НИО́БИЙ

НИО́БИЙ (лат. Niobium), Nb, хи­мич. эле­мент V груп­пы ко­рот­кой фор­мы (5-й груп­пы длин­ной фор­мы) пе­рио­дич. сис­те­мы; ат. н. 41; ат. м. 92,9064. В при­ро­де один ста­биль­ный изо­топ ⁹³Nb; ис­кус­ствен­но по­лу­че­ны ра­дио­изо­то­пы с мас­со­вы­ми чис­ла­ми 81–113.

Историческая справка

От­крыт в 1801 англ. хи­ми­ком Ч. Хат­чет­том и на­зван «ко­лум­би­ем» (по про­ис­хо­ж­де­нию ми­не­ра­ла, из ко­то­ро­го был вы­де­лен Хат­чет­том 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, ко­гда он был вто­рич­но «от­крыт» нем. хи­ми­ком Г. Ро­зе и на­зван «Н.» (по име­ни Нио­бы – до­че­ри Тан­та­ла в др.-греч. ми­фо­ло­гии; назв. под­чёр­ки­ва­ет сход­ст­во свойств Н. и тан­та­ла). В 1845 Ро­зе ус­та­но­вил, что Н. иден­ти­чен ко­лум­бию. В ря­де стран (США, Анг­лия) бо­лее 100 лет исполь­зо­ва­лось назв. «ко­лум­бий» (Co­lum­bium, Cb). Назв. «Н.» ут­вер­жде­но ИЮПАК в 1950.

Распространённость в природе

Н. от­но­сит­ся к ред­ким эле­мен­там. Со­дер­жа­ние Н. 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 (см. Нио­бие­вые ру­ды). Н. со­дер­жат так­же оло­вян­ные ру­ды.

Свойства

Кон­фи­гу­ра­ция внеш­них элек­трон­ных обо­ло­чек ато­ма Н. 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 (ко­ор­ди­нац. чис­ло 6) Nb³⁺ 86 пм, Nb⁴⁺ 82 пм, Nb⁵⁺ 78 пм.

В сво­бод­ном ви­де Н. – бле­стя­щий се­реб­ри­сто-се­рый ме­талл; кри­стал­лич. ре­шёт­ка ку­би­че­ская объ­ём­но­цен­три­ро­ван­ная; плот­ность 8570 кг/м³, t_пл 2477 °C, t_кип ок. 4760 °C; те­п­ло­про­вод­ность 52,3 Вт/(м·К) при 20 °C; удель­ное элек­трич. со­про­тив­ле­ние 1,522·10^–9 Ом·м при 0 °C; па­ра­маг­ни­тен, удель­ная маг­нит­ная вос­при­им­чи­вость 2,76·10^–8 м³/кг; темп-ра 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 Н. хи­ми­че­ски сто­ек. Ком­пакт­ный ме­талл на­чи­на­ет окис­лять­ся на воз­ду­хе при темп-ре 200–300 °C, бы­ст­ро окис­ля­ет­ся при на­гре­ва­нии вы­ше 500 °C (c об­ра­зо­ва­ни­ем ок­си­дов). Спо­со­бен по­гло­щать га­зы – Н₂, N₂ и O₂. Ин­тен­сив­но по­гло­ща­ет Н₂ при темп-ре ок. 360 °C и об­ра­зу­ет твёр­дый рас­твор вне­дре­ния и очень хруп­кий гид­рид NbH, ко­то­рый раз­ла­га­ет­ся в ва­куу­ме при темп-ре вы­ше 600 °C. В осо­бых ус­ло­ви­ях вы­де­лен NbH₂. При темп-ре вы­ше 400 °C Н. по­гло­ща­ет N₂, при бо­лее вы­со­ких темп-рах об­ра­зу­ет ту­го­плав­кие нит­ри­ды Nb₂N, NbN (t_пл 2300 °C). Взаи­мо­дей­ст­ву­ет с га­ло­ге­на­ми, об­ра­зуя ле­ту­чие пен­та­га­ло­ге­ни­ды, а так­же ряд низ­ших га­ло­ге­ни­дов. Вы­де­ле­ны мно­го­числ. ок­си­га­ло­ге­ни­ды Н. С уг­ле­во­до­ро­да­ми, СО и С при темп-ре 1200–1500 °C об­ра­зу­ет твёр­дые рас­тво­ры С и ту­го­плав­кие кар­би­ды Nb₂C (t_пл 2990 °C) и NbC (t_пл ок. 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.

Н. ус­той­чив к дей­ст­вию HCl, H₂SO₄, HNO₃, H₃PO₄, HClO₄ лю­бых кон­цен­тра­ций, цар­ской вод­ки и ор­га­нич. 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 темп-рах об­ра­зу­ют­ся ок­си­суль­фа­ты Nb, с рас­тво­ра­ми HF и HCl – фто­ро­нио­ба­ты, ок­сиф­то­ро­нио­ба­ты, хло­ро­нио­ба­ты и ок­си­хло­ро­нио­ба­ты ще­лоч­ных и щё­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов. Из пен­та­хло­ри­да NbCl₅ по­лу­ча­ют нио­бий­ор­га­нич. со­еди­не­ния, напр. про­из­вод­ные [Nb(CO)₆]^– и [NbCl_xCp_5–x], где Ср – цик­ло­пен­та­дие­нил.

Получение

Осн. ви­да­ми нио­бие­вой про­дук­ции яв­ля­ют­ся фер­ро­нио­бий (85–90%), пен­та­ок­сид Nb₂O₅, ме­тал­лич. Nb и спла­вы. Для про­из-ва фер­ро­нио­бия (обыч­но со­дер­жит 65% Nb) обо­га­щён­ные ме­ха­нич. ме­то­да­ми кон­цен­тра­ты пи­ро­хло­ра под­вер­га­ют ме­тал­ло­тер­мич. вос­ста­нов­ле­нию в сме­си с Fe₂O₃ и по­рош­ко­об­раз­ным Al. Тех­нич. 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 тех­нич. уг­ле­ро­дом в ат­мо­сфе­ре Н₂ при темп-ре 1800 °C и ис­поль­зу­ют для из­го­тов­ле­ния ке­ра­мич. на­гре­ва­те­лей.

По­лу­че­ние чис­то­го ме­тал­лич. Н. ве­дут на­трие­тер­мич. вос­ста­нов­ле­ни­ем K₂NbF₇, элек­тро­ли­тич. вос­ста­нов­ле­ни­ем K₂NbF₇ и Nb₂O₅ во фто­рид­ном рас­пла­ве с по­сле­дую­щей пе­ре­плав­кой в элек­тро­ду­го­вых и элек­трон­но­лу­че­вых пе­чах. По­рош­ко­об­раз­ный Н. про­из­во­дят гид­ри­ро­ва­ни­ем ме­тал­ла, ме­ха­нич. из­мель­че­ни­ем и раз­ло­же­ни­ем в ва­куу­ме гид­ри­да.

Объ­ём ми­ро­во­го про­изводства ок. 40 тыс. т/год.

Применение

Фер­ро­нио­бий при­ме­ня­ют в чёр­ной ме­тал­лур­гии для про­из-ва мик­ро­ле­ги­ро­ван­ных и не­ржа­вею­щих ста­лей, а так­же су­пер­спла­вов. Чис­тый Н. ис­поль­зу­ют для по­лу­че­ния жа­ро­проч­ных и кор­ро­зи­он­но­стой­ких спла­вов c Zr для атом­ной (обо­лоч­ки теп­ло­вы­де­ляю­щих эле­мен­тов АЭС со­дер­жат ок. 7% по мас­се Nb) и авиа­кос­мич. пром-сти (ло­пат­ки га­зо­вых тур­бин, де­та­ли др. кон­ст­рук­ций), по­лу­че­ния пре­ци­зи­он­ных спла­вов для сверх­про­вод­ни­ков (маг­нит­ные ка­туш­ки). При­ме­ня­ют спла­вы Н. с Та, Ti, Мо и др. (см. Нио­бие­вые спла­вы). В ви­де про­ка­та и про­во­лок Н. ис­поль­зу­ют в элек­трон­ной пром-сти («го­ря­чая ар­ма­ту­ра», ано­ды, сет­ки, др. де­та­ли), в ви­де дис­перс­но­го по­рош­ка – в вы­со­ко­ём­ких элек­тро­ли­тич. кон­ден­са­то­рах, как ка­та­ли­за­тор ор­га­нич. ре­ак­ций.

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