Мы часть Московского инновационного кластера и инновационной экосистемы

Ниобий

Атомный номер:41
Символ обозначения:Nb
Атомная масса:92,9064
Плотность:8,57 г/см3

Ниобий — химический элемент, который относится к простым веществам. Он представляет собой металл серебристо-серого оттенка. Известными месторождениями признаны такие страны как США, Япония, Канада и Россия. К основным минералам относят колумбиты, пирохлоры и лопариты.

Ниобий — металл, названный в честь дочери мифического героя Тантала. Ученые выяснили: по свойствам элемент близок к Танталу.

Его используют для производства и покрытия деталей и запчастей ракет, нефтеперегонной и химической аппаратуры, реактивных двигателей и ядерных реакторов. Сплавы ниобия применяют для потребностей радиоэлектроники.

ниобий

Ниобий — незаменимый компонент для получения жаростойкой и прочной стали. Он отлично повышает ее эксплуатационные свойства и устойчивость к коррозии. В чистом виде Ниобий находится в земной коре (2•10-3 %).

Ниобий как металл и элемент таблицы Менделеева по чистой случайности был открыт два раза: в 1801 и 1844 году. Первенство закрепилось за Чарльзом Хатчетом, выделившим окисел ниобия. Свой элемент он назвал «колумбий» в честь места его открытия — Колумбии.

Через год эстафету продолжил шведский химик Экеберг. Он смог извлечь из колумбита новый элемент — тантал (Ta). Так получилось, что по свойствам он был идентичен открытому колумбию. Вследствие этого, два разных элемента с похожими свойствами на протяжении более 40 лет многие ученые принимали за один и тот же элемент.

Только немецкому ученому Генриху Розе в 1844 году открылась правда: он обнаружил два окисла разных металлов. Их схожесть удивила его, поэтому один из них он решил назвать в честь дочери известного мифического героя Тантала — Ниобы. К сожалению, Розе, как и его английский собрат Хатчет, не смог получить ниобий в чистом виде.

С этим заданием «на отлично» справился шведский химик Бломстранд. Он смог провести опыт путем восстановительной реакции водорода и хлорида ниобия. В итоге, мир увидел элемент в чистом виде.

Позже еще два ученых смогли повторить его успех, применяя различные реакции. Так, науке открылись два новых способа получения Nb: при помощи восстановления алюминием и углеродом.

Долгое время в научной среде все еще витали споры об имени элемента. В США и Великобритании его продолжали называть «колумбий», а в других странах ему приклеили название «ниобий». Эту путаницу разрешил Международный союз чистой и прикладной химии. В 1950 году элемент «ниобий» получил официальное имя, а его минералу оставили почетное звание «колумбит».

Физические свойства

  • прочный металл с блестящей поверхностью;
  • встречается в рассеянном и минеральном виде;
  • устойчив к коррозии;
  • имеет кубическую кристаллическую решетку.

Химические свойства

Твердость и плотность ниобий демонстрирует на уровень выше, чем другие тугоплавкие металлы. Это оставляет значительный отпечаток на его химической природе. В частности, кроме плавиковой кислоты, на элемент не действуют другие кислоты. Однако во время реакции с ними Nb покрывается окисной пленкой. Глубина пленки зависит от действия температуры:

  • от 150 до 200 °C окисляется верхний слой;
  • от 900 до 1200 °C — внутренний.

Элемент способен реагировать на многие неметаллы. Чем выше температура, тем активнее он вступает в реакцию. В результате получают водород, галогены, серу, азот и углерод. Сам Nb может иметь при этом разную валентность: от 2 до 5 степени.

При 5-й валентности металл может образовывать соли, анионы или катионы. Это говорит о том, что он является амфотерным элементом.

Сделаем ремарку: соли ниобия получили названия ниобаты. Их можно получить с помощью обменных реакций во время его плавки с содой. Такая реакция имеет такой вид: Nb2O5 + 3Na2CO4 > 2Na3NbО4 + 3CO2

Наука хорошо изучила метаниобиевую соль, диниобат и пентаниобат. Более того, доказано, что пентагалогенид ниобия быстро растворяется в органическом растворителе (спирте, эфире и хлороформе). Однако при взаимодействии с водой он полностью разлагается и поддается гидролизу, в результате которого и получают ниобат: NbCl5 + 4Н2О > 5HCl + Н3NbO4

Если нужно предотвратить реакцию гидролиза, в водный раствор можно добавить сильнодействующую кислоту. Т.е., пентагалогенид ниобия не подвергается гидролизу и полностью растворяется.

Также элемент способен образовывать двойные соли (фторниобаты) и комплексные соединения. Легче всего он образует фтористые вещества. К слову: двойные соли получают путем добавления фторида любого металла в раствор плавиковой и ниобцевой кислоты.

Главным химическим свойством ниобия считают его возможность реагировать с другими металлами. По сути, ниобий — магнит, который активно используют в электронике. Поэтому реакции с другими металлами позволяют увеличить это свойство и изготовить детали с высоким магнитным полем.

Также металл считают отличным сверхпроводящим материалом. Такое свойство впервые обнаружил голландский физик Камерлинг-Оннес. В 1911 году во время эксперимента элемент показал отсутствие электросопротивления во время понижения температуры проводника.

Механические свойства ниобия различных сортов при 20°С

Способ изготовления и состояние Твердость в литом состоянии кГ/мм2 σb
кГ/мм2(предел прочности)
σ0,2
Кг/мм2(предел прочности)
δ, % (относительное удлинение) ψ, % (относительное сужение)
HB HV
Спеченный:нагартованный - 116-145 70 - 1-2 -
рекристаллизованный - - 24-35 - 16-50 -
Дуговой плавки:Нагартованный - 120-190 62,5 52,5 12,5 60,0
рекристаллизованный - - 32-35 22,5-24 50 88,0
Электроннолучевой: плавки нагартованный 60-65 90-100 42,5 35,5 23,0 89,0
Рекристаллизованный - - 22,5 15 60,0 96,0

Ниобий нашел свое применение в 

  • авиации, радиотехнике и машиностроении;
  • химической промышленности;
  • ядерной энергетике;
  • авиации и космонавтике.

Одним из самых уникальных свойств ниобия является его практически нулевое воздействие с ураном до отметки в 1100 °C. Поэтому его можно применять для удовлетворения потребностей атомной промышленности наряду с алюминием, цирконием или бериллием.

Более того, показатель искусственной радиоактивности элемента также невысок. Это говорит о том, что элемент прекрасно подходит для изготовления контейнеров для хранения радиоактивных отходов.

Получение ниобия

Ниобий металлический получают из руды. Она должна пройти не одну стадию переработки, чтобы получить качественный элемент в чистом виде. Руда ниобия в общих случаях позволяет изъять небольшое количество металла. Наибольшие залежи содержат рудные концентраты.

Способы получения металлического ниобия:

  • путем обогащения руды.

В результате получают концентрат, из которого выделяют сплав при помощи соды или едкого натрия. Такой сплав выщелачивают до получения нерастворимого осадка — окиси ниобия;

  • фторидным.

Такой метод предложил ученый Ж. Ш. Галиссар де Мариньяк. В научном обществе его причисляют к одним из самих сложных методов получения ниобия. Более того, он не позволяет полностью провести разделение Ta и Nb;

  • ректификации галогенида, избирательной экстракции и ионного обмена.

С их помощью можно получить хлорид и окисел Nb с 5 валентностью.

Разделить тантал и ниобий можно и с помощью восстановительной реакции Al, углем, натрием или карбидом ниобия. Последний получают при помощи углерода.

После получения порошкообразного ниобия, проводят реакцию по его превращению в монолит. Это позволит ему обрести свойства пластичности, компактности и легкости при дальнейшей обработке.

Также получить металл можно при помощи метода порошковой металлургии. Для этого под высоким давлением прессуют специальные штабики с квадратным или прямоугольным сечением. Их помещают в вакуум, температура в котором доходит до 2300 °C. После их спечения, они поддаются соединению в прутки и дальнейшей плавке в дуговой вакуумной печи.

Для получения пластичного монокристаллического Nb применяют метод электронно-лучевой плавки с бестигельной зоной. Он заключается в направлении на порошок мощного заряда электронов, которые вызывают процесс плавления. В итоге, металл стекает на слиток и извлекается из рабочих камер.