Ниобий – редкий, но необходимый металл

Благодаря этому металлу возможна работа Большого адронного коллайдера. Ниобий редок, его утилитарные свойства ценят ученые и производственники.

Ниобий металл

Что представляет собой

Ниобий – это химический элемент (№ 41 в таблице Д.Менделеева).

Блестящее серебристо-сероватое вещество с типичными для металла свойствами:

  • На воздухе покрывается пленкой-оксидом.
  • По структуре кристаллическая решетка – куб.
  • Относится к металлам тугоплавкой группы.

По составу это один стабильный изотоп. Человеком создано еще 32. Они радиоактивны, самый долгоживущий Nb-92 распадается почти 35 миллионов лет.

Международное обозначение и формула – Nb (Niobium).

История открытия

Знакомство людей с металлом состоялось на заре 19 века благодаря европейским химикам:

  • Первооткрывателем стал англичанин Чарльз Хэтчет. В 1801 году он исследовал экспонат Британского музея, присланный 70 лет назад из Америки.
  • Спустя год его шведский коллега Андрес Экеберг открыл тантал – «близнец» ниобия по физическим и химическим характеристикам.
  • Их считали одним элементом, пока немец Генрих Розе не доказал, что это разные вещества.

Позднее француз Анри Муассан («отец» рукотворных бриллиантов муассанитов) получил чистый металл, восстановив оксид ниобия в электропечи углеродом.

Ниобий элемент

Еще интереснее история названия:

  • Чарльз Хэтчет назвал минерал и выделенный металл «колумбитом» и «колумбием» (тогда США неофициально именовали Колумбией).
  • Розе переименовал его в ниобий.

Ниоба – имя дочери Тантала. Это персонаж древнегреческой мифологии, царь Фригии, обреченный богами на вечные страдания («Танталовы муки»).

  • Так ученый закрепил «родственность» элементов.
  • Новое название не прижилось в англоязычном мире.

Конец разнобою положил IUPAC (Международный союз теоретической и прикладной химии). Его решением с 1950 года элемент именуется ниобием. Термин «колумбий» считается устаревшим.

Нахождение в природе

Чистый ниобий на планете не выявлен. Нахождение элемента в природе представлено рассеянной формой либо минералами (более сотни). Из них промышленный интерес представляют пирохлор, лопарит, колумбит-танталит.

Ниобиевые минералы всегда залегают в земной коре на пару с танталовыми. Такое соседство обусловлено сходством физических свойств этих элементов. Отличить ниобий от тантала возможно только на спецоборудовании.

Тонна земной коры содержит 18 г ниобия, литр морской воды – 10−5 мг.

Физико-химические характеристики

Ученые выявили физические и химические свойства элемента:

  • Прочность.
  • Тугоплавкость (почти 2500°C).
  • Стойкость к коррозии даже в агрессивных средах.
  • Пластичность, легкость сварки.

Элемент отличает химическая стойкость, кислоты на него влияют мало. Растворителей единицы: насыщенная серная либо плавиковая, крепкие едкие щелочи.

Свойства атома
Название, символ, номер Нио́бий / Niobium (Nb), 41
Атомная масса
(молярная масса)
92,90638(2) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация [Kr] 4d4 5s1
Радиус атома 146 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус 164 пм
Радиус иона (+5e)69 пм
Электроотрицательность 1,6 (шкала Полинга)
Электродный потенциал 0
Степени окисления 5, 4, 3, 2, 1
Энергия ионизации
(первый электрон)
 663,6(6,88) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.) 8,57 г/см³
Температура плавления 2741 K (2468 °С, 4474 °F)
Температура кипения 5015 K (4742 °С, 8567 °F)
Уд. теплота плавления 26,8 кДж/моль
Уд. теплота испарения 680 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 24,44 Дж/(K·моль)
Молярный объём 10,8 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки кубическая, объёмноцентрированая
Параметры решётки 3,301 Å
Температура Дебая 275 K
Прочие характеристики
Теплопроводность (300 K) 53,7 Вт/(м·К)
Номер CAS 7440-03-1

При термовоздействии образуются оксиды, галогениды, другие соединения ниобия.

Месторождения, добыча

Запасами руды располагают Австралия, Канада, Бразилия. Особенно богата Африка (Конго, Мозамбик, Нигерия, Руанда).

Российские месторождения сосредоточены на Кольском полуострове.

Добыча от года растет, но глобальные объемы не превышают сотни тысяч тонн ежегодно.

Технология получения

Руды небогаты на ниобиевую составляющую, поэтому их обогащают.

Кристаллы ниобия
Кристаллы Ниобия

Далее рудный концентрат восстанавливают при высоких температурах.

Процесс получения металла:

  1. Концентрат вскрывается.
  2. Тантал и ниобий разделяются.
  3. Генерируются их чистые соединения.
  4. Металл либо сплавы восстанавливаются.
  5. Рафинируются.

В зависимости от материала-восстановителя используют алюмо-, натрий- либо карботермический способы получения. Процесс происходит в вакууме при температурах порядка 2000°С.

Компактные модификации металла либо сплава создают методами порошковой металлургии. Для этого порошок спрессовывают, затем спекают в вакууме при 2300°C. Либо применяют дуговую плавку.

Производство особо чистого кристаллического ниобия базируется на электронно-лучевой плавке.

Где используется

Металлургия выпускает продукцию двух категорий: ниобий как металл (чистота от 99%) и сплавы – с молибденом, цирконием, вольфрамом, углеродом.

Металлурги передают продукт химикам, атомщикам, электронщикам, строителям самолетов, ракет.

Достоинства металла – тугоплавкость, устойчивость к коррозии, легкость обработки – дополняет еще одно.

Это проверенный легирующий компонент. От долей до нескольких процентов к составу разительно улучшают параметры продукции из сталей и сплавов:

  • 0,05% ниобия делают алюминиевые материалы «равнодушными» к щелочам.
  • 20% – увеличивают электропроводность, прочность меди.

Основные сферы использования металла:

  • Конструкции летательных аппаратов.
  • Трубы для передачи, контейнеры для хранения «агрессивных» материалов.
  • Огнеупоры, специальные сорта стекла, керамики.
  • Оболочки сердечников ядерных реакторов.
  • Конденсаторы для электронной промышленности.
  • Сверхпроводники (соединения ниобия с германием, титаном).

Ниобием снабжены ускорители Большого адронного коллайдера. Из сплава его с титаном изготовлен кабель-оболочка для сверхпроводящих магнитов этого устройства.

Сплав металла с серебром идет на коллекционные монеты, выпускаемые Центральными банками нескольких стран.

Применение элемента усложняют недостатки: редкость в природе и высокая цена.

Цена

Цена редкого металла запредельна (тыс. руб./кг)

  • Порошок – 3,65 – 21,7.
  • Штабики, прутки, слитки – 8,1.
  • Фольга – 125 – 143,7.
  • Стружка – 0,65.

Он дешевле тантала, но в разы дороже вольфрама и молибдена.

Воздействие на человека

Соединения ниобия опасны. Особо токсична пыль: от нее слезятся глаза, появляется дерматит. Попадание в организм чревато патологией внутренних органов, параличом рук и ног.

На воздухе мелкий порошок способен воспламениться.

По стандартам РФ, содержание ниобия в воде не должно превышать 0,00001 г на литр.

Для предприятий, занятых производством металла и его соединений, свои стандарты. ПДК ниобия, оксида, нитрида в воздухе рабочих зон – 10 мг на кубометр.

Рейтинг автора
Автор статьи
Петрова Вероника Александровна
Мне 36 и я специалист в области минералогии. Сейчас я в декрете и всё свободное время посвящаю самоцветам. В этом блоге я делюсь информацией про камни и их свойства — присоединяйтесь, задавайте вопросы и пишите комментарии!
Написано статей
430
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (1 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...

Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: