Приведены физические свойства ниобия Nb в зависимости от температуры в диапазоне от -223 до 2527°С. Рассмотрены следующие свойства твердого и жидкого ниобия:
- плотность ниобия d ;
- удельная массовая теплоемкость C p ;
- коэффициент температуропроводности a ;
- коэффициент теплопроводности λ ;
- удельное электрическое сопротивление ρ ;
- коэффициент линейного теплового расширения α .
Физические свойства ниобия по-разному зависят от температуры. Ее изменение оказывает наибольшее влияние на удельное электрическое сопротивление ниобия. Например, при повышении температуры этого металла с 0°С до точки плавления, его удельное сопротивление увеличивается более чем в 8 раз (до величины 109·10 -8 Ом·м).
Ниобий представляет собой пластичный тугоплавкий металл с температурой плавления 2477°С и плотностью 8570 кг/м 3 (при 20°С). Температура кипения ниобия равна 4744°С, структура решетки объемно центрированная кубическая с периодом 0,33 нм.
Плотность ниобия уменьшается при нагревании . Ниобий в расплавленном состоянии имеет плотность существенно ниже, чем в твердом: при температуре 2477°С плотность жидкого ниобия равна 7580 кг/м 3 .
Удельная теплоемкость ниобия при комнатной температуре равна 268 Дж/(кг·град) и при нагревании увеличивается. Отметим, что при плавлении величина этого физического свойства ниобия изменяется незначительно, а в жидком состоянии его удельная теплоемкость в 1,7 раза больше классического значения 3R.
Теплопроводность ниобия при 0°С равна 48 Вт/(м·град) , она близка по величине . Температурная зависимость коэффициента теплопроводности ниобия характеризуется пологим минимумом в области комнатных температур и положительным температурным коэффициентом — выше 230°С. При приближении к точке плавления ниобия его теплопроводность возрастает.
Температуропроводность ниобия также имеет пологий минимум вблизи комнатных температур и далее пологий максимум при 900…1500°С. Коэффициент теплового линейного расширения ниобия относительно имеет довольно низкое значение. Он сравним по значению с коэффициентом расширения таких металлов, как вольфрам, иридий и .
| t, °C | d, кг/м 3 |
C p , Дж/(кг·град) |
a·10 6 , м 2 /с |
λ, Вт/(м·град) |
ρ·10 8 , Ом·м |
α·10 6 , K -1 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| -223 | — | 99 | — | — | — | 2,27 |
| -173 | — | 202 | — | 32,1 | 4,2 | 4,77 |
| -73 | — | 254 | 24,5 | 32,6 | 9,71 | 6,39 |
| 0 | — | 265 | 23,9 | 48 | 13,4 | 6,91 |
| 27 | 8570 | 268 | 23,7 | 53,5 | 14,7 | 7,07 |
| 127 | 8550 | 274 | 23,5 | 55,1 | 19,5 | 7,3 |
| 227 | 8530 | 280 | 23,9 | 57,1 | 23,8 | 7,5 |
| 327 | 8510 | 285 | 23,9 | 57,9 | 27,7 | 7,7 |
| 427 | 8490 | 289 | 23,9 | 58,6 | 31,4 | 7,9 |
| 527 | 8470 | 293 | 24 | 59,5 | 34,9 | 8,09 |
| 627 | 8450 | 297 | 24,2 | 60,8 | 38,2 | 8,25 |
| 727 | 8430 | 301 | 24,5 | 62,2 | 41,6 | 8,41 |
| 927 | 8380 | 311 | 24,7 | 64,3 | 47,9 | 8,71 |
| 1127 | 8320 | 322 | 25 | 70 | 54 | 8,99 |
| 1327 | 8260 | 335 | 25 | 69,2 | 60 | 9,27 |
| 1527 | 8200 | 350 | 25 | 71,7 | 65,9 | 9,55 |
| 1727 | 8140 | 366 | 24,6 | 73,3 | 71,8 | 9,83 |
| 1927 | 8080 | 384 | 24 | 74,5 | 77,6 | 10,11 |
| 2127 | 8020 | 404 | 24 | 77,8 | 83,3 | 10,39 |
| 2327 | 7960 | 426 | 21,7 | 73,6 | 89 | — |
| 2477 | 7580 | 450 | 18 | 65 | 109 | — |
| 2527 | — | 450 | 17,8 | — | — | — |
Уральский государственный горный университет
На тему: Свойства ниобия
Группа: М-13-3
Студент: Мохнашин Никита
1. Общие сведения об элементе
Физические свойства ниобия
Химические свойства ниобия
Ниобий в свободном состоянии
Оксиды ниобия и их соли
Соединения ниобия
Страны лидеры в производстве ниобия
1. Общие сведения об элементе
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)2О6.
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 «Справочнике химика», т. 1 (М., «Химия», 1963) 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.
Физические свойства ниобия
Ниобий - блестящий серебристо-серый металл.
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 (№205). 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.
Кристаллическая решетка Ниобия объемно центрированная кубическая с параметром а = 3,294Å.
Чистый металл пластичен и может быть прокатан в тонкий лист (до толщины 0, 01 мм.) в холодном состоянии без промежуточного отжига.
Можно отметить такие свойства ниобия как высокая температура плавления и кипения, более низкая работа выхода электронов по сравнению с другими тугоплавкими металлами - вольфрамом и молибденом. Последнее свойство характеризует способность к электронной эмиссии (испусканию электронов), что используется для применения ниобия в электровакуумной технике. Ниобий также имеет высокую температуру перехода в состояние сверхпроводимости.
Плотность 8,57 г/см3 (20 °С); tпл 2500 °С; tкип 4927 °С; давление пара (в мм рт. ст.; 1 мм рт. ст.= 133,3 н/м2) 1·10-5 (2194 °С), 1·10-4 (2355 °С), 6·10-4 (при tпл), 1·10-3 (2539 °С).
При обычной температуре ниобий устойчив на воздухе. Начало окисления (плёнки побежалости) наблюдается при нагревании металла до 200 - 300°С. Выше 500° происходит быстрое окисление с образованием окисла Nb2O5.
Теплопроводность в вт/(м·К) при 0°С и 600 °С соответственно 51,4 и 56,2, то же в кал/(см·сек·°С) 0,125 и 0,156. Удельное объемное электрическое сопротивление при 0°С 15,22·10-8 ом·м (15,22·10-6 ом·см). Температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,25 К. Ниобий парамагнитен. Работа выхода электронов 4,01 эв.
Чистый Ниобий легко обрабатывается давлением на холоду и сохраняет удовлетворительные механические свойства при высоких температурах. Его предел прочности при 20 и 800 °С соответственно равен 342 и 312 Мн/м2, то же в кгс/мм234,2 и 31,2; относительное удлинение при 20 и 800 °С соответственно 19,2 и 20,7%. Твердость чистого Ниобиы по Бринеллю 450, технического 750-1800 Mн/м2. Примеси некоторых элементов, особенно водорода, азота, углерода и кислорода, сильно ухудшают пластичность и повышают твердость Ниобия.
3. Химические свойства ниобия
Ниобий особенно ценится за его устойчивость к действию неорганических и органических веществ.
Есть разница в химическом поведении порошкообразного и кускового металла. Последний более устойчив. Металлы на него не действуют, даже если нагреть их до высоких температур. Жидкие щелочные металлы и их сплавы, висмут, свинец, ртуть, олово могут находиться в контакте с ниобием долго, не меняя его свойств. С ним ничего не могут поделать даже такие сильные окислители, как хлорная кислота, «царская водка», не говоря уж об азотной, серной, соляной и всех прочих. Растворы щелочей на ниобий тоже не действуют.
Существует, однако, три реагента, которые могут переводить металлический ниобий в химические соединения. Одним из них является расплав гидроксида какого-либо щелочного металла:
Nb+4NaOH+5О2 = 4NaNbO3+2H2О
Двумя другими являются плавиковая кислота (HF) или ее смесь с азотной (HF+HNO). При этом образуются фторидные комплексы, состав которых в значительной степени зависит от условий проведения реакции. Элемент в любом случае входит в состав аниона типа 2- или 2-.
Если же взять порошкообразный ниобий, то он несколько более активен. Например, в расплавленном нитрате натрия он даже воспламеняется, превращаясь в оксид. Компактный ниобий начинает окисляться при нагревании выше 200°С, а порошок покрывается окисной пленкой уже при 150°С. При этом проявляется одно из чудесных свойств этого металла - он сохраняет пластичность.
В виде опилок при нагревании выше 900°С он полностью сгорает до Nb2O5. Энергично сгорает в токе хлора:
Nb + 5Cl2 = 2NbCl5
При нагревании реагирует с серой. С большинством металлов он сплавляется с трудом. Исключение, пожалуй, составляют лишь два: железо, с которым образуются твердые растворы разного отношения, да алюминий, имеющий с ниобием соединение Al2Nb.
Какие же качества ниобия помогают ему сопротивляться действию сильнейших кислот-окислителей? Оказывается, это относится не к свойствам металла, а к особенностям его оксидов. При соприкосновении с окислителями на поверхности металла возникает тончайший (поэтому он и незаметен), но очень плотный слой оксидов. Этот слой встает неодолимой преградой на пути окислителя к чистой металлической поверхности. Проникнуть сквозь него могут только некоторые химические реагенты, в частности анион фтора. Следовательно, по существу металл окисляется, но практически результатов окисления незаметно из-за присутствия тонкой защитной пленки. Пассивность по отношению к разбавленной серной кислоте используют для создания выпрямителя переменного тока. Устроен он просто: платиновая и ниобиевая пластинки погружены в 0,05 м. раствор серной кислоты. Ниобий в пассивированном состоянии может проводить ток, если является отрицательным электродом - катодом, т. е. электроны могут проходить сквозь слой оксидов только со стороны металла. Из раствора путь электронам закрыт. Поэтому, когда через такой прибор пропускают переменный ток, то проходит только одна фаза, для которой платина - анод, а ниобий - катод.
ниобий металл галоген
4. Ниобий в свободном состоянии
Он настолько красив, что одно время пытались из него делать ювелирные изделия: своим светло-серым цветом ниобий напоминает платину. Несмотря на высокие температуры плавления (2500°С) и кипения (4840°C), из него легко можно сделать любое изделие. Металл настолько пластичен, что его можно обрабатывать на холоду. Очень важно, что ниобий сохраняет свои механические свойства при высоких температурах. Правда, как и в случае ванадия, даже небольшие примеси водорода, азота, углерода и кислорода сильно уменьшают пластичность и повышают твердость. Ниобий становится хрупким при температуре от - 100 до - 200 °С.
Получение ниобия в сверхчистом и компактном виде стало возможным с привлечением техники последних лет. Весь технологический процесс сложен и трудоемок. В принципе он делится на 4 этапа:
1.получение концентрата: феррониобия или ферротанталониобия;
.вскрытие концентрата - перевод ниобия (и тантала) в какие-либо нерастворимые соединения, чтобы отделить от основной массы концентрата;
.разделение ниобия и тантала и получение их индивидуальных соединений;
.получение и рафинирование металлов.
Первые два этапа довольно просты и обычны, хотя и трудоемки. Степень разделения ниобия и тантала определяется третьим этапом. Стремление получить как можно больше ниобия и особенно тантала заставило изыскать новейшие методы разделения: избирательной экстракции, ионного обмена, ректификации соединений этих элементов с галогенами. В результате получают либо оксид, либо пятихлориды тантала и ниобия в отдельности. На последнем этапе применяют восстановление углем (сажей) в токе водорода при 1800°С, а затем температуру повышают до 1900°С и понижают давление. Получившийся при взаимодействии с углем карбид вступает в реакцию с Nb2O5:
2Nb2O5 + 5NbC = 9Nb + 5CO3,
и появляется порошок ниобия. Если в результате отделения ниобия от тантала получен не оксид, а соль, то ее обрабатывают металлическим натрием при 1000°С и также получают порошкообразный ниобий. Поэтому при дальнейшем превращении порошка в компактный монолит проводят переплавку в дуговой печи, а для получения монокристаллов особо чистого ниобия используют электроннолучевую и зонную плавку.
Оксиды ниобия и их соли
Число соединений с кислородом у ниобия невелико, значительно меньше, чем у ванадия. Объясняется это тем, что в соединениях, соответствующих степени окисления +4, +3 и +2, ниобий крайне неустойчив. Если атом этого элемента начал отдавать электроны, то он стремится отдавать все пять, чтобы обнажить стабильную электронную конфигурацию.
Если сравнивать ионы одной и той же степени окисления двух соседей по группе - ванадия и ниобия, то обнаруживается усиление свойств в сторону металлов. Кислотный характер оксида Nb2O5заметно слабее, чем у оксида ванадия (V). Кислоту при растворении он не образует. Лишь при сплавлении со щелочами или карбонатами проявляются его кислотные свойства:
O5 + 3Nа2СО3 = 2Nа3NbO4 + ЗС02
Эта соль - ортониобат натрия - похожа на такие же соли ортофосфорной и ортованадиевой кислот. Однако у фосфора и мышьяка ортоформа самая устойчивая, а попытка получить ортониобат в чистом виде не удается. При обработке сплава водой выделяется не соль Nа3NbO4, а метаниобат NaNbO3. Это бесцветный труднорастворимый в холодной воде мелкокристаллический порошок. Следовательно, у ниобия в высшей степени окисления более устойчива не орто- , а мета-форма соединений.
Из других соединений оксида ниобия (V) с основными оксидами известны диниобаты K4Nb2O7, напоминающие о пирокислотах, и полиниобаты (как тень полифосфорных и поливанадиевых кислот) с примерными формулами K7Nb5O16.nH2O и K8Nb6O19.mH2O. Упомянутые соли, отвечающие высшему оксиду ниобия, содержат этот элемент в составе аниона. Форма этих солей позволяет считать их производными ниобиевых. кислот. В чистом виде эти кислоты получить нельзя, так как их скорее можно рассматривать как оксиды, имеющие связь с молекулами воды. Например, мета-форма - это Nb2O5. H2O, а орго-форма Nb2O5. 3H2O. Наряду с такого рода соединениями у ниобия есть и другие, где он уже входит в состав катиона. Ниобий не образует простых солей типа сульфатов, нитратов и т. д. При взаимодействии с гидросульфатом натрия NaHSО4 или с оксидом азота N2О4 появляются вещества со сложным катионом: Nb2О2(SО4)3. Катионы в этих солях напоминают катион ванадия с той лишь разницей, что здесь ион пятизарядный, а у ванадия степень окисления в ионе ванадила равна четырем. Такой же катион NbO3+ входит, в состав некоторых комплексных солей. Оксид Nb2O5 довольно легко растворяется в водной фтористоводородной кислоте. Из таких растворов можно выделить комплексную соль K2. H2O.
На основании рассмотренных реакций можно сделать вывод, что ниобий в своей высшей степени окисления может входить как в состав анионов, так и в состав катиона. Это значит, что пятивалентный ниобий амфотерен, но все же со значительным преобладанием кислотных свойств.
Существует несколько способов получения Nb2O5. Во-первых, взаимодействие ниобия с кислородом при нагревании. Во-вторых, прокаливание на воздухе солей ниобия: сульфида, нитрида или карбида. В-третьих - наиболее обычный метод -обезвоживание гидратов. Из водных растворов солей концентрированными кислотами осаждается гидратированный оксид Nb2O5. xH2O. Затем при разбавлении растворов происходит выпадение белого осадка оксида. Обезвоживание осадка Nb2O5 xH2O сопровождается выделением теплоты. Вся масса накаляется. Происходит это из-за превращения аморфного оксида в кристаллическую форму. Оксид ниобия может быть двух цветов. В обычных условиях белый, но при нагревании приобретает желтую окраску. Стоит, однако, охладить оксид, как цвет исчезает. Оксид тугоплавок (tпл=1460°С) и нелетуч.
Более низким степеням окисления ниобия соответствуют NbО2 и NbО. Первый из этих двух представляет собой черный с голубым отливом порошок. Получают NbO2 из Nb2O5, отбирая кислород магнием или водородом при температуре около тысячи градусов:
O5 + Н2 = 2NbО2 + Н2О
На воздухе это соединение легко переходит обратно в высший оксид Nb2O5. Характер его довольно скрытный, так как оксид нерастворим ни в воде, ни в кислотах. Все же ему приписывают кислотный характер на основании взаимодействия с горячей водной щелочью; при этом, однако, идет окисление до пятизарядного иона.
Казалось бы, разница в один электрон не так уж велика, но в отличие от Nb2O5, оксид NbO2 проводит электрический ток. Очевидно, в этом соединении существует связь металл - металл. Если воспользоваться этим качеством, то при нагревании сильным переменным током можно заставить NbO2 отдать свой кислород.
При потере кислорода NbO2 переходит в оксид NbO, в дальнейшем довольно быстро отщепляется и весь кислород. О низшем оксиде ниобия NbО известно немного. Он имеет металлический блеск и по виду схож с металлом. Прекрасно проводит электрический ток. Словом, ведет себя так, будто кислорода в его составе вовсе и нет. Даже, подобно типичному металлу, бурно реагирует с хлором при нагревании и превращается в оксихлорид:
2NbO + 3Cl2=2NbOCl3
Из соляной кислоты вытесняет водород (будто и не оксид он вовсе, а металл вроде цинка):
NbO + 6HCl = 2NbOCl3 + 3H2
Получить в чистом виде NbО можно прокаливанием уже упоминавшейся комплексной соли K2 с металлическим натрием:
К2 + 3Na = NbO + 2KF + 3NaF
Оксид NbO имеет самую высокую из всех ниобиевых оксидов температуру плавления 1935°С. Чтобы очистить ниобий от кислорода, температуру повышают до 2300 - 2350°С, тогда одновременно с испарением происходит распад NbO на кислород и металл. Происходит рафинирование (очистка) металла.
Соединения ниобия
Рассказ об элементе был бы не полным без упоминания о его соединениях с галогенами, карбидами и нитридами. Это важно по двум причинам. Во-первых, благодаря фторидным комплексам удается отделить ниобий от его вечного спутника тантала. Во-вторых, эти соединения приоткрывают нам качества ниобия как металла.
Взаимодействие галогенов с металлическим ниобием:
Nb + 5Cl2 = 2NbCl5 могут быть получены, все возможные пентагалогениды ниобия.
Пентафторид NbF5 (tпл = 76 °С) в жидком состоянии и в парах бесцветен. Подобно пятифтористому ванадию, в жидком состоянии он полимерен. Атомы ниобия соединены друг с другом через атомы фтора. В твердом виде имеет структуру, состоящую из четырех молекул (рис. 2).
Рис. 2. Структура NbF5 и TaF5 в твердом виде состоит из четырех молекул.
Растворы в фтористоводбродной кислоте H2F2 содержат различные комплексные ионы:
H2F2 = Н2 ;+ H2O = H2
Калиевая соль K2 . H2O важна для отделения ниобия от тантала, так как в отличие от соли тантала она хорошо растворима.
Остальные пентагалогениды ниобия ярко окрашены: NbCl5 желтый, NbBr5 пурпурно-красный, NbI2 коричневый. Все они возгоняются без разложения в атмосфере соответствующего галогена; в паре они мономеры. Температуры их плавления и кипения возрастают при переходе от хлора к брому и иоду. Некоторые из способов получения пентагалогенидов таковы:
2Nb+5I22NbI5;O5+5C+5Cl22NbCl5+5CO;.
2NbCl5+5F22NbF5+5Cl2
Пентагалогениды хорошо растворяются в органических растворителях: эфире, хлороформе, спирте. Водой, однако, полностью разлагаются -гидролизуются. В результате гидролиза получаются две кислоты -галогеноводородная и ниобиевая. Например,
4H2О = 5HCl + H3NbО4
Когда гидролиз нежелателен, то вводят какую-либо сильную кислоту и равновесие написанного выше процесса смещается в сторону NbCl5. В таком случае пентагалогенид растворяется, не подвергаясь гидролизу,
Особую признательность у металлургов заслужил карбид ниобия. В любой стали, есть углерод; ниобий, связывая его в карбид, повышает качества легированной стали. Обычно при сварке нержавеющей стали, шов имеет меньшую прочность. Введение ниобия в количестве 200 г на тонну помогает исправить этот недостаток. При нагревании ниобий раньше всех других металлов стали образует соединение с углеродом - карбид. Это соединение достаточно пластичное и в то же время способно выдерживать температуру до 3500°С. Слоя карбида толщиной всего в полмиллиметра достаточно, чтобы оградить от коррозии металлы и, что особенно ценно, графит. Карбид может получаться при нагревании металла или оксид ниобия (V) с углеродом или углеродсодержащими газами (СН4, СО).
Нитрид ниобия - соединение, на которое не действуют никакие кислоты и даже «царская водка» при кипячении; устойчив по отношению к воде. Единственное, с чем его можно заставить вступить во взаимодействие, - кипящая щелочь. В этом случае он разлагается с выделением аммиака.
Нитрид NbN светло-серый с желтоватым оттенком. Он тугоплавок (тем. пл. 2300°С), имеет замечательную особенность - при температуре, близкой к абсолютному нулю (15,6 К, или -267,4 °С), обладает сверхпроводимостью.
Из соединений, содержащих ниобий в более низкой степени окисления, более всего известны галогениды. Все низшие галогениды - твердые кристаллические вещества темного цвета (от темно-красного до черного). Устойчивость их уменьшается по мере понижения степени окисления металла.
Применение ниобия в различных отраслях
Применение ниобия для легирования металлов
Сталь, легированная ниобием, обладает хорошей коррозионной стойкостью. Хром тоже повышает коррозионную стойкость стали, и он намного дешевле ниобия. Этот читатель прав и не прав одновременно. Не прав 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-маргаицевой 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.
Использования ниобия в других отраслях промышленности
Из ниобиевых листов и штабиков изготовляют «горячую арматуру» (т.е. нагреваемые детали) - аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие детали электронных ламп, особенно мощных генераторных ламп.
Кроме чистого металла для тех же целей применяют танталониобиевые сплавы.
Ниобий применяли для изготовления электролитических конденсаторов и выпрямителей тока. Здесь использована способность ниобия к образованию устойчивой окисной плёнки при анодном окислении. Окисная плёнка устойчива в кислых электролитах и пропускает ток только в направлении от электролита к металлу. Ниобиевые конденсаторы с твёрдым электролитом отличаются высокой ёмкостью при малых размерах, высоким сопротивлением изоляции.
Ниобиевые элементы конденсаторов изготовляют из тонкой фольги или пористых пластинок, спрессованных из металлических порошков.
Коррозионная стойкость ниобия в кислотах и других средах, в сочетании с высокой теплопроводностью и пластичностью делают его ценным конструкционным материалом для аппаратуры в химических и металлургических производствах. Ниобий обладает сочетанием свойств, удовлетворяющих требования атомной энергетики к конструкционным материалам.
До 900°С ниобий слабо взаимодействует с ураном и пригоден для изготовления защитных оболочек для урановых тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. При этом возможно использование жидких металлических теплоносителей: натрия или сплава натрия с калием, с которыми ниобий не взаимодействует до 600°С. Для повышения живучести урановых тепловыделяющих элементов уран легируют ниобием (~ 7% ниобия). Присадка ниобия стабилизирует защитную окисную плёнку на уране, что повышает устойчивость его против паров воды.
Ниобий входит в состав различных жаропрочных сплавов для газовых турбин реактивных двигателей. Легирование ниобием молибдена, титана, циркония, алюминия и меди резко улучшает свойства этих металлов, а также их сплавов. Существуют жаропрочные сплавы на основе ниобия в качестве конструкционного материала для деталей реактивных двигателей и ракет (изготовление турбинных лопаток, передних кромок крыльев, носовых концов самолётов и ракет, обшивки ракет). Ниобий и сплавы на его основе можно использовать при рабочих температурах 1000 - 1200°С.
Карбид ниобия входит в состав некоторых марок твёрдых сплавов на основе карбида вольфрама, используемых для резания сталей.
Ниобий широко используется как легирующая добавка в сталях. Добавка ниобия в количестве, в 6 - 10 раз превышающем содержание углерода в стали, устраняет межкристаллитную коррозию нержавеющей стали и предохраняет сварные швы от разрушения.
Ниобий также вводят в состав различных жаропрочных сталей (например, для газовых турбин), а также в состав инструментальных и магнитных сталей.
Ниобий вводят в сталь в сплаве с железом (феррониобий), содержащем до 60% Nb. Кроме этого, применяют ферротанталониобий с различным соотношением между танталом и ниобием в ферросплаве.
В органическом синтезе применяют некоторые соединения ниобия (фтористые комплексные соли, окислы) как катализаторы.
Применение и производство ниобия быстро возрастают, что обусловлено сочетанием таких его свойств, как тугоплавкость, малое сечение захвата тепловых нейтронов, способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие и др. сплавы, коррозионная стойкость, геттерные свойства, низкая работа выхода электронов, хорошие обрабатываемость давлением на холоде и свариваемость. Основные области применения ниобия: ракетостроение, авиационная и космическая техника, радиотехника, электроника, химическое аппаратостроение, атомная энергетика.
Применение металлического ниобия
Из чистого ниобия или его сплавов изготовляют детали летательных аппаратов; оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов; контейнеры и трубы; для жидких металлов; детали электролитических конденсаторов; «горячую» арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и др.); коррозионноустойчивую аппаратуру в химической промышленности.
Ниобием легируют другие цветные металлы, в том числе уран.
Ниобий применяют в криотронах - сверхпроводящих элементах вычислительных машин. Ниобий также известен тем, что он используется в ускоряющих структурах большого адронного коллайдера.
Интерметаллиды и сплавы ниобия
Станнид Nb3Sn и сплавы ниобия с титаном и цирконием применяются для изготовления сверхпроводящих соленоидов.
Ниобий и сплавы с танталом во многих случаях заменяют тантал, что даёт большой экономический эффект (ниобий дешевле и почти вдвое легче, чем тантал).
Феррониобий вводят в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии и разрушения и в стали др. типов для улучшения их свойств.
Ниобий используется при чеканке коллекционных монет. Так, Латвийский Банк утверждает, что в коллекционных монетах достоинством 1 лат наряду с серебром используется ниобий.
Применение соединений ниобияO5 катализатор в химической промышленности;
в производстве огнеупоров, керметов, спец. стёкол, нитрид, карбид, ниобаты.
Карбид ниобия (т. пл. 3480 °C) в сплаве с карбидом циркония и карбидом урана-235, является важнейшим конструкционным материалом для ТВЭЛов твердофазных ядерных реактивных двигателей.
Нитрид ниобия NbN используется для производства тонких и ультратонких сверхпроводящих пленок с критической температурой от 5 до 10 К с узким переходом, порядка 0,1 К
Ниобий в медицине
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.
Применение в ювелирном деле
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 износоустойчив. Это позволило некоторым странам обходиться без дорогого иридия в производстве напаек для перьев авторучек.
Добыча ниобия на территории России
В последние годы мировое производство ниобия находится на уровне 24-29 тыс. т. Следует отметить, что мировой рынок ниобия существенно монополизирован бразильской компанией СВММ, на долю которой приходится около 85% мирового объема выпуска ниобия.
Основным потребителем ниобий содержащей продукции (к ней прежде всего относится феррониобий) является Япония. Эта страна импортирует ежегодно свыше 4 тыс. т феррониобия из Бразилии. Поэтому японские импортные цены на ниобий содержащую продукцию можно с большой уверенностью принимать за близкие к среднемировым значениям. В последние годы имеет место тенденция роста цен на феррониобий. Это связано с растущим его применением для производства низколегированных сталей предназначенных, главным образом для труб нефте и газопроводов. Вообще надо отметить, что за последние 15 лет мировое потребление ниобия возрастает в среднем на 4-5 % ежегодно.
С сожалением надо признать, что Россия находится на «обочине» рынка ниобия. В начале 90-х годов, по оценкам специалистов Гиредмета, в бывшем СССР производилось и потреблялось около 2 тыс.т ниобия (в пересчете на оксид ниобия). В настоящее время потребление российской промышленностью ниобиевой продукции не превышает всего 100 - 200 т. Следует отметить, что в бывшем СССР были созданы значительные мощности по выпуску ниобия, разбросанные по разным республикам - Россия, Эстония, Казахстан. Это традиционная черта развития промышленности СССР поставила сейчас Россию в очень сложное положение по многим видам сырья и металлам. Рынок ниобия начинается с производства ниобий содержащего сырья. Основным его видом в России был и остается лопаритовый концентрат, получаемый на Ловозерском ГОКе (теперь - АО «Севредмет», Мурманская область). До распада СССР предприятие выпускало около 23 тыс.т лопаритового концентрата (содержание в нем оксида ниобия около 8,5 %). В последующем производство концентрата постоянно снижалось, в 1996-1998 гг. предприятие неоднократно останавливалось из-за отсутствия сбыта. В настоящее время, по оценкам, производство лопаритового концентрата на предприятии находится на уровне 700 - 800 т в месяц.
Следует отметить, что предприятие достаточно жестко привязано к своему единственному потребителю - Соликамскому магниевому заводу. Дело в том, что лопаритовый концентрат - это достаточно специфический продукт, который получают только в России. Его технология переработки достаточно сложна из-за содержащегося в нем комплекса редких металлов (ниобий, тантал, титан). Кроме того, концентрат радиоактивен, во многом поэтому все попытки выйти на мировой рынок с этой продукцией закончились безрезультатно. Следует также отметить, что из лопаритового концентрата невозможно получение феррониобия. В 2000 г. на комбинате «Севредмет» силами компании «Росредмет» запущена экспериментальная установка по переработке лопаритового концентрата с получением в числе других металлов товарной ниобий содержащей продукции (оксида ниобия).
Основными рынками ниобиевой продукции СМЗ являются страны дальнего зарубежья: поставки осуществляются в США, Японию и страны Европы. Доля экспорта в общем объеме производства составляет свыше 90 %. Значительные мощности по выпуску ниобия в СССР были сосредоточены в Эстонии - на Силламяэском химико-металлургическом произ-водственном объединении (г. Силламяэ). Сейчас эстонское предприятие называется «Силмет». В советские времена предприятие перерабатывало лопаритовый концентрат Ловоозерского ГОКа, с 1992 г. его отправка была прекращена. Сейчас «Силмет» перерабатывает только небольшой объем гидроксида ниобия Соликамского магниевого завода. Большую часть ниобий содержащего сырья в настоящее время предприятие получает из Бразилии и Нигерии. Руководство предприятия не исключает поставок лопаритового концентрата, однако «Севредмет» пытается проводить политику переработки его на месте, поскольку экспорт сырья менее выгоден, чем готовой продукции.
Репетиторство
Нужна помощь по изучению какой-либы темы?
Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку
с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.
Описание и свойства ниобия
Ниобий – элемент, относящийся к пятой группе периодической , атомный номер – 41. Электронная формула ниобия — Nb 4d45sl. Графическая формула ниобия — Nb — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 4d 4 5s 1. Открыт в 1801 г. – первоначально назван “колумбием”, по названию реки, в которой был обнаружен. В дальнейшем переименован.
Ниобий – металл бело-стального оттенка, имеет пластичность – легко прокатывается в листы. Электронное строение ниобия наделяет его определёнными характеристиками. Отмечается показание большого температурного режима при плавке и точки кипения металла. За счёт этого, как особенность отмечается электронный исход электронов. Сверхпроводимость проявляется только при большой температуре. Для окисления металлу требуется минимальная температура около 300º С и выше. При этом образуется специфичный оксид ниобия Nb2O5.
Ниобий, свойства которого активно взаимодействовать с некоторыми газами. Это водород, кислород и азот, под их воздействием может поменять определённые характеристики. Чем выше температура, тем интенсивнее поглощается водород, делающий ниобий более хрупким, при достижении контрольной отметки 600º С, начинает происходить обратное выделение, и металл восстанавливает утраченные показатели. После этого начинается образование нитрида NbN, для плавления которого требуется 2300º С.
Углерод и содержащие его газы, начинают своё взаимодействие с ниобием при необходимой температуре свыше 1200º С, в результате образуется карбид NbC – t плавления — 3500º С. В результате взаимодействия кремния и бора с металлом ниобием образуется борид NbB2 – t плавления — 2900º С.
Элемент ниобий устойчив почти ко всем известным кислотам, кроме плавиковой кислоты, а особенно её смеси с азотной кислотой. Металл подвержен воздействию щелочей, особенно, горячих. При растворении в них, происходит процесс окисления, и образуется ниобиевая кислота.
Добыча и происхождение ниобия
Содержание металла на тонну заемной породы сравнительно невелико – всего 18 г на тонну. Содержание увеличено в более кислых породах. Наиболее часто в одном залеже встречаются ниобий и тантал , за счёт их близких химических свойств, которые позволяют находится им в одном минерале, и участвовать в общих процессах. Зачастую в некоторых минералах содержащих титан, происходит замещающее явление – «ниобий – титан».
Известно около ста различных минералов содержащих ниобий. Но в промышленности используются единицы. Это пирохлор, лопарит, торолит и т.д. В ультраосновных и щелочных породах ниобий встречается в перовските и эвдиалите.
Месторождения ниобия имеются в Бразилии, Австралии, Канаде, Конго, Нигерии и Руанде.
Производство ниобия довольно сложный процесс, имеющий три основных стадии. Для начала вскрывается концентрат, потом разделяются ниобий и на чистые соединения. Завершающей стадией является восстановительные процессы и рафинирование металла. Из наиболее распространенных способов можно отметить – карботермические, алюмотермические и натриетермические методы.
К примеру, смешивая оксид ниобия и сажу при высоких температурах в водородной среде получают карбид, затем смешав карбид и оксид ниобия при тех же температурах, но уже в полном вакууме получают металл, из которого в дальнейшем выплавляют различные сплавы ниобия . Не исключено получение сплавов ниобия, используя методы порошковой металлургии, с применением вакуумных и электроннолучевых способов дуговой плавки.
Применение ниобия
В связи с уникальными свойствами, ниобий находит применение во многих областях промышленности. Сплавы ниобия обладают тугоплавкостью, жаропрочностью, сверхпроводимостью, геттерными и антикоррозийными свойствами. К тому же он довольно легко обрабатывается и сваривается. Он широко применяется в космических и авиационных технологиях, радио и электротехнике, химической отрасли и атомной энергетике. В генераторных лампах многие нагревательные элементы, выполнены с его применением. Также для этих целей применяются его сплав с танталом.
Электрические выпрямители и электролитические конденсаторы тоже содержат определённое количество этого металла. Его применение в этих устройствах обусловлено характерными ему пропускными и окислительными свойствами. Конденсаторы, включающие в свой состав данный металл, при сравнительно небольших габаритах, обладают большим сопротивлением. Все элементы конденсаторов, выполняются из специальной фольги. Она прессуется из порошка ниобия.
Стойкость к воздействию различных кислот, высокая теплопроводность и податливость структуры, обуславливают его популярность в химии и металлургии, при создании различной аппаратов и конструкций. Сочетание положительных свойств этого важного металла, востребовано даже в атомной энергетике.
За счёт слабого воздействия ниобия с промышленным ураном, при сравнительно невысоких температурах (900º С), металл годен для создания защитного слоя на атомных реакторах. При такой оболочке становиться возможным применение натриевых теплоносителей, с которыми он также почти не взаимодействует. Ниобий значительно продлевает срок службы урановых элементов, создавая на их поверхности защитную окись, от пагубного влияния водяного пара.
Улучшить жаростойкие свойства некоторых , можно посредством легирования с помощью ниобия. Также довольно хорошо себя зарекомендовали сплавы из ниобия. К примеру, это сплав ниобий – цирконий , отличающийся примечательными свойствами. Из подобных сплавов изготовляются различные детали для космических аппаратов и самолётов, а также их обшивки. Рабочая температура такого сплава может доходить до 1200º С.
В состав некоторых сплавов для обработки стали имеется карбид ниобия, усиливающий свойства сплава. Сравнительно небольшая прибавка ниобия, в нержавеющую сталь, усиливает её антикоррозийные свойства и улучшает качество получаемых сварных швов. Многие инструментальные стали также имеют примесь ниобия. Как катализ его различные соединения участвуют в процессах искусственного органического синтеза.
Цена ниобия
Основной формой для продажи на мировом рынке является ниобий в слитках , но вполне возможны и другие формы хранения. В мире всегда имелся спрос на ниобий, цена которого до начала 2000 года держалась на стабильном уровне. Уверенный рост спроса, связанный с развитием экономики многих стран, и увеличением объёма производства в области инновационных технологий, металлургических и химических отраслях, способствовало резкому взлёту цен к 2007 году с 12 $ до 32 $ за килограмм метала.
В последующих годах, в связи с мировым кризисом в экономической отрасли, вплоть до 2012 года, отмечалось их некоторое падение. Темпы товарооборота соответственно снизились. Но уже к 2012 году цены снова поползли вверх, и уже тогда ниобий купить можно было только по 60 $ за килограмм, и рост пока не остановился. Уже давно стоит вопрос о равноценных, но более доступных заменителях. И они имеются, но по свойствам явно уступают ниобию. Поэтому он пока находится в цене.
Ниобий (латинское Niobium, обозначается символом Nb) - элемент с атомным номером 41 и атомной массой 92,9064. Ниобий является элементом побочной подгруппы пятой группы, пятого периода периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Вместе с танталом ниобий входит в подгруппу ванадия. Имея в наружном электронном слое атома два или один электрон, эти элементы отличаются от элементов главной подгруппы преобладанием металлических свойств и отсутствием водородных соединений. В свободном состоянии ванадий, ниобий и тантал весьма стойки к химическим воздействиям и обладают высокими температурами плавления. Эти металлы совместно с хромом, молибденом, вольфрамом, рением, а также рутением, родием, осмием и иридием относятся к тугоплавким металлам. Сорок первый элемент в свободном состоянии - металл серо-стального цвета, твердый (однако не хрупкий), тугоплавкий (температура плавления 2500° C) и высококипящий (4927° C), хорошо поддающийся механической обработке и весьма стойкий во многих агрессивных средах. Плотность ниобия 8,57 г/см3. Природный ниобий состоит всего из одного стабильного изотопа 93Nb.
История открытия сорок первого элемента очень тесно связана с историей другого родственного металла, входящего в ту же подгруппу, что и ниобий - тантала. Еще в середине семнадцатого века в Южной Америке (в бассейне реки Колумбии) был обнаружен тяжелый черный минерал с золотистыми прожилками слюды. Его доставили в Англию, где он более века провел в одной из витрин Британского музея под именем «железной руды» и лишь в 1801 году английский химик Чарльз Хатчет заинтересовался необычным минералом. Он выделил окисел неизвестного прежде элемента, который назвал «колумбием», а минерал «колумбитом». Год спустя шведский химик Экеберг выделил из того же минерала окисел еще одного нового элемента, названного танталом. По этой причине долгие годы считалось, что колумбий и тантал - идентичные металлы, ведь находятся они в одном минерале. Лишь в 1844 году немецкий химик Генрих Розе, исследуя колумбит, обнаружил в нем окислы двух металлов, сходных по свойствам, однако являющихся самостоятельными элементами. Один из них был известный уже тантал, а другой Розе назвал ниобием (по имени Ниобы, дочери мифологического мученика Тантала).
Ниобий - один из основных компонентов многих жаропрочных и коррозионностойких сплавов. Особенно большое значение имеют жаропрочные сплавы ниобия, которые применяют в производстве газовых турбин, реактивных двигателей, ракет. Сорок первый элемент вводят также в некоторые марки нержавеющих сталей - он резко улучшает их механические свойства и сопротивляемость коррозии. Так стали, содержащие от одного до четырех процентов ниобия, отличаются высокой жаропрочностью и используются в качестве материала для производства котлов высокого давления. Кроме того, сталь с добавкой ниобия - превосходный материал для электросварки стальных конструкций: ее применение обеспечивает необычайную прочность сварных швов. Карбиды ниобия отличаются исключительной твердостью и чаще всего применяются в металлообрабатывающей промышленности для изготовления режущего инструмента.
Ниобий - микроэлемент, содержащийся в человеческом организме (у взрослых в миллиграммовых дозах). Основные депо концентрации данного металла - кости, печень, мышцы, кровь. Его биологическая роль до конца не изучена, однако, благодаря тому, что ниобий гипоаллергенен (не вызывает биологического отторжения) его широко использует медицина. В то же время металлическая пыль ниобия вызывает раздражение глаз и кожи, а некоторые соединения этого металла довольно токсичны.
Биологические свойства
Ниобий является неотъемлемым микроэлементом человеческого организма. Сорок первый элемент обнаружен в крови, костях, мышцах и печени человека. Подсчитано, что в среднем в организме взрослого человека весом 70 килограмм содержится до 1,5 мг ниобия.
К сожалению, биологическая роль данного элемента изучена весьма слабо. Однако, известно, что ниобий гипоаллергенен, то есть его можно безопасно использовать для введения в тело, так как он не будет вызывать биологического отторжения организмом. Это ценное свойство использует медицина - 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. В отличие от прочих медицинских легированных сталей и имплантационных сплавов ниобий представляет собою чистый химический элемент, который нельзя разделить на отдельные компоненты. То есть при контакте с тканями он не способен выделять отдельные компоненты и поэтому не является аллергеном.
Не только медицина использует данное качество ниобия - в последнее время на ниобий большой спрос как на материал для подкожного бодипирсинга. К тому же ниобий является реактивным металлом и его можно в ходе химического электролиза анодировать. При этом на поверхности металла появляется тонкий оксидный слой, который вызывает появление интерференционных цветов и за счет особенностей попадания света возникает при отражении и преломлении впечатление переливания изменяющихся цветов окраски (подобный эффект можно наблюдать на пленке нефтяного или бензинового пятна на сыром асфальте). У поклонников пирсинга подобная цветовая игра пользуется популярностью, к тому же анодированный слой полностью совместим с тканями организма, поскольку он представляет собой оксид ниобия. Естественно, что всё выше сказанное относится только к чистому ниобию - украшения для пирсинга из сплавов ниобия (или металла с примесями) могут нанести вред организму человека.
Несмотря на все положительные аспекты биологического влияния сорок первого элемента на организм, некоторые соединения ниобия ядовиты. Профессиональных отравлений ниобием не зафиксировано. Однако относительно высокая заболеваемость верхних дыхательных путей у рабочих, использующих комплексные соединения ниобия, вероятнее всего связана с воздействием выделяющегося HF и фторониобатов. Основные эксперименты по установлению степени токсичности соединений сорок первого элемента, проводимые на животных показали, что К2NbF7 и NbCl5 резко раздражают кожные покровы и слизистые глаз кролика. Введенный в желудок ниобаткалия KNbO3 вызывает острое отравление с летальным исходом у белых мышей при дозировке в 725-1140 мг/кг; пентафторооксониобата калия K2NbOF5 - при дозе 130 мг/кг; хлорида ниобия (V) NbCl5 - 829,6 мг/кг. Для лабораторных крыс эти дозы несколько выше. Введенные соединения привели к зернистой и вакуольной дистрофии в канальцах почек, некрозу печени и эпителия пищевода, дистрофическим изменениям в слизистой желудка. Хронические отравления были вызваны введением в желудок подопытных животных в течение четырех месяцев NbCl5 в дозе 100 мг/кг, что привело к изменению состава крови и сбою функций печени, незначительным изменениям по ходу ЖКТ. Введение пыли Nb2O5 в дозе 50 мг в течение 6-9 месяцев вызвало у лабораторных крыс уплотнение межальвеолярной перегородки и эмфизему легких. У тех же лабораторных животных ежедневные затравки пылью нитрида ниобия NbN по 40 мг/м3 в течение трех месяцев привели к развитию пневмосклероза и вторичной эмфиземы. К такому же результату привело введение в трахею крыс 50 мг NbN.
ПДК ниобия в воде 0,01 мг/л, для нитрида ниобия в воздухе рабочей зоны 10 мг/м3. Для фторониобатов рекомендуется ПДК как для солей HF.
Называя новый элемент ниобием, Генрих Розе руководствовался его сходством с танталом. Ведь мифический царь Тантал, наказанный олимпийскими богами за дерзость, был отцом Ниобы, в честь которой и был назван сорок первый элемент. Однако Розе наверняка не мог предполагать то, что названный им элемент будет схож с мифологическим персонажем не только родством с танталом. Прежде, чем объяснить, что еще общего имеют реальный металл ниобий и мифологическая принцесса Ниоба, вкратце расскажем ее историю.
Ниоба (Ниобея) - героиня древнегреческих мифов, дочь фригийского царя Тантала, жена фиванского царя Амфиона. Имея большое потомство (семь сыновей и семь дочерей), Ниоба возгордилась и своим хвастовством оскорбила Лето (Латону) - мать бога Аполлона и богини Артемиды. За такую дерзость Аполлон и Артемида стрелами из своих луков умертвили всех детей Ниобы. Сама Ниоба, окаменевшая от горя, была перенесена на вершину горы Сипил, где она в вечном одиночестве в образе камня проливает слезы по убитым детям.
Причем же здесь ниобий? Дело в том, что у этого металла всего лишь один природный изотоп - 93Nb. Получается, что металл также одинок, как и фиванская царица Ниоба.
Известно, что ниобий обладает высокой коррозионной стойкостью, что обуславливает его применение в химическом машиностроении. Интересным фактом является то, что при изготовлении запорной аппаратуры и трубопроводов солянокислотного производства, ниобий не только служит конструкционным материалом, но и играет при этом роль катализатора, давая возможность получить более концентрированную кислоту.
До 1866 года не было известно ни одного пригодного для производственных условий способа разделения тантала и ниобия!
В связи с острой нехваткой серебра американские финансисты предлагают для изготовления металлических денег использовать вместо него ниобий, поскольку стоимость ниобия примерно соответствует стоимости серебра. С 2003 года ниобий официально используется при чеканке коллекционных монет. Первопроходцем в использовании этого металла был Австрийский монетный двор Münze Österreich. Одной из особенностей ниобия является то, что при определённой обработке металла можно получить разную окраску поверхности. В результате, Австрия выпускает биметаллические монеты с разной окраской, уже отчеканено семь тысяч подобных монет. Пример Австрии оказался заразителен - в 2005 году в Сьерра-Леоне выпустили биметаллическую монету, с использованием золота и фиолетового ниобия. Выпуск посвящен Папе Римскому Иоанну Павлу II. Кроме этих стран биметаллические монеты с использованием ниобия выпустили: Монголия - 500 тугриков, серебряный овал и вставка из серого ниобия (2003 год), Латвия - 1 лат, серебро, вставка из зеленого ниобия (2010 год) и ряд других стан.
Бразильская компания CBMM - крупнейший производитель ниобия в мире, в настоящее время она обеспечивает 80 % всего мирового спроса на ниобий. Именно от действий компании в значительной мере зависит, будет ли мировой рынок испытывать дефицит ниобия.
В последнее время (в странах Запада) ниобий стал применяться в ювелирном деле как материал для изготовления ювелирных украшений, это связано с тем, что ниобий не является аллергеном.
Известно, что до 1950 года в некоторых странах (США и Великобритании) долго сохранялось первоначальное название сорок первого элемента - Колумбий, пока Международным союзом чистой и прикладной химии (ЮПАК) не было принято решение именовать во всем мире этот элемент ниобием. Поначалу американские и английские химики требовали отмены этого решения, которое казалось им несправедливым, но «приговор» ЮПАК был окончательным и обжалованию не подлежал. Пришлось «колумбистам» примириться с этим фактом, а в химической литературе США и Англии появился новый символ «Nb».
Искусственная (наведенная) радиоактивность ниобия невелика, поэтому из ниобия можно делать контейнеры для хранения радиоактивных отходов или установки по их использованию.
На знаменитом Большом адронном коллайдере под Женевой витки сверхпроводящих магнитов изготовлены из соединения ниобия и титана.
История
Не всякий химический элемент может похвастать своим повторным открытием, а на долю сорок первого элемента периодической системы это «счастье» перепало.
С завоеванием Америки в Европу стали попадать доселе невиданные богатства, экзотические диковинки, вещи, требующие тщательного изучения и разъяснения. Так как покорителей нового континента интересовали лишь грабеж и нажива, то многое новое игнорировалось, считалось ненужным, если не могло найти своего применения. Так, платину называли «плохим серебром», считая металлом фальшивомонетчиков, и сотнями тонн топили в реках и морях. А образцы необычного минерала черного цвета с золотистыми вкраплениями были увезены в качестве сувениров, осев в частных коллекциях и музеях под всевозможными названиями. Один из таких образцов провалялся на пыльной витрине Британского музея в Лондоне полтора века под табличкой, которая гласила, что перед вами образец «железной руды».
Удивительно, но нашелся человек, который заинтересовался пыльным экспонатом и решил узнать истинную сущность камня. Это был английский химик Чарльз Хатчет, который в 1801 году исследовал образец необычного минерала, выделил из него окисел неизвестного прежде элемента и дал ему название - «колумбий», тем самым, подчеркнув заокеанское происхождение нового элемента (в честь Христофора Колумба и старинного названия Америки). Сам же необычный тяжелый черный минерал химик назвал «колумбитом». Именно таким образом впервые был открыт сорок первый элемент периодической таблицы, получив своё первое имя. И если по началу Хатчет сомневался в том, что перед ним нечто ранее не изученное и отождествлял колумбит с сибирской хромовой рудой, то затем ученый обнаружил, что кислота (окисел), образующаяся из щелочного сплава минерала, обладает совершенно иными свойствами, чем хромовая кислота. Однако получить из окисла металл Хатчету не удалось.
Годом позже шведский химик Андерс Густав Экеберг, исследуя колумбитовую руду, обнаруженную на одном из финских рудников, открывает новый металл, названный им танталом (Tantalum). Окисел этого металла оказался чрезвычайно устойчивым и не разрушался даже в избытке кислоты (он как бы не мог насытиться кислотой, подобно тому, как мифический Тантал, наказанный Зевсом, стоя по горло в воде и терзаясь жаждой, не мог удовлетворить ее). Минерал, в котором был обнаружен новый металл, назвали танталитом. С этого момента и началась путаница и неразбериха - сходство соединений колумбия и тантала было так велико, что в течение сорока лет большинство химиков считало: тантал и колумбий - один и тот же элемент. «Масла в огонь» подлил авторитетный английский ученый Уильям Хайд Волластон, который первым получил платину в чистом виде и открыл палладий. В 1809 году он доказал, что колумбий Хатчета и тантал Экеберга представляют собой один и тот же металл, так как их окислы очень близки по удельному весу.
Точку в этой запутанной истории поставил немецкий химик Генрих Розе в 1844 году. В его распоряжении были образцы колумбитов и танталитов, найденные в Баварии. После тщательного изучения образцов, ученый установил, что в ряде образцов присутствуют окислы двух металлов. Оставив танталу прежнее название, он дал второму элементу, сходному с танталом, новое имя - ниобий (Niobium) в честь мифической Ниобы, дочери Тантала. Нетронутым осталось и название минерала, которое дал Хатчет, ведь колумбит, который он исследовал, был смесью тантала и ниобия. Впрочем, Розе, как и Хатчет, не сумел получить ниобий в свободном состоянии. Это произошло лишь в 1866 году, когда шведский ученый Кристиан Вильгельм Бломстранд при восстановлении хлорида ниобия водородом получил металлический ниобий. В дальнейшем ученые разработали еще два способа получения металла в чистом виде: сначала Муассан получил его в электропечи, восстанавливая окись ниобия углеродом, а затем Гольдшмидт сумел восстановить тот же элемент алюминием.
В России заинтересованность ниобием была скромна: колумбием Хатчета заинтересовался лишь химик-аналитик Т. Е. Ловиа, который начал исследование нового металла, но не успел его закончить, опубликовав о нем лишь заметку (1806). Что касается названия, то в русской литературе начала XIX века колумбий Хатчета назывался колумб (Шерер, 1808), колумбий (Ловиц), тантал и ниобий (Гесс). В Англии и США металл по-прежнему продолжали называть колумбием, в остальных странах придерживались новой версии и называли сорок первый элемент ниобием. Окончательное решение в этом вопросе было принято Международным союзом чистой и прикладной химии (ИЮПАК) лишь в 1950 году! На заседнии союза было решено повсеместно узаконить название элемента «ниобий», а за основным минералом ниобия закрепилось первоначальное наименование «колумбит».
Нахождение в природе
Ниобий считается редким элементом (содержание в земной коре 2,4 10-3 % по массе), он встречается действительно нечасто в небольших количествах и всегда в виде минералов (в самородном состоянии ниобий не существует). Любопытно, что в разной справочной литературе кларк (содержание в земной коре) ниобия разный. Это связано с тем, что всё чаще в Африке обнаруживаются новые богатые месторождения руд, содержащих ниобий. Поэтому, вероятнее всего, данные будут продолжать изменяться. Так или иначе, но приблизительно подсчитано, что из минералов уже известных месторождений можно выплавить примерно 18 миллионов тонн металлического ниобия.
Ниобий - литофильный элемент, связан с гранитными, нифелинсиенитовыми, ультраосновными щелочными породами и карбонатитами. Только в щелочных изверженных породах - нифелиновых сиенитах и прочих, содержание сорок первого элемента повышено до 10-2-10-1 %. В этих породах и связанных с ними пегматитах, карбонатитах, а также в гранитных пегматитах обнаружено 23 минерала ниобия и около 130 других минералов, содержащих повышенные количества этого элемента. По большей части это сложные и простые окислы. В минералах сорок первый элемент связан с редкоземельными элементами и с танталом, титаном, кальцием, натрием, торием, железом, барием (тантало-ниобаты, титанаты и других). Дело в том, что породообразующим аналогом ниобия (а также тантала) является титан. При высокой концентрации Ti4+ происходит рассеяние Nb5+ по титановым минералам.
В биосфере геохимия ниобия изучена слабо. Достоверно установлено, что в районах щелочных пород, обогащенных ниобием, он мигрирует в виде соединений с органическими и другими комплексами. Существуют минералы сорок первого элемента, образующиеся при выветривании щелочных пород (мурманит, герасимовскит). Содержание ниобия в морской воде около 1 10-9 % по массе.
Форма нахождения ниобия в природе может быть разной: рассеянной (в породообразующих и акцессорных минералах магматических пород) и минеральной. В общей сложности известно более ста минералов, содержащих ниобий. Из них промышленное значение имеют лишь некоторые: колумбит-танталит (Fe, Mn)(Nb, Ta)2O6, содержащий 50-76 % Nb2O5; пирохлор (Na, Ca)2(Nb, Ta, Ti)2O6(OH, F), в котором количество Nb2O5 варьируется от 40 до 70 % не более. Что интересно в колумбите из Гренландии не обнаружено тантала, этот минерал - смесь соли закиси железа (FeO = 17,33 %) и ниобиевой кислоты (Nb2O5 = 77,97 %), также содержащая закись марганца (MnО = 3,28 %) и еще MgO, PbO, ZrO2, SnO2 и WO3. Меньшее промышленное значение имеет лопарит (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb, Ta)O3 (содержание комплекса (Nb, Ta)2O5 составляет 8 - 10 %), иногда используются эвксенит Y(Nb, Ta, Ti)2O6 (21-34 % Nb2O5), торолит, ильменорутил, а также минералы, содержащие ниобий в виде примесей (ильменит, касситерит, вольфрамит). Минералы ниобия слабо парамагнитны и радиоактивны из-за примесей U и Th. Минимальные содержания, при которых рентабельно разрабатывать коренные ниобиевые руды, порядка 0,15-0,2 % Nb2O5. Среднее содержание Nb2O5 в большинстве месторождений ниобиевых руд мира 0,2-0,6 %; богатые месторождения содержат 1 % и более (до 4 %) Nb2O5. Минимальные содержания, при которых разрабатываются россыпи колумбита и месторождения кор выветривания, равны 0,1-0,15 кг/м3.
Значительные месторождения выше перечисленных минералов есть в разных странах: Малайзии, Мозамбике, Заире, Бразилии, США, Канаде (щелочные породы), Норвегии, Финляндии. Однако крупнейшим поставщиком концентратов ниобия на мировой рынок стало африканское государство Нигерия (богатые россыпные месторождения). В России есть большие запасы лопарита, они найдены на Кольском полуострове.
Применение
Благодаря сочетанию таких ценных качеств - как тугоплавкость, малое сечение захвата тепловых нейтронов, способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие и другие сплавы, коррозионная стойкость, геттерные свойства, низкая работа выхода электронов, хорошая обрабатываемость давлением на холоде и свариваемость - производство и применение ниобия постоянно возрастают. Примерно 50 % производимого ниобия используется для микролегирования сталей (концентрация ниобия 0,05-0,10 % по массе). Из них 20-30 % идут на получение нержавеющих и жаростойких сталей (содержание ниобия 0,2-1,2 %), 20-25 % используются при получении жаропрочных сплавов на основе никеля или железа (1-5 % ниобия), 1-3 % расходуется в виде металла и сплавов на основе ниобия.
Легированная ниобием сталь приобретает высокие антикоррозионные свойства и не теряет своей пластичности. Так, например, в хромоникелевой стали всегда присутствует углерод, который соединяется с хромом, образуя карбид, который делает сталь более хрупкой. Добавка ниобия, имеющего большее сродство с углеродом, чем хром, связывает углерод в безопасный карбид ниобия. Положительный эффект достигается при введении в тонну стали всего двухсот грамм сорок первого элемента. Добавка ниобия в хромомарганцевую сталь придает ей высокую износоустойчивость.
Сорок первым элементом 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. Ниобием легируют даже уран. Стали, легированные ниобием, широко использует ракетостроение, авиационная и космическая техника (детали летательных аппаратов), радиотехника, электроника, химическое аппаратостроение (контейнеры и трубы для жидких металлов), атомная энергетика. Еще одно уникальное свойство ниобия, используемое в атомной энергетике - отсутствие заметного взаимодействия с ураном при температуре до 1 100 °C.
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. По этой причине из ниобия можно изготовлять контейнеры для хранения радиоактивных отходов или установки по их использованию. Малый процент потребления ниобия химической промышленностью объясняется лишь дефицитом данного элемента.
Из сплавов, содержащих сорок первый элемент, реже из листового ниобия делают аппаратуру для производства высокочистых кислот. Способность ниобия (катализатор) влиять на скорость некоторых химических реакций используется, например, при синтезе спирта из бутадиена. Сплавы ниобия используются при производстве деталей ракет и бортовой аппаратуры искусственных спутников Земли. Ниобий используется в деталях электрических конденсаторов, из него изготовляют «горячую» арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и другие). Ниобий применяют в криотронах - сверхпроводящих элементах вычислительных машин, а станнид Nb3Sn и сплавы ниобия с титаном и цирконием - для изготовления сверхпроводящих соленоидов.
Нитрид ниобия NbN применяют для изготовления сверхпроводящих болометров, мишеней передающих телевизионных трубок. Карбид ниобия NbC - пластичное вещество с характерным розоватым блеском, сочетающее хорошую ковкость и высокую термостойкость с приятными «внешними данными» сделало NbC 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 не защищается.
Карбид ниобия используется и как конструкционный материал в ракетостроении и производстве турбин. Карбонитрид NbC0,25N0,75 используют при изготовлении сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств, высокочастотных резонаторов с высокими значениями добротности; NbC0,25N0,75 перспективен для использования в магнитных системах реакторов термоядерного синтеза.
Металлиды Nb3Sn и Nb3Ge применяют при изготовлении соленоидов сверхпроводящих устройств; Nb3Ge перспективен для использования в магнитах МГД-генераторов и других электротехнических устройств. Феррониобий вводят в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии и разрушения и в стали других типов для улучшения их свойств.
Оксиды ниобия - компоненты огнеупорных материалов, керметов, стекол с высокими коэффициентами преломления. Ниобий вводят в нержавеющие стали для улучшения свойств сварочного шва.
Производство
Ниобиевые руды, как правило, комплексные и бедны металлом, хотя следует учесть, что их запасы превосходят запасы танталовых руд. Так, например, колумбит-танталитовые концентраты содержат всего 8 % Та2О5, и более 60 % Nb2O5. Большую часть (примерно 95 %) ниобия получают из пирохлоровых, колумбит-танталитовых и лопаритовых руд. Основные методы обогащения рудного сырья - гравитационный метод и флотация либо электромагнитная или радиометрическая сепарация. Получившиеся после обогащения рудные концентраты содержат пятиокись ниобия в количестве: колумбитовые - 30-60 %, пирохлоровые - не менее 37 %, лопаритовые - 7 % и более. Далее большую часть концентратов перерабатывают алюмино- или силикотермическим восстановлением на феррониобий (сплав железа с ниобием, с содержанием Nb 40-60 %) и ферротанталониобий, технически чистого Nb2O5, реже до галогенидов сорок первого элемента - NbCl5 и K2NbF7.
По сути феррониобий и ферротанталониобий - конечные продукты при обработке концентратов, ведь они являются легирующими элементами, которые вводят в различные сорта сталей для улучшения их свойств. При производстве феррониобия смесь пирохлоровых концентратов с гематитом Fe2O3, порошкообразным алюминием и добавками флюса загружают в вертикальные охлаждаемые водой стальные или медные реакторы и с помощью специального запала инициируют экзотермические реакции. После чего сливают шлак, охлаждают и измельчают полученный сплав. Выход ниобия в слиток при массе загрузки концентрата до 18 тонн достигает 98 %!
Технический Nb2O5, являющийся катализатором в химической промышленности, получают выщелачиванием ниобия и танатала из концентратов и шлаков оловянной плавки действием фтористоводородной кислоты с последующей очисткой и разделением ниобия и тантала. Разделение осуществляется экстракцией 100 %-ным трибутилфосфатом, метилизобутилкетоном, циклогексаноном (иногда другими соединениями), реэкстракцией ниобия действием водного раствора NH4F, осаждением из реэкстракта гидроксида ниобия, его сушкой и прокаливанием.
По сульфатному способу концентраты обрабатывают серной кислотой H2SO4 или ее смесью с (NH4)2SO4 при 150-300 °С, выщелачивают растворимые сульфаты водой, отделяют ниобий и тантал от титана, разделяют и очищают ниобий и тантал экстракцией из фторидных или оксофторидных комплексов, выделяя затем Nb2O5.
Хлоридный способ предусматривает смешение концентрата с коксом, брикетирование и хлорирование брикетов в шахтной печи при 700-800° С или хлорирование непосредственно порошкообразного концентрата и кокса в солевом хлоридном расплаве на основе NaCl и КСl. Затем производят отделение летучих хлоридов ниобия и тантала, их разделение и очистку ректификацией и раздельный гидролиз водой с прокаливанием осадка гидроксида ниобия. Иногда хлорируют феррониобий или отходы металла.
Описаны способы переработки концентратов ниобия с использованием жидких и газообразных фторирующих реагентов.
Металлический ниобий получают из рудных концентратов по сложной технологии в несколько стадий: вскрытие концентрата, разделение ниобия и тантала и получение их чистых химических соединений, восстановление и рафинирование металлического ниобия и его сплавов. Процессы обогащения и вскрытия концентратов, также как и пути разделения ниобия с танталом, описаны выше. Поэтому рассмотрим лишь методы получения ниобия восстановлением его соединений, например хлорида ниобия NbCl5 или фтор-ниобата калия K2NbF7, при высокой температуре:
K2NbF7 + 5Na → Nb + 2KF + 5NaF
Применяют также электролитическое восстановление Nb2O5 или K2NbF7 в расплаве K2NbF7 и хлоридов щелочных металлов. Особо чистый металл или покрытия из ниобия на различных металлических поверхностях получают восстановлением NbCl5 водородом при температурах выше 1 000 °С.
Из пятиокиси ниобия, получение которой различными методами мы рассмотрели ранее, металл получают алюмино- или карбо-термическим восстановлением либо нагреванием смеси Nb2O5 и NbC при 1 800-1 900 °С в вакууме. Продуктом таких реакций является металлический порошок ниобия, который необходимо затем превратить в монолит, сделать пластичным, компактным, пригодным для обработки. Как и другие тугоплавкие металлы, ниобий-монолит получают методами порошковой металлургии: порошок брикетируют, под большим давлением (1 т/см2) прессуют в штабики прямоугольного или квадратного сечения их спекают в вакууме (при 2 300 °С), затем соединяют в пруты, которые плавят в вакуумных дуговых печах, причем пруты в этих печах выполняют роль электрода. Такой процесс называется плавкой с расходуемым электродом. Монокристаллы ниобия особой чистоты получают методом бестигельной электронно-лучевой зонной 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.
Физические свойства
Металлический ниобий впервые получили лишь во второй половине XIX века, поэтому человечество знакомо со свойствами этого блестящего металла серо-стального цвета не так давно. Каковы же физические характеристики данного элемента? У сорок первого элемента периодической системы объемно-центрированная кубическая кристаллическая решетка с параметром а = 3,294Å. Определенно он легче своего спутника тантала (плотность 16,6 г/см3), однако ниобий всё равно остается тяжелым металлом, ведь его плотность при комнатной температуре (20 °C) составляет 8,57 г/см3. Да это меньше чем у свинца (11,34 г/см3) или ртути (13,5457 г/см3) при той же температуре, однако это значение выше, чем у железа (7,87 г/см3) или хрома (7,19 г/см3), например.
Ниобий - высокопрочный и твердый металл, его предел прочности при 20 и 800 °С соответственно равен 342 и 312 Мн/м2, то же в кгс/мм2 34,2 и 31,2; относительное удлинение при 20 и 800 °С соответственно 19,2 и 20,7 %. Твердость чистого ниобия по Бринеллю 450, технического 750-1800 Mн/м2. К тому же, сорок первый элемент сочетает в себе и отличные пластические характеристики: очищенный ниобий хорошо поддается механической обработке - легко обрабатывается давлением на холоду и сохраняет удовлетворительные механические свойства при высоких температурах. Чистый металл настолько пластичен, что может быть прокатан в тонкий лист (до толщины 0,01 мм) в холодном состоянии без промежуточного отжига. Правда всё это относится к очищенному металлу, ниобий, содержащий примеси некоторых элементов (особенно опасны водород, азот, углерод и кислород) сильно ухудшает свою пластичность. Однако наличие примесей повышает твердость ниобия и его хрупкость. В хрупкое состояние ниобий переходит при температурах от -100 до -200 °С.
Ниобий один из ряда тугоплавких металлов, его температура плавления (tпл) 2 500 °С, а температура кипения (tкип) 4927 °С. Более высокие точки плавления у молибдена (2 620 °C), тантала (3 000 °C), рения (около 3 190 °C) и вольфрама (около 3 400 °C). Однако у ниобия более низкая работа выхода электронов (4,01 эв) по сравнению с другими тугоплавкими металлами - вольфрамом и молибденом. Данная особенность характеризует способность к электронной эмиссии (испусканию электронов), что используется для применения ниобия в электровакуумной технике. Ниобий также имеет высокую температуру перехода в состояние сверхпроводимости. Это удивительное явление, когда при понижении температуры проводника в нем происходит скачкообразное исчезновение электрического сопротивления, впервые наблюдал голландский физик Г. Камерлинг-Оннес в 1911 г. Опытным образцом, который и стал первым сверхпроводником, была ртуть. Однако не ей, а ниобию и некоторым его интерметаллическим соединениям суждено было стать первыми технически важными сверхпроводящими материалами. Температура перехода ниобия в сверхпроводящее состояние 9,17 °K, в то время как большинство известных сверхпроводников становятся сверхпроводниками лишь при температуре жидкого гелия. Интерметаллическое соединение ниобия и германия состава Nb3Ge имеет критическую температуру 23,2 °К - это выше температуры кипения водорода! Способность переходить в состояние сверхпроводимости свойственна также стапниду ниобия Nb3Sn, сплавам ниобия с алюминием и германием или с титаном и цирконием.
Теплопроводность сорок первого элемента в вт/(м К) при 0 °С и 600 °С соответственно 51,4 и 56,2, то же в кал/(см сек °С) 0,125 и 0,156. Удельное объемное электрическое сопротивление ниобия при 0° С 15,22 10-8 ом м (15,22 10-6 ом см). Ниобий парамагнитен, его удельная магнитная восприимчивость + 2,28∙10-6 (при 18° С). Теплоёмкость (при 25 °C) 24,6 Дж/(моль∙К); теплопроводность (при 0 °C) 51,4 Вт/(м∙К).
Химические свойства
Химически ниобий довольно инертен. Хотя и не настолько, как тантал, но на холоде и при небольшом нагреве сорок первый элемент чрезвычайно устойчив к действию многих агрессивных сред, однако при высоких температурах химическая активность ниобия повышается. Компактный ниобий заметно окисляется на воздухе только при температуре выше 200 °С (если при 150...200 °C окисляется лишь небольшой поверхностный слой металла, то при 900...1 200 °C толщина окисной пленки значительно увеличивается), образуя Nb2О5 (окисел белого цвета, имеет кислотный характер и tпл = 1512 °С), причем для этого оксида описано около десяти кристаллических модификаций. При обычном давлении стабильна β-форма Nb2О5. Кроме того, сорок первый элемент образует NbO2 (полупроводник с tпл 2 080 °С, черного цвета), NbO, ряд нестехиометрических оксидов, промежуточных между NbO2,42 и NbO2,50 и близких по структуре к β-форме Nb2О5.
Что интересно, окись ниобия NbO, сплавленная в слиток, обладает металлическим блеском и электропроводностью металлического типа, заметно испаряется при 1700° С, интенсивно - при 2 300-2 350 °С, что используют для вакуумной очистки ниобия от кислорода. При сплавлении пятиокиси ниобия с различными оксидами получают ниобаты: Ti2Nb10О29, FeNb49О124 - которые можно рассматривать, как соли гипотетических ниобиевых кислот (ниобиевые кислоты не выделены в виде определенных химические соединений). Ниобаты делятся на метаниобаты MNbO3, ортониобаты M3NbO4, пирониобаты M4Nb2O7 или полиниобаты M2O nNb2O5 (где M - однозарядный катион, а n = 2-12). Известны ниобаты двух- и трехзарядных катионов. Еще ниобаты получают в результате обменных реакций после сплавления пятиокиси ниобия с содой:
Nb2O5 + 3Na2CO4 → 2Na3NbО4 + 3CO2
Хорошо изучены соли нескольких ниобиевых кислот, в первую очередь метаниобиевой HNbO3, а также диниобаты и пентаниобаты (K4Nb2O7, К7Nb5О16 ∙ mH2O). Ниобаты реагируют с HF, расплавами гидрофторидов щелочных металлов (KHF2) и аммония. Некоторые ниобаты с высоким отношением M2O/Nb2O5 гидролизуются:
6Na3NbO4 + 5H2O → Na8Nb6O19 + 10NaOH
Для сорок первого элемента характерно свойство поглощения газов - водорода, азота и кислорода. Причем даже небольшие примеси данных элементов отрицательно влияют на механические и электрические свойства металла. При низкой температуре водород поглощается медленно, но уже при температуре примерно 360 °С водород поглощается с максимальной скоростью, причём происходит не только адсорбция, но и образуется гидрид переменного состава от NbH0,7 до NbH. Поглощённый водород придаёт металлу хрупкость, однако этот процесс обратим - при нагревании в вакууме выше 600 °С почти весь водород выделяется и прежние механические свойства восстанавливаются. Азот ниобий начинает поглощать при уже при 600 °С, при более высокой температуре образуется высший нитрид NbN светло-серого цвета с желтоватым оттенком, который плавится при 2 300 °С. В системе Nb - N существуют несколько фаз переменного состава и нитриды Nb2N и NbN.
Углерод и углеродсодержащие газы (СН4, СО) при высокой температуре (1 200-1 400 °С) взаимодействуют с ниобием с образованием твёрдого и тугоплавкого карбида NbC (плавится при 3 500 °С). При температурах 1 800-2 000 °С ниобий образует с углеродом три фазы: α-фаза - твердый раствор внедрения углерода в ниобий, β-фаза - Nb2C, δ-фаза - NbC.
Ниобий невосприимчив к действию большинства кислот и растворов солей. С ним не взаимодействуют царская водка, соляная и серная кислоты при 20 °С, азотная, фосфорная, хлорная кислоты, водные растворы аммиака и органические кислоты любой концентрации на холоду и при 100-150 °С. Металл растворяется в плавиковой кислоте и особенно интенсивно - в смеси плавиковой и азотной кислот. Менее устойчив сорок первый элемент в щелочах. Горячие растворы едких щелочей заметно разъедают металл, в расплавленных щелочах и соде он быстро окисляется с образованием натриевой соли ниобиевой кислоты.
С галогенами ниобий образует пентагалогениды NbHal5, тетрагалогениды NbHal4 и фазы NbHal2,67 - NbHal3+x, в которых имеются группировки Nb3 или Nb2. Пентагалогениды ниобия легко гидролизуются водой. Из них наиболее важны пентафторид NbF5, пентахлорид NbCl5, окситрихлорид NbOCl3, фторониобат калия K2NbF7 и оксифторониобат калия K2NbOF7 Н2О.
С фосфором ниобий образует фосфиды NbP и NbP2, с мышьяком - арсениды NbAs и NbAs2, с сурьмой - антимониды Nb3Sb, Nb5Sb4, NbSb2, с серой - сульфиды NbS3, NbS2 и NbS. Станнид Nb3Sn (tпл ~ 2130° С) и германид Nb3Ge (tпл ~ 1 970 °С) - сверхпроводники с температурами перехода в сверхпроводящее состояние соответственно 18,05 °К и 23,2 °К; получают их из простых веществ. Практически не действуют на ниобий очищенные от примеси кислорода жидкие Na, К и их сплавы, Li, Bi, Pb, Hg, Sn, применяемые в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах.
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.