Niobio- metallo grigio argento lucido. Il reticolo cristallino del niobio è cubico a corpo centrato con il parametro a = 3,294Å. Densità 8,57 g/cm 3 (20°C); tpl 2500 °C; t balla 4927 °C; pressione di vapore (in mm Hg; 1 mm Hg = 133,3 N / m 2) 1 10 -5 (2194 ° C), 1 10 -4 (2355 ° C), 6 10 -4 (a t pl), 1 10 - 3 (2539 °C). Conducibilità termica in W/(m K) a 0°C e 600°C, rispettivamente, 51,4 e 56,2, la stessa in cal/(cm s°C) 0,125 e 0,156. Resistenza elettrica volumetrica specifica a 0°C 15,22·10 -8 ohm·m (15,22·10 -6 ohm·cm). La temperatura di transizione allo stato superconduttore è 9,25 K. Il niobio è paramagnetico. La funzione di lavoro degli elettroni è 4,01 eV.
Il niobio puro è facilmente lavorabile per pressione al freddo e mantiene proprietà meccaniche soddisfacenti alle alte temperature. La sua resistenza alla trazione a 20 e 800 °C è rispettivamente di 342 e 312 MN/m2, la stessa in kgf/mm2 34,2 e 31,2; allungamento relativo a 20 e 800°C, rispettivamente, 19,2 e 20,7%. La durezza del niobio puro secondo Brinell 450, tecnica 750-1800 MN/m 2 .
Le impurità di alcuni elementi, in particolare idrogeno, azoto, carbonio e ossigeno, alterano notevolmente la plasticità e aumentano la durezza del niobio. Questo metallo può essere arrotolato in un foglio sottile. Ma, come nel caso del titanio, del tantalio e di alcuni altri metalli, solo un metallo che non contiene impurità di ossigeno, azoto e altri non metalli è plastica. Queste impurità rendono il niobio fragile e fragile.
Le proprietà fisiche del niobio Nb sono date in funzione della temperatura nell'intervallo da -223 a 2527°C. Si considerano le seguenti proprietà del niobio solido e liquido:
- densità di niobio D;
- capacità termica di massa specifica Cp;
- diffusività termica un;
- coefficiente di conducibilità termica λ ;
- resistività elettrica ρ ;
- coefficiente di dilatazione termica lineare α .
Le proprietà fisiche del niobio dipendono in modo diverso dalla temperatura. Il suo cambiamento ha il maggiore effetto sulla resistività elettrica del niobio. Ad esempio, quando la temperatura di questo metallo sale da 0°C al punto di fusione, la sua resistività aumenta di oltre 8 volte (fino ad un valore di 109·10 -8 Ohm·m).
Il niobio è un metallo refrattario duttile con un punto di fusione di 2477°C e una densità di 8570 kg/m 3 (a 20°C). Il punto di ebollizione del niobio è 4744°C, la struttura reticolare è cubica centrata sul corpo con un periodo di 0,33 nm.
La densità del niobio diminuisce quando riscaldato. Il niobio allo stato fuso ha una densità notevolmente inferiore rispetto allo stato solido: alla temperatura di 2477°C, la densità del niobio liquido è di 7580 kg/m 3 .
La capacità termica specifica del niobio a temperatura ambiente è 268 J/(kg gradi) e aumenta al riscaldamento. Si noti che il valore di questa proprietà fisica del niobio cambia in modo insignificante durante la fusione e allo stato liquido la sua capacità termica specifica è 1,7 volte maggiore del classico valore 3R.
La conducibilità termica del niobio a 0°C è 48 W/(m gradi), è di dimensioni vicine a . La dipendenza dalla temperatura della conducibilità termica del niobio è caratterizzata da un minimo piatto nella regione della temperatura ambiente e un coefficiente di temperatura positivo superiore a 230°C. Quando ci si avvicina al punto di fusione del niobio, la sua conduttività termica aumenta.
La diffusività termica del niobio ha anche un minimo piatto vicino alla temperatura ambiente e poi un massimo piatto a 900...1500°C. Il coefficiente di dilatazione termica lineare del niobio è relativamente basso. È comparabile in valore con il coefficiente di espansione di metalli come tungsteno, iridio e.
| t, °C | D, kg/m3 |
Cp, J/(kg gradi) |
un 10 6 , m 2 /s |
λ, W/(m gradi) |
ρ 10 8 , Ohm |
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 | — | — | — |
L'elemento che occupa la 41a cella della tavola periodica è noto all'umanità da molto tempo. L'età del suo nome attuale - niobio - è di quasi mezzo secolo in meno. È successo che l'elemento #41 è stato aperto due volte. La prima volta - nel 1801, lo scienziato inglese Charles Hatchet esaminò un campione del minerale giusto inviato al British Museum dall'America. Da questo minerale isolò l'ossido di un elemento precedentemente sconosciuto. Hatchet ha chiamato il nuovo elemento columbia, segnando così la sua origine transatlantica. E il minerale nero si chiama columbite.
Un anno dopo, il chimico svedese Ekeberg isolò l'ossido di un altro nuovo elemento dalla columbite, chiamato tantalio. La somiglianza dei composti di Columbia e tantalio era così grande che per 40 anni la maggior parte dei chimici credette che tantalio e columbio fossero lo stesso elemento.
Nel 1844, il chimico tedesco Heinrich Rose esaminò campioni di columbite trovati in Baviera. Scoprì di nuovo gli ossidi di due metalli. Uno di questi era un ossido del già noto tantalio. Gli ossidi erano simili e, sottolineando la loro somiglianza, Rosé chiamò l'elemento che forma il secondo ossido niobio, dal nome di Niobe, figlia del mitologico martire Tantalo.
Tuttavia, Rose, come Hatchet, non è riuscita a ottenere questo elemento in uno stato libero.
Il niobio metallico fu ottenuto per la prima volta solo nel 1866 dallo scienziato svedese Blomstrand durante la riduzione del cloruro di niobio con idrogeno. Alla fine del XIX secolo. sono stati trovati altri due modi per ottenere questo elemento. Moissan lo ottenne prima in un forno elettrico, riducendo l'ossido di niobio con il carbonio, e poi Goldschmidt riuscì a ridurre lo stesso elemento con l'alluminio.
E hanno continuato a chiamare l'elemento n. 41 in modo diverso nei diversi paesi: in Inghilterra e negli Stati Uniti - Colombia, in altri paesi - niobio. L'Unione internazionale di chimica pura e applicata (IUPAC) pose fine a questa discordia nel 1950. Si decise di legalizzare il nome dell'elemento "niobio" ovunque e il nome "columbite" fu assegnato al principale minerale di niobio. La sua formula è (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6.
Attraverso gli occhi di un chimico
Il niobio elementare è un metallo estremamente refrattario (2468°C) e altobollente (4927°C), molto resistente in molti ambienti aggressivi. Tutti gli acidi, ad eccezione del fluoridrico, non agiscono su di esso. Gli acidi ossidanti "passivano" il niobio, ricoprendolo con un film protettivo di ossido (n. 205). Ma alle alte temperature, l'attività chimica del niobio aumenta. Se a 150...200°C si ossida solo un piccolo strato superficiale del metallo, a 900...1200°C lo spessore del film di ossido aumenta significativamente.
Il niobio reagisce attivamente con molti non metalli. Alogeni, azoto, idrogeno, carbonio, zolfo formano composti con esso. In questo caso, il niobio può presentare valenze diverse, da due a cinque. Ma la valenza principale di questo elemento è 5+. Il niobio pentavalente può essere incluso nella composizione del sale sia come catione che come uno degli elementi dell'anione, il che indica la natura anfotera dell'elemento n. 41.
I sali degli acidi niobici sono chiamati niobati. Sono ottenuti come risultato di reazioni di scambio dopo la fusione del pentossido di niobio con la soda:
Nb 2 O 5 + 3Na 2 CO 4 → 2Na 3 NbO 4 + 3CO 2.
I sali di diversi acidi niobici, principalmente HNbO 3 metaniobico, così come diniobati e pentaniobati (K 4 Nb 2 O 7 , K 7 Nb 5 O 16 ) sono abbastanza ben studiati. m H2O). E i sali in cui l'elemento n. 41 funge da catione sono solitamente ottenuti dall'interazione diretta di sostanze semplici, ad esempio 2Nb + 5Cl 2 → 2NbCl 5.
Cristalli aghiformi dai colori vivaci di pentaalogenuri di niobio (NbCl - giallo, NbBr 5 - rosso porpora) si dissolvono facilmente in solventi organici - cloroformio, etere, alcool. Ma una volta disciolti in acqua, questi composti si decompongono completamente, idrolizzano con la formazione di niobati:
NbCl 5 + 4H 2 O → 5HCl + H 3 NbO 4.
L'idrolisi può essere prevenuta aggiungendo dell'acido forte alla soluzione acquosa. In tali soluzioni, i pentaalogenuri di niobio si dissolvono senza idrolizzarsi.
Il niobio forma doppi sali e composti complessi, più facilmente: fluoro. I fluoroniobati sono i nomi di questi doppi sali. Si ottengono aggiungendo un fluoruro metallico ad una soluzione di acidi niobecico e fluoridrico.
La composizione di un composto complesso dipende dal rapporto tra i componenti che reagiscono in soluzione. L'analisi ai raggi X di uno di questi composti ha mostrato una struttura corrispondente alla formula K 2 NbF 7 . Si possono anche formare oxocomposti del niobio, ad esempio ossofluoronpobato di potassio K 2 NbOF 5 H 2 O.
La caratterizzazione chimica dell'elemento non si limita, ovviamente, a queste informazioni. Oggi, il più importante dei composti dell'elemento 41 sono i suoi composti con altri metalli.
Niobio e superconduttività
Il sorprendente fenomeno della superconduttività, quando, al diminuire della temperatura del conduttore, si verifica un'improvvisa scomparsa della resistenza elettrica, fu osservato per la prima volta dal fisico olandese G. Kamerling-Onnes nel 1911. Il mercurio si rivelò essere il primo superconduttore, ma non il mercurio, ma il niobio e alcuni composti intermetallici del niobio erano destinati a diventare i primi materiali superconduttori tecnicamente importanti.
Due caratteristiche dei superconduttori sono praticamente importanti: il valore della temperatura critica alla quale avviene il passaggio allo stato di superconduttività, e il campo magnetico critico (anche Kamerling-Onnes ha osservato la perdita di superconduttività da parte di un superconduttore quando esposto ad un magnete sufficientemente forte campo). Al 1 gennaio 1975, il superconduttore - il "detentore del record" in termini di temperatura critica era un composto intermetallico di niobio e germanio della composizione Nb 3 Ge. La sua temperatura critica è di 23,2°K; questo è al di sopra del punto di ebollizione dell'idrogeno. (I superconduttori più conosciuti diventano superconduttori solo alla temperatura dell'elio liquido).
La capacità di passare allo stato di superconduttività è inerente anche allo stapnide di niobio Nb 3 Sn, leghe di niobio con alluminio e germanio, oppure con titanio e zirconio. Tutte queste leghe e mescole sono già utilizzate per la produzione di solenoidi superconduttori, così come per altri importanti dispositivi tecnici.
Niobio - metallo
Il niobio metallico può essere ottenuto riducendo i suoi composti, come il cloruro di niobio o il niobato di fluoro di potassio, ad alta temperatura:
K 2 NbF 7 + 5Na → Nb + 2KF + 5NaF.
Ma prima di raggiungere quest'ultima fase di produzione, il minerale di niobio passa attraverso molte fasi di lavorazione. Il primo di questi è l'arricchimento del minerale, ottenendo concentrati. Il concentrato viene fuso con vari flussi: soda caustica o soda. La lega risultante viene lisciviata. Ma non si dissolve completamente. Il precipitato insolubile è niobio. È vero, qui è ancora nella composizione dell'idrossido, non è separato dal suo analogo nel sottogruppo - tantalio - e non è purificato da alcune impurità.
Fino al 1866 non esisteva un unico metodo per la separazione del tantalio e del niobio adatto alle condizioni di produzione. Il primo metodo per separare questi elementi estremamente simili è stato proposto da Jean Charles Galissard de Marignac. Il metodo si basa sulla diversa solubilità dei composti complessi di questi metalli ed è chiamato fluoruro. Il complesso fluoruro di tantalio è insolubile in acqua, mentre l'analogo composto di niobio è solubile.
Il metodo del fluoruro è complicato e non consente la completa separazione di niobio e tantalio. Pertanto, al giorno d'oggi non viene quasi mai utilizzato. È stato sostituito da metodi di estrazione selettiva, scambio ionico, rettifica degli alogenuri, ecc. Questi metodi producono ossido e cloruro di niobio pentavalente.
Dopo la separazione di niobio e tantalio, avviene l'operazione principale: il recupero. Il pentossido di niobio Nb 2 O 5 viene ridotto con alluminio, sodio, nerofumo o carburo di niobio ottenuti facendo reagire Nb 2 O 5 con carbonio; Il pentacloruro di niobio viene ridotto con sodio metallico o amalgama di sodio. Si ottiene così il niobio in polvere, che deve poi essere trasformato in un monolite, reso plastico, compatto, adatto alla lavorazione. Come altri metalli refrattari, il niobio-monolito è ottenuto dalla metallurgia delle polveri, la cui essenza è la seguente.
Dalla polvere metallica risultante ad alta pressione (1 t/cm 2) si pressano le cosiddette bacchette di sezione rettangolare o quadrata. Sotto vuoto a 2300°C, queste bacchette vengono sinterizzate, combinate in bacchette, che vengono fuse in forni ad arco sottovuoto e le bacchette in questi forni fungono da elettrodo. Questo processo è chiamato fusione degli elettrodi consumabili.
Il niobio plastico monocristallino è ottenuto mediante fusione a fascio di elettroni in zona priva di crogiolo. La sua essenza è che un potente fascio di elettroni viene diretto al niobio in polvere (sono escluse le operazioni di pressatura e sinterizzazione!) che scioglie la polvere. Gocce di metallo scorrono sul lingotto di niobio, che cresce gradualmente e viene rimosso dalla camera di lavoro.
Come puoi vedere, il percorso del niobio dal minerale al metallo è comunque piuttosto lungo e le modalità di produzione sono complesse.
Niobio e metalli
La storia sull'uso del niobio è più logica per cominciare con la metallurgia, poiché è nella metallurgia che ha trovato l'applicazione più ampia. E nella metallurgia non ferrosa e in quella ferrosa.
L'acciaio legato con niobio ha una buona resistenza alla corrosione. "E allora? - dice un altro lettore sofisticato. "Il cromo aumenta anche la resistenza alla corrosione dell'acciaio ed è molto più economico del niobio". Questo lettore ha ragione e torto allo stesso tempo. Sbagliato perché ho dimenticato una cosa.
Negli acciai al cromo-nichel, come in tutti gli altri, c'è sempre il carbonio. Ma il carbonio si combina con il cromo per formare il carburo, che rende l'acciaio più fragile. Il niobio ha una maggiore affinità per il carbonio rispetto al cromo. Pertanto, quando il niobio viene aggiunto all'acciaio, si forma necessariamente il carburo di niobio. L'acciaio legato al niobio acquisisce elevate proprietà anticorrosive e non perde la sua duttilità. L'effetto desiderato si ottiene aggiungendo solo 200 g di niobio metallico a una tonnellata di acciaio. E il niobio in acciaio al cromo-mangaico offre un'elevata resistenza all'usura.
Molti metalli non ferrosi sono anche legati con niobio. Quindi, l'alluminio, che è facilmente solubile negli alcali, non reagisce con loro se viene aggiunto solo lo 0,05% di niobio. E il rame, noto per la sua morbidezza, e molte delle sue leghe, il niobio sembra indurirsi. Aumenta la resistenza di metalli come titanio, molibdeno, zirconio e allo stesso tempo aumenta la loro resistenza al calore e resistenza al calore.
Ora le proprietà e le capacità del niobio sono apprezzate dall'aviazione, dall'ingegneria meccanica, dall'ingegneria radiofonica, dall'industria chimica e dall'energia nucleare. Tutti loro divennero consumatori di niobio.
La proprietà unica - l'assenza di una notevole interazione del niobio con l'uranio a temperature fino a 1100 ° C e, inoltre, una buona conduttività termica, una piccola sezione trasversale di assorbimento efficace dei neutroni termici, ha reso il niobio un serio concorrente dei metalli riconosciuti in l'industria nucleare - alluminio, berillio e zirconio. Inoltre, la radioattività artificiale (indotta) del niobio è bassa. Pertanto, può essere utilizzato per realizzare contenitori per lo stoccaggio di rifiuti radioattivi o installazioni per il loro utilizzo.
L'industria chimica consuma relativamente poco niobio, ma questo può essere spiegato solo dalla sua scarsità. Da leghe contenenti niobio e meno spesso da niobio in fogli, a volte vengono realizzate apparecchiature per la produzione di acidi di elevata purezza. La capacità del niobio di influenzare la velocità di alcune reazioni chimiche viene utilizzata, ad esempio, nella sintesi dell'alcol dal butadiene.
I consumatori dell'elemento n. 41 erano anche tecnologia missilistica e spaziale. Non è un segreto che alcune quantità di questo elemento stiano già ruotando in orbite vicine alla Terra. Di leghe contenenti niobio e niobio puro, vengono realizzate alcune parti di razzi e apparecchiature di bordo di satelliti artificiali terrestri.
Minerali di niobio
Columbite (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6 è stato il primo minerale di niobio conosciuto dall'umanità. E lo stesso minerale è il più ricco dell'elemento n. 41. La quota di ossidi di niobio e tantalio rappresenta fino all'80% del peso della columbite. C'è molto meno niobio nel pirocloro (Ca, Na) 2 (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 (O, OH, F) e loparite (Na, Ce, Ca) 2 (Nb, Ti) 2 O 6 . In totale sono noti più di 100 minerali, tra cui il niobio. Esistono giacimenti significativi di tali minerali in diversi paesi: Stati Uniti, Canada, Norvegia, Finlandia, ma lo stato africano della Nigeria è diventato il più grande fornitore di concentrati di niobio sul mercato mondiale. Nell'URSS ci sono grandi riserve di loparite, sono state trovate nella penisola di Kola.
Carburo rosa
Il niobio monocarburo NbC è una sostanza plastica con una caratteristica lucentezza rosata. Questo importante composto si forma abbastanza facilmente dall'interazione del niobio metallico con gli idrocarburi. La combinazione di buona duttilità ed elevata resistenza al calore con un "aspetto" gradevole ha reso il monocarburo di niobio un materiale pregiato per i rivestimenti. Uno strato di questa sostanza di soli 0,5 mm di spessore protegge in modo affidabile molti materiali dalla corrosione ad alte temperature, in particolare la grafite, che è praticamente non protetta da altri rivestimenti. NbC è anche utilizzato come materiale strutturale nella produzione di razzi e turbine.
Nervi suturati con niobio
L'elevata resistenza alla corrosione del niobio ha permesso di utilizzarlo in medicina. I filamenti di niobio non irritano i tessuti viventi e si fondono bene con esso. La chirurgia ricostruttiva ha utilizzato con successo tali suture per riparare tendini, vasi sanguigni e persino nervi strappati.
L'apparenza non inganna
Il niobio non solo ha una serie di proprietà richieste dalla tecnica, ma ha anche un aspetto piuttosto bello. I gioiellieri hanno cercato di utilizzare questo metallo bianco lucido per realizzare casse di orologi. Le leghe di niobio con tungsteno o renio a volte sostituiscono i metalli nobili: oro, platino, iridio. Quest'ultimo è particolarmente importante, poiché la lega di niobio con renio non solo assomiglia all'iridio metallico, ma è quasi altrettanto resistente all'usura. Ciò ha permesso ad alcuni paesi di fare a meno del costoso iridio nella produzione di saldature per pennini a fontana.
Niobio e saldatura
Alla fine degli anni '20 del nostro secolo, la saldatura elettrica e a gas iniziò a sostituire la rivettatura e altri metodi di collegamento di componenti e parti. La saldatura ha migliorato la qualità delle parti, ha reso il loro processo di assemblaggio più rapido ed economico. La saldatura sembrava particolarmente promettente durante l'installazione di grandi impianti operanti in ambienti corrosivi o ad alta pressione. Ma poi si è scoperto che durante la saldatura dell'acciaio inossidabile, la saldatura ha una resistenza molto inferiore rispetto all'acciaio stesso. Per migliorare le proprietà della cucitura, nell '"acciaio inossidabile" iniziarono ad essere introdotti vari additivi. Il migliore di loro era il niobio.
Cifre sottovalutate
Non è un caso che il niobio sia considerato un elemento raro: in realtà non si presenta spesso e in piccole quantità, e sempre sotto forma di minerali e mai allo stato nativo. Un dettaglio curioso: in diverse pubblicazioni di riferimento, il clarke (contenuto nella crosta terrestre) del niobio è diverso. Ciò è dovuto principalmente al fatto che negli ultimi anni sono stati trovati nuovi giacimenti di minerali contenenti niobio nei paesi africani. Nel "Manuale di un chimico", vol. 1 (M., "Chimica", 1963), si riportano le cifre: 3,2 10 -5% (1939), 1 10 -3% (1949) e 2, 4 10 -3% (1954). Ma anche gli ultimi dati sono sottovalutati: i giacimenti africani scoperti negli ultimi anni non sono qui inclusi. Tuttavia, si stima che circa 1,5 milioni di tonnellate di niobio metallico possano essere fuse dai minerali di giacimenti già noti.
Il niobio (dal latino Niobium, indicato con il simbolo Nb) è un elemento con numero atomico 41 e massa atomica 92.9064. Il niobio è un elemento di un sottogruppo laterale del quinto gruppo, il quinto periodo della tavola periodica degli elementi chimici di Dmitry Ivanovich Mendeleev. Insieme al tantalio, il niobio fa parte del sottogruppo del vanadio. Avendo due o un elettrone nello strato elettronico esterno dell'atomo, questi elementi differiscono dagli elementi del sottogruppo principale per la predominanza delle proprietà metalliche e l'assenza di composti di idrogeno. Allo stato libero, vanadio, niobio e tantalio sono molto resistenti all'attacco chimico e hanno punti di fusione elevati. Questi metalli, insieme a cromo, molibdeno, tungsteno, renio, nonché rutenio, rodio, osmio e iridio, sono metalli refrattari. Il quarantunesimo elemento allo stato libero è un metallo grigio acciaio, duro (ma non fragile), refrattario (punto di fusione 2500°C) e altobollente (4927°C), facilmente lavorabile e molto resistente in molti ambienti aggressivi . La densità del niobio è 8,57 g/cm3. Il niobio naturale è costituito da un solo isotopo stabile, 93 Nb.
La storia della scoperta del quarantunesimo elemento è strettamente connessa con la storia di un altro metallo correlato, che è nello stesso sottogruppo del niobio - tantalio. A metà del diciassettesimo secolo in Sud America (nel bacino del fiume Columbia) fu scoperto un minerale nero pesante con striature dorate di mica. Fu portato in Inghilterra, dove trascorse più di un secolo in una delle vetrine del British Museum sotto il nome di "minerale di ferro" e solo nel 1801 il chimico inglese Charles Hatchet si interessò a un minerale insolito. Ha isolato l'ossido di un elemento precedentemente sconosciuto, che ha chiamato "columbium", e il minerale "columbite". Un anno dopo, il chimico svedese Ekeberg isolò dallo stesso minerale l'ossido di un altro nuovo elemento, chiamato tantalio. Per questo per molti anni si è creduto che columbio e tantalio fossero metalli identici, perché sono nello stesso minerale. Solo nel 1844 il chimico tedesco Heinrich Rose, indagando sulla columbite, scoprì in essa ossidi di due metalli che hanno proprietà simili, ma sono elementi indipendenti. Uno di questi era il già noto tantalio, e l'altro era chiamato niobio da Rose (dal nome di Niobe, figlia del mitologico martire Tantalo).
Il niobio è uno dei componenti principali di molte leghe resistenti al calore e alla corrosione. Di particolare importanza sono le leghe di niobio resistenti al calore, che vengono utilizzate nella produzione di turbine a gas, motori a reazione e razzi. Il quarantunesimo elemento viene introdotto anche in alcuni gradi di acciai inossidabili: ne migliora notevolmente le proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione. Quindi gli acciai contenenti dall'uno al quattro percento di niobio si distinguono per l'elevata resistenza al calore e sono utilizzati come materiale per la produzione di caldaie ad alta pressione. Inoltre, l'acciaio al niobio è un ottimo materiale per la saldatura elettrica di strutture in acciaio: il suo utilizzo garantisce una straordinaria resistenza alle saldature. I carburi di niobio sono estremamente duri e sono spesso utilizzati nell'industria della lavorazione dei metalli per la produzione di utensili da taglio.
Il niobio è un oligoelemento presente nel corpo umano (negli adulti in dosi di milligrammi). I principali depositi di concentrazione di questo metallo sono ossa, fegato, muscoli, sangue. Il suo ruolo biologico non è completamente compreso, tuttavia, poiché il niobio è ipoallergenico (non provoca rigetto biologico), è ampiamente utilizzato in medicina. Allo stesso tempo, la polvere di niobio metallico provoca irritazione agli occhi e alla pelle e alcuni composti di questo metallo sono piuttosto tossici.
Proprietà biologiche
Il niobio è un oligoelemento essenziale nel corpo umano. Il quarantunesimo elemento si trova nel sangue umano, nelle ossa, nei muscoli e nel fegato. Si stima che il corpo medio di un adulto del peso di 70 chilogrammi contenga fino a 1,5 mg di niobio.
Sfortunatamente, il ruolo biologico di questo elemento è stato studiato molto male. Tuttavia, il niobio è noto per essere ipoallergenico, il che significa che può essere tranquillamente utilizzato per iniettare nel corpo in quanto non causerà il rigetto biologico da parte del corpo. Questa preziosa proprietà è utilizzata dalla medicina: i filamenti di niobio non irritano i tessuti viventi e si fondono bene con esso. La chirurgia ricostruttiva ha utilizzato con successo tali suture per riparare tendini, vasi sanguigni e persino nervi strappati. A differenza di altri acciai legati per uso medico e leghe da impianto, il niobio è un elemento chimico puro che non può essere separato in singoli componenti. Cioè, a contatto con i tessuti, non è in grado di rilasciare i singoli componenti e quindi non è un allergene.
Non solo la medicina utilizza questa qualità di niobio - recentemente c'è stata una grande richiesta di niobio come materiale per il piercing sottocutaneo. Inoltre, il niobio è un metallo reattivo e può essere anodizzato durante l'elettrolisi chimica. Allo stesso tempo, sulla superficie del metallo appare un sottile strato di ossido, che provoca la comparsa di colori di interferenza e, a causa delle caratteristiche della luce che entra, si verifica l'impressione di trasfusione di colori cangianti durante la riflessione e la rifrazione (a effetto simile si può osservare su una pellicola di macchie di olio o benzina su asfalto bagnato). I fan del piercing come questo gioco di colori sono popolari, inoltre, lo strato anodizzato è completamente compatibile con i tessuti del corpo, poiché è ossido di niobio. Naturalmente, tutto quanto sopra si applica solo al niobio puro: i gioielli da piercing realizzati con leghe di niobio (o metallo con impurità) possono danneggiare il corpo umano.
Nonostante tutti gli aspetti positivi dell'effetto biologico del quarantunesimo elemento sul corpo, alcuni composti di niobio sono velenosi. L'avvelenamento professionale con niobio non è stato registrato. Tuttavia, la morbilità relativamente elevata del tratto respiratorio superiore nei lavoratori che utilizzano composti del niobio è molto probabilmente dovuta all'esposizione all'HF liberato e ai fluoroniobati. I principali esperimenti per stabilire il grado di tossicità dei composti del quarantunesimo elemento, effettuati sugli animali, hanno mostrato che K2NbF7 e NbCl5 irritano fortemente la pelle e le mucose degli occhi del coniglio. Introdotto nello stomaco del niobato di potassio KNbO3 provoca intossicazione acuta con esito fatale nei topi bianchi alla dose di 725-1140 mg/kg; pentafluoroossoniobato di potassio K2NbOF5 - alla dose di 130 mg/kg; niobio cloruro (V) NbCl5 - 829,6 mg/kg. Per i ratti da laboratorio, queste dosi sono leggermente superiori. I composti introdotti portavano a distrofia granulare e vacuolare nei tubuli renali, necrosi del fegato e dell'epitelio esofageo, alterazioni degenerative della mucosa gastrica. L'avvelenamento cronico è stato causato dall'introduzione di NbCl5 a una dose di 100 mg/kg nello stomaco di animali da esperimento per quattro mesi, che ha portato a un cambiamento nella composizione del sangue e all'insufficienza delle funzioni epatiche e a lievi cambiamenti lungo il tratto gastrointestinale. L'introduzione di polvere di Nb2O5 alla dose di 50 mg per 6-9 mesi ha causato l'ispessimento del setto interalveolare e l'enfisema nei ratti di laboratorio. Negli stessi animali da laboratorio, l'inoculazione giornaliera con 40 mg/m3 di polvere di nitruro di niobio NbN per tre mesi ha portato allo sviluppo di pneumosclerosi ed enfisema secondario. L'introduzione di 50 mg di NbN nella trachea dei ratti ha portato allo stesso risultato.
L'MPC per il niobio nell'acqua è 0,01 mg/l, per il nitruro di niobio nell'aria dell'area di lavoro è 10 mg/m3. Per i fluoroniobati sono consigliati gli MPC come per i sali HF.
Chiamando il nuovo elemento niobio, Heinrich Rose è stato guidato dalla sua somiglianza con il tantalio. Dopotutto, il mitico re Tantalo, punito dagli dei olimpici per insolenza, era il padre di Niobe, in onore del quale fu nominato il quarantunesimo elemento. Tuttavia, Rose probabilmente non poteva presumere che l'elemento da lui nominato sarebbe stato simile al personaggio mitologico, non solo legato al tantalio. Prima di spiegare cos'altro hanno in comune il vero niobio metallico e la mitologica principessa Niobe, raccontiamo brevemente la sua storia.
Niobe (Niobe) - l'eroina degli antichi miti greci, figlia del re frigio Tantalo, moglie del re tebano Amphion. Avendo una grande progenie (sette figli e sette figlie), Niobe divenne orgogliosa e con il suo vantarsi offeso Leto (Laton) - la madre del dio Apollo e della dea Artemide. Per tale impudenza, Apollo e Artemide uccisero tutti i figli di Niobe con le frecce dei loro archi. La stessa Niobe, pietrificata dal dolore, fu trasferita sulla cima del monte Sipilo, dove versa lacrime in eterna solitudine sotto forma di pietra per i bambini assassinati.
E per quanto riguarda il niobio? Il fatto è che questo metallo ha un solo isotopo naturale: 93Nb. Si scopre che anche il metallo è solitario, come la regina tebana Niobe.
È noto che il niobio ha un'elevata resistenza alla corrosione, che porta al suo utilizzo nell'ingegneria chimica. Un fatto interessante è che nella produzione di apparecchiature di intercettazione e tubazioni per la produzione di acido cloridrico, il niobio non solo funge da materiale strutturale, ma svolge anche il ruolo di catalizzatore, consentendo di ottenere un acido più concentrato.
Fino al 1866 non esisteva un unico metodo per separare tantalio e niobio adatto alle condizioni di produzione!
A causa della grave carenza di argento, i finanzieri americani stanno proponendo di utilizzare il niobio invece per la produzione di denaro metallico, poiché il costo del niobio corrisponde approssimativamente al costo dell'argento. Dal 2003, il niobio è stato ufficialmente utilizzato nel conio di monete da collezione. Il pioniere nell'uso di questo metallo è stata la zecca austriaca Münze Österreich. Una delle caratteristiche del niobio è che con una certa lavorazione del metallo si possono ottenere differenti colorazioni superficiali. Di conseguenza, l'Austria emette monete bimetalliche con colori diversi, sono già state coniate settemila monete di questo tipo. L'esempio dell'Austria si è rivelato contagioso: nel 2005 la Sierra Leone ha emesso una moneta bimetallica, utilizzando oro e niobio viola. Il numero è dedicato a Papa Giovanni Paolo II. Oltre a questi paesi, monete bimetalliche che utilizzano il niobio sono state emesse da: Mongolia - 500 tugrik, un ovale d'argento e un inserto in niobio grigio (2003), Lettonia - 1 lats, argento, un inserto in niobio verde (2010) e un certo numero di altri Paesi.
La società brasiliana CBMM è il più grande produttore mondiale di niobio e attualmente fornisce l'80% della domanda mondiale di niobio. Sono le azioni dell'azienda che determinano in gran parte se il mercato mondiale sperimenterà una carenza di niobio.
Recentemente (nei paesi occidentali) il niobio è stato utilizzato in gioielleria come materiale per la realizzazione di gioielli, ciò è dovuto al fatto che il niobio non è un allergene.
È noto che fino al 1950 in alcuni paesi (USA e Gran Bretagna) il nome originario del quarantunesimo elemento, Columbia, fu mantenuto a lungo, fino a quando l'Unione Internazionale di Chimica Pura e Applicata (IUPAC) decise di chiamarlo elemento niobio in tutto il mondo. In un primo momento, i chimici americani e britannici chiesero l'abrogazione di questa decisione, cosa che sembrava loro ingiusta, ma il "verdetto" IUPAC era definitivo e non soggetto ad appello. I "colombisti" hanno dovuto fare i conti con questo fatto e un nuovo simbolo "Nb" è apparso nella letteratura chimica degli Stati Uniti e dell'Inghilterra.
La radioattività artificiale (indotta) del niobio è bassa, quindi il niobio può essere utilizzato per realizzare contenitori per lo stoccaggio di rifiuti radioattivi o installazioni per il loro utilizzo.
Al famoso Large Hadron Collider vicino a Ginevra, le bobine dei magneti superconduttori sono realizzate con una combinazione di niobio e titanio.
Storia
Non tutti gli elementi chimici possono vantare la sua riscoperta, ma questa “felicità” è caduta nella quota del quarantunesimo elemento del sistema periodico.
Con la conquista dell'America, ricchezze inedite, curiosità esotiche, cose che richiedono un attento studio e spiegazione cominciarono a cadere in Europa. Poiché i conquistatori del nuovo continente erano interessati solo al furto e al profitto, molte cose nuove furono ignorate, considerate inutili se non trovavano la loro applicazione. Quindi, il platino era chiamato "argento cattivo", considerando il metallo dei falsari, e centinaia di tonnellate furono annegate nei fiumi e nei mari. E campioni di un insolito minerale nero con inclusioni d'oro sono stati portati via come souvenir, stabilendosi in collezioni private e musei con vari nomi. Uno di questi campioni è rimasto nella polverosa vetrina del British Museum di Londra per un secolo e mezzo sotto un cartello che diceva che davanti a voi c'era un campione di "minerale di ferro".
Sorprendentemente, c'era una persona che si interessò alla mostra polverosa e decise di scoprire la vera essenza della pietra. Fu il chimico inglese Charles Hatchet, che nel 1801 esaminò un campione di un minerale insolito, ne isolò l'ossido di un elemento precedentemente sconosciuto e gli diede il nome di "columbium", sottolineando così l'origine transoceanica del nuovo elemento (in onore di Cristoforo Colombo e l'antico nome d'America). Lo stesso chimico chiamò "columbite" l'insolito minerale nero pesante. Fu così che fu scoperto per la prima volta il quarantunesimo elemento della tavola periodica, ricevendone il nome. E se all'inizio Hatchet dubitava di avere qualcosa di precedentemente inesplorato e identificava la columbite con il minerale di cromo siberiano, lo scienziato ha scoperto che l'acido (ossido) formato dalla lega alcalina del minerale ha proprietà completamente diverse dall'acido cromico. Tuttavia, Hatchet non è riuscito a ottenere metallo dall'ossido.
Un anno dopo, il chimico svedese Anders Gustav Ekeberg, esplorando il minerale di columbite trovato in una delle miniere finlandesi, scopre un nuovo metallo, che ha chiamato tantalio (Tantalio). L'ossido di questo metallo si rivelò estremamente stabile e non si scomponeva nemmeno in eccesso di acido (sembrava che non potesse essere saturo di acido, proprio come il mitico Tantalio, punito da Zeus, in piedi fino al collo in acqua e tormentato dalla sete, non poteva saziarlo). Il minerale in cui è stato scoperto il nuovo metallo è stato chiamato tantalite. Da quel momento in poi iniziarono confusione e confusione: la somiglianza dei composti di columbio e tantalio era così grande che per quarant'anni la maggior parte dei chimici credette che tantalio e columbio fossero lo stesso elemento. "Fuel to the fire" fu aggiunto dall'autorevole scienziato inglese William Hyde Wollaston, che per primo ottenne platino puro e scoprì il palladio. Nel 1809 dimostrò che il columbio di Hatchet e il tantalio di Ekeberg sono lo stesso metallo, poiché i loro ossidi hanno un peso specifico molto vicino.
Il chimico tedesco Heinrich Rose pose fine a questa intricata storia nel 1844. A sua disposizione c'erano campioni di columbiti e tantaliti trovati in Baviera. Dopo uno studio approfondito dei campioni, lo scienziato ha scoperto che in un certo numero di campioni sono presenti ossidi di due metalli. Lasciando il precedente nome di tantalio, diede al secondo elemento, simile al tantalio, un nuovo nome: niobio (Niobium) in onore della mitica Niobe, figlia di Tantalo. Il nome del minerale che Hatchet ha dato è rimasto intatto, perché la columbite che ha studiato era una miscela di tantalio e niobio. Tuttavia, Rose, come Hatchet, non è riuscita a ottenere il niobio gratuito. Ciò accadde solo nel 1866, quando lo scienziato svedese Christian Wilhelm Blomstrand ottenne il niobio metallico riducendo il cloruro di niobio con l'idrogeno. Successivamente, gli scienziati hanno sviluppato altri due metodi per ottenere il metallo nella sua forma pura: in primo luogo, Moissan lo ha ottenuto in un forno elettrico, riducendo l'ossido di niobio con il carbonio, e quindi Goldschmidt è riuscito a ripristinare lo stesso elemento con l'alluminio.
In Russia l'interesse per il niobio fu modesto: solo il chimico analitico T. E. Lovia si interessò alla Columbia, che iniziò le ricerche sul nuovo metallo, ma non fece in tempo a finirlo, pubblicandone solo una nota (1806). Per quanto riguarda il nome, nella letteratura russa dell'inizio del XIX secolo, il columbium di Hatchet era chiamato columbium (Scherer, 1808), columbium (Lovitz), tantalio e niobio (Hess). In Inghilterra e negli Stati Uniti, il metallo continuava ancora a essere chiamato columbio, in altri paesi aderirono alla nuova versione e chiamarono il quarantunesimo elemento niobio. La decisione finale su questo problema è stata presa dall'Unione internazionale di chimica pura e applicata (IUPAC) solo nel 1950! Alla riunione del sindacato si decise di legalizzare ovunque il nome dell'elemento "niobio" e il nome originale "columbite" fu assegnato al minerale principale di niobio.
Essere nella natura
Il niobio è considerato un elemento raro (il contenuto nella crosta terrestre è del 2,4 10-3% in massa), è veramente raro in piccole quantità e sempre sotto forma di minerali (il niobio non esiste allo stato nativo). È curioso che in letteratura di riferimento diversa il clarke (contenuto nella crosta terrestre) di niobio sia diverso. Ciò è dovuto al fatto che sempre più spesso in Africa vengono scoperti nuovi ricchi giacimenti di minerali contenenti niobio. Pertanto, molto probabilmente, i dati continueranno a cambiare. In un modo o nell'altro, ma si calcola approssimativamente che dai minerali di giacimenti già noti si possono fondere circa 18 milioni di tonnellate di niobio metallico.
Il niobio è un elemento litofilo, associato a rocce granitiche, nifelinsyeniti, alcaline ultrabasiche e carbonatiti. Solo nelle rocce ignee alcaline - sieniti nifeline e altre, il contenuto del quarantunesimo elemento è aumentato al 10-2-10-1%. In queste rocce e nelle pegmatiti associate, carbonatiti, nonché pegmatiti granitiche, sono stati trovati 23 minerali di niobio e circa 130 altri minerali contenenti quantità elevate di questo elemento. Per la maggior parte, questi sono ossidi complessi e semplici. Nei minerali, il quarantunesimo elemento è associato a terre rare ea tantalio, titanio, calcio, sodio, torio, ferro, bario (tantalo-niobati, titanati e altri). Il fatto è che l'analogo roccioso del niobio (così come del tantalio) è il titanio. Ad un'alta concentrazione di Ti4+, Nb5+ è sparso sui minerali di titanio.
Nella biosfera, la geochimica del niobio è stata poco studiata. È stato stabilito in modo affidabile che nelle aree di rocce alcaline arricchite in niobio, migra sotto forma di composti con complessi organici e altri. Ci sono minerali del quarantunesimo elemento, che si formano durante l'erosione delle rocce alcaline (murmanite, gerasimovskite). Il contenuto di niobio nell'acqua di mare è di circa 1 10-9% in peso.
La forma di reperimento del niobio in natura può essere diversa: sparsa (nei minerali formanti rocce e accessori delle rocce ignee) e minerale. In totale sono noti più di cento minerali contenenti niobio. Di questi, solo alcuni sono di importanza industriale: columbite-tantalite (Fe, Mn)(Nb, Ta)2O6, contenente il 50-76% di Nb2O5; pirocloro (Na, Ca)2(Nb, Ta, Ti)2O6(OH, F), in cui la quantità di Nb2O5 varia dal 40 al 70% non di più. È interessante notare che il tantalio non è stato trovato nella columbite della Groenlandia, questo minerale è una miscela di sale di ossido di ferro (FeO = 17,33%) e acido niobico (Nb2O5 = 77,97%), contenente anche ossido di manganese (MnO = 3,28%) e anche MgO, PbO, ZrO2, SnO2 e WO3. Di minore importanza industriale è la loparite (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb, Ta)O3 (il contenuto del complesso (Nb, Ta)2O5 è 8–10%), euxenite Y(Nb, Ta, Ti)2O6 viene talvolta utilizzato (21 -34% Nb2O5), torolite, ilmenorutil, nonché minerali contenenti niobio sotto forma di impurità (ilmenite, cassiterite, wolframite). I minerali di niobio sono debolmente paramagnetici e radioattivi a causa delle impurità U e Th. Il contenuto minimo al quale è redditizio sviluppare minerali di niobio primario è di circa 0,15-0,2% Nb2O5. Il contenuto medio di Nb2O5 nella maggior parte dei depositi di minerali di niobio nel mondo è 0,2-0,6%; i depositi ricchi contengono 1% o più (fino al 4%) Nb2O5. I contenuti minimi a cui si sviluppano i depositi di columbite e di crosta atmosferica sono 0,1-0,15 kg/m3.
Ci sono depositi significativi dei minerali sopra elencati in diversi paesi: Malesia, Mozambico, Zaire, Brasile, USA, Canada (rocce alcaline), Norvegia, Finlandia. Tuttavia, lo stato africano della Nigeria (ricchi depositi alluvionali) è diventato il più grande fornitore di concentrati di niobio sul mercato mondiale. In Russia ci sono grandi riserve di loparite, si trovano nella penisola di Kola.
Applicazione
Grazie a una combinazione di qualità preziose come la refrattarietà, una piccola sezione d'urto di cattura dei neutroni termici, la capacità di formare leghe resistenti al calore, superconduttive e di altro tipo, resistenza alla corrosione, proprietà getter, funzione di lavoro a basso numero di elettroni, buona lavorabilità a freddo e saldabilità, il la produzione e l'uso del niobio è in costante aumento. Circa il 50% del niobio prodotto viene utilizzato per microlegare acciai (concentrazione di niobio 0,05-0,10% in peso). Di questi, il 20-30% viene utilizzato per ottenere acciai inossidabili e resistenti al calore (contenuto di niobio 0,2-1,2%), il 20-25% viene utilizzato per ottenere leghe resistenti al calore a base di nichel o ferro (1-5% di niobio) , 1-3% viene consumato sotto forma di metallo e leghe a base di niobio.
L'acciaio legato al niobio acquisisce elevate proprietà anticorrosive e non perde la sua duttilità. Quindi, ad esempio, nell'acciaio al cromo-nichel è sempre presente il carbonio, che si combina con il cromo per formare il carburo, il che rende l'acciaio più fragile. L'aggiunta di niobio, che ha una maggiore affinità per il carbonio rispetto al cromo, lega il carbonio in un innocuo carburo di niobio. Un effetto positivo si ottiene introducendo solo duecento grammi del quarantunesimo elemento in una tonnellata di acciaio. L'aggiunta di niobio all'acciaio al cromo-manganese gli conferisce un'elevata resistenza all'usura.
Il quarantunesimo elemento è anche legato con molti metalli non ferrosi. Quindi, l'alluminio, che è facilmente solubile negli alcali, non reagisce con loro se viene aggiunto solo lo 0,05% di niobio. E il rame, noto per la sua morbidezza, e molte delle sue leghe, il niobio sembra indurirsi. Aumenta la resistenza di metalli come titanio, molibdeno, zirconio e allo stesso tempo aumenta la loro resistenza al calore e resistenza al calore. Anche l'uranio è legato al niobio. L'acciaio legato con niobio è ampiamente utilizzato nella scienza missilistica, nell'aviazione e nella tecnologia spaziale (parti di aeromobili), nell'ingegneria radiofonica, nell'elettronica, nell'ingegneria degli apparati chimici (contenitori e tubi per metalli liquidi) e nell'ingegneria dell'energia nucleare. Un'altra proprietà unica del niobio utilizzato nell'energia nucleare è l'assenza di una notevole interazione con l'uranio a temperature fino a 1.100 °C.
Inoltre, una buona conduttività termica, una piccola sezione d'urto di assorbimento efficace dei neutroni termici ha reso il niobio un serio concorrente dei metalli riconosciuti nell'industria nucleare: alluminio, berillio e zirconio. Inoltre, la radioattività artificiale (indotta) del niobio è bassa. Per questo motivo, il niobio può essere utilizzato per fabbricare contenitori per lo stoccaggio di rifiuti radioattivi o installazioni per il loro utilizzo. Una piccola percentuale del consumo di niobio da parte dell'industria chimica si spiega solo con la carenza di questo elemento.
Dalle leghe contenenti il quarantunesimo elemento, meno spesso dal niobio in fogli, vengono realizzate apparecchiature per la produzione di acidi di elevata purezza. La capacità del niobio (catalizzatore) di influenzare la velocità di alcune reazioni chimiche viene utilizzata, ad esempio, nella sintesi dell'alcol dal butadiene. Le leghe di niobio sono utilizzate nella produzione di parti per razzi e apparecchiature di bordo di satelliti artificiali. Il niobio viene utilizzato nei dettagli dei condensatori elettrici, viene utilizzato per realizzare raccordi "caldi" per lampade elettroniche (per installazioni radar) e potenti generatori (anodi, catodi, griglie e altro). Il niobio è utilizzato nei criotroni - elementi superconduttori dei computer e stannide Nb3Sn e leghe di niobio con titanio e zirconio - per la produzione di solenoidi superconduttori.
Il nitruro di niobio NbN viene utilizzato per la produzione di bolometri superconduttori, bersagli per tubi di trasmissione televisiva. Il carburo di niobio NbC - una sostanza plastica con una caratteristica lucentezza rosata, che combina una buona malleabilità e un'elevata resistenza al calore con piacevoli "dati esterni" ha reso NbC un materiale prezioso per la produzione di rivestimenti. Uno strato di questa sostanza di soli 0,5 mm di spessore protegge in modo affidabile molti materiali dalla corrosione ad alte temperature, in particolare la grafite, che non è protetta da altri rivestimenti.
Il carburo di niobio è anche utilizzato come materiale strutturale nella produzione di razzi e turbine. Il carbonitruro NbC0.25N0.75 viene utilizzato nella produzione di dispositivi di interferenza quantistica superconduttori, risonatori ad alta frequenza con fattori Q elevati; NbC0.25N0.75 è promettente per l'uso nei sistemi magnetici dei reattori a fusione termonucleare.
I metallidi Nb3Sn e Nb3Ge sono utilizzati nella fabbricazione di solenoidi per dispositivi superconduttori; Nb3Ge è promettente per l'uso in magneti di generatori MHD e altri dispositivi elettrici. Il ferroniobio viene introdotto negli acciai inossidabili al cromo-nichel per prevenirne la corrosione e la distruzione intergranulare e in altri tipi di acciaio per migliorarne le proprietà.
Gli ossidi di niobio sono componenti di materiali refrattari, cermet, vetri ad alto indice di rifrazione. Il niobio viene aggiunto agli acciai inossidabili per migliorare le proprietà della saldatura.
Produzione
I minerali di niobio, di regola, sono complessi e poveri di metallo, anche se va notato che le loro riserve superano quelle dei minerali di tantalio. Ad esempio, i concentrati di columbite-tantalite contengono solo l'8% di Ta2O5 e più del 60% di Nb2O5. La maggior parte (circa il 95%) del niobio è ottenuta da minerali di pirocloro, columbit-tantalite e loparite. I principali metodi di arricchimento delle materie prime minerali sono il metodo per gravità e la flottazione o la separazione elettromagnetica o radiometrica. I concentrati di minerale ottenuti dopo l'arricchimento contengono pentossido di niobio nelle seguenti quantità: columbite - 30-60%, pirocloro - almeno 37%, loparite - 7% o più. Inoltre, la maggior parte dei concentrati viene lavorata mediante riduzione allumino- o silicotermica a ferroniobio (una lega di ferro e niobio, con un contenuto di Nb del 40-60%) e ferrotantaloniobio, Nb2O5 commercialmente puro, meno spesso ad alogenuri del quarantunesimo elemento - NbCl5 e K2NbF7.
Il ferroniobio e il ferrotantaloniobio, infatti, sono prodotti finali nella lavorazione dei concentrati, perché sono elementi di lega che vengono introdotti in vari gradi di acciaio per migliorarne le proprietà. Nella produzione del ferroniobio, una miscela di concentrati di pirocloro con ematite Fe2O3, alluminio in polvere e additivi di flusso viene caricata in reattori verticali di acciaio o rame raffreddati ad acqua e vengono avviate reazioni esotermiche utilizzando uno speciale fusibile. Successivamente, le scorie vengono drenate, la lega risultante viene raffreddata e frantumata. La resa di niobio in un lingotto con una massa di carico di concentrato fino a 18 tonnellate raggiunge il 98%!
L'Nb2O5 tecnico, che è un catalizzatore nell'industria chimica, è ottenuto per lisciviazione di niobio e tatanale da concentrati e scorie di stagno fondendo per azione dell'acido fluoridrico, seguita da purificazione e separazione di niobio e tantalio. La separazione viene effettuata mediante estrazione con 100% tributilfosfato, metilisobutilchetone, cicloesanone (a volte con altri composti), stripping del niobio mediante l'azione di una soluzione acquosa di NH4F, precipitazione dell'idrossido di niobio dall'estratto di stripping, sua essiccazione e calcinazione.
Secondo il metodo del solfato, i concentrati vengono trattati con acido solforico H2SO4 o sua miscela con (NH4)2SO4 a 150-300 ° C, i solfati solubili vengono lisciviati con acqua, niobio e tantalio vengono separati dal titanio, niobio e tantalio vengono separati e purificato mediante estrazione da complessi di fluoruro o oxofluoruro, quindi isolando Nb2O5.
Il metodo del cloruro prevede la miscelazione del concentrato con il coke, la bricchettatura e la clorazione dei bricchetti in un forno a tino a 700-800°C, oppure la clorazione del concentrato direttamente in polvere e del coke in una soluzione salina fusa di cloruro a base di NaCl e KCl. Quindi, viene effettuata la separazione dei cloruri volatili di niobio e tantalio, la loro separazione e purificazione per distillazione e l'idrolisi separata con acqua con calcinazione del precipitato di idrossido di niobio. A volte il ferroniobio o i rifiuti metallici vengono clorurati.
Vengono descritti i metodi per il trattamento dei concentrati di niobio utilizzando reagenti fluoruranti liquidi e gassosi.
Il niobio metallico si ottiene da concentrati di minerali utilizzando una tecnologia complessa in più fasi: apertura del concentrato, separazione di niobio e tantalio e ottenimento dei loro composti chimici puri, ripristino e raffinazione del niobio metallico e delle sue leghe. I processi di arricchimento e apertura dei concentrati, nonché i modi per separare il niobio dal tantalio, sono descritti sopra. Pertanto, considereremo solo i metodi per ottenere il niobio riducendo i suoi composti, ad esempio il cloruro di niobio NbCl5 o il niobato di fluoro di potassio K2NbF7, ad alta temperatura:
K2NbF7 + 5Na → Nb + 2KF + 5NaF
Viene anche utilizzata la riduzione elettrolitica di Nb2O5 o K2NbF7 nella massa fusa di K2NbF7 e cloruri di metalli alcalini. I rivestimenti di metallo o niobio ad alta purezza su varie superfici metalliche si ottengono riducendo NbCl5 con idrogeno a temperature superiori a 1.000 ° C.
Dal pentossido di niobio, di cui abbiamo discusso in precedenza con vari metodi, il metallo si ottiene per riduzione di alluminio o carbotermico o riscaldando una miscela di Nb2O5 e NbC a 1800-1900 °C sotto vuoto. Il prodotto di tali reazioni è polvere di metallo niobio, che deve poi essere trasformata in un monolite, reso plastico, compatto, adatto alla lavorazione. Come altri metalli refrattari, il niobio-monolito si ottiene con metodi di metallurgia delle polveri: la polvere viene bricchettata, pressata ad alta pressione (1 t/cm2) in barre di sezione rettangolare o quadrata, vengono sinterizzate sotto vuoto (a 2300 °C), quindi combinati in barre, che vengono fuse in forni ad arco sotto vuoto, e le barre in questi forni fungono da elettrodo. Questo processo è chiamato fusione degli elettrodi consumabili. I cristalli singoli di niobio ad alta purezza sono ottenuti mediante fusione a zona di fascio di elettroni senza crogiolo. La sua essenza è che un potente fascio di elettroni è diretto al niobio in polvere (sono escluse le operazioni di pressatura e sinterizzazione), che scioglie la polvere. Gocce di metallo scorrono sul lingotto di niobio, che cresce gradualmente e viene rimosso dalla camera di lavoro.
Proprietà fisiche
Il niobio metallico è stato ottenuto per la prima volta solo nella seconda metà del 19° secolo, quindi l'umanità ha familiarità con le proprietà di questo metallo lucido grigio acciaio non molto tempo fa. Quali sono le caratteristiche fisiche di questo elemento? Il quarantunesimo elemento del sistema periodico ha un reticolo cristallino cubico centrato sul corpo con a = 3,294Å. È decisamente più leggero del suo compagno tantalio (densità 16,6 g/cm3), ma il niobio è pur sempre un metallo pesante, perché la sua densità a temperatura ambiente (20°C) è di 8,57 g/cm3. Sì, è inferiore a quello del piombo (11,34 g/cm3) o del mercurio (13,5457 g/cm3) alla stessa temperatura, ma questo valore è superiore a quello del ferro (7,87 g/cm3) o del cromo (7,19 g /cm3), per esempio.
Il niobio è un metallo duro e ad alta resistenza, la sua resistenza alla trazione a 20 e 800 °C è rispettivamente di 342 e 312 MN/m2, la stessa in kgf/mm2 34,2 e 31,2; allungamento relativo a 20 e 800°C, rispettivamente, 19,2 e 20,7%. La durezza del niobio puro secondo Brinell 450, tecnica 750-1800 MN/m2. Inoltre, il quarantunesimo elemento combina eccellenti caratteristiche plastiche: il niobio purificato si presta bene alla lavorazione meccanica - è facilmente lavorabile per pressione a freddo e mantiene proprietà meccaniche soddisfacenti alle alte temperature. Il metallo puro è così duttile che può essere laminato in una lastra sottile (fino a uno spessore di 0,01 mm) a freddo senza ricottura intermedia. È vero, tutto ciò vale per un metallo purificato, il niobio, che contiene le impurità di alcuni elementi (idrogeno, azoto, carbonio e ossigeno sono particolarmente pericolosi), compromette notevolmente la sua duttilità. Tuttavia, la presenza di impurità aumenta la durezza del niobio e la sua fragilità. Il niobio passa allo stato fragile a temperature comprese tra -100 e -200 °C.
Il niobio è uno dei numerosi metalli refrattari, il suo punto di fusione (tmelt) è 2500 °C e il punto di ebollizione (tboil) è 4927 °C. Punti di fusione più elevati per molibdeno (2620°C), tantalio (3000°C), renio (circa 3190°C) e tungsteno (circa 3400°C). Tuttavia, il niobio ha una funzione di lavoro degli elettroni inferiore (4,01 eV) rispetto ad altri metalli refrattari: tungsteno e molibdeno. Questa caratteristica caratterizza la capacità di emissione di elettroni (emissione di elettroni), che viene utilizzata per l'uso del niobio nella tecnologia dell'elettrovuoto. Il niobio ha anche un'elevata temperatura di transizione superconduttiva. Questo straordinario fenomeno, quando, quando la temperatura del conduttore diminuisce, si verifica un'improvvisa scomparsa della resistenza elettrica, fu osservato per la prima volta dal fisico olandese G. Kamerling-Onnes nel 1911. Il prototipo, che divenne il primo superconduttore, era il mercurio . Tuttavia, non lei, ma il niobio e alcuni dei suoi composti intermetallici erano destinati a diventare i primi materiali superconduttori tecnicamente importanti. La temperatura di transizione del niobio allo stato superconduttore è 9,17 °K, mentre la maggior parte dei superconduttori conosciuti diventano superconduttori solo alla temperatura dell'elio liquido. Il composto intermetallico di niobio e germanio della composizione Nb3Ge ha una temperatura critica di 23,2 °K - questo è al di sopra del punto di ebollizione dell'idrogeno! La capacità di passare allo stato di superconduttività è caratteristica anche dello stapnide di niobio Nb3Sn, leghe di niobio con alluminio e germanio, oppure con titanio e zirconio.
La conducibilità termica del quarantunesimo elemento in W/(m K) a 0°C e 600°C è rispettivamente di 51,4 e 56,2, la stessa in cal/(cm sec°C) 0,125 e 0,156. La resistenza elettrica volumetrica specifica del niobio a 0°C è di 15,22 10-8 ohm m (15,22 10-6 ohm cm). Il niobio è paramagnetico, la sua suscettibilità magnetica specifica è + 2,28∙10-6 (a 18°C). Capacità termica (a 25 °C) 24,6 J/(mol∙K); conducibilità termica (a 0 °C) 51,4 W/(m∙K).
Proprietà chimiche
Chimicamente, il niobio è abbastanza inerte. Sebbene non tanto quanto il tantalio, ma al freddo e con un leggero riscaldamento, il quarantunesimo elemento è estremamente resistente all'azione di molti mezzi aggressivi, ma alle alte temperature aumenta l'attività chimica del niobio. Il niobio compatto si ossida notevolmente nell'aria solo a temperature superiori a 200 °C (se a 150...200 °C si ossida solo un piccolo strato superficiale del metallo, a 900...1200 °C lo spessore del film di ossido aumenta significativamente), formando Nb2O5 (l'ossido è di colore bianco, ha un carattere acido e tmelt = 1512°C), e per questo ossido sono state descritte una decina di modificazioni cristalline. A pressione normale, la forma β di Nb2O5 è stabile. Inoltre, il quarantunesimo elemento forma NbO2 (un semiconduttore con mp 2080 °C, nero), NbO, un numero di ossidi non stechiometrici intermedio tra NbO2.42 e NbO2.50 e simile nella struttura alla forma β di Nb2O5.
È interessante notare che l'ossido di niobio NbO, fuso in un lingotto, ha una lucentezza metallica e una conduttività elettrica di tipo metallico, evapora notevolmente a 1700 ° C, intensamente a 2.300-2.350 ° C, che viene utilizzato per la purificazione sotto vuoto del niobio dall'ossigeno. Quando il pentossido di niobio viene fuso con vari ossidi, si ottengono niobati: Ti2Nb10O29, FeNb49O124 - che possono essere considerati sali di ipotetici acidi niobici (gli acidi niobici non sono isolati come determinati composti chimici). I niobati sono classificati come metaniobati MNbO3, ortoniobati M3NbO4, pironiobati M4Nb2O7 o poliniobati M2O nNb2O5 (dove M è un catione a carica singola e n = 2-12). Sono noti niobati di cationi a due e tre cariche. I niobati si ottengono anche a seguito di reazioni di scambio dopo la fusione del pentossido di niobio con la soda:
Nb2O5 + 3Na2CO4 → 2Na3NbO4 + 3CO2
Sono stati ben studiati i sali di diversi acidi niobici, principalmente HNbO3 metaniobico, nonché diniobati e pentaniobati (K4Nb2O7, K7Nb5O16 ∙ mH2O). I niobati reagiscono con l'HF, le fusioni di idrofluoruri di metalli alcalini (KHF2) e l'ammonio. Alcuni niobati con un alto rapporto M2O/Nb2O5 vengono idrolizzati:
6Na3NbO4 + 5H2O → Na8Nb6O19 + 10NaOH
Il quarantunesimo elemento è caratterizzato dalla proprietà di assorbire i gas: idrogeno, azoto e ossigeno. Inoltre, anche piccole impurità di questi elementi influiscono negativamente sulle proprietà meccaniche ed elettriche del metallo. A basse temperature, l'idrogeno viene assorbito lentamente, ma già a una temperatura di circa 360 ° C, l'idrogeno viene assorbito alla massima velocità e non solo si verifica l'adsorbimento, ma si forma anche un idruro di composizione variabile da NbH0,7 a NbH. L'idrogeno assorbito rende il metallo fragile, ma questo processo è reversibile: se riscaldato sotto vuoto a una temperatura superiore a 600 ° C, viene rilasciato quasi tutto l'idrogeno e vengono ripristinate le precedenti proprietà meccaniche. Il niobio inizia ad assorbire azoto già a 600 °C, a temperatura più alta si forma il nitruro più alto NbN, di colore grigio chiaro con una sfumatura giallastra, che fonde a 2300 °C. Nel sistema Nb - N ci sono diverse fasi di composizione variabile e nitruri Nb2N e NbN.
Carbonio e gas contenenti carbonio (CH4, CO) ad alte temperature (1200-1400°C) interagiscono con il niobio per formare carburo duro e refrattario NbC (fonde a 3500°C). A temperature di 1 800-2 000 °C, il niobio forma tre fasi con il carbonio: fase α - una soluzione solida di incorporazione di carbonio nel niobio, fase β - Nb2C, fase δ - NbC.
Il niobio è immune all'azione della maggior parte degli acidi e delle soluzioni saline. Non interagisce con acqua regia, acido cloridrico e solforico a 20°C, acido nitrico, fosforico, perclorico, soluzioni acquose di ammoniaca e acidi organici di qualsiasi concentrazione al freddo e a 100-150°C. Il metallo si dissolve in acido fluoridrico e soprattutto in una miscela di acido fluoridrico e nitrico. Il quarantunesimo elemento è meno stabile negli alcali. Soluzioni calde di alcali caustici corrodono notevolmente il metallo; in alcali fusi e soda, si ossida rapidamente per formare il sale sodico dell'acido niobico.
Con gli alogeni, il niobio forma NbHal5 pentaalogenuri, NbHal4 tetraalogenuri e NbHal2,67-NbHal3+x fasi contenenti gruppi Nb3 o Nb2. I pentaalogenuri di niobio sono facilmente idrolizzati dall'acqua. Di questi, i più importanti sono il pentafluoruro NbF5, il pentacloruro NbCl5, l'ossitricloruro NbOCl3, il fluoroniobato di potassio K2NbF7 e l'ossifluoroniobato di potassio K2NbOF7 H2O.
Con il fosforo, il niobio forma fosfuri NbP e NbP2, con arsenico - arseniuri NbAs e NbAs2, con antimonio - antimonidi Nb3Sb, Nb5Sb4, NbSb2, con zolfo - solfuri NbS3, NbS2 e NbS. Lo stannide Nb3Sn (tm ~ 2130°C) e il germanide Nb3Ge (tm ~ 1970°C) sono superconduttori con temperature di transizione superconduttive rispettivamente di 18,05°K e 23,2°K; ottenerli da sostanze semplici. Il Na liquido, K e le loro leghe, Li, Bi, Pb, Hg, Sn, che sono usati come refrigeranti di metalli liquidi nei reattori nucleari, praticamente non influiscono sul niobio.
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Niobio
L'elemento che occupa la 41a cella della tavola periodica è noto all'umanità da molto tempo. L'età del suo nome attuale - niobio - è di quasi mezzo secolo in meno. È successo che l'elemento #41 è stato aperto due volte. La prima volta - nel 1801, lo scienziato inglese Charles Hatchet esaminò un campione del minerale giusto inviato al British Museum dall'America. Da questo minerale isolò l'ossido di un elemento precedentemente sconosciuto. Hatchet ha chiamato il nuovo elemento columbia, segnando così la sua origine transatlantica. E il minerale nero si chiama columbite.
Un anno dopo, il chimico svedese Ekeberg isolò l'ossido di un altro nuovo elemento dalla columbite, chiamato tantalio. La somiglianza dei composti di Columbia e tantalio era così grande che per 40 anni la maggior parte dei chimici credette che tantalio e columbio fossero lo stesso elemento.
Nel 1844, il chimico tedesco Heinrich Rose esaminò campioni di columbite trovati in Baviera. Scoprì di nuovo gli ossidi di due metalli. Uno di questi era un ossido del già noto tantalio. Gli ossidi erano simili e, sottolineando la loro somiglianza, Rosé chiamò l'elemento che forma il secondo ossido niobio, dal nome di Niobe, figlia del mitologico martire Tantalo.
Tuttavia, Rose, come Hatchet, non è riuscita a ottenere questo elemento in uno stato libero.
Il niobio metallico fu ottenuto per la prima volta solo nel 1866 dallo scienziato svedese Blomstrand durante la riduzione del cloruro di niobio con idrogeno. Alla fine del XIX secolo. sono stati trovati altri due modi per ottenere questo elemento. Moissan lo ottenne prima in un forno elettrico, riducendo l'ossido di niobio con il carbonio, e poi Goldschmidt riuscì a ridurre lo stesso elemento con l'alluminio.
E hanno continuato a chiamare l'elemento n. 41 in modo diverso nei diversi paesi: in Inghilterra e negli Stati Uniti - Colombia, in altri paesi - niobio. L'Unione internazionale di chimica pura e applicata (IUPAC) pose fine a questa discordia nel 1950. Si decise di legalizzare il nome dell'elemento "niobio" ovunque e il nome "columbite" fu assegnato al principale minerale di niobio. La sua formula è (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6.
Attraverso gli occhi di un chimico
Il niobio elementare è un metallo estremamente refrattario (2468°C) e altobollente (4927°C), molto resistente in molti ambienti aggressivi. Tutti gli acidi, ad eccezione del fluoridrico, non agiscono su di esso. Gli acidi ossidanti "passivano" il niobio, ricoprendolo con un film protettivo di ossido (Nb 2 O 5). Ma alle alte temperature, l'attività chimica del niobio aumenta. Se a 150...200°C si ossida solo un piccolo strato superficiale del metallo, a 900...1200°C lo spessore del film di ossido aumenta significativamente.
Il niobio reagisce attivamente con molti non metalli. Alogeni, azoto, idrogeno, carbonio, zolfo formano composti con esso. In questo caso, il niobio può presentare valenze diverse, da due a cinque. Ma la valenza principale di questo elemento è 5+. Il niobio pentavalente può essere incluso nella composizione del sale sia come catione che come uno degli elementi dell'anione, il che indica la natura anfotera dell'elemento n. 41.
I sali degli acidi niobici sono chiamati niobati. Sono ottenuti come risultato di reazioni di scambio dopo la fusione del pentossido di niobio con la soda:
Nb 2 O 5 + 3Na 2 CO 3 → 2Na 3 NbO 4 + 3CO 2.
I sali di diversi acidi niobici, principalmente HNbO 3 metaniobico, così come diniobati e pentaniobati (K 4 Nb 2 O 7 , K 7 Nb 5 O 16 ) sono abbastanza ben studiati. m H2O). E i sali in cui l'elemento n. 41 funge da catione sono solitamente ottenuti dall'interazione diretta di sostanze semplici, ad esempio 2Nb + 5Cl 2 → 2NbCl 5.
Cristalli aghiformi dai colori vivaci di pentaalogenuri di niobio (NbCl 5 - giallo, NbBr 5 - rosso porpora) si dissolvono facilmente in solventi organici - cloroformio, etere, alcool. Ma una volta disciolti in acqua, questi composti si decompongono completamente, idrolizzano con la formazione di niobati:
NbCl 5 + 4H 2 O → 5HCl + H 3 NbO 4.
L'idrolisi può essere prevenuta aggiungendo dell'acido forte alla soluzione acquosa. In tali soluzioni, i pentaalogenuri di niobio si dissolvono senza idrolizzarsi.
Il niobio forma doppi sali e composti complessi, più facilmente: fluoro. I fluoroniobati sono i nomi di questi doppi sali. Si ottengono aggiungendo fluoruro di qualsiasi metallo ad una soluzione di acido niobico e acido fluoridrico.
La composizione di un composto complesso dipende dal rapporto tra i componenti che reagiscono in soluzione. L'analisi di diffrazione di raggi X di uno di questi composti ha mostrato una struttura corrispondente alla formula K 2 NbF 7 . Si possono anche formare oxocomposti del niobio, ad esempio ossofluoroniobato di potassio K 2 NbOF 5 H 2 O.
La caratterizzazione chimica dell'elemento non si limita, ovviamente, a queste informazioni. Oggi, il più importante dei composti dell'elemento 41 sono i suoi composti con altri metalli.
Niobio e superconduttività
Il sorprendente fenomeno della superconduttività, quando, al diminuire della temperatura del conduttore, si verifica un'improvvisa scomparsa della resistenza elettrica, fu osservato per la prima volta dal fisico olandese G. Kamerling-Onnes nel 1911. Il mercurio si rivelò essere il primo superconduttore, ma non il mercurio, ma il niobio e alcuni composti intermetallici del niobio erano destinati a diventare i primi materiali superconduttori tecnicamente importanti.
Due caratteristiche dei superconduttori sono praticamente importanti: il valore della temperatura critica alla quale avviene il passaggio allo stato di superconduttività, e il campo magnetico critico (anche Kamerling-Onnes ha osservato la perdita di superconduttività da parte di un superconduttore quando esposto ad un magnete sufficientemente forte campo). Al 1 gennaio 1975, il superconduttore - il "detentore del record" in termini di temperatura critica era un composto intermetallico di niobio e germanio della composizione Nb 3 Ge. La sua temperatura critica è di 23,2°K; questo è al di sopra del punto di ebollizione dell'idrogeno. (I superconduttori più conosciuti diventano superconduttori solo alla temperatura dell'elio liquido).
La capacità di passare allo stato di superconduttività è caratteristica anche del niobio stannide Nb 3 Sn, leghe di niobio con alluminio e germanio, oppure con titanio e zirconio. Tutte queste leghe e mescole sono già utilizzate per la produzione di solenoidi superconduttori, così come per altri importanti dispositivi tecnici.
Niobio - metallo
Il niobio metallico può essere ottenuto riducendo i suoi composti, come il cloruro di niobio o il niobato di fluoro di potassio, ad alta temperatura:
K 2 NbF 7 + 5Na → Nb + 2KF + 5NaF.
Ma prima di raggiungere quest'ultima fase di produzione, il minerale di niobio passa attraverso molte fasi di lavorazione. Il primo di questi è l'arricchimento del minerale, ottenendo concentrati. Il concentrato viene fuso con vari flussi: soda caustica o soda. La lega risultante viene lisciviata. Ma non si dissolve completamente. Il precipitato insolubile è niobio. È vero, qui è ancora nella composizione dell'idrossido, non è separato dal suo analogo nel sottogruppo - tantalio - e non è purificato da alcune impurità.
Fino al 1866 non esisteva un unico metodo per la separazione del tantalio e del niobio adatto alle condizioni di produzione. Il primo metodo per separare questi elementi estremamente simili è stato proposto da Jean Charles Galissard de Marignac. Il metodo si basa sulla diversa solubilità dei composti complessi di questi metalli ed è chiamato fluoruro. Il complesso fluoruro di tantalio è insolubile in acqua, mentre l'analogo composto di niobio è solubile.
Il metodo del fluoruro è complicato e non consente la completa separazione di niobio e tantalio. Pertanto, al giorno d'oggi non viene quasi mai utilizzato. È stato sostituito da metodi di estrazione selettiva, scambio ionico, rettifica degli alogenuri, ecc. Questi metodi producono ossido e cloruro di niobio pentavalente.
Dopo la separazione di niobio e tantalio, avviene l'operazione principale: il recupero. Il pentossido di niobio Nb 2 O 5 viene ridotto con alluminio, sodio, nerofumo o carburo di niobio ottenuti facendo reagire Nb 2 O 5 con carbonio; Il pentacloruro di niobio viene ridotto con sodio metallico o amalgama di sodio. Si ottiene così il niobio in polvere, che deve poi essere trasformato in un monolite, reso plastico, compatto, adatto alla lavorazione. Come altri metalli refrattari, il niobio-monolito è ottenuto dalla metallurgia delle polveri, la cui essenza è la seguente.
Dalla polvere metallica risultante ad alta pressione (1 t/cm 2) si pressano le cosiddette bacchette di sezione rettangolare o quadrata. Sotto vuoto a 2300°C, queste bacchette vengono sinterizzate, combinate in bacchette, che vengono fuse in forni ad arco sottovuoto e le bacchette in questi forni fungono da elettrodo. Questo processo è chiamato fusione degli elettrodi consumabili.
Il niobio plastico monocristallino è ottenuto mediante fusione a fascio di elettroni in zona priva di crogiolo. La sua essenza è che un potente fascio di elettroni viene diretto al niobio in polvere (sono escluse le operazioni di pressatura e sinterizzazione!) che scioglie la polvere. Gocce di metallo scorrono sul lingotto di niobio, che cresce gradualmente e viene rimosso dalla camera di lavoro.
Come puoi vedere, il percorso del niobio dal minerale al metallo è comunque piuttosto lungo e le modalità di produzione sono complesse.
Niobio e metalli
La storia sull'uso del niobio è più logica per cominciare con la metallurgia, poiché è nella metallurgia che ha trovato l'applicazione più ampia. E nella metallurgia non ferrosa e in quella ferrosa.
L'acciaio legato con niobio ha una buona resistenza alla corrosione. "E allora? - dice un altro lettore sofisticato. "Il cromo aumenta anche la resistenza alla corrosione dell'acciaio ed è molto più economico del niobio". Questo lettore ha ragione e torto allo stesso tempo. Sbagliato perché ho dimenticato una cosa.
Negli acciai al cromo-nichel, come in tutti gli altri, c'è sempre il carbonio. Ma il carbonio si combina con il cromo per formare il carburo, che rende l'acciaio più fragile. Il niobio ha una maggiore affinità per il carbonio rispetto al cromo. Pertanto, quando il niobio viene aggiunto all'acciaio, si forma necessariamente il carburo di niobio. L'acciaio legato al niobio acquisisce elevate proprietà anticorrosive e non perde la sua duttilità. L'effetto desiderato si ottiene aggiungendo solo 200 g di niobio metallico a una tonnellata di acciaio. Un niobio in acciaio al cromo-manganese offre un'elevata resistenza all'usura.
Molti metalli non ferrosi sono anche legati con niobio. Quindi, l'alluminio, che è facilmente solubile negli alcali, non reagisce con loro se viene aggiunto solo lo 0,05% di niobio. E il rame, noto per la sua morbidezza, e molte delle sue leghe, il niobio sembra indurirsi. Aumenta la resistenza di metalli come titanio, molibdeno, zirconio e allo stesso tempo aumenta la loro resistenza al calore e resistenza al calore.
Ora le proprietà e le capacità del niobio sono apprezzate dall'aviazione, dall'ingegneria meccanica, dall'ingegneria radiofonica, dall'industria chimica e dall'energia nucleare. Tutti loro divennero consumatori di niobio.
La proprietà unica - l'assenza di una notevole interazione del niobio con l'uranio a temperature fino a 1100 ° C e, inoltre, una buona conduttività termica, una piccola sezione trasversale di assorbimento efficace dei neutroni termici, ha reso il niobio un serio concorrente dei metalli riconosciuti in l'industria nucleare - alluminio, berillio e zirconio. Inoltre, la radioattività artificiale (indotta) del niobio è bassa. Pertanto, può essere utilizzato per realizzare contenitori per lo stoccaggio di rifiuti radioattivi o installazioni per il loro utilizzo.
L'industria chimica consuma relativamente poco niobio, ma questo può essere spiegato solo dalla sua scarsità. Da leghe contenenti niobio e meno spesso da niobio in fogli, a volte vengono realizzate apparecchiature per la produzione di acidi di elevata purezza. La capacità del niobio di influenzare la velocità di alcune reazioni chimiche viene utilizzata, ad esempio, nella sintesi dell'alcol dal butadiene.
I consumatori dell'elemento n. 41 erano anche tecnologia missilistica e spaziale. Non è un segreto che alcune quantità di questo elemento stiano già ruotando in orbite vicine alla Terra. Di leghe contenenti niobio e niobio puro, vengono realizzate alcune parti di razzi e apparecchiature di bordo di satelliti artificiali terrestri.
Minerali di niobio
Columbite (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6 è stato il primo minerale di niobio conosciuto dall'umanità. E lo stesso minerale è il più ricco dell'elemento n. 41. La quota di ossidi di niobio e tantalio rappresenta fino all'80% del peso della columbite. C'è molto meno niobio nel pirocloro (Ca, Na) 2 (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 (O, OH, F) e loparite (Na, Ce, Ca) 2 (Nb, Ti) 2 O 6 . In totale sono noti più di 100 minerali, tra cui il niobio. Esistono giacimenti significativi di tali minerali in diversi paesi: Stati Uniti, Canada, Norvegia, Finlandia, ma lo stato africano della Nigeria è diventato il più grande fornitore di concentrati di niobio sul mercato mondiale. Nell'URSS ci sono grandi riserve di loparite, sono state trovate nella penisola di Kola.
Carburo rosa
Il niobio monocarburo NbC è una sostanza plastica con una caratteristica lucentezza rosata. Questo importante composto si forma abbastanza facilmente dall'interazione del niobio metallico con gli idrocarburi. La combinazione di buona duttilità e resistenza alle alte temperature con un aspetto gradevole ha reso il niobio monocarburo un prezioso materiale di rivestimento. Uno strato di questa sostanza di soli 0,5 mm di spessore protegge in modo affidabile molti materiali dalla corrosione ad alte temperature, in particolare la grafite, che è praticamente non protetta da altri rivestimenti. NbC è anche utilizzato come materiale strutturale nella produzione di razzi e turbine.
Nervi suturati con niobio
L'elevata resistenza alla corrosione del niobio ha permesso di utilizzarlo in medicina. I filamenti di niobio non irritano i tessuti viventi e si fondono bene con esso. La chirurgia ricostruttiva ha utilizzato con successo tali suture per riparare tendini, vasi sanguigni e persino nervi strappati.
L'apparenza non inganna
Il niobio non solo ha una serie di proprietà richieste dalla tecnica, ma ha anche un aspetto piuttosto bello. I gioiellieri hanno cercato di utilizzare questo metallo bianco lucido per realizzare casse di orologi. Le leghe di niobio con tungsteno o renio a volte sostituiscono i metalli nobili: oro, platino, iridio. Quest'ultimo è particolarmente importante, poiché la lega di niobio con renio non solo assomiglia all'iridio metallico, ma è quasi altrettanto resistente all'usura. Ciò ha permesso ad alcuni paesi di fare a meno del costoso iridio nella produzione di saldature per pennini a fontana.
Niobio e saldatura
Alla fine degli anni '20 del nostro secolo, la saldatura elettrica e a gas iniziò a sostituire la rivettatura e altri metodi di collegamento di componenti e parti. La saldatura ha migliorato la qualità dei prodotti, accelerato e ridotto i costi dei loro processi di assemblaggio. La saldatura sembrava particolarmente promettente durante l'installazione di grandi impianti operanti in ambienti corrosivi o ad alta pressione. Ma poi si è scoperto che durante la saldatura dell'acciaio inossidabile, la saldatura ha una resistenza molto inferiore rispetto all'acciaio stesso. Per migliorare le proprietà della cucitura, nell '"acciaio inossidabile" iniziarono ad essere introdotti vari additivi. Il migliore di loro era il niobio.
Cifre sottovalutate
Non è un caso che il niobio sia considerato un elemento raro: in realtà non si presenta spesso e in piccole quantità, e sempre sotto forma di minerali e mai allo stato nativo. Un dettaglio curioso: in diverse pubblicazioni di riferimento, il clarke (contenuto nella crosta terrestre) del niobio è diverso. Ciò è dovuto principalmente al fatto che negli ultimi anni sono stati trovati nuovi giacimenti di minerali contenenti niobio nei paesi africani. I dati sono riportati in: 3,2 10 -5% (1939), 1 10 -3% (1949) e 2,4 10 -3% (1954). Ma anche gli ultimi dati sono sottovalutati: i giacimenti africani scoperti negli ultimi anni non sono qui inclusi. Tuttavia, si stima che circa 1,5 milioni di tonnellate di niobio metallico possano essere fuse dai minerali di giacimenti già noti.