Ниобий

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.

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.

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.

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.

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 M₂O·nNb₂O₅ (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 NbО_{2, 42} и NbО_{2, 50} и близких по структуре к β-форме Nb₂О₅.

С галогенами Nb образует пентагалогениды NbHal₅, тетрагалогениды NbHal₄ и фазы NbHal_{2, 67}-NbHal_3+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].

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.

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

Авторы: С.С. Бердоносов, П.С. Бердоносов