ниобий

характеристики
В целом
Имя , символ , атомный номер Ниобий, Nb, 41
Категория элемента Переходные металлы
Группа , период , блок 5 , 5 , д
Посмотрите блестящий серый металлик
Количество CAS 7440-03-1
Номер ЕС 231-113-5
ECHA InfoCard 100.028.284
Массовая доля земной оболочки 19 ppm (34-я частота)
Атомный
Атомная масса 92.90637 (1) и
Атомный радиус (рассчитанный) 145 (164) вечера
Ковалентный радиус 137 вечера
Электронная конфигурация [ Kr ] 4д 4 5с 1
1. Энергия ионизации 6-е.75885 (4) эВ ≈ 652.13 кДж / моль
2. Энергия ионизации 14-е.32 эВ ≈ 1 382 кДж / моль
3. Энергия ионизации 25-е.04 эВ ≈ 2 416 кДж / моль
4. Энергия ионизации 37.611 (22) эВ ≈ 3 629 кДж / моль
5. Энергия ионизации 50.5728 (25) эВ ≈ 4 880 кДж / моль
Физически
Физическое состояние твердо
Кристальная структура объемно-центрированная кубическая
плотность 8,57 г / см 3 (20 ° С )
Твердость по шкале Мооса 6.0
магнетизм парамагнитный ( Χ m = 2.3 10 −4 )
Температура плавления 2750 К (2477 ° С)
точка кипения 5017 К (4744 ° С)
Молярный объем 10,83 · 10 −6 м 3 · моль −1
Теплота испарения 694 кДж / моль
Теплота плавления 26,8 кДж моль -1
Скорость звука 3480 м с -1 при температуре 293,15 К.
Электропроводность 6.58 · 10 6 А · В −1 · м −1
Теплопроводность 54 Вт · м −1 · K −1
Химически
Состояния окисления 2, 4, 5
Нормальный потенциал −1,1 В (Nb 2+ + 2 e - → Nb)
Электроотрицательность 1,6 ( шкала Полинга )
Изотопы
изотоп NH т 1/2 ZA ZE (M эВ ) ZP
91 Nb {син.} 680 а ε 1,253 91 Zr
92 Nb {син.} 3,47 · 10 7 а ε 2,006 92 злотых
β - 0,356 92 Пн.
93 Nb 100  % Стабильный
93 мета Nb {син.} 16,13 а ЭТО 0,031 93 Nb
94 Nb {син.} 20300 а β - 2,045 94 месяца
95 Nb {син.} 34,975 д β - 0,926 95 месяцев
Для других изотопов см. Список изотопов
ЯМР свойства
  Спиновое
квантовое
число I 		γ в
рад · T −1 · s −1		 E r  ( 1 H) f L при
B = 4,7 Тл
в МГц
93 Nb 9/2 6,567 · 10 7 0,488 24,47
Инструкции по технике безопасности
Маркировка опасности GHS

пудра

02 - Легко / чрезвычайно огнеопасно

Опасность

H- и P-фразы ЧАС: 250
П: 222-231-422
Насколько это возможно и общепринято, используются единицы СИ .
Если не указано иное, приведенные данные относятся к стандартным условиям .

Ниобий [ nioːp ] (после того, как Ниоб , дочь тантал ) является химическим элементом с символом элемента Nb и атомным номером 41. Это является одним из переходных металлов , в периодической таблице он находится в 5 - м периода и 5 - й подгруппой (группа 5) или ванадиевая группа .

В англосаксоноязычных регионах название columbium и аббревиатура Cb до сих пор используются многими металлургами, поставщиками материалов и в частных компаниях .

Редко встречающийся тяжелый металл серого цвета и легко поддается обработке. Ниобий получают в основном из богатых ниобием представителей верхней группы пирохлора , минералов колумбита- раствор серии колумбита (Mn), колумбита (Mn) и лопарита . Как колтаном (современный, в основном используется в политике аббревиатурой Col umbit -  Tan talit) называются ниобий-танталовые руды до четырех твердого раствора серии Columbite- (Fe)  -  Columbite- (Mn) , Tantalit- (Mn)  -  граф танталит ( Fe) , колумбит (Mn) - танталит (Mn) и колумбит (Fe) - танталит (Fe). Ниобий в основном используется в металлургии для производства специальных сталей и улучшения свариваемости .

история

Ниобий был открыт Чарльзом Хэтчеттом в 1801 году . Он нашел его в образце колумбитовой руды из русла реки в Массачусетсе , который был отправлен в Англию около 1743 года. Хэтчетт назвал элемент колумбий (в честь Колумбии , олицетворения Соединенных Штатов). До середины XIX века считалось, что колумбий и тантал, обнаруженные в 1802 году, были одним и тем же элементом, поскольку они почти всегда встречаются вместе в минералах.

Только в 1844 году берлинский профессор Генрих Роуз показал, что ниобий и танталовая кислота - разные вещества. Не зная о работе Хэтчетта и ее названии, он назвал вновь открытый элемент из-за его сходства с танталом в честь Ниобы , дочери тантала .

В 1864 году Кристиану Вильгельму Бломстранду удалось получить металлический ниобий путем восстановления хлорида ниобия водородом при нагревании. В 1866 году Шарль Мариньяк подтвердил, что тантал является отдельным элементом.

В 1907 году Вернер фон Болтон произвел очень чистый ниобий, восстановив гептафторониобат натрием.

Только после 100 лет дебатов Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) в 1950 году установил ниобий в качестве официального названия элемента.

Вхождение

Колумбит с Мадагаскара

Ниобий - редкий элемент, его доля в земной коре составляет 1,8 · 10 −3  %. Это не выглядит достойным . Из-за схожего ионного радиуса ниобий и тантал всегда являются братьями и сестрами. Важнейшими минералами ниобия являются представители серии смешанных кристаллов колумбита-танталита с общей формулой ( Fe , Mn ) (Nb, Ta ) 2 O 6 , которая в зависимости от преобладания ниобия или тантала в качестве колумбита (серия смешанных кристаллов колумбита ( Fe) - колумбит - (Mn)) или танталит (смешанный кристаллический ряд танталит (Fe) - танталит (Mn)), а также представители группы пирохлора в пределах верхней группы пирохлора. Около 85-90% ниобиевой промышленности использует ниобий из месторождений, которые не производят танталовые руды.

Наиболее важные разрабатываемые месторождения пирохлора находятся в Бразилии . Месторождениями в Араксе управляет компания Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM), и их запасы оцениваются в 460 миллионов тонн, и их должно хватить для удовлетворения мирового спроса на ниобий в течение следующих 500 лет. Еще одно бразильское месторождение с запасами около 18 миллионов тонн ниобия находится в управлении Mineração Catalão de Goias . Вероятно, крупнейшие месторождения возле Сан-Габриэль-да-Кашуэйра еще не были разработаны из-за их расположения в национальном парке Пико-да-Неблина и местных заповедниках. Третье по величине разрабатываемое месторождение в мире - рудник Ниобек в Канаде, управляемый группой Iamgold . Три упомянутые компании производят феррониобий с номинальным содержанием Nb 2 O 5 60% и вместе покрывают около 85% мирового спроса на ниобий. Следующие важные, частично недоразвитые месторождения ниобия расположены в массиве Ловосеро в России и на месторождении Луеше в провинции Северное Киву ( Демократическая Республика Конго ).

Какая-то ниоберза такая. B. колумбит танталит ( колтан ) был в 2012 году Комиссией по ценным бумагам и биржам США SEC как так называемые конфликтные минералы классифицированы, его использование требуется для отчетности компаний в SEC. Причина этого - производственные предприятия в восточной части Конго, которые контролируются повстанцами и поэтому подозреваются в содействии финансированию вооруженных конфликтов.

Другие, в основном редкие минералы:

Извлечение и представление

Кристаллы ниобия, полученные электролитическим способом.

Поскольку ниобий и тантал всегда встречаются вместе, ниобиевые и танталовые руды сначала перевариваются вместе, а затем разделяются путем фракционной кристаллизации или различной растворимости в органических растворителях . Первый такой способ промышленного разделения был разработан Шарлем Мариньяком в 1866 году.

Сначала руды подвергаются воздействию смеси концентрированной серной и плавиковой кислот при температуре 50–80 ° C. Образуются легко растворимые комплексные фториды [NbF 7 ] 2– и [TaF 7 ] 2– .

Дикалиевые соли этих фторидов (например, гептафторониобат калия ) могут быть образованы путем превращения их в водную фазу и добавления фторида калия . Только фторид тантала плохо растворяется в воде и выпадает в осадок. Таким образом, легкорастворимый фторид ниобия можно отделить от тантала. Однако в настоящее время обычным явлением является разделение экстракцией метилизобутилкетоном . Третья возможность разделения через фракционную перегонку с хлоридами NbCl 5 и TACL 5 . Их можно получить в результате реакции руды, кокса и хлора при высоких температурах.

Из отделенного фторида ниобия сначала получают пятиокись ниобия по реакции с кислородом . Его либо сначала превращают в карбид ниобия с углеродом, а затем восстанавливают до металла с дополнительным пентоксидом ниобия при 2000 ° C в вакууме, либо получают непосредственно алюмотермическим способом . Таким образом производится большая часть ниобия для сталелитейной промышленности с добавлением оксида железа для получения сплава железо-ниобий (60% ниобия). Если в качестве исходного материала для восстановления используются галогениды, это делается с использованием натрия в качестве восстановителя.

Годовая добыча в 2006 году составила почти 60 000 тонн, 90% из которых было добыто в Бразилии. В 2013 году общее количество произведенного ниобия составило 59 400 тонн; Основными производителями были Бразилия (53 100 т) и Канада (5 260 т). USGS дает цены на импорт в США для сплава железо-ниобий ( Феррониобий с долей ниобия на 65%) по USD 37,781 за тонну в 2010 году и USD 43,415 за тонну в 2013 году.

характеристики

Полоски ниобия

Ниобий - вязкий тяжелый металл с серым блеском . В степени окисления -3, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5 , известны. Как и в случае с ванадием , который находится выше ниобия в периодической таблице, уровень +5 является наиболее постоянным. Химическое поведение ниобия почти идентично поведению тантала , который находится непосредственно под ниобием в периодической таблице.

В результате образования пассивного слоя (защитного слоя) ниобий очень устойчив к воздействию воздуха. Поэтому большинство кислот не разрушают его при комнатной температуре. Только плавиковая кислота , особенно в смеси с азотной кислотой , и горячая концентрированная серная кислота быстро разъедают металлический ниобий. Ниобий также неустойчив в горячих щелочах, так как они растворяют пассивный слой. При температуре выше 200 ° C он начинает окисляться в присутствии кислорода. Сварочная обработка ниобия должна происходить в атмосфере защитного газа из-за его нестабильности на воздухе .

Добавление вольфрама и молибдена к ниобию увеличивает его термостойкость, а алюминий увеличивает его прочность.

Ниобий становится сверхпроводящим при температуре ниже 9,26 К и, следовательно, является сверхпроводящим элементом с самой высокой температурой перехода .

Ниобий легко поглощает газы, поэтому один грамм ниобия может поглотить 100 см3 водорода при комнатной температуре , что ранее использовалось в технологии электронных ламп .

использовать

Сверхпроводящий резонатор из ниобия высокой чистоты для лазера на свободных электронах FLASH в DESY .

Ниобий используется в качестве легирующей добавки для нержавеющих сталей, специальных нержавеющих сталей (например, труб для производства соляной кислоты) и цветных сплавов, поскольку легированные ниобием материалы характеризуются повышенной механической прочностью. Даже в концентрациях от 0,01 до 0,1 процента по массе ниобий в сочетании с термомеханической прокаткой может значительно повысить прочность и ударную вязкость стали. Первые попытки использовать ниобий в качестве легирующего элемента (замены вольфрама ) были предприняты в США в 1925 году. Обработанные таким образом стали часто используются при строительстве трубопроводов. В качестве сильного карбидообразователя ниобий также добавляют в сварочные материалы для связывания углерода.

Монета Австрия штамп 25 евро биметаллических с сердцевиной ниобия.

Другое использование:

Черная часть сопла ракеты изготовлена ​​из ниобий-титанового сплава.
  • Значительные количества феррониобов и ниобов никеля используются в металлургической промышленности для производства жаропрочных сплавов (никель, кобальт и сплавы на основе железа). Из него изготавливаются статические детали для стационарных и летающих газовых турбин, детали ракет и жаропрочные детали для печного строительства.
  • Ниобий используется в качестве анодного материала в ниобиевых электролитических конденсаторах . Оксид ниобия, оксид ниобия (V), обладает высокой диэлектрической прочностью. Он наносится на поверхность ниобиевого анода в так называемом процессе формования и служит диэлектриком в этом конденсаторе. Ниобиевые электролитические конденсаторы конкурируют с более популярными танталовыми электролитическими конденсаторами .
  • Стеклянные колбы галогенных ламп снаружи с буквой z. B. niobium, часть теплового излучения вольфрамовой нити отражается обратно внутрь. В результате может быть достигнута более высокая рабочая температура и, следовательно, большая световая отдача при меньшем потреблении энергии.
  • В качестве катализатора (например, при производстве соляной кислоты, при синтезе биодизельного топлива и при производстве спиртов из бутадиена).
  • Как ниобат калия (химическое соединение калия, ниобия и кислорода), который используется в качестве монокристалла в лазерной технологии и для нелинейных оптических систем.
  • Использование в качестве электродного материала для натриевых ламп высокого давления.
  • Сверхпроводимость : При температурах ниже 9,5 К, чистый ниобий является типом II , сверхпроводник сплавы ниобия (с N, O, Sn, Alge, Ge) принадлежит к. Типу II веществ в дополнении к чистым элементам ниобию, ванадий и технеций -Superconductors является : Температура перехода этих сплавов составляет от 18,05 К ( ниобий-олово Nb 3 Sn) до 23,2 К ( ниобий-германий Nb 3 Ge). Сверхпроводящие объемные резонаторы из ниобия используются в ускорителях частиц (включая XFEL и FLASH в DESY в Гамбурге). - Для создания сильных магнитных полей до 20 Тесла используются сверхпроводящие магнитные катушки с проводами из ниобий-олова или ниобий-титана, например Б. в термоядерном реакторе ИТЭР 600 т ниобий-олово и 250 т ниобий-титан. Катушки сверхпроводящего магнита LHC также сделаны из сплавов ниобия.
  • Благодаря своей биосовместимости ниобий используется для поверхностного покрытия имплантатов.
  • Чтобы противодействовать межкристаллитной коррозии , ниобий используется в качестве легирующего элемента в хромистых сталях. Для этого он должен присутствовать как минимум в двенадцатикратной концентрации углерода. Ниобий образует карбиды быстрее, чем хром. Следовательно, не происходит образования богатых хромом карбидов, что означало бы, что обедненные хромом области развиваются в другом месте структуры.

Инструкции по технике безопасности

Ниобий считается нетоксичным, но металлическая пыль ниобия раздражает глаза и кожу. Ниобиевая пыль легко воспламеняется.

Физиологический механизм действия ниобия неизвестен.

литература

  • Ганс Брейер: dtv-Atlas Chemie. 9-е издание. Том 1, ДТВ-Верлаг, 2000, ISBN 3-423-03217-0 .
  • М. Бинньюис: Общая и неорганическая химия. 1-е издание. Spektrum Verlag, 2004, ISBN 3-8274-0208-5 .
  • Сергей Венецкий: Рассказы о металлах . 3-й, через Версия. Немецкое издательство базовой промышленности, 1988, ISBN 3-342-00324-3 .
  • Рудольф Ридельбаух: Исследования металлического ванадия, ниобия и тантала. Диссертация . Мюнхен 1907 г.
  • Чарльз Киттель: Введение в физику твердого тела. 9-е издание. Oldenbourg Verlag, 1991, ISBN 3-486-22018-7 .
  • Гарри Х. Биндер: Словарь химических элементов - периодическая таблица в фактах, цифрах и данных. Hirzel, Штутгарт 1999, ISBN 3-7776-0736-3 .

веб ссылки

Commons : Niobium  - коллекция изображений, видео и аудио файлов.
Викисловарь: Ниобий  - объяснение значений, происхождение слов, синонимы, переводы
Викитек: О составе tantalites и новый металл , содержащемся в танталите Баварии  - на Heinrich Rose (1844)

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ а б Гарри Х. Биндер: Словарь химических элементов. С. Хирцель Верлаг 1999, ISBN 3-7776-0736-3 .
  2. ↑ Значения атомных и физических свойств (информационное окно) взяты с www.webelements.com (Niob) .
  3. ↑ Комиссия ИЮПАК по изотопному содержанию и атомным весам: пересмотр стандартных атомных весов 14 химических элементов. В: Chemistry International. 40, 2018, стр 23,. DOI : 10,1515 / CI-2018-0409 .
  4. ↑ a b c d e Запись о ниобии в Крамиде, А., Ральченко, Ю., Ридере, Дж. И NIST ASD Team (2019): База данных атомных спектров NIST (версия 5.7.1) . Издание: НИСТ , Гейтерсбург, Мэриленд. DOI : 10.18434 / T4W30F ( https://physics.nist.gov/asd ). Проверено 11 июня 2020 года.
  5. ↑ a b c d e Запись о ниобии на WebElements, https://www.webelements.com , по состоянию на 11 июня 2020 г.
  6. ^ Н. Н. Гринвуд, А. Эрншоу: Химия элементов. 1-е издание. 1988, ISBN 3-527-26169-9 , стр. 1260.
  7. ↑ Роберт К. Уист (ред.): Справочник CRC по химии и физике . CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Бока-Ратон, 1990, ISBN 0-8493-0470-9 , стр. E-129 - E-145. Значения здесь основаны на г / моль и даны в единицах cgs. Указанное здесь значение - это рассчитанное на его основе значение в системе СИ без единицы измерения.
  8. ↑ a b Иминь Чжан, Джулиан Р.Г. Эванс, Шоуфэн Ян: Скорректированные значения точек кипения и энтальпий испарения элементов в справочниках. В: Journal of Chemical & Engineering Data . 56, 2011, стр. 328-337, DOI : 10.1021 / je1011086 .
  9. ↑ б запись на ниобий (порошок) в базе данных GESTIS вещества в IFA , доступ к 30 апреля 2017 года. (Требуется JavaScript)
  10. ↑ Минеральный атлас: Лопарит- (Ce) .
  11. ↑ Другой вид: Назван в честь Христофора Колумба , первооткрывателя Америки. Колумбия (и округ Колумбия ) были названы в честь Колумба .
  12. ^ А. Ф. Holleman , Е. Wiberg , Н. Wiberg : Учебник неорганической химии . 102-е издание. Вальтер де Грюйтер, Берлин 2007, ISBN 978-3-11-017770-1 , стр. 1553.
  13. ↑ dtv-Atlas Chemie. Том 1, ДТВ-Верлаг, 2000.
  14. ^ Месторождения ниобия .
  15. ^ SEC: конфликтные минералы - окончательное правило. 2012, стр. 34f, (PDF, 1,96 МБ, англ.)
  16. ↑ SEC принимает правила раскрытия информации об использовании конфликтных минералов. По состоянию на 3 сентября 2012 г.
  17. ↑ Иоахим Эккерт: Ниобий и соединения ниобия. В: Энциклопедия промышленной химии Ульмана. Wiley-VCH, 2000, DOI : 10.1002 / 14356007.a17_251 .
  18. ↑ Niobium на usgs.gov (файл PDF; 61 кБ).
  19. ↑ MINERAL COMMODITY SUMMARIES 2015. (PDF 2,3 МБ, стр. 110–111) USGS , по состоянию на 7 октября 2015 г. (на английском языке).
  20. ^ Нил Эшкрофт , Дэвид Мермин : Физика твердого тела . Колледж Сондерса, 1976, ISBN 0-03-083993-9 .
  21. ↑ CA Deshmane, JB Jasinski, P. Ratnasamy, MA Carreon: Синтез и каталитические свойства мезопористых, бифункциональных, смешанных оксидов галлия и ниобия. В: Chem Commun (Camb). 46 (34), 14 сентября 2010 г., стр. 6347-6349. PMID 20714564 .
  22. ↑ Томас Дж. Хейли, Н. Комесу, К. Раймонд: Фармакология и токсикология хлорида ниобия . В кн . : Токсикология и прикладная фармакология . Лента 4 , вып. 3 , 1962, стр. 385-392 , DOI : 10.1016 / 0041-008X (62) 90048-0 , PMID 13903824 .
  23. ^ Генри А. Шредер, Мэриан Митченер, Алексис П. Насон: цирконий, ниобий, сурьма, ванадий и свинец у крыс: исследования срока жизни . В: Журнал питания . Лента 100 , нет. 1 , 1970, с. 59-68 , PMID 5412131 .