Приложение на ниобий. Производство на ниобий в Русия

Човечеството отдавна е запознато с елемента, който заема 41-та клетка в периодичната таблица. Сегашното му име ниобий е почти половин век по-младо. Случи се така, че елемент No41 беше отворен два пъти. За първи път през 1801 г. английският учен Чарлз Хачет изследва проба от истинския минерал, изпратена в Британския музей от Америка. От този минерал той изолира оксида на неизвестен досега елемент. Hatchet нарече новия елемент columbium, като по този начин отбеляза отвъдморския му произход. И черният минерал се нарича колумбит.

Година по-късно шведският химик Екеберг изолира оксида на друг нов елемент от колумбита, наречен тантал. Сходството между съединенията Колумбия и тантал беше толкова голямо, че в продължение на 40 години повечето химици вярваха, че танталът и колумбият са един и същ елемент.

През 1844 г. немският химик Хайнрих Розе изследва проби от колумбит, намерени в Бавария. Той отново открива оксиди на два метала. Един от тях беше оксидът на вече познатия тантал. Оксидите били сходни и, подчертавайки сходството им, Роуз нарекъл елемента, образуващ втория оксид ниобий, след Ниоба, дъщерята на митологичния мъченик Тантал.

Но Роуз, подобно на Хатчет, не успя да получи този елемент в свободно състояние.

Металният ниобий е получен за първи път едва през 1866 г. от шведския учен Бломстранд по време на редукция на ниобиев хлорид с водород. IN края на XIX V. бяха намерени още два начина за получаване на този елемент. Първо, Moissan го получава в електрическа пещ, редуцирайки ниобиев оксид с въглерод, а след това Goldschmidt успява да редуцира същия елемент с алуминий.

И извикайте елемент № 41 в различни странипродължи по различни начини: в Англия и САЩ - с Колумбия, в други страни - с ниобий. Международният съюз за чиста и приложна химия (IUPAC) сложи край на този спор през 1950 г. Беше решено да се легитимира името на елемента „ниобий“ навсякъде и името „колумбит“ беше присвоено на основния минерал ниобий. Формулата му е (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6.

През очите на химик

Елементарният ниобий е изключително огнеупорен (2468°C) и висококипящ (4927°C) метал, много устойчив на много агресивни среди. Всички киселини, с изключение на флуороводородна киселина, нямат ефект върху него. Окислителните киселини "пасивират" ниобия, покривайки го със защитен оксиден филм (№ 205). Но когато високи температурихимическата активност на ниобия се повишава. Ако при 150...200°C се окислява само малък повърхностен слой метал, то при 900...1200°C дебелината на оксидния филм се увеличава значително.

Ниобият реагира активно с много неметали. Халогените, азотът, водородът, въглеродът и сярата образуват съединения с него. В този случай ниобият може да проявява различни валентности - от две до пет. Но основната валентност на този елемент е 5+. Петвалентният ниобий може да присъства в солта както като катион, така и като един от анионните елементи, което показва амфотерността на елемент № 41.

Солите на ниобовата киселина се наричат ​​ниобати. Те се получават в резултат на обменни реакции след сливане на ниобиев пентоксид със сода:

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

Солите на няколко ниобови киселини са проучени доста добре, предимно метаниобий HNbO 3 , както и диниобати и пентаниобати (K 4 Nb 2 O 7 , K 7 Nb 5 O 16 · м H2O). А солите, в които елемент No 41 действа като катион, обикновено се получават чрез директно взаимодействие прости вещества, например 2Nb + 5Cl 2 → 2NbCl 5.

Ярко оцветени игловидни кристали на ниобиеви пентахалиди (NbCl - жълт, NbBr 5 - лилаво-червен) лесно се разтварят в органични разтворители - хлороформ, етер, алкохол. Но когато се разтворят във вода, тези съединения напълно се разлагат и хидролизират, за да образуват ниобати:

NbCl 5 + 4H 2 O → 5HCl + H 3 NbO 4.

Хидролизата може да бъде предотвратена, ако воден разтвордобавете малко силна киселина. В такива разтвори пентахалидите на ниобия се разтварят без хидролиза.

Ниобият образува двойни соли и комплексни съединения, най-лесно флуорид. Флуорониобатите са името на тези двойни соли. Те се получават, ако флуорид от всеки метал се добави към разтвор на ниобова и флуороводородна киселина.

Съставът на комплексното съединение зависи от съотношението на компонентите, реагиращи в разтвора. Рентгеновият анализ на едно от тези съединения показва структура, съответстваща на формулата K 2 NbF 7 . Могат да се образуват и ниобиеви оксосъединения, например калиев оксофлуоринпобат K 2 NbOF 5 H 2 O.

Разбира се, химичните характеристики на елемента не се изчерпват с тази информация. Днес най-важните съединения на елемент 41 са тези с други метали.

Ниобий и свръхпроводимост

Удивителното явление на свръхпроводимостта, когато температурата на проводника се понижава, в него възниква рязко изчезване на електрическо съпротивление, за първи път е наблюдавано от холандския физик Г. Камерлинг-Онес през 1911 г. Първият свръхпроводник се оказва живак, но не той, а ниобият и някои интерметални съединения на ниобия са предназначени да станат първите технически важни свръхпроводящи материали.

Практически важни са две характеристики на свръхпроводниците: стойността на критичната температура, при която настъпва преходът към състояние на свръхпроводимост, и критичната магнитно поле(Kamerlingh Onnes също наблюдава загубата на свръхпроводимост от свръхпроводник, когато е изложен на достатъчно силно магнитно поле). От 1 януари 1975 г. свръхпроводникът - "рекордьор" за критична температура - е интерметалното съединение на ниобий и германий със състав Nb 3 Ge. Критичната му температура е 23,2°K; Това е по-високо от точката на кипене на водорода. (Повечето известни свръхпроводници стават свръхпроводници само при температурата на течния хелий).

Способността за преминаване към състояние на свръхпроводимост е характерна и за ниобиев станид Nb 3 Sn, сплави на ниобий с алуминий и германий или с титан и цирконий. Всички тези сплави и съединения вече се използват за направата на свръхпроводящи соленоиди, както и някои други важни технически устройства.

Ниобий – метал

Металният ниобий може да бъде получен чрез редуциране на неговите съединения, като ниобиев хлорид или калиев флуор-ниобат, при висока температура:

K 2 NbF 7 + 5Na → Nb + 2KF + 5NaF.

Но преди да достигне този по същество краен етап на производство, ниобиевата руда преминава през много етапи на обработка. Първият от тях е обогатяване на руда, получаване на концентрати. Концентратът се слива с различни флюси: сода каустик или сода. Получената сплав се излугва. Но не се разтваря напълно. Неразтворимата утайка е ниобий. Вярно е, че все още е в състава на хидроксид, не е отделен от своя аналог в подгрупата - тантал - и не е пречистен от някои примеси.

До 1866 г. не е бил известен промишлено подходящ метод за разделяне на тантал и ниобий. Първият метод за разделяне на тези изключително сходни елементи е предложен от Jean Charles Galissard de Marignac. Методът се основава на различната разтворимост на комплексните съединения на тези метали и се нарича флуорид. Сложният танталов флуорид е неразтворим във вода, но аналогичното ниобиево съединение е разтворимо.

Флуорният метод е сложен и не позволява пълно разделяне на ниобий и тантал. Ето защо в наши дни почти не се използва. Той беше заменен от методи на селективна екстракция, йонен обмен, ректификация на халогениди и др. Тези методи се използват за получаване на петвалентен ниобиев оксид и хлорид.

След разделянето на ниобий и тантал настъпва основната операция - редукция. Ниобиев пентоксид Nb 2 O 5 се редуцира с алуминиев, натриев, сажди или ниобиев карбид, получен чрез взаимодействие на Nb 2 O 5 с въглерод; Ниобиевият пентахлорид се редуцира с метален натрий или натриева амалгама. Така се получава прахообразен ниобий, който след това трябва да се превърне в монолит, да се направи пластичен, компактен и подходящ за обработка. Подобно на други огнеупорни метали, ниобиевият монолит се произвежда чрез методи на прахова металургия, чиято същност е следната.

Полученият метален прах се пресова под високо налягане (1 t/cm2) в така наречените пръти с правоъгълно или квадратно напречно сечение. Във вакуум при 2300°C тези пръти се синтероват и комбинират в пръти, които се стопяват във вакуумни дъгови пещи, а прътите в тези пещи действат като електрод. Този процес се нарича топене на консумативен електрод.

Монокристален пластмасов ниобий се произвежда чрез електронно лъчево топене в зона без тигел. Същността му е, че мощен лъч електрони се насочва към прахообразен ниобий (операциите по пресоване и синтероване са изключени!), който разтопява праха. Капки метал се стичат върху ниобиевия слитък, който постепенно нараства и се отстранява от работната камера.

Както можете да видите, пътят на ниобия от рудата до метала във всеки случай е доста дълъг, а методите на производство са сложни.

Ниобий и метали

Най-логично е да започнем историята за използването на ниобий с металургията, тъй като именно в металургията той намери най-много широко приложение. И в цветната металургия, и в черната металургия.

Стоманата, легирана с ниобий, има добра устойчивост на корозия. „И какво? – ще каже друг опитен читател. „Хромът също повишава корозионната устойчивост на стоманата и е много по-евтин от ниобия.“ Този читател е прав и греши едновременно. Грешка, защото забравих за едно нещо.

Хром-никелова стомана, както всяка друга, винаги съдържа въглерод. Но въглеродът се комбинира с хром, за да образува карбид, което прави стоманата по-крехка. Ниобият има по-голям афинитет към въглерода от хрома. Следователно, когато ниобий се добави към стоманата, непременно се образува ниобиев карбид. Стоманата, легирана с ниобий, придобива високи антикорозионни свойства и не губи своята пластичност. Желаният ефект се постига, когато към тон стомана се добавят само 200 g метален ниобий. А ниобият придава висока устойчивост на износване на хром-манганова стомана.

Много цветни метали също са легирани с ниобий. Така алуминият, който лесно се разтваря в основи, не реагира с тях, ако към него се добавят само 0,05% ниобий. А медта, известна със своята мекота, и много от нейните сплави изглежда са закалени от ниобий. Повишава здравината на метали като титан, молибден, цирконий, като в същото време повишава тяхната топлоустойчивост и устойчивост на топлина.

Сега свойствата и възможностите на ниобия са оценени от авиацията, машиностроенето, радиотехниката, химическа индустрия, ядрена енергия. Всички те станаха потребители на ниобий.

Уникалното свойство - липсата на забележимо взаимодействие на ниобий с уран при температури до 1100 ° C и в допълнение добра топлопроводимост, малко ефективно напречно сечение на поглъщане на топлинни неутрони - направи ниобия сериозен конкурент на металите, признати в ядрената индустрия - алуминий, берилий и цирконий. В допълнение, изкуствената (предизвикана) радиоактивност на ниобия е ниска. Следователно може да се използва за направата на контейнери за съхранение радиоактивен отпадъкили инсталации за тяхното използване.

Химическата промишленост консумира сравнително малко ниобий, но това може да се обясни само с неговия недостиг. Оборудването за производство на киселини с висока чистота понякога се прави от ниобий-съдържащи сплави и по-рядко от листов ниобий. Способността на ниобия да влияе върху скоростта на някои химична реакцияизползвани например при синтеза на алкохол от бутадиен.

Потребители на елемент №41 станаха и ракетно-космическата техника. Не е тайна, че някои количества от този елемент вече се въртят в околоземни орбити. Някои части на ракетите и бордовото оборудване са направени от ниобий-съдържащи сплави и чист ниобий изкуствени спътнициЗемята.

Ниобиеви минерали

Колумбитът (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6 е първият ниобиев минерал, познати на човечеството. И същият този минерал е най-богатият на елемент No41. Оксидите на ниобия и тантала представляват до 80% от теглото на колумбита. Има много по-малко ниобий в пирохлор (Ca, Na) 2 (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 (O, OH, F) и лопарит (Na, Ce, Ca) 2 (Nb, Ti) 2 O 6. Общо са известни повече от 100 минерала, които съдържат ниобий. Има значителни находища на такива минерали в различни страни: САЩ, Канада, Норвегия, Финландия, но африканската държава Нигерия се превърна в най-големия доставчик на ниобиеви концентрати на световния пазар. СССР има големи запаси от лопарит, открити са на полуостров Кола.

Розов карбид

Ниобиевият монокарбид NbC е пластично вещество с характерен розов блясък. Това важно съединение се образува доста лесно, когато металният ниобий реагира с въглеводороди. Комбинацията от добра ковкост и висока устойчивост на топлина с приятни „външни свойства“ направи ниобиев монокарбид ценен материалза производство на покрития. Слой от това вещество с дебелина само 0,5 mm надеждно защитава много материали от корозия при високи температури, по-специално графит, който е практически незащитен от други покрития. NbC се използва и като структурен материал в ракетната наука и производството на турбини.

Нерви, омрежени с ниобий

Високата устойчивост на корозия на ниобия направи възможно използването му в медицината. Ниобиевите нишки не предизвикват дразнене на живата тъкан и прилепват добре към нея. Реконструктивната хирургия успешно използва такива конци за зашиване на разкъсани сухожилия, кръвоносни съдове и дори нерви.

Външният вид не лъже

Ниобият не само има набор от свойства, необходими за технологията, но и изглежда доста красив. Бижутерите се опитаха да използват този бял лъскав метал, за да направят кутии. ръчен часовник. Сплави на ниобий с волфрам или рений понякога заместват благородни метали: злато, платина, иридий. Последното е особено важно, тъй като ниобиево-рениевата сплав не само изглежда подобно на металния иридий, но е почти толкова устойчива на износване. Това позволи на някои страни да се справят без скъпия иридий при производството на върхове за запояване за писци на писалки.

Ниобий и заваряване

В края на 20-те години на нашия век електрическото и газовото заваряване започнаха да заменят занитването и други методи за свързване на компоненти и части. Заваряването подобри качеството на продуктите, като ускори и намали цената на процесите на тяхното сглобяване. Заваряването изглеждаше особено обещаващо за инсталирането на големи инсталации, работещи в корозивни среди или под високо налягане. Но след това се оказа, че при заваряване на неръждаема стомана заваръчният шев има много по-малка здравина от самата стомана. За да се подобрят свойствата на шева, в „неръждаемата стомана“ започнаха да се въвеждат различни добавки. Най-добрият от тях се оказа ниобият.

Подценени цифри

Неслучайно ниобият се счита за рядък елемент: той наистина се среща рядко и в малки количества, винаги под формата на минерали и никога в естествено състояние. Интересна подробност: в различни справочни публикации кларкът (съдържанието в земната кора) на ниобия е различен. Това се дължи най-вече на факта, че в последните годиниВ африканските страни са открити нови находища на минерали, съдържащи ниобий. Наръчникът на химика, том 1 (М., Химия, 1963) дава следните цифри: 3,2 10 –5% (1939), 1 10 –3% (1949) и 2, 4·10 –3% (1954). Но последните данни също са подценени: африканските находища, открити през последните години, не са включени тук. Въпреки това се смята, че приблизително 1,5 милиона тона метален ниобий могат да бъдат претопени от минерали на вече известни находища.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Ниобий- четиридесет и първи елемент периодичната таблица. Обозначение - Nb от латинското "ниобий". Намира се в пети период, VBA група. Отнася се за метали. Ядреният заряд е 41.

Земната кора съдържа 0,002% (маса) ниобий. Този елемент в много отношения е подобен на ванадий. В свободно състояние той е огнеупорен метал, твърд, но не чуплив, податлив на механична обработка (фиг. 1. Плътността на ниобия е 8,57 g / cm 3, точка на топене - 2500 o C.

Ниобият е стабилен в много агресивни среди. Не се влияе от солна киселина и царска вода, тъй като на повърхността на този метал се образува тънък, но много здрав и химически устойчив оксиден филм.

Ориз. 1. Ниобий. Външен вид.

Атомна и молекулна маса на ниобия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относителна молекулна маса на веществото (M r)е число, показващо колко пъти масата на дадена молекула е по-голяма от 1/12 масата на въглероден атом, и роднина атомна масаелемент (A r)- колко пъти средната маса на атомите химичен елементповече от 1/12 от масата на въглероден атом.

Тъй като ниобият съществува в свободно състояние под формата на моноатомни Nb молекули, стойностите на неговите атомни и молекулно теглосъвпада. Те са равни на 92,9063.

Изотопи на ниобий

Известно е, че в природата ниобият може да се намери под формата на единствения стабилен изотоп 93 Nb. Масовото число е 93, ядрото на атома съдържа четиридесет и един протона и петдесет и два неутрона.

Има изкуствени нестабилни изотопи на циркония с масови числа от 81 до 113, както и двадесет и пет изомерни състояния на ядра, сред които най-дълго живеещият изотоп 92 Nb с период на полуразпад от 34,7 милиона години.

Ниобиеви йони

На външното енергийно ниво на ниобиевия атом има пет електрона, които са валентни:

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

В резултат на химично взаимодействие ниобият отдава своите валентни електрони, т.е. е техен донор и се превръща в положително зареден йон:

Nb 0 -1e → Nb + ;

Nb 0 -2e → Nb 2+ ;

Nb 0 -3e → Nb 3+ ;

Nb 0 -4e → Nb 4+ ;

Nb 0 -5e → Nb 5+ .

Молекула и атом на ниобий

В свободно състояние ниобият съществува под формата на моноатомни Nb молекули. Ето някои свойства, характеризиращи атома и молекулата на ниобия:

Ниобиеви сплави

Ниобият е един от компонентите на много топлоустойчиви и устойчиви на корозия сплави. Особено голямо значениеимат топлоустойчиви ниобиеви сплави, които се използват в производството на газови турбини, реактивни двигатели, ракети.

Ниобият се въвежда и в неръждаемите стомани. Драстично подобрява техните механични свойства и устойчивост на корозия. Стоманите, съдържащи от 1 до 4% ниобий, се характеризират с висока топлоустойчивост и се използват като материал за производство на котли с високо налягане.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Физичните свойства на ниобия Nb са дадени в зависимост от температурата в диапазона от -223 до 2527°C. Разглеждат се следните свойства на твърдия и течния ниобий:

• плътност на ниобий д;
• специфичен масов топлинен капацитет C p;
• коефициент на топлопроводимост а;
• коефициент на топлопроводимост λ ;
• специфичен електрическо съпротивление ρ ;
• коефициент на линейно термично разширение α .

Физични свойстваниобий зависят по различен начин от температурата. Промяната му има най-голямо влияниевърху електрическото съпротивление на ниобия. Например, когато температурата на този метал се повиши от 0°C до точката на топене, неговото съпротивление се увеличава повече от 8 пъти (до стойност от 109·10 -8 Ohm·m).

Ниобият е пластичен, огнеупорен метал с точка на топене 2477°C и плътност 8570 kg/m 3 (при 20°C). Точката на кипене на ниобия е 4744°C, структурата на решетката е обемно центрирана кубична с период от 0,33 nm.

Плътността на ниобия намалява при нагряване. Ниобият в разтопено състояние има значително по-ниска плътност, отколкото в твърдо състояние: при температура 2477°C плътността на течния ниобий е 7580 kg/m 3 .

Специфичният топлинен капацитет на ниобия при стайна температура е 268 J/(kg deg) и се увеличава при нагряване. Имайте предвид, че по време на топенето стойността на това физическо свойство на ниобия се променя леко, а в течно състояние неговият специфичен топлинен капацитет е 1,7 пъти по-голям от класическата стойност 3R.

Топлинната проводимост на ниобия при 0°C е 48 W/(m deg), тя е близка по размер. Температурната зависимост на коефициента на топлопроводимост на ниобия се характеризира с плосък минимум в областта на стайната температура и положителен температурен коефициент- над 230°C. Когато ниобият се приближи до точката на топене, неговата топлопроводимост се увеличава.

Коефициентът на топлопроводимост на ниобия също има лек минимум близо до стайните температури и след това лек максимум при 900...1500°C. Коефициентът на термично линейно разширение на ниобия е относително нисък. Той е сравним по стойност с коефициента на разширение на метали като волфрам, иридий и.

0,145 nm, (координационното число е посочено в скоби) Nb 2+ 0,085 nm (6), Nb 3+ 0,086 nm (6), Nb 4+ 0,082 nm (6), 0,092 nm (8), Nb 5 + 0,062 nm ( 4), 0,078 nm (6), 0,083 nm (7), 0,088 nm (8).

Съдържание в земната кора 2. 10 -3% от теглото. Обикновено се среща в природата заедно с Та. Наиб. важни са колумбит-танталит и лопарит. Колумбит-танталит (Fe,Mn)(Nb,Ta) 2 O 6 съдържа 82-86% Nb и Ta. Когато съдържанието на ниобий е по-високо от Ta, се нарича. колумбит, с обратно съотношение - танталит. (Na,Ca,Ce)2(Nb,Ti)2(OH,F)O6 обикновено съдържа 37,5-65,6% Nb2O5; лопарит (Na,Ce,Ca,SrXNb,Ti)O 3 -8-10% Nb 2 O 5 . ниобият е слабо парамагнитен и радиоактивен поради примесите на U и Th.

Колумбитът се намира в магмени пегматити, биотити и алкални гранити, понякога в разсипни находища (Нигерия) и често се добива като страничен продукт от обогатяването на калаени концентрати. намерени в карбонатити, алкални (Канада), нефелин-сиенитни пегматити, в елувиални продукти на изветряне на сиенит-карбонатити (Бразилия). В СССР има големи находища на лопарит.

Общите световни запаси от ниобий (без СССР) се оценяват (1980 г.) на 18 милиона тона в промишлени количества. депозити - ок. 3,4 милиона тона (от които 3,2 милиона тона в Бразилия).

Имоти.Ниобият е лъскав сребристосив; кристал-сталих. центрирана решетка кубичен тип a-Fe, a = 0,3294 nm, z = 2, пространство. Im3m група; т.т. 2477 °C, т.к. ДОБРЕ. 4760 °C; плътен 8,57 g/cm3; C 0 p 24.44 J/(.K); DH 0 pl 31,0 kJ/ (2477 °C), DH 0 ex 720 kJ/ (0 K), DH 0 ex 662 kJ/ (4760 °C); S 0 298 36.27 JDmol K); ниво температурна зависимоствърху течен ниобий: logр(Pa) = 13.877-40169/T (2304<= Т<= 2596 К); температурный коэф. линейного расширения 7,1 . 10 -6 К -1 (0-100 °С); 52,3 Вт/(м. К) при 20 °С и 65,2 Вт/(м. К) при 600 °С; r 1,522 . 10 -9 Ом. м при 0°С, температурный коэф. r 3,95 х х 10 -3 К -1 (0-100°С). Ниобий парамагнитен, уд. магн. восприимчивость + 2,28 . 10 -6 (18 °С). Т-ра перехода в сверхпрово-дящее состояние 9,28 К.

Чистият ниобий лесно се обработва на студено; топлоустойчив; s нарастване 342 MPa (20 °C) и 312 MPa (800 °C); се отнася удължение 19,2% (20 °C) и 20,7% (800 °C); по Бринел 450 МРа за чисто и 750-1800 МРа за техническо. Примесите на H, N, C и O намаляват ниобия и го увеличават. Ниобият преминава в крехко състояние при температури от -100 до -200°C.

Химически ниобият е доста стабилен. В компактна форма започва да се окислява над 200 °C, предизвиквайки взаимодействие. с Cl 2 над 200 ° C, с F 2 и H 2 - над 250 ° C (интензивно с H 2 - при 360 ° C), с N 2 - над 400 ° C, с C и въглеводороди - при 1200-1600 ° СЪС. Не се разтваря на студено. в, солна и сярна киселина, не реагира с HNO 3, H 3 PO 4, HClO 4, воден разтвор на NH 3. Устойчив на топене. Li, Na, K, Sn, Pb, Bi, а също и Hg. Sol. във флуороводородна киселина, нейните смеси с HNO 3, в стопилка. NH4HF2 и NaOH. Обратимо абсорбира H 2, образувайки твърд интерстициален разтвор (до 10 at.% H) и състава NbH x (x = 0,7-1,0) с ромбичен. кристален решетка; за NbH 0.761 DH 0 arr - 74.0 kJ/; pH в ниобия варира от 104 cm 3 /g при 20 °C до 4,0 cm 3 /g при 900 °C, над 1000 °C H 2 е практически неразтворим. в ниобий. също се образуват в първите етапи на ниобий в хидрофлуориднапример сместа му с HNO 3 и NH 4 HF 2, както и с ниобий (по този начин се получава NbH 2,00). ниобий и при нагряване използвани за получаване на фино диспергирани .

Когато ниобият взаимодейства с C, се образува една от трите фази: твърд разтвор C in, Nb 2 C или NbC. Твърдият разтвор съдържа 2 at. % С при 2000 ° С; Стойността на рН на С в ниобия пада рязко с понижаване на температурата. Карбидът Nb 2 C образува три полиморфа: ромбичната форма е стабилна до 1230 °C. а-фаза (пространствена група Pbcn), при 1230°C се трансформира. към шестоъгълник. b-фаза (пространствена група P6 3 22), която при 2450 °C се трансформира в друг шестоъгълник. -g-фаза (пространствена група P6 3 /mmc); т.т. ДОБРЕ. 2990 °C (неконгруентно, с отделяне на твърд NbС x). За a-Nb 2 C: C 0 p 63,51 J/( .K); DH 0 arr - 188 kJ/; S 0 298 64,10 JDmol. ДА СЕ); температура на преход към свръхпроводящо състояние 9,2 K. NbC кристали или сиво-кафяв цвят, диапазон на хомогенност от NbC 0,70 до NbC 1,0; при 377 °C се наблюдава полиморфен преход, високотемпературен куб. фаза (a = 0,4458 nm, пространствена група Pm3m, плътност 7,81 g/cm3) се топи неконгруентно при прибл. 3390 °C; DH 0 arr - 135 kJ/; S 0 298 35.4 JDmol K); температурата на преход към свръхпроводящо състояние е 12,1 K. NbC фазата 0,80 има точка на топене. ~ 3620 °C. NbC образува твърди разтвори с TaC, TiC, ZrC и др. В индустрията на NbC се получава взаимодействие. Nb 2 O 5 с прибл. 1800 °C в Н2; М.Б. също получени от елементите или чрез нагряване на летливи ниобиеви халиди до 2300-2900 °C.

В системата Nb-N се образуват: твърд интерстициален разтвор в ниобий (а-фаза), нитриди Nb 2 N (хексагонална p-фаза) и NbN (кубична d- и хексагонална q-фаза) и др. фази P-стойност на N 2 в ниобий при атм. описано от уравнението c = 180exp(- 57300/RT) при. % (1073<= T<= 1873 К). b-Фаза гомогенна в области NbN 0,4 -NbN 0,5 ; для нее а = 0,3056 нм с = 0,4995 нм, пространств. группа Р6 3 /ттс- С 0 p 67 ДжДмоль. К); DH 0 обр - 249 кДж/ ; S 0 298 79 ДжДмоль. К). Светло-серая с желтоватым блеском d-фаза гомогенна в области NbN 0,88 -NbN l,06 , для нее а = 0,4373-0,4397 нм, пространств. группа Fm3m. Для q-фа-зы: С 0 р 37,5 ДжДмоль. К), DH 0 oбр -234 кДж/ , S 0 298 33,3 ДжДмоль К). не раств. в соляной к-те, HNO 3 и H 2 SO 4 , при кипячении со выделяют NH 3 , при нагр. на окисляются. Т-ры перехода в сверхпроводящее состояние для NbN x с x = 0,80, 0,90, 0,93 и 1,00 равны соотв. 13,8, 16,0, 16,3 и 16,05 К. получают нагреванием или ниобия в N 2 или NH 3 до 1100-1800 °С или взаимод. летучих галогенидов ниобия с NH 3 . Известны карбо- (получают взаимод. Nb, N 2 или NH 3 с выше 1200°С) и оксинитриды ниобия.

Касова бележка.ДОБРЕ. 95% от ниобия се получава от пирохлор, тан-талит-колумбит и лопаритни скали. обогатяват гравитационните методи и, както и електромагнитни. или радиометричен , изолиране на пирохлорни и колумбитови концентрати със съдържание на Nb 2 O 5 до 60%.

Концентратите се преработват до ферониобий или техн. Nb 2 O 5, по-рядко до NbCl 5 и K 2 NbF 7 (виж). Металният ниобий се получава от Nb 2 O 5, K 2 NbF 7 или NbCl 5.

При производството на ферониобий смес от пирохлорни концентрати с Fe 2 O 3, прахообразен Al и флюс се зареждат във вертикални стоманени или медни реактори с водно охлаждане и се използват специални. предпазителят започва екзотермично. r-ции: 3Nb 2 O 5 + 10Al6Nb + + 5Al 2 O 3; Fe 2 O 3 + 2Al2Fe + Al 2 O 3. След това шлаката се отцежда, охлажда се и полученият материал се раздробява. Добивът на ниобий в слитък с тегло на зареждане на концентрата до 18 тона достига 98%.

техн. Nb 2 O 5 Nb и Ta се получават от концентрати и шлаки от топене на калай чрез действието на флуороводородна киселина с последната. пречистване и разделяне на Nb и Ta със 100% циклохексанон (рядко други екстрагенти), повторна екстракция на ниобий чрез действието на воден разтвор на NH 4 F от повторния екстракт на Nb и калциниране.

Съгласно сулфатния метод, концентратите се третират с H 2 SO 4 или неговата смес с (NH 4) 2 SO 4 при 150-300 ° C, разтворите се излугват, Nb и Ta се отделят от Ti, Nb и Ta се отделят и пречистени от техните флуоридни или оксофлуоридни комплекси, след което освобождават Nb 2 O 5 .

Хлоридният метод включва смесване на концентрата с, брикетиране и брикети в мина при 700-800 ° C или директно прахообразен концентрат и в солен хлорид на базата на NaCl и KCl. След това летливите Nb и Ta се отделят, разделят и пречистват, а ниобиевата утайка се отделя с калциниране. Ферониобият или отпадъците понякога се хлорират.

Nb 2 O 5 се редуцира до алумино- или карботермално или чрез нагряване на смес от Nb 2 O 5 и NbC при 1800-1900 °C. Използва се и натриотермичен. K 2 NbF 7, електролитен Nb 2 O 5 или K 2 NbF 7 в K 2 NbF 7 и . Особено чист или покрития от ниобий върху други се получават от NbCl 5 при температури над 1000°C.

Прахообразният ниобий се брикетира, синтерова на пръчки и се стопява с помощта на електрическа дъга или електронен лъч. В началните етапи на пречистване се използва и с консуматив KCl-NaCl.

Истинска, емпирична или груба формула: Nb

Молекулно тегло: 92.906

Ниобий- елемент от вторичната подгрупа на петата група от петия период на периодичната система от химични елементи на Д. И. Менделеев, атомен номер - 41. Означава се със символа Nb (лат. Ниобий). Простото вещество ниобий (CAS номер: 7440-03-1) е лъскав метал със сребристосив цвят с кубична центрирана кристална решетка от типа α-Fe, a = 0,3294. За ниобия са известни изотопи с масови числа от 81 до 113.

История

Ниобият е открит през 1801 г. от английския учен Чарлз Хачет в минерал, изпратен през 1734 г. в Британския музей от Масачузетс от Джон Уинтроп (внук на Джон Уинтроп младши). Минералът е кръстен колумбит, а химичният елемент е наречен колумбий (Cb) на името на страната, от която е получена пробата - Колумбия (тогава синоним на САЩ).
През 1802 г. А. Г. Екеберг открива тантал, който съвпада в почти всички химични свойства с ниобия, поради което дълго време се смяташе, че това е един и същ елемент. Едва през 1844 г. немският химик Хайнрих Розе установява, че това е различен елемент от тантала и го преименува на „ниобий“ в чест на дъщерята на Тантал Ниоба, като по този начин подчертава приликите между елементите. Въпреки това, в някои страни (САЩ, Англия) първоначалното име на елемента, колумбий, се запазва дълго време и едва през 1950 г., с решение на Международния съюз за чиста и приложна химия (IUPAC), елементът е накрая получава името ниобий.
Чистият ниобий е получен за първи път в края на 19 век от френския химик Анри Моасан чрез електротермични средства, редуциращ ниобиев оксид с въглерод в електрическа пещ.

Да бъдеш сред природата

Кларк ниобий - 18 г/т. Съдържанието на ниобий се увеличава от ултраосновни (0,2 g/t Nb) до фелзикови скали (24 g/t Nb). Ниобият винаги е придружен от тантал. Сходните химични свойства на ниобия и тантала определят съвместното им срещане в едни и същи минерали и участие в общи геоложки процеси. Ниобият може да замести титана в редица титаносъдържащи минерали (сфен, ортит, перовскит, биотит). Формата на поява на ниобий в природата може да бъде различна: разпръсната (в скалообразуващи и спомагателни минерали на магмени скали) и минерална. Общо са известни повече от 100 минерала, съдържащи ниобий. От тях само няколко са от промишлено значение: колумбит-танталит ( , )(Nb, Ta) 2 O 6 , пирохлор ( , Ca, TR, U) 2 (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 (OH, F ) (Nb 2 O 5 0 - 63%), лопарит (, Ca, Ce) (Ti, Nb) O 3 ((Nb, Ta) 2 O 5 8 - 10%), евксенит, торолит, илменорутил, както и понякога се използват минерали, съдържащи ниобий като примеси (илменит, каситерит, волфрамит). В алкални - ултраосновни скали, ниобият е диспергиран в минерали от перовскитен тип и в евдиалит. При екзогенни процеси минералите от ниобий и тантал, като стабилни, могат да се натрупват в делувиално-алувиални разсипи (колумбитни разсипи), понякога в боксити на кората на изветряне. Концентрацията на ниобий в морската вода е 1·10−5 mg/l.

Място на раждане

Депозитите на ниобий се намират в САЩ, Япония, Русия (Колския полуостров), Бразилия и Канада.

Касова бележка

Ниобиевите руди обикновено са сложни и бедни на метали. Рудните концентрати съдържат Nb 2 O 5: пирохлор - най-малко 37%, лопарит - 8%, колумбит - 30-60%. Повечето от тях се преработват чрез алуминиева или силикотермична редукция във ферониобий (40-60% Nb) и феротанталониобий. Металният ниобий се получава от рудни концентрати по сложна технология на три етапа:

• отваряне на концентрата,
• разделяне на ниобий и тантал и получаване на техните чисти химични съединения,
• възстановяване и рафиниране на метален ниобий и неговите сплави.

Изотопи

Естественият ниобий се състои от един стабилен изотоп - 93 Nb. Всички други изкуствено получени изотопи на ниобия с масови числа от 81 до 113 са радиоактивни (известни са общо 32). Изотопът с най-дълъг живот е 92 Nb с период на полуразпад от 34,7 милиона години. Има и 25 известни метастабилни състояния на ядрата на различните му изотопи.

Химични свойства

Химически ниобият е доста стабилен, но отстъпва в това отношение на тантала. Практически не се влияе от солна, ортофосфорна, разредена сярна и азотна. Металът се разтваря във флуороводородна киселина HF, смес от HF и HNO3, концентрирани разтвори на каустична киселина, а също и в концентрирана сярна киселина при нагряване над 150 °C. При калциниране на въздух се окислява до Nb 2 O 5 . За този оксид са описани около 10 кристални модификации. При нормално налягане β-формата на Nb 2 O 5 е стабилна.

• Когато Nb 2 O 5 се легира с различни оксиди, се получават ниобати: Ti 2 Nb 10 O 29, FeNb 49 O 124. Ниобатите могат да се разглеждат като соли на хипотетични ниобови киселини. Те се разделят на метаниобати MNbO 3 , ортониобати M 3 NbO 4 , пирониобати M 4 Nb 2 O 7 или полиниобати M 2 O·nNb 2 O 5 (M е еднозареден катион, n = 2-12). Известни са ниобати на двойно и тризаредени катиони.
• Ниобатите реагират с HF, стопи хидрофлуориди на алкални метали (KHF 2) и амоний. Някои ниобати с високо съотношение M 2 O/Nb 2 O 5 се хидролизират: 6Na 3 NbO 4 + 5H 2 O = Na 8 Nb 6 O 19 + 10NaOH.
• Ниобият образува NbO 2 , NbO, серия от оксиди, междинни между NbO 2 , 42 и NbO 2 , 50 и подобни по структура на β-формата на Nb 2 O 5 .
• С халогените ниобият образува пентахалогениди NbHa 15, тетрахалогениди NbHa 14 и фази NbHa 12, 67 - NbHa 13 +x, в които има групи Nb 3 или Nb 2. Ниобиевите пентахалогениди лесно се хидролизират от вода.
• В присъствието на водна пара и кислород, NbC 15 и NbBr 5 образуват оксихалогениди NbOC 13 и NbOBr 3 - рохкави вещества, подобни на памучна вата.
• При взаимодействие на ниобий и графит се образуват карбиди Nb 2 C и NbC, твърди топлоустойчиви съединения. В системата Nb - N има няколко фази с променлив състав и нитриди Nb 2 N и NbN. Ниобият се държи по подобен начин в системи с фосфор и арсен. При взаимодействие на ниобий със сяра се получават следните сулфиди: NbS, NbS 2 и NbS 3. Синтезирани са двойни флуориди Nb и калий (натрий) - K 2.
• Все още не е възможно ниобий да се изолира електрохимично от водни разтвори. Възможно е електрохимично производство на сплави, съдържащи ниобий. Металният ниобий може да бъде изолиран чрез електролиза на безводна солна стопилка.

Приложение

Използването и производството на ниобий бързо се увеличават, което се дължи на комбинация от такива свойства като огнеупорност, малко напречно сечение за улавяне на топлинни неутрони, способността да се образуват топлоустойчиви, свръхпроводящи и други сплави, устойчивост на корозия, геттерни свойства, ниска работна функция на електрони, добра обработваемост при студено налягане и заваряемост. Основните области на приложение на ниобия са: ракетна техника, авиационна и космическа техника, радиотехника, електроника, химическо инженерство, ядрена енергетика.

Приложения на метален ниобий

• Частите на самолетите са направени от чист ниобий или негови сплави; обвивки за уранови и плутониеви горивни елементи; контейнери и тръби за течни метали; части от електролитни кондензатори; “горещи” фитинги за електронни (за радарни инсталации) и мощни генераторни лампи (аноди, катоди, решетки и др.); устойчиво на корозия оборудване в химическата промишленост.
• Други цветни метали, включително уран, са легирани с ниобий. Например алуминият, ако към него се добави само 0,05% ниобий, изобщо не реагира с основи, въпреки че при нормални условия се разтваря в тях. Сплав от ниобий с 20% мед има висока електропроводимост и е два пъти по-твърда и издръжлива от чистата мед.
• Ниобият се използва в криотроните - свръхпроводящи елементи на компютрите. Ниобият е известен и с употребата си в ускоряващите структури на Големия адронен колайдер.
• Ниобият и танталът се използват за производство на електролитни кондензатори с висок специфичен капацитет. Танталът позволява производството на кондензатори с по-високо качество от метала ниобий. Но кондензаторите на базата на ниобиев оксид са най-надеждни и устойчиви на огън.

Интерметални съединения и сплави на ниобий

• Nb 3 Sn станид (триниобиев станид, известен също като ниобий-калаена сплав), Nb 3 Ge германид (германиев триниобий), NbN нитрид и ниобиеви сплави с титан (ниобий-титан) и цирконий се използват за направата на свръхпроводящи соленоиди. Така намотките на свръхпроводящите магнити на Големия адронен колайдер са направени от 1200 тона кабел от ниобий-титанова сплав.
• Ниобият и сплавите с тантал в много случаи заместват тантала, което дава голям икономически ефект (ниобият е по-евтин и почти два пъти по-лек от тантала).
• Ферониобий се въвежда (до 0,6% ниобий) в неръждаеми хром-никелови стомани, за да се предотврати тяхната междукристална корозия (включително тази, която иначе би започнала след заваряване на неръждаемата стомана) и разрушаване, както и в други видове стомани, за да се подобрят техните свойства.
• Ниобият се използва при сеченето на колекционерски монети. Така Банката на Латвия твърди, че ниобият се използва заедно със среброто в колекционерските монети от 1 лат.

Приложение на ниобиеви съединения

• Nb 2 O 5 - катализатор в химическата промишленост;
• в производството на огнеупори, металокерамики, специални стъкла, нитриди, карбиди, ниобати.
• Ниобиевият карбид (т.т. 3480 °C), легиран с циркониев карбид и карбид на уран-235, е най-важният структурен материал за горивни пръти на твърдофазни ядрени реактивни двигатели.
• Ниобиевият нитрид NbN се използва за производство на тънки и ултратънки свръхпроводящи филми с критична температура от 5 до 10 K с тесен преход от порядъка на 0,1 K.

Първо поколение свръхпроводящи материали

• Един от активно използваните свръхпроводници (температура на свръхпроводящ преход 9,25 K). Ниобиевите съединения имат свръхпроводяща температура на преход до 23,2 K (Nb 3 Ge).
• Най-често използваните индустриални свръхпроводници са NbTi и Nb 3 Sn.
• Ниобият се използва и в магнитни сплави.
• Използва се като легираща добавка.
• Ниобиевият нитрид се използва за производството на свръхпроводящи болометри.
• Изключителната устойчивост на ниобия и неговите сплави с тантал в прегрята пара на цезий-133 го прави един от най-предпочитаните и най-евтините структурни материали за високомощни термоелектронни генератори.

Биологична роля

В момента няма информация за биологичната роля на ниобия.

Физиологично действие

Прахът от метален ниобий е запалим и дразни очите и кожата. Някои ниобиеви съединения са много токсични. ПДК на ниобий във вода е 0,01 mg/l. При поглъщане предизвиква дразнене на вътрешните органи и последваща парализа на крайниците.