Ниобий

Ниобий
← Цирконий | Молибден →
41 V ↑ Nb ↓ Ta 41Nb
Внешний вид простого вещества
Кристаллы ниобия
Свойства атома
Название, символ, номер	Нио́бий / Niobium (Nb), 41
Группа, период, блок	5 (устар. 5), 5, d-элемент
Атомная масса (молярная масса)	92,90638(2) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Kr] 4d45s1
Радиус атома	146 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	164 пм
Радиус иона	(+5e)69 пм
Электроотрицательность	1,6 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	0
Степени окисления	+1, +2, +3, +4, +5
Энергия ионизации (первый электрон)	663,6(6,88) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	8,57 г/см³
Температура плавления	2741 K (2468 °С, 4474 °F)
Температура кипения	5015 K (4742 °С, 8567 °F)
Уд. теплота плавления	26,8 кДж/моль
Уд. теплота испарения	680 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	24,44 Дж/(K·моль)
Молярный объём	10,8 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Кубическая объёмноцентрированая
Параметры решётки	3,301 Å
Температура Дебая	275 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 53,7 Вт/(м·К)

41	Ниобий
Nb 92,9064
4d45s1

Нио́бий (химический символ — Nb, от лат. Niobium, устар. название — колумбий) — химический элемент 5-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы пятой группы, VB), Пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 41.

Простое вещество ниобий — блестящий переходный металл серебристо-серого цвета с кубической объёмноцентрированной кристаллической решёткой типа α-Fe, а = 0,3294. Для ниобия известны изотопы с массовыми числами от 81 до 113.

История

Ниобий был открыт в 1801 году английским учёным Чарльзом Хэтчетом в минерале, присланном ещё в 1734 году в Британский музей из штата Массачусетс Джоном Уинтропом (внуком Джона Уинтропа младшего). Минерал был назван колумбитом, а химический элемент получил название «колумбий» (Cb) в честь страны, откуда был получен образец (Колумбии — торжественного наименования США).

В 1802 году А. Г. Экеберг открыл тантал, который совпадал практически по всем химическим свойствам с ниобием, и поэтому долгое время считалось, что это один и тот же элемент. Лишь в 1844 году немецкий химик Генрих Розе установил, что это отличный от тантала элемент и переименовал его в «ниобий» в честь дочери Тантала Ниобы, чем подчеркнул сходство между элементами. Однако в некоторых странах (США, Англии) долго сохранялось первоначальное название элемента — колумбий, и только в 1950 году решением Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК, IUPAC) элементу окончательно было присвоено название ниобий.

Впервые чистый ниобий был получен в конце XIX века французским химиком Анри Муассаном электротермическим путём: он восстановил оксид ниобия углеродом в электропечи.

Нахождение в природе

Кларк ниобия — 18 г/т. Содержание ниобия увеличивается от ультраосновных (0,2 г/т Nb) к кислым породам (24 г/т Nb). Ниобию всегда сопутствует тантал. Близкие химические свойства ниобия и тантала обусловливают совместное их нахождение в одних и тех же минералах и участие в общих геологических процессах. Ниобий способен замещать титан в ряде титансодержащих минералов (сфен, ортит, перовскит, биотит). 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, пирохлор (Na, Ca, TR, U)₂(Nb, Ta, Ti)₂O₆(OH, F) (Nb₂O₅ 0 — 63 %), лопарит (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb)O₃ ((Nb, Ta)₂O₅ 8 — 10 %), иногда используются эвксенит, торолит, ильменорутил, а также минералы, содержащие ниобий в виде примесей (ильменит, касситерит, вольфрамит). В щелочных — ультраосновных породах ниобий рассеивается в минералах типа перовскита и в эвдиалите. В экзогенных процессах минералы ниобия и тантала, являясь устойчивыми, могут накапливаться в делювиально-аллювиальных россыпях (колумбитовые россыпи), иногда в бокситах коры выветривания. Концентрация ниобия в морской воде 1⋅10⁻⁵ мг/л.

Месторождения

Месторождения ниобия расположены в США, Японии, России (Кольский полуостров), Бразилии, Канаде.

Добыча ниобия по странам (тонн) (оценка USGS)

Страна	2000	2001	2002	2003	2004	2005	2006	2007	2008	2009	2010	2011
Австралия	160	230	290	230	200	200	200	?	?	?	?	?
Бразилия	30 000	22 000	26 000	29 000	29 900	35 000	40 000	57 300	58 000	58 000	58 000	58 000
Канада	2,290	3,200	3,410	3,280	3,400	3,310	4,167	3020	4380	4330	4420	4400
Демократическая Республика Конго	?	50	50	13	52	25	?	?	?	?	?	?
Мозамбик	?	?	5	34	130	34	29	?	?	?	?	?
Нигерия	35	30	30	190	170	40	35	?	?	?	?	?
Руанда	28	120	76	22	63	63	80	?	?	?	?	?
Всего в мире	32 600	25 600	29 900	32 800	34 000	38 700	44 500	60 400	62 900	62 900	62 900	63 000

Изотопы

Основная статья: Изотопы ниобия

Природный ниобий состоит из единственного стабильного изотопа — ⁹³Nb. Все остальные искусственно полученные изотопы ниобия с массовыми числами от 81 до 113 радиоактивны (всего их известно 32). Наиболее долгоживущий изотоп — ⁹²Nb с периодом полураспада 34,7 млн лет.

Также известны 25 метастабильных состояний ядер его разных изотопов.

Физические свойства

Полная электронная конфигурация атома ниобия: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d⁴5s¹

Ниобий — это пластичный тугоплавкий переходный металл, чьи физические свойства зависят от значений температуры. Температура плавления 2468 °С и плотностью 8,57 г/см³ (при 20 °С). Температура кипения ниобия равна 4742 °С, структура решетки объемно центрированная кубическая с периодом 0,33 нм.

Химические свойства

Химически ниобий довольно устойчив, но уступает в этом отношении танталу. На него практически не действуют соляная, ортофосфорная, разбавленная серная, азотная кислоты. Металл растворяется в плавиковой кислоте HF, смеси HF и HNO₃, концентрированных растворах едких щелочей, а также в концентрированной серной кислоте при нагревании свыше 150 °C. При прокаливании на воздухе окисляется до Nb₂О₅. Для этого оксида описано около 10 кристаллических модификаций. При обычном давлении стабильна β-форма Nb₂О₅.

• При сплавлении Nb₂О₅ с различными оксидами получают ниобаты: Ti₂Nb₁₀О₂₉, FeNb₄₉О₁₂₄. Ниобаты могут рассматриваться как соли гипотетических ниобиевых кислот. Они делятся на метаниобаты MNbO₃, ортониобаты M₃NbO₄, пирониобаты M₄Nb₂O₇ или полиниобаты M₂O·nNb₂O₅ (M — однозарядный катион, n = 2-12). Известны ниобаты двух- и трехзарядных катионов.
• Ниобаты реагируют с HF, расплавами гидрофторидов щелочных металлов (KHF₂) и аммония. Некоторые ниобаты с высоким отношением M₂O/Nb₂O₅ гидролизуются:

6Na₃NbO₄ + 5H₂O = Na₈Nb₆O₁₉ + 10NaOH.

• Ниобий образует NbO₂, NbO, ряд оксидов, промежуточных между NbO_2,42 и NbO_2,50 и близких по структуре к β-форме Nb₂О₅.
• С галогенами ниобий образует пентагалогениды NbHal₅, тетрагалогениды NbHal₄ и фазы NbHal_2,67 — NbHal_3+x, в которых имеются группировки Nb₃ или Nb₂. Пентагалогениды ниобия легко гидролизуются водой.
• В присутствии паров воды и кислорода NbCl₅ и NbBr₅ образуют оксигалогениды NbOCl₃ и NbOBr₃ — рыхлые ватообразные вещества.
• При взаимодействии ниобия и графита образуются карбиды Nb₂C и NbC, твёрдые жаропрочные соединения. В системе Nb — N существуют несколько фаз переменного состава и нитриды Nb₂N и NbN. Сходным образом ведёт себя ниобий в системах с фосфором и мышьяком. При взаимодействии ниобия с серой получены сульфиды: NbS, NbS₂ и NbS₃. Синтезированы двойные фториды Nb и калия (натрия) — K₂[NbF₇].
• Из водных растворов выделить электрохимически ниобий пока не удалось. Возможно электрохимическое получение сплавов, содержащих ниобий. Электролизом безводных солевых расплавов может быть выделен металлический ниобий.

Получение

Руды ниобия — обычно комплексные и бедны металлом. Рудные концентраты содержат Nb₂O₅: пирохлоровые — не менее 37 %, лопаритовые — 8 %, колумбитовые — 30—60 %. Большую их часть перерабатывают алюмо- или силикотермическим восстановлением на феррониобий (40—60 % Nb) и ферротанталониобий. Металлический ниобий получают из рудных концентратов по сложной технологии в три стадии:

1. вскрытие концентрата,
2. разделение ниобия и тантала и получение их чистых химических соединений,
3. восстановление и рафинирование металлического ниобия и его сплавов.

Основные промышленные методы производства ниобия и его сплавов — алюмотермический, натрийтермический, карботермический: из смеси Nb₂O₅ и сажи вначале получают при 1800 °C в атмосфере водорода карбид, затем из смеси карбида и пятиокиси при 1800—1900 °C в вакууме — металл; для получения сплавов ниобия в эту смесь добавляют окислы легирующих металлов; по другому варианту ниобий восстанавливают при высокой температуре в вакууме непосредственно из Nb₂O₅ сажей. Натрийтермическим способом ниобий восстанавливают натрием из K₂NbF₇, алюминотермическим — алюминием из Nb₂O₅. Компактный металл (сплав) производят методами порошковой металлургии, спекая спрессованные из порошков штабики в вакууме при 2300 °C либо электронно-лучевой и вакуумной дуговой плавкой; монокристаллы ниобия высокой чистоты — бестигельной электронно-лучевой зонной плавкой.

Применение

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. Например, алюминий, если в него ввести всего 0,05 % ниобия, совсем не реагирует со щелочами, хотя в обычных условиях он в них растворяется. Сплав ниобия с 20 % меди обладает высокой электропроводностью и при этом он вдвое твёрже и прочнее чистой меди.
• Ниобий применяют в криотронах — сверхпроводящих элементах вычислительных машин. Ниобий также известен тем, что он используется в ускоряющих структурах большого адронного коллайдера.
• Ниобий и тантал используют для производства электролитических конденсаторов высокой удельной ёмкости. Тантал позволяет производить более качественные конденсаторы, чем металлический ниобий. Однако конденсаторы на основе оксида ниобия наиболее надёжны и устойчивы к возгоранию.
• Австрия, Британские Виргинские Острова, Канада, Латвия, Либерия, Люксембург, Палау и Сьерра-Леоне выпускают биметаллические памятные монеты с использованием ниобия.

• 

  €25 «700 лет городу Халль в Тироле»

• 

  €25 «150-летие Альпийской железной дороге»

• 

  €25 «50 лет телевидению»

• 

  €25 «Бионика»

Интерметаллиды и сплавы ниобия

• Станнид Nb₃Sn (станнид триниобия, известный также как сплав ниобий-олово), германид Nb₃Ge (германийтриниобий), нитрид NbN и сплавы ниобия с титаном (ниобий-титан) и цирконием применяются для изготовления сверхпроводящих соленоидов. Так, обмотки сверхпроводящих магнитов Большого адронного коллайдера изготовлены из 1200 тонн кабеля из сплава ниобий-титан.
• 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 (до 0,6 % ниобия) в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии (в том числе той, которая иначе началась бы после сварки нержавейки) и разрушения и в стали др. типов для улучшения их свойств.
• Ниобий используется при чеканке коллекционных монет. Так, Банк Латвии утверждает, что в коллекционных монетах достоинством 1 лат наряду с серебром используется ниобий.

Применение соединений ниобия

• Nb₂O₅ — катализатор в химической промышленности;
• в производстве огнеупоров, керметов, специальных стёкол, нитрид, карбид, ниобаты.
• Карбид ниобия (т. пл. 3480 °C) в сплаве с карбидом циркония и карбидом урана-235 является важнейшим конструкционным материалом для тепловыделяющих элементов твердофазных ядерных реактивных двигателей.
• Нитрид ниобия NbN используется для производства тонких и ультратонких сверхпроводящих плёнок с критической температурой от 5 до 10 К с узким переходом, порядка 0,1 К.

Сверхпроводящие материалы первого поколения

• Один из активно применяемых сверхпроводников (температура сверхпроводящего перехода 9,25 К). Соединения ниобия имеют температуру сверхпроводящего перехода до 23,2 К (Nb₃Ge).
• Наиболее часто используемые промышленные сверхпроводники — NbTi и Nb₃Sn.
• Ниобий используется также в магнитных сплавах.
• Применяется как легирующая добавка.
• Нитрид ниобия используется для производства сверхпроводящих болометров.
• Исключительная стойкость ниобия и его сплавов с танталом в перегретом паре цезия-133 делает его одним из наиболее предпочтительных и дешёвых конструкционных материалов для термоэмиссионных генераторов большой мощности.

Физиологическое действие

• Металлическая пыль ниобия огнеопасна и раздражает глаза и кожу.
• Некоторые соединения ниобия очень токсичны.
• Предельно допустимая концентрация ниобия в воде 0,01 мг/л.
• При попадании в организм вызывает раздражение внутренних органов и последующий паралич конечностей.

Ссылки

• Ниобий на Webelements Архивная копия от 15 сентября 2004 на Wayback Machine
• Ниобий в Популярной библиотеке химических элементов Архивная копия от 14 марта 2007 на Wayback Machine