- Ниобий
-
41 Цирконий ← Ниобий → Молибден Внешний вид простого вещества Свойства атома Имя, символ, номер Нио́бий / Niobium (Nb), 41
Атомная масса
(молярная масса)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)Термодинамические свойства простого вещества Плотность (при н. у.) 8,57 г/см³
Температура плавления 2741 K
Температура кипения 5015 K
Теплота плавления 26,8 кДж/моль
Теплота испарения 680 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 24,44[1] Дж/(K·моль)
Молярный объём Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки кубическая
объёмноцентрированаяПараметры решётки 3,301 Å
Температура Дебая 275 K
Прочие характеристики Теплопроводность (300 K) 53,7 Вт/(м·К)
41 НиобийNb92,9064d45s1 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.
Содержание
История
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.
Нахождение в природе
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 обуславливают 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 деллювиально-аллювиальных россыпях (колумбитовые россыпи), иногда в бокситах коры выветривания. Концентрация ниобия в морской воде 1·10−5 мг/л[2].
Месторождения
Месторождения ниобия расположены в США, Японии[3], России, Бразилии, Канаде[4].
Добыча ниобия по странам (тонн)[5] (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 3,020 4,380 4,330 4,420 4,400 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 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:
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 и химические свойства
Физические свойства
Ниобий — блестящий серебристо-серый металл с кубической объемноцентрированной кристаллической решеткой типа α-Fe, а = 0,3294 нм.
Химические свойства
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
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.
- Ниобий применяют в криотронах — сверхпроводящих элементах вычислительных машин. Ниобий также известен тем, что он используется в ускоряющих структурах большого адронного коллайдера[6].
Интерметаллиды и сплавы ниобия
- 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[7] вводят (в количестве от 5*(C%) до 0,6% ниобия) в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии (в т. ч. 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[8][9].
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 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
- 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
- Ниобий не играет никакой биологической роли.
Физиологическое действие
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
- ↑ 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
- ↑ J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. I, 1965
- ↑ Редкий ниобий на редкоземельном рынке
- ↑ Месторождение ниобия и тантала
- ↑ Larry D. Cunningham USGS Minerals Information: Niobium (Columbium) and Tantalum. Minerals.usgs.gov (5 апреля 2012). Архивировано из первоисточника 25 ноября 2012. Проверено 17 августа 2012.
- ↑ Запуск коллайдера//«Наука и технологии России»
- ↑ Для этого используется также титан в тех же количествах.
- ↑ Coin of time
- ↑ Coin of time2
Ссылки
Ниобий на Викискладе? Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 H He 2 Li Be B C N O F Ne 3 Na Mg Al Si P S Cl Ar 4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 6 Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 7 Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo Щелочные металлы Щёлочноземельные металлы Лантаноиды Актиноиды Переходные металлы Другие металлы Металлоиды Другие неметаллы Галогены Инертные газы Электрохимический ряд активности металлов Eu, Sm, Li, Cs, Rb, K, Ra, Ba, Sr, Ca, Na, Ac, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Mg, Y, Dy, Am, Ho, Er, Tm, Lu, Sc, Pu, Th, Np, U, Hf, Be, Al, Ti, Zr, Yb, Mn, V, Nb, Pa, Cr, Zn, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Te, Mo, Sn, Pb, H2, W, Sb, Bi, Ge, Re, Cu, Tc, Te, Rh, Po, Hg, Ag, Pd, Os, Ir, Pt, Au
Элементы расположены в порядке возрастания стандартного электродного потенциала.Антимонид ниобия (Nb5Sb4) • Борид ниобия (NbB2) • Бромид ниобия(III) (NbBr3) • Бромид ниобия(V) (NbBr5) • Гептафторониобат(V) калия (K2[NbF7]) • Гидрид ниобия (NbH) • Диоксифторид ниобия(V) (NbO2F) • Диоксихлорид ниобия(V) (NbO2Cl) • Иодид ниобия(V) (NbI5) • Карбид ниобия (NbC) • Нитрид ниобия (NbN) • Оксид ниобия(I) (Nb2O) • Оксид ниобия(II) (NbO) • Оксид ниобия(III) (Nb2O3) • Оксид ниобия(IV) (NbO2) • Оксид ниобия(V) (Nb2O5) • Окситрибромид ниобия(V) (NbOBr3) • Окситрифторид ниобия(V) (NbOF3) • Окситрихлорид ниобия(V) (NbOCl3) • Сульфид ниобия(II) (NbS) • Сульфид ниобия(III) (Nb2S3) • Сульфид ниобия(IV) (NbS2) • Фторид ниобия(III) (NbF3) • Фторид ниобия(V) (NbF5) • Хлорид ниобия(III) (NbCl3) • Хлорид ниобия(IV) (NbCl4) • Хлорид ниобия(V) (NbCl5)
Категории:- Химические элементы
- Соединения ниобия
- Металлы
- Ниобий
Wikimedia Foundation. 2010.