Атомная масса ниобий. Физические свойства ниобия Nb при различных температурах

Краткая историческая справка

Элемент ниобий (колумбий) открыл в 1801 году английский химик Гатчет в минерале, найденном в Колумбии, и назвал его колумбитом. В 1802 году шведский химик Экеберг в двух минералах, найденных в Финляндии и Швеции, открыл элемент, названный им танталом, что символизировало трудности («муки Тантала»), которые встретились при попытке растворить оксид нового элемента в кислоте. Некоторое время оба открытых элемента считали тождественными. В 1844 году было доказано немецким химиком Розе, что минерал колумбит содержит два различных элемента: ниобий (названный по имени мифологической богини слез Ниобы – дочери Тантала) и тантал. В 1865 году Мариньяк открыл способ разделения тантала и ниобия, основанный на различии в растворимости комплексных фтористых солей этих элементов. Этот способ приобрел промышленное значение и используется еще и в настоящее время.

Попытки получить тантал и ниобий в форме чистых компактных металлов долгое время были безуспешными. Тантал в чистом виде впервые получен в 1903 году, ниобий – в 1907 году Больтоном. В промышленном масштабе тантал начали выпускать в 1922 году, а ниобий – в конце тридцатых годов.

Тантал и ниобий относятся к V побочной группе периодической системы элементов. Они обладают близкими химическими и физическими свойствами.

Физические свойства. Тантал и ниобий - металлы серо-стального цвета. Тантал имеет слегка синеватый оттенок. Чистые металлы пластичны и могут быть прокатаны в тонкий лист в холодном состоянии без промежуточных отжигов.

Важнейшие физические свойства тантала и ниобия приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Свойства тантала и ниобия

Среди приведенных свойств (табл. 2.1) необходимо отметить высокие температуры плавления и кипения, более низкую работу выхода электронов по сравнению с другими тугоплавкими металлами.

Химические свойства. При обычной температуре тантал и ниобий устойчивы на воздухе. Начало окисления наблюдается при нагревании до 200-300 0 С. Характерное свойство тантала и ниобия – способность их поглащать газы – водород, азот и кислород. Небольшие примеси этих элементов сильно влияют на механические и электрические свойства металлов. Тантал и ниобий устойчивы против действия соляной, серной, азотной, фосфорной и органических кислот любой концентрации на холоду и при нагревании до 100 – 150 о С. По стойкости в горячих соляной и серной кислотах тантал превосходит ниобий. Металлы растворяются в плавиковой кислоте и особенно интенсивно – в смеси плавиковой и азотной кислот. Менее устойчивы тантал и ниобий в щелочах. Горячие растворы едких щелочей заметно разъедают металлы; в расплавленных щелочах и соде они быстро окисляются с образованием натриевых солей ниобиевой и танталовой кислот.

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 93 Nb.

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/см 3 (20 °С); t пл 2500 °С; t кип 4927 °С; давление пара (в 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). 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/м 2 , то же в кгс/мм 2 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/м 2 . 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 4d 4 5s 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 Nb 2 O 5 (t пл 1512 °С, цвет белый), нестехеометрические NbO 2,47 и NbO 2,42, оксид NbO 2 (t пл 2080 °С, цвет черный), оксид NbO (t пл 1935 °С, цвет серый) и твердый раствор кислорода в Ниобии. NbO 2 - 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; Nb 2 O 5 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/см 3) 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 - Nb 2 C, δ-фаза - NbC. С галогенами Ниобий дает галогениды, оксигалогениды и комплексные соли. Из них наиболее важны пентафторид NbF 5 , пентахлорид NbCl 5 , окситрихлорид NbOCl 3 , фторониобат калия K 2 NbF 7 и оксифторониобат калия K 2 NbOF 7 ·Н 2 О. Небольшое различие в давлении паров NbCl 5 и ТаСl 5 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 Nb 2 O 5: 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 Nb 2 O 5 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 Nb 2 O 5 сажей. Натриетермическим способом Ниобий восстанавливают натрием из K 2 NbF 7 , алюминотермическим - алюминием из Nb 2 O 5 . 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 Nb 3 Sn 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: Nb 2 O 5 (катализатор в химической промышленности; в производстве огнеупоров, керметов, специальных стекол), нитрид, карбид, ниобаты.

Приведены физические свойства ниобия Nb в зависимости от температуры в диапазоне от -223 до 2527°С. Рассмотрены следующие свойства твердого и жидкого ниобия:

• плотность ниобия d ;
• удельная массовая теплоемкость C p ;
• коэффициент температуропроводности a ;
• коэффициент теплопроводности λ ;
• удельное электрическое сопротивление ρ ;
• коэффициент линейного теплового расширения α .

Физические свойства ниобия по-разному зависят от температуры. Ее изменение оказывает наибольшее влияние на удельное электрическое сопротивление ниобия. Например, при повышении температуры этого металла с 0°С до точки плавления, его удельное сопротивление увеличивается более чем в 8 раз (до величины 109·10 -8 Ом·м).

Ниобий представляет собой пластичный тугоплавкий металл с температурой плавления 2477°С и плотностью 8570 кг/м 3 (при 20°С). Температура кипения ниобия равна 4744°С, структура решетки объемно центрированная кубическая с периодом 0,33 нм.

Плотность ниобия уменьшается при нагревании . Ниобий в расплавленном состоянии имеет плотность существенно ниже, чем в твердом: при температуре 2477°С плотность жидкого ниобия равна 7580 кг/м 3 .

Удельная теплоемкость ниобия при комнатной температуре равна 268 Дж/(кг·град) и при нагревании увеличивается. Отметим, что при плавлении величина этого физического свойства ниобия изменяется незначительно, а в жидком состоянии его удельная теплоемкость в 1,7 раза больше классического значения 3R.

Теплопроводность ниобия при 0°С равна 48 Вт/(м·град) , она близка по величине . Температурная зависимость коэффициента теплопроводности ниобия характеризуется пологим минимумом в области комнатных температур и положительным температурным коэффициентом — выше 230°С. При приближении к точке плавления ниобия его теплопроводность возрастает.

Температуропроводность ниобия также имеет пологий минимум вблизи комнатных температур и далее пологий максимум при 900…1500°С. Коэффициент теплового линейного расширения ниобия относительно имеет довольно низкое значение. Он сравним по значению с коэффициентом расширения таких металлов, как вольфрам, иридий и .

Существует довольно большое количество элементов, которые при соединении с другими веществами образуют сплавы с особыми эксплуатационными качествами. Примером можно назвать ниобий – элемент, который получил сначала название «колумбий» (по названию реки, где он впервые найден), но после был переименован. Ниобий – металл с довольно необычными свойствами, о которых далее поговорим подробнее.

Получение элемента

При рассмотрении свойств ниобия следует отметить, что содержание этого металла на тонну породы относительно невелико, составляет примерно 18 грамм. Именно поэтому после его открытия было предпринято довольно много попыток получения металла искусственным путем. За счет близкого химического состава это вещество достаточно часто добывается вместе с танталом.

Месторождения ниобия расположены практически по всему миру. Примером назовем рудники в Конго, Руанде, Бразилии и в многих других странах. Однако этот элемент нельзя назвать распространенным, во многих регионах он практически не встречается даже в малой концентрации.

Относительно небольшая концентрация вещества в земной породе усугубляется сложностями, возникающими при его получении из концентрата. Стоит учитывать, что ниобий НБШ получить можно только из породы, которая насыщена танталом. Особенностями производственного процесса назовем нижеприведенные моменты:

1. Для начала на завод поставляется концентрированная руда, которая проходит несколько этапов очистки. При производстве ниобия проводится разделение получаемой руды на чистые элементы, среди которых и тантал.
2. Завершающий процесс переработки заключается в рафинировании металла.

Несмотря на возникающие сложности при добыче и переработке рассматриваемой руды, с каждым годом объем производства рассматриваемого сплава существенно возрастает. Это связано с тем, что металл обладает исключительными эксплуатационными качествами и получил большое распространение в самых различных отраслях промышленности.

Оксиды ниобия

Рассматриваемый химический элемент может стать основой различных соединений. Самым распространенным можно назвать пятиокись ниобия. Среди особенностей данного соединения можно отметить нижеприведенные моменты:

1. Оксид ниобия представлен белым кристаллическим порошком, который имеет кремовый оттенок.
2. Вещество не растворяется в воде.
3. Получаемое вещество сохраняет свою структуру при смешивании с большинства кислотами.

К особенностям пентаоксида ниобия также можно отнести следующие свойства:

1. Повышенная прочность.
2. Высокая тугоплавкость. Вещество способно выдерживать температуру до 1490 градусов Цельсия.
3. При нагреве поверхность окисляется.
4. Реагирует на воздействие хлора, может восстанавливаться водородом.

Гидроксид ниобия в большинстве случаев применяется для получения высоколегированных марок стали, которые обладают довольно привлекательными эксплуатационными качествами.

Физические и химические свойства

Ниобий имеет химические свойства схожие с химическими свойствами тантала. Рассматривая основные характеристики ниобия, нужно уделить внимание нижеприведенным моментам:

1. Устойчивость к воздействию различных видов коррозии. Сплавы, получаемые при внедрении данного элемента в состав, обладают высокими коррозионностойкими качествами.
2. Рассматриваемый химический элемент демонстрирует высокий показатель температуры плавления. Как показывает практика, у большинства сплавов температура плавления более 1 400 градусов Цельсия. это усложняет процесс обработки, но делает металлы незаменимы в различных сферах деятельности.
3. Основные физические свойства также характеризуются легкостью сваривания получаемых сплавов.
4. При отрицательных температурах структура элемента остается практически неизменной, что позволяет сохранить эксплуатационные свойства металла.
5. Особое строение атома ниобия определяет сверхпроводящие качества материала.
6. Атомная масса составляет 92,9, валентность зависит от особенностей состава.

Основным достоинством вещества считается именно тугоплавкость. Именно поэтому он стал применяться в самых различных отраслях промышленности. Плавление вещества проходит при температуре около 2 500 градусов Цельсия. Некоторые сплавы и вовсе плавятся при рекордной температуре 4 500 градусов Цельсия. Плотность вещества достаточно высокая, составляет 8,57 грамма на кубический сантиметр. Стоит учитывать, что металл характеризуется парамагнитностью.

На кристаллическую решетку не оказывают воздействия следующие кислоты:

1. серная;
2. соляная;
3. фосфорная;
4. хлорная.

Не оказывает воздействие на металл и водные растворы хлора. При определенном воздействии на металл на его поверхности образуется диэлектрическая оксидная пленка. Именно поэтому металл стал использоваться при производстве миниатюрных высокоемкостных конденсаторов, которые также изготавливаются из более дорогостоящего тантала.

Применение ниобия

Изготавливаются самые различные изделия из ниобия, большая часть которых связана с выпуском авиационной техники. Примером можно назвать применение ниобия в изготовлении деталей, которые устанавливаются при сборе ракет или самолетов. Кроме этого, можно выделить следующее применение данного элемента:

1. Производство элементов, из которых изготавливают радарные установки.
2. Как ранее было отмечено, для получения более дешевых емкостных электрических конденсаторов может применяться рассматриваемый сплав.
3. Катоды, аноды из фольги тоже изготавливают при применении рассматриваемого элемента, что связано с высокой жаропрочностью.
4. Часто можно встретить конструкции мощных генераторных ламп, которые имеют внутри сетку. Для того чтобы эта сетка выдержала воздействие высокой температуры ее изготавливают из рассматриваемого сплава.

Высокие физические и химические качества определяют применение ниобия при производстве труб для транспортировки жидких металлов. Кроме этого, сплавы применяются для получения контейнеров самого различного предназначения.

Сплавы с ниобием

Рассматривая подобные сплавы следует учитывать, что часто этот элемент применяется для производства феррониобия. Этот материал получил широкое применение в литейных отраслях индустрии, а также при изготовлении электронных покрытий. В состав входит:

1. железо;
2. ниобий с танталом;
3. кремний;
4. алюминий;
5. углерод;
6. сера;
7. фосфор;
8. титан.

Концентрация основных элементов может варьироваться в достаточно большом диапазоне, от чего и зависят эксплуатационные качества материала.

Альтернативным сплавов феррониобия можно назвать ниобий 5ВМЦ. При его получении в качестве легирующих элементов используется вольфрам, цирконий и молибден. В большинстве случаев этот спав используется для производства полуфабрикатов.

В заключение отметим, что ниобий в некоторых странах применяется при производстве монет. Это связано с достаточно высокой стоимостью материала. При массовом выпуске сплавов, которые в качестве основного элемента имеют в составе ниобий, создаются своеобразные слитки.