Применение ниобия. Производство ниобия в России. Химические свойства ниобия

Ниобий - элемент побочной подгруппы пятой группы пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 41. Обозначается символом Nb (лат. Niobium ).

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) 2 О 6 .

Кларк ниобия 18 г/т. Содержания 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 обуславливают 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 100 минералов, содержащих ниобий. Из них промышленное значение имеют лишь некоторые: колумбит-танталит (Fe, Mn)(Nb, Ta) 2 O 6 , пирохлор (Na, Ca, TR, U) 2 (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 (OH, F) (Nb 2 O 5 0 - 63 %), лопарит (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb)O 3 ((Nb, Ta) 2 O 5 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 деллювиально-аллювиальных россыпях (колумбитовые россыпи), иногда в бокситах коры выветривания.

Колумбит (Fe, Mn) (Nb, Та) 2 О 6 был первым минералом ниобия, известным человечеству. И этот же минерал – самый богатый элементом №41. На долю окислов ниобия и тантала приходится до 80% веса колумбита. Гораздо меньше ниобия в пирохлоре (Са, Na) 2 (Nb, Та, Ti) 2 O 6 (O, OH, F) и лопарите (Na, Се, Са) 2 (Nb, Ti) 2 O 6 . А всего известно больше 100 минералов, в состав которых входит ниобий. Значительные месторождения таких минералов есть в разных странах: США, Канаде, Норвегии, Финляндии, но крупнейшим поставщиком концентратов ниобия на мировой рынок стало африканское государство Нигерия. В России есть большие запасы лопарита, они найдены на Кольском полуострове.

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.

Металлический ниобий можно получить восстановлением его соединений, например хлорида ниобия или фтор-ниобата калия, при высокой температуре:

K 2 NbF 7 + 5Na → Nb + 2KF + 5NaF.

Но прежде чем достигнуть этой в сущности последней стадии производства, ниобиевая руда проходит множество этапов переработки. Первый из них – обогащение руды, получение концентратов. Концентрат сплавляют с различными плавнями: едким натром или содой. Полученный сплав выщелачивают. Но растворяется он не полностью. Нерастворимый осадок и есть ниобий. Правда, он здесь еще в составе гидроокиси, не разделен со своим аналогом по подгруппе – танталом – и не очищен от некоторых примесей.

Кристаллы ниобия и металлический ниобиевый кубик

До 1866 г. не было известно ни одного пригодного для производственных условий способа разделения тантала и ниобия. Первым метод разделения этих чрезвычайно похожих элементов предложил Жан Шарль Галиссар де Мариньяк. Метод основан на разной растворимости комплексных соединений этих металлов и называется фторидным. Комплексный фторид тантала нерастворим в воде, а аналогичное соединение ниобия растворимо.

Фторидный метод сложен и не позволяет полностью разделить ниобий и тантал. Поэтому в наши дни он почти не применяется. На смену ему пришли методы избирательной экстракции, ионного обмена, ректификации галогенидов и др. Этими методами получают окисел и хлорид пятивалентного ниобия.

После разделения ниобия и тантала идет основная операция – восстановление. Пятиокись ниобия Nb 2 O 5 восстанавливают алюминием, натрием, сажей или карбидом ниобия, полученным при взаимодействии Nb 2 O 5 с углеродом; пентахлорид ниобия восстанавливают металлическим натрием или амальгамой натрия. Так получают порошкообразный ниобий, который нужно затем превратить в монолит, сделать пластичным, компактным, пригодным для обработки. Как и другие тугоплавкие металлы, ниобий-монолит получают методами порошковой металлургии, суть которой в следующем.

Из полученного металлического порошка под большим давлением (1 т/см 2) прессуют так называемые штабики прямоугольного или квадратного сечения. В вакууме при 2300°C эти штабики спекают, соединяют в пруты, которые плавят в вакуумных дуговых печах, причем пруты в этих печах выполняют роль электрода. Такой процесс называется плавкой с расходуемым электродом.

Монокристаллический пластичный ниобий получают методом бестигельной зонной электронно-лучевой 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.

Как видите, путь ниобия от руды до металла в любом случае довольно долог, а способы производства сложны.

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/см 3 (20 °С); t пл 2500 °С; t кип 4927 °С; давление пара (в мм рт. ст.; 1 мм рт. ст.= 133,3 н/м 2) 1·10 -5 (2194 °С), 1·10 -4 (2355 °С), 6·10 -4 (при t пл), 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 Nb 2 O 5 .

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/м 2 , то же в кгс/мм 2 34,2 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/м 2 . Примеси некоторых элементов, особенно водорода, азота, углерода и кислорода, сильно ухудшают пластичность и повышают твердость Ниобия.

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 HF, расплавами гидрофторидов щелочных металлов (KHF 2) и аммония. Некоторые ниобаты с высоким отношением M 2 O/Nb 2 O 5 гидролизуются:

6Na 3 NbO 4 + 5H 2 O = Na 8 Nb 6 O 19 + 10NaOH.

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.

Характерное свойство ниобия - способность поглощать газы - водород, азот и кислород. Небольшие примеси этих элементов сильно влияют на механические и электрические свойства металла. При низкой температуре водород поглощается медленно, при температуре примерно 360°С водород поглощается с максимальной скоростью, причём происходит не только адсорбция, но и образуется гидрид NbH. Поглощённый водород придаёт металлу хрупкость, но при нагревании в вакууме выше 600°С почти весь водород выделяется и прежние механические свойства восстанавливаются.

Ниобий поглощает азот уже при 600°С, при более высокой температуре образуется нитрид NbN, который плавится при 2300°С.

Углерод и углеродсодержащие газы (СН 4 , СО) при высокой температуре (1200 - 1400°С) взаимодействуют с металлом с образованием твёрдого и тугоплавкого карбида NbC (плавится при 3500°С).

С бором и кремнием ниобий образует тугоплавкиё и твёрдый борид и силицид NbB 2 (плавится при 2900°С).

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 .

Ниобий устойчив против действия соляной, серной, азотной, фосфорной и органических кислот 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 ниобий в щелочах. Горячие растворы едких щелочей заметно разъедает металл, в расплавленных щелочах и соде он быстро окисляется с образованием натриевой соли ниобиевой кислоты.

Из водных растворов выделить электрохимически ниобий пока не удалось. Возможно электрохимическое получение сплавов, содержащих ниобий. Электролизом безводных солевых расплавов может быть выделен металлический ниобий.

Конфигурация внешних электронов атома Nb 4d 4 5s l . Наиболее устойчивы соединения пятивалентного Ниобия, но известны и соединения со степенями окисления + 4, +3, +2 и +1, к образованию которых Ниобий склонен более, чем тантал. Например, в системе Ниобий-кислород установлены фазы: оксид Nb 2 O 5 (t пл 1512 °С, цвет белый), нестехеометрические NbO 2,47 и NbO 2,42, оксид NbO 2 (t пл 2080 °С, цвет черный), оксид NbO (t пл 1935 °С, цвет серый) и твердый раствор кислорода в Ниобии. NbO 2 - полупроводник; NbO, сплавленная в слиток, обладает металлическим блеском и электропроводностью металлического типа, заметно испаряется при 1700 °С, интенсивно - при 2300-2350 °С, что используют для вакуумной очистки Ниобия от кислорода; Nb 2 O 5 имеет кислотный характер; ниобиевые кислоты не выделены в виде определенных химические соединений, но известны их соли - ниобаты.

С водородом Nb образует твердый раствор внедрения (до 10 ат.% Н) и гидрид состава от NbH 0,7 до NbH. Растворимость водорода в Nb (в г/см 3) при 20 °С 104, при 500°С 74,4, при 900°С 4,0. Поглощение водорода обратимо: при нагревании, особенно в вакууме, водород выделяется; это используют для очистки Nb от водорода (сообщающего металлу хрупкость) и для гидрирования компактного Nb: хрупкий гидрид измельчают и дегидрируют в вакууме, получая чистый порошок Ниобий для электролитических конденсаторов. Растворимость азота в Ниобии составляет (% по массе) 0,005, 0,04 и 0,07 соответственно при 300, 1000 и 1500 °С. Рафинируют Ниобий от азота нагреванием в глубоком вакууме выше 1900 °С или вакуумной плавкой. Высший нитрид NbN светло-серого цвета с желтоватым оттенком; температура перехода в сверхпроводящее состояние 15,6 К. С углеродом при 1800-2000°С Nb образует 3 фазы: α-фаза - твердый раствор внедрения углерода в Ниобий, содержащий до 2 ат.% С при 2335 °С; β-фаза - Nb 2 C, δ-фаза - NbC.

Химический состав ниобия в слитках и штабиках

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.

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 ниобийсодержащей 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 ниобийсодержащую 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 предназначен-ных, 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 ниобийсодержащего 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 ниобийсодержащей 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 ниобийсодержащего 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.

Производство ниобиевых полупроводников в России

Единственное в России производство сверхпроводников на основе ниобий-олова и ниобий-титана, созданное в 2009 на ОАО «ЧМЗ», представляет собой замкнутый цикл, начиная от изготовления исходных материалов и комплектующих (ниобия, ниобий-титановых сплавов, высокооловянистой бронзы) до готовых сверхпроводящих стрендов, оснащенный участками измерения электрофизических характеристик и контроля параметров всего технологического передела. Создание широкомасштабного производства сверхпроводящих материалов ведется при научном руководстве ОАО «ВНИИНМ им. А.А. Бочвара».

Всего на Чепецком механическом заводе до 2013 года будет выпущено 170 тонн СПМ для проекта ИТЭР на основе ниобий-титана и ниобий-олова.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Ниобий - сорок первый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Nb от латинского «niobium». Расположен в пятом периоде, VBA группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 41.

В земной коре ниобия содержится 0,002% (масс.). Этот элемент во многом сходен с ванадием. В свободном состоянии он представляет собой тугоплавкий металл, твердый, но не хрупкий, хорошо поддающийся механической обработке (рис. 1.. Плотность ниобия 8,57 г/см 3 , температура плавления - 2500 o С.

Ниобий устойчив во многих агрессивных средах. На него не действует соляная кислота и царская водка, так как на поверхности этого металла образуется тонкая, но очень прочная и химически стойкая оксидная пленка.

Рис. 1. Ниобий. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса ниобия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии ниобий существует в виде одноатомных молекул Nb, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 92,9063.

Изотопы ниобия

Известно, что в природе ниобий может находиться в виде единственного стабильного изотопа 93 Nb. Массовое число равно 93, ядро атома содержит сорок один протон и пятьдесят два нейтрона.

Существуют искусственные нестабильные изотопы циркония с массовыми числами от 81-го до 113-ти, а также двадцать пять изомерных состояния ядер, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 92 Nb с периодом полураспада равным 34,7 млн. лет.

Ионы ниобия

На внешнем энергетическом уровне атома ниобия имеется пять электронов, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 3 5s 2 .

В результате химического взаимодействия ниобий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Nb 0 -1e → Nb + ;

Nb 0 -2e → Nb 2+ ;

Nb 0 -3e → Nb 3+ ;

Nb 0 -4e → Nb 4+ ;

Nb 0 -5e → Nb 5+ .

Молекула и атом ниобия

В свободном состоянии ниобий существует в виде одноатомных молекул Nb. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу ниобия:

Сплавы ниобия

Ниобий - один из компонентов многих жаропрочных и коррозионностойких сплавов. Особенно большое значение имеют жаропрочные сплавы ниобия, которые применяются в производстве газовых турбин, реактивных двигателей, ракет.

Ниобий вводят также в нержавеющие стали. Он резко улучшает их механические свойства и сопротивляемость коррозии. Стали, содержащие от 1 до 4% ниобия, отличаются высокой жаропрочностью и используются как материал для изготовления котлов высокого давления.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

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.

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 = 3,294A.

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.

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:

4Nb+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:

2Nb + 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

Ниобий (лат. Niobium), Nb, химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 41, атомная масса 92,9064; металл серо-стального цвета. Элемент имеет один природный изотоп 93 Nb.

Ниобий открыт в 1801 году английским ученым Ч. Хатчетом (1765-1847) в минерале, найденном в Колумбии, и назван им "колумбием". В 1844 году немецкий химик Г. Роэз (1795-1864) обнаружил "новый" элемент и назвал его "ниобием" в честь дочери Тантала Ниобы, чем подчеркнул сходство между Ниобием и танталом. Позднее было установлено, что Ниобий тот же элемент, что и Колумбий.

Распространение Ниобия в природе. Среднее содержание Ниобий в земной коре (кларк) 2·10 -3 % по массе. Только в щелочных изверженных породах - нифелиновых сиенитах и других, содержание Ниобия повышено до 10 -2 - 10 -1 %. В этих породах и связанных с ними пегматитах, карбонатитах, а также в гранитных пегматитах обнаружено 23 минерала Ниобий и около 130 других минералов, содержащих повышенные количества Ниобия. Это в основном сложные и простые оксиды. В минералах Nb связан с редкоземельными элементами и с Та, Ti, Ca, Na, Th, Fe, Ba (тантало-ниобаты, титанаты и других). Из 6 промышленных минералов наиболее важны пирохлор и колумбит. Промышленные месторождения Ниобия связаны с массивами щелочных пород (например, на Кольском полуострове), их корами выветривания, а также с гранитными пегматитами. Важное значение имеют и россыпи танталониобатов.

В биосфере геохимия Ниобий изучена плохо. Установлено, что в районах щелочных пород, обогащенных Ниобием, он мигрирует в виде соединений с органическими и другими комплексами. Известны минералы Ниобия, образующиеся при выветривании щелочных пород (мурманит, герасимовскит и других). В морской воде лишь около 1·10 -9 % Ниобия по массе.

Физические свойства Ниобия. Кристаллическая решетка Ниобия объемноцентрированная кубическая с параметром а = 3,294Å. Плотность 8,57 г/см 3 (20 °С); t пл 2500 °С; t кип 4927 °С; давление пара (в мм рт. ст.; 1 мм рт. ст.= 133,3 н/м 2) 1·10 -5 (2194 °С), 1·10 -4 (2355 °С), 6·10 -4 (при t пл), 1·10 -3 (2539 °С). 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/м 2 , то же в кгс/мм 2 34,2 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/м 2 . Примеси некоторых элементов, особенно водорода, азота, углерода и кислорода, сильно ухудшают пластичность и повышают твердость Ниобия.

Химические свойства Ниобия. По химические свойствам Ниобий близок к танталу. Оба они чрезвычайно устойчивы (тантал более чем Ниобий) на холоду и при небольшом нагревании к действию многих агрессивных сред. Компактный Ниобий заметно окисляется на воздухе только выше 200 °С. На Ниобий действуют: хлор выше 200 °С, водород при 250 °С (интенсивно при 360 °С), азот при 400 °С. 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.

Ниобий устойчив к действию многих кислот и растворов солей. На него не действуют царская водка, соляная и серная кислоты при 20 °С, азотная, фосфорная, хлорная кислоты, водные растворы аммиака. Плавиковая кислота, ее смесь с азотной кислотой и щелочи растворяют Ниобий. В кислых электролитах на Ниобии образуется анодная оксидая пленка с высокими диэлектрическими характеристиками, что позволяет использовать Ниобий и его сплавы с Та взамен дефицитного чистого Та для изготовления миниатюрных электролитических конденсаторов большой емкости с малыми токами утечки.

Конфигурация внешних электронов атома Nb 4d 4 5s l . Наиболее устойчивы соединения пятивалентного Ниобия, но известны и соединения со степенями окисления + 4, +3, +2 и +1, к образованию которых Ниобий склонен более, чем тантал. Например, в системе Ниобий-кислород установлены фазы: оксид Nb 2 O 5 (t пл 1512 °С, цвет белый), нестехеометрические NbO 2,47 и NbO 2,42, оксид NbO 2 (t пл 2080 °С, цвет черный), оксид NbO (t пл 1935 °С, цвет серый) и твердый раствор кислорода в Ниобии. NbO 2 - полупроводник; NbO, сплавленная в слиток, обладает металлическим блеском и электропроводностью металлического типа, заметно испаряется при 1700 °С, интенсивно - при 2300-2350 °С, что используют для вакуумной очистки Ниобия от кислорода; Nb 2 O 5 имеет кислотный характер; ниобиевые кислоты не выделены в виде определенных химические соединений, но известны их соли - ниобаты.

С водородом Nb образует твердый раствор внедрения (до 10 ат.% Н) и гидрид состава от NbH 0,7 до NbH. Растворимость водорода в Nb (в г/см 3) при 20 °С 104, при 500°С 74,4, при 900°С 4,0. Поглощение водорода обратимо: при нагревании, особенно в вакууме, водород выделяется; это используют для очистки Nb от водорода (сообщающего металлу хрупкость) и для гидрирования компактного Nb: хрупкий гидрид измельчают и дегидрируют в вакууме, получая чистый порошок Ниобий для электролитических конденсаторов. Растворимость азота в Ниобии составляет (% по массе) 0,005, 0,04 и 0,07 соответственно при 300, 1000 и 1500 °С. Рафинируют Ниобий от азота нагреванием в глубоком вакууме выше 1900 °С или вакуумной плавкой. Высший нитрид NbN светло-серого цвета с желтоватым оттенком; температура перехода в сверхпроводящее состояние 15,6 К. С углеродом при 1800-2000°С Nb образует 3 фазы: α-фаза - твердый раствор внедрения углерода в Ниобий, содержащий до 2 ат.% С при 2335 °С; β-фаза - Nb 2 C, δ-фаза - NbC. С галогенами Ниобий дает галогениды, оксигалогениды и комплексные соли. Из них наиболее важны пентафторид NbF 5 , пентахлорид NbCl 5 , окситрихлорид NbOCl 3 , фторониобат калия K 2 NbF 7 и оксифторониобат калия K 2 NbOF 7 ·Н 2 О. Небольшое различие в давлении паров NbCl 5 и ТаСl 5 используют для их весьма полного разделения и очистки методом ректификации.

Получение Ниобия. Руды Nb - обычно комплексные и бедны Nb, хотя их запасы намного превосходят запасы руд Та. Рудные концентраты содержат Nb 2 O 5: пирохлоровые - не менее 37%, лопаритовые - 8%, колумбитовые - 30-60%. Большую их часть перерабатывают алюмино- или силикотермическим восстановлением на феррониобий (40-60% Nb) и ферротанталониобий. Металлич. Nb получают из рудных концентратов по сложной технологии в три стадии: 1) вскрытие концентрата, 2) разделение Nb и Та и получение их чистых химические соединений, 3) восстановление и рафинирование металлического Ниобия и его сплавов. Основные промышленные методы производства Nb и сплавов - алюминотермический, натриетермический, карботермический: из смеси Nb 2 O 5 и сажи вначале получают при 1800 °С в атмосфере водорода карбид, затем из смеси карбида и оксид (V) при 1800-1900 °С в вакууме - металл; для получения сплавов Ниобия в эту смесь добавляют оксиды легирующих металлов; по другому варианту Ниобий восстанавливают при высокой температуре в вакууме непосредственно из Nb 2 O 5 сажей. Натриетермическим 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 °С, либо электроннолучевой и вакуумной дуговой плавкой; монокристаллы Nb высокой чистоты - бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.

Применение Ниобия. Применение и производство Ниобия быстро возрастают, что обусловлено сочетанием таких его свойств, как тугоплавкость, малое сечение захвата тепловых нейтронов (1,15 б), способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие и других сплавы, коррозионная стойкость, геттерные свойства, низкая работа выхода электронов, хорошие обрабатываемость давлением на холоду и свариваемость. Основные области применения Ниобия: ракетостроение, авиационная и космическая техника, радиотехника, электроника, химическое аппаратостроение, атомная энергетика. Из чистого Ниобия или его сплавов изготовляют детали летательных аппаратов; оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов; контейнеры и трубы для жидких металлов; детали электрических конденсаторов; "горячую" арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и другие); коррозионноустойчивую аппаратуру в химической промышленности. Ниобием легируют другие цветные металлы, в т. ч. уран. Ниобий применяют в криотронах - сверхпроводящих элементах вычислительных машин, а станнид Nb 3 Sn и сплавы Nb с Ti и Zr - для изготовления сверхпроводящих соленоидов. Nb и сплавы с Та во многих случаях заменяют Та, что дает большой экономический эффект (Nb дешевле и почти вдвое легче, чем Та). Феррониобий вводят в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии и разрушения и в стали других типов для улучшения их свойств. Применяют и соединения Ниобия: Nb 2 O 5 (катализатор в химической промышленности; в производстве огнеупоров, керметов, специальных стекол), нитрид, карбид, ниобаты.