Ниобий — свойства, применение и сплавы ниобия. Химические свойства ниобия

Ниобий - элемент побочной подгруппы пятой группы пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 41. Обозначается символом Nb (лат. Niobium ).

Случилось так, что элемент №41 был открыт дважды. Первый раз – в 1801 г. английский ученый Чарльз Хатчет исследовал образец верного минерала, присланного в Британский музей из Америки. Из этого минерала он выделил окисел неизвестного прежде элемента. Новый элемент Хатчет назвал колумбием, отмечая тем самым его заокеанское происхождение. А черный минерал получил название колумбита.

Через год шведский химик Экеберг выделил из колумбита окисел еще одного нового элемента, названного танталом. Сходство соединений Колумбия и тантала было так велико, что в течение 40 лет большинство химиков считало: тантал и колумбий – один и тот же элемент.

В 1844 г. немецкий химик Генрих Розе исследовал образцы колумбита, найденные в Баварии. Он вновь обнаружил окислы двух металлов. Один из них был окислом известного уже тантала. Окислы были похожи, и, подчеркивая их сходство, Розе назвал элемент, образующий второй окисел, ниобием по имени Ниобы, дочери мифологического мученика Тантала.

Впрочем, Розе, как и Хатчет, не сумел получить этот элемент в свободном состоянии.

Металлический ниобий был впервые получен лишь в 1866 г. шведским ученым Бломстрандом при восстановлении хлорида ниобия водородом. В конце XIX в. были найдены еще два способа получения этого элемента. Сначала Муассан получил его в электропечи, восстанавливая окись ниобия углеродом, а затем Гольдшмидт сумел восстановить тот же элемент алюминием.

А называть элемент №41 в разных странах продолжали по-разному: в Англии и США – колумбием, в остальных странах – ниобием. Конец этой разноголосице положил Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) в 1950 г. Было решено повсеместно узаконить название элемента «ниобий», а за основным минералом ниобия так и закрепилось наименование «колумбит». Его формула (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 О 6 .

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) 2 O 6 , пирохлор (Na, Ca, TR, U) 2 (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 (OH, F) (Nb 2 O 5 0 - 63 %), лопарит (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb)O 3 ((Nb, Ta) 2 O 5 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.

Колумбит (Fe, Mn) (Nb, Та) 2 О 6 был первым минералом ниобия, известным человечеству. И этот же минерал – самый богатый элементом №41. На долю окислов ниобия и тантала приходится до 80% веса колумбита. Гораздо меньше ниобия в пирохлоре (Са, Na) 2 (Nb, Та, Ti) 2 O 6 (O, OH, F) и лопарите (Na, Се, Са) 2 (Nb, Ti) 2 O 6 . А всего известно больше 100 минералов, в состав которых входит ниобий. Значительные месторождения таких минералов есть в разных странах: США, Канаде, Норвегии, Финляндии, но крупнейшим поставщиком концентратов ниобия на мировой рынок стало африканское государство Нигерия. В России есть большие запасы лопарита, они найдены на Кольском полуострове.

Руды ниобия - обычно комплексные и бедны металлом. Рудные концентраты содержат Nb 2 O 5: 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.

Металлический ниобий можно получить восстановлением его соединений, например хлорида ниобия или фтор-ниобата калия, при высокой температуре:

K 2 NbF 7 + 5Na → Nb + 2KF + 5NaF.

Но прежде чем достигнуть этой в сущности последней стадии производства, ниобиевая руда проходит множество этапов переработки. Первый из них – обогащение руды, получение концентратов. Концентрат сплавляют с различными плавнями: едким натром или содой. Полученный сплав выщелачивают. Но растворяется он не полностью. Нерастворимый осадок и есть ниобий. Правда, он здесь еще в составе гидроокиси, не разделен со своим аналогом по подгруппе – танталом – и не очищен от некоторых примесей.

Кристаллы ниобия и металлический ниобиевый кубик

До 1866 г. не было известно ни одного пригодного для производственных условий способа разделения тантала и ниобия. Первым метод разделения этих чрезвычайно похожих элементов предложил Жан Шарль Галиссар де Мариньяк. Метод основан на разной растворимости комплексных соединений этих металлов и называется фторидным. Комплексный фторид тантала нерастворим в воде, а аналогичное соединение ниобия растворимо.

Фторидный метод сложен и не позволяет полностью разделить ниобий и тантал. Поэтому в наши дни он почти не применяется. На смену ему пришли методы избирательной экстракции, ионного обмена, ректификации галогенидов и др. Этими методами получают окисел и хлорид пятивалентного ниобия.

После разделения ниобия и тантала идет основная операция – восстановление. Пятиокись ниобия Nb 2 O 5 восстанавливают алюминием, натрием, сажей или карбидом ниобия, полученным при взаимодействии Nb 2 O 5 с углеродом; пентахлорид ниобия восстанавливают металлическим натрием или амальгамой натрия. Так получают порошкообразный ниобий, который нужно затем превратить в монолит, сделать пластичным, компактным, пригодным для обработки. Как и другие тугоплавкие металлы, ниобий-монолит получают методами порошковой металлургии, суть которой в следующем.

Из полученного металлического порошка под большим давлением (1 т/см 2) прессуют так называемые штабики прямоугольного или квадратного сечения. В вакууме при 2300°C эти штабики спекают, соединяют в пруты, которые плавят в вакуумных дуговых печах, причем пруты в этих печах выполняют роль электрода. Такой процесс называется плавкой с расходуемым электродом.

Монокристаллический пластичный ниобий получают методом бестигельной зонной электронно-лучевой плавки. Суть его в том, что на порошкообразный ниобий (операции прессования и спекания исключены!) направляют мощный пучок электронов, который плавит порошок. Капли металла стекают на ниобиевый слиток, который постепенно растет и выводится из рабочей камеры.

Как видите, путь ниобия от руды до металла в любом случае довольно долог, а способы производства сложны.

Ниобий - блестящий серебристо-серый металл.

Элементарный ниобий – чрезвычайно тугоплавкий (2468°C) и высококипящий (4927°C) металл, очень стойкий во многих агрессивных средах. Все кислоты, за исключением плавиковой, не действуют на него. Кислоты-окислители «пассивируют» ниобий, покрывая его защитной окисной пленкой (№205). Но при высоких температурах химическая активность ниобия повышается. Если при 150...200°C окисляется лишь небольшой поверхностный слой металла, то при 900...1200°C толщина окисной пленки значительно увеличивается.

Кристаллическая решетка Ниобия объемно центрированная кубическая с параметром а = 3,294Å.

Чистый металл пластичен и может быть прокатан в тонкий лист (до толщины 0, 01 мм.) в холодном состоянии без промежуточного отжига.

Можно отметить такие свойства ниобия как высокая температура плавления и кипения, более низкая работа выхода электронов по сравнению с другими тугоплавкими металлами - вольфрамом и молибденом. Последнее свойство характеризует способность к электронной эмиссии (испусканию электронов), что используется для применения ниобия в электровакуумной технике. Ниобий также имеет высокую температуру перехода в состояние сверхпроводимости.

Плотность 8,57 г/см 3 (20 °С); t пл 2500 °С; t кип 4927 °С; давление пара (в мм рт. ст.; 1 мм рт. ст.= 133,3 н/м 2) 1·10 -5 (2194 °С), 1·10 -4 (2355 °С), 6·10 -4 (при t пл), 1·10 -3 (2539 °С).

При обычной температуре ниобий устойчив на воздухе. Начало окисления (плёнки побежалости) наблюдается при нагревании металла до 200 - 300°С. Выше 500° происходит быстрое окисление с образованием окисла Nb 2 O 5 .

Теплопроводность в вт/(м·К) при 0°С и 600 °С соответственно 51,4 и 56,2, то же в кал/(см·сек·°С) 0,125 и 0,156. Удельное объемное электрическое сопротивление при 0°С 15,22·10 -8 ом·м (15,22·10 -6 ом·см). Температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,25 К. Ниобий парамагнитен. Работа выхода электронов 4,01 эв.

Чистый Ниобий легко обрабатывается давлением на холоду и сохраняет удовлетворительные механические свойства при высоких температурах. Его предел прочности при 20 и 800 °С соответственно равен 342 и 312 Мн/м 2 , то же в кгс/мм 2 34,2 и 31,2; относительное удлинение при 20 и 800 °С соответственно 19,2 и 20,7%. Твердость чистого Ниобиы по Бринеллю 450, технического 750-1800 Mн/м 2 . Примеси некоторых элементов, особенно водорода, азота, углерода и кислорода, сильно ухудшают пластичность и повышают твердость Ниобия.

Химически ниобий довольно устойчив. При прокаливании на воздухе окисляется до Nb 2 О 5 . Для этого оксида описано около 10 кристаллических модификаций. При обычном давлении стабильна β-форма Nb 2 О 5 .

При сплавлении Nb 2 О 5 с различными оксидами получают ниобаты: Ti 2 Nb 10 О 29 , FeNb 49 О 124 . Ниобаты могут рассматриваться как соли гипотетических ниобиевых кислот. Они делятся на метаниобаты MNbO 3 , ортониобаты M 3 NbO 4 , пирониобаты M 4 Nb 2 O 7 или полиниобаты M 2 O·nNb 2 O 5 (M - однозарядный катион, n = 2-12). Известны ниобаты двух- и трехзарядных катионов.

Ниобаты реагируют с HF, расплавами гидрофторидов щелочных металлов (KHF 2) и аммония. Некоторые ниобаты с высоким отношением M 2 O/Nb 2 O 5 гидролизуются:

6Na 3 NbO 4 + 5H 2 O = Na 8 Nb 6 O 19 + 10NaOH.

Ниобий образует NbO 2 , NbO, ряд оксидов, промежуточных между NbO 2,42 и NbO 2,50 и близких по структуре к β-форме Nb 2 О 5 .

С галогенами ниобий образует пентагалогениды NbHal 5 , тетрагалогениды NbHal 4 и фазы NbHal 2,67 - NbHal 3+x , в которых имеются группировки Nb 3 или Nb 2 . Пентагалогениды ниобия легко гидролизуются водой.

Характерное свойство ниобия - способность поглощать газы - водород, азот и кислород. Небольшие примеси этих элементов сильно влияют на механические и электрические свойства металла. При низкой температуре водород поглощается медленно, при температуре примерно 360°С водород поглощается с максимальной скоростью, причём происходит не только адсорбция, но и образуется гидрид NbH. Поглощённый водород придаёт металлу хрупкость, но при нагревании в вакууме выше 600°С почти весь водород выделяется и прежние механические свойства восстанавливаются.

Ниобий поглощает азот уже при 600°С, при более высокой температуре образуется нитрид NbN, который плавится при 2300°С.

Углерод и углеродсодержащие газы (СН 4 , СО) при высокой температуре (1200 - 1400°С) взаимодействуют с металлом с образованием твёрдого и тугоплавкого карбида NbC (плавится при 3500°С).

С бором и кремнием ниобий образует тугоплавкиё и твёрдый борид и силицид NbB 2 (плавится при 2900°С).

В присутствии паров воды и кислорода NbCl 5 и NbBr 5 образуют оксигалогениды NbOCl 3 и NbOBr 3 - рыхлые ватообразные вещества.

При взаимодействии ниобия и графита образуются карбиды Nb 2 C и NbC, твердые жаропрочные соединения. В системе Nb - N существуют несколько фаз переменного состава и нитриды Nb 2 N и NbN. Сходным образом ведет себя ниобий в системах с фосфором и мышьяком. При взаимодействии ниобия с серой получены сульфиды: NbS, NbS 2 и NbS 3 . Синтезированы двойные фториды Nb и калия (натрия) - K 2 .

Ниобий устойчив против действия соляной, серной, азотной, фосфорной и органических кислот любой концентрации на холоду и при 100 - 150°С. Металл растворяется в плавиковой кислоте и особенно интенсивно - в смеси плавиковой и азотной кислот.

Менее устойчив ниобий в щелочах. Горячие растворы едких щелочей заметно разъедает металл, в расплавленных щелочах и соде он быстро окисляется с образованием натриевой соли ниобиевой кислоты.

Из водных растворов выделить электрохимически ниобий пока не удалось. Возможно электрохимическое получение сплавов, содержащих ниобий. Электролизом безводных солевых расплавов может быть выделен металлический ниобий.

Конфигурация внешних электронов атома Nb 4d 4 5s l . Наиболее устойчивы соединения пятивалентного Ниобия, но известны и соединения со степенями окисления + 4, +3, +2 и +1, к образованию которых Ниобий склонен более, чем тантал. Например, в системе Ниобий-кислород установлены фазы: оксид Nb 2 O 5 (t пл 1512 °С, цвет белый), нестехеометрические NbO 2,47 и NbO 2,42, оксид NbO 2 (t пл 2080 °С, цвет черный), оксид NbO (t пл 1935 °С, цвет серый) и твердый раствор кислорода в Ниобии. NbO 2 - полупроводник; NbO, сплавленная в слиток, обладает металлическим блеском и электропроводностью металлического типа, заметно испаряется при 1700 °С, интенсивно - при 2300-2350 °С, что используют для вакуумной очистки Ниобия от кислорода; Nb 2 O 5 имеет кислотный характер; ниобиевые кислоты не выделены в виде определенных химические соединений, но известны их соли - ниобаты.

С водородом Nb образует твердый раствор внедрения (до 10 ат.% Н) и гидрид состава от NbH 0,7 до NbH. Растворимость водорода в Nb (в г/см 3) при 20 °С 104, при 500°С 74,4, при 900°С 4,0. Поглощение водорода обратимо: при нагревании, особенно в вакууме, водород выделяется; это используют для очистки Nb от водорода (сообщающего металлу хрупкость) и для гидрирования компактного Nb: хрупкий гидрид измельчают и дегидрируют в вакууме, получая чистый порошок Ниобий для электролитических конденсаторов. Растворимость азота в Ниобии составляет (% по массе) 0,005, 0,04 и 0,07 соответственно при 300, 1000 и 1500 °С. Рафинируют Ниобий от азота нагреванием в глубоком вакууме выше 1900 °С или вакуумной плавкой. Высший нитрид NbN светло-серого цвета с желтоватым оттенком; температура перехода в сверхпроводящее состояние 15,6 К. С углеродом при 1800-2000°С Nb образует 3 фазы: α-фаза - твердый раствор внедрения углерода в Ниобий, содержащий до 2 ат.% С при 2335 °С; β-фаза - Nb 2 C, δ-фаза - NbC.

Химический состав ниобия в слитках и штабиках

Сейчас свойства и возможности ниобия по достоинству оценены авиацией, машиностроением, радиотехникой, химической промышленностью, ядерной энергетикой. Все они стали потребителями ниобия.

Уникальное свойство – отсутствие заметного взаимодействия ниобия с ураном при температуре до 1100°C и, кроме того, хорошая теплопроводность, небольшое эффективное сечение поглощения тепловых нейтронов сделали ниобий серьезным конкурентом признанных в атомной промышленности металлов – алюминия, бериллия и циркония. К тому же искусственная (наведенная) радиоактивность ниобия невелика. Поэтому из него можно делать контейнеры для хранения радиоактивных отходов или установки по их использованию.

В последние годы мировое производство ниобия находится на уровне 24-29 тыс. т. Следует отметить, что мировой рынок ниобия существенно монополизирован бразильской компанией СВММ, на долю которой приходится около 85% мирового объема выпуска ниобия.
Основным потребителем ниобийсодержащей продукции (к ней прежде всего относится феррониобий) является Япония. Эта страна импортирует ежегодно свыше 4 тыс. т феррониобия из Бразилии. Поэтому японские импортные цены на ниобийсодержащую продукцию можно с большой уверенностью принимать за близкие к среднемировым значениям.
В последние годы имеет место тенденция роста цен на феррониобий. Это связано с растущим его применением для производства низколегированных сталей предназначен-ных, главным образом для труб нефте- и газопроводов. Вообще надо отметить, что за последние 15 лет мировое потребление ниобия возрастает в среднем на 4-5 % ежегодно.
С сожалением надо признать, что Россия находится на «обочине» рынка ниобия. В начале 90-х годов, по оценкам специалистов Гиредмета, в бывшем СССР производилось и
потреблялось около 2 тыс.т ниобия (в пересчете на оксид ниобия). В настоящее время потребление российской промышленностью ниобиевой продукции не превышает всего 100 - 200 т.
Следует отметить, что в бывшем СССР были созданы значительные мощности по выпуску ниобия, разбросанные по разным республикам – Россия, Эстония, Казахстан. Это традиционная черта развития промышленности СССР поставила сейчас Россию в очень сложное положение по многим видам сырья и металлам.
Рынок ниобия начинается с производства ниобийсодержащего сырья. Основным его видом в России был и остается лопаритовый концентрат, получаемый на Ловозерском ГОКе (теперь - АО «Севредмет», Мурманская область). До распада СССР предприятие выпускало около 23 тыс.т лопаритового концентрата (содержание в нем оксида ниобия около 8,5 %). В последующем производство концентрата постоянно снижалось, в 1996-1998 гг. предприятие неоднократно останавливалось из-за отсутствия сбыта. В настоящее время, по оценкам, производство лопаритового концентрата на предприятии находится на уровне 700 - 800 т в месяц.
Следует отметить, что предприятие достаточно жестко привязано к своему единственному потребителю - Соликамскому магниевому заводу. Дело в том, что лопаритовый концентрат – это достаточно специфический продукт, который получают только в России. Его технология переработки достаточно сложна из-за содержащегося в нем комплекса редких металлов (ниобий, тантал, титан). Кроме того, концентрат радиоактивен, во многом поэтому все попытки выйти на мировой рынок с этой продукцией закончились безрезультатно. Следует также отметить, что из лопаритового концентрата невозможно получение феррониобия.
В 2000 г. на комбинате «Севредмет» силами компании «Росредмет» запущена экспериментальная установка по переработке лопаритового концентрата с получением в числе других металлов товарной ниобийсодержащей продукции (оксида ниобия).

Основными рынками ниобиевой продукции СМЗ являются страны дальнего зарубежья: поставки осуществляются в США, Японию и страны Европы. Доля экспорта в общем объеме производства составляет свыше 90 %.
Значительные мощности по выпуску ниобия в СССР были сосредоточены в Эстонии - на Силламяэском химико-металлургическом произ-водственном объединении (г. Силламяэ). Сейчас эстонское предприятие называется «Силмет». В советские времена предприятие перерабатывало лопаритовый концентрат Ловоозерского ГОКа, с 1992 г. его отправка была прекращена. Сейчас «Силмет» перерабатывает только небольшой объем гидроксида ниобия Соликамского магниевого завода. Большую часть ниобийсодержащего сырья в настоящее время предприятие получает из Бразилии и Нигерии. Руководство предприятия не исключает поставок лопаритового концентрата, однако «Севредмет» пытается проводить политику переработки его на месте, поскольку экспорт сырья менее выгоден, чем готовой продукции.

Производство ниобиевых полупроводников в России

Единственное в России производство сверхпроводников на основе ниобий-олова и ниобий-титана, созданное в 2009 на ОАО «ЧМЗ», представляет собой замкнутый цикл, начиная от изготовления исходных материалов и комплектующих (ниобия, ниобий-титановых сплавов, высокооловянистой бронзы) до готовых сверхпроводящих стрендов, оснащенный участками измерения электрофизических характеристик и контроля параметров всего технологического передела. Создание широкомасштабного производства сверхпроводящих материалов ведется при научном руководстве ОАО «ВНИИНМ им. А.А. Бочвара».

Всего на Чепецком механическом заводе до 2013 года будет выпущено 170 тонн СПМ для проекта ИТЭР на основе ниобий-титана и ниобий-олова.

Ниобий (лат. Niobium), Nb, химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 41, атомная масса 92,9064; металл серо-стального цвета. Элемент имеет один природный изотоп 93 Nb.

Ниобий открыт в 1801 году английским ученым Ч. Хатчетом (1765-1847) в минерале, найденном в Колумбии, и назван им "колумбием". В 1844 году немецкий химик Г. Роэз (1795-1864) обнаружил "новый" элемент и назвал его "ниобием" в честь дочери Тантала Ниобы, чем подчеркнул сходство между Ниобием и танталом. Позднее было установлено, что Ниобий тот же элемент, что и Колумбий.

Распространение Ниобия в природе. Среднее содержание Ниобий в земной коре (кларк) 2·10 -3 % по массе. Только в щелочных изверженных породах - нифелиновых сиенитах и других, содержание Ниобия повышено до 10 -2 - 10 -1 %. В этих породах и связанных с ними пегматитах, карбонатитах, а также в гранитных пегматитах обнаружено 23 минерала Ниобий и около 130 других минералов, содержащих повышенные количества Ниобия. Это в основном сложные и простые оксиды. В минералах Nb связан с редкоземельными элементами и с Та, Ti, Ca, Na, Th, Fe, Ba (тантало-ниобаты, титанаты и других). Из 6 промышленных минералов наиболее важны пирохлор и колумбит. Промышленные месторождения Ниобия связаны с массивами щелочных пород (например, на Кольском полуострове), их корами выветривания, а также с гранитными пегматитами. Важное значение имеют и россыпи танталониобатов.

В биосфере геохимия Ниобий изучена плохо. Установлено, что в районах щелочных пород, обогащенных Ниобием, он мигрирует в виде соединений с органическими и другими комплексами. Известны минералы Ниобия, образующиеся при выветривании щелочных пород (мурманит, герасимовскит и других). В морской воде лишь около 1·10 -9 % Ниобия по массе.

Физические свойства Ниобия. Кристаллическая решетка Ниобия объемноцентрированная кубическая с параметром а = 3,294Å. Плотность 8,57 г/см 3 (20 °С); t пл 2500 °С; t кип 4927 °С; давление пара (в мм рт. ст.; 1 мм рт. ст.= 133,3 н/м 2) 1·10 -5 (2194 °С), 1·10 -4 (2355 °С), 6·10 -4 (при t пл), 1·10 -3 (2539 °С). Теплопроводность в вт/(м·К) при 0°С и 600 °С соответственно 51,4 и 56,2, то же в кал/(см·сек·°С) 0,125 и 0,156. Удельное объемное электрическое сопротивление при 0°С 15,22·10 -8 ом·м (15,22·10 -6 ом·см). Температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,25 К. Ниобий парамагнитен. Работа выхода электронов 4,01 эв.

Чистый Ниобий легко обрабатывается давлением на холоду и сохраняет удовлетворительные механические свойства при высоких температурах. Его предел прочности при 20 и 800 °С соответственно равен 342 и 312 Мн/м 2 , то же в кгс/мм 2 34,2 и 31,2; относительное удлинение при 20 и 800 °С соответственно 19,2 и 20,7%. Твердость чистого Ниобиы по Бринеллю 450, технического 750-1800 Mн/м 2 . Примеси некоторых элементов, особенно водорода, азота, углерода и кислорода, сильно ухудшают пластичность и повышают твердость Ниобия.

Химические свойства Ниобия. По химические свойствам Ниобий близок к танталу. Оба они чрезвычайно устойчивы (тантал более чем Ниобий) на холоду и при небольшом нагревании к действию многих агрессивных сред. Компактный Ниобий заметно окисляется на воздухе только выше 200 °С. На Ниобий действуют: хлор выше 200 °С, водород при 250 °С (интенсивно при 360 °С), азот при 400 °С. Практически не действуют на Ниобий очищенные от примеси кислорода жидкие Na, К и их сплавы, Li, Bi, Pb, Hg, Sn, применяемые в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах.

Ниобий устойчив к действию многих кислот и растворов солей. На него не действуют царская водка, соляная и серная кислоты при 20 °С, азотная, фосфорная, хлорная кислоты, водные растворы аммиака. Плавиковая кислота, ее смесь с азотной кислотой и щелочи растворяют Ниобий. В кислых электролитах на Ниобии образуется анодная оксидая пленка с высокими диэлектрическими характеристиками, что позволяет использовать Ниобий и его сплавы с Та взамен дефицитного чистого Та для изготовления миниатюрных электролитических конденсаторов большой емкости с малыми токами утечки.

Конфигурация внешних электронов атома Nb 4d 4 5s l . Наиболее устойчивы соединения пятивалентного Ниобия, но известны и соединения со степенями окисления + 4, +3, +2 и +1, к образованию которых Ниобий склонен более, чем тантал. Например, в системе Ниобий-кислород установлены фазы: оксид Nb 2 O 5 (t пл 1512 °С, цвет белый), нестехеометрические NbO 2,47 и NbO 2,42, оксид NbO 2 (t пл 2080 °С, цвет черный), оксид NbO (t пл 1935 °С, цвет серый) и твердый раствор кислорода в Ниобии. NbO 2 - полупроводник; NbO, сплавленная в слиток, обладает металлическим блеском и электропроводностью металлического типа, заметно испаряется при 1700 °С, интенсивно - при 2300-2350 °С, что используют для вакуумной очистки Ниобия от кислорода; Nb 2 O 5 имеет кислотный характер; ниобиевые кислоты не выделены в виде определенных химические соединений, но известны их соли - ниобаты.

С водородом Nb образует твердый раствор внедрения (до 10 ат.% Н) и гидрид состава от NbH 0,7 до NbH. Растворимость водорода в Nb (в г/см 3) при 20 °С 104, при 500°С 74,4, при 900°С 4,0. Поглощение водорода обратимо: при нагревании, особенно в вакууме, водород выделяется; это используют для очистки Nb от водорода (сообщающего металлу хрупкость) и для гидрирования компактного Nb: хрупкий гидрид измельчают и дегидрируют в вакууме, получая чистый порошок Ниобий для электролитических конденсаторов. Растворимость азота в Ниобии составляет (% по массе) 0,005, 0,04 и 0,07 соответственно при 300, 1000 и 1500 °С. Рафинируют Ниобий от азота нагреванием в глубоком вакууме выше 1900 °С или вакуумной плавкой. Высший нитрид NbN светло-серого цвета с желтоватым оттенком; температура перехода в сверхпроводящее состояние 15,6 К. С углеродом при 1800-2000°С Nb образует 3 фазы: α-фаза - твердый раствор внедрения углерода в Ниобий, содержащий до 2 ат.% С при 2335 °С; β-фаза - Nb 2 C, δ-фаза - NbC. С галогенами Ниобий дает галогениды, оксигалогениды и комплексные соли. Из них наиболее важны пентафторид NbF 5 , пентахлорид NbCl 5 , окситрихлорид NbOCl 3 , фторониобат калия K 2 NbF 7 и оксифторониобат калия K 2 NbOF 7 ·Н 2 О. Небольшое различие в давлении паров NbCl 5 и ТаСl 5 используют для их весьма полного разделения и очистки методом ректификации.

Получение Ниобия. Руды Nb - обычно комплексные и бедны Nb, хотя их запасы намного превосходят запасы руд Та. Рудные концентраты содержат Nb 2 O 5: пирохлоровые - не менее 37%, лопаритовые - 8%, колумбитовые - 30-60%. Большую их часть перерабатывают алюмино- или силикотермическим восстановлением на феррониобий (40-60% Nb) и ферротанталониобий. Металлич. Nb получают из рудных концентратов по сложной технологии в три стадии: 1) вскрытие концентрата, 2) разделение Nb и Та и получение их чистых химические соединений, 3) восстановление и рафинирование металлического Ниобия и его сплавов. Основные промышленные методы производства Nb и сплавов - алюминотермический, натриетермический, карботермический: из смеси Nb 2 O 5 и сажи вначале получают при 1800 °С в атмосфере водорода карбид, затем из смеси карбида и оксид (V) при 1800-1900 °С в вакууме - металл; для получения сплавов Ниобия в эту смесь добавляют оксиды легирующих металлов; по другому варианту Ниобий восстанавливают при высокой температуре в вакууме непосредственно из Nb 2 O 5 сажей. Натриетермическим способом Ниобий восстанавливают натрием из K 2 NbF 7 , алюминотермическим - алюминием из Nb 2 O 5 . Компактный металл (сплав) производят методами порошковой металлургии, спекая спрессованные из порошков штабики в вакууме при 2300 °С, либо электроннолучевой и вакуумной дуговой плавкой; монокристаллы Nb высокой чистоты - бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.

Применение Ниобия. Применение и производство Ниобия быстро возрастают, что обусловлено сочетанием таких его свойств, как тугоплавкость, малое сечение захвата тепловых нейтронов (1,15 б), способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие и других сплавы, коррозионная стойкость, геттерные свойства, низкая работа выхода электронов, хорошие обрабатываемость давлением на холоду и свариваемость. Основные области применения Ниобия: ракетостроение, авиационная и космическая техника, радиотехника, электроника, химическое аппаратостроение, атомная энергетика. Из чистого Ниобия или его сплавов изготовляют детали летательных аппаратов; оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов; контейнеры и трубы для жидких металлов; детали электрических конденсаторов; "горячую" арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и другие); коррозионноустойчивую аппаратуру в химической промышленности. Ниобием легируют другие цветные металлы, в т. ч. уран. Ниобий применяют в криотронах - сверхпроводящих элементах вычислительных машин, а станнид Nb 3 Sn и сплавы Nb с Ti и Zr - для изготовления сверхпроводящих соленоидов. Nb и сплавы с Та во многих случаях заменяют Та, что дает большой экономический эффект (Nb дешевле и почти вдвое легче, чем Та). Феррониобий вводят в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии и разрушения и в стали других типов для улучшения их свойств. Применяют и соединения Ниобия: Nb 2 O 5 (катализатор в химической промышленности; в производстве огнеупоров, керметов, специальных стекол), нитрид, карбид, ниобаты.

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.

(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/см 3 , 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 Nb 3 Sn, германид Nb 3 Ge, сплавы ниобия с Sn, Ti и Zr используют для изготовления сверхпроводящих соленоидов (Nb 3 Ge - сверхпроводник с температурой перехода в сверхпроводящее состояние 23,2 K).

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 93 Nb. Конфигурация двух внешних электронных слоев 4s 2 p 6 d 4 5s 1 . 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 Nb 5+ - от 0,062 нм (координационное число 4) до 0,088 нм (8), иона Nb 4+ - от 0,082 до 0,092 нм, иона Nb 3+ - 0,086 нм, иона Nb 2+ - 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) 2 O 6 , 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 Nb 2 O 5 до 60% перерабатывают до феррониобия (сплава железа и ниобия), чистого Nb 2 O 5 или NbCl 5 . Восстанавливают ниобий из его оксида, фторида или хлорида алюмино- или карботермией. Особо чистый ниобий получают высокотемпературным восстановлением летучего NbCl 5 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/дм 3 .
Химически ниобий довольно устойчив. При прокаливании на воздухе окисляется до Nb 2 О 5 . Для этого оксида описано около 10 кристаллических модификаций. При обычном давлении стабильна b-форма Nb 2 О 5 . При сплавлении Nb 2 О 5 с различными оксидами получают ниобаты: Ti 2 Nb 10 О 29 , FeNb 49 О 124 . Ниобаты могут рассматриваться как соли гипотетических ниобиевых кислот. Они делятся на метаниобаты MNbO 3 , ортониобаты M 3 NbO 4 , пирониобаты M 4 Nb 2 O 7 или полиниобаты M 2 O·n Nb 2 O 5 (M - однозарядный катион, а n = 2-12). Известны ниобаты двух- и трехзарядных катионов. Ниобаты реагируют с HF, расплавами гидрофторидов щелочных металлов (KHF 2) и аммония (см. АММОНИЙ (в химии)) . Некоторые ниобаты с высоким отношением M 2 O/Nb 2 O 5 гидролизуются:
6Na 3 NbO 4 + 5H 2 O = Na 8 Nb 6 O 19 + 10NaOH
Ниобий образует NbО 2 , NbО и ряд оксидов, промежуточных между NbО 2,42 и NbО 2,50 и близких по структуре к b-форме Nb 2 О 5 .
С галогенами (см. ГАЛОГЕНЫ) Nb образует пентагалогениды NbHal 5 , тетрагалогениды NbHal 4 и фазы NbHal 2,67 -NbHal 3+x , в которых имеются группировки Nb 3 или Nb 2 . 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 NbCl 5 и NbBr 5 образуют оксигалогениды NbOCl 3 (NbOBr 3) - рыхлые ватообразные вещества.
При взаимодействии Nb и графита образуются карбиды Nb 2 C и NbC, твердые жаропрочные соединения. В системе Nb - N существуют несколько фаз переменного состава и нитриды Nb 2 N и NbN. Сходным образом ведет себя Nb в системах с фосфором и мышьяком. При взаимодействии Nb с серой получены сульфиды: NbS, NbS 2 и NbS 3 . Синтезированы двойные фториды Nb и K (Na) - K 2 .
Применение
50% производимого ниобия используется для микролегирования сталей, 20-30% - для получения нержавеющих и жаропрочных сплавов. Интерметаллиды ниобия (Nb 3 Sn и Nb 3 Ge) 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.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Смотреть что такое "ниобий" в других словарях:

- (ново лат. niobium). Один из редких металлов, встречающийся в танталите. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. НИОБИЙ металл, встречается в виде окислов в редких минералах практического значения не имеет … Словарь иностранных слов русского языка

- (Niobium), Nb, химический элемент V группы периодической системы, атомный номер 41, атомная масса 92,9064; металл, tпл 2477 шC. Ниобий используют для легирования сталей, получения жаропрочных, твердых и других сплавов. Ниобий открыт английским… … Современная энциклопедия

Ниобий - (Niobium), Nb, химический элемент V группы периодической системы, атомный номер 41, атомная масса 92,9064; металл, tпл 2477 °C. Ниобий используют для легирования сталей, получения жаропрочных, твердых и других сплавов. Ниобий открыт английским… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

- (символ Nb), блестящий серо белый переходный химический элемент, металл. Открыт в 1801 г. Встречается, как правило, в пирохлорных рудах. Будучи мягким и ковким металлом, ниобий применяется в производстве специальных нержавеющий сталей и сплавов… … Научно-технический энциклопедический словарь

Nb (лат. Niobium; от им. Ниобы дочери Тантала в др. греч. мифологии * a. niobium; н. Niob, Niobium; ф. niobium; и. niobio), хим. элемент V группы периодич. системы Менделеева, ат. н. 41, ат. м. 92,9064. Имеет один природный изотоп 93Nb.… … Геологическая энциклопедия

НИОБИЙ, один из открытых химиками металлов. Толковый словарь Даля. В.И. Даль. 1863 1866 … Толковый словарь Даля

НИОБИЙ - хим. элемент, символ Nb (лат. Niobium), ат. н. 41, ат. м. 92,90; светло серый металл, плотность 8570 кг/м3, t = 2500 °С; обладает высокой хим. стойкостью. В природе встречается в минералах совместно с танталом, разделение с которым вызывает… … Большая политехническая энциклопедия

- (лат. Niobium) Nb, химический элемент V группы периодической системы, атомный номер 41, атомная масса 92,9064. Назван от имени Ниобы дочери мифологического Тантала (близость свойств Nb и Ta). Светло серый тугоплавкий металл, плотность 8,57… … Большой Энциклопедический словарь

- (Niobium), Nb, хим … Физическая энциклопедия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Ниобий - сорок первый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Nb от латинского «niobium». Расположен в пятом периоде, VBA группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 41.

В земной коре ниобия содержится 0,002% (масс.). Этот элемент во многом сходен с ванадием. В свободном состоянии он представляет собой тугоплавкий металл, твердый, но не хрупкий, хорошо поддающийся механической обработке (рис. 1.. Плотность ниобия 8,57 г/см 3 , температура плавления - 2500 o С.

Ниобий устойчив во многих агрессивных средах. На него не действует соляная кислота и царская водка, так как на поверхности этого металла образуется тонкая, но очень прочная и химически стойкая оксидная пленка.

Рис. 1. Ниобий. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса ниобия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии ниобий существует в виде одноатомных молекул Nb, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 92,9063.

Изотопы ниобия

Известно, что в природе ниобий может находиться в виде единственного стабильного изотопа 93 Nb. Массовое число равно 93, ядро атома содержит сорок один протон и пятьдесят два нейтрона.

Существуют искусственные нестабильные изотопы циркония с массовыми числами от 81-го до 113-ти, а также двадцать пять изомерных состояния ядер, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 92 Nb с периодом полураспада равным 34,7 млн. лет.

Ионы ниобия

На внешнем энергетическом уровне атома ниобия имеется пять электронов, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 3 5s 2 .

В результате химического взаимодействия ниобий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Nb 0 -1e → Nb + ;

Nb 0 -2e → Nb 2+ ;

Nb 0 -3e → Nb 3+ ;

Nb 0 -4e → Nb 4+ ;

Nb 0 -5e → Nb 5+ .

Молекула и атом ниобия

В свободном состоянии ниобий существует в виде одноатомных молекул Nb. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу ниобия:

Сплавы ниобия

Ниобий - один из компонентов многих жаропрочных и коррозионностойких сплавов. Особенно большое значение имеют жаропрочные сплавы ниобия, которые применяются в производстве газовых турбин, реактивных двигателей, ракет.

Ниобий вводят также в нержавеющие стали. Он резко улучшает их механические свойства и сопротивляемость коррозии. Стали, содержащие от 1 до 4% ниобия, отличаются высокой жаропрочностью и используются как материал для изготовления котлов высокого давления.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2