Ніобій
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Ніобій

Ніобій (лат. Niobium), Nb, хімічний елемент V групи періодичної системи Менделєєва; атомний номер 41, атомна маса 92,9064; метал серо-стального кольору. Елемент має один природний ізотоп 93 Nb.

  Н. відкритий в 1801 англійським ученим Ч. Хатчетом (1765—1847) в мінералі, знайденому в Колумбії, і названий ним «колумбієм». У 1844 німецький хімік Г. Розе (1795 — 1864) виявив «новий» елемент і назвав його «ніобієм» на честь дочки Танталу Ніоби, чим підкреслив схожість між Н. і танталом . Пізніше було встановлено, що Н. той же елемент, що і колумбій.

загрузка...

  Поширення в природі. Середній вміст Н. у земній корі (кларк) 2·10 -3 % по масі. Лише у лужних вивержених породах — ніфелінових сиенітах і ін., вміст Н. підвищено до 10 -2 —10 -1 %. У цих породах і пов'язаних з ними пегматітах, карбонатитах, а також в гранітних пегматітах виявлено 23 мінерали Н. і близько 130 ін. мінералів, що містять підвищені кількості Н. Ето в основному складні і прості оксиди. У мінералах Nb пов'язаний з рідкоземельними елементами і з Та, Ti, Ca, Na, Th, Fe, Ba (тантало-ніобати, титанати і ін.). З 6 промислових мінералів найбільш важливі пірохлор і колумбіт . Промислові родовища Н. пов'язані з масивами лужних порід (наприклад, на Кольському півострові), їх корою вивітрювання, а також з гранітними пегматітамі. Важливе значення мають і розсипи тантало-ніобатов.

  В біосфері геохімія Н. вивчена погано. Встановлено лише, що в районах лужних порід, збагачених Н., він мігрує в вигляді з'єднань з органічними і ін. комплексами. Відомі мінерали Н., що утворюються при вивітрюванні лужних порід (мурманіт, герасимовськит і ін.). У морській воді лише близько 1 · 10 -9 % Н. по масі.

  В 60-і рр. 20 ст щорік в світі добувалося близько 1300 т Н., що в порівнянні з кларком свідчить про його слабке використання (слабкіше за більшість металів).

  Фізичні і хімічні властивості. Кристалічна решітка Н. об'емноцентрірованная кубічним з параметром а = 3,294 . Щільність 8,57 г/см 3 (20 °C); t пл 2500 °C; t кіп 4927 про C; тиск пари (у мм рт. ст. , 1 мм рт. ст. = 133,3 н/м 2 ) 1 · 10 -5 (2194 °С), 1 · 10 -4 (2355 °С), 6 · 10 -4 (при t пл ), 1 · 10 -3 (2539 °С). Теплопровідність в вт/ ( м-код · До ) при 0 °С і 600 °С відповідно 51,4 і 56,2, то ж в кал/ ( см · сік · °С ) 0,125 і 0,156. Питомий об'ємний електричний опір при 0°С 15,22 · 10 -8 ом · м-код (15,22 · 10 -6 ом · см ). температура переходу в надпровідний стан 9,25 До. Н. парамагнітен. Робота виходу електронів 4,01 ев .

  Чистий Н. легко обробляється тиском на холоду і зберігає задовільні механічні властивості при високих температурах. Його межа міцності при 20 і 800 °С відповідно рівний 342 і 312 Мн/м-код 2 , то ж в кгс/мм 2 34,2 і 31,2; відносне подовження при 20 і 800 °С відповідно 19,2 і 20,7%. Твердість чистого Н. по Брінеллю 450, технічного 750—1800 Мн/м-кодом 2 . Домішки деяких елементів, особливо водню, азоту, вуглецю і кисню, сильно погіршують пластичність і підвищують твердість Н.

  По хімічних властивостях Н. близький до танталу. Обидва вони надзвичайно стійкі (тантал більш ніж Н.) на холоду і при невеликому нагріванні до дії багатьох агресивних середовищ. Компактний Н. помітно окислюється на повітрі лише вище 200 °С. На Н. діють: хлор вище 200 °С, водень при 250 °С (інтенсивно при 360 °С), азот при 400 °С. Практично не діють на Н. очищені від домішки кисню рідкі Na, До і їх сплави, Li, Bi, Pb, Hg, Sn, вживані як рідиннометалеві теплоносії в атомних реакторах.

  Н. стійкий до дії багатьох кислот і розчинів солей. На нього не діють царська горілка, соляна і сірчана кислоти при 20 °С, азотна, фосфорна, хлорна кислоти, водні розчини аміаку. Плавикова кислота, її суміш з азотною кислотою і луги розчиняють Н. У кислих електролітах на Н. утворюється анодна окисна плівка з високими діелектричними характеристиками, що дозволяє використовувати Н. і його сплави з Ta замість дефіцитного чистого Та для виготовлення мініатюрних електролітичних конденсаторів великої ємності з малими струмами витоку.

  Конфігурація зовнішніх електронів атома Nb 4d 4 5s 1 . Найбільш стійкі з'єднання п'ятивалентного Н., але відомі і з'єднання з мірами окислення +4, +3, +2 і +1, до утворення яких Н. схильний більш, ніж тантал. Наприклад, в системі Н. — кисень встановлені фази: п'ятиокис Nb 2 O 5 ( t пл 1512 °С, колір білий), нестехеометрічеськие Nbo 2,47 і Nbo 2,42 , двоокис Nbo 2 ( t пл 2080 °С, колір чорний), окисел NBO ( t пл 1935 °С, колір сірий) і твердий розчин кисню в Н. Nbo 2 — напівпровідник; NBO, сплавлена в злиток, володіє металевим блиском і електропровідністю металевого типа, помітно випаровується при 1700 °С, інтенсивно — при 2300—2350 °С, що використовують для вакуумного очищення Н. від кисню; Nb 2 O 5 має кислотний характер; ніобієві кислоти не виділені у вигляді певних хімічних сполук, але відомі їх солі — ніобати .

  З воднем Nb утворює твердий розчин впровадження (до 10 ат.% Н) і гідрид складу від Nbh 0,7 до NBH. Розчинність водню в Nb (у г/см 3 ) при 20 °С 104, при 500 °С 74,4, при 900 °С 4,0. Поглинання водню оборотно: при нагріванні, особливо у вакуумі, водень виділяється; це використовують для очищення Nb від водню (що повідомляє металу крихкість) і для гідрування компактного Nb: крихкий гідрид подрібнюють і дегідрують у вакуумі, отримуючи чистий порошок Н. для електролітіч. конденсаторів. Розчинність азоту в Н. складає (% по масі) 0,005, 0,04 і 0,07 відповідно при 300, 1000 і 1500 °С. Рафінують Н. від азоту нагріванням в глибокому вакуумі вище 1900 °С або вакуумною плавкою. Вищий нітрид NBN світло-сірого кольору з жовтуватим відтінком; температура переходу в надпровідний стан 15,6 До. З вуглецем при 1800—2000 °С Nb утворює 3 фази: а-фаза — твердий розчин впровадження вуглецю в Н., що містить до 2 ат.% З при 2335 °С; b-фаза — Nb 2 C, d-фаза — NBC. З галогенами Н. дає галогеніди, оксигалогеніди і комплексні солі. З них найбільш важливі і краще за інших вивчені пентафторид Nbf 5 , пентахлорід Nbcl 5 , окситріхлорід Nboci 3 , фтороніобат калія K 2 Nbf 7 і оксифтороніобат калія K 2 Nbof 7 · H 2 O. Невелика відмінність в тиску пари Nbcl 5 і Tacl 5 використовують для їх вельми повного розділення і очищення методом ректифікації.

  Здобуття і вживання. Руди Nb — зазвичай комплексні і бідні Nb, хоча їх запаси набагато перевершують запаси руд Та (див. Ніобієві руди ). Рудні концентрати містять Nb 2 O 5 : пірохлоровиє — не менше 37%, лопарітовиє — 8%, колумбітовиє — 30—60%. Велику їх частину переробляють алюміно- або силікотермічеським відновленням на фероніобій (40—60% Nb) і ферротанталоніобій. Металеві Nb отримують з рудних концентратів за складною технологією в три стадії: 1) розтин концентрату, 2) розділення Nb і Ta і здобуття їх чистих хімічних сполук, 3) відновлення і рафінування металевого Н. і його сплавів. Основні промислові методи виробництва Nb і сплавів — алюмінотермічеський, натрієтермічеський, карботермічеський: з суміші Nb 2 O 5 і сажі спочатку отримують при 1800 °С у атмосфері водню карбід, потім з суміші карбіду і п'ятиокису при 1800—1900 °С у вакуумі — метал; для здобуття сплавів Н. у цю суміш додають оксиди легуючих металів (див. Ніобієві сплави ); по іншому варіанту Н. відновлюють при високій температурі в вакуумі безпосередньо з Nb 2 O 5 сажею. Натрієтермічеським способом Н. відновлюють натрієм з K 2 Nbf 7 , алюмінотермічеським— алюмінієм з Nb 2 O 5 . Компактний метал (сплав) виробляють методами порошкової металургії, спекая спресовані з порошків штабіки у вакуумі при 2300 °С, або електроннопроменевою і вакуумною дуговою плавкою; монокристали Nb високої чистоти — бестігельной електроннопроменевою зонною плавкою.

  Вживання і виробництво Н. швидко зростають, що обумовлене поєднанням таких його властивостей, як тугоплавкість, малий перетин захвату теплових нейтронів (1,15 би ), здатність утворювати жароміцні, надпровідні і ін. сплави, корозійна стійкість, геттерниє властивості, низька робота виходу електронів, хороші оброблюваність тиском на холоду і зварюваність. Основні сфери застосування Н.: ракетобудування, авіаційна і космічна техніка, радіотехніка, електроніка, хим.(хімічний) апаратобудування, атомна енергетика. З чистого Н. або його сплавів виготовляють деталі літальних апаратів; оболонки для уранових і плутонієвих тепловиділяючих елементів; контейнери і труби для рідких металів; деталі електричних конденсаторів; «гарячу» арматуру електронних (для радарних установок) і потужних генераторних ламп (аноди, катоди, сітки і ін.); коррозіонноустойчивую апаратуру в хімічній промисловості. Ніобієм легують ін. кольорові метали, у тому числі уран. Н. застосовують в кріотронах — надпровідних елементах обчислювальних машин, а станнід Nb 3 Sn і сплави Nb з Ti і Zr — для виготовлення надпровідних соленоїдів. Nb і сплави з Ta у багатьох випадках замінюють Ta, що дає великий економічний ефект (Nb дешевше і майже удвічі легше, ніж Ta). Фероніобій вводять в неіржавіючих хромонікелевих стали для запобігання їх межкрісталлітной корозії і руйнування і в сталі ін. типів для поліпшення їх властивостей. Застосовують і з'єднання Н.: Nb 2 O 5 (каталізатор в хімічній промисловості; у виробництві вогнетривів, керметов, спеціальних стекол), нітрид, карбід, ніобати .

  Літ.: Зелікман А. Н., Мєєрсон Р. А., Металургія рідких металів, М., 1973; Ніобій, тантал і їх сплави, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1966; Недюха І. М., Чорне Ст Р., Ніобій — метал космічної ери, Київ, 1965; Ніобій і тантал. Сб. [перевідних ст.], під ред. О. П. Колчина, М., 1961; Філянд М. А., Семенова Е. І., Властивості рідких елементів [Довідник], 2 видавництва, М., 1964.

  О. П. Колчин.