
Ниобий является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 41 и условным обозначением Nb. Ниобий в свободном виде представляет собой блестящий переходный металл серебристо-серого цвета.
Открытие
История открытия ниобия является очень запутанной и берет свое начало в первой половине XVIII века. Первооткрывателем химического элемента считается английский химик и минералог Чарльз Хэтчетт. Он исследовал минерал, который в последствие получил название колумбит, обануженный в Коннектикуте (США) и переданный историко-археологическому музею Британии Джоном Уинтропом еще в 1734 году. Чарльз Хэтчетт назвал обнаруженный элемент Колумбием в 1801 году в честь поэтического названия США (Колумбия).
В 1802 году шведский химик Андерс Густав Экеберг открыл химический элемент тантал, который по всем своим свойствам очень похож на открытый год назад колумбий. По этой причине очень долгое время научное сообщество считало, что это один и тот же химический элемент. Помимо вышеперечисленного в 1809 году английский химик Уильям Хайд Волластон сравнил оксиды, полученные как из колумбия — колумбит, с плотностью 5,918 г/см³, так и из тантала — танталит, с плотностью более 8 г/см³, и пришел к выводу, что два оксида, несмотря на значительную разницу в плотности, одинаковы.
В 1844 году немецкий химик Генрих Розе установил, что ниобиевая и танталовая кислоты — разные вещества. Не зная о работе Хэтчетта и ее названии, он назвал вновь открытый элемент в честь Ниобы, дочери Тантала, из-за его сходства с одноименным химическим элементом.
В 1864 году шведскому химику Кристиану Вильгельму Бломстранду удалось получить металлический ниобий путем восстановления хлорида ниобия водородом при нагревании, а спустя два года швейцарский химик Шарль Мариньяк подтвердил, что тантал является отдельным химическим элементом. Немецкий материаловед Вернер фон Болтон в 1907 году получил очень чистый ниобий путем восстановления гептафторниобата натрием.
В некоторых странах, включая США и Великобританию, долго сохранялось первоначальное название элемента — колумбий, и только в 1950 году решением Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК, IUPAC) элементу окончательно было присвоено название ниобий.
Интересное:
Характеристики
Физические характеристики | |
---|---|
Состояние при Н.У. | Твердое |
Температура плавления | 2477 °С |
Точка кипения | 4744°С |
Плотность при Н.У. | 8,582 г/см 3 |
Твердость по шкале Мооса | 6.0 |
Критическая точка | — |
Мол. теплота плавления | 26,8,0 кДж/моль |
Мол. теплота испарения | 694 кДж/моль |
Мол. теплоемкость | 24,44 Дж/(моль·К) |
Молярный объем | 10,8 см 3 ·моль -1 |
Химические характеристики | |
---|---|
Атомный номер(Z) | 41 |
Атомная масса | 92,90638 |
Электронная конфигурация | 2d⁴5s¹ |
Радиус атома | 146 пм |
Ковалентный радиус | 164 пм |
Степени окисления | +1, +2, +3, +4, +5 |
Радиус иона | 69 пм |
Электроотрицательность | 1.6 (шкала Полинга) |
Энергия ионизации | 663,6 кДж/моль |
Изотопы | ⁹¹Nb; ⁹²Nb; ⁹³Nb; ⁹⁴Nb; ⁹⁵Nb |
Интересное:
Добыча и производство
Ниобий является достаточно редким химическим элементом с долей содержания в земной коре составляет 1,8·10-3%. Из-за схожих ионных радиусов ниобий и тантал всегда сопутствуют друг другу и тяжело отличимы. Важнейшими минералами ниобия являются представители колумбиттанталитового твердокристаллического ряда с общей формулой (Fe,Mn)(Nb,Ta)2O6, которые в зависимости от преобладания ниобия или тантала называются колумбитом или танталитом, а также представители группы пирохлора с химической формулой (Na,Ca,TR,U)2(Nb,Ta,Ti)2O6(OH,F)(Nb2O50).
Еще одним важным минералом является лопарит (Na,Ca,Ce)(Ti,Nb)O3((Nb,Ta)2O5 с содержанием ниобия около 10 %. Помимо вышеперечисленного важными ниобийсодержащими минералами являются эвксенит, торолит, ильменорутил, а также минералы, содержащие ниобий в виде побочных продуктов таких как ильменит, касситерит, вольфрамит.
Поскольку ниобий и тантал всегда встречаются вместе, ниобиевые и танталовые руды сначала перевариваются вместе, а затем разделяются фракционной кристаллизацией или различной растворимостью в органических растворителях. Первый промышленный процесс разделения такого типа был разработан Шарлем Мариньяком в 1866 году.
Сначала руды подвергают воздействию смеси концентрированной серной и плавиковой кислот при температуре 50 – 80 °С. В результате образуются комплексные фториды [NbF7]2- и [TaF7]2-, которые легко растворяются. Переведя его в водную фазу и добавив фторид калия, можно образовать дикалиевые соли этих фторидов (например, гептафторниобат калия). Только фторид тантала плохо растворяется в воде и выпадает в осадок. Таким образом, легко растворимый фторид ниобия можно отделить от тантала. Однако в настоящее время широко распространено разделение экстракцией метилизобутилкетоном. Третья возможность разделения – фракционная перегонка хлоридов NbCl5 и TaCl5. Их можно получить путем реакции руды, кокса и хлора при высоких температурах.
Пятиокись ниобия сначала получают из отделенного фторида ниобия реакцией с кислородом. Его либо сначала преобразуют углеродом с образованием карбида ниобия, а затем восстанавливают до металла с добавлением пятиокиси ниобия при 2000 °C в вакууме, либо получают непосредственно алюминотермически. Большая часть ниобия для сталелитейной промышленности производится таким способом с добавлением оксида железа для получения железо-ниобиевого сплава (60% ниобия). Если в качестве исходного материала для восстановления используются галогениды, в качестве восстановителя используют натрий.
Мировые запасы ниобия оцениваются геологами в 4,4 миллиона тонн. Ежегодное мировое производство оценивается ориентировочно в 70 тысяч тонн.
Интересное:
Применение
Применение ниобия с одной стороны очень узконаправленное, а с другой очень широкое и масштабное. Подавляющее большинство добываемого ниобия применяется для производства различного рода сплавов. Ниобий является эффективным микролегирующим элементом для стали, в которой он образует карбид ниобия и нитрид ниобия. Эти соединения улучшают измельчение зерна и замедляют рекристаллизацию и дисперсионное твердение. Эти эффекты, в свою очередь, увеличивают ударную вязкость, прочность, формуемость и свариваемость. Некоторые количества ниобия используются в суперсплавах на основе никеля, кобальта и железа в пропорциях до 6,5% для таких применений, как компоненты реактивных двигателей, газовые турбины, ракетные узлы, системы турбонаддува, жаропрочное и сжигательное оборудование. Суперсплавы на основе ниобия используются для производства компонентов гиперзвуковых систем, которые включают как перспективное авиационное так и космическое применение.
Ниобий-германий (Nb3Ge), ниобий–олово (Nb3Sn), а также сплавы ниобия и титана используются в качестве сверхпроводящей проволоки II типа для сверхпроводящих магнитов. Эти сверхпроводящие магниты используются в магнитно-резонансной томографии и приборах ядерного магнитного резонанса, а также в ускорителях частиц. Большой адронный коллайдер использует 600 тонн сверхпроводящих нитей, в то время как Международный термоядерный экспериментальный реактор использует приблизительно 600 тонн нитей Nb3Sn и 250 тонн нитей NbTi.
Ниобат лития, который является сегнетоэлектриком, широко используется в мобильных телефонах и оптических модуляторах, а также для производства устройств на поверхностных акустических волнах. Он относится к сегнетоэлектрикам структуры, таким как танталат лития и титанат бария. Ниобиевые конденсаторы доступны в качестве альтернативы танталовым конденсаторам, но танталовые конденсаторы по-прежнему преобладают. Ниобий добавляют в стекло для получения более высокого показателя преломления, что позволяет делать более тонкие и легкие корректирующие стекла.
Ниобий и некоторые сплавы ниобия физиологически инертны и гипоаллергенны. По этой причине ниобий используется в протезировании и имплантируемых устройствах, таких как кардиостимуляторы. Ниобий, обработанный гидроксидом натрия, образует пористый слой, который способствует остеоинтеграции. Уплотнения дуговой трубки натриевых ламп высокого давления изготавливаются из ниобия, иногда легированного 1% циркония. Ниобий имеет очень похожий коэффициент теплового расширения, соответствующий керамике дуговой трубки из спеченного оксида алюминия, полупрозрачному материалу, который устойчив к химическому воздействию или восстановлению горячим жидким натрием и парами натрия, содержащимися внутри рабочей лампы.
Ниобий используется в электродах для дуговой сварки некоторых стабилизированных марок нержавеющей стали и в анодах для систем катодной защиты некоторых резервуаров для воды, которые затем обычно покрываются платиной. Ниобий используется в атомной энергетике из-за его высокой термостойкости и коррозионной стойкости, а также стабильности под действием радиации. Он используется в ядерных реакторах для таких компонентов, как топливные стержни и активные зоны реакторов.
Интересное:
Безопасность
Хотя ниобий считается нетоксичным, металлическая ниобиевая пыль раздражает глаза и кожу. Ниобиевая пыль легко воспламеняется. Физиологическое действие ниобия неизвестно. В то время как пыль ниобия раздражает глаза и кожу и является потенциальной опасностью возгорания, элементарный ниобий в больших масштабах физиологически инертен и безвреден. Он часто используется в ювелирных изделиях и был протестирован для использования в некоторых медицинских имплантатах.
Краткосрочное и долгосрочное воздействие ниобатов и хлорида ниобия, двух водорастворимых химикатов, было протестировано на крысах. Крысы, которым была сделана однократная инъекция пентахлорида ниобия или ниобатов, показали среднюю летальную дозу (LD50) от 10 до 100 мг/кг. При пероральном введении токсичность ниже. Исследование на крысах дало LD50 после семи дней 940 мг/кг.