Ніобій

НІОБІЙ-я; м.[Лат. Niobium] Хімічний елемент (Nb), твердий тугоплавкий та ковкий метал сірувато-білого кольору (використовується при виробництві хімічно стійких та жаростійких сталей).

◁ Ніобійний; ніобієвий, -а, -ое.

(Лат. Niobium), хімічний елемент V групи періодичної системи. Названий на ім'я Ніоби - дочки міфологічного Тантала (близькість властивостей Nb та Ta). Світло-сірий тугоплавкий метал, щільність 8,57 г/см 3 , tпл 2477 ° C, температура переходу в надпровідний стан 9,28 K. Хімічно дуже стійкий. Мінерали: пірохлор, колумбіт, лопарит та ін. Компонент хімічно стійких та жаростійких сталей, з яких виготовляють деталі ракет, реактивних двигунів, хімічну та нафтоперегінну апаратуру. Ніобієм та його сплавами покривають тепловиділяючі елементи (ТВЕЛи) ядерних реакторів. Станід Nb 3 Sn, германід Nb 3 Ge, сплави ніобію з Sn, Ti та Zr використовують для виготовлення надпровідних соленоїдів (Nb 3 Ge - надпровідник з температурою переходу в надпровідний стан 23,2 K).

НІОБІЙ (лат. Niobium, від імені Ніобі (див.НІОБ)), Nb (читається «ніобій»), хімічний елемент з атомним номером 41, атомна маса 92,9064. Природний ніобій складається з одного стабільного ізотопу 93 Nb. Конфігурація двох зовнішніх електронних шарів 4 s 2 p 6 d 4 5s 1 . Степені окислення +5, +4, +3, +2 і +1 (валентності V IV, III, II та I).
Розташований у групі VВ, у 5 періоді періодичної системи елементів. (див.Радіус атома 0,145 нм, радіус іона Nb 5+ - від 0,062 нм (координаційне число 4) до 0,088 нм (8), іона Nb 4+ - від 0,082 до 0,092 нм, іона Nb 3+ - 0,086 0,085 нм. Енергії послідовної іонізації - 6,88, 14,32, 25,05, 38,3 та 50,6 еВ. Робота виходу електронів 4,01 еВ. Електронегативність по Полінгу 1,6.
ПОЛІНГ Лайнус)
Історія відкриття (див.Відкритий у 1801 Ч. ХатчетомХАТЧЕТ Чарлз) (див.. Досліджуючи чорний мінерал, надісланий з Америки, він виділив оксид нового елемента, який він назвав колумбієм, а мінерал, що його містить, - колумбітом. Через рік із того ж мінералу А. Г. Екебергвиділив ще один оксид, який назвав танталом (див.ТАНТАЛ (хімічний елемент). Властивості колумбія та Ta були дуже близькими, і їх дуже довго розглядали як один елемент. У 1844 р. Розе (див.ЧЕРЕЗ (німецькі вчені, брати))довів, що це два різні елементи. Він зберіг назву тантал, а інший назвав ніобій. Лише 1950 року ІЮПАК (Всесвітня організація хіміків) остаточно привласнила елементу №41 назву ніобій. Металевий Nb першим отримав у 1866 К. Бломстранд (див.БЛОМСТРАНД Крістіан Вільгельм).
Знаходження у природі
Зміст у земної кори 2 · 10 -3% за масою. У вільному вигляді ніобій не зустрічається, у природі супроводжує танталу. З руд найважливіші колумбіт-танталіт (див.КОЛУМБІТ)(Fe,Mn)(Nb,Ta) 2 O 6 пірохлор (див.ПІРОХЛОР)та лопарит (див.Лопарит).
Отримання
Близько 95% Nb отримують з пірохлорових, колумбіт-танталітових та лопаритових руд. Руди збагачують гравітаційними методами та флотацією (див.ФЛОТАЦІЯ). Концентрати з вмістом Nb 2 O 5 до 60% переробляють до фероніобію (сплаву заліза та ніобію), чистого Nb 2 O 5 або NbCl 5 . Відновлюють ніобій з його оксиду, фториду або хлориду алюмінію або карботермією. Особливо чистий ніобій отримують високотемпературним відновленням летючого NbCl 5 воднем.
Отриманий порошок ніобію брикетують, спікають у вакуумі електродугових або електроннопроменевих печах.
Фізичні та хімічні властивості
Ніобій - блискучий сріблясто-сірий метал з кубічною об'ємно центрованою кристалічною решіткою типу a-Fe, а= 0,3294 нм. Температура плавлення 2477 ° C, кипіння 4760 ° C, щільність 8,57 кг/дм 3 .
Хімічно ніобій досить стійкий. При прожарюванні на повітрі окислюється до Nb 2 Про 5 . Для цього оксиду описано близько 10 кристалічних модифікацій. При звичайному тиску стабільна b-форма Nb 2 Про 5 . При сплавленні Nb 2 Про 5 з різними оксидами отримують ніобати: Ti 2 Nb 10 Про 29 FeNb 49 Про 124 . Ніобати можуть розглядатися як солі гіпотетичних ніобієвих кислот. Вони діляться на метаніобати MNbO 3 , ортоніобати M 3 NbO 4 , піроніобати M 4 Nb 2 O 7 або полініобати M 2 O· n Nb 2 O 5 (M - однозарядний катіон, а n= 2-12). Відомі ніобати двох-і тризарядних катіонів. Ніобати реагують з HF, розплавами гідрофторидів лужних металів (KHF 2) та амонію (див.АМОНІЙ (в хімії)). Деякі ніобати з високим ставленням M 2 O/Nb 2 O 5 гідролізуються:
6Na 3 NbO 4 + 5H 2 O = Na 8 Nb 6 O 19 + 10NaOH
Ніобій утворює NbО 2 , NbО і ряд оксидів, проміжних між NbО 2,42 і NbО 2,50 і близьких по структурі до b-формі Nb 2 Про 5 .
З галогенами (див.ГАЛОГЕНИ) Nb утворює пентагалогеніди NbHal 5 тетрагалогеніди NbHal 4 і фази NbHal 2,67 -NbHal 3+x , в яких є угруповання Nb 3 або Nb 2 . Пентагалогеніди ніобію легко гідролізують водою. Температури плавлення пентахлориду, пентаброміду та пентаїодиду ніобію - 205, 267,5 та 310°C. Вище 200-250 ° C ці пентагалогеніди леткі.
У присутності парів води та кисню NbCl 5 і NbBr 5 утворюють оксигалогеніди NbOCl 3 (NbOBr 3) - пухкі ватоподібні речовини.
При взаємодії Nb і графіту утворюються карбіди Nb 2 C і NbC, тверді жароміцні сполуки. У системі Nb - N існують кілька фаз змінного складу та нітриди Nb 2 N та NbN. Подібним чином веде себе Nb у системах з фосфором та миш'яком. При взаємодії Nb із сіркою отримані сульфіди: NbS, NbS 2 та NbS 3 . Синтезовані подвійні фториди Nb та K(Na) - K 2 .
Застосування
50% виробленого ніобію використовується для мікролегування сталей, 20-30% - для отримання нержавіючих та жароміцних сплавів. Інтерметаліди ніобію (Nb 3 Sn та Nb 3 Ge) застосовують при виготовленні соленоїдів надпровідних пристроїв. Нітрид ніобію NbN використовують при виготовленні мішеней передаючих телевізійних трубок. Оксиди ніобію – компоненти вогнетривких матеріалів, керметів, стекол з високими коефіцієнтами заломлення. Подвійні фториди - при виділенні ніобію із природної сировини, при виробництві металевого ніобію. Ніобати використовуються в акусто- та оптоелектроніці, як лазерні матеріали.
Фізіологічна дія
З'єднання ніобію отруйні. ГДК ніобію у воді 0,01 мг/л.

Енциклопедичний словник. 2009 .

Дивитись що таке "ніобій" в інших словниках:

- (Ново лат. niobium). Один із рідкісних металів, що зустрічається в танталіті. Словник іншомовних слів, що увійшли до складу російської мови. Чудінов А.Н., 1910. НІОБІЙ метал, що зустрічається у вигляді оксидів у рідкісних мінералах практичного значення не має … Словник іноземних слів російської мови

- (Niobium), Nb, хімічний елемент групи V періодичної системи, атомний номер 41, атомна маса 92,9064; метал, tпл 2477 шC. Ніобій використовують для легування сталей, отримання жароміцних, твердих та інших сплавів. Ніобій відкритий англійською мовою. Сучасна енциклопедія

Ніобій- (Niobium) Nb, хімічний елемент V групи періодичної системи, атомний номер 41, атомна маса 92,9064; метал, tпл 2477 °C. Ніобій використовують для легування сталей, отримання жароміцних, твердих та інших сплавів. Ніобій відкритий англійською мовою. Ілюстрований енциклопедичний словник

- (Символ Nb), блискучий сіро-білий перехідний хімічний елемент, метал. Відкритий 1801 р. Зустрічається, як правило, у пірохлорних рудах. Будучи м'яким і ковким металом, ніобій застосовується у виробництві спеціальних нержавіючих сталей та сплавів. Науково-технічний енциклопедичний словник

Nb (лат. Niobium; від ім. Ніоб дочки Тантала в ін. грецьк. міфології * a. niobium; н. Niob, Niobium; ф. niobium; і. niobio), хім. елемент V групи періодич. системи Менделєєва, ат. н. 41, ат. м. 92,9064. Має один природний ізотоп 93Nb. Геологічна енциклопедія

НІОБІЙ, один із відкритих хіміками металів. Тлумачний словникДаля. В.І. Даль. 1863 1866 … Тлумачний словник Даля

НІОБІЙ- Хім. елемент, символ Nb (лат. Niobium), ат. н. 41, ат. м. 92,90; світло-сірий метал, щільність 8570 кг/м3, t = 2500 °С; має високу хім. стійкістю. У природі зустрічається в мінералах разом із танталом, поділ з яким викликає… Велика політехнічна енциклопедія

- (Лат. Niobium) Nb, хімічний елемент V групи періодичної системи, атомний номер 41, атомна маса 92,9064. Названий від імені Ніоб дочки міфологічного Тантала (близькість властивостей Nb і Ta). Світло сірий тугоплавкий метал, щільність 8,57... Великий Енциклопедичний словник

- (Niobium), Nb, хім... Фізична енциклопедія

Сущ., кількість у синонімів: 2 метал (86) елемент (159) Словник синонімів ASIS. В.М. Тришин. 2013 … Словник синонімів

- (Niobium франц. та англ., Niob нім.; хім.), Nb =: 94. у Vгрупі періодичної системи елементів є два рідкісні метали, Н. ітантал, які відносяться до ванадію подібно до того, як молібден івольфрам до хрому; останні три метали члени… … Енциклопедія Брокгауза та Єфрона

Через рік шведський хімік Екеберг виділив із колумбіту окис ще одного нового елемента, названого танталом. Подібність з'єднань Колумбія і танталу була така велика, що протягом 40 років більшість хіміків вважали: тантал і колумбій - один і той же елемент.

1844 р. німецький хімік Генріх Розе досліджував зразки колумбіту, знайдені в Баварії. Він знову виявив оксиди двох металів. Один із них був оксидом відомого вже танталу. Окиси були схожі, і, підкреслюючи їхню подібність, Розі назвав елемент, що утворює другий окис, ніобієм на ім'я Ніоби, дочки міфологічного мученика Тантала.

Втім, Розі, як і Хатчет, не зумів отримати цей елемент у вільному стані.

Металевий ніобій було вперше отримано лише 1866 р.. шведським вченим Бломстрандом при відновленні хлориду ніобію воднем. Наприкінці ХІХ ст. були; знайдено ще два способи одержання цього елемента. Спочатку Муассан отримав його в електропечі, відновлюючи окис ніобію вуглецем, а потім Гольдшмідт зумів відновити той самий елемент алюмінієм.

А називати елемент № 41 в різних країнахпродовжували по-різному: в Англії та США – колумбієм, в інших країнах – ніобієм. Кінець різноголосиці поклав Міжнародний союз теоретичної та прикладної хімії (ІЮПАК) у 1950 р. Було вирішено повсюдно узаконити назву елемента «ніобій», а за основним мінералом ніобію так і закріпилося найменування «колумбіт». Його формула (Fe, Mn) (Nb,

Елементний ніобій- надзвичайно тугоплавкий (2468 ° C) і висококиплячий (4927 ° C) метал, дуже стійкий у багатьох агресивних середовищах. Усі кислоти, крім плавикової, не діють нею. Кислоти-окислювачі «пасивують» ніобій, покриваючи його захисною плівкою окисної (Nb 2 O 5). Але за високих температур хімічна активність ніобію підвищується. Якщо при 150-200°C окислюється лише невеликий поверхневий шар металу, то за 900-1200°C товщина окисної плівки значно збільшується.

Ніобій активно реагує з багатьма неметалами. З ним утворюють сполуки галогени, азот, водень, вуглець, сірка. При цьому ніобій може виявляти різні валентності – від двох до п'яти. Але головна валентність цього елемента 5+. П'ятивалентний ніобій може входити до складу солі як катіон, і як один з елементів аніону, що свідчить про амфотерний характер елемента № 41.

Солі ніобієвих кислот називають ніобатами. Їх отримують в результаті обмінних реакцій після сплавлення п'ятиокису ніобію з содою:

Nb 2 O 5 + 3Na 2 CO 3 → 2Na 3 NbO 4 + 3CO 2 .

Досить добре вивчені солі кількох ніобієвих кислот, насамперед метаніобієвої HNbO 3 , а також дініобати та пентаніобати (K 4 Nb 2 O 7 , K 7 Nb 5 O 16 -rnH 2 O). А солі, в яких елемент № 41 виступає як катіон, зазвичай одержують прямою взаємодією простих речовин, наприклад 2Nb + 5Cl 2 → 2NbCl 5 .

Яскраво забарвлені голчасті кристали пентагалогенідів ніобію (NbCl 5 – жовтого кольору, NbBr 5 – пурпурно-червоного) легко розчиняються в органічних розчинниках – хлороформі, ефірі, спирті. Але при розчиненні у воді ці сполуки повністю розкладаються, гідролізуються з утворенням ніобатів:

NbCl 5 + 4H 2 O → 5HCl + H 3 NbO 4 .

Гідроліз можна запобігти, якщо у водний розчин додати будь-яку сильну кислоту. У таких розчинах пентагалогеніди ніобію розчиняються, не гідролізуючи.

Ніобій утворює подвійні солі та комплексні сполуки, найбільш легко – фтористі. Фторніобати – так називаються ці подвійні солі. Вони виходять, якщо в розчин ніобієвої та плавикової кислот додати фторид будь-якого металу.

Склад комплексного з'єднання залежить від співвідношення компонентів, що реагують у розчині. Рентгенометричний аналіз однієї з цих сполук показав будову, що відповідає формулі K 2 NbF 7 . Можуть утворитися і оксосоединения ніобію, наприклад оксофторніобат калію K 2 NbOF 5 *H 2 O.

Хімічна характеристика елемента не вичерпується, звісно, ​​цими відомостями. Сьогодні найважливіші з'єднання елемента № 41 - це його з'єднання з іншими металами.

Ніобій та надпровідність

Дивне явище надпровідності, коли при зниженні температури провідника в ньому відбувається стрибкоподібне зникнення електричного опору, вперше спостерігав голландський фізик Г. Камерлінг-Оннес в 1911 р. Першим надпровідником виявилася, але не їй, а ніобію і деяким інтерметалічним з'єднанням. важливими надпровідними матеріалами.

Практично важливі дві характеристики надпровідників: величина критичної температури, за якої відбувається перехід у стан надпровідності, та критичного магнітного поля(Ще Камерлінг-Оннес спостерігав втрату надпровідником надпровідності при впливі на нього досить сильного магнітного поля).

Зараз відомо вже більше 2000 надпровідних металів, матеріалів і з'єднань, але переважна їх більшість не прийшла і мабуть ніколи не прийде в техніку або через надзвичайно низькі величини критичних параметрів, про які сказано вище, або через неприйнятні технологічних характеристик. Серед надпровідників, що мають практичне значення, особливо популярні ніобій-титанові сплави. З них виготовлено більшість провідних магнітів, які працюють у наші дні. Вони пластичні, з них можна робити технічні пристрої та провідники складних форм.

Як матеріал стрічкових надпровідників цінний сплав ніобію з оловом Nb 3 Sn, станнід ніобію, відкритий ще в 1954 р. Надпровідний токонесучий елемент - шина зі 150 000 жил - зі станніду ніобію виготовлений в нашій країні. Подібні багатожильні надпровідні провідники мають намір використовувати нові термоядерні установки «Токомак-15».

Інтерес для практики є ще одним інтерметалевим з'єднанням ніобію - Nb 3 Ge. У тонкої плівки такого складу рекордно висока критична температура - 24,3 К. Щоправда, у литого Nb 3 Ge критична температура - всього 6 К, та й технологія приготування надпровідних елементів цього матеріалу досить складна.

Досить високими значеннями критичної температури мають потрійні сплави: ніобій – германій – алюміній, а також деякі інтерметалеві сполуки ванадію. І все-таки саме з ніобієм та його сполуками пов'язані найбільші надії фахівців із надпровідників.

Ніобій метал

Металевий ніобій можна отримати відновленням його сполук, наприклад, хлориду ніобію або фторніобату калію, при високій температурі:

K 2 NbF 7 + 5Na → Nb + 2KF + 5NaF.

Але перш ніж досягти цієї по суті останньої стадії виробництва, ніобієва руда проходить безліч етапів переробки. Перший - збагачення руди, отримання концентратів. Концентрат сплавляють з різними плавнями: їдким натром чи содою. Отриманий сплав вилуговують. Але розчиняється не повністю. Нерозчинний осад і ніобій. Щоправда, він тут ще у складі гідроксиду, не розділений зі своїм аналогом за підгрупою – танталом – і не очищений від деяких домішок.

До 1866 р. був відомо жодного придатного для виробничих умов способу поділу танталу і ніобію. Першим метод поділу цих надзвичайно схожих елементів запропонував Жан Шарль Галісар де Маріньяк. Метод заснований на різній розчинності комплексних сполук цих металів і називається фторидним. Комплексний фторид танталу нерозчинний у воді, а аналогічна сполука ніобію розчинна.

Фторидний метод складний і дозволяє повністю розділити ніобій і тантал. Тому в наші дні він майже не застосовується. На зміну йому прийшли методи вибіркової екстракції, іонного обміну, ректифікації галогенідів та ін. Цими методами одержують оксид і хлорид пятивалентного ніобію.

Після поділу ніобію та танталу йде основна операція – відновлення. П'ятиокис ніобію Nb 2 O 5 відновлюють алюмінієм, натрієм, сажею або карбідом ніобію, отриманим при взаємодії Nb 2 O 5 з вуглецем; пентахлорид ніобію відновлюють металевим натрієм або амальгамою натрію. Так отримують порошкоподібний ніобій, який потрібно перетворити на моноліт, зробити пластичним, компактним, придатним для обробки. Як і інші тугоплавкі метали, ніобій-моноліт отримують методами порошкової металургії, суть якої в наступному.

З отриманого металевого порошку під великим тиском (1 т/см 2) пресують звані штабики прямокутного або квадратного перерізу. У вакуумі при 2300°C ці штабики спікають, з'єднують у прути, які плавлять у вакуумних дугових печах, причому прути у цих печах виконують роль електрода. Такий процес називається плавкою з витрачається електродом.

Монокристалічний пластичний ніобій отримують методом безтигельної зонної електроннопроменевої плавки. Суть його в тому, що на порошкоподібний ніобій (операції пресування та спікання виключені!) спрямовують потужний пучок електронів, що плавить порошок. Краплі металу стікають на ніобієвий злиток, який поступово росте і виводиться із робочої камери.

Як бачите, шлях ніобію від руди до металу в будь-якому випадку досить довгий, а способи виробництва складні.

Розповідь про застосування ніобію найлогічніше почати з металургії, оскільки саме в металургії він знайшов найбільш широке застосування. І в кольоровій металургії, і в чорній.

Сталь, легована ніобієм, має гарну корозійну стійкість. "Ну і що? - скаже інший досвідчений читач. - Хром теж підвищує корозійну стійкість сталі, і він набагато дешевше за ніобій». Цей читач правий і неправий одночасно. Неправий тому, що забув про одне.

У хромонікелевій сталі, як і в будь-якій іншій, завжди є вуглець. Але вуглець з'єднується з хромом, утворюючи карбід, який робить сталь крихкішою. Ніобій має більшу спорідненість до вуглецю, ніж хром. Тому при додаванні в сталь ніобію обов'язково утворюється карбід ніобію. Легована ніобієм сталь набуває високих антикорозійних властивостей і не втрачає своєї пластичності. Потрібний ефект досягається, коли в тонну стали додано лише 200 г металевого ніобію. А хромомарганцевої сталі ніобій надає високої зносостійкості.

Ніобієм легують і багато кольорових металів. Так, алюміній, що легко розчиняється в лугах, не реагує з ними, якщо до нього додано всього 0,05% ніобію. А мідь, відому свою м'якістю, і багато її сплавів ніобій немов загартовує. Він збільшує міцність таких металів, як титан, молібден, цирконій, і одночасно підвищує їх жаростійкість і жароміцність.

Нині якості та можливості ніобію гідно оцінені авіацією, машинобудуванням, радіотехнікою, хімічною промисловістю, ядерною енергетикою. Усі вони стали споживачами ніобію.

Унікальна властивість - відсутність помітної взаємодії ніобію з ураном при температурі до 1100°C і, крім того, хороша теплопровідність, невеликий ефективний переріз поглинання теплових нейтронів зробили ніобій серйозним конкурентом визнаних в атомній промисловості металів - алюмінію, берилію та цирконію. До того ж штучна (наведена) радіоактивність ніобію невелика. Тому з нього можна робити контейнери для зберігання радіоактивних відходів або встановлення їх використання.

Хімічна промисловість споживає порівняно трохи ніобію, але це лише його дефіцитністю. З ніобійсодержащих сплавів і рідше листового ніобію іноді роблять апаратуру для виробництва високочистих кислот. Здатність ніобію впливати на швидкість деяких хімічних реакцій використовується, наприклад, при синтезі спирту з бутадієну.

Споживачами елемента № 41 стали також ракетна та космічна техніка. Не секрет, що на навколоземних орбітах вже крутяться якісь кількості цього елемента. З ніобійвмісних сплавів і чистого ніобію зроблено деякі деталі ракет і бортової апаратури. штучних супутниківЗемлі.

МІНЕРАЛИ НІОБІЇ. Колумбіт (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6 був першим мінералом ніобію, відомим людству. І цей же мінерал - найбагатший елемент № 41. На частку оксидів ніобію та танталу припадає до 80% ваги колумбіту. Набагато менше ніобію в пірохлорі (Ca, Na) 2 (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 (O, ВІН, F) і допарити (Na, Ce, Ca) 2 (Nb, Ti) 2 O 6 . А найбільше відомо більше 100 мінералів, до складу яких входить ніобій. Значні родовища таких мінералів є у різних країнах: США, Канаді, Норвегії, Фінляндії, але найбільшим постачальником концентратів ніобію на світовий ринок стала африканська держава Нігерія. У Росії є великі запаси лопариту, вони знайдені Кольському півострові.

Рожевий карбід. Монокарбід ніобію NbC - пластична речовина з характерним рожевим блиском. Це важливе з'єднання досить легко утворюється під час взаємодії металевого ніобію з вуглеводнями. Поєднання хорошої ковкості та високої термостійкості з приємними «зовнішніми даними» зробило монокарбід ніобію цінним матеріалом для виготовлення покритті. Шари цієї речовини товщиною всього 0,5 мм надійно захищає від корозії при високих температурах багато матеріалів, зокрема графіт, який іншими покриттями практично незахистний. NbC використовується і як конструкційний матеріал у ракетобудуванні та виробництві турбін.

НЕРВИ, ЗШИТІ НІОБІЄМ. Висока корозійна стійкість ніобію дозволила використати його в медицині. Ніобієві нитки не викликають подразнення живої тканини і добре зрощуються з нею. Відновна хірургія успішно використовує такі нитки для зшивання порваних сухожилля, кровоносних судині навіть нервів.

ЗОВНІШНІСТЬ HE ОБМАНЧУВА. Ніобій не тільки має комплекс потрібних техніки властивостей, але й виглядає досить красиво. Цей білий блискучий метал ювеліри намагалися використовувати для виготовлення корпусів ручного годинника. Сплави ніобію з вольфрамом або ренією іноді замінюють шляхетні метали: золото, платину, іридій. Останнє особливо важливо, так як сплав ніобію з ренією не тільки зовні схожий на металевий іридій, але майже так само зносостійкий. Це дозволило деяким країнам обходитися без дорогого іридію у виробництві напайок для пір'я авторучок.

НІОБІЙ І ЗВАРЮВАННЯ. Наприкінці 20-х років нашого століття електро- та газозварювання стали витісняти клепку та інші способи з'єднання вузлів та деталей. Зварювання підвищило якість виробів, прискорило та здешевило процеси їх складання. Особливо перспективним зварювання здавалося при монтажі великих установок, що працюють у корозійно-активних середовищах або під великим тиском. Але тут з'ясувалося, що при зварюванні нержавіючої сталі зварний шов має набагато меншу міцність, ніж сама сталь. Щоб поліпшити властивості шва, в нержавіючу сталь стали вводити різні добавки. Найкращою з них виявився ніобій.

ЗАНИЖЕНІ ЦИФРИ. Ніобій не випадково вважається рідкісним елементом: він справді зустрічається не часто й у невеликих кількостях, причому завжди у вигляді мінералів і ніколи у самородному стані. Цікава деталь: у різних довідкових виданнях кларк (зміст у земній корі) різний ніобію. Це головним чином тим, що в останні роки в країнах Африки знайдено нові родовища мінералів, що містять ніобій. У «Довідник хіміка», т. I (М., «Хімія», 1963) наведено цифри: 3,2-10 -5 %, 1*10 -3 % і 2,4*10 -3 %. Але й останні цифри занижені: африканські родовища, відкриті останніми роками, сюди не ввійшли. Тим не менш, підраховано, що з мінералів вже відомих родовищ можна виплавити приблизно 1,5 млн. т металевого ніобію.

Фізичні властивості ніобію

Ніобій - блискучий сріблясто-сірий метал.

Елементарний ніобій - надзвичайно тугоплавкий (2468 ° C) і висококиплячий (4927 ° C) метал, дуже стійкий у багатьох агресивних середовищах. Усі кислоти, крім плавикової, не діють нею. Кислоти-окислювачі пасивують ніобій, покриваючи його захисною окисною плівкою (№205). Але за високих температур хімічна активність ніобію підвищується. Якщо при 150...200°C окислюється лише невеликий поверхневий шар металу, то за 900...1200°C товщина окисної плівки значно збільшується.

Кристалічні грати Ніобія об'ємно центровані кубічні з параметром а = 3,294A.

Чистий метал пластичний і може бути прокатаний у тонкий лист (до товщини 0, 01 мм) у холодному стані без проміжного відпалу.

Можна відзначити такі властивості ніобію як висока температура плавлення та кипіння, нижча робота виходу електронів у порівнянні з іншими тугоплавкими металами – вольфрамом та молібденом. Остання властивість характеризує здатність до електронної емісії (випускання електронів), що використовується для застосування ніобію в електровакуумній техніці. Ніобій також має високу температуру переходу у стан надпровідності.

Щільність 8,57 г/см3 (20 ° С); tпл 2500 ° С; tкіп 4927 ° С; тиск пари (у мм рт. ст.; 1 мм рт. ст. = 133,3 н/м2) 1·10-5 (2194 °С), 1·10-4 (2355 °С), 6·10- 4 (при tпл), 1 · 10-3 (2539 ° С).

При звичайній температурініобій стійкий повітря. Початок окислення (плівки втечі) спостерігається при нагріванні металу до 200 - 300°С. Вище 500° відбувається швидке окиснення з утворенням оксиду Nb2O5.

Теплопровідність у вт/(м·К) при 0°С і 600 °С відповідно 51,4 і 56,2, те ж у кал/(см·сек·°С) 0,125 і 0,156. Питомий об'ємний електричний опір при 0°С 15,22·10-8 ом·м (15,22·10-6 ом·см). Температура переходу до надпровідного стану 9,25 К. Ніобій парамагнітний. Робота виходу електронів 4,01 ев.

Чистий Ніобій легко обробляється тиском на холоді та зберігає задовільні механічні властивостіза високих температур. Його межа міцності при 20 і 800 °С відповідно дорівнює 342 і 312 Мн/м2, те ж у кгс/мм234,2 та 31,2; відносне подовження при 20 та 800 °С відповідно 19,2 та 20,7%. Твердість чистого Ніобі по Брінеллю 450, технічного 750-1800 Mн/м2. Домішки деяких елементів, особливо водню, азоту, вуглецю та кисню, сильно погіршують пластичність та підвищують твердість Ніобію.

Хімічні властивості ніобію

Ніобій особливо цінується за його стійкість до дії неорганічних та органічних речовин.

Є різниця в хімічній поведінці порошкоподібного та кускового металу. Останній стійкіший. Метали на нього не діють, навіть якщо нагріти до високих температур. Рідкі лужні метали та його сплави, вісмут, свинець, ртуть, олово можуть у контакті з ніобієм довго, не змінюючи його властивостей. З ним нічого не можуть вдіяти навіть такі сильні окислювачі, як хлорна кислота, царська горілка», не кажучи вже про азотну, сірчану, соляну та всіх інших. Розчини лугів на ніобій також не діють.

Існує, однак, три реагенти, які можуть переводити металевий ніобій у хімічні сполуки. Одним з них є розплав гідроксиду будь-якого лужного металу:

4Nb+4NaOH+5О2 = 4NaNbO3+2H2О

Двома іншими є плавикова кислота (HF) або її суміш із азотною (HF+HNO). У цьому утворюються фторидні комплекси, склад яких у значною мірою залежить умов проведення реакції. Елемент у будь-якому випадку входить до складу аніону типу 2- або 2-.

Якщо взяти порошкоподібний ніобій, він дещо активніший. Наприклад, у розплавленому нітраті натрію він навіть запалюється, перетворюючись на оксид. Компактний ніобій починає окислюватися при нагріванні вище 200°С, а порошок покривається окисною плівкою вже за 150°С. При цьому проявляється одна з чудових властивостей цього металу – він зберігає пластичність.

У вигляді тирси при нагріванні вище 900°З повністю згоряє до Nb2O5. Енергійно згоряє в струмі хлору:

2Nb + 5Cl2 = 2NbCl5

При нагріванні реагує із сіркою. З більшістю металів він сплавляється важко. Виняток, мабуть, становлять лише два: залізо, з яким утворюються тверді розчини різного відношення, І алюміній, що має з ніобієм сполуку Al2Nb.

Які ж якості ніобію допомагають йому чинити опір дії найсильніших кислот-окислювачів? Виявляється, це стосується не властивостей металу, а особливостей його оксидів. При зіткненні з окислювачами лежить на поверхні металу виникає найтонший (тому і непомітний), але дуже щільний шар оксидів. Цей шар стає непереборною перешкодою на шляху окислювача до чистої металевої поверхні. Проникнути крізь нього можуть лише деякі хімічні реагенти, зокрема аніон фтору. Отже, по суті, метал окислюється, але практично результатів окислення непомітно через присутність тонкої захисної плівки. Пасивність по відношенню до розведеної сірчаної кислоти використовують для створення випрямляча змінного струму. Влаштований він просто: платинова та ніобієва пластинки занурені в 0,05 м розчин сірчаної кислоти. Ніобій у пасивованому стані може проводити струм, якщо є негативним електродом - катодом, тобто електрони можуть проходити крізь шар оксидів лише з боку металу. З розчину шлях електронів закритий. Тому, коли через такий прилад пропускають змінний струм, то проходить лише одна фаза, для якої платина – анод, а ніобій – катод.

ніобій метал галоген

Уральський державний гірничий університет

На тему: Властивості ніобію

Група: М-13-3

Студент: Мохнашин Микита

1. Загальні відомостіпро елемент

Фізичні властивості ніобію

Хімічні властивості ніобію

Ніобій у вільному стані

Оксиди ніобію та їх солі

З'єднання ніобію

Країни лідери у виробництві ніобію

1. Загальні відомості про елемент

З елементом, що займає в Менделєєвській таблиці 41 клітинку, людство знайоме давно. Вік його нинішньої назви – ніобій – майже на півстоліття менший. Сталося так, що елемент №41 було відкрито двічі. Перший раз – у 1801 р. англійський вчений Чарльз Хатчет досліджував зразок вірного мінералу, надісланого до Британського музею з Америки. З цього мінералу він виділив оксид невідомого колись елемента. Новий елемент Хатчет назвав колумбієм, відзначаючи цим його заокеанське походження. А чорний мінерал отримав назву колумбіта. Через рік шведський хімік Екеберг виділив із колумбіту окис ще одного нового елемента, названого танталом. Подібність з'єднань Колумбія і танталу була така велика, що протягом 40 років більшість хіміків вважали: тантал і колумбій - один і той же елемент.

1844 р. німецький хімік Генріх Розе досліджував зразки колумбіту, знайдені в Баварії. Він знову виявив оксиди двох металів. Один із них був оксидом відомого вже танталу. Окиси були схожі, і, підкреслюючи їхню подібність, Розі назвав елемент, що утворює другий окис, ніобієм на ім'я Ніоби, дочки міфологічного мученика Тантала. Втім, Розі, як і Хатчет, не зумів отримати цей елемент у вільному стані. Металевий ніобій було вперше отримано лише 1866 р. шведським вченим Бломстрандом за відновлення хлориду ніобію воднем. Наприкінці ХІХ ст. було знайдено ще два способи одержання цього елемента. Спочатку Муассан отримав його в електропечі, відновлюючи окис ніобію вуглецем, а потім Гольдшмідт зумів відновити той самий елемент алюмінієм. А називати елемент №41 у різних країнах продовжували по-різному: в Англії та США – колумбієм, в інших країнах – ніобієм. Кінець цієї різноголосиці поклав Міжнародний союз чистої та прикладної хімії (ІЮПАК) у 1950 р. Було вирішено повсюдно узаконити назву елемента «ніобій», а за основним мінералом ніобію так і закріпилося найменування «колумбіт». Його формула (Fe, Mn) (Nb, Ta)2 Про 6.

Ніобій не випадково вважається рідкісним елементом: він дійсно зустрічається не часто і в невеликих кількостях, причому завжди як мінерали і ніколи в самородному стані. Цікава деталь: у різних довідкових виданнях кларк (зміст у земній корі) різний ніобію. Це головним чином тим, що в останні роки в країнах Африки знайдено нові родовища мінералів, що містять ніобій. У «Довіднику хіміка», т. 1 (М., «Хімія», 1963) наведено цифри: 3,2 · 10-5% (1939), 1 · 10-3% (1949) і 2, 4 · 10-3% (1954 р.). Але й останні цифри занижені: африканські родовища, відкриті останніми роками, сюди не ввійшли. Тим не менш, підраховано, що з мінералів вже відомих родовищ можна виплавити приблизно 1,5 млн т металевого ніобію.

Фізичні властивості ніобію

Ніобій – блискучий сріблясто-сірий метал.

Елементарний ніобій - надзвичайно тугоплавкий (2468 ° C) і висококиплячий (4927 ° C) метал, дуже стійкий у багатьох агресивних середовищах. Усі кислоти, крім плавикової, не діють нею. Кислоти-окислювачі пасивують ніобій, покриваючи його захисною окисною плівкою (№205). Але за високих температур хімічна активність ніобію підвищується. Якщо при 150...200°C окислюється лише невеликий поверхневий шар металу, то за 900...1200°C товщина окисної плівки значно збільшується.

Кристалічні грати Ніобія об'ємно центровані кубічні з параметром а = 3,294Å.

Чистий метал пластичний і може бути прокатаний у тонкий лист (до товщини 0, 01 мм) у холодному стані без проміжного відпалу.

Можна відзначити такі властивості ніобію як висока температура плавлення та кипіння, нижча робота виходу електронів у порівнянні з іншими тугоплавкими металами – вольфрамом та молібденом. Остання властивість характеризує здатність до електронної емісії (випускання електронів), що використовується для застосування ніобію в електровакуумній техніці. Ніобій також має високу температуру переходу у стан надпровідності.

Щільність 8,57 г/см 3(20 ° С); t пл 2500 ° С; t стос 4927 ° С; тиск пари (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 нормальній температурі ніобій стійкий на повітрі. Початок окислення (плівки втечі) спостерігається при нагріванні металу до 200 - 300°С. Вище 500° відбувається швидке окислення з утворенням окислу Nb2 O 5.

Теплопровідність у вт/(м·К) при 0°С і 600 °С відповідно 51,4 і 56,2, те ж у кал/(см·сек·°С) 0,125 і 0,156. Питома об'ємна електрична опір при 0°С 15,22·10 -8ом·м (15,22·10 -6ом · см). Температура переходу до надпровідного стану 9,25 К. Ніобій парамагнітний. Робота виходу електронів 4,01 ев.

Чистий Ніобій легко обробляється тиском на холоді та зберігає задовільні механічні властивості при високих температурах. Його межа міцності при 20 і 800 °С відповідно дорівнює 342 і 312 Мн/м 2, те ж у кгс/мм 234,2 та 31,2; відносне подовження при 20 та 800 °С відповідно 19,2 та 20,7%. Твердість чистого Ніобі по Брінеллю 450, технічного 750-1800 Mн/м 2. Домішки деяких елементів, особливо водню, азоту, вуглецю та кисню, сильно погіршують пластичність та підвищують твердість Ніобію.

3. Хімічні властивості ніобію

Ніобій особливо цінується за його стійкість до дії неорганічних та органічних речовин.

Є різниця в хімічній поведінці порошкоподібного та кускового металу. Останній стійкіший. Метали на нього не діють, навіть якщо нагріти до високих температур. Рідкі лужні метали та його сплави, вісмут, свинець, ртуть, олово можуть у контакті з ніобієм довго, не змінюючи його властивостей. З ним нічого не можуть вдіяти навіть такі сильні окислювачі, як хлорна кислота, «царська горілка», не кажучи вже про азотну, сірчану, соляну та інші. Розчини лугів на ніобій також не діють.

Існує, однак, три реагенти, які можуть переводити металевий ніобій у хімічні сполуки. Одним з них є розплав гідроксиду будь-якого лужного металу:

Nb+4NaOH+5О2 = 4NaNbO3+2H2О

Двома іншими є плавикова кислота (HF) або її суміш із азотною (HF+HNO). У цьому утворюються фторидні комплекси, склад яких у значною мірою залежить умов проведення реакції. Елемент у будь-якому випадку входить до складу аніону типу 2- або 2-.

Якщо взяти порошкоподібний ніобій, він дещо активніший. Наприклад, у розплавленому нітраті натрію він навіть запалюється, перетворюючись на оксид. Компактний ніобій починає окислюватися при нагріванні вище 200°С, а порошок покривається окисною плівкою вже за 150°С. При цьому проявляється одна з чудових властивостей цього металу – він зберігає пластичність.

У вигляді тирси при нагріванні вище 900°З повністю згоряє до Nb2O5. Енергійно згоряє в струмі хлору:

Nb + 5Cl2 = 2NbCl5

При нагріванні реагує із сіркою. З більшістю металів він сплавляється важко. Виняток, мабуть, становлять лише два: залізо, з яким утворюються тверді розчини різного відношення, і алюміній, що має з ніобієм сполуку Al2Nb.

Які ж якості ніобію допомагають йому чинити опір дії найсильніших кислот-окислювачів? Виявляється, це стосується не властивостей металу, а особливостей його оксидів. При зіткненні з окислювачами лежить на поверхні металу виникає найтонший (тому і непомітний), але дуже щільний шар оксидів. Цей шар стає непереборною перешкодою на шляху окислювача до чистої металевої поверхні. Проникнути крізь нього можуть лише деякі хімічні реагенти, зокрема аніон фтору. Отже, по суті, метал окислюється, але практично результатів окислення непомітно через присутність тонкої захисної плівки. Пасивність по відношенню до розведеної сірчаної кислоти використовують для створення випрямляча змінного струму. Влаштований він просто: платинова та ніобієва пластинки занурені в 0,05 м розчин сірчаної кислоти. Ніобій у пасивованому стані може проводити струм, якщо є негативним електродом - катодом, тобто електрони можуть проходити крізь шар оксидів лише з боку металу. З розчину шлях електронів закритий. Тому коли через такий прилад пропускають змінний струм, то проходить тільки одна фаза, для якої платина - анод, а ніобій - катод.

ніобій метал галоген

4. Ніобій у вільному стані

Він настільки гарний, що у свій час намагалися з нього робити ювелірні вироби: своїм світло-сірим кольором ніобій нагадує платину. Незважаючи на високі температури плавлення (2500 ° С) та кипіння (4840 ° C), з нього легко можна зробити будь-який виріб. Метал настільки пластичний, що його можна обробляти на холоді. Дуже важливо, що ніобій зберігає свої механічні властивості за високих температур. Щоправда, як і у випадку ванадію, навіть невеликі домішки водню, азоту, вуглецю та кисню сильно зменшують пластичність та підвищують твердість. Ніобій стає тендітним при температурі від - 100 до - 200 °С.

Отримання ніобію в надчистому та компактному вигляді стало можливим із залученням техніки останніх років. Весь технологічний процес складний та трудомісткий. У принципі він ділиться на 4 етапи:

1.одержання концентрату: фероніобія або ферротанталоніобія;

.розтин концентрату - переведення ніобію (і танталу) в якісь нерозчинні сполуки, щоб відокремити від основної маси концентрату;

.поділ ніобію та танталу та отримання їх індивідуальних сполук;

.отримання та рафінування металів.

Перші два етапи досить прості та звичайні, хоч і трудомісткі. Ступінь поділу ніобію та танталу визначається третім етапом. Прагнення отримати якомога більше ніобію і особливо танталу змусило знайти нові методиподілу: вибіркової екстракції, іонного обміну, ректифікації сполук цих елементів із галогенами. В результаті отримують або оксид, або п'ятихлорид танталу і ніобію окремо. На останньому етапі застосовують відновлення вугіллям (сажею) в струмі водню при 1800°С, а потім підвищують температуру до 1900°С і знижують тиск. Карбід, що вийшов при взаємодії з вугіллям, вступає в реакцію з Nb2O5:

2Nb2O5 + 5NbC = 9Nb + 5CO3,

і з'являється порошок ніобію. Якщо відокремлення ніобію від танталу отримано не оксид, а сіль, то її обробляють металевим натрієм при 1000°С і також отримують порошкоподібний ніобій. Тому при подальшому перетворенні порошку на компактний моноліт проводять переплавлення в дуговій печі, а для отримання монокристалів особливо чистого ніобію використовують електроннопроменеву і зонну плавку.

Оксиди ніобію та їх солі

Число сполук з киснем у ніобію невелике, значно менше, ніж у ванадію. Пояснюється це тим, що в сполуках, що відповідають ступеню окиснення +4, +3 та +2, ніобій вкрай нестійкий. Якщо атом цього елемента почав віддавати електрони, він прагне віддавати все п'ять, щоб оголити стабільну електронну конфігурацію.

Якщо порівнювати іони однієї й тієї ж ступеня окислення двох сусідів за групою - ванадію та ніобію, то виявляється посилення властивостей у бік металів. Кислотний характер оксиду Nb2O5 помітно слабший, ніж у оксиду ванадію (V). Кислоту при розчиненні не утворює. Лише при сплавленні з лугами або карбонатами проявляються його кислотні властивості:

O5 + 3Nа2СО3 = 2Nа3NbO4 + ЗС02

Ця сіль - ортоніобат натрію - схожа на такі ж солі ортофосфорної та ортованадієвої кислот. Однак у фосфору та миш'яку ортоформа найстійкіша, а спроба отримати ортоніобат у чистому вигляді не вдається. При обробці сплаву водою виділяється не сіль Na3NbO4, а метаніобат NaNbO3. Це безбарвний важкорозчинний в холодній водідрібнокристалічний порошок. Отже, у ніобію вищою мірою окислення більш стійка не орто-, а мета-форма сполук.

З інших сполук оксиду ніобію (V) з основними оксидами відомі дініобати K4Nb2O7, що нагадують про пірокислоти, і полініобати (як тінь поліфосфорних і поліванадієвих кислот) з приблизними формулами K7Nb5O16.nH2O та K8Nb6O19. Згадані солі, що відповідають найвищому оксиду ніобію, містять цей елемент у складі аніону. Форма цих солей дозволяє вважати їх похідними ніобієвих. кислот. У чистому вигляді ці кислоти отримати не можна, оскільки їх можна розглядати як оксиди, що мають зв'язок з молекулами води. Наприклад, мета-форма – це Nb2O5. H2O, а оргоформа Nb2O5. 3H2O. Поряд із такого роду сполуками у ніобію є й інші, де він уже входить до складу катіону. Ніобій не утворює простих солей типу сульфатів, нітратів і т. д. При взаємодії з гідросульфатом натрію NaHSО4 або оксидом азоту N2О4 з'являються речовини зі складним катіоном: Nb2О2(SО4)3. Катіони в цих солях нагадують катіон ванадію з тією лише різницею, що тут іон п'ятизарядний, а у ванадію ступінь окислення в іоні ванадил дорівнює чотирьом. Такий же катіон NbO3+ входить до складу деяких комплексних солей. Оксид Nb2O5 досить легко розчиняється у водній фтористоводневій кислоті. З таких розчинів можна назвати комплексну сіль K2. H2O.

З розглянутих реакцій можна дійти невтішного висновку, що ніобій у своїй вищої ступеня окислення може входити як і склад аніонів, і у складі катіона. Це означає, що пятивалентный ніобій амфотерен, але з значним переважанням кислотних властивостей.

Існує кілька способів одержання Nb2O5. По-перше, взаємодія ніобію з киснем при нагріванні. По-друге, прожарювання на повітрі солей ніобію: сульфіду, нітриду або карбіду. По-третє - найпростіший спосіб -зневоднення гідратів. З водних розчинів солей концентрованими кислотами осаджується гідратований оксид Nb2O5. xH2O. Потім при розведенні розчинів відбувається випадання білого осаду оксиду. Зневоднення осаду Nb2O5 xH2O супроводжується виділенням теплоти. Вся маса розжарюється. Відбувається це через перетворення аморфного оксиду на кристалічну форму. Оксид ніобію може бути двох кольорів. У звичайних умовах білий, але при нагріванні набуває жовтого забарвлення. Варто, однак, охолодити оксид, як колір зникає. Оксид тугоплавок (tпл = 1460 ° С) і нелеткий.

Нижчим ступеням окислення ніобію відповідають NbО2 і NbО. Перший із цих двох являє собою чорний з блакитним відливом порошок. Отримують NbO2 з Nb2O5, відбираючи кисень магнієм або воднем при температурі близько тисячі градусів:

O5 + Н2 = 2NbО2 + Н2О

На повітрі ця сполука легко переходить назад у вищий оксид Nb2O5. Характер його досить потайливий, тому що оксид нерозчинний ні у воді, ні в кислотах. Все ж таки йому приписують кислотний характер на підставі взаємодії з гарячим водним лугом; при цьому, проте, йде окиснення до п'ятизарядного іона.

Здавалося б, різниця в один електрон не така велика, але на відміну від Nb2O5, оксид NbO2 проводить електричний струм. Очевидно, у цьому поєднанні існує зв'язок метал – метал. Якщо скористатися цією якістю, то при нагріванні сильною змінним струмомможна змусити NbO2 віддати свій кисень.

При втраті кисню NbO2 перетворюється на оксид NbO, надалі досить швидко відщеплюється і весь кисень. Про нижчий оксид ніобію NbО відомо небагато. Він має металевий блиск і на вигляд схожий на метал. Чудово проводить електричний струм. Словом, поводиться так, ніби кисню у його складі зовсім немає. Навіть, подібно до типового металу, бурхливо реагує з хлором при нагріванні і перетворюється на оксихлорид:

2NbO + 3Cl2=2NbOCl3

З соляної кислоти витісняє водень (ніби і не оксид він зовсім, а метал на кшталт цинку):

NbO + 6HCl = 2NbOCl3 + 3H2

Отримати в чистому вигляді NbО можна прожарюванням вже згадуваної комплексної солі K2 з металевим натрієм:

К2 + 3Na = NbO + 2KF + 3NaF

Оксид NbO має найвищу з усіх ніобієвих оксидів температуру плавлення 1935°С. Щоб очистити ніобій від кисню, підвищують температуру до 2300 - 2350°С, тоді одночасно з випаровуванням відбувається розпад NbO на кисень і метал. Відбувається рафінування (очищення) металу.

З'єднання ніобію

Розповідь про елемент був би не повним без згадки про його сполуки з галогенами, карбідами та нітридами. Це важливо з двох причин. По-перше, завдяки фторидним комплексам вдається відокремити ніобій від вічного супутника танталу. По-друге, ці сполуки відкривають нам якості ніобію як металу.

Взаємодія галогенів з металевим ніобієм:

Nb + 5Cl2 = 2NbCl5 можуть бути отримані всі можливі пентагалогеніди ніобію.

Пентафторид NbF5 (tпл = 76 °С) у рідкому стані та в парах безбарвний. Подібно до п'ятифтористого ванадію, в рідкому стані він полімерний. Атоми ніобію з'єднані один з одним через атоми фтору. У твердому вигляді має структуру, що складається із чотирьох молекул (рис. 2).

Мал. 2. Структура NbF5 та TaF5 у твердому вигляді складається з чотирьох молекул.

Розчини у фтористоводбродній кислоті H2F2 містять різні комплексні іони:

H2F2 = Н2; + H2O = H2

Калієва сіль K2. H2O важлива для відділення ніобію від танталу, так як на відміну від солі танталу вона добре розчинна.

Інші пентагалогеніди ніобію яскраво забарвлені: NbCl5 жовтий, NbBr5 пурпурово-червоний, NbI2 коричневий. Усі вони виганяються без розкладання атмосфері відповідного галогену; у парі вони мономери. Температури їх плавлення та кипіння зростають при переході від хлору до брому та йоду. Деякі із способів одержання пентагалогенідів такі:

2Nb+5I2 2NbI5;O5+5C+5Cl22NbCl5+5CO;.

2NbCl5+5F22NbF5+5Cl2

Пентагалогеніди добре розчиняються в органічних розчинниках: ефірі, хлороформі, спирті. Водою, однак, повністю розкладаються-гідролізуються. В результаті гідролізу виходять дві кислоти - галогеноводородна та ніобієва. Наприклад,

4H2О = 5HCl + H3NbО4

Коли гідроліз небажаний, то вводять якусь сильну кислоту і рівновага написаного вище процесу зміщується у бік NbCl5. У такому випадку пентагалогенід розчиняється, не піддаючись гідролізу,

Особливої ​​вдячності у металургів заслужив карбід ніобію. У будь-якій сталі є вуглець; ніобій, зв'язуючи його в карбід, підвищує якість легованої сталі. Зазвичай при зварюванні нержавіючої сталі шов має меншу міцність. Введення ніобію в кількості 200 г на тонну допомагає виправити цей недолік. При нагріванні ніобій раніше за всіх інших металів сталі утворює з'єднання з вуглецем - карбід. Ця сполука досить пластична і в той же час здатна витримувати температуру до 3500°С. Шару карбіду товщиною всього півміліметра достатньо, щоб захистити від корозії метали і, що особливо цінно, графіт. Карбід може виходити при нагріванні металу або оксид ніобію (V) з вуглецем або вуглецевими газами (СН4, СО).

Нітрид ніобію - з'єднання, на яке не діють жодні кислоти і навіть "царська горілка" при кип'ятінні; стійкий до води. Єдине, з чим його можна змусити вступити у взаємодію, - киплячий луг. У цьому випадку він розкладається із виділенням аміаку.

Нітрид NbN світло-сірий із жовтуватим відтінком. Він тугоплавок (тем. пл. 2300 ° С), має чудову особливість - при температурі, близької до абсолютного нуля (15,6 К, або -267,4 ° С), має надпровідність.

З сполук, що містять ніобій більш низькою мірою окислення, найбільш відомі галогеніди. Усі нижчі галогеніди – тверді кристалічні речовини темного кольору (від темно-червоного до чорного). Стійкість їх зменшується зі зниженням ступеня окислення металу.

Застосування ніобію у різних галузях

Застосування ніобію для легування металів

Сталь, легована ніобієм, має гарну корозійну стійкість. Хром теж підвищує корозійну стійкість сталі, і він набагато дешевший за ніобій. Цей читач правий і не правий одночасно. Не правий тому, що забув про одне.

У хромонікелевій сталі, як і в будь-якій іншій, завжди є вуглець. Але вуглець з'єднується з хромом, утворюючи карбід, який робить сталь крихкішою. Ніобій має більшу спорідненість до вуглецю, ніж хром. Тому при додаванні в сталь ніобію обов'язково утворюється карбід ніобію. Легована ніобієм сталь набуває високих антикорозійних властивостей і не втрачає своєї пластичності. Потрібний ефект досягається, коли в тонну стали додано лише 200 г металевого ніобію. А хромо-маргаїцевої сталі ніобій надає високої зносостійкості.

Ніобієм легують і багато кольорових металів. Так, алюміній, що легко розчиняється в лугах, не реагує з ними, якщо до нього додано всього 0,05% ніобію. А мідь, відому свою м'якістю, і багато її сплавів ніобій немов загартовує. Він збільшує міцність таких металів, як титан, молібден, цирконій, і одночасно підвищує їхню жаростійкість і жароміцність.

Нині якості та можливості ніобію гідно оцінені авіацією, машинобудуванням, радіотехнікою, хімічною промисловістю, ядерною енергетикою. Усі вони стали споживачами ніобію.

Унікальна властивість - відсутність помітної взаємодії ніобію з ураном при температурі до 1100°C і, крім того, хороша теплопровідність, невеликий ефективний переріз поглинання теплових нейтронів зробили ніобій серйозним конкурентом визнаних в атомній промисловості металів - алюмінію, берилію та цирконію. До того ж штучна (наведена) радіоактивність ніобію невелика. Тому з нього можна робити контейнери для зберігання радіоактивних відходів або встановлення їх використання.

Хімічна промисловість споживає порівняно трохи ніобію, але це лише його дефіцитністю. З ніобійсодержащих сплавів і рідше листового ніобію іноді роблять апаратуру для виробництва високочистих кислот. Здатність ніобію впливати на швидкість деяких хімічних реакцій використовується, наприклад, при синтезі спирту з бутадієну.

Споживачами елемента №41 стали також ракетна та космічна техніка. Не секрет, що на навколоземних орбітах вже крутяться якісь кількості цього елемента. З ніобійвмісних сплавів і чистого ніобію зроблено деякі деталі ракет і бортової апаратури штучних супутників Землі.

Використання ніобію в інших галузях промисловості

З ніобієвих листів і штабиків виготовляють «гарячу арматуру» (тобто. деталі, що нагріваються) - аноди, сітки, катоди непрямого розжарення та інші деталі електронних ламп, особливо потужних генераторних ламп.

Крім чистого металу для тих же цілей застосовують танталоніобієві сплави.

Ніобій застосовували для виготовлення електролітичних конденсаторів та випрямлячів струму. Тут використано здатність ніобію до утворення стійкої окисної плівки при анодному окисленні. Окисна плівка стійка в кислих електролітах і пропускає струм лише у напрямку електроліту до металу. Ніобієві конденсатори з твердим електролітом відрізняються високою ємністю при малих розмірах, високим опоромізоляції.

Ніобієві елементи конденсаторів виготовляють із тонкої фольги або пористих пластинок, спресованих із металевих порошків.

Корозійна стійкість ніобію в кислотах та інших середовищах, у поєднанні з високою теплопровідністю та пластичністю роблять його цінним конструкційним матеріалом для апаратури у хімічних та металургійних виробництвах. Ніобій має поєднання властивостей, що задовольняють вимоги атомної енергетики до конструкційних матеріалів.

До 900°С ніобій слабо взаємодіє з ураном і придатний виготовлення захисних оболонок для уранових тепловиділяючих елементів енергетичних реакторів. При цьому можливе використання рідких металевих теплоносіїв: натрію або натрію сплаву з калієм, з якими ніобій не взаємодіє до 600°С. Для підвищення живучості уранових тепловиділяючих елементів уран легують ніобієм (~7% ніобію). Присадка ніобію стабілізує захисну плівку окису на урані, що підвищує стійкість його проти парів води.

Ніобій входить до складу різних жароміцних сплавів для газових турбін реактивних двигунів. Легування ніобієм молібдену, титану, цирконію, алюмінію та міді різко покращує властивості цих металів, а також їх сплавів. Існують жароміцні сплави на основі ніобію як конструкційний матеріал для деталей реактивних двигунів і ракет (виготовлення турбінних лопаток, передніх кромок крил, носових кінців літаків і ракет, обшивки ракет). Ніобій та сплави на його основі можна використовувати при робочих температурах 1000 - 1200°С.

Карбід ніобію входить до складу деяких марок твердих сплавів на основі карбіду вольфраму, що використовуються для різання сталей.

Ніобій широко використовується як легуюча добавка у сталях. Добавка ніобію в кількості, що у 6 - 10 разів перевищує вміст вуглецю в сталі, усуває міжкристалітну корозію нержавіючої сталі та оберігає зварні шви від руйнування.

Ніобій також вводять до складу різних жароміцних сталей (наприклад, для газових турбін), а також до складу інструментальних та магнітних сталей.

Ніобій вводять у сталь у сплаві із залізом (фероніобій), що містить до 60% Nb. Крім цього, застосовують ферротанталоніобій з різним співвідношенням між танталом і ніобієм у феросплаві.

В органічному синтезі застосовують деякі сполуки ніобію (фтористі комплексні солі, оксиди) як каталізатори.

Застосування і виробництво ніобію швидко зростають, що обумовлено поєднанням таких його властивостей, як тугоплавкість, малий переріз захоплення теплових нейтронів, здатність утворювати жароміцні, надпровідні та ін. зварюваність. Основні галузі застосування ніобію: ракетобудування, авіаційна та космічна техніка, радіотехніка, електроніка, хімічне апаратобудування, атомна енергетика.

Застосування металевого ніобію

З чистого ніобію чи його сплавів виготовляють деталі літальних апаратів; оболонки для уранових та плутонієвих тепловиділяючих елементів; контейнери та труби; для рідких металів; деталі електролітичних конденсаторів; «гарячу» арматуру електронних (для радарних установок) та потужних генераторних ламп (аноди, катоди, сітки та ін.); корозійностійку апаратуру у хімічній промисловості.

Ніобієм легують інші кольорові метали, зокрема уран.

Ніобій застосовують у кріотронах - надпровідних елементах. обчислювальних машин. Ніобій також відомий тим, що він використовується в структурах прискорення великого адронного колайдера.

Інтерметаліди та сплави ніобію

Станід Nb3Sn та сплави ніобію з титаном та цирконієм застосовуються для виготовлення надпровідних соленоїдів.

Ніобій та сплави з танталом у багатьох випадках замінюють тантал, що дає великий економічний ефект (ніобій дешевше і майже вдвічі легше, ніж тантал).

Ферроніобій вводять у нержавіючі хромонікелеві сталі для запобігання їх міжкристалітної корозії та руйнування та в сталі ін. типів для поліпшення їх властивостей.

Ніобій використовується при карбуванні колекційних монет. Так, Латвійський Банк стверджує, що в колекційних монетах номіналом 1 лат поряд зі сріблом використовується ніобій.

Застосування сполук ніобію O5 каталізатор у хімічній промисловості;

у виробництві вогнетривів, керметів, спец. стекол, нітрид, карбід, ніобати.

Карбід ніобію (т. пл. 3480 °C) у сплаві з карбідом цирконію та карбідом урану-235 є найважливішим конструкційним матеріалом для ТВЕЛів твердофазних ядерних реактивних двигунів.

Нітрид ніобію NbN використовується для виробництва тонких та ультратонких надпровідних плівок з критичною температурою від 5 до 10 К з вузьким переходом, близько 0,1 К

Ніобій у медицині

Висока корозійна стійкість ніобію дозволила використати його в медицині. Ніобієві нитки не викликають подразнення живої тканини і добре зрощуються з нею. Відновлювальна хірургія успішно використовує такі нитки для зшивання порваних сухожиль, кровоносних судин та навіть нервів.

Застосування у ювелірній справі

Ніобій не тільки має комплекс потрібних техніки властивостей, але й виглядає досить красиво. Цей білий блискучий метал ювеліри намагалися використовувати для виготовлення корпусів ручного годинника. Сплави ніобію з вольфрамом чи ренією іноді замінюють шляхетні метали: золото, платину, іридій. Останнє особливо важливо, тому що сплав ніобію з ренією не тільки зовні схожий на металевий іридій, але майже так само стійкий до зносу. Це дозволило деяким країнам обходитися без дорогого іридію у виробництві напайок для пір'я авторучок.

Видобуток ніобію на території Росії

В останні роки світове виробництвоніобію знаходиться на рівні 24-29 тис. т. Слід зазначити, що світовий ринок ніобію істотно монополізований бразильською компанією СВММ, частку якої припадає близько 85% світового обсягу випуску ніобію.

Основним споживачем ніобій продукції, що містить (до неї насамперед відноситься фероніобій) є Японія. Ця країна імпортує щорічно понад 4 тис. т фероніобію з Бразилії. Тому японські імпортні ціни на ніобій продукцію, що містить, можна з великою впевненістю приймати за близькі до середньосвітових значень. В останні роки має місце тенденція зростання цін на фероніобій. Це пов'язано з його застосуванням для виробництва низьколегованих сталей призначених, головним чином для труб нафти і газопроводів. Загалом слід зазначити, що за останні 15 років світове споживання ніобію зростає в середньому на 4-5 % щорічно.

З жалем слід визнати, що Росія перебуває на узбіччі ринку ніобію. На початку 90-х років, за оцінками фахівців Гіредмета, у колишньому СРСР вироблялося та споживалося близько 2 тис.т ніобію (у перерахунку на оксид ніобію). В даний час споживання російської промисловістю ніобієвої продукції не перевищує всього 100 - 200 т. Слід зазначити, що в колишньому СРСР були створені значні потужності з випуску ніобію, розкидані по різних республіках - Росія, Естонія, Казахстан. Це традиційна риса розвитку промисловості СРСР поставила зараз Росію в дуже складне становище за багатьма видами сировини та металів. Ринок ніобію починається з виробництва ніобій, що містить сировини. Основним його видом у Росії був і залишається лопаритовий концентрат, який отримується на Ловозерському ГЗК (тепер - АТ «Севредмет», Мурманська область). До розпаду СРСР підприємство випускало близько 23 тис.т лопаритового концентрату (зміст у ньому оксиду ніобію близько 8,5%). У подальшому виробництво концентрату постійно знижувалося, у 1996-1998 р.р. підприємство неодноразово зупинялося через відсутність збуту. Нині, за оцінками, виробництво лопаритового концентрату для підприємства становить 700 - 800 т на місяць.

Слід зазначити, що підприємство досить жорстко прив'язане до свого єдиного споживача - Солікамського магнієвого заводу. Справа в тому, що лопаритовий концентрат – це досить специфічний продукт, який отримують лише в Росії. Його технологія переробки досить складна через комплекс рідкісних металів (ніобій, тантал, титан), що міститься в ньому. Крім того, концентрат радіоактивний, багато в чому всі спроби вийти на світовий ринок з цією продукцією закінчилися безрезультатно. Слід також зазначити, що з лопаритового концентрату неможливе одержання фероніобію. У 2000 р. на комбінаті «Севредмет» силами компанії «Росредмет» запущено експериментальну установку з переробки лопаритового концентрату з отриманням у числі інших металів товарної ніобій, що містить продукції (оксиду ніобію).

Основними ринками ніобієвої продукції СМЗ є країни далекого зарубіжжя: постачання здійснюються до США, Японії та Європи. Частка експорту загальному обсязі виробництва становить понад 90 %. Значні потужності з випуску ніобію в СРСР були зосереджені в Естонії - на Сілламяеському хіміко-металургійному виробничому об'єднанні (м. Сілламяе). Наразі естонське підприємство називається «Сілмет». За радянських часів підприємство переробляло лопаритовий концентрат Ловоозерського ГЗК, з 1992 р. його відправлення було припинено. Наразі «Сілмет» переробляє лише невеликий обсяг гідроксиду ніобію Солікамського магнієвого заводу. Більшість ніобій містить сировини нині підприємство отримує з Бразилії та Нігерії. Керівництво підприємства не виключає постачання лопаритового концентрату, проте «Севредмет» намагається проводити політику переробки його на місці, оскільки експорт сировини менш вигідний, ніж готової продукції.

Репетиторство

Потрібна допомога з вивчення якоїсь теми?

Наші фахівці проконсультують або нададуть репетиторські послуги з цікавої для вас тематики.
Надішліть заявкуіз зазначенням теми прямо зараз, щоб дізнатися про можливість отримання консультації.

Існує досить велика кількістьелементів, які при з'єднанні з іншими речовинами утворюють сплави з особливими експлуатаційними властивостями. Прикладом можна назвати ніобій – елемент, який отримав спочатку назву «колумбій» (за назвою річки, де його вперше знайдено), але згодом було перейменовано. Ніобій – метал із досить незвичайними властивостями, про які далі поговоримо докладніше.

Отримання елемента

При розгляді властивостей ніобію слід зазначити, що вміст цього металу на тонну породи відносно невеликий становить приблизно 18 грам. Саме тому після його відкриття було зроблено чимало спроб отримання металу штучним шляхом. За рахунок близького хімічного складуця речовина досить часто видобувається разом із танталом.

Родовища ніобію розташовані практично у всьому світі. Прикладом назвемо копальні в Конго, Руанді, Бразилії та багатьох інших країнах. Однак цей елемент не можна назвати поширеним, у багатьох регіонах він практично не зустрічається навіть у малій концентрації.

Відносно невелика концентрація речовини в земній породі посилюється складнощами, що виникають при отриманні з концентрату. Варто враховувати, що ніобій НБШ можна отримати тільки з породи, яка насичена танталом. Особливостями виробничого процесуназвемо нижченаведені моменти:

1. Для початку на завод поставляється концентрована руда, яка проходить кілька етапів очищення. При виробництві ніобію проводиться розподіл одержуваної руди на чисті елементи, серед яких і тантал.
2. Завершальний процес переробки полягає у рафінуванні металу.

Незважаючи на складності, що виникають при видобутку і переробці руди, що розглядається, з кожним роком обсяг виробництва аналізованого сплаву істотно зростає. Це пов'язано з тим, що метал володіє винятковими експлуатаційними якостями і набув великого поширення в різних галузях промисловості.

Оксиди ніобію

Розглянутий хімічний елемент може бути основою різних сполук. Найпоширенішим можна назвати п'ятиокис ніобію. Серед особливостей даної сполуки можна відзначити наведені нижче моменти:

1. Оксид ніобію представлений білим кристалічним порошком, що має кремовий відтінок.
2. Речовина не розчиняється у воді.
3. Речовина, що виходить, зберігає свою структуру при змішуванні з більшості кислотами.

До особливостей пентаоксиду ніобію також можна віднести такі властивості:

1. Підвищена міцність.
2. Висока тугоплавкість. Речовина здатна витримувати температуру до 1490 градусів за Цельсієм.
3. Під час нагрівання поверхня окислюється.
4. Реагує на дію хлору, може відновлюватись воднем.

Гідроксид ніобію в більшості випадків застосовується для отримання високолегованих марок сталі, які мають досить привабливі експлуатаційні якості.

Фізичні та хімічні властивості

Ніобій має хімічні властивості схожі з хімічними властивостямитанталу. Розглядаючи основні характеристики ніобію, потрібно приділити увагу наведеним нижче моментам:

1. Стійкість до дії різних видівкорозії. Сплави, одержувані при впровадженні даного елемента до складу, мають високі корозійностійкі якості.
2. Хімічний елемент, що розглядається, демонструє високий показник температури плавлення. Як показує практика, у більшості сплавів температура плавлення більше 1400 градусів Цельсія. це ускладнює процес обробки, але робить метали незамінними у різних сферах діяльності.
3. Основні Фізичні властивостітакож характеризуються легкістю зварювання одержуваних сплавів.
4. За негативних температур структура елемента залишається практично незмінною, що дозволяє зберегти експлуатаційні властивості металу.
5. Особлива будова атома ніобію визначає надпровідні якості матеріалу.
6. Атомна маса становить 92,9, валентність залежить від особливостей складу.

Основною перевагою речовини вважається саме тугоплавкість. Саме тому він став застосовуватися в різних галузях промисловості. Плавлення речовини проходить при температурі близько 2500 градусів Цельсія. Деякі сплави взагалі плавляться при рекордній температурі 4500 градусів Цельсія. Щільність речовини досить висока, становить 8,57 г на кубічний сантиметр. Варто зважати на те, що метал характеризується парамагнітністю.

На кристалічну решітку не впливають такі кислоти:

1. сірчана;
2. соляна;
3. фосфорна;
4. хлорну.

Не впливає на метал та водні розчини хлору. При певному вплив на метал на його поверхні утворюється діелектрична оксидна плівка. Саме тому метал став використовуватись при виробництві мініатюрних високоємнісних конденсаторів, які також виготовляються з дорожчого танталу.

Застосування ніобію

Виготовляються різні вироби з ніобію, більшість яких пов'язані з випуском авіаційної техніки. Прикладом можна назвати застосування ніобію у виготовленні деталей, які встановлюються під час збору ракет чи літаків. Крім цього, можна виділити таке застосування даного елемента:

1. Виробництво елементів, у тому числі виготовляють радарні установки.
2. Як раніше було зазначено, для отримання більш дешевих ємнісних електричних конденсаторів може застосовуватися сплав, що розглядається.
3. Катоди, аноди з фольги теж виготовляють при застосуванні елемента, що розглядається, що пов'язано з високою жароміцністю.
4. Часто можна зустріти конструкції потужних генераторних ламп, що мають усередині сітку. Для того щоб ця сітка витримала вплив високої температури її виготовляють із сплаву, що розглядається.

Високі фізичні та хімічні якості визначають застосування ніобію під час виробництва труб для транспортування рідких металів. Крім цього, сплави застосовуються для отримання контейнерів різного призначення.

Сплави з ніобієм

Розглядаючи подібні сплави, слід враховувати, що часто цей елемент застосовується для виробництва фероніобію. Цей матеріал отримав широке застосування в ливарних галузях промисловості, а також при виготовленні електронних покриттів. До складу входить:

1. залізо;
2. ніобій із танталом;
3. кремній;
4. алюміній;
5. вуглець;
6. сірка;
7. фосфор;
8. титан.

Концентрація основних елементів може змінюватись у досить великому діапазоні, від чого і залежать експлуатаційні якості матеріалу.

Альтернативним сплавам фероніобію можна назвати ніобій 5ВМЦ. При його отриманні як легуючі елементи використовується вольфрам, цирконій і молібден. Найчастіше цей спав використовується для напівфабрикатів.

На закінчення відзначимо, що ніобій у деяких країнах застосовується під час виробництва монет. Це з досить високою вартістю матеріалу. При масовому випуску сплавів, які як основний елемент мають у складі ніобій, створюються своєрідні зливки.