НИО́БИЙ
-
Рубрика: Химия
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
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, tпл 2477 °C, tкип 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 (tпл 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 (tпл 2990 °C) и NbC (tпл ок. 3400 °C) или оксикарбиды. В присутствии О2, N2 и С образует оксикарбонитриды. C Si и В образует тугоплавкие силициды и борид NbB2 (tпл 2900 °C). Получены станнид Nb3Sn (tпл 2130 °C) и германид Nb3Ge (tпл 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 [NbClxCp5–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.