0,145 нм, (в скобках указано координац. число) Nb 2+
0,085 нм (6), Nb 3+ 0,086 нм (6), Nb 4+ 0,082 нм (6), 0,092
нм (8), Nb 5 + 0,062 нм (4), 0,078 нм (6), 0,083 нм (7),
0,088 нм (8).
Содержание в земной коре
2 . 10 -3 % по массе. Встречается в природе обычно вместе
с Та. Наиб. важные -колумбит-танталит, и лопарит. Колумбит-танталит
(Fe,Mn)(Nb,Ta) 2 O 6 содержит 82-86% Nb и Та. При
содержании ниобия выше, чем Та, наз. колумбитом, при обратном соотношении
- танталитом. (Na,Ca,Ce) 2 (Nb,Ti) 2 (OH,F)O 6
обычно содержит 37,5-65,6% Nb 2 O 5 ; лопарит (Na,Ce,Ca,SrXNb,Ti)O 3 -8-10%
Nb 2 O 5 . ниобия слабо парамагнитны и радиоактивны из-за
примесей U и Th.
Колумбит встречается в
изверженных пегматитах, биотитах и щелочных гранитах, иногда-в россыпных месторождениях
(Нигерия), его часто добывают как побочный продукт обогащения оловянных концентратов.
содержится в карбонатитах, щелочных (Канада), нефелин-сиенитовых
пегматитах, в элювиальных продуктах выветривания сиенито-карбонатитов (Бразилия).
Крупные залежи лопарита имеются в СССР.
Общие мировые запасы ниобия
(без СССР) оценивались (1980) в 18 млн. т, в пром. месторождениях-ок. 3,4 млн.
т (из них 3,2 млн.т в Бразилии).
Свойства.
Ниобий-блестящий
серебристо-серый ; кри-сталлич. решетка объемноцентрир. кубическая типа
a-Fe, а = 0,3294 нм, z = 2, пространств. группа Im3m;
т. пл. 2477 °С, т. кип. ок. 4760 °С; плотн. 8,57 г/см 3 ; С 0 р
24,44Дж/( . К); DH 0 пл 31,0
кДж/ (2477 °С), DH 0 возг 720кДж/ (0
К), DH 0 исп 662 кДж/ (4760 °С); S 0 298
36,27 ДжДмоль К); ур-ние температурной зависимости над жидким
ниобием: lgр(Па) = 13,877-40169/T (2304 <= Т<= 2596
К); температурный коэф. линейного расширения 7,1 . 10 -6 К -1
(0-100 °С); 52,3 Вт/(м. К) при 20 °С и 65,2
Вт/(м. К) при 600 °С; r 1,522 . 10 -9 Ом. м
при 0°С, температурный коэф. r 3,95 х х 10 -3 К -1 (0-100°С).
Ниобий парамагнитен, уд. магн. восприимчивость + 2,28 . 10 -6
(18 °С). Т-ра перехода в сверхпрово-дящее состояние 9,28 К.
Чистый ниобий легко обрабатывается
на холоду; жаропрочен; s раст 342 МПа (20 °С) и 312
МПа (800 °С); относит. удлинение 19,2% (20 °С) и 20,7% (800 °С);
по Бринеллю 450 МПа для чистого и 750-1800 МПа для технического.
Примеси H,N,C и О снижают ниоби\ и повышают его . В хрупкое
состояние ниобий переходит при т-рах от - 100 до - 200°С.
Химически ниобий довольно устойчив.
В компактном виде начинает окисляться на выше 200 °С, давая , взаимод. с Сl 2 выше 200 °С, с F 2 и Н 2 -выше
250 °С (интенсивно с Н 2 -при 360 °C), с N 2 -вышe
400 °С, с С и углеводородами-при 1200-1600 °С. На холоду не раств. в
, соляной и серной к-тах, не реагирует с HNO 3 , Н 3 РО 4 ,
НСlО 4 , водным р-ром NH 3 . Устойчив к расплавл. Li, Na,
К, Sn, Pb, Bi, а также Hg. Раств. во фтористоводородной к-те, ее смесях с HNO 3 ,
в расплавл. NH 4 HF 2 и NaOH. Обратимо поглощает Н 2 ,
образуя твердый р-р внедрения (до 10 ат. % Н) и состава NbH x
(x = 0,7-1,0) с ромбич. кристаллич. решеткой; для NbH 0,761
DH 0 обр - 74,0 кДж/ ; р-римость в ниобии
меняется от 104 см 3 /г при 20 °С до 4,0 см 3 /г при 900
°С, выше 1000 °С Н 2 практически не раств. в ниобии. образуются
также на первых стадиях ниобия во фтористоводородной
к-те,
ее смеси с HNO 3 и NH 4 HF 2 , а также
при к-т с из ниобия (таким путем получен NbH 2,00).
ниобия и при нагр. используют для получения мелкодисперсного
.
При взаимодействии ниобия с
С образуется одна из трех фаз: твердый р-р С в , Nb 2 C или
NbC. Твердый р-р содержит 2 ат. % С при 2000 °С; р-римость С в ниобии резко
падает с понижением т-ры. К а р б и д Nb 2 C образует три полиморфные
модификации: до 1230 °С устойчива ромбич. a-фаза (пространств. группа Pbcn),
при 1230°С она превращ. в гексагoн. b-фазу (пространств. группа Р6 3 22),
к-рая при 2450 °С переходит в др. гексагoн. -g-фазу (пространств. группа
P6 3 /mmc); т. пл. ок. 2990 °С (инконгруэнтно, с
выделением твердого NbС x). Для a-Nb 2 C: C 0 p
63,51 Дж/( . К); DH 0 обр - 188 кДж/ ;
S 0 298 64,10 ДжДмоль. К); т-ра перехода
в сверхпроводящее состояние 9,2 К. NbC-кристаллы или серо-коричневого
цвета, область гомогенности от NbC 0,70 до NbC 1,0 ; при
377 °С наблюдается полиморфный переход, высокотемпературная кубич. фаза
(а = 0,4458 нм, пространств. группа Рт3т, плотн. 7,81 г/см 3)
инконгруэнтно плавится ок. 3390 °С; DH 0 обр -
135 кДж/ ; S 0 298 35,4 ДжДмоль К); т-ра перехода
в сверхпроводящее состояние 12,1 К. Фаза NbC 0,80 имеет т. пл. ~ 3620
°С. NbC образует твердые р-ры с ТаС, TiC, ZrC и др. В пром-сти NbC получают
взаимод. Nb 2 O 5 с ок. 1800 °С в Н 2 ;
м.б. также получен из элементов или нагреванием летучих галогенидов ниобия в
до 2300-2900 °С.
В системе Nb-N образуются:
твердый р-р внедрения в ниобии (a-фаза), н и т р и д ы Nb 2 N (гексагон.
р-фа-за) и NbN (кубич. d- и гексагон. q-фазы) и еще неск. фаз. Р-римость N 2
в ниобии при атм. описывается ур-нием с = 180ехр(- 57300/RT)
ат. % (1073 <= T<= 1873 К). b-Фаза гомогенна в области NbN 0,4 -NbN 0,5 ;
для нее а = 0,3056 нм с = 0,4995 нм, пространств. группа Р6 3 /ттс-
С 0 p 67 ДжДмоль. К); DH 0 обр
- 249 кДж/ ; S 0 298 79 ДжДмоль. К).
Светло-серая с желтоватым блеском d-фаза гомогенна в области NbN 0,88 -NbN l,06 ,
для нее а = 0,4373-0,4397 нм, пространств. группа Fm3m.
Для q-фа-зы: С 0 р 37,5 ДжДмоль. К),
DH 0 oбр -234 кДж/ , S 0 298
33,3 ДжДмоль К). не раств. в соляной к-те, HNO 3 и H 2 SO 4 ,
при кипячении со выделяют NH 3 , при нагр. на окисляются.
Т-ры перехода в сверхпроводящее состояние для NbN x с x
= 0,80, 0,90, 0,93 и 1,00 равны соотв. 13,8, 16,0, 16,3 и 16,05 К. получают
нагреванием или ниобия в N 2 или NH 3
до 1100-1800 °С или взаимод. летучих галогенидов ниобия с NH 3 . Известны
карбо- (получают взаимод. Nb, N 2 или NH 3 с
выше 1200°С) и оксинитриды ниобия.
Получение.
Ок. 95%
ниобия получают из пирохлоровых, тан-талит-колумбитовых и лопаритовых .
обогащают гравитац. методами и , а также электромагн. или радиометрич.
, выделяя пирохлоровые и колум-битовые концентраты с содержанием Nb 2 O 5
до 60%.
Концентраты перерабатывают
до феррониобия или техн. Nb 2 O 5 , реже-до NbCl 5
и K 2 NbF 7 (см. ). Металлический
ниобий получают из Nb 2 O 5 , K 2 NbF 7 или
NbCl 5 .
При произ-ве феррониобия
смесь пирохлоровых концентратов с Fe 2 O 3 , порошкообразным
Аl и флюса загружают в вертикальные водоохлаждаемые стальные или медные
реакторы и с помощью спец. запала инициируют экзотермич. р-ции: 3Nb 2 O 5
+ 10Al6Nb +
+ 5Аl 2 О 3 ; Fe 2 O 3 + 2Аl2Fe
+ Al 2 O 3 . Затем сливают шлак, охлаждают и измельчают полученный
. Выход ниобия в слиток при массе загрузки концентрата до 18 т достигает 98%.
Техн. Nb 2 O 5
получают Nb и Та из концентратов и шлаков оловянной плавки действием
фтористоводородной к-ты с послед. очисткой и разделением Nb и Та
100%-ным , циклогекса-ноном, (реже-др.
экстрагентами), реэкстракцией ниобия действием водного р-ра NH 4 F,
из реэкстракта Nb, его и прокаливанием.
По сульфатному способу
концентраты обрабатывают H 2 SO 4 или ее смесью с (NH 4) 2 SO 4
при 150-300 °С, выщелачивают р-римые , отделяют Nb и Та от
Ti, разделяют и очищают Nb и Та их фторидных или оксофторидных комплексов,
выделяя затем Nb 2 O 5 .
Хлоридный способ предусматривает
смешивание концентрата с , брикетирование и брикетов в шахтной
при 700-800 °С или непосредственно порошкообразного концентрата
и в солевом хлоридном на основе NaCl и КСl. Далее проводят отделение
летучих Nb и Та, их разделение и очистку и раздельный
с прокаливанием осадка ниобия. Иногда хлорируют феррониобий
или отходы .
Восстанавливают Nb 2 O 5
до алюмино- или карбо-термически либо нагреванием смеси Nb 2 O 5
и NbC при 1800-1900 °С в . Применяют также натриетермич.
K 2 NbF 7 , электролитич. Nb 2 O 5
или K 2 NbF 7 в K 2 NbF 7 и
. Особо чистый или покрытия из ниобия на др. получают
NbCl 5 при т-рах выше 1000°С.
Порошкообразный ниобий брикетируют, спекают штабики и переплавляют их в в электродуговых или электроннолучевых . На начальных стадиях очистки применяют также с расходуемым в KCl-NaCl.
1,6 (шкала Полинга)
(первый электрон)
26,8 кДж/моль
680 кДж/моль
кубическая
объёмноцентрированая
(300 K) 53,7 Вт/(м·К)
| 41 | |
| 4d 4 5s 1 | |
История
Нио́бий был открыт в 1801 г. английским учёным Ч. Хатчетом в минерале (колумбите), найденном в бассейне р. Колумбии, и потому получил название «колумбий».
Месторождения
Месторождения ниобия расположены в США , Японии , России, Бразилии, Канаде .
| Страна | 2000 | 2001 | 2002 | 2003 | 2004 | 2005 | 2006 | 2007 | 2008 | 2009 | 2010 | 2011 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 160 | 230 | 290 | 230 | 200 | 200 | 200 | ? | ? | ? | ? | ? | |
| 30,000 | 22,000 | 26,000 | 29,000 | 29,900 | 35,000 | 40,000 | 57,300 | 58,000 | 58,000 | 58,000 | 58,000 | |
| 2,290 | 3,200 | 3,410 | 3,280 | 3,400 | 3,310 | 4,167 | 3,020 | 4,380 | 4,330 | 4,420 | 4,400 | |
| Демократическая Республика Конго | ? | 50 | 50 | 13 | 52 | 25 | ? | ? | ? | ? | ? | ? |
| ? | ? | 5 | 34 | 130 | 34 | 29 | ? | ? | ? | ? | ? | |
| 35 | 30 | 30 | 190 | 170 | 40 | 35 | ? | ? | ? | ? | ? | |
| 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 |
Получение
Руды ниобия - обычно комплексные и бедны металлом. Рудные концентраты содержат Nb 2 O 5: 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 Nb 2 O 5 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 Nb 2 O 5 сажей. Натрийтермическим способом ниобий восстанавливают натрием из K 2 NbF 7 , алюминотермическим - алюминием из Nb 2 O 5 . Компактный металл (сплав) производят методами порошковой металлургии, спекая спрессованные из порошков штабики в вакууме при 2300 °C либо электроннолучевой и вакуумной дуговой плавкой; монокристаллы ниобия высокой чистоты - бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.
Физические и химические свойства
Физические свойства
Ниобий - блестящий серебристо-серый металл с кубической объемноцентрированной кристаллической решеткой типа α-Fe, а = 0,3294 нм.
Химические свойства
Химически ниобий довольно устойчив. При прокаливании на воздухе окисляется до Nb 2 О 5 . Для этого оксида описано около 10 кристаллических модификаций. При обычном давлении стабильна β-форма Nb 2 О 5 .
- При сплавлении Nb 2 О 5 с различными оксидами получают ниобаты: Ti 2 Nb 10 О 29 , FeNb 49 О 124 . Ниобаты могут рассматриваться как соли гипотетических ниобиевых кислот. Они делятся на метаниобаты MNbO 3 , ортониобаты M 3 NbO 4 , пирониобаты M 4 Nb 2 O 7 или полиниобаты M 2 O·nNb 2 O 5 (M - однозарядный катион , n = 2-12). Известны ниобаты двух- и трехзарядных катионов.
- Ниобаты реагируют с , расплавами гидрофторидов щелочных металлов (KHF 2) и аммония . Некоторые ниобаты с высоким отношением M 2 O/Nb 2 O 5 гидролизуются :
- Ниобий образует NbO 2 , NbO, ряд оксидов , промежуточных между NbO 2,42 и NbO 2,50 и близких по структуре к β-форме Nb 2 О 5 .
- С галогенами ниобий образует пентагалогениды NbHal 5 , тетрагалогениды NbHal 4 и фазы NbHal 2,67 - NbHal 3+x , в которых имеются группировки Nb 3 или Nb 2 . Пентагалогениды ниобия легко гидролизуются водой.
- В присутствии паров воды и кислорода NbCl 5 и NbBr 5 образуют оксигалогениды NbOCl 3 и NbOBr 3 - рыхлые ватообразные вещества.
- При взаимодействии ниобия и графита образуются карбиды Nb 2 C и NbC, твердые жаропрочные соединения. В системе Nb - N существуют несколько фаз переменного состава и нитриды Nb 2 N и NbN. Сходным образом ведет себя ниобий в системах с фосфором и мышьяком . При взаимодействии ниобия с серой получены сульфиды : NbS, NbS 2 и NbS 3 . Синтезированы двойные фториды Nb и калия (натрия) - K 2 .
- Из водных растворов выделить электрохимически ниобий пока не удалось. Возможно электрохимическое получение сплавов, содержащих ниобий. Электролизом безводных солевых расплавов может быть выделен металлический ниобий.
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
Интерметаллиды и сплавы ниобия
Применение соединений ниобия
- Nb 2 O 5 - 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 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.
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 (Nb 3 Ge).
- Наиболее часто используемые промышленные сверхпроводники - NbTi и Nb 3 Sn.
- 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.
Биологическая роль
- Ниобий не играет никакой биологической роли.
Физиологическое действие
Металлическая пыль ниобия огнеопасна и раздражает глаза и кожу. Некоторые соединения ниобия очень токсичны. ПДК ниобия в воде 0,01 мг/л. При попадании в организм вызывает раздражение внутренних органов и последующий паралич конечностей.
Примечания
Ссылки
| Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nb | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Uut | Uup | Uus | Uuo | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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.
Краткая историческая справка
Элемент ниобий (колумбий) открыл в 1801 году английский химик Гатчет в минерале, найденном в Колумбии, и назвал его колумбитом. В 1802 году шведский химик Экеберг в двух минералах, найденных в Финляндии и Швеции, открыл элемент, названный им танталом, что символизировало трудности («муки Тантала»), которые встретились при попытке растворить оксид нового элемента в кислоте. Некоторое время оба открытых элемента считали тождественными. В 1844 году было доказано немецким химиком Розе, что минерал колумбит содержит два различных элемента: ниобий (названный по имени мифологической богини слез Ниобы – дочери Тантала) и тантал. В 1865 году Мариньяк открыл способ разделения тантала и ниобия, основанный на различии в растворимости комплексных фтористых солей этих элементов. Этот способ приобрел промышленное значение и используется еще и в настоящее время.
Попытки получить тантал и ниобий в форме чистых компактных металлов долгое время были безуспешными. Тантал в чистом виде впервые получен в 1903 году, ниобий – в 1907 году Больтоном. В промышленном масштабе тантал начали выпускать в 1922 году, а ниобий – в конце тридцатых годов.
Тантал и ниобий относятся к V побочной группе периодической системы элементов. Они обладают близкими химическими и физическими свойствами.
Физические свойства. Тантал и ниобий - металлы серо-стального цвета. Тантал имеет слегка синеватый оттенок. Чистые металлы пластичны и могут быть прокатаны в тонкий лист в холодном состоянии без промежуточных отжигов.
Важнейшие физические свойства тантала и ниобия приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Свойства тантала и ниобия
Среди приведенных свойств (табл. 2.1) необходимо отметить высокие температуры плавления и кипения, более низкую работу выхода электронов по сравнению с другими тугоплавкими металлами.
Химические свойства. При обычной температуре тантал и ниобий устойчивы на воздухе. Начало окисления наблюдается при нагревании до 200-300 0 С. Характерное свойство тантала и ниобия – способность их поглащать газы – водород, азот и кислород. Небольшие примеси этих элементов сильно влияют на механические и электрические свойства металлов. Тантал и ниобий устойчивы против действия соляной, серной, азотной, фосфорной и органических кислот любой концентрации на холоду и при нагревании до 100 – 150 о С. По стойкости в горячих соляной и серной кислотах тантал превосходит ниобий. Металлы растворяются в плавиковой кислоте и особенно интенсивно – в смеси плавиковой и азотной кислот. Менее устойчивы тантал и ниобий в щелочах. Горячие растворы едких щелочей заметно разъедают металлы; в расплавленных щелочах и соде они быстро окисляются с образованием натриевых солей ниобиевой и танталовой кислот.
В др.-греч. мифологии * а. niobium; н. Niob, Niobium; ф. niobium; и. niobio), — химический элемент V группы периодической системы Менделеева , атомный номер 41, атомная масса 92,9064. Имеет один природный изотоп 93 Nb.
Оксид ниобия выделен впервые английским химиком Ч. Хатчетом в 1801 из колумбита . Металлический ниобий получил в 1866 шведский учёный К. В. Бломстранд.
Ниобий свойства
Ниобий- металл стального цвета, имеет объёмно-центрированную кубического решётку с а=0,3294 нм; плотность 8570 кг/м 3 ; t плавления2500°С, t кипения4927°С; теплоёмкость (298 К) 24,6 Дж/(моль.К); теплопроводность (273 К) 51,4 Вт/(м.К); температурный коэффициент линейного расширения (63-1103 К) 7,9.10 -6 К -1 ; удельное электрическое сопротивление (293 К) 16.10 -8 Ом.м; термический коэффициент электрического сопротивления (273 К) 3,95.10 -3 К -1 . Температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,46 К.
Степень окисления +5, реже от +1 до +4. По химическим свойствам близок к танталу, чрезвычайно устойчив к холоду и при небольшом нагревании к действию многих агрессивных сред, в т.ч. и кислот. Ниобий растворяет только плавиковая кислота, её смесь с азотной кислотой и щёлочи. Амфотерен. При взаимодействии с галогенами образует галогениды ниобия. При сплавлении Nb 2 О 5 с содой получают соли ниобиевых кислот — ниобаты, хотя сами кислоты не существуют в свободном состоянии. Ниобий может образовывать двойные соли и комплексные соединения. Нетоксичен.
Получение и применение
Для получения ниобия ниобиевый концентрат сплавляют с едким натром или содой и образующийся сплав выщелачивают. Содержащиеся в нерастворившемся осадке Nb и Ta разделяют, оксид ниобия восстанавливают отдельно от оксида тантала. Компактный ниобий получают методами порошковой металлургии, электродуговой, вакуумной и электроннолучевой плавки.
Ниобий — один из основных компонентов при легировании жаропрочных сталей и сплавов. Ниобий и его сплавы используются как конструкционные материалы для деталей реактивных двигателей, ракет, газовых турбин, химической аппаратуры, электронных приборов, электрических конденсаторов, сверхпроводящих устройств. Ниобаты широко применяют как сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, лазерные материалы.