Ниобий

Распространение в природе

Физические свойства

Химические свойства

Получение

Применение

Ниобий (лат. Niobium), Nb, химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 41, атомная масса 92,9064; металл серо-стального цвета. Элемент имеет один природный изотоп ⁹³Nb.

Ниобий открыт в 1801 году английским ученым Ч. Хатчетом (1765-1847) в минерале, найденном в Колумбии, и назван им "колумбием". В 1844 году немецкий химик Г. Роэз (1795-1864) обнаружил "новый" элемент и назвал его "ниобием" в честь дочери Тантала Ниобы, чем подчеркнул сходство между Ниобием и танталом. Позднее было установлено, что Ниобий тот же элемент, что и Колумбий.

Распространение Ниобия в природе. Среднее содержание Ниобий в земной коре (кларк) 2·10^-3 % по массе. Только в щелочных изверженных породах - нифелиновых сиенитах и других, содержание Ниобия повышено до 10^-2 - 10^-1%. В этих породах и связанных с ними пегматитах, карбонатитах, а также в гранитных пегматитах обнаружено 23 минерала Ниобий и около 130 других минералов, содержащих повышенные количества Ниобия. Это в основном сложные и простые оксиды. В минералах Nb связан с редкоземельными элементами и с Та, Ti, Ca, Na, Th, Fe, Ba (тантало-ниобаты, титанаты и других). Из 6 промышленных минералов наиболее важны пирохлор и колумбит. Промышленные месторождения Ниобия связаны с массивами щелочных пород (например, на Кольском полуострове), их корами выветривания, а также с гранитными пегматитами. Важное значение имеют и россыпи танталониобатов.

В биосфере геохимия Ниобий изучена плохо. Установлено, что в районах щелочных пород, обогащенных Ниобием, он мигрирует в виде соединений с органическими и другими комплексами. Известны минералы Ниобия, образующиеся при выветривании щелочных пород (мурманит, герасимовскит и других). В морской воде лишь около 1·10^-9 % Ниобия по массе.

Физические свойства Ниобия. Кристаллическая решетка Ниобия объемноцентрированная кубическая с параметром а = 3,294Å. Плотность 8,57 г/см³ (20 °С); t_пл 2500 °С; t_кип 4927 °С; давление пара (в мм рт. ст.; 1 мм рт. ст.= 133,3 н/м²) 1·10^-5 (2194 °С), 1·10^-4 (2355 °С), 6·10^-4 (при t_пл), 1·10^-3 (2539 °С). Теплопроводность в вт/(м·К) при 0°С и 600 °С соответственно 51,4 и 56,2, то же в кал/(см·сек·°С) 0,125 и 0,156. Удельное объемное электрическое сопротивление при 0°С 15,22·10^-8 ом·м (15,22·10^-6 ом·см). Температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,25 К. Ниобий парамагнитен. Работа выхода электронов 4,01 эв.

Чистый Ниобий легко обрабатывается давлением на холоду и сохраняет удовлетворительные механические свойства при высоких температурах. Его предел прочности при 20 и 800 °С соответственно равен 342 и 312 Мн/м², то же в кгс/мм² 34,2 и 31,2; относительное удлинение при 20 и 800 °С соответственно 19,2 и 20,7%. Твердость чистого Ниобиы по Бринеллю 450, технического 750-1800 Mн/м². Примеси некоторых элементов, особенно водорода, азота, углерода и кислорода, сильно ухудшают пластичность и повышают твердость Ниобия.

Химические свойства Ниобия. По химические свойствам Ниобий близок к танталу. Оба они чрезвычайно устойчивы (тантал более чем Ниобий) на холоду и при небольшом нагревании к действию многих агрессивных сред. Компактный Ниобий заметно окисляется на воздухе только выше 200 °С. На Ниобий действуют: хлор выше 200 °С, водород при 250 °С (интенсивно при 360 °С), азот при 400 °С. Практически не действуют на Ниобий очищенные от примеси кислорода жидкие Na, К и их сплавы, Li, Bi, Pb, Hg, Sn, применяемые в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах.

Ниобий устойчив к действию многих кислот и растворов солей. На него не действуют царская водка, соляная и серная кислоты при 20 °С, азотная, фосфорная, хлорная кислоты, водные растворы аммиака. Плавиковая кислота, ее смесь с азотной кислотой и щелочи растворяют Ниобий. В кислых электролитах на Ниобии образуется анодная оксидая пленка с высокими диэлектрическими характеристиками, что позволяет использовать Ниобий и его сплавы с Та взамен дефицитного чистого Та для изготовления миниатюрных электролитических конденсаторов большой емкости с малыми токами утечки.

Конфигурация внешних электронов атома Nb 4d⁴5s^l. Наиболее устойчивы соединения пятивалентного Ниобия, но известны и соединения со степенями окисления + 4, +3, +2 и +1, к образованию которых Ниобий склонен более, чем тантал. Например, в системе Ниобий-кислород установлены фазы: оксид Nb₂O₅ (t_пл 1512 °С, цвет белый), нестехеометрические NbO_2,47 и NbO_2,42, оксид NbO₂ (t_пл 2080 °С, цвет черный), оксид NbO (t_пл 1935 °С, цвет серый) и твердый раствор кислорода в Ниобии. NbO₂ - полупроводник; NbO, сплавленная в слиток, обладает металлическим блеском и электропроводностью металлического типа, заметно испаряется при 1700 °С, интенсивно - при 2300-2350 °С, что используют для вакуумной очистки Ниобия от кислорода; Nb₂O₅ имеет кислотный характер; ниобиевые кислоты не выделены в виде определенных химические соединений, но известны их соли - ниобаты.

С водородом Nb образует твердый раствор внедрения (до 10 ат.% Н) и гидрид состава от NbH_0,7 до NbH. Растворимость водорода в Nb (в г/см³) при 20 °С 104, при 500°С 74,4, при 900°С 4,0. Поглощение водорода обратимо: при нагревании, особенно в вакууме, водород выделяется; это используют для очистки Nb от водорода (сообщающего металлу хрупкость) и для гидрирования компактного Nb: хрупкий гидрид измельчают и дегидрируют в вакууме, получая чистый порошок Ниобий для электролитических конденсаторов. Растворимость азота в Ниобии составляет (% по массе) 0,005, 0,04 и 0,07 соответственно при 300, 1000 и 1500 °С. Рафинируют Ниобий от азота нагреванием в глубоком вакууме выше 1900 °С или вакуумной плавкой. Высший нитрид NbN светло-серого цвета с желтоватым оттенком; температура перехода в сверхпроводящее состояние 15,6 К. С углеродом при 1800-2000°С Nb образует 3 фазы: α-фаза - твердый раствор внедрения углерода в Ниобий, содержащий до 2 ат.% С при 2335 °С; β-фаза - Nb₂C, δ-фаза - NbC. С галогенами Ниобий дает галогениды, оксигалогениды и комплексные соли. Из них наиболее важны пентафторид NbF₅, пентахлорид NbCl₅, окситрихлорид NbOCl₃, фторониобат калия K₂NbF₇ и оксифторониобат калия K₂NbOF₇·Н₂О. Небольшое различие в давлении паров NbCl₅ и ТаСl₅ используют для их весьма полного разделения и очистки методом ректификации.

Получение Ниобия. Руды Nb - обычно комплексные и бедны Nb, хотя их запасы намного превосходят запасы руд Та. Рудные концентраты содержат Nb₂O₅: пирохлоровые - не менее 37%, лопаритовые - 8%, колумбитовые - 30-60%. Большую их часть перерабатывают алюмино- или силикотермическим восстановлением на феррониобий (40-60% Nb) и ферротанталониобий. Металлич. Nb получают из рудных концентратов по сложной технологии в три стадии: 1) вскрытие концентрата, 2) разделение Nb и Та и получение их чистых химические соединений, 3) восстановление и рафинирование металлического Ниобия и его сплавов. Основные промышленные методы производства Nb и сплавов - алюминотермический, натриетермический, карботермический: из смеси Nb₂O₅ и сажи вначале получают при 1800 °С в атмосфере водорода карбид, затем из смеси карбида и оксид (V) при 1800-1900 °С в вакууме - металл; для получения сплавов Ниобия в эту смесь добавляют оксиды легирующих металлов; по другому варианту Ниобий восстанавливают при высокой температуре в вакууме непосредственно из Nb₂O₅ сажей. Натриетермическим способом Ниобий восстанавливают натрием из K₂NbF₇, алюминотермическим - алюминием из Nb₂O₅. Компактный металл (сплав) производят методами порошковой металлургии, спекая спрессованные из порошков штабики в вакууме при 2300 °С, либо электроннолучевой и вакуумной дуговой плавкой; монокристаллы Nb высокой чистоты - бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.

Применение Ниобия. Применение и производство Ниобия быстро возрастают, что обусловлено сочетанием таких его свойств, как тугоплавкость, малое сечение захвата тепловых нейтронов (1,15 б), способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие и других сплавы, коррозионная стойкость, геттерные свойства, низкая работа выхода электронов, хорошие обрабатываемость давлением на холоду и свариваемость. Основные области применения Ниобия: ракетостроение, авиационная и космическая техника, радиотехника, электроника, химическое аппаратостроение, атомная энергетика. Из чистого Ниобия или его сплавов изготовляют детали летательных аппаратов; оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов; контейнеры и трубы для жидких металлов; детали электрических конденсаторов; "горячую" арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и другие); коррозионноустойчивую аппаратуру в химической промышленности. Ниобием легируют другие цветные металлы, в т. ч. уран. Ниобий применяют в криотронах - сверхпроводящих элементах вычислительных машин, а станнид Nb₃Sn и сплавы Nb с Ti и Zr - для изготовления сверхпроводящих соленоидов. Nb и сплавы с Та во многих случаях заменяют Та, что дает большой экономический эффект (Nb дешевле и почти вдвое легче, чем Та). Феррониобий вводят в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии и разрушения и в стали других типов для улучшения их свойств. Применяют и соединения Ниобия: Nb₂O₅ (катализатор в химической промышленности; в производстве огнеупоров, керметов, специальных стекол), нитрид, карбид, ниобаты.