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

• 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.

История

Чарльз Хэтчетт идентифицировал элемент колумбий в минерале, обнаруженном в Коннектикуте, США.

Изображение эллинистической скульптуры, изображающей Ниобу, работы Джорджо Соммера

Ниобий был идентифицирован английским химиком Чарльзом Хэтчеттом в 1801 году. Он обнаружил новый элемент в образце минерала, который был отправлен в Англию из Коннектикута , США в 1734 году Джоном Уинтропом FRS (внуком Джона Уинтропа Младшего ), и назвал минерал колумбитом. и новый элемент колумбий в честь Колумбия , поэтического названия Соединенных Штатов. Ниобий обнаружен Hatchett, вероятно , смесь нового элемента с танталом.

Впоследствии возникла значительная путаница по поводу разницы между колумбием (ниобием) и близким ему танталом. В 1809 году английский химик Уильям Хайд Волластон сравнил оксиды, полученные из колумбия-колумбита с плотностью 5,918 г / см 3 , и тантала- танталита с плотностью более 8 г / см 3 , и пришел к выводу, что эти два оксида, несмотря на значительная разница в плотности, были идентичны; таким образом он сохранил название тантал. Этот вывод был оспорен в 1846 году немецкий химик Генрих Розе , который утверждал , что существуют два различных элемента в образце танталит, и назвал их после того, как дети Тантала : ниобий (от Ниоба ) и pelopium (от Пелопсом ). Эта путаница возникла из-за минимальных наблюдаемых различий между танталом и ниобием. Заявленные новые элементы пелопий , ильмений и диан фактически идентичны ниобию или смесям ниобия и тантала.

Различия между танталом и ниобием были недвусмысленно продемонстрированы в 1864 году Кристианом Вильгельмом Бломстрандом и Анри Этьеном Сент-Клер Девиль , а также Луи Дж. Тростом , который определил формулы некоторых соединений в 1865 году и, наконец, швейцарским химиком Жаном Шарлем Галиссаром. де Мариньяк в 1866 году, который доказал, что существует только два элемента. Статьи об ильмении продолжали появляться до 1871 года.

Де Мариньяк первым подготовил металл в 1864 году, когда он восстановил хлорид ниобия, нагревая его в атмосфере водорода . Хотя де Marignac был способен производить тантал-ниобий бесплатно в большем масштабе 1866 г., он не был до начала 20 – го века , что ниобий был использован в лампы накаливания нити, первого коммерческого применения. Это использование быстро устарело из-за замены ниобия вольфрамом , который имеет более высокую температуру плавления. То, что ниобий улучшает прочность стали, было впервые обнаружено в 1920-х годах, и это применение остается его основным применением. В 1961 году американский физик Юджин Кунцлер и его коллеги из Bell Labs обнаружили, что ниобий-олово продолжает демонстрировать сверхпроводимость в присутствии сильных электрических токов и магнитных полей, что сделало его первым материалом, поддерживающим высокие токи и поля, необходимые для полезного высокого напряжения. силовые магниты и электрические машины . Это открытие позволило – два десятилетия спустя – производить длинные многожильные кабели, скрученные в катушки, для создания больших и мощных электромагнитов для вращающегося оборудования, ускорителей частиц и детекторов частиц.

Присвоение имени элементу

Колумбий (символ «Cb») – это название, которое Хатчетт дал после открытия этого металла в 1801 году. Название отражало, что типовой образец руды прибыл из Америки ( Колумбия ). Это название продолжало использоваться в американских журналах – последняя статья, опубликованная Американским химическим обществом с колумбием в названии, датируется 1953 годом, – в то время как ниобий использовался в Европе. Чтобы положить конец этой путанице, название ниобий было выбрано для элемента 41 на 15-й конференции Союза химиков в Амстердаме в 1949 году. Год спустя это название было официально принято Международным союзом чистой и прикладной химии (IUPAC) через 100 лет. противоречий, несмотря на хронологический приоритет названия Columbium . Это был своего рода компромисс; ИЮПАК принял вольфрам вместо вольфрама из уважения к использованию в Северной Америке; и ниобий вместо колумбия в соответствии с европейским использованием. Хотя многие химические общества и правительственные организации США обычно используют официальное название ИЮПАК, некоторые металлурги и общества металлургов все еще используют оригинальное американское название « колумбий .

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 Nb₂O₅.

• При сплавлении Nb₂O₅ с различными оксидами получают ниобаты: Ti₂Nb₁₀O₂₉, FeNb₄₉O₁₂₄. 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.

Соединения щелочных металлов, примеры

Получение гидроксидов щелочных металлов связано с применением электролитических способов. Самым крупнотоннажным является получение гидроксида натрия с помощью реакции электролиза концентрированного водного раствора поваренной соли:

В прошлом для получения щелочи применяли реакцию обмена:

Na2CO3+ Ca(OH)2⟶ CaCO3↓+2 NaOH Na2CO3+ Ca(OH)2⟶ CaCO3↓+2 NaOH

Продуктом данной реакции является щелочь с большой концентрацией соды Na2CO)3.

Гидроксиды щелочных металлов представляют собой гигроскопичные вещества с белой окраской, водные растворы которых являются сильными основаниями.

Гидроксид натрия используют в производстве твердого мыла и других веществ:

• моющих средств синтетического состава;
• волокон искусственного происхождения;
• органических соединений таких, как фенол.

Ценным продуктом, в состав которого входит щелочной металл, является сода Na2CO3. Большую часть от объемов мирового производства соды получают с помощью методики Сольве. Данный метод был изобретен в начале XX столетия. Принцип технологии заключается в следующем: водный раствор NaCl с добавлением аммиака насыщают углекислым газом при температуре 26—30 °C. В результате синтезируют гидрокарбонат натрия с низкой степенью растворимости, который получил название питьевой соды:

NaCl+ NH3+ CO2+ H2O⟶ NaHCO3↓+ NH4Cl NaCl+ NH3+ CO2+ H2O⟶ NaHCO3↓+ NH4Cl

С целью нейтрализовать кислотную среду, которая формируется при пропускании углекислого газа через раствор, добавляют аммиак. Таким образом, получают гидрокарбонат-ион (HCO3)-, который требуется для того, чтобы продукт выпал в осадок. После того, как отделяется питьевая сода, раствор с хлоридом аммония нагревают с известью и выделяют аммиак, что позволяет вернуть его в зону реакции:

Аммиачный способ производства соды характеризуется наличием единственного отхода в виде хлорида кальция. Данное вещество остается в растворе и обладает ограниченным применением.

С помощью прокаливания гидрокарбоната натрия можно получить кальцинированную, или стиральную, соду Na_{2}CO_{2} и диоксид углерода, который используют в синтезе гидрокарбоната натрия:

Большую часть произведенной соды потребляют предприятия стекольной промышленности.

Гидрокарбонат калия KHCO2 по сравнению с малорастворимой кислой солью NaHCO3 хорошо растворяется в воде. По этой причине карбонат калия, или поташ, K2CO3 получают путем химической реакции углекислого газа с раствором гидроксида калия:

2 KOH+ CO2⟶ K2CO3+ H2O 2 KOH+ CO2⟶ K2CO3+ H2O

Поташ активно применяют в производстве стекла и жидкого мыла.

Оксиды щелочных металлов по описанию являются типичными основными оксидами. Соединения взаимодействуют со следующими веществами:

• кислотные оксиды;
• амфотерные оксиды;
• кислоты;
• вода.

Примечания[ | ]

1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — doi:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
2. Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 249. — 639 с. — 50 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8.
3. Materials Handbook: A Concise Desktop Reference, François Cardarelli, 2000, с.157.
4. Венецкий С.И. Сорок первый // Рассказы о металлах. — Москва: Металлургия, 1979. — 240 с. — 60 000 экз.
5. J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. I, 1965
6. Редкий ниобий на редкоземельном рынке
7. Месторождение ниобия и тантала
8. Larry D. Cunningham. USGS Minerals Information: Niobium (Columbium) and Tantalum(неопр.) . Minerals.usgs.gov (5 апреля 2012). Дата обращения: 17 августа 2012. Архивировано 25 ноября 2012 года.
9. Запуск коллайдера//«Наука и технологии России» (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 7 февраля 2009. Архивировано 21 сентября 2008 года.
10. Ниобиевые монеты: очарование цвета (неопр.) (недоступная ссылка). Euro-Coins.News. Дата обращения: 12 марта 2012. Архивировано 28 мая 2012 года.
11. Каталог коллекционных монет Австрии из драгоценных металлов (неопр.) (недоступная ссылка). Мир монет. Дата обращения: 19 марта 2012. Архивировано 15 февраля 2012 года.
12. Для этого используется также титан в тех же количествах.
13. Coin of time (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 5 декабря 2007. Архивировано 12 марта 2008 года.
14. Coin of time2 (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 5 декабря 2007. Архивировано 22 мая 2009 года.

Получение ванадия, ниобия, тантала

Примерно половину всего производимого ванадия получают переработкой железных ванадийсодержащих руд. На первом этапе производства, в домне ванадий из руды переходит в чугун, а при выплавке стали – в шлаки в форме оксида ванадия (III) и железа (II). Такие шлаки и являются основным сырьем при производстве ванадия.

Шлак смешивают с хлоридом натрия, после чего прокаливают при температуре 800°C на воздухе:

4FeV2O4+8NaCl+7O2 → 8NaVO3+2Fe2O3+4Cl2↑

Выделяющийся в ходе реакции хлор реагирует со шлаком:

2FeV2O4+9Cl2 = 4VOCl3+2FeCl3+2O2↑

Образующийся в ходе реакции плав, затем выщелачивается содой, и на последнем этапе – раствором серной кислоты осаждается оксид ванадия (V).

Металлический ванадий получают восстановлением из оксида кальцием:

V2O5+5Ca = 2V+5CaO

Поскольку ниобий и тантал в рудах содержатся в очень малых количествах (сотые доли процента), перед их промышленным использованием, такие руды предварительно обогащают при помощи различных методов (магнитных, химических, флотационных, гравитационных). Полученные, в ходе обогащения руд, концентраты (ниобаты и танталаты металлов) разлагают в горячей плавиковой кислоте, а затем спекают с содой или хлорируют. Самым сложным этапом является разделение соединений ниобия и тантала, посколкьу эти металлы обладают очень схожими свойствами.

Свойства и особенности производства

Образец чистого металла был изготовлен в 1864 году Кристианом Бломстрандом, который восстановил хлорид ниобия, нагревая его газообразным водородом. Почти весь Nb добывается в Бразилии и Канаде. Предполагается, что промышленное его количество в земной коре сохранится в течение следующих пяти веков. Согласно исследованиям, некоторые соединения ниобиевой пыли могут вызывать раздражение глаз и кожи, тем не менее, не зафиксированы какие-либо серьезные последствия при работе с Nb, так же как и негативного влияния его на экологию.

Элемент встречается в виде оксида и обладает сильной геохимической связью с танталом. Основные минералы — пирохлор и колумбит , состоящий из ниобата, танталата, железа и марганца. Пирохлор встречается обычно в карбонатитах и пегматитах, полученных из щелочных пород, связанных с минералами циркония, титана, тория, урана и редкоземельных элементов. Колумбит содержится в интрузивных пегматитах и биотитах, а также в щелочных гранитах. Однако, поскольку большинство таких месторождений невелики и распределены неравномерно на земле, они получаются, как побочный продукт других металлов.

Металл добывают открытым способом, руда, делится на блоки и перерабатывается путем разрыва, с помощью бульдозера, погрузки и транспортировки. Добыча в Квебеке (Канада) идет подземными методами. Концентрация руды достигается путем дробления и измельчения, магнитного разделения для удаления магнетита, а затем обесшламливания и флотационного разделения.

Концентрат пирохлора обычно восстановлен до феррониобия через алюминотермический процесс. Он смешивается с гематитом, алюминиевым порошком и небольшим количеством флюорошпатового и известкового флюсов в роторном смесителе. Затем выгружается в стальные контейнеры, облицованные огнеупорным кирпичом из магнезита.

Здесь смесь помещается в круглые углубления, сделанные из смеси извести, плавикового шпата и кварцевого песка, и восстанавливается воспламенением смеси алюминиевого порошка и хлората натрия или пероксида бария. Экзотермическая реакция длится примерно от 15 до 30 минут, а температура процесса порядка 2400 C. Большая часть примесей из концентрата, включая все оксиды тория и урана, попадают в расплавленный шлак, Когда реакция заканчивается, он отводится, и сосуд поднимается, оставляя металл остывать в песке.

Сплав товарного феррониобия измельчают до размеров частиц с составом:

• Nb – 62–69%;
• железа – 29–30%;
• кремния – 2%;
• алюминия – 1–3%.

Применение ниобия

Применение ниобия становится все более распространенным, что объясняется большим количеством его преимуществ и важных характеристик. Основными отраслями, где используется ниобий, являются строительство различных видов транспортной техники, от космических ракет до компонентов других летательных аппаратов. Обширно его использование в электронике и радиотехнике.

При этом в различных отраслях используется в своих различных формах. К примеру, чистый ниобий используется для создания деталей летательных аппаратов, контейнеров и труб для жидких металлов.

Сплавы ниобия позволяют легировать цветные металлы, в том числе и уран. В результате они перестают подвергаться воздействию щелочных соединений.

Вычислительные устройства также подразумевают использования ниобия, поскольку он требуется для производства криотронов – сверхпроводящих элементов. К тому же, строительство большого адронного коллайдера было бы невозможно без использования соединений данного металла.

Высокая удельная емкость металла обусловила его применение при изготовлении электролитических конденсаторов. Стоит отметить, что использование тантала позволяет производить конденсаторы более высокого качества, однако в вопросах надежности конденсаторы из ниобия существенно лучше.

Наконец, ниобий используется при изготовлении памятных монет в некоторых странах мира. Конкретная формула сплава и определяет ценность этих монет.

Химические свойства

Реагирует с кислородом при нагревании на воздухе:

Реагирует с хлором при нагревании:

Оксид ниобия(III) — бинарное неорганическое соединение, окисел металла ниобия с формулой Nb₂O₃, чёрно-синие кристаллы, не растворимые в воде.

Получение

Восстановление оксида ниобия(V) водородом или металлическим магнием:

При спекании в атмосфере азота с углём образует нитрид ниобия: При спекании в инертной атмосфере с углём образует карбид ниобия:

Оксид ниобия(III) образует чёрно-синие кристаллы.

Не растворяется в воде.

Окисляется при нагревании на воздухе:

Оксид ниобия(IV) — неорганическое соединение, окисел металла ниобия с формулой NbO₂, чёрные кристаллы, не растворимые в воде.

Получение

Восстановление оксида ниобия(V) водородом:

Реагирует с хлором: Восстанавливается водородом:

Физические свойства

Оксид ниобия(IV) образует чёрные кристаллы тетрагональной сингонии,

Не растворяется в воде.

Окисляется при нагревании на воздухе: Спекание смеси ниобия и оксида ниобия(V):

Оксид ниобия(V) — неорганическое соединение, оксид металла ниобия с формулой Nb₂O₅, белые тугоплавкие кристаллы, термически устойчивые, не растворимые в воде.

Получение

Сжигание ниобия в кислороде:

Реагирует с хлором в присутствии восстановителей: Восстанавливается водородом: Реагирует с карбонатами щелочных металлов при спекании: Реагирует с растворами щелочей: С фторидом калия в разбавленной плавиковой кислотой: Реагирует с концентрированной плавиковой кислотой:

При нормальных условиях стабильна форма β-Nb₂O₅.

Из раствора осаждается в виде гидрата Nb₂O₅•n H₂O, который более реакционноспособный. После прокаливания (выше 500°С) становится химически пассивным.

Не растворяется в воде, р ПР = 20,14.

Разлагается при сильном нагревании в вакууме, превращаясь в тёмно-синий оксид нестехиометрического состава:

Оксид ниобия(V) образует белые кристаллы нескольких (не менее 10) кристаллических модификаций:

Результаты поиска:

Химическая реакция	Условия
	(800° C, вак.)
	(800° C, вак.)
	800-1000° C
	600-900° C
	электролиз в расплаве KF
	реакция уравнена без электронного баланса

Химическая реакция	Условия
	выше 500° C
	кип. или в разб. H2SO4
	реакция уравнена без электронного баланса

Химическая реакция	Условия
	800-1000° C

Химическая реакция	Условия
	реакция уравнена без электронного баланса
	реакция уравнена без электронного баланса

Химическая реакция	Условия
	реакция уравнена без электронного баланса
	реакция уравнена без электронного баланса

Nb₂O₅ + 3Na₂CO₃ = 2Na₃NbO₄ + 3CO₂

• Оксид ниобия(II)   Оксид ниобия(III)   Оксид ниобия(IV)   Оксид ниобия(V)
• оксиды ниобия http://mati-himia.3dn.ru/logo/pap1/oksidy_niobija.doc