Niobiu

Niobiu
←  Zirconiu | Molibden  →
41 V ↑ Nb ↓ Ta 41Nb _
Aspectul unei substanțe simple
Cristale de niobiu
Proprietățile atomului
Nume, simbol, număr	Niobiu / Niobiu (Nb), 41
Grup , punct , bloc	5 (învechit 5), 5, element d
Masa atomica ( masa molara )	92.90638(2) [1]  a. e. m.  ( g / mol )
Configuratie electronica	[Kr] 4d 4 5s 1
Raza atomului	ora 146
Proprietăți chimice
raza covalentă	ora 164
Raza ionică	(+5e)69  pm
Electronegativitatea	1.6 (scara Pauling)
Potențialul electrodului	0
Stări de oxidare	+1, +2, +3, +4, +5
Energia de ionizare (primul electron)	663,6(6,88)  kJ / mol  ( eV )
Proprietățile termodinamice ale unei substanțe simple
Densitate (la n.a. )	8,57 g/cm³
Temperatură de topire	2741K (2468°C, 4474°F)
Temperatura de fierbere	5015K (4742°C, 8567°F)
Oud. căldură de fuziune	26,8 kJ/mol
Oud. căldură de evaporare	680 kJ/mol
Capacitate de căldură molară	24,44 [2]  J/(K mol)
Volumul molar	10,8  cm³ / mol
Rețeaua cristalină a unei substanțe simple
Structura de zăbrele	Corp cubic centrat
Parametrii rețelei	3.301Å  _
Debye temperatura	275K  _
Alte caracteristici
Conductivitate termică	(300 K) 53,7 W/(m K)
numar CAS	7440-03-1

Niobiu ( simbol chimic  - Nb , din lat.  Niobiu , nume învechit - columbium ) - un element chimic al grupului al 5-lea (conform clasificării învechite  - un subgrup lateral al grupului al cincilea, VB), a cincea perioadă a sistemului periodic a elementelor chimice ale lui D. I. Mendeleev , cu număr atomic 41.

Substanța simplă niobiul este un metal de tranziție de culoare gri-argintiu  strălucitor cu o rețea cristalină cubică centrată pe corp de tip α-Fe, a = 0,3294. Pentru niobiu, sunt cunoscuți izotopi cu numere de masă de la 81 la 113.

Istorie

Niobiul a fost descoperit în 1801 de omul de știință englez Charles Hatchet într-un mineral trimis înapoi în 1734 la British Museum din Massachusetts de John Winthrop (nepotul lui John Winthrop Jr. ). Mineralul a fost numit columbit , iar elementul chimic a fost numit columbium (Cb) în onoarea țării din care a fost obținută proba ( Columbia  - denumirea solemnă a Statelor Unite) [3] .

În 1802, A. G. Ekeberg a descoperit tantalul , care coincidea în aproape toate proprietățile chimice cu niobiul și, prin urmare, multă vreme s-a crezut că acesta este unul și același element. Abia în 1844, chimistul german Heinrich Rose a stabilit că era un element diferit de tantal și l-a redenumit „niobiu” în onoarea fiicei lui Tantalus , Niobe , care a subliniat asemănările dintre elemente. Cu toate acestea, în unele țări (SUA, Anglia), denumirea originală a elementului, columbium, a fost păstrată pentru o lungă perioadă de timp și abia în 1950, prin decizia Uniunii Internaționale de Chimie Pură și Aplicată ( IUPAC , IUPAC), a fost elementul căruia i sa primit în cele din urmă denumirea de niobiu.

Pentru prima dată, niobiul pur a fost obținut la sfârșitul secolului al XIX-lea de către chimistul francez Henri Moissan prin mijloace electrotermale: a redus oxidul de niobiu cu carbon într-un cuptor electric [4] .

Fiind în natură

Clarke de niobiu - 18 g/t. Conținutul de niobiu crește de la ultramafic (0,2 g/t Nb) la roci acide (24 g/t Nb). Niobiul este întotdeauna însoțit de tantal. Proprietățile chimice apropiate ale niobiului și tantalului determină prezența lor comună în aceleași minerale și participarea la procesele geologice comune. Niobiul este capabil să înlocuiască titanul într-un număr de minerale care conțin titan ( sfenă , ortit , perovskit , biotit ). Forma de găsire a niobiului în natură poate fi diferită: împrăștiată (în mineralele formatoare de roci și accesorii ale rocilor magmatice) și minerală. În total, sunt cunoscute peste o sută de minerale care conțin niobiu. Dintre acestea, doar câteva sunt de importanță industrială: columbit-tantalit (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6 , piroclor (Na, Ca, TR, U) 2 (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 ( OH, F ) (Nb 2 O 5 0 - 63%), loparit (Na, Ca, Ce) (Ti, Nb) O 3 ((Nb, Ta) 2 O 5 8 - 10%), euxenită, torolit, ilmenorutil sunt folosite uneori, precum și minerale care conțin niobiu ca impurități ( ilmenit , casiterit , wolframit ). În rocile alcaline - ultrabazice, niobiul este dispersat în minerale precum perovskitul și eudialit. In procesele exogene, mineralele de niobiu si tantal, fiind stabile, se pot acumula in placerii deluvio-aluvionali (placerii columbit), uneori in bauxite ale crustei de intemperii. Concentrația de niobiu în apa de mare este 1⋅10 −5 mg/l [5] .

Depozite

Zăcămintele de niobiu sunt situate în SUA , Japonia [6] , Rusia ( Peninsula Kola ), Brazilia, Canada [7] .

Izotopi

Niobiul natural constă dintr-un singur izotop stabil  , 93 Nb. Toți ceilalți izotopi de niobiu obținuți artificial cu numere de masă de la 81 la 113 sunt radioactivi (se cunosc un total de 32). Cel mai lung izotop este 92 Nb , cu un timp de înjumătățire de 34,7 milioane de ani.

De asemenea, sunt cunoscute 25 de stări metastabile ale nucleelor ​​diferiților săi izotopi.

Proprietăți fizice

Configurația electronică completă a atomului de niobiu este: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 4 5s 1

Niobiul este un metal de tranziție ductil , refractar , ale cărui proprietăți fizice depind de temperatură. Punct de topire 2468 ° C și densitate 8,57 g/cm 3 (la 20 ° C). Punctul de fierbere al niobiului este de 4742 °C, structura rețelei este cubică centrată pe corp cu o perioadă de 0,33 nm.

Proprietăți chimice

Din punct de vedere chimic, niobiul este destul de stabil, dar inferior în acest sens tantalului . Practic nu este afectat de acizii clorhidric , ortofosforic , sulfuric diluat , azotic . Metalul se dizolvă în acid fluorhidric HF , un amestec de HF și HNO3 , soluții concentrate de alcalii caustici , precum și în acid sulfuric concentrat atunci când este încălzit peste 150 ° C. Când este calcinat în aer, se oxidează la Nb 2 O 5 . Aproximativ 10 modificări cristaline au fost descrise pentru acest oxid . La presiune obișnuită, forma β a Nb 2 O 5 este stabilă .

• Când Nb 2 O 5 este fuzionat cu diverși oxizi, se obțin niobați: Ti 2 Nb 10 O 29 , FeNb 49 O 124 . Niobații pot fi considerați săruri ale acizilor niobi ipotetici. Ele sunt împărțite în metaniobați MNbO 3 , ortoniobați M 3 NbO 4 , pironiobați M 4 Nb 2 O 7 sau poliniobați M 2 O nNb 2 O 5 (M este un cation încărcat unic , n = 2-12). Sunt cunoscuți niobații de cationi cu două și trei încărcări.
• Niobații reacționează cu HF , topituri de hidrofluoruri de metale alcaline (KHF 2 ) și amoniu . Unii niobați cu M 2 O/Nb 2 O 5 mari hidrolizează :

• Niobiul formează NbO 2 , NbO , o serie de oxizi intermediari între NbO 2,42 și NbO 2,50 și similare ca structură cu forma β a Nb 2 O 5 .
• Cu halogeni , niobiul formează pentahalogenuri NbHal 5 , tetrahalogenuri NbHal 4 și faze NbHal 2,67  -NbHal 3+x care conțin grupări Nb 3 sau Nb 2 . Pentahalogenurile de niobiu sunt ușor hidrolizate de apă.
• În prezența vaporilor de apă și a oxigenului, NbCl 5 și NbBr 5 formează oxihalogenuri NbOCl 3 și NbOBr 3 - substanțe asemănătoare bumbacului  liber .
• Când niobiul și grafitul interacționează , se formează carburi Nb2C și NbC , compuși solizi rezistenți la căldură. În sistemul Nb - N, există mai multe faze de compoziție variabilă și nitruri Nb 2 N și NbN. Niobiul se comportă similar în sistemele cu fosfor și arsen . În interacțiunea niobiului cu sulful s-au obținut sulfuri : NbS, NbS 2 și NbS 3 . Au fost sintetizate fluoruri duble Nb și potasiu ( sodiu ) — K 2 [NbF 7 ].
• Nu a fost încă posibilă izolarea electrochimică a niobiului din soluții apoase. Posibilă producție electrochimică de aliaje care conțin niobiu. Niobiul metalic poate fi izolat prin electroliza topiturii de sare anhidră.

Obținerea

Minereurile de niobiu sunt de obicei complexe și sărace în metal. Concentratele de minereu conțin Nb 2 O 5 : piroclor  - nu mai puțin de 37%, loparit  - 8%, columbit  - 30-60%. Cele mai multe dintre ele sunt procesate prin reducere alumino- sau silicotermă în ferioniobiu (40–60% Nb) și ferotantaloniobiu. Niobiul metalic este obținut din concentrate de minereu folosind o tehnologie complexă în trei etape:

1. deschiderea concentratului,
2. separarea niobiului și tantalului și obținerea compușilor lor chimici puri,
3. recuperarea și rafinarea niobiului metalic și a aliajelor acestuia.

Principalele metode industriale de producere a niobiului și a aliajelor sale sunt aluminoterme, sodiu-termice, carbotermice: dintr-un amestec de Nb 2 O 5 și funingine , carbura se obține mai întâi la 1800 ° C în atmosferă de hidrogen , apoi dintr-un amestec de carbură și pentoxid la 1800-1900 ° C în vid - metal ; pentru a obține aliaje de niobiu, la acest amestec se adaugă oxizi ai metalelor de aliere; în mod alternativ, niobiul este redus la temperatură ridicată în vid direct din Nb2O5 negru de fum . Niobiul se reduce prin metoda termică cu sodiu cu sodiu din K 2 NbF 7 , prin metoda aluminotermă cu aluminiu din Nb 2 O 5 . Un metal compact ( aliaj ) este produs prin metode de metalurgie a pulberilor, bare de sinterizare presate din pulberi în vid la 2300 °C sau prin topire cu fascicul de electroni și arc în vid; monocristale de niobiu de înaltă puritate - topire cu fascicul de electroni fără creuzet .

Aplicație

Utilizarea și producția de niobiu crește rapid, ceea ce se datorează unei combinații a proprietăților sale, cum ar fi refractaritatea, o secțiune transversală mică de captare a neutronilor termici , capacitatea de a forma aliaje rezistente la căldură, supraconductoare și alte aliaje, rezistență la coroziune, proprietăți getter, Funcție scăzută de lucru cu electroni , bună lucrabilitate la rece și sudabilitate. Principalele domenii de aplicare ale niobiului: știința rachetelor, aviația și tehnologia spațială, inginerie radio, electronică, construcție de aparate chimice, inginerie nucleară.

Aplicații ale niobiului metalic

• Piesele de aeronave sunt fabricate din niobiu pur sau din aliajele acestuia; carcase pentru elemente de combustibil cu uraniu și plutoniu; Recipiente și țevi pentru metale lichide; detalii despre condensatoare electrolitice ; fitinguri „la cald” de electronice (pentru instalații radar) și lămpi generatoare puternice ( anozi , catozi , grile etc.); echipamente rezistente la coroziune în industria chimică.
• Alte metale neferoase sunt aliate cu niobiu , inclusiv uraniu . De exemplu, aluminiul , dacă se introduce doar 0,05% niobiu în el, nu reacționează deloc cu alcalii , desi in conditii normale se dizolva in ele. Un aliaj de niobiu cu 20% cupru are o conductivitate electrică ridicată și, în același timp, este de două ori mai dur și mai puternic decât cuprul pur .
• Niobiul este folosit în criotroni  - elemente supraconductoare ale computerelor. Niobiul este, de asemenea, cunoscut pentru utilizarea sa în structurile acceleratoare ale Large Hadron Collider [9] .
• Niobiul și tantalul sunt folosite pentru a produce condensatoare electrolitice cu capacitate specifică mare. Tantalul permite producerea de condensatoare de calitate superioară decât niobiul metalic. Cu toate acestea, condensatoarele cu oxid de niobiu sunt cele mai fiabile și rezistente la foc.
• Austria , Insulele Virgine Britanice , Canada , Letonia , Liberia , Luxemburg , Palau și Sierra Leone emit monede comemorative bimetalice folosind niobiu [10] [11] .

• 25 € „700 de ani de săli în Tirol”

• 25 € „150 de ani de la calea ferată alpină”

• 25 EUR „50 de ani de televiziune”

• 25 € „Bionic”

Intermetalice și aliaje de niobiu

• Stanniura Nb 3 Sn ( stannidă de triniobiu , cunoscută și sub numele de aliaj de niobiu-staniu), germanida Nb 3 Ge ( germaniutriniobiu ), nitrură de NbN și aliajele de niobiu cu titan ( niobiu-titan ) și zirconiu sunt folosite pentru a face solenoizi supraconductori . Astfel, înfășurările magneților supraconductori ai Large Hadron Collider sunt realizate din 1200 de tone de cablu din aliaj de niobiu-titan.
• Niobiul și aliajele cu tantal înlocuiesc în multe cazuri tantul, ceea ce dă un efect economic mare (niobiul este mai ieftin și aproape de două ori mai ușor decât tantalul).
• Ferroniobiul [12] este introdus (până la 0,6% niobiu) în oțelurile inoxidabile crom-nichel pentru a preveni coroziunea lor intergranulară (inclusiv cea care altfel ar începe după sudarea oțelului inoxidabil ) și distrugerea, iar în alte tipuri de oțel pentru a le îmbunătăți proprietățile.
• Niobiul este folosit la baterea monedelor de colecție. Astfel, Banca Letoniei afirmă că niobiul este folosit împreună cu argintul în monedele de colecție de 1 lat [13] [14] .

Aplicații ale compușilor de niobiu

• Nb 2 O 5  este un catalizator în industria chimică;
• în producția de refractare, cermet, sticle speciale, nitrură, carbură, niobați.
• Carbura de niobiu (p.t. 3480 °C) într-un aliaj cu carbură de zirconiu și carbură de uraniu-235 este cel mai important material structural pentru elementele combustibile ale motoarelor nucleare cu reacție în fază solidă.
• Nitrura de niobiu NbN este utilizată pentru producerea de filme supraconductoare subțiri și ultrasubțiri cu o temperatură critică de 5 până la 10 K cu o tranziție îngustă, de ordinul a 0,1 K.

Materiale supraconductoare de prima generație

• Unul dintre supraconductorii utilizați activ (temperatura de tranziție supraconductoare 9,25 K). Compușii de niobiu au o temperatură de tranziție supraconductoare de până la 23,2 K (Nb 3 Ge).
• Cei mai frecvent folosiți supraconductori industriali sunt NbTi și Nb 3 Sn.
• Niobiul este folosit și în aliajele magnetice.
• Este folosit ca aditiv de aliere.
• Nitrura de niobiu este folosită la fabricarea bolometrelor supraconductoare .
• Rezistența excepțională a niobiului și aliajelor sale cu tantal în vapori de cesiu-133 supraîncălziți îl face unul dintre cele mai preferate și ieftine materiale structurale pentru generatoarele termoionice de mare putere.

Acțiune fiziologică

• Praful de niobiu metalic este inflamabil și iritant pentru ochi și piele.
• Unii compuși ai niobiului sunt foarte toxici.
• Concentrația maximă admisă de niobiu în apă este de 0,01 mg/l.
• Când este ingerat, provoacă iritația organelor interne și paralizia ulterioară a membrelor.

Note

1. ↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg , Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang-Kun Zhu. Greutăți atomice ale elementelor 2011 (Raport tehnic IUPAC  )  // Chimie pură și aplicată . - 2013. - Vol. 85 , nr. 5 . - P. 1047-1078 . - doi : 10.1351/PAC-REP-13-03-02 .
2. ↑ Editorial: Knunyants I. L. (redactor-șef). Enciclopedia chimică: în 5 volume.- Moscova: Enciclopedia sovietică, 1992. - T. 3. - S. 249. - 639 p. — 50.000 de exemplare.  - ISBN 5-85270-039-8.
3. ↑ Materials Handbook: A Concise Desktop Reference Arhivat 3 octombrie 2015 la Wayback Machine , François Cardarelli, 2000, p.157.
4. ↑ Venetsky S.I. Patruzeci și unu // Povești despre metale. - Moscova: Metalurgie, 1979. - 240 p. — 60.000 de exemplare.
5. ↑ JP Riley și Skirrow G. Chemical Oceanography V.I, 1965
6. ↑ Niobiu rar pe piața pământurilor rare . Data accesului: 20 septembrie 2010. Arhivat din original la 13 decembrie 2010. (nedefinit)
7. ↑ Depozit de niobiu și tantal . Consultat la 20 septembrie 2010. Arhivat din original pe 9 iulie 2011. (nedefinit)
8. ↑ Larry D. Cunningham. Informații USGS Minerals: Niobiu (Columbium) și Tantal . Minerals.usgs.gov (5 aprilie 2012). Consultat la 17 august 2012. Arhivat din original la 25 noiembrie 2012. (nedefinit)
9. ↑ Lansarea colisionarului // „Știința și tehnologiile Rusiei” (link inaccesibil) . Consultat la 7 februarie 2009. Arhivat din original pe 21 septembrie 2008. (nedefinit) 
10. ↑ Monede de niobiu: farmecul culorii (link indisponibil) . EuroCoins.News. Preluat la 12 martie 2012. Arhivat din original la 28 mai 2012. (nedefinit) 
11. ↑ Catalogul monedelor de colecție austriece din metale prețioase (link inaccesibil) . Lumea monedelor. Preluat la 19 martie 2012. Arhivat din original la 15 februarie 2012. (nedefinit) 
12. ↑ Titanul este folosit și pentru aceasta în aceleași cantități.
13. ↑ Moneda timpului (downlink) . Consultat la 5 decembrie 2007. Arhivat din original la 12 martie 2008. (nedefinit) 
14. ↑ Moneda timpului2 (downlink) . Consultat la 5 decembrie 2007. Arhivat din original la 22 mai 2009. (nedefinit) 

Link -uri

• Niobium pe Webelements Arhivat pe 15 septembrie 2004 la Wayback Machine
• Niobiu la Biblioteca Populară a Elementelor Chimice Arhivat la 14 martie 2007 la Wayback Machine

Dicționare și enciclopedii	mare danez Mare catalană Mare norvegian Rusă mare Brockhaus și Efron Micul Brockhaus și Efron Nou Britannica (online) Brockhaus Treccani Universalis Universalis
În cataloagele bibliografice BNE : XX543817 BNF : 12257830n GND : 4042362-1 J9U : 987007531486605171 LCCN : sh85091993 NDL : 00568530