ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Ниобий - сорок первый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Nb от латинского «niobium». Расположен в пятом периоде, VBA группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 41.
В земной коре ниобия содержится 0,002% (масс.). Этот элемент во многом сходен с ванадием. В свободном состоянии он представляет собой тугоплавкий металл, твердый, но не хрупкий, хорошо поддающийся механической обработке (рис. 1.. Плотность ниобия 8,57 г/см 3 , температура плавления - 2500 o С.
Ниобий устойчив во многих агрессивных средах. На него не действует соляная кислота и царская водка, так как на поверхности этого металла образуется тонкая, но очень прочная и химически стойкая оксидная пленка.
Рис. 1. Ниобий. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса ниобия
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии ниобий существует в виде одноатомных молекул Nb, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 92,9063.
Изотопы ниобия
Известно, что в природе ниобий может находиться в виде единственного стабильного изотопа 93 Nb. Массовое число равно 93, ядро атома содержит сорок один протон и пятьдесят два нейтрона.
Существуют искусственные нестабильные изотопы циркония с массовыми числами от 81-го до 113-ти, а также двадцать пять изомерных состояния ядер, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 92 Nb с периодом полураспада равным 34,7 млн. лет.
Ионы ниобия
На внешнем энергетическом уровне атома ниобия имеется пять электронов, которые являются валентными:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 3 5s 2 .
В результате химического взаимодействия ниобий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Nb 0 -1e → Nb + ;
Nb 0 -2e → Nb 2+ ;
Nb 0 -3e → Nb 3+ ;
Nb 0 -4e → Nb 4+ ;
Nb 0 -5e → Nb 5+ .
Молекула и атом ниобия
В свободном состоянии ниобий существует в виде одноатомных молекул Nb. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу ниобия:
Сплавы ниобия
Ниобий - один из компонентов многих жаропрочных и коррозионностойких сплавов. Особенно большое значение имеют жаропрочные сплавы ниобия, которые применяются в производстве газовых турбин, реактивных двигателей, ракет.
Ниобий вводят также в нержавеющие стали. Он резко улучшает их механические свойства и сопротивляемость коррозии. Стали, содержащие от 1 до 4% ниобия, отличаются высокой жаропрочностью и используются как материал для изготовления котлов высокого давления.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Укажите валентность и степень окисления ниобия в соединениях: Gd 2 Nb 2 O 7 иPb(NbO 3) 2 . |
| Ответ | Чтобы определить валентность ниобия в кислородсодержащих соединениях, нужно строго соблюдать следующую последовательность действий. Рассмотрим на примере Gd 2 Nb 2 O 7 . Определяем число атомов кислорода в молекуле. Оно равно 7 — ми. Вычисляем общее число единиц валентности для кислорода:
Вычисляем общее число единиц валентности для гадолиния: Находим разность этих величин: Определяем число атомов ниобия в соединении. Оно равно 2-м. Валентность ниобия равна IV (8/2 = 4). Чтобы найти степень окисления ниобия в этом же соединении примем её значение за х и учитываем тот факт, что заряд молекулы равен 0: 2×3 + 2×x +7×(-2) = 0 Степень окисления ниобия равна +4. Аналогичным образом определяем, что валентность и степень окисления ниобия в Pb(NbO 3) 2 равны IV и +1, соответственно. |
На самом деле ниобий, как и все остальные металлы, серый. Однако, используя пассивирующий слой оксида , мы делаем так, что наш металл светится красивейшими цветами . Но ниобий - это не просто металл, приятный глазу. Как и тантал, он устойчив во многих химических веществах и легко поддается формовке даже при низкой температуре.
Ниобий отличается тем, что высокий уровень коррозионной стойкости сочетается в нем с малым весом . Мы используем этот материал для производства вставок в монеты любых цветов, коррозионностойких выпарительных чаш для использования в технике для нанесения покрытий и формоустойчивых тиглей для выращивания алмазов. Благодаря высокому уровню биологической совместимости ниобий также используется в качестве материала для имплантатов. Высокая температура перехода также делает ниобий идеальным материалов для сверхпроводящих кабелей и магнитов.
Гарантированная чистота.
Вы можете быть уверенными в качестве нашей продукции. В качестве исходного материала мы используем только чистейший ниобий. Так мы гарантируем вам чрезвычайно высокую чистоту материала .
Монеты и алмазы. Сферы применения ниобия.
Сферы применения нашего ниобия столь же разнообразны, как и свойства самого материала. Ниже мы кратко представим вам две из них:
Ценная и цветная.
В самом выгодном свете наш ниобий предстает при производстве монет. В результате анодирования на поверхности ниобия образуется тонкий слой оксида. Из-за преломления света этот слой светится различными цветами. Мы можем влиять на эти цвета, изменяя толщину слоя. От красного до синего: возможны любые цвета.
Превосходная формуемость и стойкость.
Высокая коррозионная стойкость и превосходная формуемость делают ниобий идеальным материалом для тиглей, используемых для производства искусственных поликристаллических алмазов (PCD). Наши ниобиевые тигли используются для высокотемпературного синтеза при высоком давлении.
Чистый ниобий, полученный плавкой.
Мы поставляем наш ниобий, полученный плавкой, в виде листов, лент или прутков. Мы также можем изготавливать из него продукты сложной геометрии. Наш чистый ниобий обладает следующими свойствами:
- высокая температура плавления, составляющая 2 468 °C
- высокая пластичность при комнатной температуре
- рекристаллизация при температуре от 850 °C до 1 300 °C (в зависимости от степени деформации и чистоты)
- высокая стойкость в водных растворах и расплавах металлов
- высокая способность к растворению углерода, кислорода, азота и водорода (риск повышения хрупкости)
- сверхпроводимость
- высокий уровень биологической совместимости
Хорош во всех отношениях: характеристики ниобия.
Ниобий относится к группе тугоплавких металлов. Тугоплавкие металлы - это металлы, температура плавления которых превышает температуру плавления платины (1 772 °C). В тугоплавких металлах энергия, связывающая отдельные атомы, чрезвычайно высока. Тугоплавкие металлы отличаются высокой температурой плавления в сочетании с низким давлением пара , высоким модулем упругости и высокой термической стабильностью . Тугоплавкие металлы также имеют низкий коэффициент теплового расширения . По сравнению с другими тугоплавкими металлами ниобий имеет относительно низкую плотность, которая составляет всего 8.6 г/см3
В периодической системе химических элементов ниобий находится в том же периоде, что и молибден. В связи с этим его плотность и температура плавления сравнимы с плотностью и температурой плавления молибдена. Как и тантал, ниобий подвержен водородной хрупкости. По этой причине термическая обработка ниобия выполняется в высоком вакууме, а не в водородной среде. И ниобий, и тантал также обладают высокой коррозионной стойкостью во всех кислотах и хорошей формуемостью.
Ниобий имеет самую высокую температуру перехода среди всех элементов, и она составляет -263,95 °C . При температуре ниже указанной ниобий является сверхпроводящим. Более того, ниобий обладает рядом крайне специфических свойств:
| Свойства | ||
|---|---|---|
| Атомное число | 41 | |
| Атомная масса | 92.91 | |
| Температура плавления | 2 468 °C / 2 741 K | |
| Температура кипения | 4 900 °C / 5 173 K | |
| Атомный объем | 1.80 · 10-29 [м3] | |
| Давление пара | при 1 800 °C при 2 200 °C | 5 · 10-6 [Пa] 4 · 10-3 [Пa] |
| Плотность при 20 °C (293 K) | 8.55 [г/см3] | |
| Кристаллическая структура | объемноцентрированная кубическая | |
| Постоянная кристаллической решетки | 3,294 · 10 –10 [м] | |
| Твердость при 20 °C (293 K) | деформированный рекристаллизованный | 110–180 60–110 |
| Модуль упругости при 20 °C (293 K) | 104 [ГПa] | |
| Коэффициент Пуассона | 0.35 | |
| Коэффициент линейного теплового расширения при 20 °C (293 K) | 7,1 · 10 –6 [м/(м·K)] | |
| Теплопроводность при 20 °C (293 K) | 52 [Вт/(м K)] | |
| Удельная теплоемкость при 20 °C (293 K) | 0,27 [Дж/(г K)] | |
| Электропроводность при 20 °C (293 K) | 7 · 10-6 | |
| Удельное электрическое сопротивление при 20 °C (293 K) | 0.14 [(Ом·мм2)/м] | |
| Скорость звука при 20 °C (293 K) | Продольная волна Поперечная волна | 4 920 [м/с] 2 100 [м/с] |
| Работа выхода электрона | 4.3 [эВ] | |
| Сечение захвата тепловых нейтронов | 1.15 · 10-28 [м2] | |
| Температура рекристаллизации (продолжительность отжига: 1 час) | 850 - 1 300 [ °C] | |
| Сверхпроводимость (температура перехода) | < -263.95 °C / < 9.2 K | |
Теплофизические свойства.
Как и все тугоплавкие металлы, ниобий имеет высокую температуру плавления и относительно высокую плотность. Теплопроводность ниобия сравнима с теплопроводностью тантала, но ниже, чем у вольфрама. Коэффициент теплового расширения ниобия выше, чем у вольфрама, но все же значительно ниже, чем у железа или алюминия.
Теплофизические свойства ниобия изменяются при изменении температуры:
Коэффициент линейного теплового расширения ниобия и тантала
Удельная теплоемкость ниобия и тантала
Теплопроводность ниобия и тантала
Механические свойства.
Механические свойства ниобия зависят, прежде всего, от его чистоты и, в частности, содержания кислорода, азота, водорода и углерода. Даже малые концентрации этих элементов могут оказывать значительное влияние. К другим факторам, оказывающим воздействие на свойства ниобия, относится технология производства , степень деформации и термическая обработка .
Как и практически все тугоплавкие металлы, ниобий имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую решетку . Температура хрупко-вязкого перехода ниобия ниже комнатной. По этой причине ниобий крайне легко поддается формовке .
При комнатной температуре удлинение при разрыве составляет более 20%. При увеличении степени холодной обработки металла повышается его прочность и твердость, но одновременно снижается удлинение при разрыве. Хотя материал теряет пластичность, он не становится хрупким.
При комнатной температуре модуль упругости ниобия составляет 104 ГПа, что меньше, чем у вольфрама, молибдена или тантала. Модуль упругости снижается при повышении температуры. При температуре 1 800 °C он составляет 50 ГПа.
Модуль упругости ниобия в сравнении с вольфрамом, молибденом и танталом
Благодаря высокой пластичности ниобий оптимально подходит для формовочных процессов , таких как гибка, штамповка, прессование или глубокая вытяжка. Для предотвращения холодной сварки рекомендуется использовать инструменты из стали или твердого металла. Ниобий с трудом поддается резке . Стружка плохо отделяется. В связи с этим мы рекомендуем использовать инструменты со стружкоотводными ступеньками. Ниобий отличается превосходной свариваемостью в сравнении с вольфрамом и молибденом.
У вас есть вопросы о механической обработке тугоплавких металлов? Мы будем рады помочь вам, используя наш многолетний опыт.
Химические свойства.
Ниобий от природы покрыт плотным слоем оксида. Слой оксида защищает материал и обеспечивает высокую коррозионную стойкость. При комнатной температуре ниобий не является устойчивым лишь в нескольких неорганических веществах: это концентрированная серная кислота, фтор, фтороводород, фтористоводородная кислота и щавелевая кислота. Ниобий устойчив в водных растворах аммиака.
Щелочные растворы, жидкий гидроксид натрия и гидроксид калия также оказывают химическое воздействие на ниобий. Элементы, образующие твердые растворы внедрения, в частности водород, также могут сделать ниобий хрупким. Коррозионная стойкость ниобия падает при повышении температуры и при контакте с растворами, состоящими из нескольких химических веществ. При комнатной температуре ниобий полностью устойчив в среде любых неметаллических веществ, за исключением фтора. Однако при температуре выше примерно 150 °C ниобий вступает в реакцию с хлором, бромом, йодом, серой и фосфором.
| Коррозионная стойкость в воде, водных растворах и в среде неметаллов | ||
|---|---|---|
| Вода | Горячая вода < 150 °C | стойкий |
| Неорганические кислоты | Соляная кислота < 30 % до 110 °C Серная кислота < 98 % до 100 °C Азотная кислота < 65 % до 190 °C Фтористо-водородная кислота < 60 % Фосфорная кислота < 85 % до 90 °C | стойкий стойкий стойкий нестойкий стойкий |
| Органические кислоты | Уксусная кислота < 100 % до 100 °C Щавелевая кислота < 10 % Молочная кислота < 85 % до 150 °C Винная кислота < 20 % до 150 °C | стойкий нестойкий стойкий стойкий |
| Щелочные растворы | Гидроксид натрия < 5 % Гидроксид калия < 5 % Аммиачные растворы < 17 % до 20 °C Карбонат натрия < 20 % до 20 °C | нестойкий нестойкий стойкий стойкий |
| Соляные растворы | Хлорид аммония < 150 °C Хлорид кальция < 150 °C Хлорид железа < 150 °C Хлорат калия < 150 °C Биологические жидкости < 150 °C Сульфат магния < 150 °C Нитрат натрия < 150 °C Хлорид олова < 150 °C | стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий |
| Неметаллы | Фтор Хлор < 100 °C Бром < 100 °C Йод < 100 °C Сера < 100 °C Фосфор < 100 °C Бор < 800 °C | нестойкийстойкий стойкий стойкий стойкий стойкий стойкий |
Ниобий устойчив в некоторых расплавах металлов, таких как Ag, Bi, Cd, Cs, Cu, Ga, Hg, K, Li, Mg, Na и Pb, при условии что эти расплавы содержат малое количество кислорода. Al, Fe, Be, Ni, Co, а также Zn и Sn все оказывают химическое воздействие на ниобий..
| Коррозионная стойкость в расплавах металлов | |||
|---|---|---|---|
| Алюминий | нестойкий | Литий | стойкий при температуре < 1 000 °C |
| Бериллий | нестойкий | Магний | стойкий при температуре < 950 °C |
| Свинец | стойкий при температуре < 850 °C | Натрий | стойкий при температуре < 1 000 °C |
| Кадмий | стойкий при температуре < 400 °C | Никель | нестойкий |
| Цезий | стойкий при температуре < 670 °C | Ртуть | стойкий при температуре < 600 °C |
| Железо | нестойкий | Серебро | стойкий при температуре < 1 100 °C |
| Галлий | стойкий при температуре < 400 °C | Висмут | стойкий при температуре < 550°C |
| Калий | стойкий при температуре < 1 000 °C | Цинк | нестойкий |
| медь | стойкий при температуре < 1200 °C | Олово | нестойкий |
| Кобальт | нестойкий | ||
Ниобий не вступает в реакцию с инертными газами. По этой причине чистые инертные газы могут использоваться в качестве защитных газов. Однако при повышении температуры ниобий активно вступает в реакцию с содержащимися в воздухе кислородом, азотом и водородом. Кислород и азот можно устранить путем отжига материала в высоком вакууме при температуре выше 1 700 °C. Водород устраняется уже при 800 °C. Такой процесс приводит к потере материала из-за образования летучих оксидов и рекристаллизации структуры.
Вы хотите использовать ниобий в своей промышленной печи? Обратите внимание на то, что ниобий может вступать в реакцию с деталями конструкции, изготовленными из тугоплавких оксидов или графита. Даже очень устойчивые оксиды, такие как оксид алюминия, магния или циркония, могут подвергаться восстановлению при высокой температуре, если они вступают в контакт с ниобием. При контакте с графитом могут образовываться карбиды, которые приводят к повышению хрупкости ниобия. Хотя обычно ниобий можно легко комбинировать с молибденом или вольфрамом, он может вступать в реакцию с гексагональным нитридом бора и нитридом кремния. Указанные в таблице предельные температуры действительны для вакуума. При использовании защитного газа эти температуры примерно на 100 °C-200 °C ниже.
Ниобий, ставший хрупким при контакте с водородом, можно регенерировать посредством отжига в высоком вакууме при температуре 800 °C.
Распространенность в природе и подготовка.
В 1801 году английский химик Чарльз Хэтчетт исследовал тяжелый черный камень, привезенный из Америки. Он обнаружил, что камень содержит неизвестный на тот момент элемент, который он назвал колумбием по его стране происхождения. Название, под которым он известен сейчас, - "ниобий" - было дано ему в 1844 году его вторым открывателем Генрихом Розе. Генрих Розе стал первым человеком, которому удалось отделить ниобий от тантала. До этого отличить эти два материала было невозможно. Розе дал металлу название "ниобий " по имени дочери царя Тантала Ниобии. Тем самым он хотел подчеркнуть тесное родство двух металлов. Металлический ниобий был впервые получен путем восстановления в 1864 году К.В. Бломстрандом. Официальное название ниобий получил только спустя примерно 100 лет после долгих споров. Международное объединение теоретической и прикладной химии признало "ниобий" официальным названием металла.
Ниобий чаще всего встречается в природе в виде колумбита, также известного как ниобит, химическая формула которого (Fe,Mn) [(Nb,Ta)O3]2. Другим важным источником ниобия является пирохлор, ниобат кальция сложной структуры. Месторождения этой руды находятся в Австралии, Бразилии и некоторых африканских странах.
Добытая руда обогащается различными методами, и в результате получается концентрат с содержанием (Ta,Nb)2O5 до 70%. Затем концентрат растворяется во фтористоводородной и серной кислоте. После этого путем экстракции извлекаются фтористые соединения тантала и ниобия. Фторид ниобия окисляется кислородом, в результате чего образуется пентоксид ниобия, а затем восстанавливается углеродом при температуре 2 000 °C, в результате чего образуется металлический ниобий. Посредством дополнительной электронно-лучевой плавки получается ниобий высокой чистоты.
Существует довольно большое количество элементов, которые при соединении с другими веществами образуют сплавы с особыми эксплуатационными качествами. Примером можно назвать ниобий – элемент, который получил сначала название «колумбий» (по названию реки, где он впервые найден), но после был переименован. Ниобий – металл с довольно необычными свойствами, о которых далее поговорим подробнее.
Получение элемента
При рассмотрении свойств ниобия следует отметить, что содержание этого металла на тонну породы относительно невелико, составляет примерно 18 грамм. Именно поэтому после его открытия было предпринято довольно много попыток получения металла искусственным путем. За счет близкого химического состава это вещество достаточно часто добывается вместе с танталом.
Месторождения ниобия расположены практически по всему миру. Примером назовем рудники в Конго, Руанде, Бразилии и в многих других странах. Однако этот элемент нельзя назвать распространенным, во многих регионах он практически не встречается даже в малой концентрации.
Относительно небольшая концентрация вещества в земной породе усугубляется сложностями, возникающими при его получении из концентрата. Стоит учитывать, что ниобий НБШ получить можно только из породы, которая насыщена танталом. Особенностями производственного процесса назовем нижеприведенные моменты:
- Для начала на завод поставляется концентрированная руда, которая проходит несколько этапов очистки. При производстве ниобия проводится разделение получаемой руды на чистые элементы, среди которых и тантал.
- Завершающий процесс переработки заключается в рафинировании металла.
Несмотря на возникающие сложности при добыче и переработке рассматриваемой руды, с каждым годом объем производства рассматриваемого сплава существенно возрастает. Это связано с тем, что металл обладает исключительными эксплуатационными качествами и получил большое распространение в самых различных отраслях промышленности.
Оксиды ниобия
Рассматриваемый химический элемент может стать основой различных соединений. Самым распространенным можно назвать пятиокись ниобия. Среди особенностей данного соединения можно отметить нижеприведенные моменты:
- Оксид ниобия представлен белым кристаллическим порошком, который имеет кремовый оттенок.
- Вещество не растворяется в воде.
- Получаемое вещество сохраняет свою структуру при смешивании с большинства кислотами.
К особенностям пентаоксида ниобия также можно отнести следующие свойства:
- Повышенная прочность.
- Высокая тугоплавкость. Вещество способно выдерживать температуру до 1490 градусов Цельсия.
- При нагреве поверхность окисляется.
- Реагирует на воздействие хлора, может восстанавливаться водородом.
Гидроксид ниобия в большинстве случаев применяется для получения высоколегированных марок стали, которые обладают довольно привлекательными эксплуатационными качествами.
Физические и химические свойства
Ниобий имеет химические свойства схожие с химическими свойствами тантала. Рассматривая основные характеристики ниобия, нужно уделить внимание нижеприведенным моментам:
- Устойчивость к воздействию различных видов коррозии. Сплавы, получаемые при внедрении данного элемента в состав, обладают высокими коррозионностойкими качествами.
- Рассматриваемый химический элемент демонстрирует высокий показатель температуры плавления. Как показывает практика, у большинства сплавов температура плавления более 1 400 градусов Цельсия. это усложняет процесс обработки, но делает металлы незаменимы в различных сферах деятельности.
- Основные физические свойства также характеризуются легкостью сваривания получаемых сплавов.
- При отрицательных температурах структура элемента остается практически неизменной, что позволяет сохранить эксплуатационные свойства металла.
- Особое строение атома ниобия определяет сверхпроводящие качества материала.
- Атомная масса составляет 92,9, валентность зависит от особенностей состава.
Основным достоинством вещества считается именно тугоплавкость. Именно поэтому он стал применяться в самых различных отраслях промышленности. Плавление вещества проходит при температуре около 2 500 градусов Цельсия. Некоторые сплавы и вовсе плавятся при рекордной температуре 4 500 градусов Цельсия. Плотность вещества достаточно высокая, составляет 8,57 грамма на кубический сантиметр. Стоит учитывать, что металл характеризуется парамагнитностью.
На кристаллическую решетку не оказывают воздействия следующие кислоты:
- серная;
- соляная;
- фосфорная;
- хлорная.
Не оказывает воздействие на металл и водные растворы хлора. При определенном воздействии на металл на его поверхности образуется диэлектрическая оксидная пленка. Именно поэтому металл стал использоваться при производстве миниатюрных высокоемкостных конденсаторов, которые также изготавливаются из более дорогостоящего тантала.
Применение ниобия
Изготавливаются самые различные изделия из ниобия, большая часть которых связана с выпуском авиационной техники. Примером можно назвать применение ниобия в изготовлении деталей, которые устанавливаются при сборе ракет или самолетов. Кроме этого, можно выделить следующее применение данного элемента:
- Производство элементов, из которых изготавливают радарные установки.
- Как ранее было отмечено, для получения более дешевых емкостных электрических конденсаторов может применяться рассматриваемый сплав.
- Катоды, аноды из фольги тоже изготавливают при применении рассматриваемого элемента, что связано с высокой жаропрочностью.
- Часто можно встретить конструкции мощных генераторных ламп, которые имеют внутри сетку. Для того чтобы эта сетка выдержала воздействие высокой температуры ее изготавливают из рассматриваемого сплава.
Высокие физические и химические качества определяют применение ниобия при производстве труб для транспортировки жидких металлов. Кроме этого, сплавы применяются для получения контейнеров самого различного предназначения.
Сплавы с ниобием
Рассматривая подобные сплавы следует учитывать, что часто этот элемент применяется для производства феррониобия. Этот материал получил широкое применение в литейных отраслях индустрии, а также при изготовлении электронных покрытий. В состав входит:
- железо;
- ниобий с танталом;
- кремний;
- алюминий;
- углерод;
- сера;
- фосфор;
- титан.
Концентрация основных элементов может варьироваться в достаточно большом диапазоне, от чего и зависят эксплуатационные качества материала.
Альтернативным сплавов феррониобия можно назвать ниобий 5ВМЦ. При его получении в качестве легирующих элементов используется вольфрам, цирконий и молибден. В большинстве случаев этот спав используется для производства полуфабрикатов.
В заключение отметим, что ниобий в некоторых странах применяется при производстве монет. Это связано с достаточно высокой стоимостью материала. При массовом выпуске сплавов, которые в качестве основного элемента имеют в составе ниобий, создаются своеобразные слитки.
Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter
|
|||||||
Ниобий
С элементом, занимающим в менделеевской таблице 41-ю клетку, человечество знакомо давно. Возраст его нынешнего названия ниобий почти на полстолетия меньше. Случилось так, что элемент №41 был открыт дважды. Первый раз в 1801 г. английский ученый Чарльз Хатчет исследовал образец верного минерала, присланного в Британский музей из Америки. Из этого минерала он выделил окисел неизвестного прежде элемента. Новый элемент Хатчет назвал колумбием, отмечая тем самым его заокеанское происхождение. А черный минерал получил название колумбита.
Через год шведский химик Экеберг выделил из колумбита окисел еще одного нового элемента, названного танталом. Сходство соединений Колумбия и тантала было так велико, что в течение 40 лет большинство химиков считало: тантал и колумбий один и тот же элемент.
В 1844 г. немецкий химик Генрих Розе исследовал образцы колумбита, найденные в Баварии. Он вновь обнаружил окислы двух металлов. Один из них был окислом известного уже тантала. Окислы были похожи, и, подчеркивая их сходство, Розе назвал элемент, образующий второй окисел, ниобием по имени Ниобы, дочери мифологического мученика Тантала.
Впрочем, Розе, как и Хатчет, не сумел получить этот элемент в свободном состоянии.
Металлический ниобий был впервые получен лишь в 1866 г. шведским ученым Бломстрандом при восстановлении хлорида ниобия водородом. В конце XIX в. были найдены еще два способа получения этого элемента. Сначала Муассан получил его в электропечи, восстанавливая окись ниобия углеродом, а затем Гольдшмидт сумел восстановить тот же элемент алюминием.
А называть элемент №41 в разных странах продолжали по-разному: в Англии и США колумбием, в остальных странах ниобием. Конец этой разноголосице положил Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) в 1950 г. Было решено повсеместно узаконить название элемента «ниобий», а за основным минералом ниобия так и закрепилось наименование «колумбит». Его формула (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 О 6 .
Глазами химика
Элементарный ниобий чрезвычайно тугоплавкий (2468°C) и высококипящий (4927°C) металл, очень стойкий во многих агрессивных средах. Все кислоты, за исключением плавиковой, не действуют на него. Кислоты-окислители «пассивируют» ниобий, покрывая его защитной окисной пленкой (Nb 2 O 5). Но при высоких температурах химическая активность ниобия повышается. Если при 150...200°C окисляется лишь небольшой поверхностный слой металла, то при 900...1200°C толщина окисной пленки значительно увеличивается.
Ниобий активно реагирует со многими неметаллами. С ним образуют соединения галогены, азот, водород, углерод, сера. При этом ниобий может проявлять разные валентности от двух до пяти. Но главная валентность этого элемента 5+. Пятивалентный ниобий может входить в состав соли и как катион, и как один из элементов аниона, что свидетельствует об амфотерном характере элемента №41.
Соли ниобиевых кислот называют ниобатами. Их получают в результате обменных реакций после сплавления пятиокиси ниобия с содой:
Nb 2 O 5 + 3Na 2 CO 3 → 2Na 3 NbО 4 + 3CO 2 .
Довольно хорошо изучены соли нескольких ниобиевых кислот, в первую очередь метаниобиевой HNbO 3 , а также диниобаты и пентаниобаты (K 4 Nb 2 O 7 , К 7 Nb 5 О 16 · m H 2 O). А соли, в которых элемент №41 выступает как катион, обычно получают прямым взаимодействием простых веществ, например 2Nb + 5Cl 2 → 2NbCl 5 .
Ярко окрашенные игольчатые кристаллы пентагалогенидов ниобия (NbCl 5 желтого цвета, NbBr 5 пурпурно-красного) легко растворяются в органических растворителях хлороформе, эфире, спирте. Но при растворении в воде эти соединения полностью разлагаются, гидролизуются с образованием ниобатов:
NbCl 5 + 4Н 2 О → 5HCl + Н 3 NbO 4 .
Гидролиз можно предотвратить, если в водный раствор добавить какую-либо сильную кислоту. В таких растворах пентагалогениды ниобия растворяются, не гидролизуясь.
Ниобий образует двойные соли и комплексные соединения, наиболее легко фтористые. Фторниобаты так называются эти двойные соли. Они получаются, если в раствор ниобиевой и плавиковой кислот добавить фторид какого-либо металла.
Состав комплексного соединения зависит от соотношения реагирующих в растворе компонентов. Рентгеноструктурный анализ одного из этих соединений показал строение, отвечающее формуле K 2 NbF 7 . Могут образоваться и оксосоединения ниобия, например оксофторниобат калия K 2 NbOF 5 · H 2 O.
Химическая характеристика элемента не исчерпывается, конечно, этими сведениями. Сегодня самые важные из соединений элемента №41 это его соединения с другими металлами.
Ниобий и сверхпроводимость
Удивительное явление сверхпроводимости, когда при понижении температуры проводника в нем происходит скачкообразное исчезновение электрического сопротивления, впервые наблюдал голландский физик Г. Камерлинг-Оннес в 1911 г. Первым сверхпроводником оказалась ртуть, но не ей, а ниобию и некоторым интерметаллическим соединениям ниобия суждено было стать первыми технически важными сверхпроводящими материалами.
Практически важны две характеристики сверхпроводников: величина критической температуры, при которой происходит переход в состояние сверхпроводимости, и критического магнитного поля (еще Камерлинг-Оннес наблюдал утрату сверхпроводником сверхпроводимости при воздействии на него достаточно сильного магнитного поля). По состоянию на 1 января 1975 г. сверхпроводником «рекордсменом» по величине критической температуры было интерметаллическое соединение ниобия и германия состава Nb 3 Ge. Его критическая температура 23,2°К; это выше температуры кипения водорода. (Большинство известных сверхпроводников становятся сверхпроводниками лишь при температуре жидкого гелия).
Способность переходить в состояние сверхпроводимости свойственна также станниду ниобия Nb 3 Sn, сплавам ниобия с алюминием и германием или с титаном и цирконием. Все эти сплавы и соединения уже используются для изготовления сверхпроводящих соленоидов, а также некоторых других важных технических устройств.
Ниобий металл
Металлический ниобий можно получить восстановлением его соединений, например хлорида ниобия или фтор-ниобата калия, при высокой температуре:
K 2 NbF 7 + 5Na → Nb + 2KF + 5NaF.
Но прежде чем достигнуть этой в сущности последней стадии производства, ниобиевая руда проходит множество этапов переработки. Первый из них обогащение руды, получение концентратов. Концентрат сплавляют с различными плавнями: едким натром или содой. Полученный сплав выщелачивают. Но растворяется он не полностью. Нерастворимый осадок и есть ниобий. Правда, он здесь еще в составе гидроокиси, не разделен со своим аналогом по подгруппе танталом и не очищен от некоторых примесей.
До 1866 г. не было известно ни одного пригодного для производственных условий способа разделения тантала и ниобия. Первым метод разделения этих чрезвычайно похожих элементов предложил Жан Шарль Галиссар де Мариньяк. Метод основан на разной растворимости комплексных соединений этих металлов и называется фторидным. Комплексный фторид тантала нерастворим в воде, а аналогичное соединение ниобия растворимо.
Фторидный метод сложен и не позволяет полностью разделить ниобий и тантал. Поэтому в наши дни он почти не применяется. На смену ему пришли методы избирательной экстракции, ионного обмена, ректификации галогенидов и др. Этими методами получают окисел и хлорид пятивалентного ниобия.
После разделения ниобия и тантала идет основная операция восстановление. Пятиокись ниобия Nb 2 O 5 восстанавливают алюминием, натрием, сажей или карбидом ниобия, полученным при взаимодействии Nb 2 O 5 с углеродом; пентахлорид ниобия восстанавливают металлическим натрием или амальгамой натрия. Так получают порошкообразный ниобий, который нужно затем превратить в монолит, сделать пластичным, компактным, пригодным для обработки. Как и другие тугоплавкие металлы, ниобий-монолит получают методами порошковой металлургии, суть которой в следующем.
Из полученного металлического порошка под большим давлением (1 т/см 2) прессуют так называемые штабики прямоугольного или квадратного сечения. В вакууме при 2300°C эти штабики спекают, соединяют в пруты, которые плавят в вакуумных дуговых печах, причем пруты в этих печах выполняют роль электрода. Такой процесс называется плавкой с расходуемым электродом.
Монокристаллический пластичный ниобий получают методом бестигельной зонной электронно-лучевой плавки. Суть его в том, что на порошкообразный ниобий (операции прессования и спекания исключены!) направляют мощный пучок электронов, который плавит порошок. Капли металла стекают на ниобиевый слиток, который постепенно растет и выводится из рабочей камеры.
Как видите, путь ниобия от руды до металла в любом случае довольно долог, а способы производства сложны.
Ниобий и металлы
Рассказ о применении ниобия логичнее всего начать с металлургии, так как именно в металлургии он нашел наиболее широкое применение. И в цветной металлургии, и в черной.
Сталь, легированная ниобием, обладает хорошей коррозионной стойкостью. «Ну и что? скажет иной искушенный читатель. Хром тоже повышает коррозионную стойкость стали, и он намного дешевле ниобия». Этот читатель прав и неправ одновременно. Неправ потому, что забыл об одном.
В хромоникелевой стали, как и во всякой другой, всегда есть углерод. Но углерод соединяется с хромом, образуя карбид, который делает сталь более хрупкой. Ниобий имеет большее сродство к углероду, чем хром. Поэтому при добавлении в сталь ниобия обязательно образуется карбид ниобия. Легированная ниобием сталь приобретает высокие антикоррозионные свойства и не теряет своей пластичности. Нужный эффект достигается, когда в тонну стали добавлено всего 200 г металлического ниобия. А хромо-марганцевой стали ниобий придает высокую износоустойчивость.
Ниобием легируют и многие цветные металлы. Так, алюминий, легко растворяющийся в щелочах, не реагирует с ними, если в него добавлено всего 0,05% ниобия. А медь, известную своей мягкостью, и многие ее сплавы ниобий словно закаляет. Он увеличивает прочность таких металлов, как титан, молибден, цирконий, и одновременно повышает их жаростойкость и жаропрочность.
Сейчас свойства и возможности ниобия по достоинству оценены авиацией, машиностроением, радиотехникой, химической промышленностью, ядерной энергетикой. Все они стали потребителями ниобия.
Уникальное свойство отсутствие заметного взаимодействия ниобия с ураном при температуре до 1100°C и, кроме того, хорошая теплопроводность, небольшое эффективное сечение поглощения тепловых нейтронов сделали ниобий серьезным конкурентом признанных в атомной промышленности металлов алюминия, бериллия и циркония. К тому же искусственная (наведенная) радиоактивность ниобия невелика. Поэтому из него можно делать контейнеры для хранения радиоактивных отходов или установки по их использованию.
Химическая промышленность потребляет сравнительно немного ниобия, но это объясняется только его дефицитностью. Из ниобийсодержащих сплавов и реже из листового ниобия иногда делают аппаратуру для производства высокочистых кислот. Способность ниобия влиять на скорость некоторых химических реакций используется, например, при синтезе спирта из бутадиена.
Потребителями элемента №41 стали также ракетная и космическая техника. Не секрет, что на околоземных орбитах уже вращаются какие-то количества этого элемента. Из ниобийсодержащих сплавов и чистого ниобия сделаны некоторые детали ракет и бортовой аппаратуры искусственных спутников Земли.
Минералы ниобия
Колумбит (Fe, Mn) (Nb, Та) 2 О 6 был первым минералом ниобия, известным человечеству. И этот же минерал самый богатый элементом №41. На долю окислов ниобия и тантала приходится до 80% веса колумбита. Гораздо меньше ниобия в пирохлоре (Са, Na) 2 (Nb, Та, Ti) 2 O 6 (O, OH, F) и лопарите (Na, Се, Са) 2 (Nb, Ti) 2 O 6 . А всего известно больше 100 минералов, в состав которых входит ниобий. Значительные месторождения таких минералов есть в разных странах: США, Канаде, Норвегии, Финляндии, но крупнейшим поставщиком концентратов ниобия на мировой рынок стало африканское государство Нигерия. В СССР есть большие запасы лопарита, они найдены на Кольском полуострове.
Розовый карбид
Монокарбид ниобия NbC пластичное вещество с характерным розоватым блеском. Это важное соединение довольно легко образуется при взаимодействии металлического ниобия с углеводородами. Сочетание хорошей ковкости и высокой термостойкости с приятными «внешними данными» сделало монокарбид ниобия ценным материалом для изготовления покрытий. Слой этого вещества толщиной всего 0,5 мм надежно защищает от коррозии при высоких температурах многие материалы, в частности графит, который другими покрытиями фактически незащитим. NbC используется и как конструкционный материал в ракетостроении и производстве турбин.
Нервы, сшитые ниобием
Высокая коррозионная стойкость ниобия позволила использовать его в медицине. Ниобиевые нити не вызывают раздражения живой ткани и хорошо сращиваются с ней. Восстановительная хирургия успешно использует такие нити для сшивания порванных сухожилий, кровеносных сосудов и даже нервов.
Наружность не обманчива
Ниобий не только обладает комплексом нужных технике свойств, но и выглядит достаточно красиво. Этот белый блестящий металл ювелиры пытались использовать для изготовления корпусов ручных часов. Сплавы ниобия с вольфрамом или рением иногда заменяют благородные металлы: золото, платину, иридий. Последнее особенно важно, так как сплав ниобия с рением не только внешне похож на металлический иридий, но почти так же износостоек. Это позволило некоторым странам обходиться без дорогого иридия в производстве напаек для перьев авторучек.
Ниобий и сварка
В конце 20-х годов нашего века электро- и газосварка стали вытеснять клепку и другие способы соединения узлов и деталей. Сварка повысила качество изделий, ускорила и удешевила процессы их сборки. Особенно перспективной сварка казалась при монтаже крупных установок, работающих в коррозионно-активных средах или под большим давлением. Но тут выяснилось, что при сварке нержавеющей стали сварной шов имеет намного меньшую прочность, чем сама сталь. Чтобы улучшить свойства шва, в «нержавейку» стали вводить различные добавки. Лучшей из них оказался ниобий.
Заниженные цифры
Ниобий не случайно считается редким элементом: он действительно встречается не часто и в небольших количествах, причем всегда в виде минералов и никогда в самородном состоянии. Любопытная деталь: в разных справочных изданиях кларк (содержание в земной коре) ниобия разный. Это объясняется главным образом тем, что в последние годы в странах Африки найдены новые месторождения минералов, содержащих ниобий. В приведены цифры: 3,2·10 5 % (1939 г.), 1·10 3 % (1949 г.) и 2,4·10 3 % (1954 г.). Но и последние цифры занижены: африканские месторождения, открытые в последние годы, сюда не вошли. Тем не менее подсчитано, что из минералов уже известных месторождений можно выплавить примерно 1,5 млн т металлического ниобия.
