dic.academic.ru

Ниобий

1. Общая характеристика

Ниобий ( англ. niobium , нем. Niob n, Niobium n ) – химический элемент, символ Nb, ат. н. 41; ат.м. 92,9064. Светло-серый блестящий пластический металл. Химически неактивен. Плотность 8,570; t _плав 2500 ? С, t _кип 4927 ? С. При взаимодействии с галогенами образует галогениды. Н. – литофильный элемент, связанный с гранитными, нефелин – сиенитовимы, ультраосновных щелочных породах и карбонатитами. Его Кларк в земной коре 2 ? 10 ^-3% масс. Тесно ассоциирует с Да, образуя вместе с ним более 50 минералов. Важнейшие минералы : группа колумбита -Танталиту (Fe, Mn) (Nb, Ta) ₂ O _6,пирохлор (Ca, Na) (Nb, Ta, Ti) ₂ O ₆ (OH, F), лопарит (Na, Ce, Ca) ₂ (Ti, Nb, Ta) O _3.

2. История

По хим. свойствам близок к тантала. Ниобий и тантал всегда встречаются вместе. В 1801 г. английским химиком Ч.Гатчетом с минерала, найденного в Колумбии, впервые был выделен оксид нового элемента, названных Колумбией. В 1802 г. шведский химик А. Экеберг выделил похож оксид другого элемента, названного танталом. Оба элемента считались идентичными, но в 1844 г. Г.Розе доказал, что во всех минералах наряду с танталом присутствует еще один элемент, весьма близкий к нему по свойствам, который был им назван ниобием. Колумбит Гатчета оказался смесью ниобия и тантала, но название колумбит до 1949 г. сохранялась за ниобием, пока не было принято решение оставить за элементом название ниобий.

3. Происхождение названия

Назван в честь Ниобы дочери Тантала.

Кристаллы ниобия.

4. Свойства

4.1. Физические свойства

Плотность 8,570; t _плав 2500 ? С, t _кип 4927 ? С. С добавками Sn, Zr, Ge отличается сверхпроводимостью при низких температурах (180 К). Тугоплавкий. Пластический, сохраняет прочность при высоких температурах.

4.2. Химические свойства

По хим. свойствам близок к тантала. Химически неактивен. Н. чрезвычайно устойчив на холоде и при небольшом нагреве к действию многих агрессивных сред, в т.ч. и кислот. Н. растворяет только плавиковая кислота, ее смесь с азотной кислотой и щелочи. Амфотерный.

5. Получение

Важнейшие минералы : группа колумбита -Танталиту (Fe, Mn) (Nb, Ta) ₂ O _6,пирохлор (Ca, Na) (Nb, Ta, Ti) ₂ O ₆ (OH, F), лопарит (Na, Ce, Ca) ₂ (Ti, Nb, Ta) O _3. Их перерабатывают алюмо – или силикотермичним восстановлением на силикомарганец (40-60% Nb) и ферротанталониобий. Металлический ниобий получают из рудных концентратов по сложной технологии в три стадии:

1. расщепления концентрата,
2. разделения 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 – алюмотермичний, натрийтермичний, карботермичний:
   из смеси Nb ₂ O ₅ и сажи вначале получают при 1800 ? C в атмосфере водорода карбиды, из смеси карбидов и пентаокису 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.
Натрийтермичним способом ниобий восстанавливают натрием с K ₂ NbF _7,
Алюминотермичним – алюминием с Nb ₂ O _5.
Компактный металл (слиток) производят методами порошковой металлургии, спекающимися прессованные из порошков таблетки в вакууме при 2300 ? C или электроннолучевой и вакуумной дуговой плавкой;
Монокристаллы ниобия высокой чистоты – получают электроннолучевой зонной плавкой.

6. Применение

Н. входит в многих жаро-и коррозионностойких сплавов. Н. – один из осн. компонентов при легировании жаропрочных сталей. Н. и его сплавы используются как конструкционные материалы для деталей реактивных двигателей, ракет, газовых турбин, хим. аппаратуры, электронных приборов, электрических конденсаторов, сверхпроводящих устройств.

Ниобаты широко применяют как сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, лазерные материалы. Ниобий широко используется в виде ферониобию, как добавка к нержавеющих сталей. Небольшой поперечное сечение захвата тепловых нейтронов (1,1 барн) делает его перспективным конструкционным материалом для ядерных реакторов. Ниобаты широко применяют как сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, лазерные материалы.

Литература

nado.znate.ru

Ниобий • ru.knowledgr.com

Ниобий, раньше ниобий, является химическим элементом с символом Nb (раньше Cb) и атомное число 41. Это – мягкий, серый, податливый металл перехода, который часто находится в pyrochlore минерале, главном коммерческом источнике для ниобия и columbite. Название происходит от греческой мифологии: Niobe, дочь Tantalus, так как это настолько подобно танталу.

ниобия есть физические и химические свойства, подобные тем из тантала элемента, и эти два поэтому трудно отличить. Английский химик Чарльз Хэчетт сообщил о новом элементе, подобном танталу в 1801, и назвал его ниобием. В 1809 английский химик Уильям Хайд Уоллэстон неправильно пришел к заключению, что тантал и ниобий были идентичны. В 1846 немецкий химик Генрих Роуз решил, что руды тантала содержат второй элемент, который он назвал ниобием. В 1864 и 1865, ряд научных результатов разъяснил, что ниобий и ниобий были тем же самым элементом (в отличие от тантала), и в течение века оба имени использовались попеременно. Ниобий был официально принят как название элемента в 1949, но ниобий имени остается в текущем использовании в металлургии в Соединенных Штатах.

Только в начале 20-го века, ниобий сначала использовался коммерчески. Бразилия – ведущий производитель ниобия и железнониобия, сплава ниобия и железа. Ниобий используется главным образом в сплавах, самой большой части в специальной стали, таких как используемый в газопроводах. Хотя эти сплавы содержат максимум 0,1%, небольшой процент ниобия увеличивает силу стали. Температурная стабильность содержащих ниобий суперсплавов важна для ее использования в самолете и ракетных двигателях. Ниобий используется в различных материалах сверхпроводимости. Эти сплавы сверхпроводимости, также содержащие титан и олово, широко используются в магнитах со сверхпроводящей обмоткой сканеров MRI. Другие применения ниобия включают его использование в сварку, ядерные отрасли промышленности, электронику, оптику, нумизматику и драгоценности. В последних двух заявлениях низкая токсичность ниобия и способность, которая будет окрашена анодированием, являются особыми преимуществами.

История

Ниобий был обнаружен английским химиком Чарльзом Хэчеттом в 1801. Он нашел новый элемент в минеральном образце, который послал в Англию из Массачусетса, Соединенных Штатов в 1734 Джон Винтроп Ф.Р.С. (внук Джона Винтропа Младшее) и назвали минералом columbite и новым ниобием элемента после Колумбии, поэтического названия Соединенных Штатов. Ниобий, обнаруженный Хэчеттом, был, вероятно, смесью нового элемента с танталом.

Впоследствии, был значительный беспорядок по различию между ниобием (ниобий) и тесно связанным танталом. В 1809 английский химик Уильям Хайд Уоллэстон сравнил окиси, полученные и из ниобия — columbite, с плотностью 5,918 г/см, и из тантала — tantalite, с плотностью более чем 8 г/см, и пришел к заключению, что эти две окиси, несмотря на значительную разницу в плотности, были идентичны; таким образом он держал тантал имени. Это заключение оспаривалось в 1846 немецким химиком Генрихом Роузом, который утверждал, что было два различных элемента в tantalite образце и назвали их в честь детей Tantalus: ниобий (от Niobe), и pelopium (от Pelops). Этот беспорядок явился результатом минимальных наблюдаемых различий между танталом и ниобием. Требуемые новые элементы pelopium, ilmenium и dianium были фактически идентичны ниобию или смесям ниобия и тантала.

Различия между танталом и ниобием были недвусмысленно продемонстрированы в 1864 Кристианом Вильгельмом Бломштрандом, и Анри Этьенном Сент-Клэром Девилем, а также Луи Дж. Трустом, который определил формулы некоторых составов в 1865 и наконец швейцарским химиком Жан-Шарлем Галиссар де Мариньяк в 1866, который все доказали, что было только два элемента. Статьи о ilmenium продолжали появляться до 1871.

Де Мариньяк был первым, чтобы подготовить металл в 1864, когда он уменьшил хлорид ниобия, нагрев его в атмосфере водорода. Хотя де Мариньяк смог произвести ниобий без тантала в более крупном масштабе к 1866, только в начале 20-го века, ниобий сначала использовался коммерчески в нитях лампы накаливания. Это использование быстро стало устаревшим через замену ниобия с вольфрамом, который имеет более высокую точку плавления и таким образом предпочтителен для использования в лампах накаливания. Открытие, что ниобий улучшает силу стали, было сделано в 1920-х, и это применение остается своим преобладающим использованием. В 1961 американский физик Юджин Канзлер и коллеги в Bell Labs обнаружили, что олово ниобия продолжает показывать сверхпроводимость в присутствии сильных электрических токов и магнитных полей, делая ее первым материалом, чтобы поддержать токи высокого напряжения и области, необходимые для полезных мощных магнитов и электрически приведенного в действие оборудования. Это открытие позволило бы — два десятилетия спустя — производство длинных кабелей мультиберега, которые могли быть раной в катушки, чтобы создать большие, сильные электромагниты для вращения оборудования, ускорителей частиц или датчиков частицы.

Обозначение элемента

Ниобий (символ Cb) был именем, первоначально данным этому элементу Hatchett, и это имя осталось в использовании в американских журналах — последней работе, опубликованной американским Химическим Обществом с ниобием в его датах названия с 1953 — в то время как ниобий использовался в Европе. Чтобы закончить этот беспорядок, ниобий имени был выбран для элемента 41 на 15-й Конференции Союза Химии в Амстердаме в 1949. Год спустя это имя было официально взято Международным союзом Чистой и Прикладной Химии (IUPAC) после 100 лет противоречия, несмотря на хронологическое предшествование имени Ниобий. Последнее имя все еще иногда используется в американской промышленности. Это было своего рода компромиссом; IUPAC принял вольфрам вместо вольфрама, из уважения к североамериканскому использованию; и ниобий вместо ниобия, из уважения к европейскому использованию. Не все согласились, и в то время как много ведущих химических обществ и правительственных организаций обращаются к нему официальным именем IUPAC, многими ведущими металлургами, металлическими обществами, и Геологическая служба США все еще обращается к металлу оригинальным «ниобием».

Особенности

Физический

Ниобий – блестящий, серый, податливый, парамагнитный металл в группе 5 периодической таблицы (см. стол), хотя у этого есть нетипичная конфигурация в ее наиболее удаленных электронных раковинах по сравнению с остальной частью участников. (Это может наблюдаться в районе рутения (44), родий (45), и палладий (46).)

Ниобий становится сверхпроводником при криогенных температурах. При атмосферном давлении у этого есть самая высокая критическая температура элементных сверхпроводников: 9.2 K. У ниобия есть самая большая магнитная глубина проникновения любого элемента. Кроме того, это – один из трех элементных сверхпроводников Типа II, наряду с ванадием и технецием. Суперпроводящие свойства решительно зависят от чистоты металла ниобия. Когда очень чистый, это сравнительно мягко и податливо, но примеси делают его тяжелее.

металла есть низкое поперечное сечение захвата для тепловых нейтронов; таким образом это используется в ядерных отраслях промышленности.

Химический

Металл берет синеватый оттенок, когда выставлено, чтобы передать при комнатной температуре в течение длительных периодов. Несмотря на представление высокой точки плавления в элементной форме (2,468 °C), у этого есть низкая плотность по сравнению с другими невосприимчивыми металлами. Кроме того, это – стойкая коррозия, показывает свойства сверхпроводимости и формирует диэлектрические окисные слои.

Ниобий – немного меньше electropositive и более компактный, чем его предшественник в периодической таблице, цирконии, тогда как это фактически идентично в размере более тяжелым атомам тантала вследствие сокращения лантанида. В результате химические свойства ниобия очень подобны тем для тантала, который появляется непосредственно ниже ниобия в периодической таблице. Хотя ее устойчивость к коррозии не столь выдающаяся как тот из тантала, ее более низкая цена и большая доступность делают ниобий привлекательным для менее требовательного использования, такого как подкладки в химических заводах.

Изотопы

Естественный ниобий составлен из одного стабильного изотопа, Nb. К 2003 по крайней мере 32 радиоизотопа были синтезированы, расположившись в атомной массе от 81 до 113. Самым стабильным из них является Nb с полужизнью 34,7 миллионов лет. Один из наименее стабильных – Nb с предполагаемой полужизнью 30 миллисекунд. Изотопы, которые легче, чем стабильный Nb, имеют тенденцию распадаться распадом β и теми, которые более тяжелы, имеют тенденцию распадаться распадом β, за некоторыми исключениями. У Nb, Небраска и Nb есть отсроченные протонные пути распада эмиссии незначительного β, распады Nb электронным захватом и эмиссией позитрона, и распады Nb и β и распадом β.

По крайней мере 25 ядерных изомеров были описаны, расположившись в атомной массе от 84 до 104. В пределах этого диапазона только у Nb, Небраска и Nb нет изомеров. Самым стабильным из изомеров ниобия является Nb с полужизнью 16,13 лет. Наименее стабильный изомер – Nb с полужизнью 103 нс. Все изомеры ниобия распадаются изомерным переходом или бета распадом кроме Nb, у которого есть незначительная электронная цепь распада захвата.

Возникновение

Ниобий, как оценивается, является 33-м наиболее распространенным элементом в земной коре с 20 частями на миллион. Некоторые думают, что изобилие на Земле намного больше, но что «недостающий» ниобий может быть расположен в ядре Земли из-за высокой плотности металла. Свободный элемент не найден в природе, но ниобий происходит в сочетании с другими элементами в полезных ископаемых.

Полезные ископаемые, которые содержат ниобий часто также, содержат тантал. Примеры включают columbite ((Fe, Миннесота) (Nb, Ta) O) и columbite–tantalite (или coltan, (Fe, Миннесота) (Ta, Небраска) O). Полезные ископаемые Columbite–tantalite больше всего обычно находятся как дополнительные полезные ископаемые во вторжениях пегматита, и в щелочных навязчивых скалах. Менее распространенный ниобаты кальция, урана, тория и редких земных элементов. Примеры таких ниобатов – pyrochlore ((На, Калифорния) NbO (О, F)) и euxenite ((Y, Калифорния, Ce, U, Th) (Nb, Ta, Ti) O). Эти большие залежи ниобия были найдены связанными с carbonatites (магматические породы силиката карбоната) и как элемент pyrochlore.

Два самых больших депозита pyrochlore были найдены в 1950-х в Бразилии и Канаде, и обе страны – все еще крупнейшие производители концентратов минерала ниобия. Самый большой депозит принят в рамках carbonatite вторжения в Араша, Минас-Жерайс Бразилия, принадлежавшая CBMM ; другой депозит расположен в Goiás и принадлежит Anglo American plc (через ее филиал Mineração Catalão), также принят в рамках carbonatite вторжения. В целом эти две бразильских шахты производят приблизительно 75% мировой поставки. Третий по величине производитель ниобия – carbonatite-принятая Шахта Niobec, Святой-Honoré под Чикутими, Квебек, принадлежавший Iamgold Corporation Ltd, которая производит приблизительно 7% мировой поставки.

Производство

После разделения от других полезных ископаемых смешанных окисей тантала TaO и ниобий получены NbO. Первый шаг в обработке – реакция окисей с гидрофтористой кислотой:

:TaO + 14 ПОЛОВИН → 2 HTaF + 5 HO

:NbO + 10 ПОЛОВИН → 2 HNbOF + 3 HO

Первое разделение промышленных весов, развитое де Мариньяком, эксплуатирует отличающуюся растворимость сложных фторидов ниобия и тантала, dipotassium oxypentafluoroniobate моногидрат (KNbOF · HO) и dipotassium heptafluorotantalate (KTaF) в воде. Более новые процессы используют жидкое извлечение фторидов от водного раствора органическими растворителями как cyclohexanone. Сложные фториды ниобия и тантала извлечены отдельно из органического растворителя с водой и или ускорены добавлением фторида калия, чтобы произвести комплекс фторида калия или ускорены с аммиаком как pentoxide:

:HNbOF + 2 KF  KNbOF  + 2 ПОЛОВИНЫ

Сопровождаемый:

:2 HNbOF + 10 NHOH  NbO  + 10 NHF + 7 HO

Несколько методов привыкли для сокращения к металлическому ниобию. Электролиз литой смеси KNbOF и поваренной соли – тот; другой сокращение фторида с натрием. С этим ниобием метода с относительно высокой чистотой может быть получен. В крупномасштабном производстве используется сокращение NbO с водородом или углеродом. В процессе, включающем aluminothermic реакцию, смесь окиси окиси железа и ниобия реагируется с алюминием:

:3 NbO + FeO + 12 Эла → 6 нбар + 2 Fe + 6

Чтобы увеличить реакцию, небольшие количества окислителей как нитрат натрия добавлены. Результат – алюминиевая окись и железнониобий, сплав железа и ниобия, используемого в производстве стали. Железнониобий содержит между 60 и 70% ниобия. Без добавления окиси железа, aluminothermic процесс используется для производства ниобия. Дальнейшая очистка необходима, чтобы достигнуть сорта для суперпроводящих сплавов. Электронный луч, тающий под вакуумом, является методом, используемым двумя крупными дистрибьюторами ниобия.

, бразильская компания ЦРУ. Brasileira de & Mineracao «управляет 85 процентами производства ниобия в мире». Геологическая служба США оценивает, что производство увеличилось с 38 700 тонн в 2005 до 44 500 тонн в 2006. Международные ресурсы, как оценивается, составляют 4 400 000 тонн. Во время десятилетнего периода между 1995 и 2005, производство более чем удвоилось, начинающийся с 17 800 тонн в 1995. С 2009 производство стабильно в пределах 63 000 тонн в год.

Меньшие суммы найдены в Депозите Kanyika Малави (шахта Kanyika).

Составы

Ниобий во многих отношениях подобен танталу и цирконию. Это реагирует с большинством неметаллов при высоких температурах: ниобий реагирует с фтором при комнатной температуре, с хлором и водородом в 200 °C, и с азотом в 400 °C, давая продукты, которые являются часто промежуточными и нестехиометрическими. Металл начинает окисляться в воздухе в 200 °C и стойкий к коррозии сплавленными щелочами и кислотами, включая царскую водку, хлористоводородные, серные, азотные и фосфорические кислоты. Ниобий подвергается нападению гидрофтористыми кислотными и гидрофтористыми/азотными кислотными смесями.

Хотя ниобий показывает все формальные степени окисления от +5 до −1 в обычно составах, с которыми сталкиваются, это найдено в этих +5 государствах. Характерно, составы в степенях окисления меньше чем 5 + показывают соединение Nb–Nb.

Окиси и сульфиды

Ниобий формирует окиси со степенями окисления +5 (NbO), +4 (NbO), и +3 (NbO), а также с более редкой степенью окисления +2 (NbO). Обычно столкнутый pentoxide, предшественник почти всех составов ниобия и сплавов. Ниобаты произведены, расторгнув pentoxide в основных решениях для гидроокиси или плавя его в щелочных окисях металла. Примеры – литиевый ниобат (LiNbO) и ниобат лантана (LaNbO). В литиевом ниобате треугольным образом искаженная подобная перовскиту структура, тогда как ниобат лантана содержит одинокие ионы. Слоистый сульфид ниобия (NBS) также известен.

Материалы с покрытием тонкой пленки ниобия (V) окись могут быть произведены химическим смещением пара или атомными процессами смещения слоя в каждом случае тепловым разложением ниобия (V) ethoxide выше 350 °C.

Галиды

Ниобий формирует галиды в степенях окисления +5 и +4, а также разнообразные подстехиометрические составы. pentahalides показывают восьмигранные центры Nb. Ниобий pentafluoride (NbF) является белым телом с точкой плавления 79.0 °C, и ниобий pentachloride (NbCl) желтый (см. изображение в левом) с точкой плавления 203.4 °C. Оба гидролизируются, чтобы дать окиси и oxyhalides, такие как NbOCl. pentachloride – универсальный реактив, используемый, чтобы произвести металлоорганические составы, такие как двухлористое соединение niobocene . tetrahalides являются темными полимерами со связями Nb-Nb, например черным гигроскопическим ниобием tetrafluoride (NbF) и коричневым ниобием, четыреххлористым (NbCl).

Анионные составы галида ниобия известны, будучи должен частично кислотности Льюиса pentahalides. Самое важное [NbF], который является промежуточным звеном в разделении Nb и Ta от руд. Этот heptafluoride имеет тенденцию формировать oxopentafluoride с большей готовностью, чем делает состав тантала. Другие комплексы галида включают восьмигранный [NbCl]:

:NbCl + 2 сл → 2

Что касается других ранних металлов, множество уменьшенных групп галида известно, главный пример, являющийся [NbCl].

Азотирует и карбиды

Другие двойные составы ниобия включают ниобий, азотируют (NbN), который становится сверхпроводником при низких температурах и используется в датчиках для инфракрасного света. Главный карбид ниобия – NBC, чрезвычайно твердый, невосприимчивый, керамический материал, коммерчески используемый в битах инструмента для режущих инструментов.

Заявления

Считается, что из 44 500 метрических тонн ниобия, добытого в 2006, 90% использовались в производстве строительной стали высокого качества, сопровождаемой ее использованием в суперсплавах. Использование сплавов ниобия для сверхпроводников и в электронных компонентах считает только для небольшой доли производства.

Производство стали

Ниобий – эффективный микролегирующий элемент для стали. Добавление ниобия к стали вызывает формирование карбида ниобия, и ниобий азотируют в пределах структуры стали. Эти составы улучшают очистку зерна, промедление перекристаллизации и укрепление осаждения стали. Эти эффекты в свою очередь увеличивают крутизну, силу, formability, и weldability микросплавленной стали. У микросплавленной нержавеющей стали есть содержание ниобия меньше чем 0,1%. Это – важное дополнение сплава к высокой прочности низкие легированные стали, которые широко используются в качестве структурных компонентов в современных автомобилях. Эти содержащие ниобий сплавы прочны и часто используются в строительстве трубопровода.

Суперсплавы

Заметные суммы элемента, или в его чистой форме или в форме ниобия железнониобия и никеля высокой чистоты, используются в никеле – кобальт – и основанные на железе суперсплавы для таких заявлений как компоненты реактивного двигателя, газовые турбины, сборочные узлы ракеты, турбо системы зарядного устройства и тепловое оборудование сопротивления и сгорания. Ниобий ускоряет укрепление γ

Сплав, используемый для жидких носиков охотника ракеты, такой как в основном двигателе Лунных модулей Аполлона, является сплавом ниобия C-103, который состоит из 89%-го ниобия, 10%-го гафниевого и 1%-го титана. Другой сплав ниобия использовался для носика Обслуживающего модуля Аполлона. Поскольку ниобий окислен при температурах выше 400 °C, защитное покрытие необходимо для этих заявлений препятствовать тому, чтобы сплав стал хрупким.

Основные ниобием сплавы

Сплав C-103 был развит в начале 1960-х совместно Wah Chang Corporation и Boeing Co, Дюпон, Union Carbide Corp., General Electric Co. и несколько других компаний развивали сплавы Nb-основы одновременно, в основном ведомый холодной войной и Космической гонкой. Чувствительность Nb к кислороду требует обработки в вакууме или инертной атмосфере, которая значительно увеличивает стоимость и трудность производства. Вакуумное перетаяние дуги (VAR) и таяние электронного луча (EBM), новые процессы в то время, позволили развитие реактивных металлов, таких как Nb. Проект, который привел к C-103, начался в 1959 с целых 256 экспериментальных сплавов Nb в «C-ряде» (возможно от ниобия), который можно было расплавить как кнопки и катить в лист. У Ва Чанга был инвентарь Половины, усовершенствованной от Циркония ядерного сорта, который она хотела поместить в коммерческое использование. У 103-го экспериментального состава C-серийных сплавов, Nb-10Hf-1Ti, была лучшая комбинация formability и высокотемпературных свойств. Ва Чанг изготовил первый 500-фунтовый круг C-103 в 1961, слиток, чтобы покрыть, используя EBM и ВАР. Применения по назначению включали турбинные компоненты двигателя и жидкие металлические теплообменники. Конкурируя сплавы Nb с той эры включали FS85 (Nb 10W 28Ta 1Zr) от Fansteel Metallurgical Corp., Cb129Y (Nb 10W 10Hf 0.2Y) от Ва Чанга и Boeing, Cb752 (Nb-10W-2.5Zr) от Карбида Союза и Nb1Zr от Superior Tube Co.

Магниты со сверхпроводящей обмоткой

Германий ниобия , олово ниобия , а также сплавы титана ниобия используется в качестве провода сверхпроводника типа II для магнитов со сверхпроводящей обмоткой. Эти магниты со сверхпроводящей обмоткой используются в магнитно-резонансной томографии и ядерных инструментах магнитного резонанса, а также в ускорителях частиц. Например, Большой Коллайдер Адрона использует 600 тонн берегов сверхпроводимости, в то время как Международный Термоядерный Экспериментальный Реактор, как оценивается, использует 600 тонн берегов NbSn и 250 тонн берегов NbTi. В 1992 один, провода титана ниобия использовались, чтобы построить ценность за больше чем 1 миллиард долларов США клинических систем магнитно-резонансной томографии.

Другие сверхпроводники

Впадины Радиочастоты (RF) Сверхпроводимости, используемые во ВСПЫШКЕ лазеров на свободных электронах (результат отмененного ТЕСЛА линейный проект акселератора) и XFEL, сделаны из чистого ниобия.

Высокая чувствительность ниобия сверхпроводимости азотирует болометры, делают их идеальным датчиком для электромагнитной радиации в диапазоне частот THz. Эти датчики были проверены в Телескопе Подмиллиметра Герц Генриха, Телескопе Южного полюса, Телескопе Receiver Lab, и в ВЕРШИНЕ и теперь используются в ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОМ инструменте на борту Обсерватории Пространства Herschel.

Другое использование

Electroceramics

Литиевый ниобат, который является сегнетоэлектриком, используется экстенсивно в мобильных телефонах и оптических модуляторах, и для производства поверхностных акустических устройств волны. Это принадлежит структуре АБО ferroelectrics как литий tantalate и титанат бария. Конденсаторы ниобия доступны как альтернатива конденсаторам тантала, но конденсаторы тантала все еще преобладающие. Ниобий добавлен к стеклу, чтобы достигнуть более высокого показателя преломления, собственности использования к оптической промышленности в создании более тонких корректирующих очков.

Гипоаллергенные заявления: медицина и драгоценности

Ниобий и некоторые сплавы ниобия физиологически инертные и таким образом гипоаллергенные. Поэтому ниобий найден во многих медицинских устройствах, таких как кардиостимуляторы. Ниобий отнесся с формами гидроокиси натрия пористый слой, который помогает osseointegration.

Наряду с титаном, танталом и алюминием, ниобий может также быть электрически нагрет и анодирован, приведя к огромному количеству цветов, используя процесс, известный как реактивное анодирование металла, которое полезно в создании драгоценностей. Факт, что ниобий гипоаллергенный также, приносит пользу своему использованию в драгоценностях.

Нумизматика

Ниобий используется в качестве драгоценного металла в юбилейных монетах, часто с серебром или золотом. Например, Австрия произвела серию серебряных европейских монет ниобия, начинающихся в 2003; цвет в этих монетах создан дифракцией света тонким окисным слоем, произведенным, анодировав. В 2012 десять монет – доступный показ, что широкий спектр раскрашивает центр монеты: синий, зеленый, коричневый, фиолетовый, фиолетовый, или желтый. Еще два примера – австрийский €2004 года 25 150 Лет Земмеринг Альпийская Железнодорожная юбилейная монета,

и австрийская европейская Навигация Спутника 2006 года за 25€ юбилейная монета.

Австрийский монетный двор произвел для Латвии подобную серию монет, начинающихся в 2004,

с одним после в 2007.

В 2011 Королевский канадский Монетный двор начал производство монеты чистого серебра и ниобия за 5$, названной Луной Охотника

в котором ниобий был выборочно окислен, таким образом создав уникальные концы, где никакие две монеты не точно подобны.

Другой

Ламповые дугой печати ламп пара натрия высокого давления сделаны из ниобия или ниобия с 1% циркония, потому что у ниобия есть очень подобный коэффициент теплового расширения на спеченную керамическую трубу дуги глинозема, прозрачный материал, который сопротивляется химическому нападению или сокращению горячим жидким паром натрия и натрия, содержавшим в операционной лампе. Металл также используется в прутах дуговой сварки для некоторых устойчивых сортов нержавеющей стали. Это также используется в качестве материала в анодах для систем катодной защиты на некоторых водяных баках, которые тогда обычно покрываются металлом платиной.

Меры предосторожности

ниобия нет известной биологической роли. В то время как пыль ниобия – глазной и раздражитель кожи и потенциальная пожароопасность, элементный ниобий в более крупном масштабе физиологически инертный (и таким образом гипоаллергенный) и безопасный. Это часто используется в драгоценностях и было проверено на использование в некоторых медицинских внедрениях.

содержащими ниобий составами редко сталкивается большинство людей, но некоторые токсичны и должны рассматриваться с осторожностью. Краткосрочное и долгосрочное воздействие ниобатов и хлорида ниобия, два химиката, которые являются разрешимой водой, было проверено у крыс. Крысы отнеслись с единственной инъекцией ниобия pentachloride, или ниобаты показывают среднюю летальную дозу (LD) между 10 и 100 мг/кг. Для перорального приема токсичность ниже; исследование с крысами привело к LD после семи дней 940 мг/кг.

Внешние ссылки

• Лос-Аламос национальная лаборатория – ниобий

• Международное исследование ниобия тантала сосредотачивает

• Ниобий для ускорителей частиц, например, ILC. 2 005

ru.knowledgr.com

Популярная библиотека химических элементов. Раритетные издания. Наука и техника

Ниобий

С элементом, занимающим в менделеевской таблице 41-ю клетку, человечество знакомо давно. Возраст его нынешнего названия – ниобий – почти на полстолетия меньше. 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)₂О₆.

Глазами химика

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.

Ниобий активно реагирует со многими неметаллами. С ним образуют соединения галогены, азот, водород, углерод, сера. При этом ниобий может проявлять разные валентности – от двух до пяти. Но главная валентность этого элемента 5+. Пятивалентный ниобий может входить в состав соли и как катион, и как один из элементов аниона, что свидетельствует об амфотерном характере элемента №41.

Соли ниобиевых кислот называют ниобатами. Их получают в результате обменных реакций после сплавления пятиокиси ниобия с содой:

Nb₂O₅ + 3Na₂CO₄ → 2Na₃NbО₄ + 3CO₂.

Довольно хорошо изучены соли нескольких ниобиевых кислот, в первую очередь метаниобиевой HNbO₃, а также диниобаты и пентаниобаты (K₄Nb₂O₇, К₇Nb₅О₁₆ · mH₂O). А соли, в которых элемент №41 выступает как катион, обычно получают прямым взаимодействием простых веществ, например 2Nb + 5Cl₂ → 2NbCl₅.

Ярко окрашенные игольчатые кристаллы пентагалогенидов ниобия (NbCl – желтого цвета, NbBr₅ – пурпурно-красного) легко растворяются в органических растворителях – хлороформе, эфире, спирте. Но при растворении в воде эти соединения полностью разлагаются, гидролизуются с образованием ниобатов:

NbCl₅ + 4Н₂О → 5HCl + Н₃NbO₄.

Гидролиз можно предотвратить, если в водный раствор добавить какую-либо сильную кислоту. В таких растворах пентагалогениды ниобия растворяются, не гидролизуясь.

Ниобий образует двойные соли и комплексные соединения, наиболее легко – фтористые. Фторниобаты – так называются эти двойные соли. Они получаются, если в раствор ниобцевой и плавиковой кислот добавить фторид какого-либо металла.

Состав комплексного соединения зависит от соотношения реагирующих в растворе компонентов. Рентгенометрический анализ одного из этих соединений показал строение, отвечающее формуле K₂NbF₇. Могут образоваться и оксосоединения ниобия, например оксофторнпобат калия K₂NbOF₅ · H₂O.

Химическая характеристика элемента не исчерпывается, конечно, этими сведениями. Сегодня самые важные из соединений элемента №41 – это его соединения с другими металлами.

Ниобий и сверхпроводимость

Удивительное явление сверхпроводимости, когда при понижении температуры проводника в нем происходит скачкообразное исчезновение электрического сопротивления, впервые наблюдал голландский физик Г. Камерлинг-Оннес в 1911 г. Первым сверхпроводником оказалась ртуть, но не ей, а ниобию и некоторым интерметаллическим соединениям ниобия суждено было стать первыми технически важными сверхпроводящими материалами.

Практически важны две характеристики сверхпроводников: величина критической температуры, при которой происходит переход в состояние сверхпроводимости, и критического магнитного поля (еще Камерлинг-Оннес наблюдал утрату сверхпроводником сверхпроводимости при воздействии на него достаточно сильного магнитного поля). По состоянию на 1 января 1975 г. сверхпроводником – «рекордсменом» по величине критической температуры было интерметаллическое соединение ниобия и германия состава Nb₃Ge. Его критическая температура 23,2°К; это выше температуры кипения водорода. (Большинство известных сверхпроводников становятся сверхпроводниками лишь при температуре жидкого гелия).

Способность переходить в состояние сверхпроводимости свойственна также стапниду ниобия Nb₃Sn, сплавам ниобия с алюминием и германием или с титаном и цирконием. Все эти сплавы и соединения уже используются для изготовления сверхпроводящих соленоидов, а также некоторых других важных технических устройств.

Ниобий – металл

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

K₂NbF₇ + 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.

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 Nb₂O₅ восстанавливают алюминием, натрием, сажей или карбидом ниобия, полученным при взаимодействии Nb₂O₅ 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/см²) 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 и металлы

Рассказ о применении ниобия логичнее всего начать с металлургии, так как именно в металлургии он нашел наиболее широкое применение. И в цветной металлургии, и в черной.

Сталь, легированная ниобием, обладает хорошей коррозионной стойкостью. «Ну и что? – скажет иной искушенный читатель. – Хром тоже повышает коррозионную стойкость стали, и он намного дешевле ниобия». Этот читатель прав и неправ одновременно. Неправ потому, что забыл об одном.

В хромоникелевой стали, как и во всякой другой, всегда есть углерод. Но углерод соединяется с хромом, образуя карбид, который делает сталь более хрупкой. Ниобий имеет большее сродство к углероду, чем хром. Поэтому при добавлении в сталь ниобия обязательно образуется карбид ниобля. Легированная ниобием сталь приобретает высокие антикоррозионные свойства и не теряет своей пластичности. Нужный эффект достигается, когда в тонну стали добавлено всего 200 г металлического ниобия. А хромо-маргаицевой стали ниобий придает высокую износоустойчивость.

Ниобием легируют и многие цветные металлы. Так, алюминий, легко растворяющийся в щелочах, не реагирует с ними, если в него добавлено всего 0,05% ниобия. А медь, известную своей мягкостью, и многие ее сплавы ниобий словно закаляет. Он увеличивает прочность таких металлов, как титан, молибден, цирконий, и одновременно повышает их жаростойкость и жаропрочность.

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.

Химическая промышленность потребляет сравнительно немного ниобия, но это объясняется только его дефицитностью. Из ниобийсодержащих сплавов и реже из листового ниобия иногда делают аппаратуру для производства высокочистых кислот. Способность ниобия влиять на скорость некоторых химических реакций используется, например, при синтезе спирта из бутадиена.

Потребителями элемента №41 стали также ракетная и космическая техника. Не секрет, что на околоземных орбитах уже вращаются какие-то количества этого элемента. Из ниобийсодержащих сплавов и чистого ниобия сделаны некоторые детали ракет и бортовой аппаратуры искусственных спутников Земли.

Минералы ниобия

Колумбит (Fe, Mn) (Nb, Та)₂О₆ 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)₂O₆(O, OH, F) и лопарите (Na, Се, Са)₂ (Nb, Ti)₂O₆. 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 СССР есть большие запасы лопарита, они найдены на Кольском полуострове.

Розовый карбид

Монокарбид ниобия NbC – пластичное вещество с характерным розоватым блеском. Это важное соединение довольно легко образуется при взаимодействии металлического ниобия с углеводородами. Сочетание хорошей ковкости и высокой термостойкости с приятными «внешними данными» сделало мо-нокарбид ниобия ценным материалом для изготовления покрытий. Слой этого вещества толщиной всего 0,5 мм надежно защищает от коррозии при высоких температурах многие материалы, в частности графит, который другими покрытиями фактически незащатим. NbC используется и как конструкционный материал в ракетостроении и производстве турбин.

Нервы, сшитые ниобием

Высокая коррозионная стойкость ниобия позволила использовать его в медицине. Ниобиевые нити не вызывают раздражения живой ткани и хорошо сращиваются с ней. Восстановительная хирургия успешно использует такие нити для сшивания порванных сухожилий, кровеносных сосудов и даже нервов.

Наружность не обманчива

Ниобий не только обладает комплексом нужных технике свойств, но и выглядит достаточно красиво. Этот белый блестящий металл ювелиры пытались использовать для изготовления корпусов ручных часов. Сплавы ниобия с вольфрамом или рением иногда заменяют благородные металлы: золото, платину, иридий. Последнее особенно важно, так как сплав ниобия с рением не только внешне похож на металлический иридий, но почти так же износостоек. Это позволило некоторым странам обходиться без дорогого иридия в производстве напаек для перьев авторучек.

Ниобий и сварка

В конце 20-х годов нашего века электро-и газосварка стали вытеснять клепку и другие способы соединения узлов и деталей. Сварка повысила качество пзделий, ускорила и удешевила процессы их сборки. Особенно перспективной сварка казалась при монтаже крупных установок, работающих в коррозионно-активных средах или под большим давлением. Но тут выяснилось, что при сварке нержавеющей стали сварной шов имеет намного меньшую прочность, чем сама сталь. Чтобы улучшить свойства шва, в «нержавейку» стали вводить различные добавки. Лучшей из них оказался ниобий.

Заниженные цифры

Ниобий не случайно считается редким элементом: он действительно встречается не часто и в небольших количествах, причем всегда в виде минералов и никогда в самородном состоянии. Любопытная деталь: в разных справочных изданиях кларк (содержание в земной коре) ниобия разный. Это объясняется главным образом тем, что в последние годы в странах Африки найдены новые месторождения минералов, содержащих ниобий. В «Справочнике химика», т. 1 (М., «Химия», 1963) приведены цифры: 3,2·10^–5% (1939 г.), 1·10^–3% (1949 г.) и 2,4·10^–3% (1954 г.). Но и последние цифры занижены: африканские месторождения, открытые в последние годы, сюда не вошли. Тем не менее подсчитано, что из минералов уже известных месторождений можно выплавить примерно 1,5 млн т металлического ниобия.

• Молибден

• Оглавление

Дата публикации:

7 июля 2002 года

n-t.ru

Ниобий | Химия свойства элементов

Общие сведения и методы получения

Ниобий (Nb) — металл серо-стального цвета.

Открыт в 1801 г английским химиком Хатчетом в минерале, най­денном в Колумбии, и получил вследствие этого название «Колумбии».

В 1844 г. немецкий химик Розе «открыл» этот элемент вторичной, полагая, что он еще неизвестен, назвал «ниобием» в честь Ниобеи (до­чери Тантала)—мифологической богини слез. Позднее было установ­лено, что ниобий н Колумбии — один и тот же элемент.

Считают, что металлический ииобнй впервые был получен в 1866 г. шведским ученым Бломстрадом путем восстановления хлорида ниобия водородом. Компактный пластичный ниобий получил (1907 г.) немец­кий химик Болтон. В промышленных масштабах ниобий начали вы­пускать в конце тридцатых годов XX в.

 Он входит в состав около 100 минералов, большей частью представляющих собой сложные комплексные соли ииобиевой и танталовой кислот. В минера­лах в различных количествах содержатся железо, марганец, щелочные и щелочноземельные металлы, а также редкоземельные элементы, ти­тан, цирконий, торий, уран, олово, сурьма, висмут, вольфрам и др.

Наиболее важные минералы ниобия подразделяются на две группы:

1. Танталониобаты — соли ниобиевой и танталовой кислот. Основ­ными минералами в этой группе являются танталит и колумбит; в тан­талите преобладает тантал, в колумбите — ниобий. Общее содержание ниобия и тантала в этих минералах, выраженное в виде суммы двух оксидов (Nb₂0₅ + Ta₂0₅), составляет 82—86 %.

2. Титано (тантало) ниобаты — сложные соли титановой, ниобиевой (танталовой) кислот. Почти все минералы этой группы содержат ред­коземельные элементы. Соотношение между ниобием и танталом изме­няется в широких пределах, но большей частью преобладает ниобий. Наиболее важные минералы этой группы — пирохлор, лопарит, коппит, бетафит.

Наиболее важные промышленные источники ниобия — колумбит (50—76 % Nb₂0₅) и пирохлор (40—70 % Nb₂0₅). Меньшее значение имеют фаргусонит (38—58 % Nb^Os), эвксенит (21—34% Nb₂0₅) и ло­парит (7—20 % Nb₂0₅).

Основным способом обогащения руд, содержащих колумбит и тан­талит, является гравитационное обогащение. В результате получают коллективный концентрат, содержащий, помимо колумбита и танталита, также касситерит, вольфрамит и некоторые другие минералы. Дальней­шее обогащение ведут, применил флотацию и электромагнитные методы.

Пирохлоровые и лопаритовые руды обогащают в основном также гравитацией с последующим доведением до требуемых кондиций фло­тацией, электромагнитным и электростатическим методами.

Согласно техническим условиям, принятым в нашей стране, колум-битовые концентраты I сорта должны содержать не менее 60 % Nb₂Os, II сорта — не менее 50 % Nb₂0₅.

В пирохлоровых концентратах, предназначенных главным образом для выплавки феррониобия, должно содержаться не менее 37 % (Nb, Та)₂0₅, а в лопаритовом концентрате — не менее 8% (Nb, Та)Об.

Кроме рудных концентратов, существенным источником ниобия яв­ляются шлаки оловянных заводов, в которых при выплавке олова Из касситерита концентрируются оксиды ниобия. Шлаки содержат от 3 до 15 % (Nb, Та)₂0₅.

Металлический ниобий получают из рудных концентратов в три ста­дии: 1) вскрытие концентрата; 2) разделение ниобия и тантала и полу­чение их чистых химических соединений; 3) восстановление и рафини­рование металлического ниобия.

Для вскрытия концентратов танталита — колумбита применяют сплав­ление с щелочами (NaOH, КОН) или разложение плавиковой кислотой. Для вскрытия лопаритовых концентратов используют способ хлориро­вания и сернокислый способ.

Разделение тантала и ниобия и очистку их соединений от примесей осуществляют дробной кристаллизацией комплексных фтористых солей, экстракцией органическими растворителями, разделением с помощью ионообменных смол, ректификацией хлоридов, избирательным восста­новлением пятихлористого ниобия.

Основные промышленные методы получения металлического нио­бия— алюминотермический, натриетермический, карботермический.

При использовании всех методов, кроме алюминотермического, нио­бий получают в виде порошка; при алюмотермическом методе получа­ют сплав ниобия с алюминием, который удаляют при вакуумной перс-плавке.

Компактный металл производят либо методами порошковой метал­лургии, спекая спрессованные из порошков ниобия штабики в вакууме при 2573 К, либо электронно-лучевой и вакуумно-дуговой плавками. Вакуумным спеканием получают ниобий чистотой более 99,6 % Nb, дуговой плавкой — чистотой 99,7—99,8 % Nb, электронно-лучевой плав­кой—чистотой 99,88—99,9 % Nb.

Монокристаллы ниобия высокой чистоты получают бестигельной электронно-лучевой зонной плавкой.

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 41, атомная масса 92,906 а. е м, атомный объем 10,83*10^-6 м³/моль, атомный радиус 0,147 нм, ионный раднус Nb⁵+ 0,069 нм, Nb⁴⁺ 0,077 нм. Конфигурация внешних электронных оболочек 4d⁴5s’.

Химические свойства

Нормальный электродный потенциал реакции Nb — 3e =i =*Nb³⁺ <р₀ = —1,1 В. В соединениях проявляет степень окисления +1, +2, +3, +4, +5. Элек­трохимический эквивалент 0,19256 мг/Кл.

При нормальной температуре компактный ниобий на воздухе устой­чив. Окисление компактного металла начинается при 200—300 ⁰О, по­рошкообразного при 150 °С; выше 500 °С происходит быстрое окисление с образованием оксида Nb₂6₆.

Ниобий устойчив против действия соляной, серной, азотной, фосфор­ной и органических кислот любой концентрации на холоду и при 100— 150 °С. По стойкости в горячих соляной и серной кислотах он уступает танталу. Ниобий растворяется в плавиковой кислоте и особенно интен­сивно в смеси плавиковой н азотной кислот. Менее устойчив ниобий в щелочах. Горячие растворы едких щелочей заметно разъедают металл; в расплавленных щелочах и соде ниобий быстро окисляется с образо­ванием натриевой соли ниобиевой кислоты.

Характерным свойством ниобия является способность поглощать га­зы: водород, азот, кислород. Небольшие примеси этих элементов ока­зывают существенное влияние на механические и электрические свойства ниобия.

Кислород образует с ниобием твердый раствор внедрения и ряд ок­сидов: NbO, Nb0₂, Nb₂0₅. Оксиды NbO н Nb0₂ образуются при темпе­ратуре ниже 400″С, a Nb₂0₅ — при 400°С и выше. Оксид ниобия (И) NbO имеет г. ц. к. решетку с периодом а=0,4203 нм, плотность 7,260 Мг/м³, температура плавления 1935 “С. Оксид ниобия (IV) NbOj — полупроводник, структура тетрагональная (а = 0,482 нм, с=0,299 нм), температура плавления 2080 °С. Оксид ниобия (V) Nb₂O_s существует в трех модификациях: L — ниже 900 “С, М — в интервале 900—1100 °С и Я —выше 1100 °С. Низкотемпературная модификация имеет ортором-бическую структуру, плотность 4,950 Мг/м³, температура плавления 1510 “С.

Водород — наиболее вредная примесь в ниобии, сильно снижающая его пластичность. Компактный ниобий начинает взаимодействовать с водородом при 250 °С и очень быстро при 360 °С, образуя вначале твер­дый раствор, а затем гидрид (NbH), имеющий две модификации. По­глощение водорода носит обратимый характер: при нагревании в ва-

кууме выше 600 °С газ удаляется и механические свойства металла вос­станавливаются.

Ниобий поглощает азот уже при 600 °С, образуя раствор внедрения, при более высокой температуре образуется нитрид (NbN), температу­ра плавления которого 2300 °С. Азот может быть удален из твердого раствора в ниобии нагреванием выше 1900 °С в вакууме или вакуумной плавкой.

Углерод и углеродсодержащие газы (СО, СН₄) взаимодействуют с ниобием при 1200—1400°С с образованием твердого раствора и туго* плавких карбидов.

Ниобий с бором и кремнием образует тугоплавкие и твердые бориды (NbB, Nb₂B, NbB, Nb₃B₄, NbB₂) и силициды (NbSi₄, Nb₅Si₃, NbSi₂).

Известны два фосфида (NbP и NbP₂) и два сульфида (NbS, NbS₂) ниобия с узкими областями гомогенности.

С галогенами ниобий образует ряд галогенидов, оксигалогенидов и комплексных солей. Фтор действует на ниобий при комнатной темпера­туре, хлор — при температуре выше 200 °С, бром — выше 250 °С. Вые-шие хлориды и фториды ниобия (NbF₅ и NbCI₅) — легкоплавкие, лег­колетучие соединения, весьма гигроскопичны, в воде гидролизуются с образованием оксигалогенидов и гидратированных оксидов.

Ниобий взаимодействует с подавляющей частью элементов Перио­дической системы. По характеру этого взаимодействия все элементы классифицируются на четыре основные группы.

Первую группу составляют элементы, образующие с ниобием не­прерывные твердые растворы: Ti, Zr, Hf, V, Та, Мо и W.

Во вторую группу входят элементы, образующие с ниобием огра-ничейные твердые растворы: Си, Аи, Zn, Cd, Be, Ga, In, TI, B, Se, Y, La, Ac и лантаноиды: N, P, As, Sb, Bi, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir и Pt.

Третью группу составляют элементы VI и VII групп подгруппы Б, образующие с ниобием соединения с ионным или ковалентным типом связи: S, Se, Те, Ро, F, С1, В, А1.

Четвертую группу составляют элементы, ие взаимодействующие е ниобием: Li, Na, К, Pb, Cs, Fr, Са, Sr, и инертные газы: Не, Ne, Аг, Кг, Хс.

Ниобий обладает высокой химической стойкостью в различных аг­рессивных средах и, кроме того, отличается высокой стойкостью против воздействия расплавленных металлов, применяемых в качестве тепло­носителей в реакторах.

Технологические свойства

Чистый ниобий легко поддается обработке давлением (ковке, прокатке, волочению) и хорошо деформируется в холодном состоянии, сравни­тельно медленно при этом нагартовываясь. Учитывая, что при нагреве ниобий поглощает водород, азот, кислород, которые оказывают отри­цательное влияние на его пластичность, горячая деформация возможна только при применении специальной защиты (например, деформация в среде инертного газа). После обжатия с высокой степенью (70—95 %) листы (нли другие изделия) перед дальнейшей холодной деформацией подвергают отжигу при 1100—1300 °С в среде инертного газа или в ва­кууме. Отжиг готовых изделий производят в основном для снятия на­пряжений, вызванных обработкой давлением (или резанием), при 900— 1000 °С, в течение 1—5 ч, также в среде инертного газа или в вакууме.

Температура рекристаллизации ниобия повышается с увеличением содержания кислорода и других газов. Температура начала рекристал­лизации чистого ниобия 930—940 °С, полная рекристаллизация проис­ходит при 1200 °С.

Легирование ниобия вольфрамом, танталом, цирконием, молибде­ном повышает температуру рекристаллизации на 220—250 °С.

Ниобий хорошо сваривается с титаном, медью, цирконием и други» ми металлами. Сварку ведут в вакууме или нейтральной среде, приме» няя различные виды дуговой и электронно-лучевой сварки. При пайка на ниобий предварительно наносят электролитическим путем слой меди или никеля.

Обработку ниобия резанием можно производить обычными режущи­ми инструментами, но в связи со склонностью к налипанию требуется применять специальные смазочно-охлаждающие жидкости.

Области применения

Наиболее важные области применения чистого ниобия — производство жаропрочных и других сплавов, атомная энергетика и химическое ап-паратостроение. Металл используется для легирования медных, никеле­вых и других цветных сплавов с целью повышения их прочности и жа­ропрочности. В виде ферросплавов ниобий добавляют в различные стали для придания им необходимых физико-механических свойств. Ма­лые добавки ниобия модифицируют структуру и способствуют повы­шению коррозионной стойкости алюминиевых сплавов. Будучи введен в титановые сплавы, ниобий повышает их прочность и коррозионную стойкость. Небольшие присадки ниобия применяются для создания сплавов с особыми физико-химическими свойствами (с повышенной элек­трической проводимостью и теплопроводностью, коррозионной стойко­стью и др.).

Некоторые соединения ниобия (карбиды, бориды) используются при производстве сверхтвердых металлокерамических сплавов для повыше­ния их стойкости против износа и выкрашивания при механической об­работке сталей.

Благодаря отсутствию значительного взаимодействия с ураном, плу« тонием и жидкометаллическими теплоносителями, а также высокой устойчивости при облучении и сравнительно небольшому захвату теп­ловых нейтронов, ниобий и его сплавы представляют собой ценные кон­струкционные материалы для атомной энергетики и ракетостроения.

В последние годы большое значение в атомной технике приобрели сверхпроводящие ниобиевые сплавы; их используют при создании сверх» мощных магнитов для новых атомных ускорителей, для отражателей горячей плазмы в термоядерных установках, а также при создании кван­товых генераторов.

Ниобиевые жаропрочные сплавы используют в авиационных реак­тивных двигателях для изготовления турбинных дисков н неохлаждае-» мых турбинных лопаток взамен охлаждаемых. Кроме того, ниобий применяют для обшивки кромок крыльев и стабилизаторов в сверхзву­ковых самолетах, а также для изготовления различных деталей и узлов, работающих при высоких температурах.

Ниобий — один из важных конструкционных материалов, применяе­мых в радиотехнической и электротехнической промышленности (элек­тронные лампы радарных установок, катоды косвенного нагрева мощ­ных генераторных ламп и др.).

Антикоррозионные свойства ниобия позволяют применять его в ка­честве химически стойкого материала в теплообменниках и конденса­торах, для облицовки цистерн, для изготовления фильтров, мешалок, трубопроводов и других деталей аппаратов химической промышленно­сти. Соединения ниобия (в частности, Nb₂0₅) применяют в качестве ка­тализаторов в химической промышленности, в производстве специаль­ных стекол и т. д.

Применение ниобия и его сплавов в аппаратуре химического маши­ностроения позволяет резко увеличить срок его службы и в ряде слу­чаев способствует интенсификации процессов химического производ­ства.

ibrain.kz

Химические элементы, история открытий, изотопный состав

priroda.inc.ru