Ниобий - описание, химические свойства и сферы применения

Мир химических элементов разнообразен. Одним из его представителей является ниобий.

Тесно связан с ним компонент, который носит название тантал. Открытие элементов датируется XVII столетием. Место – северо-запад США, река Колумбия. Минерал черного цвета. Особенность внешнего вида – наличие золотистых прожилок на поверхности. После обнаружения он долгое время хранился в главном историко-археологическом музее Британской империи. Там ему было присвоено простое название – железная руда.

Для того чтобы разобраться с тем, что представляет собой элемент, необходимо подробнее рассмотреть его историю. Химические свойства и характеристики позволят понять, где можно применять ниобий.

Оглавление

• История минерала
• Где в природе найти ниобий
• Что известно об элементе
• Производство ниобия
• Применение ниобия в промышленности
• Различные свойства ниобия

История минерала

Подробный анализ элемента был проведен химиком Чарльзом Хатчетом в начале XIX века. Он дал название новому компоненту – колумбит. Окислы, соответственно, именовались колумбиями. В 1802 году другой ученый - минералог Андерс Густав Экенберг из Швеции обнаружил в руде еще один химический элемент. Им являлся тантал.

Только в 1844 году немецкий химик-аналитик Генрих Розе во время проведения опытов выделил из колумбита два разных вида металлических окислов. Химические свойства при этом у веществ были схожими. Так появились 2 отдельных компонента – ниобий и тантал. Официально эти названия закрепились только в 1950 году.

Где в природе найти ниобий

В природе элемент содержится в небольшом количестве. В земной коре его можно найти редко, так как общий показатель равен всего 0,002%. Также нужно учитывать, что в свободной форме он вообще не встречается. Этот металл можно выделить исключительно из минералов. Оценки запасов руды показывают, что использовать для добычи можно всего 16 млн тонн. Больше всего ее находится в Бразилии – 70%. Также до 25% пригодной для добычи ниобия руды находится в России. Залежи были открыты в Восточной Сибири и на территории Дальнего Востока. 

Что известно об элементе

Ниобий находится в V группе таблицы Менделеева. Другие сведения:

• Атомный номер – 41
• Атомная масса – 92,9
• Имеет серо-стальной блеск
• Электронная формула - 4d45sl

Особое свойства – тугоплавкость. Благодаря ему компонент активно применяется в разных областях промышленности. Также интересно, что температура плавления составляет 2468 градусов. Кипит элемент при 4927 градусах. Показатели плотности – 8,57 г/см3. Металл обладает таким свойством, как парамагнитность. Кристаллическая решетка имеет радиус в 3.294 ангстрем. Интересно, что химические свойства ниобия и тантала очень похожи. Они обладают выраженной устойчивостью к воздействию отрицательных температур. Не страшны компонентам и разнообразные агрессивные среды. Процесс окисления ниобия начинается на воздухе только при нагреве более 200 градусов. Взаимодействовать элемент может со следующими кислотами: 

• Серная
• Соляная
• Фосфорная
• Хлорная

Не боится металл и воздействия водных растворов аммиака. Элемент способен образовывать диэлектрическую оксидную пленку в составе кислых электролитов. Подобное свойство активно используется в процессе изготовления небольших высокоемкостных конденсаторов.

Производство ниобия

Для производства элемента используется в большинстве случаев пятиокись ниобия. Формула записывается так – Nb2O5. Тип руды влияет на количество компонента:

• Пирохлоровая – содержит до 37%
• Лопаритовая — 8%
• Колумбитовая – 30-60%

В большинстве случаев запускается цикл термического восстановления. Дополнительным компонентом в реакции является алюминий. В качестве альтернативы используется кремний. В результате получают соединения, которые называются феррониобий и ферротанталониобий. Если требуется получить металлический ниобий, то источник будет также рудой. Изменяется только технология производства. Она состоит уже из 3 стадий:

• Добыча руды
• Переработка
• Вскрытие концентратов

Для получения элемента используется метод порошковой металлургии. Для того чтобы получить металлический ниобий высокой пробы, используется рафинирование.

Применение ниобия в промышленности

В большинстве случаев добыча и получение компонента проводятся для того, чтобы затем отправить его на производство разнообразных сталей. В их число входят прецизионные. Наличие ниобия способствует следующему улучшению сплавов:

• Жаростойкость
• Прочность
• Пластичность в горячем состоянии
• Уменьшается межкристаллическая коррозия
• Увеличивается показатель твердости

По этой причине компонент активно используется в ракетостроении. Ниобий обладает невысоким показателем искусственной радиоактивности. По этой причине элемент допускается для изготовления различных емкостей. Их затем используют для транспортировки и хранения радиоактивных отходов. Ниобий применяется в радиоэлектронике и микропроцессорной технике. Из него создаются конденсаторы. Особенность – повышенная надежность и устойчивость к возгоранию. Также сферой применения элемента является термоядерная энергетика. Задействован компонент в процессе создания ядерных реакторов. Авиастроение также требует использования ниобия.

Различные свойства ниобия

Сначала нужно рассмотреть физические свойства компонента:

• Плотность составляет 8,57 г/см3. Достигается уже при 20 градусах.
• Теплопроводность составляет 53,7 Вт/(м·К). Достигается при 300 К.
• Электропроводность - сверхпроводящий при 9,46 К.
• Твердость составляет 450 по Бринеллю. Показатель будет справедлив для чистого металла.
• Пластичность составляет 19–21%.
• Температура перехода в сверхпроводящее - 9,25 К.

Также нужно отметить, что чистый ниобий:

• Пластичен
• Ковок
• Поддается холодным видам обработки

Такие виды примесей, как H, N, C и О снижают пластичность. Одновременно они повышают показатели хрупкости компонента.

Теперь нужно подробнее рассмотреть химические свойства:

• Окисление на воздухе происходит при температуре 200-300 градусов.
• Быстрое окисление – при 500 градусах с одновременным образованием оксидов.
• Поглощает различные газы.
• Взаимодействует с галогенами с образованием летучих пентагалогенид.
• Вступает во взаимодействие с углеводородами. Реакция запускается при температуре 1200–1500 градусов. В процессе образуются тугоплавкие карбиды и оксикарбиды.
• В соединениях степень окисления +5. Иногда +1-+4.

• Электроотрицательность по Полингу составляет 1,6.

Получение предполагает использование электротермического метода. Особенность в том, что осуществляется восстановление оксида ниобия углеродом в электропечи. В промышленности используется также карботермический способ. В этом случае вещество добывается восстановлением оксида ниобия углеродом. Реакция протекает в вакуумной печи. Температура должна достигать 1800-1900 градусов.