Ниобий - блестящий серебристо-серый металл. 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. Этот метал можно прокатать в тонкую фольгу. Но, как и в случае с титаном, танталом и некоторыми другими металлами, пластичным является только металл не содержащий примесей кислорода, азота и других неметаллов. Эти примеси делают ниобий хрупким и ломким.
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 .
| t, °C | d, кг/м 3 |
C p , Дж/(кг·град) |
a·10 6 , м 2 /с |
λ, Вт/(м·град) |
ρ·10 8 , Ом·м |
α·10 6 , K -1 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| -223 | — | 99 | — | — | — | 2,27 |
| -173 | — | 202 | — | 32,1 | 4,2 | 4,77 |
| -73 | — | 254 | 24,5 | 32,6 | 9,71 | 6,39 |
| 0 | — | 265 | 23,9 | 48 | 13,4 | 6,91 |
| 27 | 8570 | 268 | 23,7 | 53,5 | 14,7 | 7,07 |
| 127 | 8550 | 274 | 23,5 | 55,1 | 19,5 | 7,3 |
| 227 | 8530 | 280 | 23,9 | 57,1 | 23,8 | 7,5 |
| 327 | 8510 | 285 | 23,9 | 57,9 | 27,7 | 7,7 |
| 427 | 8490 | 289 | 23,9 | 58,6 | 31,4 | 7,9 |
| 527 | 8470 | 293 | 24 | 59,5 | 34,9 | 8,09 |
| 627 | 8450 | 297 | 24,2 | 60,8 | 38,2 | 8,25 |
| 727 | 8430 | 301 | 24,5 | 62,2 | 41,6 | 8,41 |
| 927 | 8380 | 311 | 24,7 | 64,3 | 47,9 | 8,71 |
| 1127 | 8320 | 322 | 25 | 70 | 54 | 8,99 |
| 1327 | 8260 | 335 | 25 | 69,2 | 60 | 9,27 |
| 1527 | 8200 | 350 | 25 | 71,7 | 65,9 | 9,55 |
| 1727 | 8140 | 366 | 24,6 | 73,3 | 71,8 | 9,83 |
| 1927 | 8080 | 384 | 24 | 74,5 | 77,6 | 10,11 |
| 2127 | 8020 | 404 | 24 | 77,8 | 83,3 | 10,39 |
| 2327 | 7960 | 426 | 21,7 | 73,6 | 89 | — |
| 2477 | 7580 | 450 | 18 | 65 | 109 | — |
| 2527 | — | 450 | 17,8 | — | — | — |
С элементом, занимающим в менделеевской таблице 41-ю клетку, человечество знакомо давно. Возраст его нынешнего названия – ниобий – почти на полстолетия меньше. Случилось так, что элемент №41 был открыт дважды. Первый раз – в 1801 г. английский ученый Чарльз Хатчет исследовал образец верного минерала, присланного в Британский музей из Америки. Из этого минерала он выделил окисел неизвестного прежде элемента. Новый элемент Хатчет назвал колумбием, отмечая тем самым его заокеанское происхождение. А черный минерал получил название колумбита.
Через год шведский химик Экеберг выделил из колумбита окисел еще одного нового элемента, названного танталом. Сходство соединений Колумбия и тантала было так велико, что в течение 40 лет большинство химиков считало: тантал и колумбий – один и тот же элемент.
В 1844 г. немецкий химик Генрих Розе исследовал образцы колумбита, найденные в Баварии. Он вновь обнаружил окислы двух металлов. Один из них был окислом известного уже тантала. Окислы были похожи, и, подчеркивая их сходство, Розе назвал элемент, образующий второй окисел, ниобием по имени Ниобы, дочери мифологического мученика Тантала.
Впрочем, Розе, как и Хатчет, не сумел получить этот элемент в свободном состоянии.
Металлический ниобий был впервые получен лишь в 1866 г. шведским ученым Бломстрандом при восстановлении хлорида ниобия водородом. В конце XIX в. были найдены еще два способа получения этого элемента. Сначала Муассан получил его в электропечи, восстанавливая окись ниобия углеродом, а затем Гольдшмидт сумел восстановить тот же элемент алюминием.
А называть элемент №41 в разных странах продолжали по-разному: в Англии и США – колумбием, в остальных странах – ниобием. Конец этой разноголосице положил Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) в 1950 г. Было решено повсеместно узаконить название элемента «ниобий», а за основным минералом ниобия так и закрепилось наименование «колумбит». Его формула (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 О 6 .
Глазами химика
Элементарный ниобий – чрезвычайно тугоплавкий (2468°C) и высококипящий (4927°C) металл, очень стойкий во многих агрессивных средах. Все кислоты, за исключением плавиковой, не действуют на него. Кислоты-окислители «пассивируют» ниобий, покрывая его защитной окисной пленкой (№205). Но при высоких температурах химическая активность ниобия повышается. Если при 150...200°C окисляется лишь небольшой поверхностный слой металла, то при 900...1200°C толщина окисной пленки значительно увеличивается.
Ниобий активно реагирует со многими неметаллами. С ним образуют соединения галогены, азот, водород, углерод, сера. При этом ниобий может проявлять разные валентности – от двух до пяти. Но главная валентность этого элемента 5+. Пятивалентный ниобий может входить в состав соли и как катион, и как один из элементов аниона, что свидетельствует об амфотерном характере элемента №41.
Соли ниобиевых кислот называют ниобатами. Их получают в результате обменных реакций после сплавления пятиокиси ниобия с содой:
Nb 2 O 5 + 3Na 2 CO 4 → 2Na 3 NbО 4 + 3CO 2 .
Довольно хорошо изучены соли нескольких ниобиевых кислот, в первую очередь метаниобиевой HNbO 3 , а также диниобаты и пентаниобаты (K 4 Nb 2 O 7 , К 7 Nb 5 О 16 · m H 2 O). А соли, в которых элемент №41 выступает как катион, обычно получают прямым взаимодействием простых веществ, например 2Nb + 5Cl 2 → 2NbCl 5 .
Ярко окрашенные игольчатые кристаллы пентагалогенидов ниобия (NbCl – желтого цвета, NbBr 5 – пурпурно-красного) легко растворяются в органических растворителях – хлороформе, эфире, спирте. Но при растворении в воде эти соединения полностью разлагаются, гидролизуются с образованием ниобатов:
NbCl 5 + 4Н 2 О → 5HCl + Н 3 NbO 4 .
Гидролиз можно предотвратить, если в водный раствор добавить какую-либо сильную кислоту. В таких растворах пентагалогениды ниобия растворяются, не гидролизуясь.
Ниобий образует двойные соли и комплексные соединения, наиболее легко – фтористые. Фторниобаты – так называются эти двойные соли. Они получаются, если в раствор ниобцевой и плавиковой кислот добавить фторид какого-либо металла.
Состав комплексного соединения зависит от соотношения реагирующих в растворе компонентов. Рентгенометрический анализ одного из этих соединений показал строение, отвечающее формуле K 2 NbF 7 . Могут образоваться и оксосоединения ниобия, например оксофторнпобат калия K 2 NbOF 5 · H 2 O.
Химическая характеристика элемента не исчерпывается, конечно, этими сведениями. Сегодня самые важные из соединений элемента №41 – это его соединения с другими металлами.
Ниобий и сверхпроводимость
Удивительное явление сверхпроводимости, когда при понижении температуры проводника в нем происходит скачкообразное исчезновение электрического сопротивления, впервые наблюдал голландский физик Г. Камерлинг-Оннес в 1911 г. Первым сверхпроводником оказалась ртуть, но не ей, а ниобию и некоторым интерметаллическим соединениям ниобия суждено было стать первыми технически важными сверхпроводящими материалами.
Практически важны две характеристики сверхпроводников: величина критической температуры, при которой происходит переход в состояние сверхпроводимости, и критического магнитного поля (еще Камерлинг-Оннес наблюдал утрату сверхпроводником сверхпроводимости при воздействии на него достаточно сильного магнитного поля). По состоянию на 1 января 1975 г. сверхпроводником – «рекордсменом» по величине критической температуры было интерметаллическое соединение ниобия и германия состава Nb 3 Ge. Его критическая температура 23,2°К; это выше температуры кипения водорода. (Большинство известных сверхпроводников становятся сверхпроводниками лишь при температуре жидкого гелия).
Способность переходить в состояние сверхпроводимости свойственна также стапниду ниобия Nb 3 Sn, сплавам ниобия с алюминием и германием или с титаном и цирконием. Все эти сплавы и соединения уже используются для изготовления сверхпроводящих соленоидов, а также некоторых других важных технических устройств.
Ниобий – металл
Металлический ниобий можно получить восстановлением его соединений, например хлорида ниобия или фтор-ниобата калия, при высокой температуре:
K 2 NbF 7 + 5Na → Nb + 2KF + 5NaF.
Но прежде чем достигнуть этой в сущности последней стадии производства, ниобиевая руда проходит множество этапов переработки. Первый из них – обогащение руды, получение концентратов. Концентрат сплавляют с различными плавнями: едким натром или содой. Полученный сплав выщелачивают. Но растворяется он не полностью. Нерастворимый осадок и есть ниобий. Правда, он здесь еще в составе гидроокиси, не разделен со своим аналогом по подгруппе – танталом – и не очищен от некоторых примесей.
До 1866 г. не было известно ни одного пригодного для производственных условий способа разделения тантала и ниобия. Первым метод разделения этих чрезвычайно похожих элементов предложил Жан Шарль Галиссар де Мариньяк. Метод основан на разной растворимости комплексных соединений этих металлов и называется фторидным. Комплексный фторид тантала нерастворим в воде, а аналогичное соединение ниобия растворимо.
Фторидный метод сложен и не позволяет полностью разделить ниобий и тантал. Поэтому в наши дни он почти не применяется. На смену ему пришли методы избирательной экстракции, ионного обмена, ректификации галогенидов и др. Этими методами получают окисел и хлорид пятивалентного ниобия.
После разделения ниобия и тантала идет основная операция – восстановление. Пятиокись ниобия Nb 2 O 5 восстанавливают алюминием, натрием, сажей или карбидом ниобия, полученным при взаимодействии Nb 2 O 5 с углеродом; пентахлорид ниобия восстанавливают металлическим натрием или амальгамой натрия. Так получают порошкообразный ниобий, который нужно затем превратить в монолит, сделать пластичным, компактным, пригодным для обработки. Как и другие тугоплавкие металлы, ниобий-монолит получают методами порошковой металлургии, суть которой в следующем.
Из полученного металлического порошка под большим давлением (1 т/см 2) прессуют так называемые штабики прямоугольного или квадратного сечения. В вакууме при 2300°C эти штабики спекают, соединяют в пруты, которые плавят в вакуумных дуговых печах, причем пруты в этих печах выполняют роль электрода. Такой процесс называется плавкой с расходуемым электродом.
Монокристаллический пластичный ниобий получают методом бестигельной зонной электронно-лучевой плавки. Суть его в том, что на порошкообразный ниобий (операции прессования и спекания исключены!) направляют мощный пучок электронов, который плавит порошок. Капли металла стекают на ниобиевый слиток, который постепенно растет и выводится из рабочей камеры.
Как видите, путь ниобия от руды до металла в любом случае довольно долог, а способы производства сложны.
Ниобий и металлы
Рассказ о применении ниобия логичнее всего начать с металлургии, так как именно в металлургии он нашел наиболее широкое применение. И в цветной металлургии, и в черной.
Сталь, легированная ниобием, обладает хорошей коррозионной стойкостью. «Ну и что? – скажет иной искушенный читатель. – Хром тоже повышает коррозионную стойкость стали, и он намного дешевле ниобия». Этот читатель прав и неправ одновременно. Неправ потому, что забыл об одном.
В хромоникелевой стали, как и во всякой другой, всегда есть углерод. Но углерод соединяется с хромом, образуя карбид, который делает сталь более хрупкой. Ниобий имеет большее сродство к углероду, чем хром. Поэтому при добавлении в сталь ниобия обязательно образуется карбид ниобля. Легированная ниобием сталь приобретает высокие антикоррозионные свойства и не теряет своей пластичности. Нужный эффект достигается, когда в тонну стали добавлено всего 200 г металлического ниобия. А хромо-маргаицевой стали ниобий придает высокую износоустойчивость.
Ниобием легируют и многие цветные металлы. Так, алюминий, легко растворяющийся в щелочах, не реагирует с ними, если в него добавлено всего 0,05% ниобия. А медь, известную своей мягкостью, и многие ее сплавы ниобий словно закаляет. Он увеличивает прочность таких металлов, как титан, молибден, цирконий, и одновременно повышает их жаростойкость и жаропрочность.
Сейчас свойства и возможности ниобия по достоинству оценены авиацией, машиностроением, радиотехникой, химической промышленностью, ядерной энергетикой. Все они стали потребителями ниобия.
Уникальное свойство – отсутствие заметного взаимодействия ниобия с ураном при температуре до 1100°C и, кроме того, хорошая теплопроводность, небольшое эффективное сечение поглощения тепловых нейтронов сделали ниобий серьезным конкурентом признанных в атомной промышленности металлов – алюминия, бериллия и циркония. К тому же искусственная (наведенная) радиоактивность ниобия невелика. Поэтому из него можно делать контейнеры для хранения радиоактивных отходов или установки по их использованию.
Химическая промышленность потребляет сравнительно немного ниобия, но это объясняется только его дефицитностью. Из ниобийсодержащих сплавов и реже из листового ниобия иногда делают аппаратуру для производства высокочистых кислот. Способность ниобия влиять на скорость некоторых химических реакций используется, например, при синтезе спирта из бутадиена.
Потребителями элемента №41 стали также ракетная и космическая техника. Не секрет, что на околоземных орбитах уже вращаются какие-то количества этого элемента. Из ниобийсодержащих сплавов и чистого ниобия сделаны некоторые детали ракет и бортовой аппаратуры искусственных спутников Земли.
Минералы ниобия
Колумбит (Fe, Mn) (Nb, Та) 2 О 6 был первым минералом ниобия, известным человечеству. И этот же минерал – самый богатый элементом №41. На долю окислов ниобия и тантала приходится до 80% веса колумбита. Гораздо меньше ниобия в пирохлоре (Са, Na) 2 (Nb, Та, Ti) 2 O 6 (O, OH, F) и лопарите (Na, Се, Са) 2 (Nb, Ti) 2 O 6 . А всего известно больше 100 минералов, в состав которых входит ниобий. Значительные месторождения таких минералов есть в разных странах: США, Канаде, Норвегии, Финляндии, но крупнейшим поставщиком концентратов ниобия на мировой рынок стало африканское государство Нигерия. В СССР есть большие запасы лопарита, они найдены на Кольском полуострове.
Розовый карбид
Монокарбид ниобия NbC – пластичное вещество с характерным розоватым блеском. Это важное соединение довольно легко образуется при взаимодействии металлического ниобия с углеводородами. Сочетание хорошей ковкости и высокой термостойкости с приятными «внешними данными» сделало мо-нокарбид ниобия ценным материалом для изготовления покрытий. Слой этого вещества толщиной всего 0,5 мм надежно защищает от коррозии при высоких температурах многие материалы, в частности графит, который другими покрытиями фактически незащатим. NbC используется и как конструкционный материал в ракетостроении и производстве турбин.
Нервы, сшитые ниобием
Высокая коррозионная стойкость ниобия позволила использовать его в медицине. Ниобиевые нити не вызывают раздражения живой ткани и хорошо сращиваются с ней. Восстановительная хирургия успешно использует такие нити для сшивания порванных сухожилий, кровеносных сосудов и даже нервов.
Наружность не обманчива
Ниобий не только обладает комплексом нужных технике свойств, но и выглядит достаточно красиво. Этот белый блестящий металл ювелиры пытались использовать для изготовления корпусов ручных часов. Сплавы ниобия с вольфрамом или рением иногда заменяют благородные металлы: золото, платину, иридий. Последнее особенно важно, так как сплав ниобия с рением не только внешне похож на металлический иридий, но почти так же износостоек. Это позволило некоторым странам обходиться без дорогого иридия в производстве напаек для перьев авторучек.
Ниобий и сварка
В конце 20-х годов нашего века электро-и газосварка стали вытеснять клепку и другие способы соединения узлов и деталей. Сварка повысила качество пзделий, ускорила и удешевила процессы их сборки. Особенно перспективной сварка казалась при монтаже крупных установок, работающих в коррозионно-активных средах или под большим давлением. Но тут выяснилось, что при сварке нержавеющей стали сварной шов имеет намного меньшую прочность, чем сама сталь. Чтобы улучшить свойства шва, в «нержавейку» стали вводить различные добавки. Лучшей из них оказался ниобий.
Заниженные цифры
Ниобий не случайно считается редким элементом: он действительно встречается не часто и в небольших количествах, причем всегда в виде минералов и никогда в самородном состоянии. Любопытная деталь: в разных справочных изданиях кларк (содержание в земной коре) ниобия разный. Это объясняется главным образом тем, что в последние годы в странах Африки найдены новые месторождения минералов, содержащих ниобий. В «Справочнике химика», т. 1 (М., «Химия», 1963) приведены цифры: 3,2·10 –5 % (1939 г.), 1·10 –3 % (1949 г.) и 2,4·10 –3 % (1954 г.). Но и последние цифры занижены: африканские месторождения, открытые в последние годы, сюда не вошли. Тем не менее подсчитано, что из минералов уже известных месторождений можно выплавить примерно 1,5 млн т металлического ниобия.
Ниобий (латинское Niobium, обозначается символом Nb) - элемент с атомным номером 41 и атомной массой 92,9064. Ниобий является элементом побочной подгруппы пятой группы, пятого периода периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Вместе с танталом ниобий входит в подгруппу ванадия. Имея в наружном электронном слое атома два или один электрон, эти элементы отличаются от элементов главной подгруппы преобладанием металлических свойств и отсутствием водородных соединений. В свободном состоянии ванадий, ниобий и тантал весьма стойки к химическим воздействиям и обладают высокими температурами плавления. Эти металлы совместно с хромом, молибденом, вольфрамом, рением, а также рутением, родием, осмием и иридием относятся к тугоплавким металлам. Сорок первый элемент в свободном состоянии - металл серо-стального цвета, твердый (однако не хрупкий), тугоплавкий (температура плавления 2500° C) и высококипящий (4927° C), хорошо поддающийся механической обработке и весьма стойкий во многих агрессивных средах. Плотность ниобия 8,57 г/см3. Природный ниобий состоит всего из одного стабильного изотопа 93Nb.
История открытия сорок первого элемента очень тесно связана с историей другого родственного металла, входящего в ту же подгруппу, что и ниобий - тантала. Еще в середине семнадцатого века в Южной Америке (в бассейне реки Колумбии) был обнаружен тяжелый черный минерал с золотистыми прожилками слюды. Его доставили в Англию, где он более века провел в одной из витрин Британского музея под именем «железной руды» и лишь в 1801 году английский химик Чарльз Хатчет заинтересовался необычным минералом. Он выделил окисел неизвестного прежде элемента, который назвал «колумбием», а минерал «колумбитом». Год спустя шведский химик Экеберг выделил из того же минерала окисел еще одного нового элемента, названного танталом. По этой причине долгие годы считалось, что колумбий и тантал - идентичные металлы, ведь находятся они в одном минерале. Лишь в 1844 году немецкий химик Генрих Розе, исследуя колумбит, обнаружил в нем окислы двух металлов, сходных по свойствам, однако являющихся самостоятельными элементами. Один из них был известный уже тантал, а другой Розе назвал ниобием (по имени Ниобы, дочери мифологического мученика Тантала).
Ниобий - один из основных компонентов многих жаропрочных и коррозионностойких сплавов. Особенно большое значение имеют жаропрочные сплавы ниобия, которые применяют в производстве газовых турбин, реактивных двигателей, ракет. Сорок первый элемент вводят также в некоторые марки нержавеющих сталей - он резко улучшает их механические свойства и сопротивляемость коррозии. Так стали, содержащие от одного до четырех процентов ниобия, отличаются высокой жаропрочностью и используются в качестве материала для производства котлов высокого давления. Кроме того, сталь с добавкой ниобия - превосходный материал для электросварки стальных конструкций: ее применение обеспечивает необычайную прочность сварных швов. Карбиды ниобия отличаются исключительной твердостью и чаще всего применяются в металлообрабатывающей промышленности для изготовления режущего инструмента.
Ниобий - микроэлемент, содержащийся в человеческом организме (у взрослых в миллиграммовых дозах). Основные депо концентрации данного металла - кости, печень, мышцы, кровь. Его биологическая роль до конца не изучена, однако, благодаря тому, что ниобий гипоаллергенен (не вызывает биологического отторжения) его широко использует медицина. В то же время металлическая пыль ниобия вызывает раздражение глаз и кожи, а некоторые соединения этого металла довольно токсичны.
Биологические свойства
Ниобий является неотъемлемым микроэлементом человеческого организма. Сорок первый элемент обнаружен в крови, костях, мышцах и печени человека. Подсчитано, что в среднем в организме взрослого человека весом 70 килограмм содержится до 1,5 мг ниобия.
К сожалению, биологическая роль данного элемента изучена весьма слабо. Однако, известно, что ниобий гипоаллергенен, то есть его можно безопасно использовать для введения в тело, так как он не будет вызывать биологического отторжения организмом. Это ценное свойство использует медицина - ниобиевые нити не вызывают раздражения живой ткани и хорошо сращиваются с ней. Восстановительная хирургия успешно использует такие нити для сшивания порванных сухожилий, кровеносных сосудов и даже нервов. В отличие от прочих медицинских легированных сталей и имплантационных сплавов ниобий представляет собою чистый химический элемент, который нельзя разделить на отдельные компоненты. То есть при контакте с тканями он не способен выделять отдельные компоненты и поэтому не является аллергеном.
Не только медицина использует данное качество ниобия - в последнее время на ниобий большой спрос как на материал для подкожного бодипирсинга. К тому же ниобий является реактивным металлом и его можно в ходе химического электролиза анодировать. При этом на поверхности металла появляется тонкий оксидный слой, который вызывает появление интерференционных цветов и за счет особенностей попадания света возникает при отражении и преломлении впечатление переливания изменяющихся цветов окраски (подобный эффект можно наблюдать на пленке нефтяного или бензинового пятна на сыром асфальте). У поклонников пирсинга подобная цветовая игра пользуется популярностью, к тому же анодированный слой полностью совместим с тканями организма, поскольку он представляет собой оксид ниобия. Естественно, что всё выше сказанное относится только к чистому ниобию - украшения для пирсинга из сплавов ниобия (или металла с примесями) могут нанести вред организму человека.
Несмотря на все положительные аспекты биологического влияния сорок первого элемента на организм, некоторые соединения ниобия ядовиты. Профессиональных отравлений ниобием не зафиксировано. Однако относительно высокая заболеваемость верхних дыхательных путей у рабочих, использующих комплексные соединения ниобия, вероятнее всего связана с воздействием выделяющегося HF и фторониобатов. Основные эксперименты по установлению степени токсичности соединений сорок первого элемента, проводимые на животных показали, что К2NbF7 и NbCl5 резко раздражают кожные покровы и слизистые глаз кролика. Введенный в желудок ниобаткалия KNbO3 вызывает острое отравление с летальным исходом у белых мышей при дозировке в 725-1140 мг/кг; пентафторооксониобата калия K2NbOF5 - при дозе 130 мг/кг; хлорида ниобия (V) NbCl5 - 829,6 мг/кг. Для лабораторных крыс эти дозы несколько выше. Введенные соединения привели к зернистой и вакуольной дистрофии в канальцах почек, некрозу печени и эпителия пищевода, дистрофическим изменениям в слизистой желудка. Хронические отравления были вызваны введением в желудок подопытных животных в течение четырех месяцев NbCl5 в дозе 100 мг/кг, что привело к изменению состава крови и сбою функций печени, незначительным изменениям по ходу ЖКТ. Введение пыли Nb2O5 в дозе 50 мг в течение 6-9 месяцев вызвало у лабораторных крыс уплотнение межальвеолярной перегородки и эмфизему легких. У тех же лабораторных животных ежедневные затравки пылью нитрида ниобия NbN по 40 мг/м3 в течение трех месяцев привели к развитию пневмосклероза и вторичной эмфиземы. К такому же результату привело введение в трахею крыс 50 мг NbN.
ПДК ниобия в воде 0,01 мг/л, для нитрида ниобия в воздухе рабочей зоны 10 мг/м3. Для фторониобатов рекомендуется ПДК как для солей HF.
Называя новый элемент ниобием, Генрих Розе руководствовался его сходством с танталом. Ведь мифический царь Тантал, наказанный олимпийскими богами за дерзость, был отцом Ниобы, в честь которой и был назван сорок первый элемент. Однако Розе наверняка не мог предполагать то, что названный им элемент будет схож с мифологическим персонажем не только родством с танталом. Прежде, чем объяснить, что еще общего имеют реальный металл ниобий и мифологическая принцесса Ниоба, вкратце расскажем ее историю.
Ниоба (Ниобея) - героиня древнегреческих мифов, дочь фригийского царя Тантала, жена фиванского царя Амфиона. Имея большое потомство (семь сыновей и семь дочерей), Ниоба возгордилась и своим хвастовством оскорбила Лето (Латону) - мать бога Аполлона и богини Артемиды. За такую дерзость Аполлон и Артемида стрелами из своих луков умертвили всех детей Ниобы. Сама Ниоба, окаменевшая от горя, была перенесена на вершину горы Сипил, где она в вечном одиночестве в образе камня проливает слезы по убитым детям.
Причем же здесь ниобий? Дело в том, что у этого металла всего лишь один природный изотоп - 93Nb. Получается, что металл также одинок, как и фиванская царица Ниоба.
Известно, что ниобий обладает высокой коррозионной стойкостью, что обуславливает его применение в химическом машиностроении. Интересным фактом является то, что при изготовлении запорной аппаратуры и трубопроводов солянокислотного производства, ниобий не только служит конструкционным материалом, но и играет при этом роль катализатора, давая возможность получить более концентрированную кислоту.
До 1866 года не было известно ни одного пригодного для производственных условий способа разделения тантала и ниобия!
В связи с острой нехваткой серебра американские финансисты предлагают для изготовления металлических денег использовать вместо него ниобий, поскольку стоимость ниобия примерно соответствует стоимости серебра. С 2003 года ниобий официально используется при чеканке коллекционных монет. Первопроходцем в использовании этого металла был Австрийский монетный двор Münze Österreich. Одной из особенностей ниобия является то, что при определённой обработке металла можно получить разную окраску поверхности. В результате, Австрия выпускает биметаллические монеты с разной окраской, уже отчеканено семь тысяч подобных монет. Пример Австрии оказался заразителен - в 2005 году в Сьерра-Леоне выпустили биметаллическую монету, с использованием золота и фиолетового ниобия. Выпуск посвящен Папе Римскому Иоанну Павлу II. Кроме этих стран биметаллические монеты с использованием ниобия выпустили: Монголия - 500 тугриков, серебряный овал и вставка из серого ниобия (2003 год), Латвия - 1 лат, серебро, вставка из зеленого ниобия (2010 год) и ряд других стан.
Бразильская компания CBMM - крупнейший производитель ниобия в мире, в настоящее время она обеспечивает 80 % всего мирового спроса на ниобий. Именно от действий компании в значительной мере зависит, будет ли мировой рынок испытывать дефицит ниобия.
В последнее время (в странах Запада) ниобий стал применяться в ювелирном деле как материал для изготовления ювелирных украшений, это связано с тем, что ниобий не является аллергеном.
Известно, что до 1950 года в некоторых странах (США и Великобритании) долго сохранялось первоначальное название сорок первого элемента - Колумбий, пока Международным союзом чистой и прикладной химии (ЮПАК) не было принято решение именовать во всем мире этот элемент ниобием. Поначалу американские и английские химики требовали отмены этого решения, которое казалось им несправедливым, но «приговор» ЮПАК был окончательным и обжалованию не подлежал. Пришлось «колумбистам» примириться с этим фактом, а в химической литературе США и Англии появился новый символ «Nb».
Искусственная (наведенная) радиоактивность ниобия невелика, поэтому из ниобия можно делать контейнеры для хранения радиоактивных отходов или установки по их использованию.
На знаменитом Большом адронном коллайдере под Женевой витки сверхпроводящих магнитов изготовлены из соединения ниобия и титана.
История
Не всякий химический элемент может похвастать своим повторным открытием, а на долю сорок первого элемента периодической системы это «счастье» перепало.
С завоеванием Америки в Европу стали попадать доселе невиданные богатства, экзотические диковинки, вещи, требующие тщательного изучения и разъяснения. Так как покорителей нового континента интересовали лишь грабеж и нажива, то многое новое игнорировалось, считалось ненужным, если не могло найти своего применения. Так, платину называли «плохим серебром», считая металлом фальшивомонетчиков, и сотнями тонн топили в реках и морях. А образцы необычного минерала черного цвета с золотистыми вкраплениями были увезены в качестве сувениров, осев в частных коллекциях и музеях под всевозможными названиями. Один из таких образцов провалялся на пыльной витрине Британского музея в Лондоне полтора века под табличкой, которая гласила, что перед вами образец «железной руды».
Удивительно, но нашелся человек, который заинтересовался пыльным экспонатом и решил узнать истинную сущность камня. Это был английский химик Чарльз Хатчет, который в 1801 году исследовал образец необычного минерала, выделил из него окисел неизвестного прежде элемента и дал ему название - «колумбий», тем самым, подчеркнув заокеанское происхождение нового элемента (в честь Христофора Колумба и старинного названия Америки). Сам же необычный тяжелый черный минерал химик назвал «колумбитом». Именно таким образом впервые был открыт сорок первый элемент периодической таблицы, получив своё первое имя. И если по началу Хатчет сомневался в том, что перед ним нечто ранее не изученное и отождествлял колумбит с сибирской хромовой рудой, то затем ученый обнаружил, что кислота (окисел), образующаяся из щелочного сплава минерала, обладает совершенно иными свойствами, чем хромовая кислота. Однако получить из окисла металл Хатчету не удалось.
Годом позже шведский химик Андерс Густав Экеберг, исследуя колумбитовую руду, обнаруженную на одном из финских рудников, открывает новый металл, названный им танталом (Tantalum). Окисел этого металла оказался чрезвычайно устойчивым и не разрушался даже в избытке кислоты (он как бы не мог насытиться кислотой, подобно тому, как мифический Тантал, наказанный Зевсом, стоя по горло в воде и терзаясь жаждой, не мог удовлетворить ее). Минерал, в котором был обнаружен новый металл, назвали танталитом. С этого момента и началась путаница и неразбериха - сходство соединений колумбия и тантала было так велико, что в течение сорока лет большинство химиков считало: тантал и колумбий - один и тот же элемент. «Масла в огонь» подлил авторитетный английский ученый Уильям Хайд Волластон, который первым получил платину в чистом виде и открыл палладий. В 1809 году он доказал, что колумбий Хатчета и тантал Экеберга представляют собой один и тот же металл, так как их окислы очень близки по удельному весу.
Точку в этой запутанной истории поставил немецкий химик Генрих Розе в 1844 году. В его распоряжении были образцы колумбитов и танталитов, найденные в Баварии. После тщательного изучения образцов, ученый установил, что в ряде образцов присутствуют окислы двух металлов. Оставив танталу прежнее название, он дал второму элементу, сходному с танталом, новое имя - ниобий (Niobium) в честь мифической Ниобы, дочери Тантала. Нетронутым осталось и название минерала, которое дал Хатчет, ведь колумбит, который он исследовал, был смесью тантала и ниобия. Впрочем, Розе, как и Хатчет, не сумел получить ниобий в свободном состоянии. Это произошло лишь в 1866 году, когда шведский ученый Кристиан Вильгельм Бломстранд при восстановлении хлорида ниобия водородом получил металлический ниобий. В дальнейшем ученые разработали еще два способа получения металла в чистом виде: сначала Муассан получил его в электропечи, восстанавливая окись ниобия углеродом, а затем Гольдшмидт сумел восстановить тот же элемент алюминием.
В России заинтересованность ниобием была скромна: колумбием Хатчета заинтересовался лишь химик-аналитик Т. Е. Ловиа, который начал исследование нового металла, но не успел его закончить, опубликовав о нем лишь заметку (1806). Что касается названия, то в русской литературе начала XIX века колумбий Хатчета назывался колумб (Шерер, 1808), колумбий (Ловиц), тантал и ниобий (Гесс). В Англии и США металл по-прежнему продолжали называть колумбием, в остальных странах придерживались новой версии и называли сорок первый элемент ниобием. Окончательное решение в этом вопросе было принято Международным союзом чистой и прикладной химии (ИЮПАК) лишь в 1950 году! На заседнии союза было решено повсеместно узаконить название элемента «ниобий», а за основным минералом ниобия закрепилось первоначальное наименование «колумбит».
Нахождение в природе
Ниобий считается редким элементом (содержание в земной коре 2,4 10-3 % по массе), он встречается действительно нечасто в небольших количествах и всегда в виде минералов (в самородном состоянии ниобий не существует). Любопытно, что в разной справочной литературе кларк (содержание в земной коре) ниобия разный. Это связано с тем, что всё чаще в Африке обнаруживаются новые богатые месторождения руд, содержащих ниобий. Поэтому, вероятнее всего, данные будут продолжать изменяться. Так или иначе, но приблизительно подсчитано, что из минералов уже известных месторождений можно выплавить примерно 18 миллионов тонн металлического ниобия.
Ниобий - литофильный элемент, связан с гранитными, нифелинсиенитовыми, ультраосновными щелочными породами и карбонатитами. Только в щелочных изверженных породах - нифелиновых сиенитах и прочих, содержание сорок первого элемента повышено до 10-2-10-1 %. В этих породах и связанных с ними пегматитах, карбонатитах, а также в гранитных пегматитах обнаружено 23 минерала ниобия и около 130 других минералов, содержащих повышенные количества этого элемента. По большей части это сложные и простые окислы. В минералах сорок первый элемент связан с редкоземельными элементами и с танталом, титаном, кальцием, натрием, торием, железом, барием (тантало-ниобаты, титанаты и других). Дело в том, что породообразующим аналогом ниобия (а также тантала) является титан. При высокой концентрации Ti4+ происходит рассеяние Nb5+ по титановым минералам.
В биосфере геохимия ниобия изучена слабо. Достоверно установлено, что в районах щелочных пород, обогащенных ниобием, он мигрирует в виде соединений с органическими и другими комплексами. Существуют минералы сорок первого элемента, образующиеся при выветривании щелочных пород (мурманит, герасимовскит). Содержание ниобия в морской воде около 1 10-9 % по массе.
Форма нахождения ниобия в природе может быть разной: рассеянной (в породообразующих и акцессорных минералах магматических пород) и минеральной. В общей сложности известно более ста минералов, содержащих ниобий. Из них промышленное значение имеют лишь некоторые: колумбит-танталит (Fe, Mn)(Nb, Ta)2O6, содержащий 50-76 % Nb2O5; пирохлор (Na, Ca)2(Nb, Ta, Ti)2O6(OH, F), в котором количество Nb2O5 варьируется от 40 до 70 % не более. Что интересно в колумбите из Гренландии не обнаружено тантала, этот минерал - смесь соли закиси железа (FeO = 17,33 %) и ниобиевой кислоты (Nb2O5 = 77,97 %), также содержащая закись марганца (MnО = 3,28 %) и еще MgO, PbO, ZrO2, SnO2 и WO3. Меньшее промышленное значение имеет лопарит (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb, Ta)O3 (содержание комплекса (Nb, Ta)2O5 составляет 8 - 10 %), иногда используются эвксенит Y(Nb, Ta, Ti)2O6 (21-34 % Nb2O5), торолит, ильменорутил, а также минералы, содержащие ниобий в виде примесей (ильменит, касситерит, вольфрамит). Минералы ниобия слабо парамагнитны и радиоактивны из-за примесей U и Th. Минимальные содержания, при которых рентабельно разрабатывать коренные ниобиевые руды, порядка 0,15-0,2 % Nb2O5. Среднее содержание Nb2O5 в большинстве месторождений ниобиевых руд мира 0,2-0,6 %; богатые месторождения содержат 1 % и более (до 4 %) Nb2O5. Минимальные содержания, при которых разрабатываются россыпи колумбита и месторождения кор выветривания, равны 0,1-0,15 кг/м3.
Значительные месторождения выше перечисленных минералов есть в разных странах: Малайзии, Мозамбике, Заире, Бразилии, США, Канаде (щелочные породы), Норвегии, Финляндии. Однако крупнейшим поставщиком концентратов ниобия на мировой рынок стало африканское государство Нигерия (богатые россыпные месторождения). В России есть большие запасы лопарита, они найдены на Кольском полуострове.
Применение
Благодаря сочетанию таких ценных качеств - как тугоплавкость, малое сечение захвата тепловых нейтронов, способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие и другие сплавы, коррозионная стойкость, геттерные свойства, низкая работа выхода электронов, хорошая обрабатываемость давлением на холоде и свариваемость - производство и применение ниобия постоянно возрастают. Примерно 50 % производимого ниобия используется для микролегирования сталей (концентрация ниобия 0,05-0,10 % по массе). Из них 20-30 % идут на получение нержавеющих и жаростойких сталей (содержание ниобия 0,2-1,2 %), 20-25 % используются при получении жаропрочных сплавов на основе никеля или железа (1-5 % ниобия), 1-3 % расходуется в виде металла и сплавов на основе ниобия.
Легированная ниобием сталь приобретает высокие антикоррозионные свойства и не теряет своей пластичности. Так, например, в хромоникелевой стали всегда присутствует углерод, который соединяется с хромом, образуя карбид, который делает сталь более хрупкой. Добавка ниобия, имеющего большее сродство с углеродом, чем хром, связывает углерод в безопасный карбид ниобия. Положительный эффект достигается при введении в тонну стали всего двухсот грамм сорок первого элемента. Добавка ниобия в хромомарганцевую сталь придает ей высокую износоустойчивость.
Сорок первым элементом легируют и многие цветные металлы. Так, алюминий, легко растворяющийся в щелочах, не реагирует с ними, если в него добавлено всего 0,05 % ниобия. А медь, известную своей мягкостью, и многие ее сплавы ниобий словно закаляет. Он увеличивает прочность таких металлов, как титан, молибден, цирконий, и одновременно повышает их жаростойкость и жаропрочность. Ниобием легируют даже уран. Стали, легированные ниобием, широко использует ракетостроение, авиационная и космическая техника (детали летательных аппаратов), радиотехника, электроника, химическое аппаратостроение (контейнеры и трубы для жидких металлов), атомная энергетика. Еще одно уникальное свойство ниобия, используемое в атомной энергетике - отсутствие заметного взаимодействия с ураном при температуре до 1 100 °C.
Кроме того, хорошая теплопроводность, небольшое эффективное сечение поглощения тепловых нейтронов сделали ниобий серьезным конкурентом признанных в атомной промышленности металлов - алюминия, бериллия и циркония. К тому же искусственная (наведенная) радиоактивность ниобия невелика. По этой причине из ниобия можно изготовлять контейнеры для хранения радиоактивных отходов или установки по их использованию. Малый процент потребления ниобия химической промышленностью объясняется лишь дефицитом данного элемента.
Из сплавов, содержащих сорок первый элемент, реже из листового ниобия делают аппаратуру для производства высокочистых кислот. Способность ниобия (катализатор) влиять на скорость некоторых химических реакций используется, например, при синтезе спирта из бутадиена. Сплавы ниобия используются при производстве деталей ракет и бортовой аппаратуры искусственных спутников Земли. Ниобий используется в деталях электрических конденсаторов, из него изготовляют «горячую» арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и другие). Ниобий применяют в криотронах - сверхпроводящих элементах вычислительных машин, а станнид Nb3Sn и сплавы ниобия с титаном и цирконием - для изготовления сверхпроводящих соленоидов.
Нитрид ниобия NbN применяют для изготовления сверхпроводящих болометров, мишеней передающих телевизионных трубок. Карбид ниобия NbC - пластичное вещество с характерным розоватым блеском, сочетающее хорошую ковкость и высокую термостойкость с приятными «внешними данными» сделало NbC ценным материалом для изготовления покрытий. Слой этого вещества толщиной всего 0,5 мм надежно защищает от коррозии при высоких температурах многие материалы, в частности графит, который другими покрытиями не защищается.
Карбид ниобия используется и как конструкционный материал в ракетостроении и производстве турбин. Карбонитрид NbC0,25N0,75 используют при изготовлении сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств, высокочастотных резонаторов с высокими значениями добротности; NbC0,25N0,75 перспективен для использования в магнитных системах реакторов термоядерного синтеза.
Металлиды Nb3Sn и Nb3Ge применяют при изготовлении соленоидов сверхпроводящих устройств; Nb3Ge перспективен для использования в магнитах МГД-генераторов и других электротехнических устройств. Феррониобий вводят в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии и разрушения и в стали других типов для улучшения их свойств.
Оксиды ниобия - компоненты огнеупорных материалов, керметов, стекол с высокими коэффициентами преломления. Ниобий вводят в нержавеющие стали для улучшения свойств сварочного шва.
Производство
Ниобиевые руды, как правило, комплексные и бедны металлом, хотя следует учесть, что их запасы превосходят запасы танталовых руд. Так, например, колумбит-танталитовые концентраты содержат всего 8 % Та2О5, и более 60 % Nb2O5. Большую часть (примерно 95 %) ниобия получают из пирохлоровых, колумбит-танталитовых и лопаритовых руд. Основные методы обогащения рудного сырья - гравитационный метод и флотация либо электромагнитная или радиометрическая сепарация. Получившиеся после обогащения рудные концентраты содержат пятиокись ниобия в количестве: колумбитовые - 30-60 %, пирохлоровые - не менее 37 %, лопаритовые - 7 % и более. Далее большую часть концентратов перерабатывают алюмино- или силикотермическим восстановлением на феррониобий (сплав железа с ниобием, с содержанием Nb 40-60 %) и ферротанталониобий, технически чистого Nb2O5, реже до галогенидов сорок первого элемента - NbCl5 и K2NbF7.
По сути феррониобий и ферротанталониобий - конечные продукты при обработке концентратов, ведь они являются легирующими элементами, которые вводят в различные сорта сталей для улучшения их свойств. При производстве феррониобия смесь пирохлоровых концентратов с гематитом Fe2O3, порошкообразным алюминием и добавками флюса загружают в вертикальные охлаждаемые водой стальные или медные реакторы и с помощью специального запала инициируют экзотермические реакции. После чего сливают шлак, охлаждают и измельчают полученный сплав. Выход ниобия в слиток при массе загрузки концентрата до 18 тонн достигает 98 %!
Технический Nb2O5, являющийся катализатором в химической промышленности, получают выщелачиванием ниобия и танатала из концентратов и шлаков оловянной плавки действием фтористоводородной кислоты с последующей очисткой и разделением ниобия и тантала. Разделение осуществляется экстракцией 100 %-ным трибутилфосфатом, метилизобутилкетоном, циклогексаноном (иногда другими соединениями), реэкстракцией ниобия действием водного раствора NH4F, осаждением из реэкстракта гидроксида ниобия, его сушкой и прокаливанием.
По сульфатному способу концентраты обрабатывают серной кислотой H2SO4 или ее смесью с (NH4)2SO4 при 150-300 °С, выщелачивают растворимые сульфаты водой, отделяют ниобий и тантал от титана, разделяют и очищают ниобий и тантал экстракцией из фторидных или оксофторидных комплексов, выделяя затем Nb2O5.
Хлоридный способ предусматривает смешение концентрата с коксом, брикетирование и хлорирование брикетов в шахтной печи при 700-800° С или хлорирование непосредственно порошкообразного концентрата и кокса в солевом хлоридном расплаве на основе NaCl и КСl. Затем производят отделение летучих хлоридов ниобия и тантала, их разделение и очистку ректификацией и раздельный гидролиз водой с прокаливанием осадка гидроксида ниобия. Иногда хлорируют феррониобий или отходы металла.
Описаны способы переработки концентратов ниобия с использованием жидких и газообразных фторирующих реагентов.
Металлический ниобий получают из рудных концентратов по сложной технологии в несколько стадий: вскрытие концентрата, разделение ниобия и тантала и получение их чистых химических соединений, восстановление и рафинирование металлического ниобия и его сплавов. Процессы обогащения и вскрытия концентратов, также как и пути разделения ниобия с танталом, описаны выше. Поэтому рассмотрим лишь методы получения ниобия восстановлением его соединений, например хлорида ниобия NbCl5 или фтор-ниобата калия K2NbF7, при высокой температуре:
K2NbF7 + 5Na → Nb + 2KF + 5NaF
Применяют также электролитическое восстановление Nb2O5 или K2NbF7 в расплаве K2NbF7 и хлоридов щелочных металлов. Особо чистый металл или покрытия из ниобия на различных металлических поверхностях получают восстановлением NbCl5 водородом при температурах выше 1 000 °С.
Из пятиокиси ниобия, получение которой различными методами мы рассмотрели ранее, металл получают алюмино- или карбо-термическим восстановлением либо нагреванием смеси Nb2O5 и NbC при 1 800-1 900 °С в вакууме. Продуктом таких реакций является металлический порошок ниобия, который необходимо затем превратить в монолит, сделать пластичным, компактным, пригодным для обработки. Как и другие тугоплавкие металлы, ниобий-монолит получают методами порошковой металлургии: порошок брикетируют, под большим давлением (1 т/см2) прессуют в штабики прямоугольного или квадратного сечения их спекают в вакууме (при 2 300 °С), затем соединяют в пруты, которые плавят в вакуумных дуговых печах, причем пруты в этих печах выполняют роль электрода. Такой процесс называется плавкой с расходуемым электродом. Монокристаллы ниобия особой чистоты получают методом бестигельной электронно-лучевой зонной плавки. Суть его в том, что на порошкообразный ниобий (операции прессования и спекания исключены) направляют мощный пучок электронов, который плавит порошок. Капли металла стекают на ниобиевый слиток, который постепенно растет и выводится из рабочей камеры.
Физические свойства
Металлический ниобий впервые получили лишь во второй половине XIX века, поэтому человечество знакомо со свойствами этого блестящего металла серо-стального цвета не так давно. Каковы же физические характеристики данного элемента? У сорок первого элемента периодической системы объемно-центрированная кубическая кристаллическая решетка с параметром а = 3,294Å. Определенно он легче своего спутника тантала (плотность 16,6 г/см3), однако ниобий всё равно остается тяжелым металлом, ведь его плотность при комнатной температуре (20 °C) составляет 8,57 г/см3. Да это меньше чем у свинца (11,34 г/см3) или ртути (13,5457 г/см3) при той же температуре, однако это значение выше, чем у железа (7,87 г/см3) или хрома (7,19 г/см3), например.
Ниобий - высокопрочный и твердый металл, его предел прочности при 20 и 800 °С соответственно равен 342 и 312 Мн/м2, то же в кгс/мм2 34,2 и 31,2; относительное удлинение при 20 и 800 °С соответственно 19,2 и 20,7 %. Твердость чистого ниобия по Бринеллю 450, технического 750-1800 Mн/м2. К тому же, сорок первый элемент сочетает в себе и отличные пластические характеристики: очищенный ниобий хорошо поддается механической обработке - легко обрабатывается давлением на холоду и сохраняет удовлетворительные механические свойства при высоких температурах. Чистый металл настолько пластичен, что может быть прокатан в тонкий лист (до толщины 0,01 мм) в холодном состоянии без промежуточного отжига. Правда всё это относится к очищенному металлу, ниобий, содержащий примеси некоторых элементов (особенно опасны водород, азот, углерод и кислород) сильно ухудшает свою пластичность. Однако наличие примесей повышает твердость ниобия и его хрупкость. В хрупкое состояние ниобий переходит при температурах от -100 до -200 °С.
Ниобий один из ряда тугоплавких металлов, его температура плавления (tпл) 2 500 °С, а температура кипения (tкип) 4927 °С. Более высокие точки плавления у молибдена (2 620 °C), тантала (3 000 °C), рения (около 3 190 °C) и вольфрама (около 3 400 °C). Однако у ниобия более низкая работа выхода электронов (4,01 эв) по сравнению с другими тугоплавкими металлами - вольфрамом и молибденом. Данная особенность характеризует способность к электронной эмиссии (испусканию электронов), что используется для применения ниобия в электровакуумной технике. Ниобий также имеет высокую температуру перехода в состояние сверхпроводимости. Это удивительное явление, когда при понижении температуры проводника в нем происходит скачкообразное исчезновение электрического сопротивления, впервые наблюдал голландский физик Г. Камерлинг-Оннес в 1911 г. Опытным образцом, который и стал первым сверхпроводником, была ртуть. Однако не ей, а ниобию и некоторым его интерметаллическим соединениям суждено было стать первыми технически важными сверхпроводящими материалами. Температура перехода ниобия в сверхпроводящее состояние 9,17 °K, в то время как большинство известных сверхпроводников становятся сверхпроводниками лишь при температуре жидкого гелия. Интерметаллическое соединение ниобия и германия состава Nb3Ge имеет критическую температуру 23,2 °К - это выше температуры кипения водорода! Способность переходить в состояние сверхпроводимости свойственна также стапниду ниобия Nb3Sn, сплавам ниобия с алюминием и германием или с титаном и цирконием.
Теплопроводность сорок первого элемента 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 ниобия при 0° С 15,22 10-8 ом м (15,22 10-6 ом см). Ниобий парамагнитен, его удельная магнитная восприимчивость + 2,28∙10-6 (при 18° С). Теплоёмкость (при 25 °C) 24,6 Дж/(моль∙К); теплопроводность (при 0 °C) 51,4 Вт/(м∙К).
Химические свойства
Химически ниобий довольно инертен. Хотя и не настолько, как тантал, но на холоде и при небольшом нагреве сорок первый элемент чрезвычайно устойчив к действию многих агрессивных сред, однако при высоких температурах химическая активность ниобия повышается. Компактный ниобий заметно окисляется на воздухе только при температуре выше 200 °С (если при 150...200 °C окисляется лишь небольшой поверхностный слой металла, то при 900...1 200 °C толщина окисной пленки значительно увеличивается), образуя Nb2О5 (окисел белого цвета, имеет кислотный характер и tпл = 1512 °С), причем для этого оксида описано около десяти кристаллических модификаций. При обычном давлении стабильна β-форма Nb2О5. Кроме того, сорок первый элемент образует NbO2 (полупроводник с tпл 2 080 °С, черного цвета), NbO, ряд нестехиометрических оксидов, промежуточных между NbO2,42 и NbO2,50 и близких по структуре к β-форме Nb2О5.
Что интересно, окись ниобия NbO, сплавленная в слиток, обладает металлическим блеском и электропроводностью металлического типа, заметно испаряется при 1700° С, интенсивно - при 2 300-2 350 °С, что используют для вакуумной очистки ниобия от кислорода. При сплавлении пятиокиси ниобия с различными оксидами получают ниобаты: Ti2Nb10О29, FeNb49О124 - которые можно рассматривать, как соли гипотетических ниобиевых кислот (ниобиевые кислоты не выделены в виде определенных химические соединений). Ниобаты делятся на метаниобаты MNbO3, ортониобаты M3NbO4, пирониобаты M4Nb2O7 или полиниобаты M2O nNb2O5 (где M - однозарядный катион, а n = 2-12). Известны ниобаты двух- и трехзарядных катионов. Еще ниобаты получают в результате обменных реакций после сплавления пятиокиси ниобия с содой:
Nb2O5 + 3Na2CO4 → 2Na3NbО4 + 3CO2
Хорошо изучены соли нескольких ниобиевых кислот, в первую очередь метаниобиевой HNbO3, а также диниобаты и пентаниобаты (K4Nb2O7, К7Nb5О16 ∙ mH2O). Ниобаты реагируют с HF, расплавами гидрофторидов щелочных металлов (KHF2) и аммония. Некоторые ниобаты с высоким отношением M2O/Nb2O5 гидролизуются:
6Na3NbO4 + 5H2O → Na8Nb6O19 + 10NaOH
Для сорок первого элемента характерно свойство поглощения газов - водорода, азота и кислорода. Причем даже небольшие примеси данных элементов отрицательно влияют на механические и электрические свойства металла. При низкой температуре водород поглощается медленно, но уже при температуре примерно 360 °С водород поглощается с максимальной скоростью, причём происходит не только адсорбция, но и образуется гидрид переменного состава от NbH0,7 до NbH. Поглощённый водород придаёт металлу хрупкость, однако этот процесс обратим - при нагревании в вакууме выше 600 °С почти весь водород выделяется и прежние механические свойства восстанавливаются. Азот ниобий начинает поглощать при уже при 600 °С, при более высокой температуре образуется высший нитрид NbN светло-серого цвета с желтоватым оттенком, который плавится при 2 300 °С. В системе Nb - N существуют несколько фаз переменного состава и нитриды Nb2N и NbN.
Углерод и углеродсодержащие газы (СН4, СО) при высокой температуре (1 200-1 400 °С) взаимодействуют с ниобием с образованием твёрдого и тугоплавкого карбида NbC (плавится при 3 500 °С). При температурах 1 800-2 000 °С ниобий образует с углеродом три фазы: α-фаза - твердый раствор внедрения углерода в ниобий, β-фаза - Nb2C, δ-фаза - NbC.
Ниобий невосприимчив к действию большинства кислот и растворов солей. С ним не взаимодействуют царская водка, соляная и серная кислоты при 20 °С, азотная, фосфорная, хлорная кислоты, водные растворы аммиака и органические кислоты любой концентрации на холоду и при 100-150 °С. Металл растворяется в плавиковой кислоте и особенно интенсивно - в смеси плавиковой и азотной кислот. Менее устойчив сорок первый элемент в щелочах. Горячие растворы едких щелочей заметно разъедают металл, в расплавленных щелочах и соде он быстро окисляется с образованием натриевой соли ниобиевой кислоты.
С галогенами ниобий образует пентагалогениды NbHal5, тетрагалогениды NbHal4 и фазы NbHal2,67 - NbHal3+x, в которых имеются группировки Nb3 или Nb2. Пентагалогениды ниобия легко гидролизуются водой. Из них наиболее важны пентафторид NbF5, пентахлорид NbCl5, окситрихлорид NbOCl3, фторониобат калия K2NbF7 и оксифторониобат калия K2NbOF7 Н2О.
С фосфором ниобий образует фосфиды NbP и NbP2, с мышьяком - арсениды NbAs и NbAs2, с сурьмой - антимониды Nb3Sb, Nb5Sb4, NbSb2, с серой - сульфиды NbS3, NbS2 и NbS. Станнид Nb3Sn (tпл ~ 2130° С) и германид Nb3Ge (tпл ~ 1 970 °С) - сверхпроводники с температурами перехода в сверхпроводящее состояние соответственно 18,05 °К и 23,2 °К; получают их из простых веществ. 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.
Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter
|
|||||||
Ниобий
С элементом, занимающим в менделеевской таблице 41-ю клетку, человечество знакомо давно. Возраст его нынешнего названия ниобий почти на полстолетия меньше. Случилось так, что элемент №41 был открыт дважды. Первый раз в 1801 г. английский ученый Чарльз Хатчет исследовал образец верного минерала, присланного в Британский музей из Америки. Из этого минерала он выделил окисел неизвестного прежде элемента. Новый элемент Хатчет назвал колумбием, отмечая тем самым его заокеанское происхождение. А черный минерал получил название колумбита.
Через год шведский химик Экеберг выделил из колумбита окисел еще одного нового элемента, названного танталом. Сходство соединений Колумбия и тантала было так велико, что в течение 40 лет большинство химиков считало: тантал и колумбий один и тот же элемент.
В 1844 г. немецкий химик Генрих Розе исследовал образцы колумбита, найденные в Баварии. Он вновь обнаружил окислы двух металлов. Один из них был окислом известного уже тантала. Окислы были похожи, и, подчеркивая их сходство, Розе назвал элемент, образующий второй окисел, ниобием по имени Ниобы, дочери мифологического мученика Тантала.
Впрочем, Розе, как и Хатчет, не сумел получить этот элемент в свободном состоянии.
Металлический ниобий был впервые получен лишь в 1866 г. шведским ученым Бломстрандом при восстановлении хлорида ниобия водородом. В конце XIX в. были найдены еще два способа получения этого элемента. Сначала Муассан получил его в электропечи, восстанавливая окись ниобия углеродом, а затем Гольдшмидт сумел восстановить тот же элемент алюминием.
А называть элемент №41 в разных странах продолжали по-разному: в Англии и США колумбием, в остальных странах ниобием. Конец этой разноголосице положил Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) в 1950 г. Было решено повсеместно узаконить название элемента «ниобий», а за основным минералом ниобия так и закрепилось наименование «колумбит». Его формула (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 О 6 .
Глазами химика
Элементарный ниобий чрезвычайно тугоплавкий (2468°C) и высококипящий (4927°C) металл, очень стойкий во многих агрессивных средах. Все кислоты, за исключением плавиковой, не действуют на него. Кислоты-окислители «пассивируют» ниобий, покрывая его защитной окисной пленкой (Nb 2 O 5). Но при высоких температурах химическая активность ниобия повышается. Если при 150...200°C окисляется лишь небольшой поверхностный слой металла, то при 900...1200°C толщина окисной пленки значительно увеличивается.
Ниобий активно реагирует со многими неметаллами. С ним образуют соединения галогены, азот, водород, углерод, сера. При этом ниобий может проявлять разные валентности от двух до пяти. Но главная валентность этого элемента 5+. Пятивалентный ниобий может входить в состав соли и как катион, и как один из элементов аниона, что свидетельствует об амфотерном характере элемента №41.
Соли ниобиевых кислот называют ниобатами. Их получают в результате обменных реакций после сплавления пятиокиси ниобия с содой:
Nb 2 O 5 + 3Na 2 CO 3 → 2Na 3 NbО 4 + 3CO 2 .
Довольно хорошо изучены соли нескольких ниобиевых кислот, в первую очередь метаниобиевой HNbO 3 , а также диниобаты и пентаниобаты (K 4 Nb 2 O 7 , К 7 Nb 5 О 16 · m H 2 O). А соли, в которых элемент №41 выступает как катион, обычно получают прямым взаимодействием простых веществ, например 2Nb + 5Cl 2 → 2NbCl 5 .
Ярко окрашенные игольчатые кристаллы пентагалогенидов ниобия (NbCl 5 желтого цвета, NbBr 5 пурпурно-красного) легко растворяются в органических растворителях хлороформе, эфире, спирте. Но при растворении в воде эти соединения полностью разлагаются, гидролизуются с образованием ниобатов:
NbCl 5 + 4Н 2 О → 5HCl + Н 3 NbO 4 .
Гидролиз можно предотвратить, если в водный раствор добавить какую-либо сильную кислоту. В таких растворах пентагалогениды ниобия растворяются, не гидролизуясь.
Ниобий образует двойные соли и комплексные соединения, наиболее легко фтористые. Фторниобаты так называются эти двойные соли. Они получаются, если в раствор ниобиевой и плавиковой кислот добавить фторид какого-либо металла.
Состав комплексного соединения зависит от соотношения реагирующих в растворе компонентов. Рентгеноструктурный анализ одного из этих соединений показал строение, отвечающее формуле K 2 NbF 7 . Могут образоваться и оксосоединения ниобия, например оксофторниобат калия K 2 NbOF 5 · H 2 O.
Химическая характеристика элемента не исчерпывается, конечно, этими сведениями. Сегодня самые важные из соединений элемента №41 это его соединения с другими металлами.
Ниобий и сверхпроводимость
Удивительное явление сверхпроводимости, когда при понижении температуры проводника в нем происходит скачкообразное исчезновение электрического сопротивления, впервые наблюдал голландский физик Г. Камерлинг-Оннес в 1911 г. Первым сверхпроводником оказалась ртуть, но не ей, а ниобию и некоторым интерметаллическим соединениям ниобия суждено было стать первыми технически важными сверхпроводящими материалами.
Практически важны две характеристики сверхпроводников: величина критической температуры, при которой происходит переход в состояние сверхпроводимости, и критического магнитного поля (еще Камерлинг-Оннес наблюдал утрату сверхпроводником сверхпроводимости при воздействии на него достаточно сильного магнитного поля). По состоянию на 1 января 1975 г. сверхпроводником «рекордсменом» по величине критической температуры было интерметаллическое соединение ниобия и германия состава Nb 3 Ge. Его критическая температура 23,2°К; это выше температуры кипения водорода. (Большинство известных сверхпроводников становятся сверхпроводниками лишь при температуре жидкого гелия).
Способность переходить в состояние сверхпроводимости свойственна также станниду ниобия Nb 3 Sn, сплавам ниобия с алюминием и германием или с титаном и цирконием. Все эти сплавы и соединения уже используются для изготовления сверхпроводящих соленоидов, а также некоторых других важных технических устройств.
Ниобий металл
Металлический ниобий можно получить восстановлением его соединений, например хлорида ниобия или фтор-ниобата калия, при высокой температуре:
K 2 NbF 7 + 5Na → Nb + 2KF + 5NaF.
Но прежде чем достигнуть этой в сущности последней стадии производства, ниобиевая руда проходит множество этапов переработки. Первый из них обогащение руды, получение концентратов. Концентрат сплавляют с различными плавнями: едким натром или содой. Полученный сплав выщелачивают. Но растворяется он не полностью. Нерастворимый осадок и есть ниобий. Правда, он здесь еще в составе гидроокиси, не разделен со своим аналогом по подгруппе танталом и не очищен от некоторых примесей.
До 1866 г. не было известно ни одного пригодного для производственных условий способа разделения тантала и ниобия. Первым метод разделения этих чрезвычайно похожих элементов предложил Жан Шарль Галиссар де Мариньяк. Метод основан на разной растворимости комплексных соединений этих металлов и называется фторидным. Комплексный фторид тантала нерастворим в воде, а аналогичное соединение ниобия растворимо.
Фторидный метод сложен и не позволяет полностью разделить ниобий и тантал. Поэтому в наши дни он почти не применяется. На смену ему пришли методы избирательной экстракции, ионного обмена, ректификации галогенидов и др. Этими методами получают окисел и хлорид пятивалентного ниобия.
После разделения ниобия и тантала идет основная операция восстановление. Пятиокись ниобия Nb 2 O 5 восстанавливают алюминием, натрием, сажей или карбидом ниобия, полученным при взаимодействии Nb 2 O 5 с углеродом; пентахлорид ниобия восстанавливают металлическим натрием или амальгамой натрия. Так получают порошкообразный ниобий, который нужно затем превратить в монолит, сделать пластичным, компактным, пригодным для обработки. Как и другие тугоплавкие металлы, ниобий-монолит получают методами порошковой металлургии, суть которой в следующем.
Из полученного металлического порошка под большим давлением (1 т/см 2) прессуют так называемые штабики прямоугольного или квадратного сечения. В вакууме при 2300°C эти штабики спекают, соединяют в пруты, которые плавят в вакуумных дуговых печах, причем пруты в этих печах выполняют роль электрода. Такой процесс называется плавкой с расходуемым электродом.
Монокристаллический пластичный ниобий получают методом бестигельной зонной электронно-лучевой плавки. Суть его в том, что на порошкообразный ниобий (операции прессования и спекания исключены!) направляют мощный пучок электронов, который плавит порошок. Капли металла стекают на ниобиевый слиток, который постепенно растет и выводится из рабочей камеры.
Как видите, путь ниобия от руды до металла в любом случае довольно долог, а способы производства сложны.
Ниобий и металлы
Рассказ о применении ниобия логичнее всего начать с металлургии, так как именно в металлургии он нашел наиболее широкое применение. И в цветной металлургии, и в черной.
Сталь, легированная ниобием, обладает хорошей коррозионной стойкостью. «Ну и что? скажет иной искушенный читатель. Хром тоже повышает коррозионную стойкость стали, и он намного дешевле ниобия». Этот читатель прав и неправ одновременно. Неправ потому, что забыл об одном.
В хромоникелевой стали, как и во всякой другой, всегда есть углерод. Но углерод соединяется с хромом, образуя карбид, который делает сталь более хрупкой. Ниобий имеет большее сродство к углероду, чем хром. Поэтому при добавлении в сталь ниобия обязательно образуется карбид ниобия. Легированная ниобием сталь приобретает высокие антикоррозионные свойства и не теряет своей пластичности. Нужный эффект достигается, когда в тонну стали добавлено всего 200 г металлического ниобия. А хромо-марганцевой стали ниобий придает высокую износоустойчивость.
Ниобием легируют и многие цветные металлы. Так, алюминий, легко растворяющийся в щелочах, не реагирует с ними, если в него добавлено всего 0,05% ниобия. А медь, известную своей мягкостью, и многие ее сплавы ниобий словно закаляет. Он увеличивает прочность таких металлов, как титан, молибден, цирконий, и одновременно повышает их жаростойкость и жаропрочность.
Сейчас свойства и возможности ниобия по достоинству оценены авиацией, машиностроением, радиотехникой, химической промышленностью, ядерной энергетикой. Все они стали потребителями ниобия.
Уникальное свойство отсутствие заметного взаимодействия ниобия с ураном при температуре до 1100°C и, кроме того, хорошая теплопроводность, небольшое эффективное сечение поглощения тепловых нейтронов сделали ниобий серьезным конкурентом признанных в атомной промышленности металлов алюминия, бериллия и циркония. К тому же искусственная (наведенная) радиоактивность ниобия невелика. Поэтому из него можно делать контейнеры для хранения радиоактивных отходов или установки по их использованию.
Химическая промышленность потребляет сравнительно немного ниобия, но это объясняется только его дефицитностью. Из ниобийсодержащих сплавов и реже из листового ниобия иногда делают аппаратуру для производства высокочистых кислот. Способность ниобия влиять на скорость некоторых химических реакций используется, например, при синтезе спирта из бутадиена.
Потребителями элемента №41 стали также ракетная и космическая техника. Не секрет, что на околоземных орбитах уже вращаются какие-то количества этого элемента. Из ниобийсодержащих сплавов и чистого ниобия сделаны некоторые детали ракет и бортовой аппаратуры искусственных спутников Земли.
Минералы ниобия
Колумбит (Fe, Mn) (Nb, Та) 2 О 6 был первым минералом ниобия, известным человечеству. И этот же минерал самый богатый элементом №41. На долю окислов ниобия и тантала приходится до 80% веса колумбита. Гораздо меньше ниобия в пирохлоре (Са, Na) 2 (Nb, Та, Ti) 2 O 6 (O, OH, F) и лопарите (Na, Се, Са) 2 (Nb, Ti) 2 O 6 . А всего известно больше 100 минералов, в состав которых входит ниобий. Значительные месторождения таких минералов есть в разных странах: США, Канаде, Норвегии, Финляндии, но крупнейшим поставщиком концентратов ниобия на мировой рынок стало африканское государство Нигерия. В СССР есть большие запасы лопарита, они найдены на Кольском полуострове.
Розовый карбид
Монокарбид ниобия NbC пластичное вещество с характерным розоватым блеском. Это важное соединение довольно легко образуется при взаимодействии металлического ниобия с углеводородами. Сочетание хорошей ковкости и высокой термостойкости с приятными «внешними данными» сделало монокарбид ниобия ценным материалом для изготовления покрытий. Слой этого вещества толщиной всего 0,5 мм надежно защищает от коррозии при высоких температурах многие материалы, в частности графит, который другими покрытиями фактически незащитим. NbC используется и как конструкционный материал в ракетостроении и производстве турбин.
Нервы, сшитые ниобием
Высокая коррозионная стойкость ниобия позволила использовать его в медицине. Ниобиевые нити не вызывают раздражения живой ткани и хорошо сращиваются с ней. Восстановительная хирургия успешно использует такие нити для сшивания порванных сухожилий, кровеносных сосудов и даже нервов.
Наружность не обманчива
Ниобий не только обладает комплексом нужных технике свойств, но и выглядит достаточно красиво. Этот белый блестящий металл ювелиры пытались использовать для изготовления корпусов ручных часов. Сплавы ниобия с вольфрамом или рением иногда заменяют благородные металлы: золото, платину, иридий. Последнее особенно важно, так как сплав ниобия с рением не только внешне похож на металлический иридий, но почти так же износостоек. Это позволило некоторым странам обходиться без дорогого иридия в производстве напаек для перьев авторучек.
Ниобий и сварка
В конце 20-х годов нашего века электро- и газосварка стали вытеснять клепку и другие способы соединения узлов и деталей. Сварка повысила качество изделий, ускорила и удешевила процессы их сборки. Особенно перспективной сварка казалась при монтаже крупных установок, работающих в коррозионно-активных средах или под большим давлением. Но тут выяснилось, что при сварке нержавеющей стали сварной шов имеет намного меньшую прочность, чем сама сталь. Чтобы улучшить свойства шва, в «нержавейку» стали вводить различные добавки. Лучшей из них оказался ниобий.
Заниженные цифры
Ниобий не случайно считается редким элементом: он действительно встречается не часто и в небольших количествах, причем всегда в виде минералов и никогда в самородном состоянии. Любопытная деталь: в разных справочных изданиях кларк (содержание в земной коре) ниобия разный. Это объясняется главным образом тем, что в последние годы в странах Африки найдены новые месторождения минералов, содержащих ниобий. В приведены цифры: 3,2·10 5 % (1939 г.), 1·10 3 % (1949 г.) и 2,4·10 3 % (1954 г.). Но и последние цифры занижены: африканские месторождения, открытые в последние годы, сюда не вошли. Тем не менее подсчитано, что из минералов уже известных месторождений можно выплавить примерно 1,5 млн т металлического ниобия.