Металл Ниобий — описание химического элемента, электронная конфигурация и свойства

История

История ниобия связана с его вечным спутником — танталом.

Кристаллы ниобия

Новый элемент обнаружил Ч. Хетчет, исследуя минерал из Колумбии. Поэтому и найденный элемент назвали колумбием. Через год был открыт тантал, но его ошибочно посчитали «колумбием». Ошибку нашли и исправили через 40 лет. Колумбий назвали ниобием, а его спутника танталом.

Металлы: общая характеристика

Все металлы объединяются общими химическими и физическими свойствами, по которым их легко отличить от неметаллических веществ. Так, например, строение кристаллической решетки позволяет им быть:

• проводниками электрического тока;
• хорошими теплопроводниками;
• ковкими и пластичными;
• прочными и блестящими.

Конечно, среди них есть и различия. Одни металлы блестят серебристым цветом, другие – более матовым белым, третьи – вообще красным и желтым. Также отличия есть и в показателях тепло- и электропроводности. Однако все равно эти параметры – общие для всех металлов, в то время как у неметаллов больше различий, нежели схожести.

По химической природе все металлы – восстановители. В зависимости от условий реакции и конкретных веществ могут выступать и в роли окислителей, однако редко. Способны образовывать многочисленные вещества. Химические соединения металлов встречаются в природе в огромном количестве в составе руды или полезных ископаемых, минералов и прочих пород. Степень окисления металлов всегда положительная, может быть постоянной (алюминий, натрий, кальций) или переменной (хром, железо, медь, марганец).

Многие из них получили широкое распространение в качестве строительных материалов, используются в самых разных отраслях науки и техники.

Свойства

Элемент относится к тугоплавким металлам, в таблице Менделеева имеет № 41. Латинское название Niobium, в химических формулах обозначается символом Nb.
Некоторые характеристики:

• цвет серебристо-серый;
• кристаллическая структура решетки объемноцентрированая, кубическая;
• состоит из стабильного изотопа Nb93;
• отличается высокой хладоустойчивостью.
• обладает парамагнитностью.

Химические свойства:

1. С большинством кислот не реагирует (кроме плавиковой и ее смеси с азотной).
2. Устойчив в расплавах многих металлов.
3. Реагирует с концентрированными едкими щелочами.
4. С повышением температуры окисляемость металла быстро возрастает.
5. При 9°К становится сверхпроводником.

Рекомендуем: ЗОЛОТО — дар или проклятие человечеству

Познавательно: ниобий и тантал — братья-близнецы. Они всегда рядом в рудах, и разделить их непросто. Проще всего отличить одинаковые кусочки металла по весу — плотность ниобия почти в 2 раза меньше, чем у тантала. К тому же тантал гораздо дороже нашего героя.

Нахождение в природе

Кларк ниобия — 18 г/т. Содержание ниобия увеличивается от ультраосновных (0,2 г/т Nb) к кислым породам (24 г/т Nb). Ниобию всегда сопутствует тантал. Близкие химические свойства ниобия и тантала обусловливают совместное их нахождение в одних и тех же минералах и участие в общих геологических процессах. Ниобий способен замещать титан в ряде титансодержащих минералов (сфен, ортит, перовскит, биотит). Форма нахождения ниобия в природе может быть разной: рассеянной (в породообразующих и акцессорных минералах магматических пород) и минеральной. В общей сложности известно более ста минералов, содержащих ниобий. Из них промышленное значение имеют лишь некоторые: колумбит-танталит (Fe, Mn)(Nb, Ta)2O6, пирохлор (Na, Ca, TR, U)2(Nb, Ta, Ti)2O6(OH, F) (Nb2O5 0 — 63 %), лопарит (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb)O3 ((Nb, Ta)2O5 8 — 10 %), иногда используются эвксенит, торолит, ильменорутил, а также минералы, содержащие ниобий в виде примесей (ильменит, касситерит, вольфрамит). В щелочных — ультраосновных породах ниобий рассеивается в минералах типа перовскита и в эвдиалите. В экзогенных процессах минералы ниобия и тантала, являясь устойчивыми, могут накапливаться в делювиально-аллювиальных россыпях (колумбитовые россыпи), иногда в бокситах коры выветривания. Концентрация ниобия в морской воде 1⋅10−5 мг/л.

Месторождения

Месторождения ниобия расположены в США, Японии, России (Кольский полуостров), Бразилии, Канаде.

Добыча ниобия по странам (тонн) (оценка USGS) Страна200020012002200320042005200620072008200920102011

Где искать

Нахождение в природе ниобия почти всегда сопутствует минералам, содержащим тантал.

Месторождения рудных запасов имеют:

• Австралия;
• Бразилия;
• Россия;
• США;
• Канада.

Гордимся: Россия обладает четвертью мировых запасов руды.

Известно около 100 ниобийсодержащих минералов; в их состав почти всегда входит и тантал.

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.

Производство ниобия

Промышленные способы получения чистого металла:

• алюмотермия;
• карботермия;
• натрийтермия.

Производство включает предварительную концентрацию руды и несколько стадий процессов:

1. Концентрат сплавляют с едким натром или содой; сплав выщелачивают.
2. В нерастворимый осадок выпадают Nb и Ta, которые разделяют.
3. Раздельно восстанавливают оксиды редких металлов.

Порошковый металл получают электроннолучевой, дуговой или вакуумной плавкой.

Химические соединения металлов

Среди таковых следует назвать несколько основных классов веществ, которые являются продуктами взаимодействия металлов с другими элементами и веществами.

1. Оксиды, гидриды, нитриды, силициды, фосфиды, озониды, карбиды, сульфиды и прочие – бинарные соединения с неметаллами, чаще всего относятся к классу солей (кроме оксидов).
2. Гидроксиды – общая формула Ме+х(ОН)х.
3. Соли. Соединения металлов с кислотными остатками. Могут быть разными:

• средние;
• кислые;
• двойные;
• основные;
• комплексные.

4. Соединения металлов с органическими веществами – металлорганические структуры.

5. Соединения металлов друг с другом – сплавы, которые получаются разными способами.

Сплавы

В сплавах применяют в качестве лигатуры:

• вольфрам;
• ванадий;
• титан;
• молибден;
• циркон.

Для повышения жаропрочности в соединения ниобия вводят вольфрам, цирконий, молибден.

Марки сплавов:

• ВН2;
• ВН2Л;
• СВ-65;
• НбЦ;
• НбЦУ;
• Нб5В2МЦ.

Познавательно: детали из нержавейки в средах сильных кислот работают 2-3 месяца; детали из ниобия и его сплавов в этих средах трудятся 2-3 года.

Примечания

1. Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.).
   Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 249. — 639 с. — 50 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8.
2. Венецкий С.И.
   Сорок первый // Рассказы о металлах. — Москва: Металлургия, 1979. — 240 с. — 60 000 экз.
3. J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. I, 1965
4. Larry D. Cunningham.
   . Minerals.usgs.gov (5 апреля 2012). Дата обращения: 17 августа 2012.
5. (недоступная ссылка). Дата обращения: 7 февраля 2009.
6. (недоступная ссылка). Euro-Coins.News. Дата обращения: 12 марта 2012.
7. (недоступная ссылка). Мир монет. Дата обращения: 19 марта 2012.
8. Для этого используется также титан в тех же количествах.
9. (недоступная ссылка). Дата обращения: 5 декабря 2007.
10. (недоступная ссылка). Дата обращения: 5 декабря 2007.

Что делают из ниобия

Продукцию из ниобия и его сплавов потребляют:

• электронная промышленность;
• авиация;
• ядерная физика;
• металлургия.

Применение свойства сверхпроводимости в томографии, исследованиях на аппаратах МРТ в медицине помогают медикам в раннем обнаружении болезней.

Охлаждение квантовых компьютеров, кабели для Большого адронного коллайдера, огнеупоры, ТВЭЛы для ядерных устройств — везде работает наш герой и его сплавы.

Рекомендуем: КОБАЛЬТ — щедрый подарок горных духов

Возможно применение металла в ювелирной промышленности. Его оксидные пленки, полученные с помощью электролиза, имеют множество ярких цветов; все зависит от электролита и температуры.

Интересно: несколько стран выпускают коллекционные монеты с сердцевиной, анодированной разноцветными сплавами ниобия.

Легирующие свойства металла придают сплавам тугоплавкость, прочность, устойчивость к коррозии.

Физикам-экспериментаторам не обойтись без соединений ниобия (химические формулы NbN, Nb3Sn, Nb3Ge, NbTi) — они обладают сверхпроводимостью.

Область применения

По данным USGS (Геологическое обследование США), около 80 процентов Nb используется в сталелитейной промышленности для создания высокопрочных низколегированных сталей. Свойства ниобия позволяют применять его в сплавах, что повышает механическую и жаропрочность, ударную вязкость и коррозионную стойкость.

Другие области применения его включают строительство трубопроводов, суперсплавов для жаропрочного оборудования, а также реактивные двигатели и ювелирные изделия. Ниобий, вольфрам, молибден, тантал и рений известны как пять тугоплавких металлов. Все они обладают очень высокой устойчивостью к нагреву и износу.

Ниобий используется в сталелитейной промышленности

Промышленное использование Nb началось еще в начале 1900-х годов. Крупнейшим рынком ниобия (> 80%) является производство высокопрочной низколегированной стали, где он обеспечивает высокую жаропрочность и коррозионную стойкость для газопроводов, автомобильных компонентов и конструкционной стали.

Nb, как и тантал, позволяет переменному току проходить только в одном направлении через электролизер. Металл ниобий используется в дуговых сварочных стержнях для стабилизированных марок нержавеющей стали. Наиболее интересные его применения в области сверхпроводимости. Сверхпроводящие магниты изготовлены из проволоки Nb-Zr (ниобий и цирконий), которая сохраняет сверхпроводимость в сильных магнитных полях.