Niob

Niob
←  Zirkonium | Molybden  →
41 V ↑ Nb ↓ Ta 41Nb _
Utseendet av en enkel substans
Niob kristaller
Atomegenskaper
Namn, symbol, nummer	Niob / Niob (Nb), 41
Grupp , punkt , block	5 (föråldrad 5), 5, d-element
Atommassa ( molmassa )	92.90638(2) [1]  a. e. m.  ( g / mol )
Elektronisk konfiguration	[Kr] 4d 4 5s 1
Atomradie	146 pm
Kemiska egenskaper
kovalent radie	164  pm
Jonradie	(+5e)69  pm
Elektronnegativitet	1,6 (Pauling-skala)
Elektrodpotential	0
Oxidationstillstånd	+1, +2, +3, +4, +5
Joniseringsenergi (första elektron)	663,6(6,88)  kJ / mol  ( eV )
Termodynamiska egenskaper hos ett enkelt ämne
Densitet (vid ej )	8,57 g/cm³
Smält temperatur	2741K (2468°C, 4474°F)
Koktemperatur	5015K (4742°C, 8567°F)
Oud. fusionsvärme	26,8 kJ/mol
Oud. avdunstningsvärme	680 kJ/mol
Molär värmekapacitet	24,44 [2]  J/(K mol)
Molar volym	10,8  cm³ / mol
Kristallgittret av en enkel substans
Gallerstruktur	Kubisk kropp centrerad
Gitterparametrar	3.301Å  _
Debye temperatur	275K  _
Andra egenskaper
Värmeledningsförmåga	(300 K) 53,7 W/(m K)
CAS-nummer	7440-03-1

Niob ( kemisk symbol  - Nb , från lat.  Niobium , föråldrat namn - columbium ) - ett kemiskt element i den 5:e gruppen (enligt den föråldrade klassificeringen  - en sidoundergrupp av den femte gruppen, VB), den femte perioden av det periodiska systemet av kemiska grundämnen av D. I. Mendeleev , med atomnummer 41.

Det enkla ämnet niob  är en briljant silvergrå övergångsmetall med ett kubiskt kroppscentrerat kristallgitter av α-Fe-typ, a = 0,3294 . För niob är isotoper med masstal från 81 till 113 kända.

Historik

Niobium upptäcktes 1801 av den engelske vetenskapsmannen Charles Hatchet i ett mineral som skickades tillbaka 1734 till British Museum från Massachusetts av John Winthrop (barnbarn till John Winthrop Jr. ). Mineralet hette columbite , och det kemiska elementet hette columbium (Cb) för att hedra landet från vilket provet erhölls ( Colombia  - det högtidliga namnet på USA) [3] .

År 1802 upptäckte A. G. Ekeberg tantal , som i nästan alla kemiska egenskaper sammanföll med niob, och därför trodde man länge att detta var ett och samma grundämne. Först 1844 slog den tyske kemisten Heinrich Rose fast att det var ett grundämne som skilde sig från tantal och döpte om det till "niob" för att hedra Tantalus dotter Niobe , vilket betonade likheterna mellan elementen. I vissa länder (USA, England) behölls emellertid det ursprungliga namnet på grundämnet, columbium, under lång tid, och först 1950, genom beslut av International Union of Pure and Applied Chemistry ( IUPAC , IUPAC), grundämnet fick slutligen namnet niob.

För första gången erhölls ren niob i slutet av 1800-talet av den franske kemisten Henri Moissan med elektrotermiska medel: han reducerade nioboxid med kol i en elektrisk ugn [4] .

Att vara i naturen

Clarke av niob - 18 g/t. Halten av niob ökar från ultramafisk (0,2 g/t Nb) till sura bergarter (24 g/t Nb). Niob åtföljs alltid av tantal. De nära kemiska egenskaperna hos niob och tantal bestämmer deras gemensamma närvaro i samma mineral och deltagande i vanliga geologiska processer. Niob kan ersätta titan i ett antal titanhaltiga mineraler ( sfen , ortit , perovskit , biotit ). Formen för att hitta niob i naturen kan vara olika: spridd (i bergbildande och accessoriska mineraler från magmatiska bergarter) och mineral. Totalt är mer än hundra mineraler som innehåller niob kända. Av dessa är endast ett fåtal av industriell betydelse: kolumbittantalit (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6 , pyroklor (Na, Ca, TR, U) 2 (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 ( OH, F) (Nb 2 O 5 0 - 63%), loparit (Na, Ca, Ce) (Ti, Nb) O 3 ((Nb, Ta) 2 O 5 8 - 10%), euxenit, torolite, ilmenorutil används ibland, liksom mineraler som innehåller niob som föroreningar ( ilmenit , kassiterit , wolframit ). I alkaliska - ultrabasiska bergarter är niob dispergerat i mineraler som perovskit och i eudialyt. I exogena processer kan niob- och tantalmineraler, eftersom de är stabila, ackumuleras i deluvial-alluviala placers (columbite placers), ibland i bauxiter av vittringsskorpan. Koncentrationen av niob i havsvatten är 1⋅10 −5 mg/l [5] .

Insättningar

Niobfyndigheter finns i USA , Japan [6] , Ryssland ( Kolahalvön ), Brasilien, Kanada [7] .

Isotoper

Naturligt niob består av en enda stabil isotop  , 93 Nb. Alla andra artificiellt erhållna isotoper av niob med masstal från 81 till 113 är radioaktiva (totalt 32 är kända). Den längsta levande isotopen är 92Nb med en halveringstid på 34,7 miljoner år.

Också kända är 25 metastabila tillstånd i kärnorna i dess olika isotoper.

Fysiska egenskaper

Den fullständiga elektroniska konfigurationen av niobatomen är: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 4 5s 1

Niob är en seg , eldfast övergångsmetall vars fysikaliska egenskaper beror på temperaturen. Smältpunkt 2468°C och densitet 8,57 g/cm3 ( vid 20°C). Kokpunkten för niob är 4742 °C, gitterstrukturen är kroppscentrerad kubisk med en period på 0,33 nm.

Kemiska egenskaper

Kemiskt är niob ganska stabilt, men sämre i detta avseende än tantal . Det påverkas praktiskt taget inte av saltsyra , ortofosforsyra , utspädd svavelsyra , salpetersyra . Metallen löses i fluorvätesyra HF , en blandning av HF och HNO 3 , koncentrerade lösningar av kaustikalkali samt i koncentrerad svavelsyra vid upphettning över 150 ° C. När det bränns i luft oxideras det till Nb 2 O 5 . Cirka 10 kristallina modifikationer har beskrivits för denna oxid . Vid vanligt tryck är β-formen av Nb 2 O 5 stabil .

• När Nb 2 O 5 smälts samman med olika oxider erhålls niobater: Ti 2 Nb 10 O 29 , FeNb 49 O 124 . Niobater kan betraktas som salter av hypotetiska niobsyror. De är uppdelade i metaniobater MNbO3 , ortoniobater M3NbO4 , pyroniobater M4Nb2O7 eller polyniobater M2OnNb2O5 ( M är en enkelladdad katjon , n = 2-12 ) . Niobater av två- och treladdade katjoner är kända.
• Niobater reagerar med HF , smältor av alkalimetallhydrofluorider (KHF 2 ) och ammonium . Vissa niobater med hög M 2 O/Nb 2 O 5 hydrolyserar :

• Niob bildar NbO 2 , NbO, en serie oxider som ligger mellan NbO 2,42 och NbO 2,50 och har liknande struktur som β-formen av Nb 2 O 5 .
• Med halogener bildar niob NbHal 5 -pentahalider, NbHal 4 -tetrahalider och NbHal 2.67- NbHal  3 +x faser innehållande Nb3- eller Nb2 - grupper . Niobpentahalider hydrolyseras lätt av vatten.
• I närvaro av vattenånga och syre bildar NbCl 5 och NbBr 5 oxihalider NbOCl 3 och NbOBr 3  - lösa bomullsliknande ämnen.
• När niob och grafit interagerar bildas Nb 2 C och NbC karbider, fasta värmebeständiga föreningar. I Nb - N-systemet finns flera faser med variabel sammansättning och nitrider Nb 2 N och NbN. Niob beter sig på liknande sätt i system med fosfor och arsenik . I växelverkan mellan niob och svavel erhölls sulfider : NbS, NbS2 och NbS3 . Dubbla fluorider Nb och kalium ( natrium ) — K 2 [NbF 7 ] har syntetiserats.
• Det har ännu inte varit möjligt att isolera niob elektrokemiskt från vattenhaltiga lösningar. Möjlig elektrokemisk produktion av legeringar innehållande niob. Metalliskt niob kan isoleras genom elektrolys av vattenfria saltsmältor.

Får

Niobmalmer är vanligtvis komplexa och fattiga på metall. Malmkoncentrat innehåller Nb 2 O 5 : pyroklor  - inte mindre än 37%, loparit  - 8%, columbite  - 30-60%. De flesta av dem bearbetas genom aluminium- eller silikotermisk reduktion till ferroniob (40–60 % Nb) och ferrotantaloniob. Metallniob erhålls från malmkoncentrat med hjälp av en komplex teknik i tre steg:

1. öppning av koncentratet,
2. separation av niob och tantal och erhållande av deras rena kemiska föreningar,
3. återvinning och raffinering av metalliskt niob och dess legeringar.

De huvudsakliga industriella metoderna för framställning av niob och dess legeringar är aluminiumtermisk, natriumtermisk, karbotermisk: från en blandning av Nb 2 O 5 och sot erhålls karbid först vid 1800 ° C i en väteatmosfär , sedan från en blandning av karbid och pentoxid vid 1800-1900°C i vakuummetall; för att erhålla nioblegeringar tillsätts oxider av legeringsmetaller till denna blandning; alternativt reduceras niob vid hög temperatur i vakuum direkt från Nb 2 O 5 kimrök. Niob reduceras genom den termiska natriummetoden med natrium från K 2 NbF 7 , genom den aluminiumtermiska metoden med aluminium från Nb 2 O 5 . En kompakt metall ( legering ) framställs genom pulvermetallurgiska metoder, sintringsstänger pressade från pulver i vakuum vid 2300 °C eller genom elektronstråle- och vakuumbågsmältning; enkristaller av högrent niob - smältning av elektronstråle utan degel .

Applikation

Användningen och produktionen av niob ökar snabbt, vilket beror på en kombination av dess egenskaper såsom eldfasthet, ett litet termiskt neutroninfångningstvärsnitt , förmågan att bilda värmebeständiga, supraledande och andra legeringar, korrosionsbeständighet, getteregenskaper, låg elektronarbetsfunktion , god kallbearbetbarhet och svetsbarhet. De huvudsakliga tillämpningsområdena för niob: raketvetenskap, flyg- och rymdteknik, radioteknik, elektronik, byggnad av kemiska apparater, kärnkraftsteknik.

Tillämpningar av metalliskt niob

• Flygplansdelar är gjorda av rent niob eller dess legeringar; skal för uran- och plutoniumbränsleelement; behållare och rör för flytande metaller; detaljer om elektrolytiska kondensatorer ; "heta" armaturer av elektroniska (för radarinstallationer) och kraftfulla generatorlampor ( anoder , katoder , galler, etc.); korrosionsbeständig utrustning inom den kemiska industrin.
• Andra icke-järnmetaller är legerade med niob , inklusive uran . Till exempel, aluminium , om bara 0,05% niob införs i det, reagerar inte alls med alkalier , även om det under normala förhållanden löses i dem. En legering av niob med 20% koppar har en hög elektrisk ledningsförmåga och samtidigt är den dubbelt så hård och starkare än ren koppar .
• Niob används i kryotroner  - supraledande element i datorer. Niob är också känt för sin användning i de accelererande strukturerna av Large Hadron Collider [9] .
• Niob och tantal används för att producera elektrolytiska kondensatorer med hög specifik kapacitans. Tantal tillåter produktion av kondensatorer av högre kvalitet än metalliskt niob. Nioboxidkondensatorer är dock de mest pålitliga och brandsäkra.
• Österrike , Brittiska Jungfruöarna , Kanada , Lettland , Liberia , Luxemburg , Palau och Sierra Leone ger ut bimetalliska minnesmynt med niob [10] [11] .

• 25 € "700 år av Hall i Tyrolen"

• 25 € "150-årsjubileum för Alpbanan"

• 25 € "50 år av tv"

• 25 € "Bionics"

Intermetalliska material och legeringar av niob

• Nb 3 Sn stannid ( triniobstannide , även känd som niob-tennlegering), Nb 3 Ge germanid ( germaniumtriniobium ), NbN-nitrid och legeringar av niob med titan ( niob-titan ) och zirkonium används för att göra supraledande solenoider . Således är lindningarna av de supraledande magneterna i Large Hadron Collider gjorda av 1200 ton niob-titanlegeringskabel.
• Niob och legeringar med tantal ersätter i många fall tantal, vilket ger en stor ekonomisk effekt (niob är billigare och nästan dubbelt så lätt som tantal).
• Ferroniob [12] införs (upp till 0,6 % niob) i rostfria krom-nickelstål för att förhindra deras intergranulära korrosion (inklusive den som annars skulle börja efter rostfritt stålsvetsning ) och förstörelse, och i andra typer av stål för att förbättra deras egenskaper.
• Niob används för att prägla samlarmynt. Således hävdar Bank of Latvia att niob används tillsammans med silver i samlarobjekt 1 lat mynt [13] [14] .

Tillämpningar av niobföreningar

• Nb 2 O 5  är en katalysator inom den kemiska industrin;
• vid tillverkning av eldfasta material, cermets, specialglas, nitrid, karbid, niobater.
• Niobkarbid (smp. 3480 °C) i en legering med zirkoniumkarbid och uran-235 karbid är det viktigaste konstruktionsmaterialet för bränsleelement i fastfas kärnjetmotorer.
• Niobiumnitrid NbN används för produktion av tunna och ultratunna supraledande filmer med en kritisk temperatur på 5 till 10 K med en smal övergång, i storleksordningen 0,1 K.

Första generationens supraledande material

• En av de aktivt använda supraledarna (supraledande övergångstemperatur 9,25 K). Niobföreningar har en supraledande övergångstemperatur på upp till 23,2 K (Nb 3 Ge).
• De vanligaste industriella supraledarna är NbTi och Nb 3 Sn.
• Niob används också i magnetiska legeringar.
• Det används som en legeringstillsats.
• Niobiumnitrid används för att göra supraledande bolometrar .
• Den exceptionella motståndskraften hos niob och dess legeringar med tantal i överhettad cesium-133- ånga gör det till ett av de mest föredragna och billiga konstruktionsmaterialen för termiongeneratorer med hög effekt.

Fysiologisk verkan

• Niobmetalldamm är brandfarligt och irriterande för ögon och hud.
• Vissa niobföreningar är mycket giftiga.
• Den högsta tillåtna koncentrationen av niob i vatten är 0,01 mg/l.
• Vid intag orsakar det irritation av inre organ och efterföljande förlamning av armar och ben.

Anteckningar

1. ↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg , Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang-Kun Zhu. Grundämnenas atomvikter 2011 (IUPAC Technical Report  )  // Pure and Applied Chemistry . - 2013. - Vol. 85 , nr. 5 . - P. 1047-1078 . - doi : 10.1351/PAC-REP-13-03-02 .
2. ↑ Ledare: Knunyants I. L. (chefredaktör). Chemical Encyclopedia: i 5 volymer - Moskva: Soviet Encyclopedia, 1992. - T. 3. - S. 249. - 639 sid. — 50 000 exemplar.  - ISBN 5-85270-039-8.
3. ↑ Materialhandbook: A Concise Desktop Reference Arkiverad 3 oktober 2015 på Wayback Machine , François Cardarelli, 2000, s.157.
4. ↑ Venetsky S.I. Fyrtioförsta // Berättelser om metaller. - Moskva: Metallurgi, 1979. - 240 s. — 60 000 exemplar.
5. ↑ JP Riley och Skirrow G. Chemical Oceanography V.I, 1965
6. ↑ Sällsynt niob på marknaden för sällsynta jordartsmetaller . Datum för åtkomst: 20 september 2010. Arkiverad från originalet den 13 december 2010. (obestämd)
7. ↑ Avlagring av niob och tantal . Hämtad 20 september 2010. Arkiverad från originalet 9 juli 2011. (obestämd)
8. ↑ Larry D. Cunningham. USGS Minerals Information: Niob (Columbium) och Tantal . Minerals.usgs.gov (5 april 2012). Hämtad 17 augusti 2012. Arkiverad från originalet 25 november 2012. (obestämd)
9. ↑ Lansering av kollideren // "Science and Technologies of Russia" (otillgänglig länk) . Hämtad 7 februari 2009. Arkiverad från originalet 21 september 2008. (obestämd) 
10. ↑ Niobium Coins: The Charm of Color (länk ej tillgänglig) . EuroCoins.News. Hämtad 12 mars 2012. Arkiverad från originalet 28 maj 2012. (obestämd) 
11. ↑ Katalog över österrikiska samlingsmynt gjorda av ädelmetaller (otillgänglig länk) . Myntens värld. Hämtad 19 mars 2012. Arkiverad från originalet 15 februari 2012. (obestämd) 
12. ↑ Titan används också till detta i samma mängder.
13. ↑ Tidsmynt (nedlänk) . Hämtad 5 december 2007. Arkiverad från originalet 12 mars 2008. (obestämd) 
14. ↑ Tidsmynt2 (nedlänk) . Hämtad 5 december 2007. Arkiverad från originalet 22 maj 2009. (obestämd) 

Länkar

• Niobium on Webelements Arkiverad 15 september 2004 på Wayback Machine
• Niob vid Popular Library of Chemical Elements Arkiverad 14 mars 2007 på Wayback Machine

Ordböcker och uppslagsverk	Stor dansk Stor katalanska Stor norsk Stor ryss Brockhaus och Efron Litet Brockhaus och Efron Ny Britannica (online) Brockhaus Treccani Universalis Universalis
I bibliografiska kataloger BNE : XX543817 BNF : 12257830n GND : 4042362-1 J9U : 987007531486605171 LCCN : sh85091993 NDL : 00568530