Ниобий свойства и применение

Нио́бий / Niobium (Nb), 41

Химические свойства Ковалентный радиус

1,6 (шкала Полинга)

Энергия ионизации
(первый электрон) Термодинамические свойства простого вещества Плотность (при н. у.) Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки Прочие характеристики Теплопроводность 4d 4 5s 1

Нио́бий — элемент побочной подгруппы пятой группы пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 41. Обозначается символом Nb (лат. Niobium ). Простое вещество ниобий (CAS-номер: 7440-03-1) — блестящий металл серебристо-серого цвета.

Содержание

История

Нио́бий был открыт в 1801 г. английским учёным Ч. Хатчетом в минерале (колумбите), найденном в бассейне р. Колумбии, и потому получил название «колумбий».

В 1844 году немецкий химик Генрих Розе переименовал его в «ниобий» в честь дочери Тантала Ниобы, чем подчеркнул сходство между ниобием и танталом. Однако в некоторых странах (США, Англии) долго сохранялось первоначальное название элемента — колумбий, и только в 1950 году решением Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК, IUPAC) элементу окончательно было присвоено название ниобий.

Нахождение в природе

Кларк ниобия 18 г/т. Содержания ниобия увеличивается от ультраосновных (0,2 г/т Nb) к кислым породам (24 г/т Nb). Ниобию всегда сопутствует тантал. Близкие химические свойства ниобия и тантала обуславливают совместное их нахождение в одних и тех же минералах и участие в общих геологических процессах. Ниобий способен замещать титан в ряде титансодержащих минералов (сфен, ортит, перовскит, биотит). Форма нахождения ниобия в природе может быть разной: рассеянной (в породообразующих и акцессорных минералах магматических пород) и минеральной. В общей сложности известно более 100 минералов, содержащих ниобий. Из них промышленное значение имеют лишь некоторые: колумбит-танталит (Fe, Mn)(Nb, Ta)2O6, пирохлор (Na, Ca, TR, U)2(Nb, Ta, Ti)2O6(OH, F) (Nb2O5 0 — 63 %), лопарит (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb)O3 ((Nb, Ta)2O5 8 — 10 %), иногда используются эвксенит, торолит, ильменорутил, а также минералы, содержащие ниобий в виде примесей (ильменит, касситерит, вольфрамит). В щелочных — ультраосновных породах ниобий рассеивается в минералах типа перовскита и в эвдиалите. В экзогенных процессах минералы ниобия и тантала, являясь устойчивыми, могут накапливаться в деллювиально-аллювиальных россыпях (колумбитовые россыпи), иногда в бокситах коры выветривания. Концентрация ниобия в морской воде 1·10 −5 мг/л [2] .

Месторождения

Месторождения ниобия расположены в США, Японии [3] , России, Бразилии, Канаде [4] .

Добыча ниобия по странам (тонн) [5] (оценка USGS)

Страна 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
Австралия 160 230 290 230 200 200 200 ? ? ? ? ?
Бразилия 30,000 22,000 26,000 29,000 29,900 35,000 40,000 57,300 58,000 58,000 58,000 58,000
Канада 2,290 3,200 3,410 3,280 3,400 3,310 4,167 3,020 4,380 4,330 4,420 4,400
Демократическая Республика Конго ? 50 50 13 52 25 ? ? ? ? ? ?
Мозамбик ? ? 5 34 130 34 29 ? ? ? ? ?
Нигерия 35 30 30 190 170 40 35 ? ? ? ? ?
Руанда 28 120 76 22 63 63 80 ? ? ? ? ?
Всего в мире 32,600 25,600 29,900 32,800 34,000 38,700 44,500 60,400 62,900 62,900 62,900 63,000

Получение

Руды ниобия — обычно комплексные и бедны металлом. Рудные концентраты содержат Nb2O5: пирохлоровые — не менее 37 %, лопаритовые — 8 %, колумбитовые — 30—60 %. Большую их часть перерабатывают алюмо- или силикотермическим восстановлением на феррониобий (40—60 % Nb) и ферротанталониобий. Металлический ниобий получают из рудных концентратов по сложной технологии в три стадии:

1) вскрытие концентрата, 2) разделение ниобия и тантала и получение их чистых химических соединений, 3) восстановление и рафинирование металлического ниобия и его сплавов. Основные промышленные методы производства ниобия и его сплавов — алюмотермический, натрийтермический, карботермический: из смеси Nb2O5 и сажи вначале получают при 1800 °C в атмосфере водорода карбид, затем из смеси карбида и пятиокиси при 1800—1900 °C в вакууме — металл; для получения сплавов ниобия в эту смесь добавляют окислы легирующих металлов; по другому варианту ниобий восстанавливают при высокой температуре в вакууме непосредственно из Nb2O5 сажей. Натрийтермическим способом ниобий восстанавливают натрием из K2NbF7, алюминотермическим — алюминием из Nb2O5. Компактный металл (сплав) производят методами порошковой металлургии, спекая спрессованные из порошков штабики в вакууме при 2300 °C либо электроннолучевой и вакуумной дуговой плавкой; монокристаллы ниобия высокой чистоты — бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Ниобий — блестящий серебристо-серый металл с кубической объемноцентрированной кристаллической решеткой типа α-Fe, а = 0,3294 нм.

Химические свойства

Химически ниобий довольно устойчив. При прокаливании на воздухе окисляется до Nb2О5. Для этого оксида описано около 10 кристаллических модификаций. При обычном давлении стабильна β-форма Nb2О5.

  • При сплавлении Nb2О5 с различными оксидами получают ниобаты: Ti2Nb10О29, FeNb49О124. Ниобаты могут рассматриваться как соли гипотетических ниобиевых кислот. Они делятся на метаниобаты MNbO3, ортониобаты M3NbO4, пирониобаты M4Nb2O7 или полиниобаты M2O·nNb2O5 (M — однозарядный катион, n = 2-12). Известны ниобаты двух- и трехзарядных катионов.
  • Ниобаты реагируют с HF, расплавами гидрофторидов щелочных металлов (KHF2) и аммония. Некоторые ниобаты с высоким отношением M2O/Nb2O5гидролизуются:
Читайте также:  Из чего делают лезвие ножа

6Na3NbO4 + 5H2O = Na8Nb6O19 + 10NaOH.

  • Ниобий образует NbO2, NbO, ряд оксидов, промежуточных между NbO2,42 и NbO2,50 и близких по структуре к β-форме Nb2О5.
  • С галогенами ниобий образует пентагалогениды NbHal5, тетрагалогениды NbHal4 и фазы NbHal2,67 — NbHal3+x, в которых имеются группировки Nb3 или Nb2. Пентагалогениды ниобия легко гидролизуются водой.
  • В присутствии паров воды и кислорода NbCl5 и NbBr5 образуют оксигалогениды NbOCl3 и NbOBr3 — рыхлые ватообразные вещества.
  • При взаимодействии ниобия и графита образуются карбиды Nb2C и NbC, твердые жаропрочные соединения. В системе Nb — N существуют несколько фаз переменного состава и нитриды Nb2N и NbN. Сходным образом ведет себя ниобий в системах с фосфором и мышьяком. При взаимодействии ниобия с серой получены сульфиды: NbS, NbS2 и NbS3. Синтезированы двойные фториды Nb и калия (натрия) — K2[NbF7].
  • Из водных растворов выделить электрохимически ниобий пока не удалось. Возможно электрохимическое получение сплавов, содержащих ниобий. Электролизом безводных солевых расплавов может быть выделен металлический ниобий.

Применение

Применение и производство ниобия быстро возрастают, что обусловлено сочетанием таких его свойств, как тугоплавкость, малое сечение захвата тепловых нейтронов, способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие и др. сплавы, коррозионная стойкость, геттерные свойства, низкая работа выхода электронов, хорошие обрабатываемость давлением на холоде и свариваемость. Основные области применения ниобия: ракетостроение, авиационная и космическая техника, радиотехника, электроника, химическое аппаратостроение, атомная энергетика.

Применение металлического ниобия

  • Из чистого ниобия или его сплавов изготовляют детали летательных аппаратов; оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов; контейнеры и трубы для жидких металлов; детали электролитических конденсаторов; «горячую» арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и др.); коррозионноустойчивую аппаратуру в химической промышленности.
  • Ниобием легируют другие цветные металлы, в том числе уран.
  • Ниобий применяют в криотронах — сверхпроводящих элементах вычислительных машин. Ниобий также известен тем, что он используется в ускоряющих структурах большого адронного коллайдера[6] .

Интерметаллиды и сплавы ниобия

  • Станнид Nb3Sn и сплавы ниобия с титаном и цирконием применяются для изготовления сверхпроводящих соленоидов.
  • Ниобий и сплавы с танталом во многих случаях заменяют тантал, что даёт большой экономический эффект (ниобий дешевле и почти вдвое легче, чем тантал).
  • Феррониобий [7] вводят (в количестве от 5*(C%) до 0,6% ниобия) в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии (в т. ч. той, которая иначе началась бы после сваркинержавейки) и разрушения и в стали др. типов для улучшения их свойств.
  • Ниобий используется при чеканке коллекционных монет. Так, Латвийский Банк утверждает, что в коллекционных монетах достоинством 1 лат наряду с серебром используется ниобий [8][9] .

Применение соединений ниобия

  • Nb2O5 — катализатор в химической промышленности;
  • в производстве огнеупоров, керметов, специальных стёкол, нитрид, карбид, ниобаты.
  • Карбид ниобия (т. пл. 3480 °C) в сплаве с карбидом циркония и карбидом урана-235 является важнейшим конструкционным материалом для ТВЭЛов твердофазных ядерных реактивных двигателей.
  • Нитрид ниобия NbN используется для производства тонких и ультратонких сверхпроводящих пленок с критической температурой от 5 до 10 К с узким переходом, порядка 0,1 К.

Сверхпроводящие материалы первого поколения

  • Один из активно применяемых сверхпроводников (температура сверхпроводящего перехода 9,25 К). Соединения ниобия имеют температуру сверхпроводящего перехода до 23,2 К (Nb3Ge).
  • Наиболее часто используемые промышленные сверхпроводники — NbTi и Nb3Sn.
  • Ниобий используется также в магнитных сплавах.
  • Применяется как легирующая добавка.
  • Нитрид ниобия используется для производства сверхпроводящих болометров.
  • Исключительная стойкость ниобия и его сплавов с танталом в перегретом паре цезия-133 делает его одним из наиболее предпочтительных и дешёвых конструкционных материалов для термоэмиссионных генераторов большой мощности.

Биологическая роль

  • Ниобий не играет никакой биологической роли.

Физиологическое действие

Металлическая пыль ниобия огнеопасна и раздражает глаза и кожу. Некоторые соединения ниобия очень токсичны. ПДК ниобия в воде 0,01 мг/л. При попадании в организм вызывает раздражение внутренних органов и последующий паралич конечностей.

НИОБИЙ, Nb (лат. Niobium; от им. Ниобы — дочери Тантала в др.-греч. мифологии * а. niobium; н. Niob, Niobium; ф. niobium; и. niobio), — химический элемент V группы периодической системы Менделеева, атомный номер 41, атомная масса 92,9064. Имеет один природный изотоп 93 Nb.

Оксид ниобия выделен впервые английским химиком Ч. Хатчетом в 1801 из колумбита. Металлический ниобий получил в 1866 шведский учёный К. В. Бломстранд.

Ниобий свойства

Ниобий- металл стального цвета, имеет объёмно-центрированную кубического решётку с а=0,3294 нм; плотность 8570 кг/м 3 ; t плавления2500°С, t кипения4927°С; теплоёмкость (298 К) 24,6 Дж/(моль•К); теплопроводность (273 К) 51,4 Вт/(м•К); температурный коэффициент линейного расширения (63-1103 К) 7,9•10 -6 К -1 ; удельное электрическое сопротивление (293 К) 16•10 -8 Ом•м; термический коэффициент электрического сопротивления (273 К) 3,95•10 -3 К -1 . Температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,46 К.

Читайте также:  Сколько ампер в чайнике

Степень окисления +5, реже от +1 до +4. По химическим свойствам близок к танталу, чрезвычайно устойчив к холоду и при небольшом нагревании к действию многих агрессивных сред, в т.ч. и кислот. Ниобий растворяет только плавиковая кислота, её смесь с азотной кислотой и щёлочи. Амфотерен. При взаимодействии с галогенами образует галогениды ниобия. При сплавлении Nb2О5 с содой получают соли ниобиевых кислот — ниобаты, хотя сами кислоты не существуют в свободном состоянии. Ниобий может образовывать двойные соли и комплексные соединения. Нетоксичен.

Ниобий — литофильный элемент, связан с гранитными, нефелинсиенитовыми, ультраосновными щелочными породами и карбонатитами. Его кларк 2х10 -3 % по массе. Породообразующим аналогом Nb (а также Ta) является Ti. При высокой концентрации Ti 4+ происходит рассеяние Nb 5+ по титановым минералам. Накапливается в наиболее поздних дифференциатах многофазных интрузивных комплексов. Тесно ассоциирует с Ta, образуя совместно с ним свыше 50 минералов. Некоторые минералы ниобия (колумбит, лопарит, фергюсонит) весьма устойчивы в зоне гипергенеза и накапливаются в россыпях. Основные типы месторождений, схемы обогащения см. в ст. Ниобиевые руды.

Получение и применение

Для получения ниобия ниобиевый концентрат сплавляют с едким натром или содой и образующийся сплав выщелачивают. Содержащиеся в нерастворившемся осадке Nb и Ta разделяют, оксид ниобия восстанавливают отдельно от оксида тантала. Компактный ниобий получают методами порошковой металлургии, электродуговой, вакуумной и электроннолучевой плавки.

Ниобий — один из основных компонентов при легировании жаропрочных сталей и сплавов. Ниобий и его сплавы используются как конструкционные материалы для деталей реактивных двигателей, ракет, газовых турбин, химической аппаратуры, электронных приборов, электрических конденсаторов, сверхпроводящих устройств. Ниобаты широко применяют как сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, лазерные материалы.

Химический элемент, названный в честь античной Ниобы – женщины, осмелившейся смеяться над богами и поплатившейся за это смертью своих детей. Ниобий олицетворяет переход человечества от промышленного производства к цифровому; от паровых локомотивов к ракетным носителям; от угольных теплостанций к ядерной энергетике. В мире цена ниобия за грамм достаточно высока, также как и спрос на него. Большинство последних достижений науки тесно связаны с использованием этого металла.

Цена на ниобий за грамм

Так как основные способы использования ниобия связаны с ядерной и космической программами, его относят к группе стратегических материалов. Переработка намного выгоднее в финансовом плане, чем освоение и добыча новых руд, что делает ниобий востребованным на рынке вторичного металла.

Значение цены на него определяется несколькими факторами:

  • Чистота металла. Чем больше посторонних примесей, тем ниже цена.
  • Форма поставки.
  • Объем поставки. Прямо пропорционален ценам на металл.
  • Местонахождение пункта приема лома. Каждый регион имеет различную потребность в ниобии и, соответственно, цена на него.
  • Наличие в составе редких металлов. Сплавы, содержащие такие элементы как тантал, вольфрам, молибден, выше в цене.
  • Значение котировок на мировых биржах. Именно эти значения являются базовыми при установке цены.

Ориентировочный обзор по ценам в Москве:

  • Ниобий НБ-2. Цена варьируется в пределах 420-450 руб. за кг.
  • Ниобиевая стружка. 500-510 руб. за кг.
  • Штабик ниобия НБШ00. Отличается повышенными ценами по причине ничтожного содержания примесей. 490-500 руб. за кг.
  • Ниобиевый штабик НБШ-0. 450-460 руб. за кг.
  • Ниобий НБ-1 в виде прутка. Цена составляет 450-480 руб. за кг.

Несмотря на высокую стоимость спрос на ниобий в мире продолжает расти. Происходит это из-за огромных возможностей его в применении и дефицита металла. На 10 тонн земли приходится всего 18 граммов ниобия.

Научное сообщество продолжает работу по поиску и разработке заменителя столь дорогого материала. Но до сих пор конкретного результата в этом не получила. А это значит, что ближайшее время падение ниобия в цене не предвидится.

Для регулирования цены и увеличения скорости товарооборота предусмотрены следующие категории на изделия из ниобия:

  • Ниобиевые слитки. Их размер и вес нормируется ГОСТом 16099-70. В зависимости от чистоты металла подразделяются на 3 марки: ниобий НБ-1, ниобий НБ-2 и, соответственно, ниобий НБ-3.
  • Ниобиевый штабик. Отличается более высоким процентом содержания посторонних примесей.
  • Ниобиевая фольга. Изготавливается толщиной до 0,01 мм.
  • Ниобиевый пруток. Согласно ТУ 48-4-241-73 поставляется марками НбП1 и НбП2.

Физические свойства ниобия

Металл серого цвета с белым оттенком. Относится к группе тугоплавких сплавов. Температура плавления составляет 2500 ºС. Точка кипения 4927 ºС. Отличается повышенным значением жаростойкости. Не теряет своих свойств при температурах работы свыше 900 ºС.

Механические характеристики также находятся на высоком уровне. Плотность составляет 8570 кг/м3 при аналогичном показателе стали 7850 кг/м3. Устойчив к работе как при динамических нагрузках, так и циклических. Предел прочности на разрыв – 34,2 кг/мм2. Обладает высокой пластичностью. Коэффициент относительного удлинения варьируется пределах 19-21%, что позволяет получать из него листовой прокат ниобия толщиной до 0,1 мм.

Читайте также:  Как самому сделать дымогенератор для холодного копчения

Твердость связана с чистотой металла от вредных примесей и повышается с увеличением их в составе. Чистый ниобий имеет 450 единиц шкалы твердости по Бринеллю.

Ниобий хорошо поддается обработке давлением при температурах ниже -30 ºС и плохо резанием.

Теплопроводность существенно не изменяется при больших колебаниях температуры. Например, при 20 ºС она составляет 51,4 вт/ (м К), а при 620 С повышается всего на 4 единицы. Ниобий конкурирует в электропроводности с такими элементами как медь и алюминий. Электросопротивление – 153,2 нОм м. Относится к категории сверхпроводящих материалов. Температура, при которой сплав переходит в режим сверхпроводника, составляет 9,171 К.

Крайне устойчив к воздействию кислой среды. Такие распространённые кислоты как серная, соляная, ортофосфорная, азотная никак не влияют на его химическую структуру.

При температурах свыше 250 ºС ниобий начинает активно окисляться кислородом, а также вступать в химические реакции с молекулами водорода и азота. Данные процессы увеличивают хрупкость металла, тем самым снижая его прочность.

  • Не относится к аллергенным материалам. Внедренный в тело человека, он не вызывает реакции отторжения организмом.
  • Является металлом первой группы свариваемости. Сварные швы получаются плотными и не требуют подготовительных операций. Устойчивые к образованию трещин.

Разновидности сплавов

По значению механических свойств в условиях повышенных температур ниобиевые сплавы подразделяются:

  1. Низкопрочные. Работают в пределах 1100-1150 ºС. Обладают простым набором легирующих элементов. В основном сюда относится цирконий, титан, тантал, ванадий, гафний. Прочность составляет 18-24 кг/мм2. После перехода критического температурного порога она резко падает и становится аналогичной чистому ниобию. Основное преимущество – высокие пластичные свойства при температурах до 30 ºС и хорошая обрабатываемость давлением.
  2. Среднепрочные. Их рабочая температура находится в пределах 1200-1250 ºС. Помимо вышеперечисленных легирующих элементов содержат примеси вольфрама, молибдена, тантала. Основное назначение данных добавок – сохранение механических свойств при увеличении температуры. Обладают умеренной пластичностью и хорошо обрабатываются давлением. Ярким примером сплава служит ниобий 5ВМЦ.
  3. Сплавы высокой прочности. Используются при температурах до 1300 ºС. При кратковременном воздействии до 1500 ºС. Отличаются химическим составом более высокой сложности. На 25% состоят из добавок, основная доля которых приходится на вольфрам и молибден. Некоторые виды данных сплавов отличаются повышенным содержанием углерода, что положительно влияет на значение их жаропрочности. Главным недостатком высокопрочного ниобия является низкая пластичность, которая затрудняет проведения технологической обработки. И, соответственно, получению производственных полуфабрикатов.

Следует учесть, что перечисленные выше категории имеют условный характер и дают лишь общее представление о способе применения того или иного сплава.

Также следует упомянуть о таких соединениях как феррониобий и оксид ниобия.

Феррониобий представляет собой соединение ниобия с железом, где содержание последнего находится на уровне 50%. Помимо основных элементов он включает в себя сотые доли титана, серы, фосфора, кремния, углерода. Точное процентное соотношение элементов нормируется ГОСТом 16773-2003.

Пентаксид ниобия – кристаллический порошок белого цвета. Не подвержен растворению в кислоте и воде. Производится методом сжигания ниобия в среде кислорода. Полностью аморфен. Температура плавления 1500 ºС.

Применение ниобия

Все вышеперечисленные свойства делают металл крайне востребованным в разного рода отраслей производства. Среди множества способов его применения выделяют следующие позиции:

  • Использование в металлурги в виде легирующего элемента. Причем ниобием легируют как черные, так и цветные сплавы. Например, добавление всего 0,02% его в состав нержавеющей стали 12Х18Н10Т увеличивает ее износостойкость на 50%. Улучшенный ниобием (0,04%) алюминий становится полностью невосприимчив к щелочи. На медь ниобий действует как закалка на сталь, увеличивая ее механические свойства на порядок. Отметим, что ниобием легируют даже уран.
  • Пентооксид ниобия является основным компонентом при изготовлении особо огнеупорной керамики. Также ему нашли применение в оборонной промышленности: бронированные стекла военной техники, оптика с большим углом преломления и прочее.
  • Феррониобий используется для легирования сталей. Основная его задача – это увеличение коррозионостойкости.
  • В электротехнике применяют для изготовления конденсаторов и токовыпрямителей. Такие конденсаторы отличаются повышенной емкостью и сопротивлением изоляции, малыми размерами.
  • Широким применением пользуются соединения кремния и германия с ниобием в области электроники. Из них изготавливают сверхпроводимые соленоиды и элементы генераторов тока.
  • В ядерной энергетике служит материалом защитной обшивки термоядерных урановых реакторов. Такое применение обусловлено инертностью ниобия к урану при температурах до 900 ºС, которое позволяет существенно экономить ядерное топливо.
  • Сплав 5ВМЦ применяют в аэрокосмической отрасли при конструировании ответственных деталей термореактивных двигателей. В частности, применение 5ВМЦ при изготовлении лопаток газовых турбин, способствует увеличению их долговечности.
  • Карбид вольфрама является компонентом твердых сплавов, которые в машиностроении применяются как режущий инструмент.
  • Благодаря своей коррозионной стойкости и высокой пластичности ниобий нашел применение в аппаратуре и приборах химической промышленности.

Оцените статью: