Нио́бий (лат. Niobium), Nb, химический элемент V группы короткой формы (5-й группы длинной формы) периодической системы; атомный номер 41; атомная масса 92,90638 а. е. м. В природе один стабильный изотоп ⁹³Nb; искусственно получены радиоизотопы с массовыми числами 81–113.

Историческая справка

Открыт в 1801 г. английским химиком Ч. Хатчеттом и назван «колумбием» (по происхождению минерала, из которого был выделен в виде оксида). В течение нескольких десятилетий колумбий и близкий ему по свойствам тантал считали одним и тем же элементом. Индивидуальность колумбия была доказана в 1844 г., когда он был вторично «открыт» немецким химиком Г. Розе и назван «ниобий» (по имени Ниобы – дочери Тантала в древнегреческой мифологии; название подчёркивает сходство свойств ниобия и тантала). В 1845 г. Розе установил, что ниобий идентичен колумбию. В ряде стран (США, Англия) более 100 лет использовалось название «колумбий» (Columbium, Cb). Название «ниобий» утверждено ИЮПАК в 1950 г.

Распространённость в природе

Ниобий относится к редким элементам. Содержание ниобия в земной коре 2·10^–3 % по массе, чаще всего встречается совместно с Та и Ti. Важнейшие минералы: колумбит-танталит (Fe,Mn)(Nb,Ta)₂O₆, пирохлор (Na,Ca)₂(Nb,Ti)₂(OH,F)O₆, лопарит (Na,Ce,Ca)(Nb,Ti)O₃. Ниобий содержат также оловянные руды.

Свойства

Конфигурация внешних электронных оболочек атома ниобия 4d⁴5s¹; в соединениях обычно проявляет степень окисления +5, реже от +1 до +4; энергии ионизации при переходе от Nb⁰ к Nb⁵⁺ соответственно равны 6,9, 14,3, 25,1, 38,3, 50,6, 103,0 и 124,6 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,6; атомный радиус 145 пм, радиус ионов (координационное число 6) Nb³⁺ 86 пм, Nb⁴⁺ 82 пм, Nb⁵⁺ 78 пм.

В свободном виде ниобий – блестящий серебристо-серый металл; кристаллическая решётка кубическая объёмноцентрированная; плотность 8570 кг/м³ (при 20 °C), t_пл 2477 °C, t_кип около 4760 °C; теплопроводность 52,3 Вт/(м·К) при 20  °C; удельное электрическое сопротивление 1,522·10^–9 Ом·м при 0 °C; парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 2,76·10^–8 м³/кг; температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,25 К.

В чистом виде Nb пластичен, ковок, легко поддаётся обработке давлением на холоду. Примеси H, N, C и О сильно снижают пластичность и повышают хрупкость Nb.

При нормальных условиях ниобий химически стоек. Компактный металл начинает окисляться на воздухе при температуре 200–300 °C, быстро окисляется при нагревании выше 500 °C (c образованием оксидов). Способен поглощать газы – Н₂, N₂ и O₂. Интенсивно поглощает Н₂ при температуре около 360 °C и образует твёрдый раствор внедрения и очень хрупкий гидрид NbH, который разлагается в вакууме при температуре выше 600 °C. В особых условиях выделен NbH₂. При температуре выше 400 °C ниобий поглощает N₂, при более высоких температурах образует тугоплавкие нитриды Nb₂N, NbN (t_пл 2300 °C). Взаимодействует с галогенами, образуя летучие пентагалогениды, а также ряд низших галогенидов. Выделены многочисленные оксигалогениды ниобия. С углеводородами, СО и С при температуре 1200–1500 °C образует твёрдые растворы С и тугоплавкие карбиды Nb₂C (t_пл 2990 °C) и NbC (t_пл около 3400 °C) или оксикарбиды. В присутствии О₂, N₂ и С образует оксикарбонитриды. C Si и В образует тугоплавкие силициды и борид NbB₂ (t_пл 2900 °C). Получены станнид Nb₃Sn (t_пл 2130 °C) и германид Nb₃Ge (t_пл 1970 °C), которые используются как сверхпроводники, фосфиды NbP и NbP₂, арсениды NbAs и NbAs₂, антимониды Nb₃Sb, Nb₅Sb₄ и NbSb₂, NbS₃, сульфиды NbS₂ и NbS.

Ниобий устойчив к действию HCl, H₂SO₄, HNO₃, H₃PO₄, HClO₄ любых концентраций, царской водки и органических кислот, водного раствора NH₃, расплавленных Li, Na, K, Sn, Pb, Bi и Hg. Растворяется во фтороводородной кислоте, её смесях с HNO₃, в расплаве гидродифторида аммония NH₄HF₂, щелочей.

При взаимодействии пентаоксида Nb₂O₅ и ниобатов с H₂SO₄ при высоких температурах образуются оксисульфаты Nb, с растворами HF и HCl – фторониобаты, оксифторониобаты, хлорониобаты и оксихлорониобаты щелочных и щёлочноземельных металлов. Из пентахлорида NbCl₅ получают ниобийорганические соединения, например производные [Nb(CO)₆]^– и [NbCl_xCp_5–x], где Ср – циклопентадиенил.

Получение

Основными видами ниобиевой продукции являются феррониобий (85–90 %), пентаоксид Nb₂O₅, металлический Nb и сплавы. Для производства феррониобия (обычно содержит 65 % Nb) обогащённые механическими методами концентраты пирохлора подвергают металлотермическому восстановлению в смеси с Fe₂O₃ и порошкообразным Al. Технический пентаоксид получают выщелачиванием из концентратов и шлаков оловянной плавки действием фтороводородной кислоты с последующим отделением от Ta и очисткой методом жидкостной экстракции, осаждением гидроксида, сушкой и прокаливанием. Карбид NbC получают взаимодействием Nb₂O₅ с техническим углеродом в атмосфере Н₂ при температуре 1800 °C и используют для изготовления керамических нагревателей.

Получение чистого металлического ниобия ведут натриетермическим восстановлением K₂NbF₇, электролитическим восстановлением K₂NbF₇ и Nb₂O₅ во фторидном расплаве с последующей переплавкой в электродуговых и электроннолучевых печах. Порошкообразный ниобий производят гидрированием металла, механическим измельчением и разложением в вакууме гидрида.

Объём мирового производства около 97 тыс. т/год (2019).

Применение

Феррониобий применяют в чёрной металлургии для производства микролегированных и нержавеющих сталей, а также суперсплавов. Чистый ниобий используют для получения жаропрочных и коррозионностойких сплавов c Zr для атомной (оболочки тепловыделяющих элементов АЭС содержат около 7 % по массе Nb) и авиакосмической промышленности (лопатки газовых турбин, детали других конструкций), получения прецизионных сплавов для сверхпроводников (магнитные катушки). Применяют сплавы ниобия с Та, Ti, Мо и др. В виде проката и проволок ниобий используют в электронной промышленности («горячая арматура», аноды, сетки, другие детали), в виде дисперсного порошка – в высокоёмких электролитических конденсаторах, как катализатор органических реакций.

Чистый Nb₂O₅ (с содержанием не менее 99,8 %) используют для получения оптических материалов, монокристаллов ниобата лития, высокотемпературных пигментов. Карбид NbC применяют для изготовления керамических нагревателей.