Ниобий - Niobium

Ниобий,  41 Nb
Комок серых блестящих кристаллов с гексагональной огранкой.
Ниобий
Произношение / П б я ə м / ( ny- ОН -bee-əm )
Появление серый металлик, голубоватый при окислении
Стандартный атомный вес A r, std (Nb) 92,906 37 (1)
Ниобий в периодической таблице
Водород Гелий
Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон
Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон
Калий Кальций Скандий Титановый Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон
Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебряный Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод Ксенон
Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин Радон
Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Нихоний Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон
V

Nb

Ta
цирконийниобиймолибден
Атомный номер ( Z ) 41 год
Группа группа 5
Период период 5
Блокировать   d-блок
Электронная конфигурация [ Kr ] 4д 41
Электронов на оболочку 2, 8, 18, 12, 1
Физические свойства
Фаза на  СТП твердый
Температура плавления 2750  К (2477 ° С, 4491 ° F)
Точка кипения 5017 К (4744 ° С, 8571 ° F)
Плотность (около  rt ) 8,57 г / см 3
Теплота плавления 30  кДж / моль
Теплота испарения 689,9 кДж / моль
Молярная теплоемкость 24,60 Дж / (моль · К)
Давление газа
P  (Па) 1 10 100 1 к 10 тыс. 100 тыс.
при  T  (K) 2942 3207 3524 3910 4393 5013
Атомные свойства
Состояния окисления −3, −1, 0, +1, +2, +3, +4, +5 ( слабокислый оксид)
Электроотрицательность Масштаб Полинга: 1,6
Энергии ионизации
Радиус атома эмпирический: 146  pm
Ковалентный радиус 164 ± 18 часов
Цветные линии в спектральном диапазоне
Спектральные линии ниобия
Прочие свойства
Естественное явление изначальный
Кристальная структура объемно-центрированный кубический (bcc)
Кубическая объемноцентрированная кристаллическая структура ниобия
Скорость звука тонкого стержня 3480 м / с (при 20 ° C)
Тепловое расширение 7,3 мкм / (м⋅K)
Теплопроводность 53,7 Вт / (м⋅K)
Удельное электрическое сопротивление 152 нОм⋅м (при 0 ° C)
Магнитный заказ парамагнитный
Модуль для младших 105 ГПа
Модуль сдвига 38 ГПа
Объемный модуль 170 ГПа
коэффициент Пуассона 0,40
Твердость по шкале Мооса 6.0
Твердость по Виккерсу 870–1320 МПа
Твердость по Бринеллю 735–2450 МПа
Количество CAS 7440-03-1
История
Именование в честь Ниобы в греческой мифологии, дочери Тантала ( тантал )
Открытие Чарльз Хэтчетт (1801)
Первая изоляция Кристиан Вильгельм Бломстранд (1864)
Признанный в качестве отдельного элемента по Генрих Роуз (1844)
Основные изотопы ниобия
Изотоп Избыток Период полураспада ( t 1/2 ) Режим распада Продукт
90 Nb син 15 часов β + 90 Zr
91 Nb син 680 лет ε 91 Zr
91 м Nb син 61 дн ЭТО 91 Nb
92 Nb след 3,47 × 10 7  лет ε 92 Zr
γ -
92 мл Nb син 10 дней ε 92 Zr
γ -
93 Nb 100% стабильный
93m Nb син 16 лет ЭТО 93 Nb
94 Nb след 20,3 × 10 3  г β - 94 Пн
γ -
95 Nb син 35 дн. β - 95 Пн
γ -
95m Nb син 4 дн. ЭТО 95 Nb
96 Nb син 24 ч β - 96 Пн
Категория Категория: Ниобий
| использованная литература

Ниобий , также известный как колумбий , представляет собой химический элемент с символом Nb (ранее Cb) и атомным номером 41. Ниобий - это светло-серый кристаллический и пластичный переходный металл . Чистый ниобий имеет твердость по шкале Мооса, аналогичную твердости чистого титана , а пластичность аналогична железу . Ниобий окисляется в земной атмосфере очень медленно, поэтому его используют в ювелирных изделиях в качестве гипоаллергенной альтернативы никелю . Ниобий часто встречается в минералах пирохлоре и колумбите , отсюда и прежнее название «колумбий». Его название происходит от греческой мифологии , в частности от Ниобы , дочери Тантала , тезки тантала . Название отражает большое сходство между двумя элементами по их физическим и химическим свойствам, из-за чего их трудно различить.

Английский химик Чарльз Хэтчетт сообщил о новом элементе, похожем на тантал, в 1801 году и назвал его колумбием. В 1809 году английский химик Уильям Хайд Волластон ошибочно пришел к выводу, что тантал и колумбий идентичны. Немецкий химик Генрих Роуз определил в 1846 году, что танталовые руды содержат второй элемент, который он назвал ниобием. В 1864 и 1865 годах ряд научных открытий прояснил, что ниобий и колумбий были одним и тем же элементом (в отличие от тантала), и в течение столетия оба названия использовались как синонимы. Ниобий был официально принят в качестве названия элемента в 1949 году, но название колумбий по-прежнему используется в металлургии США.

Только в начале 20-го века ниобий был впервые использован в коммерческих целях. Бразилия - ведущий производитель ниобия и феррониобия , сплава 60–70% ниобия с железом. Ниобий в основном используется в сплавах, большая часть - в специальной стали, например, в газопроводах . Хотя эти сплавы содержат максимум 0,1%, небольшой процент ниобия увеличивает прочность стали. Температурная стабильность ниобийсодержащих суперсплавов важна для их использования в реактивных и ракетных двигателях .

Ниобий используется в различных сверхпроводящих материалах. Эти сверхпроводящие сплавы , также содержащий титан и олово , широко используется в сверхпроводящих магнитах на МРТ сканеров . Другие применения ниобия включают сварку, атомную промышленность, электронику, оптику, нумизматику и ювелирные изделия. В последних двух применениях низкая токсичность и радужность, возникающие при анодировании, являются очень желательными свойствами. Ниобий считается технологически важным элементом .

История

Овальное черно-белое изображение мужчины с выдающимся воротником рубашки и галстуком.
Чарльз Хэтчетт идентифицировал элемент колумбий в минерале, обнаруженном в Коннектикуте, США.
Черно-белое изображение мраморной скульптуры поклонившейся женщины с ребенком на коленях
Изображение эллинистической скульптуры, изображающей Ниобу, работы Джорджо Соммера

Ниобий был идентифицирован английским химиком Чарльзом Хэтчеттом в 1801 году. Он обнаружил новый элемент в образце минерала, который был отправлен в Англию из Коннектикута в 1734 году Джоном Уинтропом FRS (внуком Джона Уинтропа Младшего ) и назвал минерал колумбитом. и новый элемент колумбий в честь Колумбия , поэтического названия Соединенных Штатов. Ниобий обнаружен Hatchett, вероятно , смесь нового элемента с танталом.

Впоследствии возникла значительная путаница по поводу разницы между колумбием (ниобием) и близким ему танталом. В 1809 году английский химик Уильям Хайд Волластон сравнил оксиды, полученные из колумбия-колумбита с плотностью 5,918 г / см 3 , и тантала- танталита с плотностью более 8 г / см 3 , и пришел к выводу, что эти два оксида, несмотря на значительная разница в плотности, были идентичны; таким образом он сохранил название тантал. Этот вывод был оспорен в 1846 году немецкий химик Генрих Розе , который утверждал , что существуют два различных элемента в образце танталит, и назвал их после того, как дети Тантала : ниобий (от Ниоба ) и pelopium (от Пелопсом ). Эта путаница возникла из-за минимальных наблюдаемых различий между танталом и ниобием. Заявленные новые элементы пелопий , ильмений и диан фактически идентичны ниобию или смесям ниобия и тантала.

Различия между танталом и ниобием были недвусмысленно продемонстрированы в 1864 году Кристианом Вильгельмом Бломстрандом и Анри Этьеном Сент-Клер Девиль , а также Луи Дж. Тростом , который определил формулы некоторых соединений в 1865 году и, наконец, швейцарским химиком Жаном Шарлем Галиссаром. де Мариньяком в 1866 году, который доказал, что существует только два элемента. Статьи об ильмении продолжали появляться до 1871 года.

Де Мариньяк первым подготовил металл в 1864 году, когда он восстановил хлорид ниобия, нагревая его в атмосфере водорода . Хотя де Marignac был способен производить тантал-ниобий бесплатно в большем масштабе 1866 г., он не был до начала 20 - го века , что ниобий был использован в лампы накаливания нити, первого коммерческого применения. Это использование быстро устарело из-за замены ниобия вольфрамом , который имеет более высокую температуру плавления. То, что ниобий улучшает прочность стали, было впервые обнаружено в 1920-х годах, и это применение остается его основным применением. В 1961 году американский физик Юджин Кунцлер и его коллеги из Bell Labs обнаружили, что ниобий-олово продолжает проявлять сверхпроводимость в присутствии сильных электрических токов и магнитных полей, что сделало его первым материалом, поддерживающим высокие токи и поля, необходимые для полезного высокого напряжения. силовые магниты и электрические машины . Это открытие позволило - два десятилетия спустя - производить длинные многожильные кабели, скрученные в катушки, для создания больших и мощных электромагнитов для вращающегося оборудования, ускорителей частиц и детекторов частиц.

Присвоение имени элементу

Колумбий (символ «Cb») - это название, которое Хатчетт дал после открытия этого металла в 1801 году. Название отражало, что типовой образец руды прибыл из Америки ( Колумбия ). Это название продолжало использоваться в американских журналах - последняя статья, опубликованная Американским химическим обществом с колумбием в названии, датируется 1953 годом, - в то время как ниобий использовался в Европе. Чтобы положить конец этой путанице, название ниобий было выбрано для элемента 41 на 15-й конференции Союза химиков в Амстердаме в 1949 году. Год спустя это название было официально принято Международным союзом чистой и прикладной химии (IUPAC) через 100 лет. противоречий, несмотря на хронологический приоритет названия Columbium . Это был своего рода компромисс; ИЮПАК принял вольфрам вместо вольфрама из уважения к использованию в Северной Америке; и ниобий вместо колумбия в соответствии с европейским использованием. Хотя многие химические общества и правительственные организации США обычно используют официальное название ИЮПАК, некоторые металлурги и общества металлургов все еще используют оригинальное американское название « колумбий » .

Характеристики

Физический

Ниобий является блестящим , серым, ковким , парамагнитным металлом в группе 5 из периодической таблицы (смотрите таблицу), с электронной конфигурацией в крайних оболочках нетипичных для группы 5. (Это можно наблюдать в окрестностях рутения (44), родий (45) и палладий (46).)

Z Элемент Кол-во электронов на оболочку
23 ванадий 2, 8, 11, 2
41 год ниобий 2, 8, 18, 12, 1
73 тантал 2, 8, 18, 32, 11, 2
105 дубний 2, 8, 18, 32, 32, 11, 2

Хотя считается, что он имеет объемно-центрированную кубическую кристаллическую структуру от абсолютного нуля до точки плавления, измерения теплового расширения с высоким разрешением вдоль трех кристаллографических осей выявляют анизотропию, несовместимую с кубической структурой. Поэтому ожидаются дальнейшие исследования и открытия в этой области.

Ниобий становится сверхпроводником при криогенных температурах. При атмосферном давлении, он имеет самую высокую критическую температуру элементарных сверхпроводников на 9,2  K . Ниобий имеет самую большую глубину магнитного проникновения среди всех элементов. Кроме того, это один из трех элементарных сверхпроводников типа II , наряду с ванадием и технецием . Сверхпроводящие свойства сильно зависят от чистоты металлического ниобия.

В очень чистом виде он сравнительно мягкий и пластичный, но примеси делают его более твердым.

Металл имеет низкое сечение захвата тепловых нейтронов ; таким образом, он используется в ядерной промышленности, где требуются нейтронно-прозрачные структуры.

Химическая

Металл приобретает голубоватый оттенок при длительном пребывании на воздухе при комнатной температуре. Несмотря на высокую температуру плавления в элементарной форме (2468 ° C), он имеет более низкую плотность, чем другие тугоплавкие металлы. Кроме того, он устойчив к коррозии, проявляет свойства сверхпроводимости и образует диэлектрические оксидные слои.

Ниобий немного менее электроположителен и более компактен, чем его предшественник в периодической таблице, цирконий , тогда как он практически идентичен по размеру более тяжелым атомам тантала в результате сжатия лантаноида . В результате химические свойства ниобия очень похожи на свойства тантала, который находится непосредственно под ниобием в периодической таблице . Хотя его коррозионная стойкость не такая выдающаяся, как у тантала, более низкая цена и большая доступность делают ниобий привлекательным для менее требовательных применений, таких как футеровка чанов на химических заводах.

Изотопы

Ниобий в земной коре содержит один стабильный изотоп , 93 Nb. К 2003 году было синтезировано по крайней мере 32 радиоизотопа с атомной массой от 81 до 113. Наиболее стабильным из них является 92 Nb с периодом полураспада 34,7 миллиона лет. Один из наименее стабильных - 113 Nb с предполагаемым периодом полураспада 30 миллисекунд. Изотопы, которые легче , чем стабильная 93 Nb имеют тенденцию к распаду с помощью β + распад , и те , которые тяжелее , как правило, распадаются на & beta ; - распад , с некоторыми исключениями. 81 Nb, 82 Nb и 84 Nb имеют незначительные пути распада испускания протонов с задержкой β + , 91 Nb распадается при захвате электронов и эмиссии позитронов , а 92 Nb распадается как при β +, так и при β - распаде.

Описано по крайней мере 25 ядерных изомеров с атомной массой от 84 до 104. В этом диапазоне только 96 Nb, 101 Nb и 103 Nb не имеют изомеров. Наиболее стабильным изомером ниобия является 93m Nb с периодом полураспада 16,13 года. Наименее стабильным изомером является 84m Nb с периодом полураспада 103 нс. Все изомеры ниобия распадаются путем изомерного перехода или бета-распада, за исключением 92m1 Nb, который имеет небольшую ветвь захвата электронов.

Вхождение

По оценкам, ниобий является 34-м по распространенности элементом в земной коре с содержанием 20  частей на миллион . Некоторые думают, что количество на Земле намного больше, и что высокая плотность элемента сконцентрировала его в ядре Земли. Свободный элемент не встречается в природе, но ниобий встречается в минералах в сочетании с другими элементами. Минералы, содержащие ниобий, часто также содержат тантал. Примеры включают колумбит ( (Fe, Mn) (Nb, Ta)
2
О
6
) и колумбит-танталит (или колтан , (Fe, Mn) (Ta, Nb)
2
О
6
). Колумбит-танталитные минералы (наиболее распространенными видами являются колумбит (Fe) и танталит (Fe), где «- (Fe)» - суффикс Левинсона, информирующий о преобладании железа над другими элементами, такими как марганец), чаще всего встречаются в виде акцессорные минералы в интрузиях пегматита и в щелочных интрузивных породах. Реже встречаются ниобаты кальция , урана , тория и редкоземельных элементов . Примерами таких ниобатов являются пирохлор ( (Na, Ca)
2
Nb
2
О
6
(OH, F)
) (теперь название группы, с относительно распространенным примером, например, фторкальциопирохлор) и эвксенит (правильно названный эвксенит- (Y)) ( (Y, Ca, Ce, U, Th) (Nb, Ta , Ti)
2
О
6
). Эти крупные месторождения ниобия были обнаружены связаны с Карбонатиты ( карбонат - силикатные изверженных пород ) , и в качестве компонента пирохлора.

Три крупнейших в настоящее время месторождения пирохлора, два в Бразилии и одно в Канаде, были обнаружены в 1950-х годах и до сих пор являются основными производителями концентратов ниобиевых минералов. Самое крупное месторождение находится в интрузии карбонатитов в Араша , штат Минас-Жерайс , Бразилия, принадлежащей компании CBMM ( Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração ); другое действующее бразильское месторождение находится недалеко от Каталао , штат Гояс , и принадлежит компании China Molybdenum , также находящейся внутри интрузии карбонатитов. Вместе эти две шахты производят около 88% мировых запасов. В Бразилии также есть большое, но еще не освоенное месторождение недалеко от Сан-Габриэль-да-Кашуэйра , штат Амазонас , а также несколько небольших месторождений, особенно в штате Рорайма .

Третий по величине производитель ниобия - карбонатитовый рудник Ниобек в Сент-Оноре , недалеко от Шикутими , Квебек, Канада, принадлежащий Magris Resources . Он производит от 7% до 10% мировых поставок.

Производство

Серо-белая карта мира, на которой Бразилия окрашена в красный цвет, что составляет 90% мирового производства ниобия, и Канада, окрашенная в темно-синий цвет, представляет 5% мирового производства ниобия.
Производители ниобия в 2006-2015 гг.

После отделения от других минералов получают смешанные оксиды тантала Ta 2 O 5 и ниобия Nb 2 O 5 . Первым этапом обработки является реакция оксидов с плавиковой кислотой :

Ta 2 O 5 + 14 HF → 2 H 2 [TaF 7 ] + 5 H 2 O
Nb 2 O 5 + 10 HF → 2 H 2 [NbOF 5 ] + 3 H 2 O

Первое разделение в промышленном масштабе, разработанное де Мариньяком , использует различные растворимости комплексных фторидов ниобия и тантала , моногидрата оксипентафторониобата калия (K 2 [NbOF 5 ] · H 2 O) и гептафтортанталата калия (K 2 [TaF 7 ]) в воды. В более новых процессах используется жидкостная экстракция фторидов из водного раствора органическими растворителями, такими как циклогексанон . Комплексные фториды ниобия и тантала экстрагируют отдельно из органического растворителя водой и либо осаждают добавлением фторида калия с получением комплекса фторида калия, либо осаждают аммиаком в качестве пентоксида:

H 2 [NbOF 5 ] + 2 KF → K 2 [NbOF 5 ] ↓ + 2 HF

С последующим:

2 H 2 [NbOF 5 ] + 10 NH 4 OH → Nb 2 O 5 ↓ + 10 NH 4 F + 7 H 2 O

Для восстановления до металлического ниобия используется несколько методов . Электролизе расплавленной смеси K 2 [NbOF 5 ] и хлорида натрия является одним; другой - восстановление фторида натрием . С помощью этого метода можно получить ниобий относительно высокой чистоты. При крупномасштабном производстве Nb 2 O 5 восстанавливают водородом или углеродом. В алюмотермической реакции смесь оксида железа и оксида ниобия реагирует с алюминием :

3 Nb 2 O 5 + Fe 2 O 3 + 12 Al → 6 Nb + 2 Fe + 6 Al 2 O 3

Для усиления реакции добавляют небольшие количества окислителей, таких как нитрат натрия . В результате получается оксид алюминия и феррониобий , сплав железа и ниобия, используемый в производстве стали. Феррониобий содержит от 60 до 70% ниобия. Без оксида железа для производства ниобия используется алюминотермический процесс. Для получения класса сверхпроводящих сплавов необходима дополнительная очистка . Электронно-лучевая плавка в вакууме - метод, используемый двумя основными распространителями ниобия.

По состоянию на 2013 год CBMM из Бразилии контролировал 85 процентов мирового производства ниобия. По оценкам Геологической службы США, производство увеличилось с 38 700 тонн в 2005 году до 44 500 тонн в 2006 году. Мировые ресурсы оцениваются в 4,4 миллиона тонн. За десятилетний период с 1995 по 2005 год производство увеличилось более чем вдвое, начиная с 17 800 тонн в 1995 году. В период с 2009 по 2011 год производство было стабильным на уровне 63 000 тонн в год с небольшим снижением в 2012 году до 50 000 тонн в год. .

Объем добычи (т) (оценка USGS)
Страна 2000 г. 2001 г. 2002 г. 2003 г. 2004 г. 2005 г. 2006 г. 2007 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г. 2011 г. 2012 г. 2013
 Австралия 160 230 290 230 200 200 200 ? ? ? ? ? ? ?
 Бразилия 30 000 22 000 26 000 29 000 29 900 35 000 40 000 57 300 58 000 58 000 58 000 58 000 45 000 53 100
 Канада 2290 3 200 3 410 3 280 3 400 3 310 4 167 3020 4380 4330 4 420 4 630 4,710 5 260
 Конго ДР ? 50 50 13 52 25 ? ? ? ? ? ? ? ?
 Мозамбик ? ? 5 34 130 34 29 ? ? ? ? ? ? ?
 Нигерия 35 год 30 30 190 170 40 35 год ? ? ? ? ? ? ?
 Руанда 28 год 120 76 22 63 63 80 ? ? ? ? ? ? ?
Мир 32 600 25 600 29 900 32 800 34 000 38 700 44 500 60 400 62 900 62 900 62 900 63 000 50 100 59 400

Меньшие количества находятся на месторождении Каньяка в Малави ( рудник Каньяка ).

Соединения

Во многих отношениях ниобий похож на тантал и цирконий . Он реагирует с большинством неметаллов при высоких температурах; с фтором при комнатной температуре; с хлором при 150 ° C и водородом при 200 ° C ; и с азотом при 400 ° C, с продуктами, которые часто являются промежуточными и нестехиометрическими. Металл начинает окисляются на воздухе при 200 ° С . Он устойчив к коррозии расплавленными щелочами и кислотами, в том числе царской водкой , соляной , серной , азотной и фосфорной кислотами . Ниобий подвергается воздействию фтористоводородной кислоты и смесей фтористоводородной / азотной кислот.

Хотя ниобий проявляет все формальные степени окисления от +5 до -1, наиболее распространенные соединения имеют ниобий в состоянии +5. Обычно соединения со степенями окисления менее 5+ обнаруживают связь Nb – Nb. В водных растворах ниобий проявляет только степень окисления +5. Он также легко подвержен гидролизу и плохо растворяется в разбавленных растворах соляной , серной , азотной и фосфорной кислот из-за осаждения водного оксида Nb. Nb (V) также слабо растворим в щелочной среде из-за образования растворимых полиоксониобатов.

Оксиды, ниобаты и сульфиды

Ниобий образует оксиды в степенях окисления +5 ( Nb 2 O 5 ), +4 ( NbO 2 ), +3 ( Nb
2
О
3
), и более редкая степень окисления +2 ( NbO ). Наиболее распространенным является пентоксид, предшественник почти всех соединений и сплавов ниобия. Ниобаты образуются путем растворения пентоксида в основных растворах гидроксидов или плавления его в оксидах щелочных металлов. Примерами являются ниобат лития (LiNbO 3 ) и ниобат лантана (LaNbO 4 ). В ниобате лития есть тригонально искаженная перовскитоподобная структура, тогда как ниобат лантана содержит одиночный NbO3-
4
ионы. Также известен слоистый сульфид ниобия (NbS 2 ).

Материалы могут быть покрыты тонкой пленкой химического осаждения из паровой фазы оксида ниобия (V) или процесса осаждения атомарного слоя , полученного термическим разложением этоксида ниобия (V) при температуре выше 350 ° C.

Галогениды

Стекло часов на черной поверхности с небольшой долей желтых кристаллов.
Частично гидролизованный образец пентахлорида ниобия (желтая часть) (белый материал).
Шаровидная модель пентахлорида ниобия , существующего в виде димера

Ниобий образует галогениды в степенях окисления +5 и +4, а также различные субстехиометрические соединения . Пентагалогениды ( NbX
5
) имеют октаэдрические центры Nb. Пентафторид ниобия (NbF 5 ) представляет собой белое твердое вещество с температурой плавления 79,0 ° C, а пентахлорид ниобия (NbCl 5 ) желтого цвета (см. Изображение слева) с температурой плавления 203,4 ° C. Оба гидролизуются с образованием оксидов и оксигалогенидов, таких как NbOCl 3 . Пентахлорид представляет собой универсальный реагент, используемый для образования металлоорганических соединений, таких как дихлорид ниобоцена ( (C
5
ЧАС
5
)
2
NbCl
2
).
Тетрагалогениды ( NbX
4
) - полимеры темного цвета со связями Nb-Nb; например, черный гигроскопичный тетрафторид ниобия (NbF 4 ) и коричневый тетрахлорид ниобия (NbCl 4 ).

Анионные галогенидные соединения ниобия хорошо известны, отчасти благодаря льюисовской кислотности пентагалогенидов. Наиболее важным из них является [NbF 7 ] 2– , промежуточный продукт при отделении Nb и Ta от руд. Этот гептафторид имеет тенденцию к образованию оксопентафторида более легко, чем соединение тантала. Другие галогенидные комплексы включают октаэдрический [NbCl 6 ] - :

Nb 2 Cl 10 + 2 Cl - → 2 [NbCl 6 ] -

Как и в случае с другими металлами с низкими атомными номерами, известно множество восстановленных галогенидных кластерных ионов, главным примером которых является [Nb 6 Cl 18 ] 4– .

Нитриды и карбиды

Другие бинарные соединения ниобия включают нитрид ниобия (NbN), который становится сверхпроводником при низких температурах и используется в детекторах инфракрасного света. Основной карбид ниобия является NbC, чрезвычайно трудно , огнеупорный , керамический материал, коммерчески используемым в режущих биты инструмента .

Приложения

Три куска металлической фольги с желтым налетом
Ниобиевая фольга

Из 44 500 тонн ниобия, добытого в 2006 году, примерно 90% было использовано в производстве высококачественной конструкционной стали. Второе по величине применение - суперсплавы . Сверхпроводники и электронные компоненты из ниобиевых сплавов составляют очень небольшую долю в мировом производстве.

Производство стали

Ниобий является эффективным микролегирование элементом для стали, внутри которой она образует ниобия карбид и ниобия нитрида . Эти соединения улучшают измельчение зерна и замедляют рекристаллизацию и дисперсионное твердение. Эти эффекты, в свою очередь, увеличивают ударную вязкость, прочность, формуемость и свариваемость. В микролегированных нержавеющих сталях содержание ниобия является небольшим (менее 0,1%), но важным дополнением к высокопрочным низколегированным сталям , которые широко используются в конструкции современных автомобилей. Иногда ниобий используется в значительно больших количествах для изготовления деталей машин и ножей с высокой износостойкостью, до 3% в нержавеющей стали Crucible CPM S110V.

Эти же ниобиевые сплавы часто используются при строительстве трубопроводов.

Суперсплавы

Изображение служебного модуля Apollo на фоне луны
CSM Apollo 15 на лунной орбите с темным соплом ракеты из ниобий-титанового сплава

Количества ниобия используются в суперсплавах на основе никеля, кобальта и железа в пропорциях до 6,5% для таких применений, как компоненты реактивных двигателей , газовые турбины , ракетные узлы, системы турбонагнетателей, жаропрочное оборудование и оборудование для сжигания. Ниобий выделяет упрочняющую γ '' - фазу в зеренной структуре суперсплава.

Одним из примеров суперсплава является Inconel 718 , состоящий примерно из 50% никеля , 18,6% хрома , 18,5% железа , 5% ниобия, 3,1% молибдена , 0,9% титана и 0,4% алюминия . Эти суперсплавы использовались, например, в усовершенствованных системах авиационной конструкции для программы Gemini . Другой сплав ниобия использовался для сопла сервисного модуля Apollo . Поскольку ниобий окисляется при температурах выше 400 ° C, для этих применений необходимо защитное покрытие, чтобы сплав не стал хрупким.

Сплавы на основе ниобия

Сплав C-103 был разработан в начале 1960-х годов совместно Wah Chang Corporation и Boeing Co. DuPont , Union Carbide Corp., General Electric Co. и несколькими другими компаниями одновременно разрабатывали сплавы на основе ниобия , в основном из-за холодной войны и Космическая гонка . Он состоит из 89% ниобия, 10% гафния и 1% титана и используется в соплах жидкостных ракетных двигателей, таких как главный двигатель лунных модулей Apollo .

Вакуумная насадка Merlin

Сопло двигателей серии Merlin Vacuum , разработанных SpaceX для верхней ступени ракеты Falcon 9, изготовлено из сплава ниобия.

Реакционная способность ниобия с кислородом требует, чтобы он работал в вакууме или в инертной атмосфере , что значительно увеличивает стоимость и сложность производства. Вакуумно-дуговая переплавка (VAR) и электронно-лучевая плавка (EBM), новые процессы в то время, позволили разработать ниобий и другие химически активные металлы. Проект , который дал C-103 началось в 1959 году с целых 256 экспериментальных сплавов ниобия в «C-серии» (возможно , от гр olumbium) , которые могут быть расплавлены в виде кнопок и свернутый в листе . У Ва Чанга был запас гафния, очищенного из циркониевых сплавов ядерной чистоты , который он хотел использовать в коммерческих целях. 103-й экспериментальный состав сплавов серии С, Nb-10Hf-1Ti, имел наилучшее сочетание формуемости и жаропрочных свойств. Ва Чанг изготовил первые 500 фунтов плавки C-103 в 1961 году, от слитка к листу, используя EBM и VAR. Предполагаемые области применения включают газотурбинные двигатели и жидкометаллические теплообменники . Конкурирующие ниобиевые сплавы той эпохи включали FS85 (Nb-10W-28Ta-1Zr) от Fansteel Metallurgical Corp., Cb129Y (Nb-10W-10Hf-0.2Y) от Wah Chang and Boeing, Cb752 (Nb-10W-2.5Zr) от Union Carbide и Nb1Zr от Superior Tube Co.

Сверхпроводящие магниты

Аппарат желто-серого цвета высотой в комнату с отверстием для человека посередине и носилками прямо перед ним.
Клинический магнитно-резонансный томограф на 3 тесла с использованием сверхпроводящего сплава ниобия

Ниобий-германий ( Nb
3
Ge
), ниобий – олово ( Nb
3
Sn
), а также ниобий-титановые сплавы используются в качестве сверхпроводящего провода типа II для сверхпроводящих магнитов . Эти сверхпроводящие магниты используются в приборах магнитно-резонансной томографии и ядерного магнитного резонанса, а также в ускорителях частиц . Например, Большой адронный коллайдер использует 600 тонн сверхпроводящих нитей, в то время как Международный термоядерный экспериментальный реактор использует около 600 тонн нитей Nb 3 Sn и 250 тонн нитей NbTi. Только в 1992 году было построено систем клинической магнитно-резонансной томографии на сумму более 1 миллиарда долларов США с использованием ниобий-титановой проволоки.

Другие сверхпроводники

9-элементный сверхпроводящий радиочастотный резонатор с частотой 1,3 ГГц, изготовленный из ниобия, демонстрируется в Fermilab.

Частоты сверхпроводящего радио (ОСР) полость , используемая в лазерах на свободных электронах FLASH (результат отмененного TESLA линейного ускорителя проект) и РЛСЭ сделаны из чистого ниобия. Команда криомодуля в Fermilab использовала ту же технологию SRF из проекта FLASH для разработки полостей SRF с девятью ячейками 1,3 ГГц, сделанных из чистого ниобия. Полости будут использоваться в 30 км (19 миль) линейном ускорителе частиц от Международного линейного коллайдера . Та же технология будет использоваться в LCLS-II в Национальной ускорительной лаборатории SLAC и в PIP-II в Fermilab.

Высокая чувствительность болометров из сверхпроводящего нитрида ниобия делает их идеальным детектором электромагнитного излучения в ТГц диапазоне частот. Эти детекторы были протестированы на субмиллиметровом телескопе , на Южном полюсе телескопе , в лаборатории телескопе приемника , и в APEX , и в настоящее время используются в HIFI инструменте на борту Космической обсерватории Herschel .

Другое использование

Электрокерамика

Ниобат лития , который является сегнетоэлектриком , широко используется в мобильных телефонах и оптических модуляторах , а также для производства устройств на поверхностных акустических волнах . Он принадлежит к сегнетоэлектрикам со структурой ABO 3, таким как танталат лития и титанат бария . Ниобиевые конденсаторы доступны в качестве альтернативы танталовым конденсаторам , но танталовые конденсаторы по-прежнему преобладают. Ниобий добавляется в стекло для получения более высокого показателя преломления , что делает корректирующие стекла более тонкими и легкими .

Гипоаллергенные применения: медицина и украшения.

Ниобий и некоторые сплавы ниобия физиологически инертны и гипоаллергенны . По этой причине ниобий используется в протезировании и имплантатах, таких как кардиостимуляторы. Ниобий, обработанный гидроксидом натрия, образует пористый слой, который способствует остеоинтеграции .

Подобно титану, танталу и алюминию, ниобий можно нагревать и анодировать («реактивное анодирование металла ») для получения широкого спектра переливающихся цветов для ювелирных изделий, где его гипоаллергенные свойства весьма желательны.

Нумизматика

Ниобий используется как драгоценный металл в памятных монетах, часто с серебром или золотом. Например, Австрия выпустила серию серебряных монет евро с ниобием, начиная с 2003 г .; Цвет этих монет создается за счет дифракции света на тонком слое анодированного оксида. В 2012 году доступно десять монет с изображением самых разных цветов в центре монеты: синего, зеленого, коричневого, пурпурного, фиолетового или желтого. Еще два примера - памятная монета австрийской железной дороги Земмеринга за 150 лет в размере 25 евро за 2004 год и памятная монета австрийской европейской спутниковой навигации за 25 евро за 2006 год . Австрийский монетный двор произвел для Латвии аналогичную серию монет, начиная с 2004 года, а еще одну - в 2007 году. В 2011 году Королевский монетный двор Канады начал производство монеты из серебра и ниобия стоимостью 5 долларов США под названием «Луна Хантера», в которой ниобий был выборочно окислен, таким образом, создание уникальной отделки, в которой нет двух абсолютно одинаковых монет.

Монета с темно-зеленым центром и серебристым внешним ободком.  На ободе написано: Republik Österreich 25 Euro.  В центре представлены электрический и паровой локомотивы.
Монета Альпийской железной дороги 150-летия Земмеринга из ниобия и серебра

Другой

Уплотнения дуговых трубок натриевых ламп высокого давления изготавливаются из ниобия, иногда легированного 1% циркония ; Ниобий имеет очень похожий коэффициент теплового расширения, соответствующий керамической дуговой трубке из спеченного оксида алюминия , полупрозрачному материалу, который сопротивляется химическому воздействию или восстановлению горячим жидким натрием и парами натрия, содержащимися внутри операционной лампы.

Ниобий используется в стержнях для дуговой сварки некоторых стабилизированных марок нержавеющей стали и в анодах для систем катодной защиты некоторых резервуаров с водой, которые затем обычно покрываются платиной.

Ниобий - важный компонент высокоэффективных гетерогенных катализаторов производства акриловой кислоты путем селективного окисления пропана.

Ниобий используется для изготовления высоковольтного провода модуля приема частиц солнечной короны зонда Parker Solar Probe .

Меры предосторожности

Ниобий
Опасности
NFPA 704 (огненный алмаз)
0
0
0

Ниобий не имеет известной биологической роли. В то время как ниобиевая пыль является раздражителем глаз и кожи и потенциально опасна возгорания, элементарный ниобий в более широком масштабе физиологически инертен (и, следовательно, гипоаллергенен) и безвреден. Он часто используется в ювелирных изделиях и был протестирован для использования в некоторых медицинских имплантатах.

Большинство людей редко сталкивается с ниобийсодержащими соединениями, но некоторые из них токсичны. Кратковременное и долгосрочное воздействие ниобатов и хлорида ниобия, двух химикатов, растворимых в воде, было протестировано на крысах. Крысы, получавшие однократную инъекцию пентахлорида ниобия или ниобатов, показывают среднюю летальную дозу (LD 50 ) от 10 до 100 мг / кг. При пероральном приеме токсичность ниже; исследование на крысах показало, что LD 50 через семь дней составляет 940 мг / кг.

использованная литература

внешние ссылки