ניוביום- מתכת בצבע אפור-כסף מבריק. סריג הגביש של ניוביום הוא מעוקב במרכז הגוף עם הפרמטר a = 3.294Å. צפיפות 8.57 גרם / ס"מ 3 (20 מעלות צלזיוס); t pl 2500 מעלות צלזיוס; חבילת t 4927 מעלות צלזיוס; לחץ אדים (במ"מ כספית; 1 מ"מ כספית = 133.3 N/m 2) 1 10 -5 (2194 מעלות צלזיוס), 1 10 -4 (2355 מעלות צלזיוס), 6 10 -4 (ב-t pl), 1 10 - 3 (2539 מעלות צלזיוס). מוליכות תרמית ב-W / (m K) ב-0 מעלות צלזיוס ו-600 מעלות צלזיוס, בהתאמה, 51.4 ו-56.2, זהה ב-cal / (ס"מ s ° C) 0.125 ו-0.156. התנגדות חשמלית נפחית ספציפית ב-0°C 15.22·10 -8 אוהם·מ (15.22·10 -6 אוהם·ס"מ). טמפרטורת המעבר למצב מוליך-על היא 9.25 K. ניוביום הוא פרמגנטי. פונקציית עבודת האלקטרונים היא 4.01 eV.
ניוביום טהור מעובד בקלות על ידי לחץ בקור ושומר על תכונות מכניות משביעות רצון בטמפרטורות גבוהות. חוזק המתיחה שלו ב-20 ו-800 מעלות צלזיוס הוא 342 ו-312 MN/m2 בהתאמה, זהה ב-kgf/mm2 34.2 ו-31.2; התארכות יחסית ב-20 ו-800 מעלות צלזיוס, בהתאמה, 19.2 ו-20.7%. הקשיות של ניוביום טהור לפי Brinell 450, טכני 750-1800 MN/m 2 .
זיהומים של אלמנטים מסוימים, במיוחד מימן, חנקן, פחמן וחמצן, פוגעים מאוד בגמישות ומגבירים את קשיות הניוביום. את המתכת הזו אפשר לגלגל לתוך נייר כסף דק. אבל, כמו במקרה של טיטניום, טנטלום וכמה מתכות אחרות, רק מתכת שאינה מכילה זיהומים של חמצן, חנקן ושאר לא-מתכות היא פלסטיק. זיהומים אלה הופכים את הניוביום לשביר ושביר.
התכונות הפיזיקליות של ניוביום Nb ניתנות בהתאם לטמפרטורה בטווח שבין -223 ל-2527 מעלות צלזיוס. התכונות הבאות של ניוביום מוצק ונוזל נחשבות:
- צפיפות ניוביום ד;
- קיבולת חום מסה ספציפית Cp;
- diffusivity תרמית א;
- מקדם מוליכות תרמית λ ;
- התנגדות חשמלית ρ ;
- מקדם התפשטות תרמית ליניארית α .
התכונות הפיזיקליות של ניוביום תלויות באופן שונה בטמפרטורה. לשינוי שלו יש את ההשפעה הגדולה ביותר על ההתנגדות החשמלית של ניוביום. לדוגמה, כאשר הטמפרטורה של מתכת זו עולה מ-0 מעלות צלזיוס לנקודת ההיתוך, ההתנגדות שלה עולה ביותר מפי 8 (עד לערך של 109·10 -8 אוהם·מ).
ניוביום היא מתכת עקשנית עם נקודת התכה של 2477 מעלות צלזיוס וצפיפות של 8570 ק"ג/מ"ק (ב-20 מעלות צלזיוס). נקודת הרתיחה של ניוביום היא 4744 מעלות צלזיוס, מבנה הסריג הוא מעוקב במרכז הגוף עם תקופה של 0.33 ננומטר.
צפיפות הניוביום יורדת בעת חימום. לניוביום במצב מותך יש צפיפות נמוכה משמעותית מאשר במצב מוצק: בטמפרטורה של 2477°C, צפיפות הניוביום הנוזלי היא 7580 ק"ג/מ"ר.
קיבולת החום הספציפית של ניוביום בטמפרטורת החדר היא 268 J/(ק"ג מעלות) ועולה עם חימום. שימו לב שהערך של תכונה פיזית זו של ניוביום משתנה באופן לא משמעותי במהלך ההיתוך, ובמצב נוזלי קיבולת החום הסגולית שלו גדולה פי 1.7 מהערך הקלאסי 3R.
המוליכות התרמית של ניוביום ב-0°C היא 48 W/(m מעלות), הוא קרוב בגודלו ל . תלות הטמפרטורה של המוליכות התרמית של ניוביום מאופיינת במינימום שטוח באזור טמפרטורות החדר ומקדם טמפרטורה חיובי מעל 230 מעלות צלזיוס. כאשר מתקרבים לנקודת ההתכה של ניוביום, המוליכות התרמית שלו עולה.
לדיפוזיות התרמית של ניוביום יש גם מינימום שטוח ליד טמפרטורת החדר ולאחר מכן מקסימום שטוח ב-900...1500 מעלות צלזיוס. מקדם ההתפשטות ליניארית תרמית של ניוביום נמוך יחסית. זה דומה בערכו למקדם ההתפשטות של מתכות כגון טונגסטן, אירידיום ו.
| t, מעלות צלזיוס | ד, ק"ג / מ"ר 3 |
C p , J/(ק"ג מעלות) |
א 10 6, m 2 /s |
λ, W/(m מעלות) |
ρ 10 8 , אוהם מ |
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 | — | — | — |
היסוד התופס את התא ה-41 בטבלה המחזורית ידוע לאנושות מזה זמן רב. גיל שמו הנוכחי - ניוביום - פחות כמעט בחצי מאה. כך קרה שאלמנט מס' 41 נפתח פעמיים. בפעם הראשונה - בשנת 1801, המדען האנגלי צ'ארלס האטצ'ט בדק דגימה של המינרל הנכון שנשלח למוזיאון הבריטי מאמריקה. מהמינרל הזה הוא בודד את התחמוצת של יסוד שלא היה ידוע קודם לכן. Hatchet כינה את היסוד החדש קולומביה, ובכך סימן את מקורו הטרנס-אטלנטי. והמינרל השחור נקרא קולומבייט.
שנה לאחר מכן, הכימאי השבדי אקברג בודד את התחמוצת של יסוד חדש נוסף מקולומביט, הנקרא טנטלום. הדמיון בין התרכובות של קולומביה וטנטלום היה כה גדול, שבמשך 40 שנה רוב הכימאים האמינו כי טנטלום וקולומביום הם יסוד אחד ויחיד.
בשנת 1844, הכימאי הגרמני היינריך רוז בדק דגימות של קולומביט שנמצאו בבוואריה. הוא שוב גילה תחמוצות של שתי מתכות. אחד מהם היה תחמוצת של הטנטלום הידוע כבר. התחמוצות היו דומות, ובהדגשת הדמיון ביניהן, קרא רוז ליסוד היוצר את התחמוצת השניה ניוביום, על שם ניובה, בתו של הקדוש המיתולוגי טנטלוס.
עם זאת, רוז, כמו האצ'ט, לא הצליחה להשיג את האלמנט הזה במדינה חופשית.
ניוביום מתכתי הושג לראשונה רק בשנת 1866 על ידי המדען השבדי Blomstrand במהלך הפחתת הניוביום כלוריד עם מימן. בסוף המאה ה- XIX. נמצאו שתי דרכים נוספות להשגת אלמנט זה. Moissan השיג אותו תחילה בכבשן חשמלי, הפחתת תחמוצת ניוביום עם פחמן, ולאחר מכן הצליח גולדשמידט להפחית את אותו יסוד עם אלומיניום.
והם המשיכו לקרוא לאלמנט מס' 41 אחרת במדינות שונות: באנגליה ובארה"ב - קולומביה, במדינות אחרות - ניוביום. האיגוד הבינלאומי לכימיה טהורה ויישומית (IUPAC) שם קץ למחלוקת זו בשנת 1950. הוחלט להכשיר את שמו של היסוד "ניוביום" בכל מקום, והשם "קולומבייט" הוקצה למינרל העיקרי של ניוביום. הנוסחה שלו היא (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6.
דרך עיניו של כימאי
ניוביום יסודי הוא מתכת עקשן במיוחד (2468 מעלות צלזיוס) ובעל רתיחה גבוהה (4927 מעלות צלזיוס), עמיד מאוד בסביבות אגרסיביות רבות. כל החומצות, למעט ההידרופלואוריות, אינן פועלות עליה. חומצות מחמצנות "מפסיביות" את הניוביום, מכסות אותו בסרט תחמוצת מגן (מס' 205). אבל בטמפרטורות גבוהות, הפעילות הכימית של ניוביום עולה. אם ב-150...200 מעלות צלזיוס רק שכבת פני שטח קטנה של המתכת מתחמצנת, אז ב-900...1200 מעלות צלזיוס עובי סרט התחמוצת גדל באופן משמעותי.
ניוביום מגיב באופן פעיל עם הרבה לא-מתכות. הלוגנים, חנקן, מימן, פחמן, גופרית יוצרים איתו תרכובות. במקרה זה, ניוביום יכול להפגין ערכיות שונות - משניים עד חמש. אבל הערכיות העיקרית של אלמנט זה היא 5+. ניתן לכלול ניוביום מחומש בהרכב המלח הן כקטיון והן כאחד היסודות של האניון, מה שמעיד על אופיו האמפוטרי של יסוד מס' 41.
מלחים של חומצות ניוביות נקראים ניובטים. הם מתקבלים כתוצאה מתגובות החלפה לאחר היתוך של ניוביום פנטאוקסיד עם סודה:
Nb 2 O 5 + 3Na 2 CO 4 → 2Na 3 NbO 4 + 3CO 2.
מלחים של מספר חומצות ניוביות, בעיקר מתניוביות HNbO 3, כמו גם דיניובטים ופנטנובטים (K 4 Nb 2 O 7, K 7 Nb 5 O 16 ) נחקרו היטב. M H2O). ומלחים שבהם יסוד מס' 41 פועל כקטיון מתקבלים בדרך כלל על ידי אינטראקציה ישירה של חומרים פשוטים, למשל, 2Nb + 5Cl 2 → 2NbCl 5.
גבישים דמויי מחט בצבע בהיר של ניוביום פנטהאלידים (NbCl - צהוב, NbBr 5 - סגול-אדום) מתמוססים בקלות בממיסים אורגניים - כלורופורם, אתר, אלכוהול. אבל כאשר הם מומסים במים, תרכובות אלה מתפרקות לחלוטין, הידרוליזה עם היווצרות של ניובטים:
NbCl 5 + 4H 2 O → 5HCl + H 3 NbO 4.
ניתן למנוע הידרוליזה על ידי הוספת חומצה חזקה לתמיסה המימית. בתמיסות כאלה, ניוביום פנטהאלידים מתמוססים ללא הידרוליזה.
ניוביום יוצר מלחים כפולים ותרכובות מורכבות, הכי קל - פלואור. פלואורוניובטים הם שמותיהם של המלחים הכפולים הללו. הם מתקבלים על ידי הוספת מתכת פלואוריד לתמיסה של חומצות ניובקיות והידרופלואוריות.
ההרכב של תרכובת מורכבת תלוי ביחס המרכיבים המגיבים בתמיסה. ניתוח רנטגן של אחת התרכובות הללו הראה מבנה המקביל לנוסחה K 2 NbF 7 . ניתן ליצור גם תרכובות אוקסו של ניוביום, למשל, אשלגן אוקסופלואורו-פובאט K 2 NbOF 5 H 2 O.
האפיון הכימי של היסוד אינו מוגבל, כמובן, למידע זה. כיום, החשובות מבין התרכובות של יסוד 41 הן התרכובות שלו עם מתכות אחרות.
ניוביום ועל מוליכות
התופעה המדהימה של מוליכות-על, כאשר, כאשר הטמפרטורה של המוליך יורדת, מתרחשת בו היעלמות פתאומית של ההתנגדות החשמלית, נצפתה לראשונה על ידי הפיזיקאי ההולנדי ג'י קמרלינג-אונס בשנת 1911. מרקורי התברר כמוליך-העל הראשון, אך לא כספית, אלא ניוביום וכמה תרכובות בין-מתכתיות של ניוביום נועדו להפוך לחומרים מוליכי-על חשובים טכנית הראשונים.
שני מאפיינים של מוליכים חשובים באופן מעשי: ערך הטמפרטורה הקריטית שבה מתרחש המעבר למצב של מוליכות-על, והשדה המגנטי הקריטי (אפילו קמרלינג-אונס ראה את אובדן מוליכות-על על-ידי מוליך-על כאשר הוא נחשף למגנט חזק מספיק. שדה). החל מ-1 בינואר 1975, המוליך-העל - "מחזיק השיאים" מבחינת הטמפרטורה הקריטית היה תרכובת בין-מתכתית של ניוביום וגרמניום בהרכב Nb 3 Ge. הטמפרטורה הקריטית שלו היא 23.2°K; זה מעל נקודת הרתיחה של מימן. (רוב המוליכים המוכרים הופכים למוליכים רק בטמפרטורה של הליום נוזלי).
היכולת לעבור למצב של מוליכות-על טבועה גם ב-Nb 3 Sn niobium stapnide, סגסוגות של ניוביום עם אלומיניום וגרמניום, או עם טיטניום וזירקוניום. כל הסגסוגות והתרכובות הללו כבר נמצאות בשימוש לייצור סולנואידים מוליכים-על, כמו גם כמה מכשירים טכניים חשובים אחרים.
ניוביום - מתכת
ניתן להשיג ניוביום מתכתי על ידי הפחתת התרכובות שלו, כגון ניוביום כלוריד או אשלגן פלואור ניובאט, בטמפרטורה גבוהה:
K 2 NbF 7 + 5Na → Nb + 2KF + 5NaF.
אבל לפני שמגיעים לשלב האחרון של הייצור הזה, עפרת ניוביום עוברת שלבים רבים של עיבוד. הראשון שבהם הוא הטבת עפרות, השגת תרכיזים. התרכיז נמזג עם שטפים שונים: סודה קאוסטית או סודה. הסגסוגת המתקבלת נשטפת. אבל זה לא מתמוסס לגמרי. המשקע הבלתי מסיס הוא ניוביום. נכון, כאן הוא עדיין בהרכב ההידרוקסיד, אינו מופרד מהאנלוגי שלו בתת-הקבוצה - טנטלום - ואינו מטוהר מכמה זיהומים.
עד 1866 לא הייתה שיטה אחת להפרדה של טנטלום וניוביום המתאימה לתנאי ייצור. השיטה הראשונה להפריד בין האלמנטים הדומים ביותר הללו הוצעה על ידי ז'אן שארל גאליסארד דה מריניאק. השיטה מבוססת על המסיסות השונה של התרכובות המורכבות של מתכות אלו ונקראת פלואוריד. הטנטלום פלואוריד המורכב אינו מסיס במים, ואילו תרכובת הניוביום המקבילה מסיסה.
שיטת הפלואוריד מסובכת ואינה מאפשרת הפרדה מלאה של ניוביום וטנטלום. לכן, כיום כמעט ולא נעשה בו שימוש. הוא הוחלף בשיטות של מיצוי סלקטיבי, חילופי יונים, תיקון הלידים וכו'. שיטות אלו מייצרות תחמוצת וכלוריד של ניוביום מחומש.
לאחר הפרדת הניוביום והטנטלום מתבצעת הפעולה העיקרית - החלמה. Niobium pentoxide Nb 2 O 5 מופחת עם אלומיניום, נתרן, פחמן שחור או ניוביום קרביד המתקבל על ידי תגובה של Nb 2 O 5 עם פחמן; ניוביום פנטכלוריד מופחת עם מתכת נתרן או אמלגם נתרן. כך מתקבל אבקת ניוביום, שאותו יש להפוך למונוליט, עשוי פלסטי, קומפקטי, מתאים לעיבוד. כמו מתכות עקשניות אחרות, ניוביום-מונולית מתקבל על ידי מתכות אבקה, המהות שלה היא כדלקמן.
מאבקת המתכת שהתקבלה בלחץ גבוה (1 t/cm 2) לחצו את מה שנקרא מוטות של חתך מלבני או מרובע. בוואקום של 2300 מעלות צלזיוס, מוטות אלה מסונטרים, משולבים למוטות, המומסים בתנורי קשת ואקום, והמוטות בתנורים אלו פועלים כאלקטרודה. תהליך זה נקרא התכת אלקטרודות מתכלות.
ניוביום פלסטי חד גביש מתקבל על ידי התכה של קרן אלקטרונים באזור ללא כור היתוך. המהות שלו היא שקרן אלקטרונים רבת עוצמה מופנית לניוביום אבקת (לא נכללות בפעולות לחיצה וסינטר!) הממיס את האבקה. טיפות מתכת זורמות אל מטיל הניוביום, שגדל בהדרגה ומוסר מתא העבודה.
כפי שניתן לראות, הדרך של ניוביום מעפרה למתכת היא בכל מקרה די ארוכה, ושיטות הייצור מורכבות.
ניוביום ומתכות
הסיפור על השימוש בניוביום הוא הגיוני ביותר מלכתחילה במטלורגיה, שכן במטלורגיה הוא מצא את היישום הרחב ביותר. ובמתכות לא ברזליות, ובברזליות.
לפלדה סגסוגת בניוביום יש עמידות טובה בפני קורוזיה. "אז מה? – אומר קורא מתוחכם אחר. "כרום גם מגביר את עמידות הפלדה בפני קורוזיה, והוא הרבה יותר זול מניוביום." הקורא הזה צודק וטועה בו זמנית. טועה כי שכחתי מדבר אחד.
בפלדת כרום-ניקל, כמו בכל פלדת אחרת, תמיד יש פחמן. אבל פחמן מתחבר עם כרום ויוצר קרביד, מה שהופך את הפלדה לשבירה יותר. לניוביום יש זיקה גדולה יותר לפחמן מאשר לכרום. לכן, כאשר מוסיפים ניוביום לפלדה, נוצר בהכרח קרביד ניובל. פלדה סגסוגת בניוביום רוכשת תכונות אנטי קורוזיה גבוהות ואינה מאבדת את משיכותה. האפקט הרצוי מושג כאשר מוסיפים רק 200 גרם של ניוביום מתכתי לטון פלדה. וניוביום פלדה כרום-מנגה נותן עמידות בפני שחיקה גבוהה.
מתכות לא ברזליות רבות מסווגות גם בניוביום. אז, אלומיניום, המסיס בקלות באלקליות, אינו מגיב איתם אם מוסיפים לו רק 0.05% ניוביום. ונחושת, הידועה ברכות שלה ובהרבה מסגסוגות שלה, נראה שהניוביום מתקשה. זה מגביר את חוזקן של מתכות כמו טיטניום, מוליבדן, זירקוניום, ובמקביל מגביר את עמידותן בחום ועמידותן בחום.
כעת המאפיינים והיכולות של הניוביום מוערכים על ידי תעופה, הנדסת מכונות, הנדסת רדיו, התעשייה הכימית וכוח גרעיני. כולם הפכו לצרכני ניוביום.
התכונה הייחודית - היעדר אינטראקציה בולטת של ניוביום עם אורניום בטמפרטורות של עד 1100 מעלות צלזיוס ובנוסף, מוליכות תרמית טובה, חתך ספיגה יעיל קטן של נויטרונים תרמיים, הפכו את הניוביום למתחרה רציני למתכות המוכרות ב. התעשייה הגרעינית - אלומיניום, בריליום וזירקוניום. בנוסף, הרדיואקטיביות המלאכותית (המושרה) של ניוביום נמוכה. לכן ניתן לייצר ממנו מיכלים לאחסון פסולת רדיואקטיבית או מתקנים לשימושם.
התעשייה הכימית צורכת מעט יחסית ניוביום, אך ניתן להסביר זאת רק במחסור בו. מסגסוגות המכילות ניוביום ולעתים רחוקות יותר מניוביום יריעות, מיוצר לעיתים ציוד לייצור חומצות בעלות טהרת גבוהה. היכולת של ניוביום להשפיע על קצב תגובות כימיות מסוימות משמשת, למשל, בסינתזה של אלכוהול מבוטאדיאן.
הצרכנים של אלמנט מס' 41 היו גם טכנולוגיית רקטות וחלל. זה לא סוד שכמה כמויות של יסוד זה כבר מסתובבות במסלולי כדור הארץ קרובים. מסגסוגות המכילות ניוביום וניוביום טהור, חלקים מסוימים של רקטות וציוד משולבים של לווייני כדור הארץ מלאכותיים עשויים.
מינרלים של ניוביום
Columbite (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6 היה מינרל הניוביום הראשון הידוע לאנושות. ואותו מינרל הוא העשיר ביותר באלמנט מס' 41. חלקן של תחמוצות של ניוביום וטנטלום מהווה עד 80% ממשקל הקולומביט. יש הרבה פחות ניוביום בפירוכלור (Ca, Na) 2 (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 (O, OH, F) ולופריט (Na, Ce, Ca) 2 (Nb, Ti) 2 O 6. בסך הכל, ידועים יותר מ-100 מינרלים, הכוללים ניוביום. ישנם מרבצים משמעותיים של מינרלים כאלה במדינות שונות: ארה"ב, קנדה, נורבגיה, פינלנד, אך מדינת ניגריה האפריקאית הפכה לספקית הגדולה ביותר של תרכיזי ניוביום לשוק העולמי. בברית המועצות יש עתודות גדולות של לופריטים, הם נמצאו בחצי האי קולה.
קרביד ורוד
Niobium monocarbide NbC הוא חומר פלסטי בעל ברק ורדרד אופייני. תרכובת חשובה זו נוצרת די בקלות על ידי אינטראקציה של ניוביום מתכתי עם פחמימנים. השילוב של משיכות טובה ועמידות בחום גבוהה עם "מראה" נעים הפך את הניוביום מונוקרביד לחומר בעל ערך לציפויים. שכבה של חומר זה בעובי של 0.5 מ"מ בלבד מגנה בצורה מהימנה על חומרים רבים מפני קורוזיה בטמפרטורות גבוהות, במיוחד גרפיט, שלמעשה אינו מוגן על ידי ציפויים אחרים. NbC משמש גם כחומר מבני בייצור רקטות וטורבינות.
עצבים תפורים בניוביום
העמידות הגבוהה בפני קורוזיה של ניוביום אפשרה להשתמש בו ברפואה. חוטי הניוביום אינם מגרים רקמות חיים ומתמזגים איתה היטב. ניתוחים משחזרים השתמשו בהצלחה בתפרים כאלה לתיקון גידים קרועים, כלי דם ואפילו עצבים.
המראה החיצוני אינו מטעה
לניוביום יש לא רק סט של מאפיינים הנדרשים על ידי הטכניקה, אלא גם נראה די יפה. תכשיטנים ניסו להשתמש במתכת הלבנה המבריקה הזו לייצור מארזי שעונים. סגסוגות של ניוביום עם טונגסטן או רניום מחליפות לפעמים מתכות אצילות: זהב, פלטינה, אירידיום. זה האחרון חשוב במיוחד, שכן סגסוגת הניוביום עם רניום לא רק נראית כמו אירידיום מתכתי, אלא עמידה כמעט באותה מידה ללבוש. זה איפשר לכמה מדינות להסתדר בלי אירידיום יקר בייצור הלחמה עבור ניפס מזרקה.
ניוביום וריתוך
בסוף שנות ה-20 של המאה שלנו, ריתוך חשמלי וגז החל לעקור את המרתקים ושיטות אחרות לחיבור רכיבים וחלקים. ריתוך שיפרה את איכות החלקים, הפכה את תהליך ההרכבה שלהם למהיר וזול יותר. הריתוך נראה מבטיח במיוחד במהלך התקנת מתקנים גדולים הפועלים בסביבות קורוזיביות או בלחץ גבוה. אבל אז התברר שכאשר ריתוך נירוסטה, לריתוך חוזק נמוך בהרבה מהפלדה עצמה. כדי לשפר את תכונות התפר, החלו להכניס תוספים שונים ל"נירוסטה". הטוב שבהם היה ניוביום.
נתונים מאופקים
לא במקרה ניוביום נחשב ליסוד נדיר: הוא באמת לא מופיע לעתים קרובות ובכמויות קטנות, ותמיד בצורה של מינרלים ולעולם לא במצב ילידי. פרט מוזר: בפרסומי התייחסות שונים, הקלרקה (התוכן בקרום כדור הארץ) של ניוביום שונה. הדבר נובע בעיקר מהעובדה שבשנים האחרונות נמצאו מרבצים חדשים של מינרלים המכילים ניוביום במדינות אפריקה. ב"מדריך של כימאי", כרך א' (מ', "כימיה", 1963) נתונים הנתונים: 3.2 10 -5% (1939), 1 10 -3% (1949) ו-2, 4 10 -3% (1954). אבל אפילו הנתונים האחרונים אינם מוערכים: מרבצים אפריקאים שהתגלו בשנים האחרונות אינם נכללים כאן. עם זאת, ההערכה היא שניתן להמיס כ-1.5 מיליון טון של ניוביום מתכתי מהמינרלים של מרבצים ידועים.
ניוביום (בלטינית Niobium, מסומן בסמל Nb) הוא יסוד בעל מספר אטומי 41 ומסה אטומית 92.9064. ניוביום הוא יסוד של תת-קבוצה צדדית של הקבוצה החמישית, התקופה החמישית של הטבלה המחזורית של יסודות כימיים של דמיטרי איבנוביץ' מנדלייב. יחד עם טנטלום, ניוביום הוא חלק מתת-קבוצת הונדיום. שיש שניים או אלקטרון אחד בשכבת האלקטרונים החיצונית של האטום, אלמנטים אלה נבדלים מהיסודות של תת-הקבוצה הראשית בדומיננטיות של תכונות מתכתיות ובהיעדר תרכובות מימן. במצב חופשי, ונדיום, ניוביום וטנטלום עמידים מאוד בפני התקפה כימית ובעלי נקודות התכה גבוהות. מתכות אלו, יחד עם כרום, מוליבדן, טונגסטן, רניום, וכן רותניום, רודיום, אוסמיום ואירידיום, הן מתכות עקשנות. האלמנט הארבעים ואחד במצב החופשי הוא מתכת אפורה פלדה, קשה (אך לא שבירה), עקשן (נקודת התכה 2500 מעלות צלזיוס) ובעל רתיחה גבוהה (4927 מעלות צלזיוס), ניתנת לעיבוד בקלות ועמידה מאוד בסביבות אגרסיביות רבות. . צפיפות הניוביום היא 8.57 גרם/סמ"ק. ניוביום טבעי מורכב מאיזוטופ יציב אחד בלבד, 93Nb.
ההיסטוריה של גילוי היסוד הארבעים ואחד קשורה קשר הדוק מאוד להיסטוריה של מתכת קשורה אחרת, שנמצאת באותה תת-קבוצה כמו ניוביום - טנטלום. עוד באמצע המאה השבע עשרה בדרום אמריקה (באגן נהר קולומביה) התגלה מינרל שחור כבד עם פסים זהובים של נציץ. הוא נלקח לאנגליה, שם בילה יותר ממאה שנה באחת מחלונות הראווה של המוזיאון הבריטי תחת השם "עפרת ברזל" ורק ב-1801, הכימאי האנגלי צ'ארלס האטצ'ט התעניין במינרל יוצא דופן. הוא בודד את התחמוצת של יסוד לא ידוע בעבר, שאותו כינה "קולומביום", ואת המינרל "קולומבייט". שנה לאחר מכן, הכימאי השבדי אקברג בודד מאותו מינרל את התחמוצת של יסוד חדש נוסף, הנקרא טנטלום. מסיבה זו, במשך שנים רבות האמינו שקולומביום וטנטלום הם מתכות זהות, מכיוון שהם נמצאים באותו מינרל. רק ב-1844 גילה בו הכימאי הגרמני היינריך רוז, שחקר את הקולומביט, תחמוצות של שתי מתכות הדומות בתכונותיהן, אך הן יסודות עצמאיים. אחד מהם היה הטנטלום הידוע ממילא, והשני נקרא על ידי רוז ניוביום (על שמו של ניובה, בתו של הקדוש המיתולוגי טנטלוס).
ניוביום הוא אחד המרכיבים העיקריים של סגסוגות רבות עמידות חום ועמידות בפני קורוזיה. חשיבות מיוחדת הן סגסוגות ניוביום עמידות בחום, המשמשות בייצור של טורבינות גז, מנועי סילון ורקטות. האלמנט הארבעים ואחד מוכנס גם לכמה דרגות של פלדות אל חלד - הוא משפר באופן דרמטי את התכונות המכניות שלהן ועמידותן בפני קורוזיה. אז פלדות המכילות ניוביום אחד עד ארבעה אחוזים נבדלות בעמידות גבוהה בחום ומשמשות כחומר לייצור דוודים בלחץ גבוה. בנוסף, פלדת ניוביום היא חומר מצוין לריתוך חשמלי של מבני פלדה: השימוש בה מספק חוזק יוצא דופן של ריתוכים. קרבידים של ניוביום הם קשים במיוחד ומשמשים לרוב בתעשיית עיבוד המתכת לייצור כלי חיתוך.
ניוביום הוא יסוד קורט המצוי בגוף האדם (במבוגרים במינונים של מיליגרם). המאגרים העיקריים של הריכוז של מתכת זו הם עצמות, כבד, שרירים, דם. תפקידו הביולוגי אינו מובן במלואו, אולם בשל העובדה שניוביום הוא היפואלרגני (אינו גורם לדחייה ביולוגית), הוא נמצא בשימוש נרחב ברפואה. יחד עם זאת, אבק מתכת ניוביום גורם לגירוי בעיניים ובעור, וכמה תרכובות של מתכת זו רעילות למדי.
תכונות ביולוגיות
ניוביום הוא יסוד קורט חיוני בגוף האדם. היסוד הארבעים ואחד נמצא בדם, בעצמות, בשרירים ובכבד של האדם. ההערכה היא שגוף ממוצע של מבוגר השוקל 70 קילוגרם מכיל עד 1.5 מ"ג של ניוביום.
לרוע המזל, התפקיד הביולוגי של יסוד זה נחקר בצורה גרועה מאוד. עם זאת, ניוביום ידוע כהיפואלרגני, כלומר ניתן להשתמש בו בבטחה להזרקה לגוף מכיוון שהוא לא יגרום לדחייה ביולוגית על ידי הגוף. תכונה יקרת ערך זו משמשת את הרפואה - חוטי ניוביום אינם מגרים רקמות חיות ומתמזגים היטב איתה. ניתוחים משחזרים השתמשו בהצלחה בתפרים כאלה לתיקון גידים קרועים, כלי דם ואפילו עצבים. שלא כמו פלדות מסגסוגת רפואית וסגסוגות השתלה אחרות, ניוביום הוא יסוד כימי טהור שלא ניתן להפרידו לרכיבים בודדים. כלומר, במגע עם רקמות, הוא אינו מסוגל לשחרר רכיבים בודדים ולכן אינו אלרגן.
לא רק הרפואה משתמשת באיכות זו של ניוביום - לאחרונה יש ביקוש רב לניוביום כחומר לניקוב תת עורי. בנוסף, ניוביום היא מתכת תגובתית וניתנת לאנודיזה במהלך אלקטרוליזה כימית. במקביל, מופיעה שכבת תחמוצת דקה על פני המתכת, הגורמת להופעת צבעי הפרעה ובשל מאפייני האור הנכנס, מתרחש הרושם של עירוי של צבעי צבע משתנים במהלך השתקפות ושבירה (א ניתן לראות השפעה דומה על סרט של כתמי שמן או בנזין על אספלט רטוב). אוהדי פירסינג כמו משחק הצבעים הזה פופולרי, חוץ מזה, השכבה האנודיזית תואמת באופן מלא לרקמות הגוף, מכיוון שהיא תחמוצת ניוביום. מטבע הדברים, כל האמור לעיל חל רק על ניוביום טהור - תכשיטי פירסינג העשויים מסגסוגות ניוביום (או מתכת עם זיהומים) עלולים להזיק לגוף האדם.
למרות כל ההיבטים החיוביים של ההשפעה הביולוגית של היסוד הארבעים ואחד על הגוף, כמה תרכובות ניוביום רעילות. הרעלה תעסוקתית עם ניוביום לא נרשמה. עם זאת, התחלואה הגבוהה יחסית של דרכי הנשימה העליונות אצל עובדים המשתמשים בתרכובות ניוביום נובעת ככל הנראה מחשיפה ל-HF משוחררים ולפלורוניובטים. הניסויים העיקריים לביסוס מידת הרעילות של התרכובות של היסוד הארבעים ואחת, שבוצעו על בעלי חיים, הראו כי K2NbF7 ו-NbCl5 מגרים בחדות את העור והריריות של עיני הארנב. מוכנס לקיבה של אשלגן ניובאט KNbO3 גורם להרעלה חריפה עם תוצאה קטלנית בעכברים לבנים במינון של 725-1140 מ"ג/ק"ג; אשלגן pentafluorooxoniobate K2NbOF5 - במינון של 130 מ"ג/ק"ג; ניוביום כלוריד (V) NbCl5 - 829.6 מ"ג/ק"ג. עבור חולדות מעבדה, מינונים אלו מעט גבוהים יותר. התרכובות שהוכנסו הובילו לניוון גרגירי ו-vacuolar בצינוריות של הכליות, נמק של הכבד ואפיתל הוושט, שינויים ניווניים ברירית הקיבה. הרעלה כרונית נגרמה כתוצאה מהחדרת NbCl5 במינון של 100 מ"ג/ק"ג לקיבה של חיות ניסוי במשך ארבעה חודשים, מה שהוביל לשינוי בהרכב הדם וכשל בתפקודי כבד, ושינויים קלים לאורך מערכת העיכול. החדרת אבק Nb2O5 במינון של 50 מ"ג למשך 6-9 חודשים גרמה לעיבוי של המחיצה הבין-לואולרית ואמפיזמה בחולדות מעבדה. באותן חיות מעבדה, חיסון יומי עם 40 מ"ג/מ"ק של אבק ניוביום ניטריד NbN במשך שלושה חודשים הוביל להתפתחות של דלקת ריאות ואמפיזמה משנית. הכנסת 50 מ"ג של NbN לקנה הנשימה של חולדות הובילה לאותה תוצאה.
MPC עבור ניוביום במים הוא 0.01 מ"ג/ליטר, עבור ניוביום ניטריד באוויר של אזור העבודה הוא 10 מ"ג/מ"ק. עבור פלואורוניובטים, מומלצים MPC כמו עבור מלחי HF.
בשם היסוד החדש ניוביום, היינריך רוז הונחה על ידי הדמיון שלו לטנטלום. אחרי הכל, המלך המיתולוגי טנטלוס, שנענש על ידי האלים האולימפיים על חוצפה, היה אביו של ניובה, שלכבודו נקרא היסוד הארבעים ואחד. עם זאת, רוז בהחלט לא יכול היה להניח שהיסוד ששמו יהיה דומה לדמות המיתולוגית, לא רק קשור לטנטלום. לפני שנסביר מה עוד משותף לניוביום המתכת האמיתי ולנסיכה המיתולוגית ניוב, בואו נספר בקצרה את סיפורה.
ניובה (Niobe) - גיבורת המיתוסים היווניים העתיקים, בתו של המלך הפריגי טנטלוס, אשתו של המלך התבאן אמפיון. בהיותו בעל צאצא גדול (שבעה בנים ושבע בנות), ניובה הפכה גאה ועם התפארתה נעלבת לטו (לאטון) - אמו של האל אפולו והאלה ארטמיס. על חוצפה כזו, אפולו וארטמיס הרגו את כל ילדי ניובה עם חיצים מהקשתות שלהם. ניובה עצמה, מאובנת מצער, הועברה לראש הר סיפילוס, שם היא מזילה דמעות בבדידות נצחית בצורת אבן לילדים הנרצחים.
ומה לגבי ניוביום? העובדה היא שלמתכת זו יש רק איזוטופ טבעי אחד - 93Nb. מסתבר שגם המתכת בודדה, כמו המלכה התבאנית ניובה.
ידוע שלניוביום יש עמידות גבוהה בפני קורוזיה, מה שמוביל לשימוש בהנדסה כימית. עובדה מעניינת היא שבייצור ציוד סגירה וצינורות לייצור חומצה הידרוכלורית, ניוביום לא רק משמש כחומר מבני, אלא גם ממלא את התפקיד של זרז, מה שמאפשר להשיג חומצה מרוכזת יותר.
עד 1866 לא הייתה שיטה אחת להפרדת טנטלום וניוביום המתאימה לתנאי ייצור!
בשל המחסור החריף בכסף, מציעים אנשי כספים אמריקאים להשתמש בניוביום במקום לייצור כסף מתכתי, שכן עלות הניוביום תואמת בערך את עלות הכסף. מאז 2003, נעשה שימוש רשמי בניוביום בהטבעת מטבעות אספנות. החלוץ בשימוש במתכת זו הייתה המטבעה האוסטרית Münze Österreich. אחת התכונות של הניוביום היא שבעיבוד מסוים של המתכת ניתן לקבל צבעי משטח שונים. כתוצאה מכך, אוסטריה מנפיקה מטבעות דו-מתכתיים בצבעים שונים, שבעת אלפים מטבעות כאלה כבר הוטבעו. הדוגמה של אוסטריה התבררה כמדבקת - ב-2005 סיירה לאון הנפיקה מטבע דו-מתכתי, תוך שימוש בזהב ובניוביום סגול. הגיליון מוקדש לאפיפיור יוחנן פאולוס השני. בנוסף למדינות אלו, הונפקו מטבעות דו-מתכתיים העושים שימוש בניוביום על ידי: מונגוליה - 500 טוגריקים, סגלגל כסף ותוסף ניוביום אפור (2003), לטביה - 1 לאט, כסף, מוסיף ניוביום ירוק (2010) ועוד מספר מטבעות נוספים. מדינות.
החברה הברזילאית CBMM היא היצרנית הגדולה בעולם של ניוביום ומספקת כיום 80% מהביקוש לניוביום בעולם. פעולות החברה הן שקובעות במידה רבה האם השוק העולמי יחווה מחסור בניוביום.
לאחרונה (במדינות המערב) נעשה שימוש בניוביום בתכשיטים כחומר לייצור תכשיטים, זאת בשל העובדה שניוביום אינו אלרגן.
ידוע שעד 1950 במדינות מסוימות (ארה"ב ובריטניה) שמו המקורי של היסוד הארבעים ואחת, קולומביה, נשמר במשך זמן רב, עד שהאיגוד הבינלאומי לכימיה טהורה ויישומית (IUPAC) החליט לקרוא לזה יסוד ניוביום בכל העולם. תחילה דרשו כימאים אמריקאים ובריטים לבטל החלטה זו, שנראתה בעיניהם בלתי הוגנת, אך "פסק הדין" של IUPAC היה סופי ולא נתון לערעור. ה"קולומביסטים" נאלצו להשלים עם עובדה זו, וסמל חדש "Nb" הופיע בספרות הכימית של ארה"ב ואנגליה.
הרדיואקטיביות המלאכותית (המושרה) של ניוביום נמוכה, ולכן ניתן להשתמש בניוביום לייצור מיכלים לאחסון פסולת רדיואקטיבית או מתקנים לשימושם.
במאיץ ההדרון הגדול המפורסם ליד ז'נבה, סלילי המגנטים המוליכים-על עשויים משילוב של ניוביום וטיטניום.
כַּתָבָה
לא כל יסוד כימי יכול להתפאר בגילויו מחדש, אבל ה"אושר" הזה נפל בחלקו של היסוד הארבעים ואחד של המערכת המחזורית.
עם כיבוש אמריקה, עושר שלא נראה עד כה, סקרנות אקזוטיות, דברים הדורשים לימוד והסבר מדוקדקים החלו ליפול לאירופה. מכיוון שכובשי היבשת החדשה התעניינו רק בשוד וברווח, התעלמו מדברים חדשים רבים, שנחשבו מיותרים אם לא מצאו את היישום שלהם. אז, פלטינה נקראה "כסף רע", בהתחשב במתכת של זייפנים, ומאות טונות טבעו בנהרות ובימים. ודוגמאות של מינרל שחור יוצא דופן עם תכלילים מוזהבים נלקחו כמזכרות, והתיישבו באוספים פרטיים ובמוזיאונים תחת שמות שונים. אחת הדוגמאות הללו הייתה מונחת בוויטרינה המאובקת של המוזיאון הבריטי בלונדון במשך מאה וחצי מתחת לשלט שאומר שלפניכם דגימה של "עפרת ברזל".
למרבה ההפתעה, היה אדם שהתעניין בתערוכה המאובקת והחליט לברר את המהות האמיתית של האבן. היה זה הכימאי האנגלי צ'ארלס האטצ'ט, שבשנת 1801 בחן דגימה של מינרל יוצא דופן, בודד ממנה את התחמוצת של יסוד שלא היה ידוע קודם לכן ונתן לה את השם "קולומביום", ובכך הדגיש את המקור הטרנס-אוקיאני של היסוד החדש (לכבודו). של כריסטופר קולומבוס והשם העתיק של אמריקה). הכימאי עצמו כינה את המינרל השחור הכבד היוצא דופן "קולומבייט". בדרך זו התגלה לראשונה היסוד הארבעים ואחד בטבלה המחזורית, שקיבל את שמו הפרטי. ואם בהתחלה האצ'ט פקפק בכך שיש לו משהו שלא נחקר וזוהה בעבר עם עפרות כרום סיביריות, אז המדען גילה שלחומצה (תחמוצת) שנוצרה מהסגסוגת הבסיסית של המינרל יש תכונות שונות לחלוטין מחומצה כרומית. עם זאת, Hatchet לא הצליח להשיג מתכת מהתחמוצת.
שנה לאחר מכן, הכימאי השוודי אנדרס גוסטב אקברג, חוקר עפרות קולומבייט שנמצאו באחד מהמכרות הפיניים, מגלה מתכת חדשה, שאותה כינה טנטלום (טנטלום). התחמוצת של מתכת זו התבררה כיציבה ביותר ולא התפרקה אפילו בעודף חומצה (נראה היה שלא ניתן היה להרוות אותה בחומצה, בדיוק כפי שהטנטלום המיתולוגי, שנענש על ידי זאוס, עומד עד צווארו ב מים ומיוסרים בצמא, לא יכלו להשביעו). המינרל שבו התגלתה המתכת החדשה נקרא טנטליט. מאותו רגע התחיל בלבול ובלבול – הדמיון בין התרכובות של קולומביום וטנטלום היה כה גדול, שבמשך ארבעים שנה האמינו רוב הכימאים שטנטלום וקולומביום הם אותו יסוד. "דלק למדורה" הוסיף המדען האנגלי הסמכותי ויליאם הייד וולסטון, שהיה הראשון להשיג פלטינה טהורה וגילה את הפלדיום. בשנת 1809, הוא הוכיח שהקולומביום של Hatchet והטנטלום של אקברג הם מתכת אחת ויחידה, שכן התחמוצות שלהם קרובות מאוד במשקל הסגולי.
הכימאי הגרמני היינריך רוז שם קץ לסיפור הסבוך הזה ב-1844. לרשותו עמדו דגימות של קולומביטים וטנטליטים שנמצאו בבוואריה. לאחר מחקר יסודי של הדגימות, מצא המדען שבמספר דגימות יש תחמוצות של שתי מתכות. כשהוא עזב את השם הקודם של טנטלום, הוא העניק ליסוד השני, בדומה לטנטלום, שם חדש - ניוביום (ניוביום) לכבודה של ניובה המיתולוגית, בתו של טנטלוס. שמו של המינרל שנתן האצ'ט נותר על כנו, מכיוון שהקולומביט שהוא חקר היה תערובת של טנטלום וניוביום. עם זאת, רוז, כמו Hatchet, לא הצליחה להשיג ניוביום חופשי. זה קרה רק בשנת 1866, כאשר המדען השבדי כריסטיאן וילהלם בלומסטרנד השיג ניוביום מתכתי על ידי הפחתת ניוביום כלוריד עם מימן. לאחר מכן, מדענים פיתחו שתי שיטות נוספות להשגת המתכת בצורתה הטהורה: ראשית, מויסן השיג אותה בכבשן חשמלי, הפחתת תחמוצת ניוביום עם פחמן, ולאחר מכן הצליח גולדשמידט לשחזר את אותו יסוד עם אלומיניום.
ברוסיה העניין בניוביום היה צנוע: רק הכימאי האנליטי T. E. Lovia התעניין בקולומביה, שהחל במחקר על המתכת החדשה, אך לא הספיק לסיים אותה, ופרסם רק הערה לגביה (1806). באשר לשם, בספרות הרוסית של תחילת המאה ה-19 נקרא הקולומביום של האצ'ט קולומביום (שרר, 1808), קולומביום (לוביץ), טנטלום וניוביום (הס). באנגליה ובארה"ב, המתכת עדיין המשיכה להיקרא קולומביום, במדינות אחרות דבקו בגרסה החדשה וכינו את היסוד הארבעים ואחד ניוביום. ההחלטה הסופית בנושא זה התקבלה על ידי האיגוד הבינלאומי לכימיה טהורה ויישומית (IUPAC) רק בשנת 1950! בישיבת האיגוד הוחלט להכשיר את שמו של היסוד "ניוביום" בכל מקום, והשם המקורי "קולומבייט" הוקצה למינרל העיקרי של הניוביום.
להיות בטבע
ניוביום נחשב ליסוד נדיר (התוכן בקרום כדור הארץ הוא 2.4 10-3% במסה), הוא ממש נדיר בכמויות קטנות ותמיד בצורת מינרלים (ניוביום לא קיים במצבו היליד). זה מוזר שבספרות התייחסות שונה הקלרקה (התוכן בקרום כדור הארץ) של ניוביום שונה. זאת בשל העובדה שלעתים קרובות יותר ויותר מתגלים באפריקה מרבצים עשירים חדשים של עפרות המכילות ניוביום. לכן, ככל הנראה, הנתונים ימשיכו להשתנות. כך או אחרת, אבל בקירוב מחושב שניתן להתיך כ-18 מיליון טונות של ניוביום מתכתי מהמינרלים של מרבצים ידועים כבר.
ניוביום הוא יסוד ליתופילי, הקשור לגרניט, ניפלינסייניט, סלעים אלקליים אולטרה-בסיסיים וקרבונטיטים. רק בסלעים חמים אלקליים - nifeline syenites ואחרים, התוכן של היסוד הארבעים ואחד גדל ל-10-2-10-1%. בסלעים אלו ובפגמטיטים הקשורים אליו נמצאו קרבונטיטים וכן פגמטיטים גרניטיים, 23 מינרלים ניוביום וכ-130 מינרלים אחרים המכילים כמויות גבוהות של יסוד זה. לרוב, מדובר בתחמוצות מורכבות ופשוטות. במינרלים, היסוד הארבעים ואחד קשור ליסודות אדמה נדירים ועם טנטלום, טיטניום, סידן, נתרן, תוריום, ברזל, בריום (טנטלו-ניובטים, טיטנאטים ואחרים). העובדה היא שהאנלוג יוצר הסלע של ניוביום (כמו גם טנטלום) הוא טיטניום. בריכוז גבוה של Ti4+, Nb5+ מפוזר על פני מינרלים טיטניום.
בביוספרה, הגיאוכימיה של ניוביום נחקרה בצורה גרועה. הוכח באופן אמין שבאזורים של סלעים אלקליים המועשרים בניוביום, הוא נודד בצורה של תרכובות עם קומפלקסים אורגניים ואחרים. ישנם מינרלים מהיסוד הארבעים ואחד, הנוצרים במהלך בליה של סלעים אלקליים (מורמניט, גרסימובסקיט). תכולת הניוביום במי הים היא בערך 1 10-9% במשקל.
צורת מציאת הניוביום בטבע יכולה להיות שונה: מפוזרת (במינרלים יוצרי סלע ובמינרלים נלווים של סלעים אמיתיים) ומינרל. בסך הכל ידועים יותר ממאה מינרלים המכילים ניוביום. מתוכם, רק למעטים יש חשיבות תעשייתית: קולומביט-טנטליט (Fe, Mn)(Nb, Ta)2O6, המכיל 50-76% Nb2O5; פירוכלור (Na, Ca)2(Nb, Ta, Ti)2O6(OH,F), שבו כמות Nb2O5 משתנה בין 40 ל-70% לא יותר. מעניין, טנטלום לא נמצא בקולומביט מגרינלנד, מינרל זה הוא תערובת של מלח תחמוצת ברזל (FeO = 17.33%) וחומצה ניבית (Nb2O5 = 77.97%), המכילה גם היא תחמוצת מנגן (MnO = 3.28%) וגם MgO, PbO, ZrO2, SnO2 ו-WO3. חשיבות תעשייתית פחותה היא לופריט (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb, Ta)O3 (התוכן של קומפלקס (Nb, Ta)2O5 הוא 8-10%), אוקסניט Y(Nb, Ta, Ti)2O6 משמש לפעמים (21 -34% Nb2O5), thorolite, ilmenorutil, כמו גם מינרלים המכילים ניוביום בצורה של זיהומים (ilmenite, cassiterit, wolframite). מינרלים של ניוביום הם פרמגנטיים ורדיואקטיביים חלש בשל זיהומי U ו-Th. התכולה המינימלית שבה משתלם לפתח עפרות ניוביום ראשוניות היא כ-0.15-0.2% Nb2O5. התכולה הממוצעת של Nb2O5 ברוב המרבצים של עפרות ניוביום בעולם היא 0.2-0.6%; מרבצים עשירים מכילים 1% או יותר (עד 4%) Nb2O5. התכולה המינימלית שבה מתפתחים משקעי קולומבייט ומרבצי קרום בליה היא 0.1-0.15 ק"ג/מ"ק.
ישנם מרבצים משמעותיים של המינרלים הרשומים לעיל במדינות שונות: מלזיה, מוזמביק, זאיר, ברזיל, ארה"ב, קנדה (סלעים בסיסיים), נורבגיה, פינלנד. עם זאת, מדינת ניגריה האפריקאית (מרבצי סחף עשירים) הפכה לספקית הגדולה ביותר של תרכיזי ניוביום לשוק העולמי. ברוסיה יש עתודות גדולות של לופריטים, הם נמצאים בחצי האי קולה.
יישום
הודות לשילוב של איכויות יקרות ערך כמו עקשן, חתך קטן לכידת נויטרונים תרמי, היכולת ליצור סגסוגות עמידות חום, מוליכות-על וסגסוגות אחרות, עמידות בפני קורוזיה, תכונות גטר, תפקוד נמוך של עבודת אלקטרונים, יכולת עבודה וקר טובה, הייצור והשימוש בניוביום גדלים כל הזמן. כ-50% מהניוביום המיוצר משמש לפלדות מיקרוניביום (ריכוז ניוביום 0.05-0.10% לפי משקל). מתוכם 20-30% משמשים להשגת פלדות אל חלד ועמידות חום (תכולת ניוביום 0.2-1.2%), 20-25% משמשות להשגת סגסוגות עמידות חום על בסיס ניקל או ברזל (1-5% ניוביום) , 1-3% נצרך בצורה של מתכת וסגסוגות המבוססות על ניוביום.
פלדה סגסוגת בניוביום רוכשת תכונות אנטי קורוזיה גבוהות ואינה מאבדת את משיכותה. כך, למשל, בפלדת כרום-ניקל, קיים תמיד פחמן, שמתחבר עם כרום ויוצר קרביד, מה שהופך את הפלדה לשבירה יותר. תוספת של ניוביום, שיש לו זיקה גדולה יותר לפחמן מאשר לכרום, קושרת את הפחמן לניוביום קרביד לא מזיק. השפעה חיובית מושגת על ידי הכנסת רק מאתיים גרם של האלמנט הארבעים ואחד לתוך טון פלדה. תוספת של ניוביום לפלדת כרום-מנגן מעניקה לו עמידות בפני שחיקה גבוהה.
היסוד הארבעים ואחד מסויג גם עם מתכות לא ברזליות רבות. אז, אלומיניום, המסיס בקלות באלקליות, אינו מגיב איתם אם מוסיפים לו רק 0.05% ניוביום. ונחושת, הידועה ברכות שלה ובהרבה מסגסוגות שלה, נראה שהניוביום מתקשה. זה מגביר את חוזקן של מתכות כמו טיטניום, מוליבדן, זירקוניום, ובמקביל מגביר את עמידותן בחום ועמידותן בחום. אפילו אורניום מסוגג בניוביום. פלדה סגסוגת בניוביום נמצאת בשימוש נרחב במדעי הטילים, תעופה וחלל (חלקי מטוסים), הנדסת רדיו, אלקטרוניקה, הנדסת מכשור כימי (מכלים וצינורות למתכות נוזליות), והנדסת כוח גרעיני. תכונה ייחודית נוספת של ניוביום המשמש באנרגיה גרעינית היא היעדר אינטראקציה ניכרת עם אורניום בטמפרטורות של עד 1,100 מעלות צלזיוס.
בנוסף, מוליכות תרמית טובה, חתך ספיגה אפקטיבי קטן של נויטרונים תרמיים הפכו את הניוביום למתחרה רציני למתכות המוכרות בתעשיית הגרעין - אלומיניום, בריליום וזירקוניום. בנוסף, הרדיואקטיביות המלאכותית (המושרה) של ניוביום נמוכה. מסיבה זו, ניתן להשתמש בניוביום לייצור מיכלים או מתקנים לאחסון פסולת רדיואקטיבית לשימושם. אחוז קטן מצריכת הניוביום על ידי התעשייה הכימית מוסבר רק על ידי המחסור של יסוד זה.
מסגסוגות המכילות את היסוד הארבעים ואחת, לעתים רחוקות יותר מניוביום גיליון, מיוצר ציוד לייצור חומצות בטוהר גבוה. היכולת של ניוביום (זרז) להשפיע על קצב תגובות כימיות מסוימות משמשת, למשל, בסינתזה של אלכוהול מבוטאדיאן. סגסוגות ניוביום משמשות לייצור חלקים לרקטות וציוד על הסיפון של לווייני אדמה מלאכותיים. ניוביום משמש בפרטים של קבלים חשמליים, הוא משמש לייצור אביזרים "חמים" עבור אלקטרוני (עבור התקנות מכ"ם) ומנורות גנרטור חזקות (אנודות, קתודות, רשתות ואחרות). ניוביום משמש בקריוטרונים - אלמנטים מוליכים של מחשבים, ובסטניד Nb3Sn וסגסוגות של ניוביום עם טיטניום וזירקוניום - לייצור סולנואידים מוליכים-על.
Niobium Nitride NbN משמש לייצור של בולומטרים מוליכים-על, מטרות לצינורות שידור טלוויזיה. Niobium carbide NbC - חומר פלסטי בעל ברק ורדרד אופייני, המשלב גמישות טובה ועמידות בחום גבוהה עם "נתונים חיצוניים" נעימים הפך את NbC לחומר יקר ערך לייצור ציפויים. שכבה של חומר זה בעובי של 0.5 מ"מ בלבד מגנה בצורה מהימנה על חומרים רבים מפני קורוזיה בטמפרטורות גבוהות, במיוחד גרפיט, שאינו מוגן על ידי ציפויים אחרים.
ניוביום קרביד משמש גם כחומר מבני בייצור רקטות וטורבינות. Carbonitride NbC0.25N0.75 משמש בייצור של התקני הפרעה קוונטית מוליכים-על, מהודים בתדר גבוה עם גורמי Q גבוהים; NbC0.25N0.75 מבטיח לשימוש במערכות מגנטיות של כורי היתוך תרמו-גרעיניים.
המטלידים Nb3Sn ו-Nb3Ge משמשים לייצור סולנואידים למכשירים מוליכים; Nb3Ge מבטיחה לשימוש במגנטים של גנרטורים MHD ומכשירים חשמליים אחרים. פרוניוביום מוכנס לפלדות כרום-ניקל נירוסטה כדי למנוע קורוזיה והרס הבין-גרעיני שלהן, ולסוגים אחרים של פלדה כדי לשפר את תכונותיהן.
תחמוצות ניוביום הם מרכיבים של חומרים עקשנים, cermets, כוסות עם מדדי שבירה גבוהים. ניוביום מתווסף לפלדות אל חלד כדי לשפר את תכונות הריתוך.
הפקה
עפרות ניוביום, ככלל, מורכבות ודלות במתכת, אם כי יש לציין שהמאגרים שלהן עולים על אלו של עפרות טנטלום. לדוגמה, תרכיזי קולומבייט-טנטליט מכילים רק 8% Ta2O5 ויותר מ-60% Nb2O5. רוב הניוביום (כ-95%) מתקבל מעפרות פירוכלור, קולומביט-טנטליט ו-loparite. השיטות העיקריות להעשרת חומרי גלם עפרות הן שיטת הכבידה וציפה או הפרדה אלקטרומגנטית או רדיומטרית. תרכיזי העפרות המתקבלים לאחר העשרה מכילים ניוביום פנטאוקסיד בכמויות הבאות: קולומבייט - 30-60%, פירוכלור - לפחות 37%, לופריט - 7% ומעלה. יתר על כן, רוב התרכיזים מעובדים על ידי הפחתת אלומיניום או סיליקותרמית לפרוניוביום (סגסוגת של ברזל וניוביום, עם תכולת Nb של 40-60%) ופררוטנטאלוניוביום, Nb2O5 טהור מסחרית, בתדירות נמוכה יותר להלידים של הארבעים ואחת. יסוד - NbCl5 ו-K2NbF7.
למעשה, ferroniobium ו-ferrotantaloniobium הם מוצרים סופיים בעיבוד של תרכיזים, מכיוון שהם יסודות סגסוגת המוכנסים לדרגות שונות של פלדה כדי לשפר את תכונותיהם. בייצור פרוניוביום, תערובת של תרכיזי פירוכלור עם המטיט Fe2O3, אבקת אלומיניום ותוספי שטף מועמסת לכורי פלדה או נחושת אנכיים מקוררים במים ומתחילות תגובות אקסותרמיות באמצעות נתיך מיוחד. לאחר מכן, הסיגים מתרוקנים, הסגסוגת המתקבלת מתקררת ונמעכת. תפוקת הניוביום למטיל בעל מסת העמסת תרכיז של עד 18 טון מגיעה ל-98%!
Nb2O5 הטכני, המהווה זרז בתעשייה הכימית, מתקבל על ידי שטיפת ניוביום וטטנאל מתרכיזים וסיגים של התכת בדיל על ידי פעולת חומצה הידרופלואורית, ולאחר מכן טיהור והפרדה של ניוביום וטנטלום. ההפרדה מתבצעת על ידי מיצוי עם 100% טריבוטיל פוספט, מתיל איזובוטיל קטון, ציקלוהקסנון (לעיתים תרכובות אחרות), הפשטת ניוביום בפעולת תמיסת NH4F מימית, משקעים של ניוביום הידרוקסיד מתמצית ההפשטה, ייבושו והסתיידו.
לפי שיטת הסולפט, התרכיזים מטופלים בחומצה גופרתית H2SO4 או בתערובת שלה עם (NH4)2SO4 ב-150-300 מעלות צלזיוס, סולפטים מסיסים מושטפים במים, ניוביום וטנטלום מופרדים מטיטניום, ניוביום וטנטלום מופרדים. מטוהרים על ידי מיצוי ממתחמי פלואוריד או אוקסופלואוריד, ולאחר מכן בידוד Nb2O5.
שיטת הכלוריד כוללת ערבוב של התרכיז עם קולה, הברקה והכלרה של הלבנים בכבשן פיר בטמפרטורה של 700-800 מעלות צלזיוס, או הכלרה של תרכיז אבקת קוק וקולה בהמסה של כלוריד מלוח על בסיס NaCl ו-KCl. לאחר מכן, ההפרדה של כלורידים נדיפים של ניוביום וטנטלום מתבצעת, הפרדתם וטיהורם על ידי זיקוק והידרוליזה נפרדת עם מים עם הסתיידות של המשקע של ניוביום הידרוקסיד. לפעמים פסולת פרוניוביום או מתכת עוברת כלור.
מתוארות שיטות לעיבוד תרכיזי ניוביום באמצעות ריאגנטים להפלרה נוזלים וגזים.
ניוביום מתכת מתקבל מתרכיזי עפרות בטכנולוגיה מורכבת במספר שלבים: פתיחת התרכיז, הפרדת ניוביום וטנטלום וקבלת התרכובות הכימיות הטהורות שלהם, שחזור וזיקוק הניוביום המתכתי וסגסוגותיו. תהליכי ההעשרה והפתיחה של תרכיזים וכן דרכי ההפרדה בין ניוביום לטנטלום מתוארים לעיל. לכן, נשקול רק שיטות להשגת ניוביום על ידי הפחתת התרכובות שלו, למשל, ניוביום כלוריד NbCl5 או אשלגן פלואור ניובאט K2NbF7, בטמפרטורה גבוהה:
K2NbF7 + 5Na → Nb + 2KF + 5NaF
נעשה שימוש גם בהפחתה אלקטרוליטית של Nb2O5 או K2NbF7 בהתכה של K2NbF7 וכלורידי מתכת אלקלית. ציפוי מתכת או ניוביום בטוהר גבוה על משטחי מתכת שונים מתקבלים על ידי הפחתת NbCl5 עם מימן בטמפרטורות מעל 1,000 מעלות צלזיוס.
מניוביום פנטאוקסיד, שעליו דנו קודם לכן בשיטות שונות, המתכת מתקבלת על ידי הפחתת אלומינו או פחמימותרמית או על ידי חימום תערובת של Nb2O5 ו-NbC ב-1800-1900 מעלות צלזיוס בוואקום. התוצר של תגובות כאלה הוא אבקת מתכת ניוביום, אשר לאחר מכן יש להפוך למונוליט, עשוי פלסטיק, קומפקטי, מתאים לעיבוד. כמו מתכות עקשניות אחרות, הניוביום-מונולית מתקבל בשיטות מטלורגיית אבקה: האבקה עוברת בריקט, נלחצת בלחץ גבוה (1 t/cm2) לתוך ברים מלבניים או מרובעים, הם מושחתים בוואקום (ב-2,300 מעלות צלזיוס), ואז משולבים למוטות, המומסים בתנורי קשת ואקום, והמוטות בתנורים אלו פועלים כאלקטרודה. תהליך זה נקרא התכת אלקטרודות מתכלות. גבישים בודדים של ניוביום בטוהר גבוה מתקבלים על ידי התכה של אזור קרן אלקטרונים ללא כור היתוך. המהות שלו היא שקרן אלקטרונים רבת עוצמה מופנית לניוביום אבקת (לא נכללות פעולות לחיצה וסינטר), הממיס את האבקה. טיפות מתכת זורמות אל מטיל הניוביום, שגדל בהדרגה ומוסר מתא העבודה.
תכונות גשמיות
ניוביום מתכתי הושג לראשונה רק במחצית השנייה של המאה ה-19, כך שהאנושות מכירה את תכונותיה של המתכת האפורה-פלדה מבריקה זו לפני זמן לא רב. מהם המאפיינים הפיזיים של יסוד זה? ליסוד הארבעים ואחד של המערכת המחזורית יש סריג גביש מעוקב במרכז הגוף עם a = 3.294Å. היא בהחלט קלה יותר מהטנטלום הנלווה שלו (צפיפות 16.6 גרם/סמ"ק), אבל ניוביום היא עדיין מתכת כבדה, מכיוון שהצפיפות שלה בטמפרטורת החדר (20 מעלות צלזיוס) היא 8.57 גרם/סמ"ק. כן, זה פחות מזה של עופרת (11.34 גרם/סמ"ק) או כספית (13.5457 גרם/סמ"ק) באותה טמפרטורה, אבל ערך זה גבוה מזה של ברזל (7.87 גרם/סמ"ק) או כרום (7. 19 גרם) /cm3), למשל.
ניוביום היא מתכת בעלת חוזק גבוה וקשה, חוזק המתיחה שלה ב-20 ו-800 מעלות צלזיוס הוא בהתאמה 342 ו-312 MN/m2, זהה ב-kgf/mm2 34.2 ו-31.2; התארכות יחסית ב-20 ו-800 מעלות צלזיוס, בהתאמה, 19.2 ו-20.7%. הקשיות של ניוביום טהור לפי Brinell 450, טכני 750-1800 MN/m2. בנוסף, האלמנט הארבעים ואחד משלב מאפיינים פלסטיים מצוינים: ניוביום מטוהר מתאים היטב לעיבוד מכני - הוא מעובד בקלות בלחץ בקור ושומר על תכונות מכניות משביעות רצון בטמפרטורות גבוהות. מתכת טהורה היא כל כך רקיעה שניתן לגלגל אותה ליריעה דקה (עד עובי של 0.01 מ"מ) במצב קר ללא חישול ביניים. נכון, כל זה חל על מתכת מטוהרת, ניוביום, המכילה זיהומים של כמה יסודות (מימן, חנקן, פחמן וחמצן מסוכנים במיוחד), פוגעת מאוד בגמישותו. עם זאת, נוכחותם של זיהומים מגבירה את קשיות הניוביום ואת שבירותו. ניוביום עובר למצב שביר בטמפרטורות שבין -100 ל-200 מעלות צלזיוס.
ניוביום היא אחת ממספר מתכות עקשנות, נקודת ההיתוך שלה (tmelt) היא 2500 מעלות צלזיוס, ונקודת הרתיחה (לרתיחה) היא 4927 מעלות צלזיוס. נקודות התכה גבוהות יותר עבור מוליבדן (2620 מעלות צלזיוס), טנטלום (3000 מעלות צלזיוס), רניום (כ-3190 מעלות צלזיוס) וטונגסטן (כ-3400 מעלות צלזיוס). עם זאת, לניוביום יש פונקציית עבודת אלקטרונים נמוכה יותר (4.01 eV) בהשוואה למתכות עקשנות אחרות - טונגסטן ומוליבדן. תכונה זו מאפיינת את היכולת לפליטת אלקטרונים (פליטת אלקטרונים), המשמשת לשימוש בניוביום בטכנולוגיית אלקטרו-וואקום. לניוביום יש גם טמפרטורת מעבר מוליך-על גבוהה. התופעה המדהימה הזו, כאשר כאשר הטמפרטורה של המוליך יורדת, מתרחשת בו היעלמות פתאומית של ההתנגדות החשמלית, נצפתה לראשונה על ידי הפיזיקאי ההולנדי ג'י קמרלינג-אונס בשנת 1911. אב הטיפוס, שהפך למוליך העל הראשון, היה כספית. עם זאת, לא היא, אלא הניוביום וחלק מהתרכובות הבין-מתכתיות שלו נועדו להפוך לחומרים מוליכי-על חשובים טכנית הראשונים. טמפרטורת המעבר של ניוביום למצב מוליך היא 9.17 מעלות צלזיוס, בעוד שרוב המוליכים הידועים הופכים למוליכי על רק בטמפרטורה של הליום נוזלי. לתרכובת הבין-מתכתית של ניוביום וגרמניום בהרכב Nb3Ge יש טמפרטורה קריטית של 23.2°K - זה מעל נקודת הרתיחה של מימן! היכולת לעבור למצב של מוליכות-על אופיינית גם ל-Nb3Sn ניוביום סטפניד, סגסוגות של ניוביום עם אלומיניום וגרמניום, או עם טיטניום וזירקוניום.
המוליכות התרמית של האלמנט הארבעים ואחד ב-W / (m K) ב-0 מעלות צלזיוס ו-600 מעלות צלזיוס היא 51.4 ו-56.2, בהתאמה, זהה ב-cal / (ס"מ שניות מעלות צלזיוס) 0.125 ו-0.156. ההתנגדות החשמלית הנפחית הספציפית של ניוביום ב-0 מעלות צלזיוס היא 15.22 10-8 אוהם מ' (15.22 10-6 אוהם ס"מ). הניוביום הוא פרמגנטי, הרגישות המגנטית הספציפית שלו היא + 2.28∙10-6 (ב-18°C). קיבולת חום (ב-25 מעלות צלזיוס) 24.6 J/(mol∙K); מוליכות תרמית (ב-0 מעלות צלזיוס) 51.4 W/(m∙K).
תכונות כימיות
מבחינה כימית, ניוביום אינרטי למדי. אמנם לא כמו טנטלום, אבל בקור ועם חימום קל, היסוד הארבעים ואחד עמיד ביותר לפעולת אמצעים אגרסיביים רבים, אך בטמפרטורות גבוהות הפעילות הכימית של הניוביום עולה. ניוביום קומפקטי מתחמצן באוויר רק בטמפרטורות מעל 200 מעלות צלזיוס (אם ב-150...200 מעלות צלזיוס רק שכבת פנים קטנה של המתכת מתחמצנת, אז ב-900...1200 מעלות צלזיוס עובי סרט התחמוצת עולה באופן משמעותי), ויוצרים Nb2O5 (התחמוצת בצבע לבן, בעלת אופי חומצי ונמסה = 1512 מעלות צלזיוס), וכעשרה שינויים גבישיים תוארו עבור תחמוצת זו. בלחץ רגיל, צורת ה-β של Nb2O5 יציבה. בנוסף, היסוד הארבעים ואחד יוצר את NbO2 (מוליך למחצה עם mp 2080 מעלות צלזיוס, שחור), NbO, מספר תחמוצות לא סטוכיומטריות המתווך בין NbO2.42 ל-NbO2.50 וקרוב במבנה לצורת β של Nb2O5.
מעניין לציין כי תחמוצת ניוביום NbO, שהתמזגה למטיל, בעלת ברק מתכתי ומוליכות חשמלית מסוג מתכתי, מתאדה באופן ניכר ב-1700 מעלות צלזיוס, בעוצמה של 2,300-2,350 מעלות צלזיוס, המשמשת לטיהור ואקום של ניוביום מחמצן. כאשר ניוביום פנטאוקסיד מתמזג עם תחמוצות שונות, מתקבלים ניובטים: Ti2Nb10O29, FeNb49O124 - שיכולים להיחשב כמלחים של חומצות ניוביות היפותטיות (חומצות ניוביות אינן מבודדות כתרכובות כימיות מסוימות). ניובטים מסווגים כ-metaniobates MNbO3, orthoniobates M3NbO4, pyroniobates M4Nb2O7, או polyniobates M2O nNb2O5 (כאשר M הוא קטיון בעל מטען יחיד ו-n = 2-12). ידועים ניובטים של קטיונים בעלי שניים ושלושה טעונים. ניובטים מתקבלים גם כתוצאה מתגובות החלפה לאחר היתוך של ניוביום פנטאוקסיד עם סודה:
Nb2O5 + 3Na2CO4 → 2Na3NbO4 + 3CO2
מלחים של מספר חומצות ניוביות, בעיקר מתניוביות HNbO3, כמו גם דיניובטים ופנטנובטים (K4Nb2O7, K7Nb5O16 ∙ mH2O) נחקרו היטב. ניובטים מגיבים עם HF, נמסים של הידרופלואורידים מתכת אלקלית (KHF2) ואמוניום. חלק מהניובטים בעלי יחס M2O/Nb2O5 גבוה עוברים הידרוליזה:
6Na3NbO4 + 5H2O → Na8Nb6O19 + 10NaOH
היסוד הארבעים ואחד מאופיין בתכונת ספיגת גזים - מימן, חנקן וחמצן. יתר על כן, אפילו זיהומים קטנים של אלמנטים אלה משפיעים לרעה על התכונות המכניות והחשמליות של המתכת. בטמפרטורות נמוכות מימן נספג לאט, אבל כבר בטמפרטורה של כ-360 מעלות צלזיוס מימן נספג בקצב מקסימלי, ולא רק נוצרת ספיחה, אלא נוצרת גם הידריד בהרכב משתנה מ-NbH0.7 עד NbH. מימן שנספג הופך את המתכת לשבירה, אך תהליך זה הוא הפיך - כאשר מחומם בוואקום מעל 600 מעלות צלזיוס, כמעט כל המימן משתחרר והתכונות המכניות הקודמות משוחזרות. ניוביום מתחיל לספוג חנקן כבר ב-600 מעלות צלזיוס, בטמפרטורה גבוהה יותר, נוצר NbN ניטריד גבוה יותר, אפור בהיר עם גוון צהבהב, הנמס ב-2300 מעלות צלזיוס. במערכת Nb - N ישנם מספר שלבים של הרכב משתנה וניטרידים Nb2N ו-NbN.
פחמן וגזים המכילים פחמן (CH4, CO) בטמפרטורות גבוהות (1200-1400 מעלות צלזיוס) יוצרים אינטראקציה עם ניוביום ויוצרים קרביד קשה ועמיד בפני חום (נמס ב-3500 מעלות צלזיוס). בטמפרטורות של 1,800-2,000 מעלות צלזיוס, ניוביום יוצר שלושה פאזות עם פחמן: α-phase - תמיסה מוצקה של שילוב פחמן בניוביום, β-phase - Nb2C, δ-phase - NbC.
ניוביום חסין בפני פעולתן של רוב החומצות ותמיסות המלח. הוא אינו יוצר אינטראקציה עם אקווה רג'יה, חומצות הידרוכלוריות וגופריתיות בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס, חומצות חנקתיות, זרחניות, פרכלוריות, תמיסות מימיות של אמוניה וחומצות אורגניות בכל ריכוז בקור ובטמפרטורה של 100-150 מעלות צלזיוס. המתכת מתמוססת בחומצה הידרופלואורית ובעיקר באינטנסיביות בתערובת של חומצות הידרופלואוריות וחנקתיות. היסוד הארבעים ואחד פחות יציב באלקליות. תמיסות חמות של אלקליות קאוסטיות משחות את המתכת בצורה ניכרת; בבסיסים מותכים ובסודה, היא מתחמצנת במהירות ליצירת מלח נתרן של חומצה ניובית.
עם הלוגנים, ניוביום יוצר NbHal5 פנטהאלידים, NbHal4 tetrahalides ו-NbHal2,67-NbHal3+x שלבים המכילים קבוצות Nb3 או Nb2. ניוביום פנטהאלידים עוברים הידרוליזה בקלות על ידי מים. מבין אלה, החשובים ביותר הם NbF5 פנטפלואוריד, NbCl5 פנטהכלוריד, NbOCl3 אוקסיטריכלוריד, אשלגן פלואורוניובאט K2NbF7 ואשלגן אוקסיפלורוניובאט K2NbOF7 H2O.
עם זרחן, ניוביום יוצר פוספידים NbP ו- NbP2, עם ארסן - ארסנידים NbAs ו- NbAs2, עם אנטימון - אנטימונידים Nb3Sb, Nb5Sb4, NbSb2, עם גופרית - גופרית NbS3, NbS2 ו- NbS. סטאניד Nb3Sn (tm ~ 2130°C) ו-Nb3Ge germanide (tm ~ 1970°C) הם מוליכים עם טמפרטורות מעבר מוליכים של 18.05°K ו-23.2°K, בהתאמה; להשיג אותם מחומרים פשוטים. נוזלי Na, K וסגסוגותיהם, Li, Bi, Pb, Hg, Sn, המשמשים כנוזל קירור מתכת נוזלי בכורים גרעיניים, כמעט ואינם משפיעים על ניוביום.
כאשר אתה מוצא שגיאה בדף, בחר אותה והקש Ctrl + Enter
|
|||||||
ניוביום
היסוד התופס את התא ה-41 בטבלה המחזורית ידוע לאנושות מזה זמן רב. גיל שמו הנוכחי - ניוביום - פחות כמעט בחצי מאה. כך קרה שאלמנט מס' 41 נפתח פעמיים. בפעם הראשונה - בשנת 1801, המדען האנגלי צ'ארלס האטצ'ט בדק דגימה של המינרל הנכון שנשלח למוזיאון הבריטי מאמריקה. מהמינרל הזה הוא בודד את התחמוצת של יסוד שלא היה ידוע קודם לכן. Hatchet כינה את היסוד החדש קולומביה, ובכך סימן את מקורו הטרנס-אטלנטי. והמינרל השחור נקרא קולומבייט.
שנה לאחר מכן, הכימאי השבדי אקברג בודד את התחמוצת של יסוד חדש נוסף מקולומביט, הנקרא טנטלום. הדמיון בין התרכובות של קולומביה וטנטלום היה כה גדול, שבמשך 40 שנה רוב הכימאים האמינו כי טנטלום וקולומביום הם יסוד אחד ויחיד.
בשנת 1844, הכימאי הגרמני היינריך רוז בדק דגימות של קולומביט שנמצאו בבוואריה. הוא שוב גילה תחמוצות של שתי מתכות. אחד מהם היה תחמוצת של הטנטלום הידוע כבר. התחמוצות היו דומות, ובהדגשת הדמיון ביניהן, קרא רוז ליסוד היוצר את התחמוצת השניה ניוביום, על שם ניובה, בתו של הקדוש המיתולוגי טנטלוס.
עם זאת, רוז, כמו האצ'ט, לא הצליחה להשיג את האלמנט הזה במדינה חופשית.
ניוביום מתכתי הושג לראשונה רק בשנת 1866 על ידי המדען השבדי Blomstrand במהלך הפחתת הניוביום כלוריד עם מימן. בסוף המאה ה- XIX. נמצאו שתי דרכים נוספות להשגת אלמנט זה. Moissan השיג אותו תחילה בכבשן חשמלי, הפחתת תחמוצת ניוביום עם פחמן, ולאחר מכן הצליח גולדשמידט להפחית את אותו יסוד עם אלומיניום.
והם המשיכו לקרוא לאלמנט מס' 41 אחרת במדינות שונות: באנגליה ובארה"ב - קולומביה, במדינות אחרות - ניוביום. האיגוד הבינלאומי לכימיה טהורה ויישומית (IUPAC) שם קץ למחלוקת זו בשנת 1950. הוחלט להכשיר את שמו של היסוד "ניוביום" בכל מקום, והשם "קולומבייט" הוקצה למינרל העיקרי של ניוביום. הנוסחה שלו היא (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6.
דרך עיניו של כימאי
ניוביום יסודי הוא מתכת עקשן במיוחד (2468 מעלות צלזיוס) ובעל רתיחה גבוהה (4927 מעלות צלזיוס), עמיד מאוד בסביבות אגרסיביות רבות. כל החומצות, למעט ההידרופלואוריות, אינן פועלות עליה. חומצות מחמצנות "מפסיביות" את הניוביום, מכסות אותו בסרט תחמוצת מגן (Nb 2 O 5). אבל בטמפרטורות גבוהות, הפעילות הכימית של ניוביום עולה. אם ב-150...200 מעלות צלזיוס רק שכבת פני שטח קטנה של המתכת מתחמצנת, אז ב-900...1200 מעלות צלזיוס עובי סרט התחמוצת גדל באופן משמעותי.
ניוביום מגיב באופן פעיל עם הרבה לא-מתכות. הלוגנים, חנקן, מימן, פחמן, גופרית יוצרים איתו תרכובות. במקרה זה, ניוביום יכול להפגין ערכיות שונות - משניים עד חמש. אבל הערכיות העיקרית של אלמנט זה היא 5+. ניתן לכלול ניוביום מחומש בהרכב המלח הן כקטיון והן כאחד היסודות של האניון, מה שמעיד על אופיו האמפוטרי של יסוד מס' 41.
מלחים של חומצות ניוביות נקראים ניובטים. הם מתקבלים כתוצאה מתגובות החלפה לאחר היתוך של ניוביום פנטאוקסיד עם סודה:
Nb 2 O 5 + 3Na 2 CO 3 → 2Na 3 NbO 4 + 3CO 2.
מלחים של מספר חומצות ניוביות, בעיקר מתניוביות HNbO 3, כמו גם דיניובטים ופנטנובטים (K 4 Nb 2 O 7, K 7 Nb 5 O 16 ) נחקרו היטב. M H2O). ומלחים שבהם יסוד מס' 41 פועל כקטיון מתקבלים בדרך כלל על ידי אינטראקציה ישירה של חומרים פשוטים, למשל, 2Nb + 5Cl 2 → 2NbCl 5.
גבישים דמויי מחט בצבעים עזים של ניוביום פנטהלידים (NbCl 5 - צהוב, NbBr 5 - סגול-אדום) מתמוססים בקלות בממיסים אורגניים - כלורופורם, אתר, אלכוהול. אבל כאשר הם מומסים במים, תרכובות אלה מתפרקות לחלוטין, הידרוליזה עם היווצרות של ניובטים:
NbCl 5 + 4H 2 O → 5HCl + H 3 NbO 4.
ניתן למנוע הידרוליזה על ידי הוספת חומצה חזקה לתמיסה המימית. בתמיסות כאלה, ניוביום פנטהאלידים מתמוססים ללא הידרוליזה.
ניוביום יוצר מלחים כפולים ותרכובות מורכבות, הכי קל - פלואור. פלואורוניובטים הם שמותיהם של המלחים הכפולים הללו. הם מתקבלים על ידי הוספת פלואוריד מכל מתכת לתמיסה של חומצות ניוביות והידרופלואוריות.
ההרכב של תרכובת מורכבת תלוי ביחס המרכיבים המגיבים בתמיסה. ניתוח דיפרקציית רנטגן של אחת מהתרכובות הללו הראה מבנה המקביל לנוסחה K 2 NbF 7 . ניתן ליצור גם תרכובות אוקסו של ניוביום, למשל, אשלגן אוקסופלורוניובאט K 2 NbOF 5 H 2 O.
האפיון הכימי של היסוד אינו מוגבל, כמובן, למידע זה. כיום, החשובות מבין התרכובות של יסוד 41 הן התרכובות שלו עם מתכות אחרות.
ניוביום ועל מוליכות
התופעה המדהימה של מוליכות-על, כאשר, כאשר הטמפרטורה של המוליך יורדת, מתרחשת בו היעלמות פתאומית של ההתנגדות החשמלית, נצפתה לראשונה על ידי הפיזיקאי ההולנדי ג'י קמרלינג-אונס בשנת 1911. מרקורי התברר כמוליך-העל הראשון, אך לא כספית, אלא ניוביום וכמה תרכובות בין-מתכתיות של ניוביום נועדו להפוך לחומרים מוליכי-על חשובים טכנית הראשונים.
שני מאפיינים של מוליכים חשובים באופן מעשי: ערך הטמפרטורה הקריטית שבה מתרחש המעבר למצב של מוליכות-על, והשדה המגנטי הקריטי (אפילו קמרלינג-אונס ראה את אובדן מוליכות-על על-ידי מוליך-על כאשר הוא נחשף למגנט חזק מספיק. שדה). החל מ-1 בינואר 1975, המוליך-העל - "מחזיק השיאים" מבחינת הטמפרטורה הקריטית היה תרכובת בין-מתכתית של ניוביום וגרמניום בהרכב Nb 3 Ge. הטמפרטורה הקריטית שלו היא 23.2°K; זה מעל נקודת הרתיחה של מימן. (רוב המוליכים המוכרים הופכים למוליכים רק בטמפרטורה של הליום נוזלי).
היכולת לעבור למצב של מוליכות-על אופיינית גם לניוביום סטאניד Nb 3 Sn, סגסוגות של ניוביום עם אלומיניום וגרמניום, או עם טיטניום וזירקוניום. כל הסגסוגות והתרכובות הללו כבר נמצאות בשימוש לייצור סולנואידים מוליכים-על, כמו גם כמה מכשירים טכניים חשובים אחרים.
ניוביום - מתכת
ניתן להשיג ניוביום מתכתי על ידי הפחתת התרכובות שלו, כגון ניוביום כלוריד או אשלגן פלואור ניובאט, בטמפרטורה גבוהה:
K 2 NbF 7 + 5Na → Nb + 2KF + 5NaF.
אבל לפני שמגיעים לשלב האחרון של הייצור הזה, עפרת ניוביום עוברת שלבים רבים של עיבוד. הראשון שבהם הוא הטבת עפרות, השגת תרכיזים. התרכיז נמזג עם שטפים שונים: סודה קאוסטית או סודה. הסגסוגת המתקבלת נשטפת. אבל זה לא מתמוסס לגמרי. המשקע הבלתי מסיס הוא ניוביום. נכון, כאן הוא עדיין בהרכב ההידרוקסיד, אינו מופרד מהאנלוגי שלו בתת-הקבוצה - טנטלום - ואינו מטוהר מכמה זיהומים.
עד 1866 לא הייתה שיטה אחת להפרדה של טנטלום וניוביום המתאימה לתנאי ייצור. השיטה הראשונה להפריד בין האלמנטים הדומים ביותר הללו הוצעה על ידי ז'אן שארל גאליסארד דה מריניאק. השיטה מבוססת על המסיסות השונה של התרכובות המורכבות של מתכות אלו ונקראת פלואוריד. הטנטלום פלואוריד המורכב אינו מסיס במים, ואילו תרכובת הניוביום המקבילה מסיסה.
שיטת הפלואוריד מסובכת ואינה מאפשרת הפרדה מלאה של ניוביום וטנטלום. לכן, כיום כמעט ולא נעשה בו שימוש. הוא הוחלף בשיטות של מיצוי סלקטיבי, חילופי יונים, תיקון הלידים וכו'. שיטות אלו מייצרות תחמוצת וכלוריד של ניוביום מחומש.
לאחר הפרדת הניוביום והטנטלום מתבצעת הפעולה העיקרית - החלמה. Niobium pentoxide Nb 2 O 5 מופחת עם אלומיניום, נתרן, פחמן שחור או ניוביום קרביד המתקבל על ידי תגובה של Nb 2 O 5 עם פחמן; ניוביום פנטכלוריד מופחת עם מתכת נתרן או אמלגם נתרן. כך מתקבל אבקת ניוביום, שאותו יש להפוך למונוליט, עשוי פלסטי, קומפקטי, מתאים לעיבוד. כמו מתכות עקשניות אחרות, ניוביום-מונולית מתקבל על ידי מתכות אבקה, המהות שלה היא כדלקמן.
מאבקת המתכת שהתקבלה בלחץ גבוה (1 t/cm 2) לחצו את מה שנקרא מוטות של חתך מלבני או מרובע. בוואקום של 2300 מעלות צלזיוס, מוטות אלה מסונטרים, משולבים למוטות, המומסים בתנורי קשת ואקום, והמוטות בתנורים אלו פועלים כאלקטרודה. תהליך זה נקרא התכת אלקטרודות מתכלות.
ניוביום פלסטי חד גביש מתקבל על ידי התכה של קרן אלקטרונים באזור ללא כור היתוך. המהות שלו היא שקרן אלקטרונים רבת עוצמה מופנית לניוביום אבקת (לא נכללות בפעולות לחיצה וסינטר!) הממיס את האבקה. טיפות מתכת זורמות אל מטיל הניוביום, שגדל בהדרגה ומוסר מתא העבודה.
כפי שניתן לראות, הדרך של ניוביום מעפרה למתכת היא בכל מקרה די ארוכה, ושיטות הייצור מורכבות.
ניוביום ומתכות
הסיפור על השימוש בניוביום הוא הגיוני ביותר מלכתחילה במטלורגיה, שכן במטלורגיה הוא מצא את היישום הרחב ביותר. ובמתכות לא ברזליות, ובברזליות.
לפלדה סגסוגת בניוביום יש עמידות טובה בפני קורוזיה. "אז מה? – אומר קורא מתוחכם אחר. "כרום גם מגביר את עמידות הפלדה בפני קורוזיה, והוא הרבה יותר זול מניוביום." הקורא הזה צודק וטועה בו זמנית. טועה כי שכחתי מדבר אחד.
בפלדת כרום-ניקל, כמו בכל פלדת אחרת, תמיד יש פחמן. אבל פחמן מתחבר עם כרום ויוצר קרביד, מה שהופך את הפלדה לשבירה יותר. לניוביום יש זיקה גדולה יותר לפחמן מאשר לכרום. לכן, כאשר מוסיפים ניוביום לפלדה, נוצר בהכרח ניוביום קרביד. פלדה סגסוגת בניוביום רוכשת תכונות אנטי קורוזיה גבוהות ואינה מאבדת את משיכותה. האפקט הרצוי מושג כאשר מוסיפים רק 200 גרם של ניוביום מתכתי לטון פלדה. ניוביום פלדת כרום-מנגן נותן עמידות בפני שחיקה גבוהה.
מתכות לא ברזליות רבות מסווגות גם בניוביום. אז, אלומיניום, המסיס בקלות באלקליות, אינו מגיב איתם אם מוסיפים לו רק 0.05% ניוביום. ונחושת, הידועה ברכות שלה ובהרבה מסגסוגות שלה, נראה שהניוביום מתקשה. זה מגביר את חוזקן של מתכות כמו טיטניום, מוליבדן, זירקוניום, ובמקביל מגביר את עמידותן בחום ועמידותן בחום.
כעת המאפיינים והיכולות של הניוביום מוערכים על ידי תעופה, הנדסת מכונות, הנדסת רדיו, התעשייה הכימית וכוח גרעיני. כולם הפכו לצרכני ניוביום.
התכונה הייחודית - היעדר אינטראקציה בולטת של ניוביום עם אורניום בטמפרטורות של עד 1100 מעלות צלזיוס ובנוסף, מוליכות תרמית טובה, חתך ספיגה יעיל קטן של נויטרונים תרמיים, הפכו את הניוביום למתחרה רציני למתכות המוכרות ב. התעשייה הגרעינית - אלומיניום, בריליום וזירקוניום. בנוסף, הרדיואקטיביות המלאכותית (המושרה) של ניוביום נמוכה. לכן ניתן לייצר ממנו מיכלים לאחסון פסולת רדיואקטיבית או מתקנים לשימושם.
התעשייה הכימית צורכת מעט יחסית ניוביום, אך ניתן להסביר זאת רק במחסור בו. מסגסוגות המכילות ניוביום ולעתים רחוקות יותר מניוביום יריעות, מיוצר לעיתים ציוד לייצור חומצות בעלות טהרת גבוהה. היכולת של ניוביום להשפיע על קצב תגובות כימיות מסוימות משמשת, למשל, בסינתזה של אלכוהול מבוטאדיאן.
הצרכנים של אלמנט מס' 41 היו גם טכנולוגיית רקטות וחלל. זה לא סוד שכמה כמויות של יסוד זה כבר מסתובבות במסלולי כדור הארץ קרובים. מסגסוגות המכילות ניוביום וניוביום טהור, חלקים מסוימים של רקטות וציוד משולבים של לווייני כדור הארץ מלאכותיים עשויים.
מינרלים של ניוביום
Columbite (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6 היה מינרל הניוביום הראשון הידוע לאנושות. ואותו מינרל הוא העשיר ביותר באלמנט מס' 41. חלקן של תחמוצות של ניוביום וטנטלום מהווה עד 80% ממשקל הקולומביט. יש הרבה פחות ניוביום בפירוכלור (Ca, Na) 2 (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 (O, OH, F) ולופריט (Na, Ce, Ca) 2 (Nb, Ti) 2 O 6. בסך הכל, ידועים יותר מ-100 מינרלים, הכוללים ניוביום. ישנם מרבצים משמעותיים של מינרלים כאלה במדינות שונות: ארה"ב, קנדה, נורבגיה, פינלנד, אך מדינת ניגריה האפריקאית הפכה לספקית הגדולה ביותר של תרכיזי ניוביום לשוק העולמי. בברית המועצות יש עתודות גדולות של לופריטים, הם נמצאו בחצי האי קולה.
קרביד ורוד
Niobium monocarbide NbC הוא חומר פלסטי בעל ברק ורדרד אופייני. תרכובת חשובה זו נוצרת די בקלות על ידי אינטראקציה של ניוביום מתכתי עם פחמימנים. השילוב של גמישות טובה ועמידות בטמפרטורות גבוהות עם מראה נעים הפך את הניוביום מונוקרביד לחומר ציפוי יקר ערך. שכבה של חומר זה בעובי של 0.5 מ"מ בלבד מגנה בצורה מהימנה על חומרים רבים מפני קורוזיה בטמפרטורות גבוהות, במיוחד גרפיט, שלמעשה אינו מוגן על ידי ציפויים אחרים. NbC משמש גם כחומר מבני בייצור רקטות וטורבינות.
עצבים תפורים בניוביום
העמידות הגבוהה בפני קורוזיה של ניוביום אפשרה להשתמש בו ברפואה. חוטי הניוביום אינם מגרים רקמות חיים ומתמזגים איתה היטב. ניתוחים משחזרים השתמשו בהצלחה בתפרים כאלה לתיקון גידים קרועים, כלי דם ואפילו עצבים.
המראה החיצוני אינו מטעה
לניוביום יש לא רק סט של מאפיינים הנדרשים על ידי הטכניקה, אלא גם נראה די יפה. תכשיטנים ניסו להשתמש במתכת הלבנה המבריקה הזו לייצור מארזי שעונים. סגסוגות של ניוביום עם טונגסטן או רניום מחליפות לפעמים מתכות אצילות: זהב, פלטינה, אירידיום. זה האחרון חשוב במיוחד, שכן סגסוגת הניוביום עם רניום לא רק נראית כמו אירידיום מתכתי, אלא עמידה כמעט באותה מידה ללבוש. זה איפשר לכמה מדינות להסתדר בלי אירידיום יקר בייצור הלחמה עבור ניפס מזרקה.
ניוביום וריתוך
בסוף שנות ה-20 של המאה שלנו, ריתוך חשמלי וגז החל לעקור את המרתקים ושיטות אחרות לחיבור רכיבים וחלקים. ריתוך שיפרה את איכות המוצרים, האיץ והפחית את עלות תהליכי ההרכבה שלהם. הריתוך נראה מבטיח במיוחד במהלך התקנת מתקנים גדולים הפועלים בסביבות קורוזיביות או בלחץ גבוה. אבל אז התברר שכאשר ריתוך נירוסטה, לריתוך חוזק נמוך בהרבה מהפלדה עצמה. כדי לשפר את תכונות התפר, החלו להכניס תוספים שונים ל"נירוסטה". הטוב שבהם היה ניוביום.
נתונים מאופקים
לא במקרה ניוביום נחשב ליסוד נדיר: הוא באמת לא מופיע לעתים קרובות ובכמויות קטנות, ותמיד בצורה של מינרלים ולעולם לא במצב ילידי. פרט מוזר: בפרסומי התייחסות שונים, הקלרקה (התוכן בקרום כדור הארץ) של ניוביום שונה. הדבר נובע בעיקר מהעובדה שבשנים האחרונות נמצאו מרבצים חדשים של מינרלים המכילים ניוביום במדינות אפריקה. הנתונים ניתנים ב: 3.2 10 -5% (1939), 1 10 -3% (1949) ו-2.4 10 -3% (1954). אבל אפילו הנתונים האחרונים אינם מוערכים: מרבצים אפריקאים שהתגלו בשנים האחרונות אינם נכללים כאן. עם זאת, ההערכה היא שניתן להמיס כ-1.5 מיליון טון של ניוביום מתכתי מהמינרלים של מרבצים ידועים.