Populyarnaya biblioteka himicheskih elementov

---

---

<< Cirkonii | Oglavlenie | Molibden >>

Niobii

Izdatel'stvo "Nauka", 1977

Elektronnaya versiya: "Nauka i Tehnika", 2002

S elementom, zanimayushim v mendeleevskoi tablice 41-yu kletku, chelovechestvo znakomo davno. Vozrast ego nyneshnego nazvaniya - niobii - pochti na polstoletiya men'she. Sluchilos' tak, chto element N 41 byl otkryt dvazhdy. Pervyi raz - v 1801 g. angliiskii uchenyi Charl'z Hatchet issledoval obrazec vernogo minerala, prislannogo v Britanskii muzei iz Ameriki. Iz etogo minerala on vydelil okisel neizvestnogo prezhde elementa. Novyi element Hatchet nazval kolumbiem, otmechaya tem samym ego zaokeanskoe proishozhdenie. A chernyi mineral poluchil nazvanie kolumbita.

Cherez god shvedskii himik Ekeberg vydelil iz kolumbita okisel eshe odnogo novogo elementa, nazvannogo tantalom. Shodstvo soedinenii Kolumbiya i tantala bylo tak veliko, chto v techenie 40 let bol'shinstvo himikov schitalo: tantal i kolumbii - odin i tot zhe element.

V 1844 g. nemeckii himik Genrih Roze issledoval obrazcy kolumbita, naidennye v Bavarii. On vnov' obnaruzhil okisly dvuh metallov. Odin iz nih byl okislom izvestnogo uzhe tantala. Okisly byli pohozhi, i, podcherkivaya ih shodstvo, Roze nazval element, obrazuyushii vtoroi okisel, niobiem po imeni Nioby, docheri mifologicheskogo muchenika Tantala.

Vprochem, Roze, kak i Hatchet, ne sumel poluchit' etot element v svobodnom sostoyanii.

Metallicheskii niobii byl vpervye poluchen lish' v 1866 g. shvedskim uchenym Blomstrandom pri vosstanovlenii hlorida niobiya vodorodom. V konce XIXv. byli naideny eshe dva sposoba polucheniya etogo elementa. Snachala Muassan poluchil ego v elektropechi, vosstanavlivaya okis' niobiya uglerodom, a zatem Gol'dshmidt sumel vosstanovit' tot zhe element alyuminiem.

A nazyvat' element N 41 v raznyh stranah prodolzhali po-raznomu: v Anglii i SShA - kolumbiem, v ostal'nyh stranah - niobiem. Konec etoi raznogolosice polozhil Mezhdunarodnyi soyuz chistoi i prikladnoi himii (IYuPAK) v 1950 g. Bylo resheno povsemestno uzakonit' nazvanie elementa "niobii", a za osnovnym mineralom niobiya tak i zakrepilos' naimenovanie "kolumbit". Ego formula (Fe, Mn) (Nb, Ta)₂O₆.

Glazami himika

Elementarnyi niobii - chrezvychaino tugoplavkii (2468^oC) i vysokokipyashii (4927^oC) metall, ochen' stoikii vo mnogih agressivnyh sredah. Vse kisloty, za isklyucheniem plavikovoi, ne deistvuyut na nego. Kisloty-okisliteli "passiviruyut" niobii, pokryvaya ego zashitnoi okisnoi plenkoi (N 205). No pri vysokih temperaturah himicheskaya aktivnost' niobiya povyshaetsya. Esli pri 150...200^oC okislyaetsya lish' nebol'shoi poverhnostnyi sloi metalla, to pri 900...1200^oC tolshina okisnoi plenki znachitel'no uvelichivaetsya.

Niobii aktivno reagiruet so mnogimi nemetallami. S nim obrazuyut soedineniya galogeny, azot, vodorod, uglerod, sera. Pri etom niobii mozhet proyavlyat' raznye valentnosti - ot dvuh do pyati. No glavnaya valentnost' etogo elementa 5+. Pyativalentnyi niobii mozhet vhodit' v sostav soli i kak kation, i kak odin iz elementov aniona, chto svidetel'stvuet ob amfoternom haraktere elementa N 41.

Soli niobievyh kislot nazyvayut niobatami. Ih poluchayut v rezul'tate obmennyh reakcii posle splavleniya pyatiokisi niobiya s sodoi:

Nb₂O₅+3Na₂CO₄2Na₃NbO₄+3CO₂.

Dovol'no horosho izucheny soli neskol'kih niobievyh kislot, v pervuyu ochered' metaniobievoi HNbO₃, a takzhe diniobaty i pentaniobaty (K₄Nb₂O₇, K₇Nb₅O₁₆žmH₂O). A soli, v kotoryh element N 41 vystupaet kak kation, obychno poluchayut pryamym vzaimodeistviem prostyh veshestv, naprimer 2Nb+5Cl₂2NbCl₅.

Yarko okrashennye igol'chatye kristally pentagalogenidov niobiya (NbCl - zheltogo cveta, NbBr₅ - purpurno-krasnogo) legko rastvoryayutsya v organicheskih rastvoritelyah - hloroforme, efire, spirte. No pri rastvorenii v vode eti soedineniya polnost'yu razlagayutsya, gidrolizuyutsya s obrazovaniem niobatov:

NbCl₅+4N₂O5HCl+N₃NbO₄.

Gidroliz mozhno predotvratit', esli v vodnyi rastvor dobavit' kakuyu-libo sil'nuyu kislotu. V takih rastvorah pentagalogenidy niobiya rastvoryayutsya, ne gidrolizuyas'.

Niobii obrazuet dvoinye soli i kompleksnye soedineniya, naibolee legko - ftoristye. Ftorniobaty - tak nazyvayutsya eti dvoinye soli. Oni poluchayutsya, esli v rastvor niobcevoi i plavikovoi kislot dobavit' ftorid kakogo-libo metalla.

Sostav kompleksnogo soedineniya zavisit ot sootnosheniya reagiruyushih v rastvore komponentov. Rentgenometricheskii analiz odnogo iz etih soedinenii pokazal stroenie, otvechayushee formule K₂NbF₇. Mogut obrazovat'sya i oksosoedineniya niobiya, naprimer oksoftornpobat kaliya K₂NbOF₅žH₂O.

Himicheskaya harakteristika elementa ne ischerpyvaetsya, konechno, etimi svedeniyami. Segodnya samye vazhnye iz soedinenii elementa N 41 - eto ego soedineniya s drugimi metallami.

Niobii i sverhprovodimost'

Udivitel'noe yavlenie sverhprovodimosti, kogda pri ponizhenii temperatury provodnika v nem proishodit skachkoobraznoe ischeznovenie elektricheskogo soprotivleniya, vpervye nablyudal gollandskii fizik G.Kamerling-Onnes v 1911 g. Pervym sverhprovodnikom okazalas' rtut', no ne ei, a niobiyu i nekotorym intermetallicheskim soedineniyam niobiya suzhdeno bylo stat' pervymi tehnicheski vazhnymi sverhprovodyashimi materialami.

Prakticheski vazhny dve harakteristiki sverhprovodnikov: velichina kriticheskoi temperatury, pri kotoroi proishodit perehod v sostoyanie sverhprovodimosti, i kriticheskogo magnitnogo polya (eshe Kamerling-Onnes nablyudal utratu sverhprovodnikom sverhprovodimosti pri vozdeistvii na nego dostatochno sil'nogo magnitnogo polya). Po sostoyaniyu na 1 yanvarya 1975 g. sverhprovodnikom - "rekordsmenom" po velichine kriticheskoi temperatury bylo intermetallicheskoe soedinenie niobiya i germaniya sostava Nb₃Ge. Ego kriticheskaya temperatura 23,2 K; eto vyshe temperatury kipeniya vodoroda. (Bol'shinstvo izvestnyh sverhprovodnikov stanovyatsya sverhprovodnikami lish' pri temperature zhidkogo geliya).

Sposobnost' perehodit' v sostoyanie sverhprovodimosti svoistvenna takzhe stapnidu niobiya Nb₃Sn, splavam niobiya s alyuminiem i germaniem ili s titanom i cirkoniem. Vse eti splavy i soedineniya uzhe ispol'zuyutsya dlya izgotovleniya sverhprovodyashih solenoidov, a takzhe nekotoryh drugih vazhnyh tehnicheskih ustroistv.

Niobii - metall

Metallicheskii niobii mozhno poluchit' vosstanovleniem ego soedinenii, naprimer hlorida niobiya ili ftor-niobata kaliya, pri vysokoi temperature:

K₂NbF₇+5NaNb+2KF+5NaF.

No prezhde chem dostignut' etoi v sushnosti poslednei stadii proizvodstva, niobievaya ruda prohodit mnozhestvo etapov pererabotki. Pervyi iz nih - obogashenie rudy, poluchenie koncentratov. Koncentrat splavlyayut s razlichnymi plavnyami: edkim natrom ili sodoi. Poluchennyi splav vyshelachivayut. No rastvoryaetsya on ne polnost'yu. Nerastvorimyi osadok i est' niobii. Pravda, on zdes' eshe v sostave gidrookisi, ne razdelen so svoim analogom po podgruppe - tantalom - i ne ochishen ot nekotoryh primesei.

Do 1866 g. ne bylo izvestno ni odnogo prigodnogo dlya proizvodstvennyh uslovii sposoba razdeleniya tantala i niobiya. Pervym metod razdeleniya etih chrezvychaino pohozhih elementov predlozhil Zhan Sharl' Galissar de Marin'yak. Metod osnovan na raznoi rastvorimosti kompleksnyh soedinenii etih metallov i nazyvaetsya ftoridnym. Kompleksnyi ftorid tantala nerastvorim v vode, a analogichnoe soedinenie niobiya rastvorimo.

Ftoridnyi metod slozhen i ne pozvolyaet polnost'yu razdelit' niobii i tantal. Poetomu v nashi dni on pochti ne primenyaetsya. Na smenu emu prishli metody izbiratel'noi ekstrakcii, ionnogo obmena, rektifikacii galogenidov i dr. Etimi metodami poluchayut okisel i hlorid pyativalentnogo niobiya.

Posle razdeleniya niobiya i tantala idet osnovnaya operaciya - vosstanovlenie. Pyatiokis' niobiya Nb₂O₅ vosstanavlivayut alyuminiem, natriem, sazhei ili karbidom niobiya, poluchennym pri vzaimodeistvii Nb₂O₅ s uglerodom; pentahlorid niobiya vosstanavlivayut metallicheskim natriem ili amal'gamoi natriya. Tak poluchayut poroshkoobraznyi niobii, kotoryi nuzhno zatem prevratit' v monolit, sdelat' plastichnym, kompaktnym, prigodnym dlya obrabotki. Kak i drugie tugoplavkie metally, niobii-monolit poluchayut metodami poroshkovoi metallurgii, sut' kotoroi v sleduyushem.

Iz poluchennogo metallicheskogo poroshka pod bol'shim davleniem (1 t/sm²) pressuyut tak nazyvaemye shtabiki pryamougol'nogo ili kvadratnogo secheniya. V vakuume pri 2300^oC eti shtabiki spekayut, soedinyayut v pruty, kotorye plavyat v vakuumnyh dugovyh pechah, prichem pruty v etih pechah vypolnyayut rol' elektroda. Takoi process nazyvaetsya plavkoi s rashoduemym elektrodom.

Monokristallicheskii plastichnyi niobii poluchayut metodom bestigel'noi zonnoi elektronno-luchevoi plavki. Sut' ego v tom, chto na poroshkoobraznyi niobii (operacii pressovaniya i spekaniya isklyucheny!) napravlyayut moshnyi puchok elektronov, kotoryi plavit poroshok. Kapli metalla stekayut na niobievyi slitok, kotoryi postepenno rastet i vyvoditsya iz rabochei kamery.

Kak vidite, put' niobiya ot rudy do metalla v lyubom sluchae dovol'no dolog, a sposoby proizvodstva slozhny.

Niobii i metally

Rasskaz o primenenii niobiya logichnee vsego nachat' s metallurgii, tak kak imenno v metallurgii on nashel naibolee shirokoe primenenie. I v cvetnoi metallurgii, i v chernoi.

Stal', legirovannaya niobiem, obladaet horoshei korrozionnoi stoikost'yu. "Nu i chto" - skazhet inoi iskushennyi chitatel'. - Hrom tozhe povyshaet korrozionnuyu stoikost' stali, i on namnogo deshevle niobiya". Etot chitatel' prav i neprav odnovremenno. Neprav potomu, chto zabyl ob odnom.

V hromonikelevoi stali, kak i vo vsyakoi drugoi, vsegda est' uglerod. No uglerod soedinyaetsya s hromom, obrazuya karbid, kotoryi delaet stal' bolee hrupkoi. Niobii imeet bol'shee srodstvo k uglerodu, chem hrom. Poetomu pri dobavlenii v stal' niobiya obyazatel'no obrazuetsya karbid nioblya. Legirovannaya niobiem stal' priobretaet vysokie antikorrozionnye svoistva i ne teryaet svoei plastichnosti. Nuzhnyi effekt dostigaetsya, kogda v tonnu stali dobavleno vsego 200 g metallicheskogo niobiya. A hromo-margaicevoi stali niobii pridaet vysokuyu iznosoustoichivost'.

Niobiem legiruyut i mnogie cvetnye metally. Tak, alyuminii, legko rastvoryayushiisya v shelochah, ne reagiruet s nimi, esli v nego dobavleno vsego 0,05% niobiya. A med', izvestnuyu svoei myagkost'yu, i mnogie ee splavy niobii slovno zakalyaet. On uvelichivaet prochnost' takih metallov, kak titan, molibden, cirkonii, i odnovremenno povyshaet ih zharostoikost' i zharoprochnost'.

Seichas svoistva i vozmozhnosti niobiya po dostoinstvu oceneny aviaciei, mashinostroeniem, radiotehnikoi, himicheskoi promyshlennost'yu, yadernoi energetikoi. Vse oni stali potrebitelyami niobiya.

Unikal'noe svoistvo - otsutstvie zametnogo vzaimodeistviya niobiya s uranom pri temperature do 1100^oC i, krome togo, horoshaya teploprovodnost', nebol'shoe effektivnoe sechenie poglosheniya teplovyh neitronov sdelali niobii ser'eznym konkurentom priznannyh v atomnoi promyshlennosti metallov - alyuminiya, berilliya i cirkoniya. K tomu zhe iskusstvennaya (navedennaya) radioaktivnost' niobiya nevelika. Poetomu iz nego mozhno delat' konteinery dlya hraneniya radioaktivnyh othodov ili ustanovki po ih ispol'zovaniyu.

Himicheskaya promyshlennost' potreblyaet sravnitel'no nemnogo niobiya, no eto ob'yasnyaetsya tol'ko ego deficitnost'yu. Iz niobiisoderzhashih splavov i rezhe iz listovogo niobiya inogda delayut apparaturu dlya proizvodstva vysokochistyh kislot. Sposobnost' niobiya vliyat' na skorost' nekotoryh himicheskih reakcii ispol'zuetsya, naprimer, pri sinteze spirta iz butadiena.

Potrebitelyami elementa N 41 stali takzhe raketnaya i kosmicheskaya tehnika. Ne sekret, chto na okolozemnyh orbitah uzhe vrashayutsya kakie-to kolichestva etogo elementa. Iz niobiisoderzhashih splavov i chistogo niobiya sdelany nekotorye detali raket i bortovoi apparatury iskusstvennyh sputnikov Zemli.

Mineraly niobiya

Kolumbit (Fe, Mn) (Nb, Ta)₂O₆ byl pervym mineralom niobiya, izvestnym chelovechestvu. I etot zhe mineral - samyi bogatyi elementom N 41. Na dolyu okislov niobiya i tantala prihoditsya do 80% vesa kolumbita. Gorazdo men'she niobiya v pirohlore (Sa, Na)₂ (Nb, Ta, Ti)₂O₆(O, OH, F) i loparite (Na, Se, Sa)₂ (Nb, Ti)₂O₆. A vsego izvestno bol'she 100 mineralov, v sostav kotoryh vhodit niobii. Znachitel'nye mestorozhdeniya takih mineralov est' v raznyh stranah: SShA, Kanade, Norvegii, Finlyandii, no krupneishim postavshikom koncentratov niobiya na mirovoi rynok stalo afrikanskoe gosudarstvo Nigeriya. V SSSR est' bol'shie zapasy loparita, oni naideny na Kol'skom poluostrove.

Rozovyi karbid

Monokarbid niobiya NbC - plastichnoe veshestvo s harakternym rozovatym bleskom. Eto vazhnoe soedinenie dovol'no legko obrazuetsya pri vzaimodeistvii metallicheskogo niobiya s uglevodorodami. Sochetanie horoshei kovkosti i vysokoi termostoikosti s priyatnymi "vneshnimi dannymi" sdelalo mo-nokarbid niobiya cennym materialom dlya izgotovleniya pokrytii. Sloi etogo veshestva tolshinoi vsego 0,5 mm nadezhno zashishaet ot korrozii pri vysokih temperaturah mnogie materialy, v chastnosti grafit, kotoryi drugimi pokrytiyami fakticheski nezashatim. NbC ispol'zuetsya i kak konstrukcionnyi material v raketostroenii i proizvodstve turbin.

Nervy, sshitye niobiem

Vysokaya korrozionnaya stoikost' niobiya pozvolila ispol'zovat' ego v medicine. Niobievye niti ne vyzyvayut razdrazheniya zhivoi tkani i horosho srashivayutsya s nei. Vosstanovitel'naya hirurgiya uspeshno ispol'zuet takie niti dlya sshivaniya porvannyh suhozhilii, krovenosnyh sosudov i dazhe nervov.

Naruzhnost' ne obmanchiva

Niobii ne tol'ko obladaet kompleksom nuzhnyh tehnike svoistv, no i vyglyadit dostatochno krasivo. Etot belyi blestyashii metall yuveliry pytalis' ispol'zovat' dlya izgotovleniya korpusov ruchnyh chasov. Splavy niobiya s vol'framom ili reniem inogda zamenyayut blagorodnye metally: zoloto, platinu, iridii. Poslednee osobenno vazhno, tak kak splav niobiya s reniem ne tol'ko vneshne pohozh na metallicheskii iridii, no pochti tak zhe iznosostoek. Eto pozvolilo nekotorym stranam obhodit'sya bez dorogogo iridiya v proizvodstve napaek dlya per'ev avtoruchek.

Niobii i svarka

V konce 20-h godov nashego veka elektro-i gazosvarka stali vytesnyat' klepku i drugie sposoby soedineniya uzlov i detalei. Svarka povysila kachestvo pzdelii, uskorila i udeshevila processy ih sborki. Osobenno perspektivnoi svarka kazalas' pri montazhe krupnyh ustanovok, rabotayushih v korrozionno-aktivnyh sredah ili pod bol'shim davleniem. No tut vyyasnilos', chto pri svarke nerzhaveyushei stali svarnoi shov imeet namnogo men'shuyu prochnost', chem sama stal'. Chtoby uluchshit' svoistva shva, v "nerzhaveiku" stali vvodit' razlichnye dobavki. Luchshei iz nih okazalsya niobii.

Zanizhennye cifry

Niobii ne sluchaino schitaetsya redkim elementom: on deistvitel'no vstrechaetsya ne chasto i v nebol'shih kolichestvah, prichem vsegda v vide mineralov i nikogda v samorodnom sostoyanii. Lyubopytnaya detal': v raznyh spravochnyh izdaniyah klark (soderzhanie v zemnoi kore) niobiya raznyi. Eto ob'yasnyaetsya glavnym obrazom tem, chto v poslednie gody v stranah Afriki naideny novye mestorozhdeniya mineralov, soderzhashih niobii. V "Spravochnike himika", t.1 (M., "Himiya", 1963) privedeny cifry: 3,2ž10^-5% (1939 g.), 1ž10^-3% (1949 g.) i 2,4ž10^-3% (1954 g.). No i poslednie cifry zanizheny: afrikanskie mestorozhdeniya, otkrytye v poslednie gody, syuda ne voshli. Tem ne menee podschitano, chto iz mineralov uzhe izvestnyh mestorozhdenii mozhno vyplavit' primerno 1,5 mln. t metallicheskogo niobiya.

---

<< Cirkonii | Oglavlenie | Molibden >>

Publikacii s klyuchevymi slovami: himicheskie elementy - atomy - periodicheskaya tablica Mendeleeva Publikacii so slovami: himicheskie elementy - atomy - periodicheskaya tablica Mendeleeva
Sm. takzhe: Proishozhdenie himicheskih elementov Konferenciya v chest' 150-letiya tablicy Mendeleeva Otkuda poyavilis' himicheskie elementy? Otkuda proizoshli himicheskie elementy? Stepeni desyatki Ostatok sverhnovoi Kassiopeya A v rentgenovskih luchah Tumannost' Rozetka v svete atomov vodoroda, kisloroda, sery Vse publikacii na tu zhe temu >>