Application de niobium. Production de niobium en Russie

L'élément qui occupe la 41e cellule du tableau périodique est connu de l'humanité depuis longtemps. L'âge de son nom actuel - niobium - est inférieur de près d'un demi-siècle. Il se trouve que l'élément #41 a été ouvert deux fois. La première fois - en 1801, le scientifique anglais Charles Hatchet a examiné un échantillon du bon minéral envoyé d'Amérique au British Museum. De ce minéral, il a isolé l'oxyde d'un élément jusqu'alors inconnu. Hatchet nomma le nouvel élément columbia, marquant ainsi son origine transatlantique. Et le minéral noir s'appelle la colombite.

Un an plus tard, le chimiste suédois Ekeberg a isolé de la colombite l'oxyde d'un autre nouvel élément, le tantale. La similitude des composés de Columbia et de tantale était si grande que pendant 40 ans, la plupart des chimistes ont cru que le tantale et le columbium étaient un seul et même élément.

En 1844, le chimiste allemand Heinrich Rose a examiné des échantillons de columbite trouvés en Bavière. Il a de nouveau découvert des oxydes de deux métaux. L'un d'eux était un oxyde du tantale déjà connu. Les oxydes étaient similaires, et soulignant leur similitude, Rosé nomma l'élément formant le deuxième oxyde niobium, du nom de Niobe, fille du martyr mythologique Tantale.

Cependant, Rose, comme Hatchet, n'a pas réussi à obtenir cet élément à l'état libre.

Le niobium métallique n'a été obtenu pour la première fois qu'en 1866 par le scientifique suédois Blomstrand lors de la réduction du chlorure de niobium avec de l'hydrogène. À fin XIX dans. deux autres façons d'obtenir cet élément ont été trouvées. Moissan l'a d'abord obtenu dans un four électrique, réduisant l'oxyde de niobium avec du carbone, puis Goldschmidt a réussi à réduire le même élément avec de l'aluminium.

Et appelez l'élément #41 dans différents pays s'est poursuivie de différentes manières : en Angleterre et aux États-Unis - avec la Colombie, dans d'autres pays - avec du niobium. L'Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC) a mis fin à cette discorde en 1950. Il a été décidé de légaliser le nom de l'élément « niobium » partout, et le nom « columbite » a été attribué au minéral principal du niobium. Sa formule est (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6.

A travers les yeux d'un chimiste

Le niobium élémentaire est un métal extrêmement réfractaire (2468°C) et à haut point d'ébullition (4927°C), très résistant dans de nombreux environnements agressifs. Tous les acides, à l'exception du fluorhydrique, n'agissent pas dessus. Les acides oxydants "passivent" le niobium en le recouvrant d'un film d'oxyde protecteur (n° 205). Mais à hautes températures l'activité chimique du niobium augmente. Si à 150...200°C seule une petite couche superficielle du métal est oxydée, alors à 900...1200°C l'épaisseur du film d'oxyde augmente de manière significative.

Le niobium réagit activement avec de nombreux non-métaux. Les halogènes, l'azote, l'hydrogène, le carbone, le soufre forment des composés avec lui. Dans ce cas, le niobium peut présenter différentes valences - de deux à cinq. Mais la valence principale de cet élément est 5+. Le niobium pentavalent peut entrer dans la composition du sel à la fois comme cation et comme l'un des éléments de l'anion, ce qui indique la nature amphotère de l'élément n° 41.

Les sels des acides niobiques sont appelés niobates. Ils sont obtenus à la suite de réactions d'échange après fusion du pentoxyde de niobium avec de la soude :

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

Sels de plusieurs acides niobiques, principalement méthaniobiques HNbO 3 , ainsi que des diniobates et des pentaniobates (K 4 Nb 2 O 7 , K 7 Nb 5 O 16 m H2O). Et les sels dans lesquels l'élément n ° 41 agit comme un cation sont généralement obtenus par interaction directe substances simples, par exemple 2Nb + 5Cl 2 → 2NbCl 5 .

Des cristaux de pentahalogénures de niobium aux couleurs vives (NbCl - jaune, NbBr 5 - rouge violet) se dissolvent facilement dans les solvants organiques - chloroforme, éther, alcool. Mais lorsqu'ils sont dissous dans l'eau, ces composés se décomposent complètement, s'hydrolysent avec formation de niobates :

NbCl 5 + 4H 2 O → 5HCl + H 3 NbO 4.

L'hydrolyse peut être évitée si Solution aqueuse ajouter un peu d'acide fort. Dans de telles solutions, les pentahalogénures de niobium se dissolvent sans s'hydrolyser.

Le niobium forme des sels doubles et des composés complexes, le plus facilement - le fluor. Les fluoroniobates sont les noms de ces sels doubles. Ils sont obtenus en ajoutant un fluorure métallique à une solution d'acides niobécique et fluorhydrique.

La composition d'un composé complexe dépend du rapport des composants réagissant en solution. L'analyse aux rayons X d'un de ces composés a montré une structure correspondant à la formule K 2 NbF 7 . Des composés oxo de niobium peuvent également être formés, par exemple l'oxofluoronepobate de potassium K 2 NbOF 5 H 2 O.

La caractérisation chimique de l'élément ne se limite bien entendu pas à ces informations. Aujourd'hui, les composés les plus importants de l'élément 41 sont ses composés avec d'autres métaux.

Niobium et supraconductivité

L'étonnant phénomène de supraconductivité, lorsque, à mesure que la température du conducteur diminue, une brusque disparition de la résistance électrique s'y produit, a été observé pour la première fois par le physicien néerlandais G. Kamerling-Onnes en 1911. Mercure s'est avéré être le premier supraconducteur, mais pas le mercure, mais le niobium et certains composés intermétalliques du niobium étaient destinés à devenir les premiers matériaux supraconducteurs techniquement importants.

Deux caractéristiques des supraconducteurs sont pratiquement importantes : la valeur de la température critique à laquelle se produit le passage à l'état de supraconductivité, et la température critique champ magnétique(Même Kamerling-Onnes a observé la perte de supraconductivité par un supraconducteur lorsqu'il est exposé à un champ magnétique suffisamment fort). Au 1er janvier 1975, le supraconducteur - le "détenteur du record" en termes de température critique était un composé intermétallique de niobium et de germanium de la composition Nb 3 Ge. Sa température critique est de 23,2°K ; c'est au-dessus du point d'ébullition de l'hydrogène. (La plupart des supraconducteurs connus ne deviennent supraconducteurs qu'à la température de l'hélium liquide).

La capacité de passer à l'état de supraconductivité est également caractéristique du stapnure de niobium Nb 3 Sn, alliages de niobium avec de l'aluminium et du germanium, ou avec du titane et du zirconium. Tous ces alliages et composés sont déjà utilisés pour la fabrication de solénoïdes supraconducteurs, ainsi que d'autres dispositifs techniques importants.

Niobium - métal

Le niobium métallique peut être obtenu en réduisant ses composés, tels que le chlorure de niobium ou le fluor-niobate de potassium, à haute température :

K2NbF7 + 5Na → Nb + 2KF + 5NaF.

Mais avant d'atteindre essentiellement cette dernière étape de production, le minerai de niobium passe par de nombreuses étapes de traitement. Le premier d'entre eux est l'enrichissement du minerai, l'obtention de concentrés. Le concentré est fusionné avec différents fondants : soude caustique ou soude. L'alliage résultant est lixivié. Mais il ne se dissout pas complètement. Le précipité insoluble est le niobium. Certes, ici, il est toujours dans la composition de l'hydroxyde, n'est pas séparé de son analogue dans le sous-groupe - le tantale - et n'est pas purifié de certaines impuretés.

Jusqu'en 1866, il n'existait pas une seule méthode de séparation du tantale et du niobium adaptée aux conditions de production. La première méthode pour séparer ces éléments extrêmement similaires a été proposée par Jean Charles Galissard de Marignac. La méthode est basée sur la solubilité différente des composés complexes de ces métaux et est appelée fluorure. Le fluorure de tantale complexe est insoluble dans l'eau, tandis que le composé de niobium analogue est soluble.

La méthode au fluorure est compliquée et ne permet pas une séparation complète du niobium et du tantale. Par conséquent, de nos jours, il n'est presque jamais utilisé. Elle a été remplacée par des méthodes d'extraction sélective, d'échange d'ions, de rectification d'halogénures, etc. Ces méthodes produisent de l'oxyde et du chlorure de niobium pentavalent.

Après la séparation du niobium et du tantale, l'opération principale a lieu - la récupération. Le pentoxyde de niobium Nb 2 O 5 est réduit avec de l'aluminium, du sodium, du noir de carbone ou du carbure de niobium obtenu par réaction de Nb 2 O 5 avec du carbone; Le pentachlorure de niobium est réduit avec du sodium métallique ou de l'amalgame de sodium. C'est ainsi que l'on obtient du niobium en poudre, qui doit ensuite être transformé en un monolithe, rendu plastique, compact, apte à la transformation. Comme les autres métaux réfractaires, le niobium-monolithe est obtenu par métallurgie des poudres, dont l'essence est la suivante.

A partir de la poudre métallique résultante sous haute pression (1 t/cm 2) pressé les soi-disant tiges de section rectangulaire ou carrée. Sous vide à 2300°C, ces tiges sont frittées, combinées en tiges, qui sont fondues dans des fours à arc sous vide, et les tiges dans ces fours agissent comme une électrode. Ce processus est appelé fusion des électrodes consommables.

Le niobium plastique monocristallin est obtenu par fusion par faisceau d'électrons en zone sans creuset. Son essence est qu'un puissant faisceau d'électrons est dirigé vers du niobium en poudre (les opérations de pressage et de frittage sont exclues !) qui fait fondre la poudre. Des gouttes de métal coulent sur le lingot de niobium, qui grossit progressivement et est retiré de la chambre de travail.

Comme vous pouvez le voir, le chemin du niobium du minerai au métal est de toute façon assez long, et les méthodes de production sont complexes.

Niobium et métaux

L'histoire de l'utilisation du niobium est la plus logique pour commencer par la métallurgie, puisque c'est dans la métallurgie qu'il a trouvé le plus application large. Et dans la métallurgie non ferreuse et dans les ferreux.

L'acier allié au niobium a une bonne résistance à la corrosion. "Et alors? - dit un autre lecteur sophistiqué. "Le chrome augmente également la résistance à la corrosion de l'acier et est beaucoup moins cher que le niobium." Ce lecteur a raison et tort à la fois. Faux parce que j'ai oublié une chose.

Dans l'acier au chrome-nickel, comme dans tout autre, il y a toujours du carbone. Mais le carbone se combine avec le chrome pour former du carbure, ce qui rend l'acier plus cassant. Le niobium a une plus grande affinité pour le carbone que le chrome. Par conséquent, lorsque du niobium est ajouté à l'acier, il se forme nécessairement du carbure de niobium. L'acier allié au niobium acquiert des propriétés anticorrosion élevées et ne perd pas sa ductilité. L'effet recherché est atteint lorsque seulement 200 g de niobium métallique sont ajoutés à une tonne d'acier. Et le niobium en acier au chrome-mangaic donne une haute résistance à l'usure.

De nombreux métaux non ferreux sont également alliés au niobium. Ainsi, l'aluminium, qui est facilement soluble dans les alcalis, ne réagit pas avec eux si seulement 0,05% de niobium y est ajouté. Et le cuivre, connu pour sa douceur, et nombre de ses alliages, le niobium semble durcir. Il augmente la résistance des métaux tels que le titane, le molybdène, le zirconium et augmente en même temps leur résistance à la chaleur et leur résistance à la chaleur.

Désormais, les propriétés et les capacités du niobium sont appréciées par l'aviation, l'ingénierie mécanique, l'ingénierie radio, industrie chimique, Pouvoir nucléaire. Tous sont devenus consommateurs de niobium.

La propriété unique - l'absence d'interaction notable du niobium avec l'uranium à des températures allant jusqu'à 1100 ° C et, en outre, une bonne conductivité thermique, une petite section efficace d'absorption des neutrons thermiques, a fait du niobium un concurrent sérieux des métaux reconnus dans l'industrie nucléaire - aluminium, béryllium et zirconium. De plus, la radioactivité artificielle (induite) du niobium est faible. Par conséquent, il peut être utilisé pour fabriquer des conteneurs de stockage. déchet radioactif ou des instructions pour leur utilisation.

L'industrie chimique consomme relativement peu de niobium, mais cela ne peut s'expliquer que par sa rareté. À partir d'alliages contenant du niobium et moins souvent de feuilles de niobium, des équipements pour la production d'acides de haute pureté sont parfois fabriqués. La capacité du niobium à influencer la vitesse de certains réactions chimiques utilisé, par exemple, dans la synthèse d'alcool à partir de butadiène.

Les consommateurs de l'élément n ° 41 étaient également la technologie des fusées et de l'espace. Ce n'est un secret pour personne que certaines quantités de cet élément tournent déjà sur des orbites proches de la Terre. Certaines parties des fusées et des équipements embarqués sont fabriquées à partir d'alliages contenant du niobium et de niobium pur satellites artificiels Terre.

Minéraux de niobium

La columbite (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6 fut le premier minéral de niobium, connu de l'humanité. Et le même minéral est le plus riche en élément n°41. La part des oxydes de niobium et de tantale représente jusqu'à 80 % du poids de la colombite. Il y a beaucoup moins de niobium dans le pyrochlore (Ca, Na) 2 (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 (O, OH, F) et la loparite (Na, Ce, Ca) 2 (Nb, Ti) 2 O 6 . Au total, plus de 100 minéraux sont connus, dont le niobium. Il existe d'importants gisements de ces minéraux dans différents pays: les États-Unis, le Canada, la Norvège, la Finlande, mais l'État africain du Nigéria est devenu le plus grand fournisseur de concentrés de niobium sur le marché mondial. En URSS, il existe de grandes réserves de loparite, elles ont été trouvées sur la péninsule de Kola.

Carbure rose

Le monocarbure de niobium NbC est une substance plastique avec un éclat rosé caractéristique. Ce composé important se forme assez facilement par l'interaction du niobium métallique avec des hydrocarbures. La combinaison d'une bonne ductilité et d'une haute résistance à la chaleur avec des "données externes" agréables en monocarbure de niobium matériel précieux pour faire des enduits. Une couche de cette substance de seulement 0,5 mm d'épaisseur protège de manière fiable de nombreux matériaux de la corrosion à haute température, en particulier le graphite, qui n'est pratiquement pas protégé par d'autres revêtements. Le NbC est également utilisé comme matériau de structure dans la fabrication de fusées et de turbines.

Nerfs suturés au niobium

La haute résistance à la corrosion du niobium a permis son utilisation en médecine. Les filaments de niobium n'irritent pas les tissus vivants et fusionnent bien avec eux. La chirurgie reconstructive a utilisé avec succès ces sutures pour réparer les tendons déchirés, les vaisseaux sanguins et même les nerfs.

L'apparence n'est pas trompeuse

Le niobium possède non seulement un ensemble de propriétés requises par la technique, mais il est également très beau. Les bijoutiers ont essayé d'utiliser ce métal blanc brillant pour fabriquer des boîtiers de montres. Des alliages de niobium avec du tungstène ou du rhénium remplacent parfois les métaux nobles : or, platine, iridium. Ce dernier est particulièrement important, car l'alliage de niobium avec du rhénium ressemble non seulement à de l'iridium métallique, mais est presque aussi résistant à l'usure. Cela a permis à certains pays de se passer de l'iridium coûteux dans la production de soudure pour les plumes de fontaine.

Niobium et soudage

À la fin des années 20 de notre siècle, le soudage électrique et au gaz a commencé à remplacer le rivetage et d'autres méthodes de connexion de composants et de pièces. Le soudage a amélioré la qualité des pièces, rendu leur processus d'assemblage plus rapide et moins cher. Le soudage semblait particulièrement prometteur lors de l'installation de grandes installations fonctionnant dans des environnements corrosifs ou sous haute pression. Mais ensuite, il s'est avéré que lors du soudage de l'acier inoxydable, la soudure avait une résistance bien inférieure à celle de l'acier lui-même. Pour améliorer les propriétés de la couture, divers additifs ont commencé à être introduits dans "l'acier inoxydable". Le meilleur d'entre eux était le niobium.

Des chiffres sous-estimés

Ce n'est pas un hasard si le niobium est considéré comme un élément rare : il n'est vraiment pas présent souvent et en petite quantité, et toujours sous forme de minéraux et jamais à l'état natif. Un détail curieux : dans différentes publications de référence, le clarke (teneur dans la croûte terrestre) du niobium est différent. Ceci est principalement dû au fait que dans dernières années dans les pays africains ont trouvé de nouveaux gisements de minéraux contenant du niobium. Dans le "Handbook of a chemist", tome 1 (M., "Chemistry", 1963), les chiffres sont donnés : 3,2 10 -5% (1939), 1 10 -3% (1949) et 2, 4 10 -3% (1954). Mais même les derniers chiffres sont sous-estimés : les gisements africains découverts ces dernières années ne sont pas inclus ici. Néanmoins, on estime qu'environ 1,5 million de tonnes de niobium métallique peuvent être fondues à partir des minéraux des gisements déjà connus.

DÉFINITION

Niobium- quarante et unième élément Tableau périodique. Désignation - Nb du latin "niobium". Situé dans la cinquième période, groupe VBA. Désigne les métaux. La charge nucléaire est de 41.

La croûte terrestre de niobium en contient 0,002 % (masse). Cet élément est à bien des égards similaire au vanadium. A l'état libre, c'est un métal réfractaire, dur, mais pas cassant, bien usinable (Fig. 1.. La densité du niobium est de 8,57 g/cm 3, le point de fusion est de 2500 o C.

Le niobium est stable dans de nombreux environnements agressifs. Il n'est pas affecté par l'acide chlorhydrique et l'eau régale, car un film d'oxyde fin mais très résistant et chimiquement résistant se forme à la surface de ce métal.

Riz. 1. Niobium. Apparence.

Poids atomique et moléculaire du niobium

DÉFINITION

Poids moléculaire relatif d'une substance (M r) est un nombre indiquant combien de fois la masse d'une molécule donnée est supérieure à 1/12 de la masse d'un atome de carbone, et relatif masse atomiqueélément (A r)- combien de fois la masse moyenne des atomes élément chimique plus de 1/12 de la masse d'un atome de carbone.

Puisque le niobium existe à l'état libre sous forme de molécules monoatomiques de Nb, les valeurs de ses atomes et masse moléculaire match. Ils sont égaux à 92,9063.

Isotopes du niobium

On sait que le niobium peut être présent dans la nature sous la forme du seul isotope stable 93Nb. Le nombre de masse est 93, le noyau d'un atome contient quarante et un protons et cinquante-deux neutrons.

Il existe des isotopes artificiels instables du zirconium avec des nombres de masse de 81 à 113, ainsi que vingt-cinq états isomères de noyaux, parmi lesquels l'isotope 92Nb avec une demi-vie de 34,7 millions d'années est le plus long.

Ions niobium

Au niveau d'énergie externe de l'atome de niobium, il y a cinq électrons qui sont de valence :

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

À la suite d'une interaction chimique, le niobium abandonne ses électrons de valence, c'est-à-dire est leur donneur, et se transforme en un ion chargé positivement :

Nb 0 -1e → Nb + ;

Nb 0 -2e → Nb 2+ ;

Nb 0 -3e → Nb 3+ ;

Nb 0 -4e → Nb 4+ ;

Nb 0 -5e → Nb 5+.

Molécule et atome de niobium

A l'état libre, le niobium existe sous forme de molécules monoatomiques de Nb. Voici quelques propriétés qui caractérisent l'atome et la molécule de niobium :

Alliages de niobium

Le niobium est l'un des composants de nombreux alliages résistants à la chaleur et à la corrosion. Surtout grande importance ont des alliages de niobium résistants à la chaleur, qui sont utilisés dans la production de turbines à gaz, moteurs à réaction, missiles.

Le niobium est également introduit dans les aciers inoxydables. Il améliore considérablement leurs propriétés mécaniques et leur résistance à la corrosion. Les aciers contenant de 1 à 4 % de niobium se caractérisent par une grande résistance à la chaleur et sont utilisés comme matériau pour la fabrication de chaudières à haute pression.

Exemples de résolution de problèmes

EXEMPLE 1

EXEMPLE 2

Les propriétés physiques du niobium Nb sont données en fonction de la température dans la plage de -223 à 2527°C. Les propriétés suivantes du niobium solide et liquide sont considérées :

• densité de niobium ré;
• capacité thermique massique spécifique CP;
• diffusivité thermique un;
• coefficient de conductivité thermique λ ;
• spécifique résistance électrique ρ ;
• coefficient de dilatation thermique linéaire α .

Propriétés physiques le niobium dépend de la température de différentes manières. Son changement a plus grande influence sur la résistivité électrique du niobium. Par exemple, lorsque la température de ce métal passe de 0°C au point de fusion, sa résistivité augmente de plus de 8 fois (jusqu'à une valeur de 109.10 -8 Ohm.m).

Le niobium est un métal réfractaire ductile avec un point de fusion de 2477°C et une masse volumique de 8570 kg/m 3 (à 20°C). Le point d'ébullition du niobium est de 4744°C, la structure du réseau est cubique centrée avec une période de 0,33 nm.

La densité du niobium diminue lorsqu'il est chauffé. Le niobium à l'état fondu a une masse volumique nettement inférieure à celle à l'état solide : à une température de 2477°C, la masse volumique du niobium liquide est de 7580 kg/m 3 .

La capacité calorifique spécifique du niobium à température ambiante est de 268 J/(kg·deg) et augmente lors du chauffage. A noter que la valeur de cette propriété physique du niobium change de manière insignifiante lors de la fusion, et à l'état liquide sa capacité calorifique spécifique est 1,7 fois supérieure à la valeur classique 3R.

La conductivité thermique du niobium à 0°C est de 48 W/(m deg), sa taille est proche de . La dépendance à la température de la conductivité thermique du niobium est caractérisée par un minimum doux dans la région des températures ambiantes et un positif coéfficent de température— au-dessus de 230°С. A l'approche du point de fusion du niobium, sa conductivité thermique augmente.

La diffusivité thermique du niobium a également un minimum plat près de la température ambiante, puis un maximum plat à 900...1500°C. Le coefficient de dilatation linéaire thermique du niobium est relativement faible. Il est comparable en valeur au coefficient de dilatation des métaux tels que le tungstène, l'iridium et.

0,145 nm, (le numéro de coordination est indiqué entre parenthèses) 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).

Contenu dans la croûte terrestre 2 . 10 -3 % en poids. Il se produit dans la nature généralement avec Ta. Naïb. importants sont la columbite-tantalite et la loparite. La columbite-tantalite (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6 contient 82-86% Nb et Ta. Lorsque la teneur en niobium est supérieure à Ta, appelée. columbite, avec le rapport opposé - tantalite. (Na, Ca, Ce) 2 (Nb, Ti) 2 (OH, F) O 6 contient habituellement 37,5 à 65,6 % de Nb 2 O 5 ; loparite (Na, Ce, Ca, SrXNb, Ti) O 3 -8-10% Nb 2 O 5. niobium sont faiblement paramagnétiques et radioactifs en raison des impuretés U et Th.

La columbite est présente dans les pegmatites ignées, les biotites et les granites alcalins, parfois dans les dépôts alluviaux (Nigeria), et est souvent extraite comme sous-produit de l'enrichissement du concentré d'étain. trouvé dans les carbonatites alcalines (Canada), les pegmatites à néphéline-syénite, dans les produits d'altération éluviaux des syénite-carbonatites (Brésil). Il existe d'importants gisements de loparite en URSS.

Les réserves mondiales totales de niobium (sans l'URSS) étaient estimées (1980) à 18 millions de tonnes ; dépôts - env. 3,4 millions de tonnes (dont 3,2 millions de tonnes au Brésil).

Propriétés. Niobium - Gris argent brillant ; cristalline réseau centré sur le corps type cubique a-Fe, a = 0,3294 nm, z = 2, espaces. groupe Im3m ; député 2477 ° С, av. D'ACCORD. 4760 °С; serré 8,57 g/cm3 ; C0p 24,44 J/(.K) ; DH 0 pl 31,0 kJ/ (2477 °С), DH 0 ex 720 kJ/ (0 K), DH 0 exp 662 kJ/ (4760 °С); S 0 298 36,27 JDmol K); dépendance de la température sur le niobium liquide : lgr (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.

Le niobium pur est facilement traité à froid; résistant à la chaleur; s rast 342 MPa (20 °C) et 312 MPa (800 °C) ; concerne. allongement 19,2 % (20°C) et 20,7 % (800°C); selon Brinell 450 MPa pour le propre et 750-1800 MPa pour le technique. Les impuretés H, N, C et O réduisent le niobium et l'augmentent. A l'état fragile, le niobium passe à des températures de - 100 à - 200°C.

Chimiquement, le niobium est assez stable. Sous une forme compacte, il commence à s'oxyder à des températures supérieures à 200 ° C, donnant, interaction. avec Cl 2 au-dessus de 200 ° C, avec F 2 et H 2 - au-dessus de 250 ° C (intensément avec H 2 - à 360 ° C), avec N 2 - au-dessus de 400 ° C, avec C et hydrocarbures - à 1200-1600 ° DE. Dans le froid, pas sol. in, chlorhydrique et sulfurique to-max, ne réagit pas avec HNO 3, H 3 PO 4, HclO 4, p-rhum aqueux NH 3. Résistant à la fonte. Li, Na, K, Sn, Pb, Bi et aussi Hg. Solv. dans le fluorhydrique à-ceux, ses mélanges avec HNO 3 à l'état fondu. NH4HF2 et NaOH. Absorbe réversiblement H 2 , formant une solution solide de l'introduction (jusqu'à 10 at.% H) et la composition NbH x (x = 0,7-1,0) avec rhombique. cristalline treillis; pour NbH 0,761 DH 0 arr - 74,0 kJ/; La valeur p dans le niobium varie de 104 cm 3 /g à 20 ° C à 4,0 cm 3 / g à 900 ° C, au-dessus de 1000 ° C H 2 est pratiquement insoluble. dans le niobium. se forment également dans les premières étapes du niobium dans le fluorhydriqueà ceux-ci, ses mélanges avec HNO 3 et NH 4 HF 2, ainsi qu'avec des to-t de niobium (on a ainsi obtenu NbH 2,00). niobium et lorsqu'il est chauffé. utilisé pour obtenir finement dispersé.

Lorsque le niobium interagit avec C, une des trois phases se forme : une solution solide de C in, Nb 2 C ou NbC. La solution solide contient 2 at. % С à 2000 °С ; La valeur p C dans le niobium chute brusquement avec la diminution de la température. Carb et d Nb 2 C forment trois modifications polymorphes : rhombique est stable jusqu'à 1230°C. phase a (groupe d'espace Pbcn), à 1230°C elle se transforme en. dans un hexagone. phase b (groupe d'espace P6 3 22), les arêtes à 2450°C passent dans un autre hexagone. -phase g (groupe d'espace P6 3 /mmc); député D'ACCORD. 2990 °С (incongru, avec la libération de NbС solide x). Pour a-Nb 2 C : C 0 p 63,51 J/(.K) ; DH 0 arr - 188 kJ/; S 0 298 64,10 JDmol. À); température de passage à l'état supraconducteur 9,2 K. Cristaux de NbC ou gris-brun, gamme d'homogénéité de NbC 0,70 à NbC 1,0 ; à 377 °C, on observe une transition polymorphe, cubique à haute température. phase (a \u003d 0,4458 nm, groupe spatial Pt3t, densité 7,81 g / cm 3) fond de manière incongrue env. 3390 °С; DH 0 arr - 135 kJ/; S 0 298 35,4 JDmol K); transition t-ra vers l'état supraconducteur 12,1 K. La phase NbC 0,80 a donc pl. ~ 3620 °С. NbC forme des solutions solides avec TaC, TiC, ZrC, etc. Dans l'industrie NbC, une interaction est obtenue. Nb 2 O 5 à partir d'env. 1800°C dans H 2 ; mb également obtenu à partir des éléments ou en chauffant des halogénures volatils de niobium à 2300-2900 °C.

Dans le système Nb-N, il se forme : une solution interstitielle solide dans le niobium (phase a), n et tr et ds de Nb 2 N (hexagone. phase p) et NbN (cubique. d- et hexagone. q -phases) et plusieurs autres. étapes. Valeur R N 2 dans le niobium à atm. est décrit par l'équation c = 180exp (- 57300/RT) à. % (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.

Reçu. D'ACCORD. 95% du niobium est obtenu à partir de pyrochlore, de tantalite-columbite et de loparite. enrichir la gravité. méthodes et , ainsi que l'électroaimant. ou radiométrique. , libérant des concentrés de pyrochlore et de columbite contenant jusqu'à 60 % de Nb 2 O 5 .

Les concentrés sont transformés en ferroniobium ou tech. Nb 2 O 5, moins souvent, jusqu'à NbCl 5 et K 2 NbF 7 (voir). Le niobium métallique est obtenu à partir de Nb 2 O 5 , K 2 NbF 7 ou NbCl 5 .

Dans la production de ferroniobium, un mélange de concentrés de pyrochlore avec du Fe 2 O 3, de l'Al en poudre et du fondant est chargé dans des réacteurs verticaux en acier ou en cuivre refroidis à l'eau et à l'aide de dispositifs spéciaux. fusible initier exothermique. p-tion : 3Nb 2 O 5 + 10Al6Nb+ + 5Al 2 O 3 ; Fe 2 O 3 + 2Al2Fe + Al 2 O 3. Ensuite, le laitier est égoutté, refroidi et broyé. La production de niobium dans le lingot avec une masse de charge concentrée allant jusqu'à 18 tonnes atteint 98%.

Technologie. Nb 2 O 5 reçoivent Nb et Ta à partir de concentrés et de scories d'étain fondant par l'action du fluorhydrique-te avec ce dernier. purification et séparation de Nb et Ta avec 100%, cyclohexanone, (rarement d'autres extractants), réextraction du niobium par action d'une solution aqueuse de NH 4 F, à partir du réextrait de Nb, et sa calcination.

Selon la méthode au sulfate, les concentrés sont traités avec H 2 SO 4 ou son mélange avec (NH 4) 2 SO 4 à 150-300 ° C, les p-rimes sont lessivés, Nb et Ta sont séparés de Ti, Nb et Ta sont séparés et purifiés de leurs complexes fluorures ou oxofluorures , puis isolement de Nb 2 O 5 .

La méthode au chlorure consiste à mélanger le concentré avec, le briquetage et les briquettes dans une mine à 700-800°C ou directement le concentré en poudre et en chlorure de sel à base de NaCl et KCl. Ensuite, la séparation de Nb et Ta volatils est effectuée, leur séparation et purification, et séparation avec calcination du précipité de niobium. Le ferroniobium ou les déchets sont parfois chlorés.

Restituer Nb 2 O 5 en alumino- ou carbothermique ou en chauffant un mélange de Nb 2 O 5 et NbC à 1800-1900°C in. Le sodium-thermique est également utilisé. K 2 NbF 7, électrolytique. Nb 2 O 5 ou K 2 NbF 7 dans K 2 NbF 7 et. Particulièrement pur ou des revêtements de niobium sur d'autres reçoivent du NbCl 5 à des températures supérieures à 1000°C.

Le niobium en poudre est briqueté, les barres sont frittées et refondues en arc électrique ou faisceau d'électrons. Aux étapes initiales de purification, ils sont également utilisés avec du NaCl consommé dans du KCl.

Formule vraie, empirique ou grossière : Nb

Poids moléculaire : 92.906

Niobium- un élément d'un sous-groupe latéral du cinquième groupe de la cinquième période du système périodique des éléments chimiques de D. I. Mendeleev, numéro atomique - 41. Il est désigné par le symbole Nb (lat. Niobium). La substance simple niobium (numéro CAS : 7440-03-1) est un métal gris argenté brillant avec un réseau cristallin cubique centré sur le corps de type α-Fe, a = 0,3294. Pour le niobium, les isotopes avec des nombres de masse de 81 à 113 sont connus.

Histoire

Le niobium a été découvert en 1801 par le scientifique anglais Charles Hatchet dans un minéral renvoyé en 1734 au British Museum du Massachusetts par John Winthrop (petit-fils de John Winthrop Jr.). Le minéral a été nommé columbite et l'élément chimique a été nommé "columbium" (Cb) d'après le pays d'où provient l'échantillon - la Colombie (à l'époque synonyme des États-Unis).
En 1802, A. G. Ekeberg a découvert le tantale, qui coïncidait dans presque toutes les propriétés chimiques avec le niobium, et donc pendant longtemps on a cru qu'il s'agissait d'un seul et même élément. Ce n'est qu'en 1844 que le chimiste allemand Heinrich Rose a établi qu'il s'agissait d'un élément différent du tantale et l'a renommé "niobium" en l'honneur de la fille de Tantale, Niobe, ce qui a souligné les similitudes entre les éléments. Cependant, dans certains pays (USA, Angleterre), le nom originel de l'élément, columbium, a été longtemps retenu, et seulement en 1950, par décision de l'Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (IUPAC, IUPAC), le élément a finalement reçu le nom de niobium.
Pour la première fois, du niobium pur a été obtenu à la fin du XIXe siècle par le chimiste français Henri Moissan par voie électrothermique, en réduisant l'oxyde de niobium avec du carbone dans un four électrique.

Être dans la nature

Clark de niobium - 18 g/t. La teneur en niobium passe des roches ultramafiques (0,2 g/t Nb) aux roches acides (24 g/t Nb). Le niobium est toujours accompagné de tantale. Les propriétés chimiques proches du niobium et du tantale déterminent leur présence conjointe dans les mêmes minéraux et leur participation à des processus géologiques communs. Le niobium est capable de remplacer le titane dans un certain nombre de minéraux contenant du titane (sphène, orthite, pérovskite, biotite). La forme de découverte du niobium dans la nature peut être différente: dispersée (dans les minéraux rocheux et accessoires des roches ignées) et minérale. Au total, plus de 100 minéraux contenant du niobium sont connus. Parmi ceux-ci, seuls quelques-uns ont une importance industrielle : colombo-tantalite ( , ) (Nb, Ta) 2 O 6, pyrochlore ( , Ca, TR, U) 2 (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 (OH, F ) (Nb 2 O 5 0 - 63%), loparite (, Ca, Ce) (Ti, Nb) O 3 ((Nb, Ta) 2 O 5 8 - 10%), euxénite, thorolite, ilmenorutil, ainsi que des minéraux sont parfois utilisés, contenant du niobium sous forme d'impuretés (ilménite, cassitérite, wolframite). Dans les roches alcalines - ultrabasiques, le niobium est dispersé dans des minéraux tels que la pérovskite et dans l'eudialyte. Dans les processus exogènes, les minéraux de niobium et de tantale, étant stables, peuvent s'accumuler dans les placers alluvionnaires déluviaux (placers de columbite), parfois dans les bauxites de la croûte altérée. La concentration de niobium dans l'eau de mer est de 1·10 −5 mg/l.

Lieu de naissance

Les gisements de niobium sont situés aux États-Unis, au Japon, en Russie (péninsule de Kola), au Brésil et au Canada.

Reçu

Les minerais de niobium sont généralement complexes et pauvres en métal. Les concentrés de minerai contiennent du Nb 2 O 5: pyrochlore - pas moins de 37%, loparite - 8%, columbite - 30-60%. La plupart d'entre eux sont transformés par réduction alumino- ou silicothermique en ferroniobium (40-60% Nb) et ferrotantaloniobium. Le niobium métallique est obtenu à partir de concentrés de minerai selon une technologie complexe en trois étapes :

• ouverture du concentré,
• séparation du niobium et du tantale et obtention de leurs composés chimiques purs,
• récupération et raffinage du niobium métallique et de ses alliages.

isotopes

Le niobium naturel est constitué d'un seul isotope stable, le 93 Nb. Tous les autres isotopes de niobium obtenus artificiellement avec des nombres de masse de 81 à 113 sont radioactifs (un total de 32 sont connus). L'isotope ayant la plus longue durée de vie est le 92 Nb avec une demi-vie de 34,7 millions d'années. On connaît également 25 états métastables des noyaux de ses différents isotopes.

Propriétés chimiques

Chimiquement, le niobium est assez stable, mais inférieur à cet égard au tantale. Il n'est pratiquement pas affecté par l'azote chlorhydrique, orthophosphorique, sulfurique dilué. Le métal se dissout dans l'acide fluorhydrique HF, un mélange de HF et HNO 3, des solutions caustiques concentrées, ainsi que dans l'acide sulfurique concentré lorsqu'il est chauffé au-dessus de 150 ° C. Lorsqu'il est calciné à l'air, il s'oxyde en Nb 2 O 5 . Une dizaine de modifications cristallines ont été décrites pour cet oxyde. A pression ordinaire, la forme β de Nb 2 O 5 est stable.

• Lorsque Nb 2 O 5 est fusionné avec divers oxydes, on obtient des niobates : Ti 2 Nb 10 O 29, FeNb 49 O 124. Les niobates peuvent être considérés comme des sels d'hypothétiques acides niobiques. Ils sont divisés en métaniobates MNbO 3 , orthoniobates M 3 NbO 4 , pyroniobates M 4 Nb 2 O 7 ou polyniobates M 2 O nNb 2 O 5 (M est un cation à charge unique, n = 2-12). Les niobates de cations à deux et trois charges sont connus.
• Les niobates réagissent avec le HF, les fondus d'hydrofluorures de métaux alcalins (KHF 2) et l'ammonium. Certains niobates avec un rapport M 2 O / Nb 2 O 5 élevé sont hydrolysés: 6Na 3 NbO 4 + 5H 2 O \u003d Na 8 Nb 6 O 19 + 10NaOH.
• Le niobium forme NbO 2 , NbO, un certain nombre d'oxydes intermédiaires entre NbO 2 , 42 et NbO 2 , 50 et de structure similaire à la forme β de Nb 2 O 5 .
• Avec les halogènes, le niobium forme des pentahalogénures NbHa 15 , des tétrahalogénures NbHa 14 et des phases NbHa 12, 67 - NbHa 13 +x, qui contiennent des groupes Nb 3 ou Nb 2 . Les pentahalogénures de niobium sont facilement hydrolysés par l'eau.
• En présence de vapeur d'eau et d'oxygène, NbC 15 et NbBr 5 forment des oxyhalogénures NbOC 13 et NbOBr 3 - des substances cotonneuses en vrac.
• Lorsque le niobium et le graphite interagissent, des carbures Nb 2 C et NbC, composés solides résistants à la chaleur, se forment. Dans le système Nb - N, il existe plusieurs phases de composition variable et les nitrures Nb 2 N et NbN. Le niobium se comporte de manière similaire dans les systèmes contenant du phosphore et de l'arsenic. L'interaction du niobium avec le soufre a produit des sulfures : NbS, NbS 2 et NbS 3 . Des fluorures doubles Nb et potassium (sodium) - K 2 sont synthétisés.
• Il n'a pas encore été possible d'isoler électrochimiquement le niobium à partir de solutions aqueuses. Production électrochimique possible d'alliages contenant du niobium. Le niobium métallique peut être isolé par électrolyse de sels anhydres fondus.

Application

L'utilisation et la production de niobium augmentent rapidement, ce qui est dû à une combinaison de ses propriétés telles que la réfractarité, une petite section efficace de capture de neutrons thermiques, la capacité de former des alliages résistants à la chaleur, supraconducteurs et autres, une résistance à la corrosion, des propriétés getter, faible travail d'électron, bonne aptitude au façonnage à froid et soudabilité. Les principaux domaines d'application du niobium: science des fusées, technologie aéronautique et spatiale, ingénierie radio, électronique, construction d'appareils chimiques, ingénierie de l'énergie nucléaire.

Applications du niobium métallique

• Les pièces d'avion sont fabriquées à partir de niobium pur ou de ses alliages; coquilles pour éléments combustibles à l'uranium et au plutonium; conteneurs et tuyaux pour métaux liquides; détails des condensateurs électrolytiques ; raccords "chauds" de lampes électroniques (pour installations radar) et générateurs puissants (anodes, cathodes, grilles, etc.); équipements résistants à la corrosion dans l'industrie chimique.
• Le niobium est allié à d'autres métaux non ferreux, dont l'uranium. Par exemple, l'aluminium, si seulement 0,05% de niobium y est introduit, ne réagit pas du tout avec les alcalis, bien qu'il s'y dissolve dans des conditions normales. Un alliage de niobium avec 20% de cuivre a une conductivité électrique élevée et en même temps il est deux fois plus dur et plus résistant que le cuivre pur
• Le niobium est utilisé dans les cryotrons - éléments supraconducteurs des ordinateurs. Le niobium est également connu pour son utilisation dans les structures accélératrices du Large Hadron Collider.
• Le niobium et le tantale sont utilisés pour produire des condensateurs électrolytiques à capacité spécifique élevée. Le tantale permet la production de condensateurs de meilleure qualité que le niobium métallique. Cependant, les condensateurs à l'oxyde de niobium sont les plus fiables et les plus résistants au feu.

Composés intermétalliques et alliages de niobium

• Le stannure de Nb 3 Sn (stannure de triniobium, également connu sous le nom d'alliage de niobium-étain), le germanure de Nb 3 Ge (germaniumtriniobium), le nitrure de NbN et les alliages de niobium-titane (niobium-titane) et de zirconium sont utilisés pour fabriquer des solénoïdes supraconducteurs. Ainsi, les bobinages des aimants supraconducteurs du Large Hadron Collider sont constitués de 1200 tonnes de câble en alliage niobium-titane.
• Le niobium et les alliages avec du tantale remplacent dans de nombreux cas le tantale, ce qui donne un grand effet économique (le niobium est moins cher et presque deux fois plus léger que le tantale).
• Le ferroniobium est introduit (jusqu'à 0,6 % de niobium) dans les aciers inoxydables au chrome-nickel pour empêcher leur corrosion intergranulaire (y compris celle qui, autrement, commencerait après le soudage de l'acier inoxydable) et leur destruction, et dans d'autres types d'acier pour améliorer leurs propriétés.
• Le niobium est utilisé dans la frappe de pièces de collection. Ainsi, la Banque de Lettonie affirme que le niobium est utilisé dans les pièces de collection de 1 lats avec l'argent.

Application de composés de niobium

• Nb 2 O 5 - catalyseur dans l'industrie chimique;
• dans la production de réfractaires, cermets, verres spéciaux, nitrure, carbure, niobates.
• Le carbure de niobium (pf. 3480 ° C) dans un alliage avec du carbure de zirconium et du carbure d'uranium 235 est le matériau de structure le plus important pour les barres de combustible des moteurs à réaction nucléaires en phase solide.
• Le nitrure de niobium NbN est utilisé pour la réalisation de films supraconducteurs minces et ultra-minces avec une température critique de 5 à 10 K avec une transition étroite, de l'ordre de 0,1 K.

Matériaux supraconducteurs de première génération

• L'un des supraconducteurs activement utilisés (température de transition supraconductrice 9,25 K). Les composés de niobium ont une température de transition supraconductrice allant jusqu'à 23,2 K (Nb 3 Ge).
• Les supraconducteurs industriels les plus couramment utilisés sont NbTi et Nb 3 Sn.
• Le niobium est également utilisé dans les alliages magnétiques.
• Il est utilisé comme additif d'alliage.
• Le nitrure de niobium est utilisé pour fabriquer des bolomètres supraconducteurs.
• La résistance exceptionnelle du niobium et de ses alliages avec le tantale dans la vapeur de césium 133 surchauffée en fait l'un des matériaux de structure les plus appréciés et les moins chers pour les générateurs thermioniques de haute puissance.

Rôle biologique

Il n'existe actuellement aucune information sur le rôle biologique du niobium.

Action physiologique

La poussière de niobium métallique est inflammable et irritante pour les yeux et la peau. Certains composés de niobium sont hautement toxiques. Le MPC du niobium dans l'eau est de 0,01 mg/l. Lorsqu'il est ingéré, il provoque une irritation des organes internes et une paralysie subséquente des membres.