ниобий

НИО́БИЙ -я; м. [лат. Niobium] Химический элемент (Nb), твёрдый тугоплавкий и ковкий металл серовато-белого цвета (используется при производстве химически стойких и жаростойких сталей).

◁ Нио́бийный; нио́биевый, -ая, -ое.

* * *

нио́бий

(лат. Niobium), химический элемент V группы периодической системы. Назван по имени Ниобы — дочери мифологического Тантала (близость свойств Nb и Ta). Светло-серый тугоплавкий металл, плотность 8,57 г/см³, t_пл 2477°C, температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,28 K. Химически очень стоек. Минералы: пирохлор, колумбит, лопарит и др. Компонент химически стойких и жаростойких сталей, из которых изготовляют детали ракет, реактивных двигателей, химическую и нефтеперегонную аппаратуру. Ниобием и его сплавами покрывают тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) ядерных реакторов. Станнид Nb₃Sn, германид Nb₃Ge, сплавы ниобия с Sn, Ti и Zr используют для изготовления сверхпроводящих соленоидов (Nb₃Ge — сверхпроводник с температурой перехода в сверхпроводящее состояние 23,2 K).

* * *

НИОБИЙ

НИО́БИЙ (лат. Niobium, от имени Ниобы (см. НИОБА)), Nb (читается «ниобий»), химический элемент с атомным номером 41, атомная масса 92,9064. Природный ниобий состоит из одного стабильного изотопа ⁹³Nb. Конфигурация двух внешних электронных слоев 4s²p⁶d⁴5s¹. Cтепени окисления +5, +4, +3, +2 и +1 (валентности V IV, III, II и I). Расположен в группе VВ, в 5 периоде периодической системы элементов.
Радиус атома 0,145 нм, радиус иона Nb⁵⁺ — от 0,062 нм (координационное число 4) до 0,088 нм (8), иона Nb⁴⁺ — от 0,082 до 0,092 нм, иона Nb³⁺ — 0,086 нм, иона Nb²⁺— 0,085 нм. Энергии последовательной ионизации — 6,88, 14,32, 25,05, 38,3 и 50,6 эВ. Работа выхода электронов 4,01 эВ. Электроотрицательность по Полингу (см. ПОЛИНГ Лайнус) 1,6.
История открытия
Открыт в 1801 Ч. Хатчетом (см. ХАТЧЕТ Чарлз). Исследуя черный минерал, присланный из Америки, он выделил оксид нового элемента, который он назвал колумбием, а содержащий его минерал — колумбитом. Через год из того же минерала А. Г. Экеберг (см. ЭКЕБЕРГ Андерс Густав) выделил еще один оксид, который назвал танталом (см. ТАНТАЛ (химический элемент)). Свойства колумбия и Ta были очень близки, и их очень долго рассматривали как один элемент. В 1844 Г. Розе (см. РОЗЕ (немецкие ученые, братья)) доказал, что это два разных элемента. Он сохранил название тантал, а другой назвал ниобий. Только в 1950 ИЮПАК (Всемирная организация химиков) окончательно присвоила элементу №41 название ниобий. Металлический Nb первым получил в 1866 К. Бломстранд (см. БЛОМСТРАНД Кристиан Вильгельм).
Нахождение в природе
Содержание в земной коре 2·10^-3% по массе. В свободном виде ниобий не встречается, в природе сопутствует танталу. Из руд наиболее важны колумбит-танталит (см. КОЛУМБИТ) (Fe,Mn)(Nb,Ta)₂O₆, пирохлор (см. ПИРОХЛОР) и лопарит (см. ЛОПАРИТ).
Получение
Около 95% Nb получают из пирохлоровых, колумбит-танталитовых и лопаритовых руд. Руды обогащают гравитационнымми методами и флотацией (см. ФЛОТАЦИЯ). Концентраты с содержанием Nb₂O₅ до 60% перерабатывают до феррониобия (сплава железа и ниобия), чистого Nb₂O₅ или NbCl₅. Восстанавливают ниобий из его оксида, фторида или хлорида алюмино- или карботермией. Особо чистый ниобий получают высокотемпературным восстановлением летучего NbCl₅ водородом.
Полученный порошок ниобия брикетируют, спекают в вакууме в электродуговых или электроннолучевых печах.
Физические и химические свойства
Ниобий — блестящий серебристо-серый металл с кубической объемно центрированной кристаллической решеткой типа a-Fe, а = 0,3294 нм. Температура плавления 2477°C, кипения 4760°C, плотность 8,57 кг/дм³.
Химически ниобий довольно устойчив. При прокаливании на воздухе окисляется до Nb₂О₅. Для этого оксида описано около 10 кристаллических модификаций. При обычном давлении стабильна b-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, а n = 2—12). Известны ниобаты двух- и трехзарядных катионов. Ниобаты реагируют с HF, расплавами гидрофторидов щелочных металлов (KHF₂) и аммония (см. АММОНИЙ (в химии)). Некоторые ниобаты с высоким отношением M₂O/Nb₂O₅ гидролизуются:
6Na₃NbO₄ + 5H₂O = Na₈Nb₆O₁₉ + 10NaOH
Ниобий образует NbО₂, NbО и ряд оксидов, промежуточных между NbО_2,42 и NbО_2,50 и близких по структуре к b-форме Nb₂О₅.
С галогенами (см. ГАЛОГЕНЫ) Nb образует пентагалогениды NbHal₅, тетрагалогениды NbHal₄ и фазы NbHal_2,67-NbHal_3+x, в которых имеются группировки Nb₃ или Nb₂. Пентагалогениды ниобия легко гидролизуются водой. Температуры плавления пентахлорида, пентабромида и пентаиодида ниобия — 205, 267,5 и 310°C. Выше 200—250°C эти пентагалогениды летучи.
В присутствии паров воды и кислорода NbCl₅ и NbBr₅ образуют оксигалогениды NbOCl₃ (NbOBr₃) — рыхлые ватообразные вещества.
При взаимодействии Nb 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 Nb в системах с фосфором и мышьяком. При взаимодействии Nb с серой получены сульфиды: NbS, NbS₂ и NbS₃. Синтезированы двойные фториды Nb и K (Na) — K₂[NbF₇].
Применение
50% производимого ниобия используется для микролегирования сталей, 20—30% — для получения нержавеющих и жаропрочных сплавов. Интерметаллиды ниобия (Nb₃Sn и Nb₃Ge) применяют при изготовлении соленоидов сверхпроводящих устройств. Нитрид ниобия NbN используют при изготовлении мишеней передающих телевизионных трубок. Оксиды ниобия — компоненты огнеупорных материалов, керметов, стекол с высокими коэффициентами преломления. Двойные фториды — при выделении ниобия из природного сырья, при производстве металлического ниобия. Ниобаты используются в акусто- и оптоэлектронике, как лазерные материалы.
Физиологическое действие
Соединения ниобия ядовиты. ПДК ниобия в воде 0,01 мг/л.