Virtual Laboratory Wiki
Advertisement
Ниобий (Nb)
Атомный номер 41
Внешний вид простого вещества бело-голубой блестящий
мягкий вязкий металл
Свойства атома
Атомная масса
(молярная масса)
92,90638 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома 146 пм
Энергия ионизации
(первый электрон)
663,6(6,88) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация [Kr] 4d4 5s1
Химические свойства
Ковалентный радиус 134 пм
Радиус иона (+5e)69 пм
Электроотрицательность
(по Полингу)
1,6
Электродный потенциал 0
Степени окисления 5, 3
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность 8,57 г/см³
Удельная теплоёмкость 0,268 Дж/(K·моль)
Теплопроводность 53,7 Вт/(м·K)
Температура плавления 2741 K
Теплота плавления 26,8 кДж/моль
Температура кипения 5015 K
Теплота испарения 680 кДж/моль
Молярный объём 10,8 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки кубическая
объёмноцентрированая
Период решётки 3,300 Å
Отношение c/a n/a
Температура Дебая 275,00 K


История

Файл:Niobium crystals 1.jpg

Кристаллы ниобия

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 г. 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 г. решением Международного союза чистой и прикладной химии (ИЮПАК, IUPAC) элементу окончательно было присвоено название 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 алюмино- 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 Nb и сплавов — алюминотермический, натриетермический, карботермический: из смеси Nb2O5 и сажи вначале получают при 1800°C в атмосфере водорода карбид, затем из смеси карбида и пятиокиси при 1800—1900°С 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. Натриетермическим 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 объемно центрированной 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.

Физиологическое действие

Металлическая пыль ниобия огнеопасна и раздражает глаза и кожу. Некоторые соединения ниобия очень токсичны. ПДК ниобия в воде 0,01 мг/л.

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 холоду 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 электрических конденсаторов; «горячую» арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и др.); коррозионноустойчивую аппаратуру в хим. пром-сти. Ниобием легируют другие цветные металлы, в том числе уран. Ниобий применяют в криотронах — сверхпроводящих элементах вычислительных машин. Ниобий также известен тем, что большое его количество используется в большом адронном коллайдере http://www.strf.ru/science.aspx?CatalogId=222&d_no=15416.

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 вводят в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии и разрушения и в стали др. типов для улучшения их свойств.

Латвийский Банк утверждает, что в монетах наряду с серебром используется ниобий: http://www.bank.lv/eng/main/all/lvnaud/jubmon/nmp/time/ http://www.bank.lv/eng/main/all/lvnaud/jubmon/nmp/time2/

Применение соединений ниобия

  • Nb2O5 катализатор в химической промышленности;
  • в производстве огнеупоров, керметов, спец. стёкол, нитрид, карбид, ниобаты.
  • Карбид ниобия (т. пл. 3480 °C) в сплаве с карбидом циркония и карбидом урана-235, является важнейшим кострукционным 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 дешевых конструкционных материалов для термоэмиссионных генераторов большой мощности.

Цены и спрос на ниобий

В связи с строительством термоядерных реакторов(начало стройки ИТЕР в 2007 году) и расширением термоядерной энергетики в ближайшие 8—12 лет потребуются очень большие количества ниобия и в ближайшие 3—4 года цены и спрос на ниобий вырастут в 5—9 раз[источник?].

Ссылки




Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Ниобий. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .


Advertisement