Фізико-хімічні властивості ніобію ванадію молібдену. Застосування ніобію та його властивості

Справжня, емпірична або брутто-формула: Nb

Молекулярна маса: 92,906

Ніобій- Елемент побічної підгрупи п'ятої групи п'ятого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва, атомний номер - 41. Позначається символом Nb (лат. Niobium). Проста речовина ніобій (CAS-номер: 7440-03-1) - блискучий метал сріблясто-сірого кольору з кубічною об'ємноцентрованою кристалічною решіткою типу α-Fe, а = 0,3294. Для ніобію відомі ізотопи з масовими числами від 81 до 113.

Історія

Ніобій був відкритий в 1801 р. англійським вченим Чарльзом Хетчетом в мінералі, надісланому ще в 1734 в Британський музей зі штату Массачусетс Джоном Вінтропом (онуком Джона Вінтропа молодшого). Мінерал був названий колумбітом, а хімічний елемент отримав назву "колумбій" (Cb) на честь країни, звідки було отримано зразок - Колумбії (тоді синонім США).
У 1802 році А. Г. Екеберг відкрив тантал, який збігався практично за всіма хімічними властивостями з ніобієм, і тому довгий час вважалося, що це один і той самий елемент. Лише у 1844 році німецький хімік Генріх Розе встановив, що це відмінний від танталу елемент і перейменував його на «ніобій» на честь дочки Тантала Ніоби, чим наголосив на схожості між елементами. Однак у деяких країнах (США, Англії) довго зберігалася первісна назва елемента - колумбій, і лише у 1950 році рішенням Міжнародного союзу теоретичної та прикладної хімії(ІЮПАК, IUPAC) елементу остаточно було надано назву ніобій.
Вперше чистий ніобій було отримано наприкінці ХІХ століття. французьким хімікомАнрі Муассаном електротермічним шляхом відновлюючи оксид ніобію вуглецем в електропечі.

Знаходження у природі

Кларк ніобію – 18 г/т. Вміст ніобію збільшується від ультраосновних (0,2 г/т Nb) до кислих пород (24 г/т Nb). Ніобію завжди супроводжує тантал. Близькі хімічні властивості ніобію і танталу зумовлюють спільне їхнє перебування в одних і тих же мінералах та участь у загальних геологічних процесах. Ніобій здатний заміщати титан у ряді мінералів, що містять титан (сфен, ортит, перовскіт, біотит). Форма знаходження ніобію в природі може бути різною: розсіяною (у породоутворюючих та акцесорних мінералах магматичних порід) та мінеральною. У загальної складностівідомо більше 100 мінералів, що містять ніобій. З них промислове значеннямають лише деякі: колумбіт-танталіт ( , )(Nb, Ta) 2 O 6 , пірохлор ( , Ca, TR, U) 2 (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 (OH, F) (Nb 2 O 5 0 - 63 %), лопарит ( , Ca, Ce)(Ti, Nb)O 3 ((Nb, Ta) 2 O 5 8 - 10 %), іноді використовуються евксеніт, тороліт, ільменорутил, а також мінерали, що містять ніобій у вигляді домішок (ільменіт, каситерит, вольфраміт). У лужних - ультраосновних породах ніобій розсіюється в мінералах типу перовскіту та в евдіаліті. У екзогенних процесахмінерали ніобію та танталу, будучи стійкими, можуть накопичуватися в делювіально-алювіальних розсипах (колумбітові розсипи), іноді в бокситах кори вивітрювання. Концентрація ніобію у морській воді 1·10 -5 мг/л.

Місце народження

Родовища ніобію розташовані у США, Японії, Росії ( Кольський півострів), Бразилії, Канаді.

Отримання

Руди ніобію – зазвичай комплексні та бідні металом. Рудні концентрати містять Nb 2 O 5 : пірохлорові – не менше 37 %, лопаритові – 8 %, колумбітові – 30-60 %. Більшу частину переробляють алюмо- чи силікотермічним відновленням на фероніобій (40-60 % Nb) і ферротанталониобий. Металевий ніобій одержують із рудних концентратів за складною технологією в три стадії:

• розтин концентрату,
• поділ ніобію та танталу та отримання їх чистих хімічних сполук,
• відновлення та рафінування металевого ніобію та його сплавів.

Ізотопи

Природний ніобій складається з єдиного стабільного ізотопу – 93 Nb. Решта штучно отримані ізотопи ніобію з масовими числами від 81 до 113 радіоактивні (всього їх відомо 32). Найбільш довгоживучий ізотоп - 92 Nb з періодом напіврозпаду 34,7 млн. років. Також відомі 25 метастабільних станів ядер різних ізотопів.

Хімічні властивості

Хімічно ніобій досить стійкий, але поступається цьому плані танталу. На нього практично не діють соляна, ортофосфорна, розведена сірчана, азотна. Метал розчиняється в плавиковій кислоті HF, суміші HF і HNO 3 , концентрованих їдких розчинах, а також в концентрованій сірчаній кислоті при нагріванні понад 150 °C. При прожарюванні на повітрі окислюється до Nb 2 Про 5 . Для цього оксиду описано близько 10 кристалічних модифікацій. При звичайному тиску стабільна β-форма Nb 2 Про 5 .

• При сплавленні Nb 2 Про 5 з різними оксидами отримують ніобати: Ti 2 Nb 10 Про 29 FeNb 49 Про 124 . Ніобати можуть розглядатися як солі гіпотетичних ніобієвих кислот. Вони діляться на метаніобати MNbO 3 , ортоніобати M 3 NbO 4 , піроніобати M 4 Nb 2 O 7 або полініобати M 2 O nNb 2 O 5 (M - однозарядний катіон, n = 2-12). Відомі ніобати двох-і тризарядних катіонів.
• Ніобати реагують з HF, розплавами гідрофторидів лужних металів(KHF 2) та амонію . Деякі ніобати з високим ставленням M 2 O/Nb 2 O 5 гідролізуються: 6Na 3 NbO 4 + 5H 2 O = Na 8 Nb 6 O 19 + 10NaOH .
• Ніобій утворює NbO 2 , NbO, ряд оксидів, проміжних між NbO 2 , 42 і NbO 2 , 50 і близьких структурою до β-формі Nb 2 Про 5 .
• З галогенами ніобій утворює пентагалогеніди NbHa 15 тетрагалогеніди NbHa 14 і фази NbHa 12 67 - NbHa 13 +x, в яких є угруповання Nb 3 або Nb 2 . Пентагалогеніди ніобію легко гідролізуються водою.
• У присутності парів води та кисню NbC 15 і NbBr 5 утворюють оксигалогеніди NbOC 13 та NbOBr 3 - пухкі ватоподібні речовини.
• При взаємодії ніобію і графіту утворюються карбіди Nb 2 C і NbC, тверді жароміцні сполуки. У системі Nb – N існують кілька фаз змінного складуі нітриди Nb 2 N та NbN. Подібним чином поводиться ніобій у системах з фосфором та миш'яком. При взаємодії ніобію з сіркою отримані сульфіди: NbS, NbS2 і NbS3. Синтезовані подвійні фториди Nb та калію (натрію) - K 2 .
• З водних розчинів виділити електрохімічно ніобій поки що не вдалося. Можливе електрохімічне одержання сплавів, що містять ніобій. Електроліз безводних сольових розплавів може бути виділений металевий ніобій.

Застосування

Застосування і виробництво ніобію швидко зростають, що обумовлено поєднанням таких його властивостей, як тугоплавкість, малий переріз захоплення теплових нейтронів, здатність утворювати жароміцні, надпровідні та ін. зварюваність. Основні галузі застосування ніобію: ракетобудування, авіаційна та космічна техніка, Радіотехніка, електроніка, хімічне апаратобудування, атомна енергетика.

Застосування металевого ніобію

• З чистого ніобію або його сплавів виготовляють деталі літальних апаратів; оболонки для уранових та плутонієвих тепловиділяючих елементів; контейнери та труби для рідких металів; деталі електролітичних конденсаторів; «гарячу» арматуру електронних (для радарних установок) та потужних генераторних ламп (аноди, катоди, сітки та ін.); корозійностійку апаратуру в хімічної промисловості.
• Ніобієм легують інші кольорові метали, зокрема уран. Наприклад, алюміній, якщо в нього ввести всього 0,05% ніобію, зовсім не реагує з лугами, хоча в звичайних умовах він розчиняється в них. Сплав ніобію з 20% міді має високу електропровідність і при цьому він вдвічі твердіший і міцніший за чисту мідь.
• Ніобій застосовують у кріотронах - надпровідних елементах. обчислювальних машин. Ніобій також відомий тим, що він використовується в структурах прискорення великого адронного колайдера.
• Ніобій та тантал використовують для виробництва електролітичних конденсаторів високої питомої ємності. Тантал дозволяє виробляти якісніші конденсатори, ніж металевий ніобій. Однак конденсатори на основі оксиду ніобію найбільш надійні та стійкі до спалаху.

Інтерметаліди та сплави ніобію

• Станід Nb 3 Sn (станнід триніобію, відомий також як сплав ніобій-олово), германід Nb 3 Ge (германійтриніобій), нітрид NbN і сплави ніобію з титаном (ніобій-титан) та цирконієм застосовуються для виготовлення надпровідних соленоїдів. Так, обмотки надпровідних магнітів Великого адронного колайдера виготовлені із 1200 тонн кабелю із сплаву ніобій-титан.
• Ніобій та сплави з танталом у багатьох випадках замінюють тантал, що дає великий економічний ефект (ніобій дешевше і майже вдвічі легше, ніж тантал).
• Ферроніобій вводять (до 0,6% ніобію) в нержавіючі хромонікелеві сталі для запобігання їх міжкристалітній корозії (у тому числі тій, яка інакше почалася б після зварювання нержавіючої сталі) і руйнування та в інших типів для поліпшення їх властивостей.
• Ніобій використовується при карбуванні колекційних монет. Так, Латвійський Банк стверджує, що в колекційних монетах номіналом 1 лат поряд зі сріблом використовується ніобій.

Застосування сполук ніобію

• Nb 2 O 5 - каталізатор у хімічній промисловості;
• у виробництві вогнетривів, керметів, спеціальних стекол, нітрид, карбід, ніобати.
• Карбід ніобію (т. пл. 3480 °C) у сплаві з карбідом цирконію та карбідом урану-235 є найважливішим конструкційним матеріалом для ТВЕЛів твердофазних ядерних. реактивних двигунів.
• Нітрид ніобію NbN використовується для виробництва тонких і ультратонких надпровідних плівок з критичною температурою від 5 до 10 К з вузьким переходом, близько 0,1 К.

Надпровідні матеріали першого покоління

• Один з надпровідників, що активно застосовуються (температура надпровідного переходу 9,25 К). З'єднання ніобію мають температуру надпровідного переходу до 23,2 К (Nb 3 Ge).
• Найчастіше використовувані промислові надпровідники - NbTi та Nb 3 Sn.
• Ніобій використовується також у магнітних сплавах.
• Застосовується як легуюча добавка.
• Нітрид ніобію використовується для виробництва надпровідних болометрів.
• Виняткова стійкість ніобію та його сплавів з танталом у перегрітій парі цезію-133 робить його одним з найбільш кращих та дешевих конструкційних матеріалів для термоемісійних генераторів великої потужності.

Біологічна роль

Про біологічну роль ніобію нині немає жодних відомостей.

Фізіологічна дія

Металевий пил ніобію вогненебезпечний і дратує очі та шкіру. Деякі сполуки ніобію дуже токсичні. ГДК ніобію у воді 0,01 мг/л. При попаданні в організм викликає подразнення внутрішніх органіві наступний параліч кінцівок.

Ніобій (латинське Niobium, позначається символом Nb) – елемент з атомним номером 41 та атомною масою 92,9064. Ніобій є елементом побічної підгрупи п'ятої групи, п'ятого періоду періодичної системи хімічних елементів Дмитра Менделєєва. Разом із танталом ніобій входить до підгрупи ванадію. Маючи у зовнішньому електронному шаріатома два або один електрон, ці елементи відрізняються від елементів головної підгрупи переважанням металевих властивостейта відсутністю водневих сполук. У вільному стані ванадій, ніобій і тантал дуже стійкі до хімічних впливів і мають високі температури плавлення. Ці метали спільно з хромом, молібденом, вольфрамом, ренією, а також рутенням, родієм, осмієм та іридієм відносяться до тугоплавких металів. Сорок перший елемент у вільному стані - метал сіро-сталевого кольору, твердий (проте не крихкий), тугоплавкий (температура плавлення 2500 ° C) і висококиплячий (4927 ° C), що добре піддається механічній обробці і дуже стійкий у багатьох агресивних середовищах. Щільність ніобію 8,57 г/см3. Природний ніобій складається з одного стабільного ізотопу 93Nb.

Історія відкриття сорок першого елемента дуже тісно пов'язана з історією іншого спорідненого металу, що входить до тієї ж підгрупи, що і ніобій – танталу. Ще в середині сімнадцятого століття Південній Америці(у басейні річки Колумбії) було виявлено важкий чорний мінерал із золотистими прожилками слюди. Його доставили до Англії, де він понад сто років провів в одній із вітрин Британського музею під ім'ям « залізнякуі лише 1801 року англійський хімік Чарльз Хатчет зацікавився незвичайним мінералом. Він виділив оксид невідомого колись елемента, який назвав «колумбієм», а мінерал «колумбітом». Через рік шведський хімік Екеберг виділив з того ж мінералу окис ще одного нового елемента, названого танталом. З цієї причини довгі рокивважалося, що колумбій та тантал – ідентичні метали, адже перебувають вони в одному мінералі. Лише 1844 року німецький хімік Генріх Розе, досліджуючи колумбіт, виявив у ньому окисли двох металів, подібних за властивостями, проте є самостійними елементами. Один із них був відомий уже тантал, а інший Розі назвав ніобієм (на ім'я Ніоби, дочки міфологічного мученика Тантала).

Ніобій - один з основних компонентів багатьох жароміцних та корозійностійких сплавів. Особливо велике значеннямають жароміцні сплави ніобію, які застосовують у виробництві газових турбін, реактивних двигунів, ракет. Сорок перший елемент вводять також у деякі марки нержавіючих сталей – він різко покращує їх механічні властивості та опірність корозії. Так сталі, що містять від одного до чотирьох відсотків ніобію, відрізняються високою жароміцністю і використовуються як матеріал для виробництва котлів високого тиску. Крім того, сталь з добавкою ніобію – чудовий матеріал для електрозварювання сталевих конструкцій: її застосування забезпечує надзвичайну міцність зварних швів. Карбіди ніобію відрізняються винятковою твердістю і найчастіше застосовуються в металообробній промисловості для виготовлення різального інструменту.

Ніобій – мікроелемент, що міститься в людському організмі (у дорослих у міліграмових дозах). Основні депо концентрації даного металу- Кістки, печінка, м'язи, кров. Його біологічна рольдо кінця не вивчена, проте завдяки тому, що ніобій гіпоалергенний (не викликає біологічного відторгнення) його широко використовує медицина. У той же час металевий пил ніобію викликає подразнення очей та шкіри, а деякі з'єднання цього металу досить токсичні.

Біологічні властивості

Ніобій є невід'ємним мікроелементом людського організму. Сорок перший елемент виявлений у крові, кістках, м'язах та печінці людини. Підраховано, що в середньому в організмі дорослої людини вагою 70 кг міститься до 1,5 мг ніобію.

На жаль, біологічна роль цього елемента вивчена дуже слабо. Однак, відомо, що ніобій гіпоалергенний, тобто його можна безпечно використовувати для введення в тіло, оскільки він не викликатиме біологічного відторгнення організмом. Цю цінну властивість використовує медицина - ніобієві нитки не викликають подразнення живої тканини і добре зрощуються з нею. Відновлювальна хірургія успішно використовує такі нитки для зшивання порваних сухожиль, кровоносних судин та навіть нервів. На відміну від інших медичних легованих сталей та імплантаційних сплавів ніобій є чистим хімічним елементом, який не можна розділити на окремі компоненти. Тобто при контакті з тканинами він не здатний виділяти окремі компоненти і тому не є алергеном.

Не тільки медицина використовує дану якість ніобію - Останнім часомна ніобій великий попит як на матеріал для бодіпірсингу підшкірного. До того ж ніобій є реактивним металом і його можна під час хімічного електролізу анодувати. При цьому на поверхні металу з'являється тонкий оксидний шар, який викликає появу інтерференційних кольорів і за рахунок особливостей попадання світла виникає при відображенні і заломленні враження переливання кольорів, що змінюються забарвлення (подібний ефект можна спостерігати на плівці нафтової або бензинової плями на сирому асфальті). У шанувальників пірсингу подібна колірна гра користується популярністю, до того ж анодований шар повністю сумісний з тканинами організму, оскільки він є оксидом ніобію. Природно, що все вище сказане стосується лише чистого ніобію - прикраси для пірсингу зі сплавів ніобію (або металу з домішками) можуть завдати шкоди організму людини.

Незважаючи на всі позитивні аспекти біологічного впливусорок першого елемента на організм, деякі сполуки ніобію отруйні. Професійних отруєньніобієм не зафіксовано. Однак відносно висока захворюваність верхніх дихальних шляхів у робітників, які використовують комплексні сполуки ніобію, найімовірніше пов'язана з впливом HF, що виділяється, і фторониобатов. Основні експерименти зі встановлення ступеня токсичності сполук сорок першого елемента, що проводяться на тваринах, показали, що К2NbF7 і NbCl5 різко подразнюють шкірні покриви та слизові ока кролика. Введений в шлунок ніобаткалію KNbO3 викликає гостре отруєння з летальним кінцем у білих мишей при дозуванні в 725-1140 мг/кг; пентафторооксоніобата калію K2NbOF5 – при дозі 130 мг/кг; хлориду ніобію (V) NbCl5 - 829,6 мг/кг. Для лабораторних щурів ці дози дещо вищі. Введені сполуки призвели до зернистої та вакуольної дистрофії в канальцях нирок, некрозу печінки та епітелію стравоходу, дистрофічних змін у слизовій оболонці шлунка. Хронічні отруєння були викликані введенням у шлунок піддослідних тварин протягом чотирьох місяців NbCl5 у дозі 100 мг/кг, що призвело до зміни складу крові та збою функцій печінки, незначних змін у ході ШКТ. Введення пилу Nb2O5 у дозі 50 мг протягом 6-9 місяців викликало у лабораторних щурів ущільнення міжальвеолярної перегородки та емфізему легень. У тих же лабораторних тварин щоденні затравки пилом нітриду ніобію NbN по 40 мг/м3 протягом трьох місяців призвели до розвитку пневмосклерозу та вторинної емфіземи. До такого ж результату призвело до введення в трахею щурів 50 мг NbN.

ГДК ніобію у воді 0,01 мг/л, для нітриду ніобію у повітрі робочої зони 10 мг/м3. Для фтороніобатів рекомендується ГДК як для солей HF.

Називаючи новий елементніобієм, Генріх Розе керувався його подібністю до танталу. Адже міфічний цар Тантал, покараний олімпійськими богамиза зухвалість був батьком Ніоби, на честь якої і був названий сорок перший елемент. Однак Розі, напевно, не міг припускати те, що названий ним елемент буде схожий з міфологічним персонажем не тільки спорідненістю з танталом. Перш ніж пояснити, що ще спільного мають реальний метал ніобій та міфологічна принцеса Ніоба, коротко розповімо її історію.

Ніоба (Ніобея) – героїня давньогрецьких міфів, дочка фригійського царя Тантала, дружина фіванського царя Амфіона. Маючи велике потомство (сім синів і семеро дочок), Ніоба запишалася і своїм хвастощом образила Літо (Латону) - мати бога Аполлона та богині Артеміди. За таку зухвалість Аполлон та Артеміда стрілами зі своїх луків убили всіх дітей Ніоби. Сама Ніоба, що скам'яніла від горя, була перенесена на вершину гори Сипіл, де вона у вічній самоті в образі каменю проливає сльози за вбитими дітьми.

До чого ж тут ніобій? Справа в тому, що у цього металу лише один природний ізотоп - 93Nb. Виходить, що метал так само самотній, як і фіванська цариця Ніоба.

Відомо, що ніобій має високу корозійну стійкість, що зумовлює його застосування в хімічному машинобудуванні. Цікавим фактом і те, що з виготовленні запірної апаратури і трубопроводів солянокислотного виробництва, ніобій як служить конструкційним матеріалом, а й грає у своїй роль каталізатора, даючи можливість отримати концентровану кислоту.

До 1866 року було відомо жодного придатного для виробничих умов способу поділу танталу і ніобію!

У зв'язку з гострою нестачею срібла американські фінансисти пропонують виготовлення металевих грошей використовувати замість нього ніобій, оскільки вартість ніобію приблизно відповідає вартості срібла. З 2003 року ніобій офіційно використовується при карбуванні колекційних монет. Першопрохідником у використанні цього металу був Австрійський монетний двір Münze Österreich. Однією з особливостей ніобію є те, що за певної обробки металу можна отримати різне забарвлення поверхні. В результаті Австрія випускає біметалічні монети з різним забарвленням, вже викарбувано сім тисяч подібних монет. Приклад Австрії виявився заразливим - у 2005 році в Сьєрра-Леоні випустили біметалеву монету, з використанням золота та фіолетового ніобію. Випуск присвячений Папі Римському Івану Павлу ІІ. Крім цих країн біметалічні монети з використанням ніобію випустили: Монголія – 500 тугриків, срібний овал та вставка із сірого ніобію (2003 рік), Латвія – 1 лат, срібло, вставка із зеленого ніобію (2010 рік) та ряд інших таборів.

Бразильська компанія CBMM - найбільший виробник ніобію у світі, в даний час вона забезпечує 80% всього світового попиту на ніобій. Саме від дій компанії значною мірою залежить, чи світовий ринок відчуватиме дефіцит ніобію.

Останнім часом (у країнах Заходу) ніобій став застосовуватись у ювелірній справі як матеріал для виготовлення ювелірних прикрасЦе пов'язано з тим, що ніобій не є алергеном.

Відомо, що до 1950 року в деяких країнах (США та Великій Британії) довго зберігалася первісна назва сорок першого елемента - Колумбій, поки Міжнародним союзом чистої та прикладної хімії (ЮПАК) не було прийнято рішення іменувати в усьому світі цей елемент ніобієм. Спочатку американські та англійські хіміки вимагали скасування цього рішення, яке здавалося їм несправедливим, але «вирок» ЮПАК був остаточним і не підлягав оскарженню. Довелося «колумбістам» змиритися з цим фактом, а в хімічній літературі США та Англії з'явився новий символ «Nb».

Штучна (наведена) радіоактивність ніобію невелика, тому з ніобію можна робити контейнери для зберігання радіоактивних відходів або встановлення їх використання.

На знаменитому Великому адронному колайдері під Женевою витки надпровідних магнітів виготовлені зі з'єднання ніобію та титану.

Історія

Не всякий хімічний елемент може похвалитися своїм повторним відкриттям, а частку сорок першого елемента періодичної системи це «щастя» перепало.

Із завоюванням Америки до Європи стали потрапляти досі небачені багатства, екзотичні дива, речі, які потребують ретельного вивчення та роз'яснення. Оскільки підкорювачів нового континенту цікавили лише грабіж і нажива, багато нове ігнорувалося, вважалося непотрібним, а то й могло знайти свого застосування. Так, платину називали «поганим сріблом», вважаючи за метал фальшивомонетників, і сотнями тонн топили в річках і морях. А зразки незвичайного мінералу чорного кольору із золотистими вкрапленнями були вивезені як сувеніри, осівши у приватних колекціях та музеях під всілякими назвами. Один з таких зразків провалявся на курній вітрині Британського музею в Лондоні півтора століття під табличкою, яка говорила, що перед вами зразок «залізної руди».

Дивно, але знайшлася людина, яка зацікавилася запорошеним експонатом і вирішила дізнатися справжню сутність каменю. Це був англійський хімік Чарльз Хатчет, який у 1801 році досліджував зразок незвичайного мінералу, виділив з нього оксид невідомого раніше елемента і дав йому назву - «колумбій», тим самим підкресливши заокеанське походження нового елемента (на честь Христофора Колумба та старовинної назви Америки) . А сам незвичайний важкий чорний мінерал хімік назвав «колумбітом». Саме в такий спосіб вперше було відкрито сорок перший елемент періодичної таблиці, отримавши своє перше ім'я. І якщо спочатку Хатчет сумнівався в тому, що перед ним щось раніше не вивчене і ототожнював колумбіт з сибірською хромовою рудою, то потім вчений виявив, що кислота (окис), що утворюється з лужного сплаву мінералу, має зовсім інші властивості, ніж хромова кислота. Однак отримати з оксиду металу Хатчету не вдалося.

Роком пізніше шведський хімік Андерс Густав Екеберг, досліджуючи колумбітову руду, виявлену на одній із фінських копалень, відкриває новий метал, названий ним тантал (Tantalum). Окисел цього металу виявився надзвичайно стійким і не руйнувався навіть у надлишку кислоти (він ніби не міг насититися кислотою, подібно до того, як міфічний Тантал, покараний Зевсом, стоячи по горло у воді і мучивши спрагу, не міг задовольнити її). Мінерал, у якому було виявлено новий метал, назвали танталітом. З цього моменту і почалася плутанина і плутанина - подібність сполук колумбія і танталу була така велика, що протягом сорока років більшість хіміків вважало: тантал і колумбій - один і той же елемент. «Олії у вогонь» підлив авторитетний англійський вчений Вільям Хайд Волластон, який першим отримав платину в чистому виглядіі відкрив паладій. У 1809 році він довів, що колумбій Хатчета і тантал Екеберга є одним і тим же металом, тому що їх окисли дуже близькі за питомою вагою.

Крапку в цій заплутаної історіїпоставив німецький хімік Генріх Розе у 1844 році. У його розпорядженні були зразки колумбітів та танталітів, знайдені у Баварії. Після ретельного вивчення зразків вчений встановив, що в ряді зразків присутні оксиди двох металів. Залишивши танталу колишня назва, він дав другому елементу, подібному до танталу, нове ім'я - ніобій (Niobium) на честь міфічної Ніоби, дочки Тантала. Недоторканою залишилася і назва мінералу, яку дав Хатчет, адже колумбіт, який він досліджував, був сумішшю танталу та ніобію. Втім, Розі, як і Хатчет, не зумів отримати ніобій у вільному стані. Це сталося лише у 1866 році, коли шведський вчений Крістіан Вільгельм Бломстранд при відновленні хлориду ніобію воднем отримав металевий ніобій. Надалі вчені розробили ще два способи одержання металу в чистому вигляді: спочатку Муассан отримав його в електропечі, відновлюючи окис ніобію вуглецем, а потім Гольдшмідт зумів відновити той самий елемент алюмінієм.

У Росії зацікавленість ніобієм була скромна: колумбієм Хатчета зацікавився лише хімік-аналітик Т. Е. Ловіа, який почав дослідження нового металу, але не встиг його закінчити, опублікувавши про нього лише замітку (1806). Що ж до назви, то російської літератури початку ХІХ століття колумбій Хатчета називався колумб (Шерер, 1808), колумбій (Ловиц), тантал і ніобій (Гесс). В Англії та США метал, як і раніше, продовжували називати колумбієм, в інших країнах дотримувалися нової версіїі називали сорок перший елемент ніобієм. Остаточне рішення у цьому питанні було ухвалено Міжнародним союзом чистої та прикладної хімії (ІЮПАК) лише у 1950 році! На засіданні союзу було вирішено повсюдно узаконити назву елемента ніобій, а за основним мінералом ніобію закріпилося первісне найменування колумбіт.

Знаходження у природі

Ніобій вважається рідкісним елементом(Зміст в земній корі 2,4 10-3 % за масою), він зустрічається дійсно нечасто в невеликих кількостях і завжди у вигляді мінералів (у самородному стані ніобій не існує). Цікаво, що у різній довідкову літературукларк (зміст у земній корі) ніобію різний. Це з тим, що дедалі частіше у Африці виявляються нові багаті родовища руд, містять ніобій. Тому, найімовірніше, дані продовжуватимуть змінюватися. Так чи інакше, але приблизно підраховано, що з мінералів відомих родовищ можна виплавити приблизно 18 мільйонів тонн металевого ніобію.

Ніобій - літофільний елемент, пов'язаний з гранітними, ніфелінсієнітовими, ультраосновними лужними породами та карбонатитами. Тільки в лужних вивержених породах - ніфелінових сієнітах та інших, вміст сорок першого елемента підвищено до 10-2-10-1%. У цих породах та пов'язаних з ними пегматитах, карбонатитах, а також у гранітних пегматитах виявлено 23 мінерали ніобію та близько 130 інших мінералів, що містять підвищені кількості цього елемента. Здебільшого це складні та прості оксиди. У мінералах сорок перший елемент пов'язаний із рідкісноземельними елементами та з танталом, титаном, кальцієм, натрієм, торієм, залізом, барієм (тантало-ніобати, титанати та інших). Справа в тому, що породоутворюючим аналогом ніобію (а також танталу) є титан. При високій концентрації Ti4+ відбувається розсіювання Nb5+ за титановими мінералами.

У біосфері геохімія ніобію вивчена слабо. Достовірно встановлено, що у районах лужних порід, збагачених ніобієм, він мігрує як сполук з органічними та інші комплексами. Існують мінерали сорок першого елемента, що утворюються при вивітрюванні лужних порід (мурманіт, герасимовскіт). Вміст ніобію в морській воді близько 1 10-9% за масою.

Форма знаходження ніобію в природі може бути різною: розсіяною (у породоутворюючих та акцесорних мінералах магматичних порід) та мінеральною. Загалом відомо більше ста мінералів, що містять ніобій. З них промислове значення мають лише деякі: колумбіт-танталіт (Fe, Mn)(Nb, Ta)2O6, що містить 50-76% Nb2O5; пірохлор (Na, Ca)2(Nb, Ta, Ti)2O6(OH, F), в якому кількість Nb2O5 варіюється від 40 до 70% не більше. Що цікаво в колумбіті з Гренландії не виявлено танталу, цей мінерал - суміш солі закису заліза (FeO = 17,33%) та ніобієвої кислоти (Nb2O5 = 77,97%), що також містить закис марганцю (MnО = 3,28%) та ще MgO, PbO, ZrO2, SnO2 та WO3. Найменше промислове значення має лопарит (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb, Ta)O3 (зміст комплексу (Nb, Ta)2O5 становить 8 - 10 %), іноді використовуються евксеніт Y(Nb, Ta, Ti)2O6 (21 -34 % Nb2O5), тороліт, ільменорутил, а також мінерали, що містять ніобій у вигляді домішок (ільменіт, каситерит, вольфраміт). Мінерали ніобію слабо парамагнітні та радіоактивні через домішки U та Th. Мінімальні змісти, у яких рентабельно розробляти корінні ніобієві руди, близько 0,15-0,2 % Nb2O5. Середній вміст Nb2O5 у більшості родовищ ніобієвих руд світу 0,2-0,6%; багаті родовища містять 1% і більше (до 4%) Nb2O5. Мінімальні змісти, при яких розробляються розсипи колумбіту та родовища кор вивітрювання, дорівнюють 0,1-0,15 кг/м3.

Значні родовища вищезгаданих мінералів є у різних країнах: Малайзії, Мозамбіку, Заїрі, Бразилії, США, Канаді (лужні породи), Норвегії, Фінляндії. Однак найбільшим постачальником концентратів ніобію на світовий ринок стала африканська держава Нігерія (багаті розсипні родовища). У Росії є великі запаси лопариту, вони знайдені Кольському півострові.

Застосування

Завдяки поєднанню таких цінних якостей- як тугоплавкість, малий переріз захоплення теплових нейтронів, здатність утворювати жароміцні, надпровідні та інші сплави, корозійна стійкість, гетерні властивості, низька робота виходу електронів, хороша оброблюваність тиском на холоді та зварюваність - виробництво та застосування ніобію постійно зростають. Приблизно 50% ніобію, що виробляється, використовується для мікролегування сталей (концентрація ніобію 0,05-0,10% за масою). З них 20-30% йдуть на отримання нержавіючих і жаростійких сталей (вміст ніобію 0,2-1,2%), 20-25% використовуються при отриманні жароміцних сплавів на основі нікелю або заліза (1-5% ніобію), 1- 3% витрачається у вигляді металу та сплавів на основі ніобію.

Легована ніобієм сталь набуває високих антикорозійних властивостей і не втрачає своєї пластичності. Так, наприклад, у хромонікелевій сталі завжди присутній вуглець, який з'єднується з хромом, утворюючи карбід, який робить сталь крихкішою. Добавка ніобію, що має більшу спорідненість з вуглецем, ніж хром, зв'язує вуглець у безпечний карбід ніобію. Позитивний ефект досягається при введенні в тонну сталі всього 200 грам сорок першого елемента. Добавка ніобію в хромомарганцеву сталь надає їй високої зносостійкості.

Сорок першим елементом легують і багато кольорових металів. Так, алюміній, що легко розчиняється в лугах, не реагує з ними, якщо до нього додано всього 0,05% ніобію. А мідь, відому свою м'якістю, і багато її сплавів ніобій немов загартовує. Він збільшує міцність таких металів, як титан, молібден, цирконій, і одночасно підвищує їхню жаростійкість і жароміцність. Ніобієм легують навіть уран. Сталі, леговані ніобієм, широко використовує ракетобудування, авіаційна та космічна техніка (деталі літальних апаратів), радіотехніка, електроніка, хімічне апаратобудування (контейнери та труби для рідких металів), атомна енергетика. Ще одне унікальна властивістьніобію, що використовується в атомній енергетиці - відсутність помітної взаємодії з ураном за температури до 1 100 °C.

Крім того, хороша теплопровідність, невеликий ефективний переріз поглинання теплових нейтронів зробили ніобій серйозним конкурентом визнаних в атомній промисловості металів - алюмінію, берилію та цирконію. До того ж штучна (наведена) радіоактивність ніобію невелика. З цієї причини з ніобію можна виготовляти контейнери для зберігання радіоактивних відходів або установки їх використання. Мінімальний відсоток споживання ніобію хімічною промисловістю пояснюється лише дефіцитом даного елемента.

Зі сплавів, що містять сорок перший елемент, рідше з листового ніобію роблять апаратуру для виробництва високочистих кислот. Здатність ніобію (каталізатор) впливати на швидкість деяких хімічних реакцій використовується, наприклад, при синтезі спирту з бутадієну. Сплави ніобію використовуються при виробництві деталей ракет та бортової апаратури. штучних супутниківЗемлі. Ніобій використовується в деталях електричних конденсаторів, з нього виготовляють гарячу арматуру електронних (для радарних установок) і потужних генераторних ламп (аноди, катоди, сітки та інші). Ніобій застосовують у кріотронах - надпровідних елементах обчислювальних машин, а станнід Nb3Sn та сплави ніобію з титаном та цирконієм - для виготовлення надпровідних соленоїдів.

Нітрид ніобію NbN застосовують для виготовлення надпровідних болометрів, мішеней передаючих телевізійних трубок. Карбід ніобію NbC - пластична речовина з характерним рожевим блиском, що поєднує хорошу ковкість і високу термостійкість з приємними зовнішніми даними зробило NbC цінним матеріалом для виготовлення покриттів. Шар цієї речовини товщиною всього 0,5 мм надійно захищає від корозії при високих температурахбагато матеріалів, зокрема графіт, який іншими покриттями не захищається.

Карбід ніобію використовується і як конструкційний матеріал у ракетобудуванні та виробництві турбін. Карбонітрид NbC0,25N0,75 використовують при виготовленні надпровідних квантових інтерференційних пристроїв високочастотних резонаторів з високими значеннями добротності; NbC0,25N0,75 є перспективним для використання в магнітних системах реакторів термоядерного синтезу.

Металіди Nb3Sn та Nb3Ge застосовують при виготовленні соленоїдів надпровідних пристроїв; Nb3Ge є перспективним для використання в магнітах МГД-генераторів та інших електротехнічних пристроїв. Ферроніобій вводять у нержавіючі хромонікелеві сталі для запобігання їх міжкристалітної корозії та руйнування та сталі інших типів для поліпшення їх властивостей.

Оксиди ніобію – компоненти вогнетривких матеріалів, керметів, стекол з високими коефіцієнтами заломлення. Ніобій вводять у нержавіючі сталі для покращення властивостей зварювального шва.

Виробництво

Ніобієві руди, як правило, комплексні і бідні на метал, хоча слід врахувати, що їх запаси перевершують запаси танталових руд. Так, наприклад, колумбіт-танталітові концентрати містять всього 8% Та2О5 і більше 60% Nb2O5. Більшу частину (приблизно 95%) ніобію отримують з пірохлорових, колумбіт-танталітових та лопаритових руд. Основні методи збагачення рудної сировини - гравітаційний метод та флотація або електромагнітна чи радіометрична сепарація. Вироблені після збагачення рудні концентрати містять п'ятиокис ніобію в кількості: колумбітові - 30-60%, пірохлорові - не менше 37%, лопаритові - 7% і більше. Далі більшу частину концентратів переробляють алюмино- або силікотермічним відновленням на фероніобій (сплав заліза з ніобієм, з вмістом Nb 40-60%) і ферротанталоніобій, технічно чистого Nb2O5, рідше до галогенідів сорок першого елемента - NbCl5 і K2N.

По суті фероніобій та ферротанталоніобій – кінцеві продукти при обробці концентратів, адже вони є легуючими елементами, які вводять у різні сорти сталей для покращення їх властивостей. При виробництві фероніобію суміш пірохлорових концентратів з гематитом Fe2O3, порошкоподібним алюмінієм і добавками флюсу завантажують у вертикальні сталеві або мідні реактори, що охолоджуються водою, і за допомогою спеціального запалу ініціюють. екзотермічні реакції. Після чого зливають шлак, охолоджують та подрібнюють отриманий сплав. Вихід ніобію в злиток при завантаженні концентрату до 18 тонн досягає 98 %!

Технічний Nb2O5, що є каталізатором в хімічній промисловості, отримують вилуговуванням ніобію і танатал з концентратів і шлаків олов'яної плавки дією фтористоводневої кислоти з подальшим очищенням і поділом ніобію і танталу. Розподіл здійснюється екстракцією 100%-ним трибутилфосфатом, метилізобутилкетоном, циклогексаноном (іноді іншими сполуками), реекстракцією ніобію дією водного розчину NH4F, осадженням з реекстракту гідроксиду ніобію, його сушінням і прожарюванням.

За сульфатним способом концентрати обробляють сірчаною кислотою H2SO4 або її сумішшю з (NH4)2SO4 при 150-300 °С, вилуговують розчинні сульфати водою, відокремлюють ніобій і тантал від титану, розділяють і очищають ніобій і тантал екстракцією з фторидних або фторидних Nb2O5.

Хлоридний спосіб передбачає змішання концентрату з коксом, брикетування та хлорування брикетів у шахтній печі при 700-800° С або хлорування безпосередньо порошкоподібного концентрату та коксу в сольовому хлоридному розплаві на основі NaCl та КСl. Потім виробляють відділення летких хлоридів ніобію та танталу, їх поділ та очищення ректифікацією та роздільний гідроліз водою з прожарюванням осаду гідроксиду ніобію. Іноді хлорують фероніобій чи відходи металу.

Описано способи переробки концентратів ніобію з використанням рідких та газоподібних фторуючих реагентів.

Металевий ніобій отримують з рудних концентратів за складною технологією в кілька стадій: розтин концентрату, поділ ніобію та танталу та отримання їх чистих хімічних сполук, відновлення та рафінування металевого ніобію та його сплавів. Процеси збагачення та розтину концентратів, також як і шляхи поділу ніобію з танталом, описані вище. Тому розглянемо лише методи отримання ніобію відновленням його сполук, наприклад хлориду ніобію NbCl5 або фтор-ніобату калію K2NbF7, за високої температури:

K2NbF7 + 5Na → Nb + 2KF + 5NaF

Застосовують також електролітичне відновлення Nb2O5 або K2NbF7 у розплаві K2NbF7 та хлоридів лужних металів. Особливо чистий метал або ніобійні покриття на різних металевих поверхнях отримують відновленням NbCl5 воднем при температурах вище 1 000 °С.

З п'ятиокису ніобію, отримання якої різними методамими розглянули раніше, метал отримують алюмінієво- або карбо-термічним відновленням або нагріванням суміші Nb2O5 і NbC при 1800-1900 ° С у вакуумі. Продуктом таких реакцій є металевий порошок ніобію, який необхідно перетворити на моноліт, зробити пластичним, компактним, придатним для обробки. Як і інші тугоплавкі метали, ніобій-моноліт отримують методами порошкової металургії: порошок брикетують, під великим тиском (1 т/см2) пресують у штабики прямокутного або квадратного перерізу їх спікають у вакуумі (при 2 300 °С), потім з'єднують у прути, які плавлять у вакуумних дугових печах, причому прути у цих печах виконують роль електрода. Такий процес називається плавкою з витрачається електродом. Монокристали ніобію особливої ​​чистоти отримують методом безтигельної електронно-променевої зонної плавки. Суть його в тому, що на порошкоподібний ніобій (операції пресування та спікання виключені) спрямовують потужний пучок електронів, що плавить порошок. Краплі металу стікають на ніобієвий злиток, який поступово росте і виводиться із робочої камери.

Фізичні властивості

Металевий ніобій вперше отримали лише у другій половині XIX століття, тому людство знайоме з властивостями цього блискучого металу сіро-стального кольору не так давно. Які ж Фізичні характеристикицього елемента? У сорок першого елемента періодичної системи об'ємно-центровані кубічні кристалічні грати з параметром а = 3294Å. Виразно він легший за свого супутника танталу (щільність 16,6 г/см3), проте ніобій все одно залишається важким металом, адже його щільність за кімнатної температури (20 °C) становить 8,57 г/см3. Так це менше ніж у свинцю (11,34 г/см3) або ртуті (13,5457 г/см3) при тій же температурі, проте це значення вище, ніж у заліза (7,87 г/см3) або хрому (7, 19 г/см3), наприклад.

Ніобій - високоміцний і твердий метал, його межа міцності при 20 і 800 °С відповідно дорівнює 342 і 312 Мн/м2, то в кгс/мм2 34,2 і 31,2; відносне подовження при 20 та 800 °С відповідно 19,2 та 20,7 %. Твердість чистого ніобію Брінеллю 450, технічного 750-1800 Mн/м2. До того ж, сорок перший елемент поєднує у собі і відмінні пластичні характеристики: очищений ніобій добре піддається механічній обробці – легко обробляється тиском на холоді та зберігає задовільні механічні властивості при високих температурах. Чистий метал настільки пластичний, що може бути прокатаний у тонкий лист (до товщини 0,01 мм) у холодному стані без проміжного відпалу. Правда все це відноситься до очищеного металу, ніобій, що містить домішки деяких елементів (особливо небезпечні водень, азот, вуглець і кисень), сильно погіршує свою пластичність. Однак наявність домішок підвищує твердість ніобію та його крихкість. У тендітний стан ніобій переходить при температурах від -100 до -200 °С.

Ніобій один із ряду тугоплавких металівйого температура плавлення (tпл) 2 500 °С, а температура кипіння (tкип) 4927 °С. Більше високі точкиплавлення у молібдену (2 620 °C), танталу (3 000 °C), ренію (близько 3 190 °C) та вольфраму (близько 3 400 °C). Однак у ніобію нижча робота виходу електронів (4,01 ев) порівняно з іншими тугоплавкими металами – вольфрамом та молібденом. Ця особливість характеризує здатність до електронної емісії (випускання електронів), що використовується для застосування ніобію в електровакуумній техніці. Ніобій також має високу температуру переходу у стан надпровідності. Це дивовижне явище, коли при зниженні температури провідника в ньому відбувається стрибкоподібне зникнення електричного опору, вперше спостерігав голландський фізик Г. Камерлінг-Оннес в 1911 р. Досвідченим зразком, який став першим надпровідником, була ртуть. Однак не їй, а ніобію та деяким його інтерметалічним з'єднанням судилося стати першими технічно важливими надпровідними матеріалами. Температура переходу ніобію в надпровідний стан 9,17 K, тоді як більшість відомих надпровідників стають надпровідниками лише при температурі рідкого гелію. Інтерметалеве з'єднання ніобію і германію складу Nb3Ge має критичну температуру 23,2 ° К - це вище за температуру кипіння водню! Здатність переходити в стан надпровідності властива також стапніду ніобію Nb3Sn, сплавам ніобію з алюмінієм та германієм або з титаном та цирконієм.

Теплопровідність сорок першого елемента у вт/(м К) при 0 °С і 600 °З відповідно 51,4 і 56,2, те ж у кал/(см сек °З) 0,125 і 0,156. Питома об'ємна електричний опірніобію при 0° З 15,22 10-8 ом м (15,22 10-6 ом см). Ніобій парамагнітний, його питома магнітна сприйнятливість + 2,28 10-6 (при 18 ° С). Теплоємність (при 25 °C) 24,6 Дж/(моль∙К); теплопровідність (при 0 °C) 51,4 Вт/(м∙К).

Хімічні властивості

Хімічно ніобій досить інертний. Хоча й не настільки, як тантал, але на холоді та при невеликому нагріванні сорок перший елемент надзвичайно стійкий до дії багатьох агресивних середовищ, проте за високих температур хімічна активність ніобію підвищується. Компактний ніобій помітно окислюється на повітрі лише при температурі вище 200 °С (якщо при 150...200 °C окислюється лише невеликий поверхневий шар металу, то при 900...1 200 °C товщина окисної плівки значно збільшується), утворюючи Nb2О5 ( оксид білого кольорумає кислотний характер і tпл = 1512 °С), причому для цього оксиду описано близько десяти кристалічних модифікацій. При звичайному тиску стабільна β-форма Nb2О5. Крім того, сорок перший елемент утворює NbO2 (напівпровідник з tпл 2080 °С, чорного кольору), NbO, ряд нестехіометричних оксидів, проміжних між NbO2,42 і NbO2,50 і близьких за структурою до β-формі Nb2О5.

Що цікаво, окис ніобію NbO, сплавлений в злиток, має металевий блиск і електропровідність металевого типу, помітно випаровується при 1700° С, інтенсивно - при 2 300-2 350 °С, що використовують для вакуумного очищення ніобію від кисню. При сплавленні п'ятиокису ніобію з різними оксидами отримують ніобати: Ti2Nb10О29, FeNb49О124 - які можна розглядати, як солі гіпотетичних ніобієвих кислот (ніобієві кислоти не виділені у вигляді певних хімічні сполук). Ніобати діляться на метаніобати MNbO3, ортоніобати M3NbO4, піроніобати M4Nb2O7 або полініобати M2O nNb2O5 (де M - однозарядний катіон, а n = 2-12). Відомі ніобати двох-і тризарядних катіонів. Ще ніобати отримують в результаті обмінних реакцій після сплавлення п'ятиокису ніобію з содою:

Nb2O5 + 3Na2CO4 → 2Na3NbО4 + 3CO2

Добре вивчені солі кількох ніобієвих кислот, насамперед метаніобієвої HNbO3, а також дініобати та пентаніобати (K4Nb2O7, К7Nb5О16 ∙ mH2O). Ніобати реагують з HF, розплавами гідрофторидів лужних металів (KHF2) та амонію. Деякі ніобати з високим ставленням M2O/Nb2O5 гідролізуються:

6Na3NbO4 + 5H2O → Na8Nb6O19 + 10NaOH

Для сорок першого елемента характерна властивість поглинання газів - водню, азоту та кисню. Причому навіть невеликі домішки цих елементів негативно впливають на механічні та електричні властивості металу. При низькій температурі водень поглинається повільно, але при температурі приблизно 360 °С водень поглинається з максимальною швидкістю, причому відбувається не тільки адсорбція, але і утворюється гідрид змінного складу від NbH0,7 до NbH. Поглинений водень надає металу крихкості, проте цей процес оборотний - при нагріванні у вакуумі вище 600 °С майже весь водень виділяється і колишні механічні властивості відновлюються. Азот ніобій починає поглинати вже при 600 °С, при вищій температурі утворюється вищий нітрид NbN світло-сірого кольору з жовтуватим відтінком, який плавиться при 2 300 °С. У системі Nb - N існують кілька фаз змінного складу та нітриди Nb2N та NbN.

Вуглець і вуглецевмісні гази (СН4, СО) при високій температурі (1 200-1 400 °С) взаємодіють з ніобієм з утворенням твердого та тугоплавкого карбіду NbC (плавиться при 3 500 °С). При температурах 1800-2000 ° С ніобій утворює з вуглецем три фази: -фаза - твердий розчин впровадження вуглецю в ніобій, -фаза - Nb2C, -фаза - NbC.

Ніобій несприйнятливий до дії більшості кислот та розчинів солей. З ним не взаємодіють царська горілка, соляна та сірчана кислоти при 20 °С, азотна, фосфорна, хлорна кислоти, водні розчини аміаку та органічні кислотибудь-якої концентрації на холоді та при 100-150 °С. Метал розчиняється в плавикової кислоти і особливо інтенсивно - у суміші плавикової та азотної кислот. Менш стійкий сорок перший елемент у лугах. Гарячі розчини їдких лугів помітно роз'їдають метал, у розплавлених лугах і соде він швидко окислюється з утворенням натрієвої солі ніобієвої кислоти.

З галогенами ніобій утворює пентагалогеніди NbHal5, тетрагалогеніди NbHal4 і фази NbHal2,67 - NbHal3+x, у яких є угруповання Nb3 або Nb2. Пентагалогеніди ніобію легко гідролізують водою. З них найбільш важливими є пентафторид NbF5, пентахлорид NbCl5, окситрихлорид NbOCl3, фтороніобат калію K2NbF7 та оксифтороніобат калію K2NbOF7 Н2О.

З фосфором ніобій утворює фосфіди NbP і NbP2, з миш'яком - арсеніди NbAs і NbAs2, з сурмою - антимоніди Nb3Sb, Nb5Sb4, NbSb2, з сіркою - сульфіди NbS3, NbS2 та NbS. Станід Nb3Sn (tпл ~ 2130 ° С) і германід Nb3Ge (tпл ~ 1 970 ° С) - надпровідники з температурами переходу в надпровідний стан відповідно 18,05 ° К і 23,2 ° К; одержують їх із простих речовин. Практично не діють на ніобій очищені від домішки кисню рідкі Na, До та їх сплави, Li, Bi, Pb, Hg, Sn, що застосовуються як рідкометалеві теплоносії в атомних реакторах.

Насправді ніобій, як і решта металів, сірий. Однак, використовуючи пасивуючий шар оксиду, ми робимо так, що наш метал світиться найкрасивішими квітами. Але ніобій - це не просто метал, приємний для ока. Як і тантал, він стійкий у багатьох хімічних речовинах і легко піддається формуванню навіть за низької температури.

Ніобій відрізняється тим, що високий рівень корозійної стійкостіпоєднується в ньому з малою вагою. Ми використовуємо цей матеріал для виробництва вставок у монети будь-яких кольорів, корозійностійких випарних чаш для використання в техніці для нанесення покриттів та формостійких тиглів для вирощування алмазів. Завдяки високому рівню біологічної сумісності ніобій також використовується як матеріал для імплантатів. Висока температура переходу також робить ніобій ідеальним матеріалів для надпровідних кабелів та магнітів.

Гарантована чистота.

Ви можете бути впевненими як наша продукція. Як вихідний матеріал ми використовуємо тільки чистий ніобій. Так ми гарантуємо вам надзвичайно високу чистоту матеріалу.

Монети та алмази. Сфери застосування ніобію.

Сфери застосування нашого ніобію настільки різноманітні, як і властивості самого матеріалу. Нижче ми коротко представимо вам дві з них:

Цінова та кольорова.

У найвигіднішому світлі наш ніобій постає під час виробництва монет. Внаслідок анодування на поверхні ніобію утворюється тонкий шар оксиду. Через заломлення світла цей шар світиться різними кольорами. Ми можемо впливати на ці кольори, змінюючи товщину шару. Від червоного до синього: можливі кольори.

Чудова формуваність та стійкість.

Висока корозійна стійкість і чудова формуваність роблять ніобій ідеальним матеріалом для тиглів, що використовуються для штучних полікристалічних алмазів (PCD). Наші ніобієві тиглі використовуються для високотемпературного синтезу при високому тиску.

Чистий ніобій, одержаний плавкою.

Ми поставляємо наш ніобій, отриманий плавкою, у вигляді листів, стрічок або дротів. Ми також можемо виготовляти продукти складної геометрії. Наш чистий ніобій має такі властивості:

• висока температура плавлення, що становить 2468 °C
• висока пластичність при кімнатній температурі
• рекристалізація при температурі від 850 °C до 1 300 °C (залежно від ступеня деформації та чистоти)
• висока стійкість у водних розчинах та розплавах металів
• висока здатність до розчинення вуглецю, кисню, азоту та водню (ризик підвищення крихкості)
• надпровідність
• високий рівень біологічної сумісності

Хороший у всіх відносинах: характеристики ніобію.

Ніобій відноситься до групи тугоплавких металів. Тугоплавкі метали - це метали, температура плавлення яких перевищує температуру плавлення платини (1772 °C). У тугоплавких металах енергія, що зв'язує окремі атоми, надзвичайно висока. Тугоплавкі метали відрізняються високою температурою плавленняв поєднанні з низьким тиском пари, високим модулем пружностіі високою термічною стабільністю. Тугоплавкі метали також мають низький коефіцієнт теплового розширення . Порівняно з іншими тугоплавкими металами ніобій має відносно низьку густину, яка становить лише 8.6 г/см3.

У періодичній системіхімічних елементів ніобій перебуває у тому періоді, як і молібден. У зв'язку з цим його щільність і температура плавлення можна порівняти із щільністю і температурою плавлення молібдену. Як і тантал, ніобій схильний до водневої крихкості. З цієї причини термічна обробка ніобію виконується у високому вакуумі, а не у водневому середовищі. І ніобій, і тантал також мають високу корозійну стійкість у всіх кислотах і хорошу формуваність.

Ніобій має найвищу температуру переходусеред усіх елементів, і вона складає -263,95 °C. При температурі нижче зазначеної ніобій є надпровідним. Більш того, ніобій має поряд вкрай специфічних властивостей:

Теплофізичні властивості.

Як і всі тугоплавкі метали, ніобій має високу температуру плавлення та відносно високу щільність. Теплопровідність ніобію можна порівняти з теплопровідністю танталу, але нижче, ніж у вольфраму. Коефіцієнт теплового розширення ніобію вище, ніж у вольфраму, але все ж таки значно нижче, ніж у заліза або алюмінію.

Теплофізичні властивості ніобію змінюються при зміні температури:

Коефіцієнт лінійного теплового розширення ніобію та танталу

Питома теплоємність ніобію та танталу

Теплопровідність ніобію та танталу

Механічні властивості.

Механічні властивості ніобію залежать насамперед від його чистотиі, зокрема, вмісту кисню, азоту, водню та вуглецю. Навіть малі концентрації цих елементів можуть значно впливати. До інших факторів, що впливають на властивості ніобію, відноситься технологія виробництва, ступінь деформаціїі термічна обробка.

Як і практично всі тугоплавкі метали, ніобій має об'ємноцентровані кубічні кристалічні грати. Температура крихко-в'язкого переходу ніобію нижче за кімнатну. З цієї причини ніобій вкрай легко піддається формуванню.

При кімнатній температурі подовження при розриві становить понад 20%. При збільшенні ступеня холодної обробки металу підвищується міцність і твердість, але одночасно знижується подовження при розриві. Хоча матеріал втрачає пластичність, він не стає крихким.

При кімнатній температурі модуль пружності ніобію становить 104 гПа, що менше, ніж у вольфраму, молібдену або танталу. Модуль пружності знижується у разі підвищення температури. При температурі 1800 °C він становить 50 ГПа.

Модуль пружності ніобію в порівнянні з вольфрамом, молібденом та танталом

Завдяки високій пластичності ніобій оптимально підходить для формувальних процесів, таких як згинання, штампування, пресування або глибока витяжка. Для запобігання холодному зварюванню рекомендується використовувати інструменти зі сталі або твердого металу. Ніобій важко піддається різанні. Стружка погано відокремлюється. У зв'язку з цим ми рекомендуємо використовувати інструменти зі стружковідвідними сходами. Ніобій відрізняється чудовою зварюваністюу порівнянні з вольфрамом та молібденом.

У вас є питання щодо механічної обробки тугоплавких металів? Ми будемо раді допомогти вам, використовуючи наш багаторічний досвід.

Хімічні властивості.

Ніобій від природи вкритий щільним шаром оксиду. Шар оксиду захищає матеріал та забезпечує високу корозійну стійкість. При кімнатній температурі ніобій не є стійким лише в кількох неорганічних речовин: це концентрована сірчана кислота, фтор, фтороводород, фтористоводнева кислота та щавлева кислота. Ніобій стійкий у водних розчинах аміаку.

Лужні розчини, рідкий гідроксид натрію та гідроксид калію також надають хімічну дію на ніобій. Елементи, що утворюють тверді розчиниВпровадження, зокрема водень, також можуть зробити ніобій крихким. Корозійна стійкість ніобію падає при підвищенні температури та при контакті з розчинами, що складаються з кількох хімічних речовин. При кімнатній температурі ніобій повністю стійкий серед будь-яких неметалевих речовин, крім фтору. Однак при температурі вище приблизно 150 °C ніобій вступає в реакцію з хлором, бромом, йодом, сіркою та фосфором.

Ніобій стійкий у деяких розплавах металів, таких як Ag, Bi, Cd, Cs, Cu, Ga, Hg, K, Li, Mg, Na та Pb, за умови, що ці розплави містять малу кількість кисню. Al, Fe, Be, Ni, Co, а також Zn і Sn все мають хімічний вплив на ніобій.

Ніобій не входить у реакцію з інертними газами. З цієї причини чисті інертні гази можуть використовуватися як захисні гази. Однак при підвищенні температури ніобій активно вступає в реакцію з киснем, азотом і воднем, що містяться в повітрі. Кисень та азот можна усунути шляхом відпалу матеріалу у високому вакуумі при температурі вище 1700 °C. Водень усувається вже за 800 °C. Такий процес призводить до втрати матеріалу через утворення летких оксидів та рекристалізації структури.

Ви хочете використовувати ніобій у своїй промисловій печі? Зверніть увагу на те, що ніобій може вступати в реакцію з деталями конструкції, виготовленими з тугоплавких оксидів або графіту. Навіть дуже стійкі оксиди, такі як оксид алюмінію, магнію або цирконію, можуть відновлюватися при високій температурі, якщо вони вступають в контакт з ніобієм. При контакті з графітом можуть утворюватися карбіди, що призводять до підвищення крихкості ніобію. Хоча зазвичай ніобій можна легко комбінувати з молібденом або вольфрамом, він може вступати в реакцію з гексагональним нітридом бору та нітридом кремнію. Вказані у таблиці граничні температури дійсні для вакууму. При використанні захисного газу ці температури приблизно на 100-200 °C нижче.

Ніобій, що став крихким при контакті з воднем, можна регенерувати відпалом у високому вакуумі при температурі 800 °C.

Поширеність у природі та підготовка.

В 1801 англійський хімік Чарльз Хетчетт досліджував важкий чорний камінь, привезений з Америки. Він виявив, що камінь містить невідомий на той момент елемент, який він назвав колумбіємз його країни походження. Назва, під яким він відомий зараз, - "ніобій" - була дана йому в 1844 його другим відкривачем Генріхом Розе. Генріх Розе став першою людиною, якій вдалося відокремити ніобій від танталу. До цього відрізнити ці два матеріали було неможливо. Розі дав металу назву ніобійТим самим він хотів підкреслити тісну спорідненість двох металів. Металевий ніобій був вперше отриманий шляхом відновлення в 1864 К.В. Бломстрандом. Офіційну назву ніобій отримав тільки через приблизно 100 років після довгих суперечок. Міжнародне об'єднання теоретичної та прикладної хімії визнало "ніобій" офіційною назвоюметалу.

Ніобій найчастіше зустрічається в природі у вигляді колумбіту, також відомого як ніобіт, хімічна формулаякого (Fe, Mn) [(Nb, Ta) O3]2. Іншим важливим джереломніобію є пірохлор, ніобат кальцію складної структури. Родовища цієї руди знаходяться в Австралії, Бразилії та деяких африканських країнах.

Видобута руда збагачується різними методами, і в результаті виходить концентрат із вмістом (Ta,Nb)2O5 до 70%. Потім концентрат розчиняється у фтористоводневій та сірчаній кислоті. Після цього шляхом екстракції витягуються фтористі сполуки танталу та ніобію. Фторид ніобію окислюється киснем, у результаті утворюється пентоксид ніобію, а потім відновлюється вуглецем при температурі 2 000 °C, внаслідок чого утворюється металевий ніобій. За допомогою додаткової електронно-променевої плавки виходить ніобій високої чистоти.

Варто почати з того, що ніобій нерозривно пов'язаний із такою речовиною, як тантал. Це навіть незважаючи на те, що відкриті ці матеріали були не в один і той же час.

Що таке ніобій

Що ж на сьогоднішній день відомо про таку речовину, як ніобій? Він являється хімічним елементом, Який розташовується в 5 групі таблиці Менделєєва, володіючи атомним номером 41, а також атомною масою 92,9. Як і багато інших металів, для цієї речовини характерний сіро-сталевий блиск.

Одним з найбільш важливих фізичних параметрів є його тугоплавкість. Саме завдяки цій характеристиці застосування ніобію стало поширеним у багатьох галузях промисловості. Температура плавлення цієї речовини – 2468 градусів за Цельсієм, а температура кипіння – 4927 градусів за Цельсієм.

Хімічні властивості цієї речовини також на високому рівні. Він характеризується високим рівнемстійкості до впливу негативних температур, а також впливу більшості агресивних середовищ.

Виробництво

Варто сказати про те, що наявність руди, яка містить елемент Nb (ніобій), набагато більша, ніж тій, що містить тантал, але проблема полягає у мізерності змісту самого елемента в цій руді.

Найчастіше для того, щоб отримати цей елемент, здійснюється процес термічного відновлення, в якому бере участь алюміній або кремній. В результаті проведення цієї операції виходять сполуки фероніобій та ферротанталоніобій. Варто зазначити, що одержання металевого варіанта цієї речовини здійснюється з цієї ж руди, але при цьому використовується складніша технологія. Тиглі з ніобію та інші одержані матеріали характеризуються дуже високими експлуатаційними характеристиками.

Методи отримання ніобію

В даний час одними з найбільш розвинених напрямівотримання цього матеріалу є алюмінотермічне, натрієтермічне та карботермічне. Відмінність між цими типами полягає також у прекурсорах, які використовуються для відновлення ніобію. Допустимо, в натрієтермічному способі використовується K2NbF7. А ось, наприклад, при алюмінотермічному методі застосовується п'ятиокис ніобію.

Якщо говорити про карботермічний спосіб отримання, то ця технологія має на увазі під собою змішання Nb з сажею. Проходити цей процес повинен у високотемпературному та водневому середовищі. В результаті проведення цієї операції буде отримано карбід ніобію. Другий етап полягає в тому, що водневе середовище замінюється вакуумним, а температура зберігається. У цей момент до карбіду ніобію додається його оксид і виходить сам метал.

Важливо відзначити, що серед форм металу, що випускається, досить поширений ніобій в зливках. Цей продукт призначається для виробництва металу на основі металу, а також інших різних напівфабрикатів.

Також може випускатись штабик цього матеріалу, який поділяється на кілька категорій залежно від чистоти речовини. Найменше домішок міститься у штабику з маркуванням НБШ-00. Клас НБШ-0 характеризується більш високою наявністю таких елементів, як залізо, титан та кремній танталу. Категорія, яка має найвищий показник домішок, НБШ-1. Можна додати, що у ніобію в злитках такої класифікації немає.

Альтернативні засоби виробництва

До альтернативних способів можна віднести електроннопроменеву безтигельну зонну плавку. Цей процес дозволяє одержувати монокристали Nb. Тиглі з ніобію виробляються з використанням цього методу. Він належить до порошкової металургії. Його застосовують для того, щоб спочатку отримати сплав цього матеріалу, а потім його чистий зразок. Наявність цього методу стала причиною того, що часто зустрічаються оголошення про купівлю ніобію. Цей спосіб дозволяє використовувати для отримання чистого металу не саму руду, добути яку досить складно, або концентрат з неї, а вторинну сировину.

До ще одного альтернативного методувиробництва можна віднести прокат ніобію. Варто відзначити, що більшість різних фірм віддає перевагу купівлі саме прутів, дроту або листового металу.

Прокат та фольга

Фольга з цього матеріалу є досить поширеним напівфабрикатом. Він є найтоншим листом прокату цієї речовини. Використовується для деяких виробів і деталей. Фольга з ніобію виходить із чистої сировини шляхом холодного прокату Nb злитків. Отримані вироби характеризуються такими показниками як висока стійкість до корозії, впливу агресивного середовища, а також високої температури. Прокат ніобію та його злитків дає також такі характеристики, як стійкість виробу до зносу, висока пластичність, хороша обробка, що піддається.

Продукти, отримані таким чином, найчастіше використовуються у таких сферах діяльності, як авіабудування, ракетобудування, медицина (хірургія), радіотехніка, електротехніка, атомна енергетика, ядерна енергетика. Фольга з ніобію упаковується в котушки і зберігається в сухому, захищеному від попадання вологи місці, а також у захищеному від механічного впливу з боку.

Застосування в електродах та сплавах

Застосування ніобію дуже поширене. Він може використовуватися, як хром і нікель, як матеріал, який входить до складу залізного сплаву, що використовується для виробництва електродів. Через те, що ніобій, як і тантал, здатний утворювати надтвердий карбід, його часто застосовують для виробництва надтвердих сплавів. Можна додати, що в даний час намагаються за допомогою цього матеріалу покращувати властивості сплавів, отриманих на основі

Так як ніобій є сировиною, здатною створювати карбідні елементи, то він, як і тантал, застосовується як легуюча суміш при виробництві сталі. Варто зазначити, що тривалий час застосування ніобію як домішка до танталу вважалося. негативною дією. Однак на сьогоднішній день думка змінилася. Було встановлено, що Nb може виступати як замінник танталу, причому з великим успіхом, оскільки через меншу атомну масу можна використовувати меншу кількість речовини, зберігаючи всі старі можливості та ефекти виробу.

Застосування в електричній техніці

Варто підкреслити, що застосування ніобію, як і його брата танталу, можливе у випрямлячах, завдяки тому, що вони мають властивість уніполярної провідності, тобто ці речовини пропускають електричний струм лише в одному напрямку. Можливе використання цього металу для створення таких пристроїв, як аноди, що використовуються у потужних генераторах та підсилювальних лампах.

Дуже важливо відзначити, що застосування ніобію дійшло до атомної енергетики. У цій галузі вироби з цієї речовини застосовуються як конструкційні матеріали. Це стало можливим, оскільки наявність Nb у деталях робить їх стійкими до жару, а також надає їм високих якостей хімічної стійкості.

Відмінні фізичні характеристики цього металу призвели до того, що його досить широко використовують у ракетної техніки, у реактивних літаках, у газових турбінах.

Виробництво ніобію в Росії

Якщо говорити про запаси цієї руди, то налічується близько 16 млн тонн. Найбільше родовище, що займає приблизно 70% від усього обсягу, знаходиться в Бразилії. На території Росії розташовується близько 25% запасів даної руди. Цей показник вважається значною частиною всіх запасів ніобію. Найбільше родовище цієї речовини знаходиться в Східного Сибіру, а також на Далекому Сході. На сьогоднішній день на території Російської Федераціївидобутком та виробництвом цієї речовини займається компанія Ловозерський ГЗК. Можна зауважити, що виробництвом ніобію у Росії займалася також фірма "Стальмаг". Вона розробляла татарське родовище цієї руди, проте у 2010 році було закрито.

Також можна додати, що займається виробництвом оксиду ніобію. Його вони одержують, переробляючи лопаритовий концентрат. Це підприємство виробляє від 400 до 450 тонн цієї речовини, більша частиназ якого йде на експорт у такі країни, як США та Німеччина. Частина оксиду, що залишився, йде на Чепецький механічний завод, який виробляє як чистий ніобій, так і його сплави. Там розміщуються значні потужності, що дозволяють виробляти до 100 тонн матеріалу на рік.

Метал з ніобію та його вартість

Незважаючи на те, що сфера застосування цієї речовини досить широка, основне призначення - це космічна та ядерна промисловість. З цієї причини Nb відноситься до стратегічних матеріалів.

Основні параметри, що впливають на вартість ніобію:

• чистота сплаву; велика кількість домішок знижує ціну;
• форма постачання матеріалу;
• обсяги матеріалу, що поставляється;
• розташування пункту прийому руди ( різні регіонипотребують різній кількостіелемента, а отже, і ціна на нього відрізняється).

Орієнтовний перелік цін на матеріал у Москві:

• ніобій марки НБ-2 коштує близько 420-450 рублів за кг;
• стружка ніобію коштує від 500 до 510 рублів за кг;
• штабик марки НБШ-00 коштує від 490 до 500 рублів за кг.

Варто зазначити, що, незважаючи на величезну вартість цього товару, попит на нього лише зростає.

Ніобій- блискучий сріблясто-сірий метал. Кристалічні грати ніобію об'ємноцентровані кубічні з параметром а = 3,294Å. Щільність 8,57 г/см3 (20 °С); t пл 2500 ° С; t кіп 4927 ° С; тиск пари (у 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). Теплопровідність у вт/(м·К) при 0°С і 600 °С відповідно 51,4 і 56,2, те ж у кал/(см·сек·°С) 0,125 і 0,156. Питомий об'ємний електричний опір при 0°С 15,22·10 -8 ом·м (15,22·10 -6 ом·см). Температура переходу до надпровідного стану 9,25 К. Ніобій парамагнітний. Робота виходу електронів 4,01 ев.

Чистий ніобій легко обробляється тиском на холоді та зберігає задовільні механічні властивості при високих температурах. Його межа міцності при 20 і 800 °С відповідно дорівнює 342 і 312 Мн/м 2 те ж в кгс/мм 2 34,2 і 31,2; відносне подовження при 20 та 800 °С відповідно 19,2 та 20,7%. Твердість чистого ніобі за Брінеллем 450, технічного 750-1800 Mн/м 2 .

Домішки деяких елементів, особливо водню, азоту, вуглецю та кисню, сильно погіршують пластичність та підвищують твердість ніобію. Цей метал можна прокатати у тонку фольгу. Але, як і у випадку з титаном, танталом та деякими іншими металами, пластичним є тільки метал, що не містить домішок кисню, азоту та інших неметалів. Ці домішки роблять ніобій тендітним і ламким.