунсептий УнуноктийПериодическая система элементов
41Nb
Cubic-body-centered.svg
Electron shell 041 Niobium.svg
Внешний вид простого вещества
Кристаллы ниобия
Блестящий металл серебристо-белого цвета; покрывается голубоватой оксидной пленкой
Свойства атома
Название, символ, номер

Нио́бий / Niobium (Nb), 41

Атомная масса
(молярная масса)

92,90638(2)[1] а. е. м. (г/моль)

Электронная конфигурация

[Kr] 4d4 5s1

Радиус атома

146 пм

Химические свойства
Ковалентный радиус

164 пм

Радиус иона

(+5e)69 пм

Электроотрицательность

1,6 (шкала Полинга)

Электродный потенциал

0

Степени окисления

5, 4, 3, 2, 1

Энергия ионизации
(первый электрон)

 663,6(6,88) кДж/моль (эВ)

Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)

8,57 г/см³

Температура плавления

2741 K (2468 °С, 4474 °F)

Температура кипения

5015 K (4742 °С, 8567 °F)

Уд. теплота плавления

26,8 кДж/моль

Уд. теплота испарения

680 кДж/моль

Молярная теплоёмкость

24,44[2] Дж/(K·моль)

Молярный объём

10,8 см³/моль

Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки

кубическая
объёмноцентрированая

Параметры решётки

3,301 Å

Температура Дебая

275 K

Прочие характеристики
Теплопроводность

(300 K) 53,7 Вт/(м·К)

41
Ниобий
Nb
92,906
4d45s1

Нио́бий — элемент побочной подгруппы пятой группы пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 41. Обозначается символом Nb (лат. Niobium). Простое вещество ниобий (CAS-номер: 7440-03-1) — блестящий металл серебристо-серого цвета.

История[править | править вики-текст]

Нио́бий был открыт в 1801 г. английским учёным Ч. Хатчетом в минерале (колумбите), найденном в бассейне р. Колумбии, и потому получил название «колумбий».

В 1844 году немецкий химик Генрих Розе переименовал его в «ниобий» в честь дочери Тантала Ниобы, чем подчеркнул сходство между ниобием и танталом. 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 путем, восстанавливая оксид ниобия углеродом в электропечи[3].

Нахождение в природе[править | править вики-текст]

Кларк ниобия 18 г/т. Содержания 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 100 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 1·10−5 мг/л[4].

Месторождения[править | править вики-текст]

Месторождения ниобия расположены в США, Японии[5], России (Кольский полуостров), Бразилии, Канаде[6].

Добыча ниобия по странам (тонн)[7] (оценка USGS)
Страна 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
Австралия Австралия 160 230 290 230 200 200 200  ?  ?  ?  ?  ?
Бразилия 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 Канада 2,290 3,200 3,410 3,280 3,400 3,310 4,167 3020 4380 4330 4420 4400
Флаг ДР Конго Демократическая Республика Конго  ? 50 50 13 52 25  ?  ?  ?  ?  ?  ?
Мозамбик Мозамбик  ?  ? 5 34 130 34 29  ?  ?  ?  ?  ?
Нигерия Нигерия 35 30 30 190 170 40 35  ?  ?  ?  ?  ?
Руанда 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

Получение[править | править вики-текст]

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:

1) вскрытие концентрата, 2) разделение ниобия и тантала и получение их чистых химических соединений, 3) 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 электроннолучевой и вакуумной дуговой плавкой; монокристаллы ниобия высокой чистоты — бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.

Физические свойства[править | править вики-текст]

Ниобий — блестящий серебристо-серый металл с кубической объёмноцентрированной кристаллической решеткой типа α-Fe, а = 0,3294 нм.

Химические свойства[править | править вики-текст]

Химически ниобий довольно устойчив. При прокаливании на воздухе окисляется до Nb2О5. Для этого оксида описано около 10 кристаллических модификаций. При обычном давлении стабильна β-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 β-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, твердые жаропрочные соединения. В системе Nb — N существуют несколько фаз переменного состава и нитриды Nb2N и NbN. Сходным образом ведет 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.

Применение[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

  • 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 172 дня], 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[источник не указан 172 дня].
  • Ниобий применяют в криотронах — сверхпроводящих элементах вычислительных машин. Ниобий также известен тем, что он используется в ускоряющих структурах большого адронного коллайдера[8].
  • Ниобий (и его оксид) и тантал используют для производства электролитических конденсаторов высокой удельной ёмкости. Тантал позволяет производить более качественные конденсаторы, чем металлический ниобий. Однако конденсатор на основе оксида ниобия наиболее надёжны и устойчивы к возгоранию.

Австрия выпускает биметаллические коллекционные монеты достоинством 25 евро из серебра и ниобия[9][10].

Интерметаллиды и сплавы ниобия[править | править вики-текст]

  • Станнид Nb3Sn и сплавы ниобия с титаном и цирконием применяются для изготовления сверхпроводящих соленоидов.
  • Ниобий и сплавы с танталом во многих случаях заменяют тантал, что даёт большой экономический эффект (ниобий дешевле и почти вдвое легче, чем тантал).
  • Феррониобий[11] 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, Латвийский Банк утверждает, что в коллекционных монетах достоинством 1 лат наряду с серебром используется ниобий[12][13].

Применение соединений ниобия[править | править вики-текст]

  • 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 ТВЭЛов твердофазных ядерных реактивных двигателей.
  • Нитрид ниобия NbN используется для производства тонких и ультратонких сверхпроводящих пленок с критической температурой от 5 до 10 К с узким переходом, порядка 0,1 К.

Сверхпроводящие материалы первого поколения[править | править вики-текст]

  • Один из активно применяемых сверхпроводников (температура сверхпроводящего перехода 9,25 К). Соединения ниобия имеют температуру сверхпроводящего перехода до 23,2 К (Nb3Ge).
  • Наиболее часто используемые промышленные сверхпроводники — NbTi и Nb3Sn.
  • Ниобий используется также в магнитных сплавах.
  • Применяется как легирующая добавка.
  • Нитрид ниобия используется для производства сверхпроводящих болометров.
  • Исключительная стойкость ниобия и его сплавов с танталом в перегретом паре цезия-133 делает его одним из наиболее предпочтительных и дешёвых конструкционных материалов для термоэмиссионных генераторов большой мощности.

Биологическая роль[править | править вики-текст]

  • Ниобий не играет никакой биологической роли.

Физиологическое действие[править | править вики-текст]

Металлическая пыль ниобия огнеопасна и раздражает глаза и кожу. Некоторые соединения ниобия очень токсичны. ПДК ниобия в воде 0,01 мг/л. При попадании в организм вызывает раздражение внутренних органов и последующий паралич конечностей.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Т. 85. — № 5. — С. 1047-1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02
  2. Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 249. — 639 с. — 50 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8
  3. Венецкий С.И. Сорок первый // Рассказы о металлах. — Москва: Металлургия, 1979. — 240 с. — 60 000 экз.
  4. J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. I, 1965
  5. Редкий ниобий на редкоземельном рынке
  6. Месторождение ниобия и тантала
  7. Larry D. Cunningham. USGS Minerals Information: Niobium (Columbium) and Tantalum. Minerals.usgs.gov (5 апреля 2012). Проверено 17 августа 2012. Архивировано из первоисточника 25 ноября 2012.
  8. Запуск коллайдера//«Наука и технологии России»
  9. Ниобиевые монеты: очарование цвета. Euro-Coins.News. Проверено 12 марта 2012. Архивировано из первоисточника 28 мая 2012.
  10. Каталог коллекционных монет Австрии из драгоценных металлов. Мир монет. Проверено 19 марта 2012. Архивировано из первоисточника 21 мая 2012.
  11. Для этого используется также титан в тех же количествах.
  12. Coin of time
  13. Coin of time2

Ссылки[править | править вики-текст]