Ниобий - Niobium
Ниобий | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Произношение |
/ П aɪ oʊ б я ə м / |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Появление | серый металлик, голубоватый при окислении | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Стандартный атомный вес A r, std (Nb) | 92,906 37 (1) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ниобий в периодической таблице | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Атомный номер ( Z ) | 41 год | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Группа | группа 5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Период | период 5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Блокировать | d-блок | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Электронная конфигурация | [ Kr ] 4д 4 5с 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Спектральные линии ниобия | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Прочие свойства | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Естественное явление | изначальный | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Кристальная структура | объемно-центрированный кубический (bcc) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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
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)
2О
6) и колумбит-танталит (или колтан , (Fe, Mn) (Ta, Nb)
2О
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)
2Nb
2О
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)
2О
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
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. .
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
2О
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-
4ионы. 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
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
5ЧАС
5)
2NbCl
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
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
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 .
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
Ниобий-германий ( Nb
3Ge ), ниобий – олово ( Nb
3Sn ), 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
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.
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
Опасности | |
---|---|
NFPA 704 (огненный алмаз) |
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
- Лос-Аламосская национальная лаборатория - ниобий
- Тантал-ниобиевый международный исследовательский центр
- Ниобий для ускорителей частиц, например, ILC. 2005 г.
- Британская энциклопедия (11-е изд.). 1911 г. .
- Гилман, округ Колумбия ; Пек, HT; Колби, FM, ред. (1905). . Новая международная энциклопедия (1-е изд.). Нью-Йорк: Додд, Мид.
- Ниобий в Периодической таблице видео (Ноттингемский университет)