ИСТОРИЯ

ЗАЙМЕМСЯ
ХИМИЕЙ


Название: Ниобий (niobium)
Порядковый номер: 41
Группа: v
Период: 5
Электронное строение: 4d4 5s1
Атомная масса: 92,90638
Электроотрицательность: 1,6
Температура плавления: 2468?С
Температура кипения: 4742?С
Плотность (г/см3): 8,57
Характерные степени окисления: +5
Цвет элемента: Серо-стальной
Кем открыт: Чарльз Гатчетт
Год открытия: 1801
Страна открытия: Англия
Кристалическая структура:
объемоцентрированный куб

Ниобий (лат. niobium), nb, химический элемент v группы периодической системы Менделеева; атомный номер 41, атомная масса 92,9064; металл серо-стального цвета. Элемент имеет один природный изотоп 93 nb.

Н. открыт в 1801 английским учёным Ч. Хатчетом (1765—1847) в минерале, найденном в Колумбии, и назван им «колумбием». В 1844 немецкий химик Г. Розе (1795 — 1864) обнаружил «новый» элемент и назвал его «ниобием» в честь дочери Тантала Ниобы , чем подчеркнул сходство между Н. и танталом . Позднее было установлено, что Н. тот же элемент, что и колумбий.

Распространение в природе. Среднее содержание Н. в земной коре (кларк) 2 · 10 -3 % по массе. Только в щелочных изверженных породах — нифелиновых сиенитах и др., содержание Н. повышено до 10 -2 —10 -1 %. В этих породах и связанных с ними пегматитах, карбонатитах, а также в гранитных пегматитах обнаружено 23 минерала Н. и около 130 др. минералов, содержащих повышенные количества Н. Это в основном сложные и простые окислы. В минералах nb связан с редкоземельными элементами и с Та, ti, ca, na, th, fe, ba (тантало-ниобаты, титанаты и др.). Из 6 промышленных минералов наиболее важны пирохлор и колумбит . Промышленные месторождения Н. связаны с массивами щелочных пород (например, на Кольском полуострове), их корами выветривания, а также с гранитными пегматитами. Важное значение имеют и россыпи тантало-ниобатов.

В биосфере геохимия Н. изучена плохо. Установлено только, что в районах щелочных пород, обогащенных Н., он мигрирует в виде соединений с органическими и др. комплексами. Известны минералы Н., образующиеся при выветривании щелочных пород (мурманит, герасимовскит и др.). В морской воде лишь около 1 · 10 -9 % Н. по массе.

В 60-е гг. 20 в. ежегодно в мире добывалось около 1300 т Н., что по сравнению с кларком свидетельствует о его слабом использовании (слабее большинства металлов).

Физические и химические свойства. Кристаллическая решётка Н. объёмноцентрированная кубическим с параметром а = 3,294 å. Плотность 8,57 г/см 3 (20 °c); t пл 2500 °c; t kип 4927 o c; давление пара (в мм рт. ст. , 1 мм рт. ст. = 133,3 н/м 2 ) 1 · 10 -5 (2194 °С), 1 · 10 -4 (2355 °С), 6 · 10 -4 (при t пл ), 1 · 10 -3 (2539 °С). Теплопроводность в вт/ ( м · К ) при 0 °С и 600 °С соответственно 51,4 и 56,2, то же в кал/ ( см · сек · °С ) 0,125 и 0,156. Удельное объёмное электрическое сопротивление при 0°С 15,22 · 10 -8 ом · м (15,22 · 10 -6 ом · см ). температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,25 К. Н. парамагнитен. Работа выхода электронов 4,01 эв .

Чистый Н. легко обрабатывается давлением на холоду и сохраняет удовлетворительные механические свойства при высоких температурах. Его предел прочности при 20 и 800 °С соответственно равен 342 и 312 Мн/м 2 , то же в кгс/мм 2 34,2 и 31,2; относительное удлинение при 20 и 800 °С соответственно 19,2 и 20,7%. Твёрдость чистого Н. по Бринеллю 450, технического 750—1800 Мн/м 2 . Примеси некоторых элементов, особенно водорода, азота, углерода и кислорода, сильно ухудшают пластичность и повышают твёрдость Н.

По химическим свойствам Н. близок к танталу. Оба они чрезвычайно устойчивы (тантал более чем Н.) на холоду и при небольшом нагревании к действию многих агрессивных сред. Компактный Н. заметно окисляется на воздухе только выше 200 °С. На Н. действуют: хлор выше 200 °С, водород при 250 °С (интенсивно при 360 °С), азот при 400 °С. Практически не действуют на Н. очищенные от примеси кислорода жидкие na, К и их сплавы, li, bi, pb, hg, sn, применяемые в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах.

Н. устойчив к действию многих кислот и растворов солей. На него не действуют царская водка, соляная и серная кислоты при 20 °С, азотная, фосфорная, хлорная кислоты, водные растворы аммиака. Плавиковая кислота, её смесь с азотной кислотой и щёлочи растворяют Н. В кислых электролитах на Н. образуется анодная окисная плёнка с высокими диэлектрическими характеристиками, что позволяет использовать Н. и его сплавы с ta взамен дефицитного чистого Та для изготовления миниатюрных электролитических конденсаторов большой ёмкости с малыми токами утечки.

Конфигурация внешних электронов атома nb 4d 4 5s 1 . Наиболее устойчивы соединения пятивалентного Н., но известны и соединения со степенями окисления +4, +3, +2 и +1, к образованию которых Н. склонен более, чем тантал. Например, в системе Н. — кислород установлены фазы: пятиокись nb 2 o 5 ( t пл 1512 °С, цвет белый), нестехеометрические nbo 2,47 и nbo 2,42 , двуокись nbo 2 ( t пл 2080 °С, цвет чёрный), окись nbo ( t пл 1935 °С, цвет серый) и твёрдый раствор кислорода в Н. nbo 2 — полупроводник; nbo, сплавленная в слиток, обладает металлическим блеском и электропроводностью металлического типа, заметно испаряется при 1700 °С, интенсивно — при 2300—2350 °С, что используют для вакуумной очистки Н. от кислорода; nb 2 o 5 имеет кислотный характер; ниобиевые кислоты не выделены в виде определённых химических соединений, но известны их соли — ниобаты .

С водородом nb образует твёрдый раствор внедрения (до 10 ат.% Н) и гидрид состава от nbh 0,7 до nbh. Растворимость водорода в nb (в г/см 3 ) при 20 °С 104, при 500 °С 74,4, при 900 °С 4,0. Поглощение водорода обратимо: при нагревании, особенно в вакууме, водород выделяется; это используют для очистки nb от водорода (сообщающего металлу хрупкость) и для гидрирования компактного nb: хрупкий гидрид измельчают и дегидрируют в вакууме, получая чистый порошок Н. для электролитич. конденсаторов. Растворимость азота в Н. составляет (% по массе) 0,005, 0,04 и 0,07 соответственно при 300, 1000 и 1500 °С. Рафинируют Н. от азота нагреванием в глубоком вакууме выше 1900 °С или вакуумной плавкой. Высший нитрид nbn светло-серого цвета с желтоватым оттенком; температура перехода в сверхпроводящее состояние 15,6 К. С углеродом при 1800—2000 °С nb образует 3 фазы: a -фаза — твёрдый раствор внедрения углерода в Н., содержащий до 2 ат.% С при 2335 °С; b -фаза — nb 2 c, d -фаза — nbc. С галогенами Н. даёт галогениды, оксигалогениды и комплексные соли. Из них наиболее важны и лучше других изучены пентафторид nbf 5 , пентахлорид nbcl 5 , окситрихлорид nboci 3 , фторониобат калия k 2 nbf 7 и оксифторониобат калия k 2 nbof 7 · h 2 o. Небольшое различие в давлении паров nbcl 5 и tacl 5 используют для их весьма полного разделения и очистки методом ректификации.

Получение и применение. Руды nb — обычно комплексные и бедны nb, хотя их запасы намного превосходят запасы руд Та. Рудные концентраты содержат nb 2 o 5 : пирохлоровые — не менее 37%, лопаритовые — 8%, колумбитовые — 30—60%. Большую их часть перерабатывают алюмино- или силикотермическим восстановлением на феррониобий (40—60% nb) и ферротанталониобий. Металлический nb получают из рудных концентратов по сложной технологии в три стадии: 1) вскрытие концентрата, 2) разделение nb и ta и получение их чистых химических соединений, 3) восстановление и рафинирование металлического Н. и его сплавов. Основные промышленные методы производства nb и сплавов — алюминотермический, натриетермический, карботермический: из смеси nb 2 o 5 и сажи вначале получают при 1800 °С в атмосфере водорода карбид, затем из смеси карбида и пятиокиси при 1800—1900 °С в вакууме — металл; для получения сплавов Н. в эту смесь добавляют окислы легирующих металлов; по другому варианту Н. восстанавливают при высокой температуре в вакууме непосредственно из nb 2 o 5 сажей. Натриетермическим способом Н. восстанавливают натрием из k 2 nbf 7 , алюминотермическим— алюминием из nb 2 o 5 . Компактный металл (сплав) производят методами порошковой металлургии, спекая спрессованные из порошков штабики в вакууме при 2300 °С, либо электроннолучевой и вакуумной дуговой плавкой; монокристаллы nb высокой чистоты — бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.

Применение и производство Н. быстро возрастают, что обусловлено сочетанием таких его свойств, как тугоплавкость, малое сечение захвата тепловых нейтронов (1,15 б ), способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие и др. сплавы, коррозионная стойкость, геттерные свойства, низкая работа выхода электронов, хорошие обрабатываемость давлением на холоду и свариваемость. Основные области применения Н.: ракетостроение, авиационная и космическая техника, радиотехника, электроника, хим. аппаратостроение, атомная энергетика. Из чистого Н. или его сплавов изготовляют детали летательных аппаратов; оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов; контейнеры и трубы для жидких металлов; детали электрических конденсаторов; «горячую» арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и др.); коррозионноустойчивую аппаратуру в химической промышленности. Ниобием легируют др. цветные металлы, в том числе уран. Н. применяют в криотронах — сверхпроводящих элементах вычислительных машин, а станнид nb 3 sn и сплавы nb с ti и zr — для изготовления сверхпроводящих соленоидов. nb и сплавы с ta во многих случаях заменяют ta, что даёт большой экономический эффект (nb дешевле и почти вдвое легче, чем ta). Феррониобий вводят в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии и разрушения и в стали др. типов для улучшения их свойств. Применяют и соединения Н.: nb 2 o 5 (катализатор в химической промышленности; в производстве огнеупоров, керметов, специальных стекол), нитрид , карбид , ниобаты .

Лит.: Зеликман А. Н., Меерсон Г. А., Металлургия редких металлов, М., 1973; Ниобий, тантал и их сплавы, пер. с англ., М., 1966; Недюха И. М., Черный В. Г., Ниобий — металл космической эры, Киев, 1965; Ниобий и тантал. Сб. [переводных ст.], под ред. О. П. Колчина, М., 1961; Филянд М. А., Семенова Е. И., Свойства редких элементов [Справочник], 2 изд., М., 1964.

О. П. Колчин.

Назад



(С) Дистанционный творческий конкурс-проект "Моя Веб-страница", 2005
(С) Хмелев Алексей, 2005
http://www.eidos.ru/project/all/web/index.htm