Ниобий

Нио́бий (лат. Niobium, от имени Ниобы), Nb (читается «ниобий»), химический элемент с атомным номером 41, атомная масса 92, 9064. Природный ниобий состоит из одного стабильного изотопа 93Nb. Конфигурация двух внешних электронных слоев 4s2p6d45s1. Cтепени окисления +5, +4, +3, +2 и +1 (валентности V IV, III, II и I). Расположен в группе VВ, в 5 периоде периодической системы элементов.
Радиус атома 0, 145 нм, радиус иона Nb5+ — от 0, 062 нм (координационное число 4) до 0, 088 нм (8), иона Nb4+ — от 0, 082 до 0, 092 нм, иона Nb3+ — 0, 086 нм, иона Nb2+— 0, 085 нм. Энергии последовательной ионизации — 6, 88, 14, 32, 25, 05, 38, 3 и 50, 6 эВ. Работа выхода электронов 4, 01 эВ. Электроотрицательность по Полингу 1, 6.
Редактировать

История открытия

Открыт в 1801 Ч. Хатчетом. Исследуя черный минерал, присланный из Америки, он выделил оксид нового элемента, который он назвал колумбием, а содержащий его минерал — колумбитом. Через год из того же минерала А. Г. Экеберг выделил еще один оксид, который назвал танталом. Свойства колумбия и Ta были очень близки, и их очень долго рассматривали как один элемент. В 1844 Г. Розе доказал, что это два разных элемента. Он сохранил название тантал, а другой назвал ниобий. Только в 1950 ИЮПАК (Всемирная организация химиков) окончательно присвоила элементу №41 название ниобий. Металлический Nb первым получил в 1866 К. Бломстранд.
Редактировать

Нахождение в природе

Содержание в земной коре 2·10-3% по массе. В свободном виде ниобий не встречается, в природе сопутствует танталу. Из руд наиболее важны колумбит-танталит (Fe, Mn)(Nb, Ta)2O6, пирохлор и лопарит.
Редактировать

Получение

Около 95% Nb получают из пирохлоровых, колумбит-танталитовых и лопаритовых руд. Руды обогащают гравитационнымми методами и флотацией. Концентраты с содержанием Nb2O5 до 60% перерабатывают до феррониобия (сплава железа и ниобия), чистого Nb2O5 или NbCl5. Восстанавливают ниобий из его оксида, фторида или хлорида алюмино- или карботермией. Особо чистый ниобий получают высокотемпературным восстановлением летучего NbCl5 водородом.
Полученный порошок ниобия брикетируют, спекают в вакууме в электродуговых или электроннолучевых печах.
Редактировать

Физические и химические свойства

Ниобий — блестящий серебристо-серый металл с кубической объемно центрированной кристаллической решеткой типа α-Fe, а = 0, 3294 нм. Температура плавления 2477°C, кипения 4760°C, плотность 8, 57 кг/дм3.
Химически ниобий довольно устойчив. При прокаливании на воздухе окисляется до Nb2О5. Для этого оксида описано около 10 кристаллических модификаций. При обычном давлении стабильна β-форма Nb2О5. При сплавлении Nb2О5 с различными оксидами получают ниобаты: Ti2Nb10О29, FeNb49О124. Ниобаты могут рассматриваться как соли гипотетических ниобиевых кислот. Они делятся на метаниобаты MNbO3, ортониобаты M3NbO4, пирониобаты M4Nb2O7 или полиниобаты M2nNb2O5 (M — однозарядный катион, а 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 NbО2, NbО и ряд оксидов, промежуточных между NbО2, 42 и NbО2, 50 и близких по структуре к β-форме Nb2О5.
С галогенами Nb образует пентагалогениды NbHal5, тетрагалогениды NbHal4 и фазы NbHal2, 67-NbHal3+x, в которых имеются группировки Nb3 или Nb2. Пентагалогениды ниобия легко гидролизуются водой. Температуры плавления пентахлорида, пентабромида и пентаиодида ниобия — 205, 267, 5 и 310°C. Выше 200-250°C эти пентагалогениды летучи.
В присутствии паров воды и кислорода NbCl5 и NbBr5 образуют оксигалогениды NbOCl3 (NbOBr3) — рыхлые ватообразные вещества.
При взаимодействии Nb и графита образуются карбиды Nb2C и NbC, твердые жаропрочные соединения. В системе Nb — N существуют несколько фаз переменного состава и нитриды Nb2N и NbN. Сходным образом ведет себя Nb в системах с фосфором и мышьяком. При взаимодействии Nb с серой получены сульфиды: NbS, NbS2 и NbS3. Синтезированы двойные фториды Nb и K (Na) — K2[NbF7].
Редактировать

Применение

50% производимого ниобия используется для микролегирования сталей, 20-30% — для получения нержавеющих и жаропрочных сплавов. Интерметаллиды ниобия (Nb3Sn и Nb3Ge) применяют при изготовлении соленоидов сверхпроводящих устройств. Нитрид ниобия NbN используют при изготовлении мишеней передающих телевизионных трубок. Оксиды ниобия — компоненты огнеупорных материалов, керметов, стекол с высокими коэффициентами преломления. Двойные фториды — при выделении ниобия из природного сырья, при производстве металлического ниобия. Ниобаты используются в акусто- и оптоэлектронике, как лазерные материалы.
Редактировать

Физиологическое действие

Соединения ниобия ядовиты. ПДК ниобия в воде 0, 01 мг/л.
Редактировать

Дополнительная литература

  • Горощенко Я. Г. Химия ниобия и тантала. Киев, 1965.
  • Фейрбротер Ф. Химия ниобия и тантала. / Пер. с англ. М., 1968.
Статья находится в рубриках
Яндекс.Метрика