Ниобий

(лат. Niobium) Nb, химический элемент V группы периодической системы Менделеева. Атомный номер 41, атомная масса 92,9064. Металл серо-стального цвета. Элемент имеет один природный изотоп 93Nb. Н. Открыт в 1801 английским учёным Ч. Хатчетом (1765—1847) в минерале, найденном в Колумбии, и назван им «колумбием». В 1844 немецкий химик Г. Розе (1795 — 1864) обнаружил «новый» элемент и назвал его «ниобием» в честь дочери Тантала Ниобы (См. Ниоба), чем подчеркнул сходство между Н. И Танталом. Позднее было установлено, что Н. Тот же элемент, что и колумбий. Распространение в природе. Среднее содержание Н. В земной коре (кларк) 2·10-3% по массе. Только в щелочных изверженных породах — нифелиновых сиенитах и др., содержание Н. Повышено до 10-2—10-1%.

В этих породах и связанных с ними пегматитах, карбонатитах, а также в гранитных пегматитах обнаружено 23 минерала Н. И около 130 др. Минералов, содержащих повышенные количества Н. Это в основном сложные и простые окислы. В минералах Nb связан с редкоземельными элементами и с Та, Ti, Ca, Na, Th, Fe, Ba (тантало-ниобаты, титанаты и др.). Из 6 промышленных минералов наиболее важны пирохлор (См. Пирохлоры) и Колумбит. Промышленные месторождения Н. Связаны с массивами щелочных пород (например, на Кольском полуострове), их корами выветривания, а также с гранитными пегматитами. Важное значение имеют и россыпи тантало-ниобатов. В биосфере геохимия Н. Изучена плохо. Установлено только, что в районах щелочных пород, обогащенных Н., он мигрирует в виде соединений с органическими и др.

Комплексами. Известны минералы Н., образующиеся при выветривании щелочных пород (мурманит, герасимовскит и др.). В морской воде лишь около 1 · 10-9% Н. По массе. В 60-е гг. 20 в. Ежегодно в мире добывалось около 1300 т Н., что по сравнению с кларком свидетельствует о его слабом использовании (слабее большинства металлов). Физические и химические свойства. Кристаллическая решётка Н. Объёмноцентрированная кубическим с параметром а = 3,294 Å. Плотность 8,57 г/см3 (20 °C). Tпл 2500 °C. Tkип 4927 oC. Давление пара (в мм рт. Ст., 1 мм рт. Ст. = 133,3 н/м2) 1 · 10-5 (2194 °С), 1 · 10-4 (2355 °С), 6 · 10-4 (при tпл), 1 · 10-3 (2539 °С). Теплопроводность в вт/(м · К) при 0 °С и 600 °С соответственно 51,4 и 56,2, то же в кал/(см · сек · °С) 0,125 и 0,156.

Удельное объёмное электрическое сопротивление при 0°С 15,22 · 10-8 ом · м (15,22 · 10-6ом · см). Температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,25 К. Н. Парамагнитен. Работа выхода электронов 4,01 эв. Чистый Н. Легко обрабатывается давлением на холоду и сохраняет удовлетворительные механические свойства при высоких температурах. Его предел прочности при 20 и 800 °С соответственно равен 342 и 312 Мн/м2, то же в кгс/мм2 34,2 и 31,2. Относительное удлинение при 20 и 800 °С соответственно 19,2 и 20,7%. Твёрдость чистого Н. По Бринеллю 450, технического 750—1800 Мн/м2. Примеси некоторых элементов, особенно водорода, азота, углерода и кислорода, сильно ухудшают пластичность и повышают твёрдость Н. По химическим свойствам Н.

Близок к танталу. Оба они чрезвычайно устойчивы (тантал более чем Н.) на холоду и при небольшом нагревании к действию многих агрессивных сред. Компактный Н. Заметно окисляется на воздухе только выше 200 °С. На Н. Действуют. Хлор выше 200 °С, водород при 250 °С (интенсивно при 360 °С), азот при 400 °С. Практически не действуют на Н. Очищенные от примеси кислорода жидкие Na, К и их сплавы, Li, Bi, Pb, Hg, Sn, применяемые в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах. Н. Устойчив к действию многих кислот и растворов солей. На него не действуют царская водка, соляная и серная кислоты при 20 °С, азотная, фосфорная, хлорная кислоты, водные растворы аммиака. Плавиковая кислота, её смесь с азотной кислотой и щёлочи растворяют Н.

В кислых электролитах на Н. Образуется анодная окисная плёнка с высокими диэлектрическими характеристиками, что позволяет использовать Н. И его сплавы с Ta взамен дефицитного чистого Та для изготовления миниатюрных электролитических конденсаторов большой ёмкости с малыми токами утечки. Конфигурация внешних электронов атома Nb 4d45s1. Наиболее устойчивы соединения пятивалентного Н., но известны и соединения со степенями окисления +4, +3, +2 и +1, к образованию которых Н. Склонен более, чем тантал. Например, в системе Н. — кислород установлены фазы. Пятиокись Nb2O5(tпл 1512 °С, цвет белый), нестехеометрические NbO2,47 и NbO2,42, двуокись NbO2 (tпл 2080 °С, цвет чёрный), окись NbO (tпл 1935 °С, цвет серый) и твёрдый раствор кислорода в Н.

NbO2 — полупроводник. NbO, сплавленная в слиток, обладает металлическим блеском и электропроводностью металлического типа, заметно испаряется при 1700 °С, интенсивно — при 2300—2350 °С, что используют для вакуумной очистки Н. От кислорода. Nb2O5 имеет кислотный характер. Ниобиевые кислоты не выделены в виде определённых химических соединений, но известны их соли — Ниобаты. С водородом Nb образует твёрдый раствор внедрения (до 10 ат.% Н) и гидрид состава от NbH0,7 до NbH. Растворимость водорода в Nb (в г/см3) при 20 °С 104, при 500 °С 74,4, при 900 °С 4,0. Поглощение водорода обратимо. При нагревании, особенно в вакууме, водород выделяется. Это используют для очистки Nb от водорода (сообщающего металлу хрупкость) и для гидрирования компактного Nb.

Хрупкий гидрид измельчают и дегидрируют в вакууме, получая чистый порошок Н. Для электролитич. Конденсаторов. Растворимость азота в Н. Составляет (% по массе) 0,005, 0,04 и 0,07 соответственно при 300, 1000 и 1500 °С. Рафинируют Н. От азота нагреванием в глубоком вакууме выше 1900 °С или вакуумной плавкой. Высший нитрид NbN светло-серого цвета с желтоватым оттенком. Температура перехода в сверхпроводящее состояние 15,6 К. С углеродом при 1800—2000 °С Nb образует 3 фазы. Α-фаза — твёрдый раствор внедрения углерода в Н., содержащий до 2 ат.% С при 2335 °С. Β-фаза — Nb2C, δ-фаза — NbC. С галогенами Н. Даёт галогениды, оксигалогениды и комплексные соли. Из них наиболее важны и лучше других изучены пентафторид NbF5, пентахлорид NbCl5, окситрихлорид NbOCI3, фторониобат калия K2NbF7 и оксифторониобат калия K2NbOF7 · H2O.

Небольшое различие в давлении паров NbCl5 и TaCl5 используют для их весьма полного разделения и очистки методом ректификации. Получение и применение. Руды Nb — обычно комплексные и бедны Nb, хотя их запасы намного превосходят запасы руд Та (см. Ниобиевые руды). Рудные концентраты содержат Nb2O5. Пирохлоровые — не менее 37%, лопаритовые — 8%, колумбитовые — 30—60%. Большую их часть перерабатывают алюмино- или силикотермическим восстановлением на феррониобий (40—60% Nb) и ферротанталониобий. Металлический Nb получают из рудных концентратов по сложной технологии в три стадии. 1) вскрытие концентрата, 2) разделение Nb и Ta и получение их чистых химических соединений, 3) восстановление и рафинирование металлического Н.

И его сплавов. Основные промышленные методы производства Nb и сплавов — алюминотермический, натриетермический, карботермический. Из смеси Nb2O5 и сажи вначале получают при 1800 °С в атмосфере водорода карбид, затем из смеси карбида и пятиокиси при 1800—1900 °С в вакууме — металл. Для получения сплавов Н. В эту смесь добавляют окислы легирующих металлов (см. Ниобиевые сплавы). По другому варианту Н. Восстанавливают при высокой температуре в вакууме непосредственно из Nb2O5 сажей. Натриетермическим способом Н. Восстанавливают натрием из K2NbF7, алюминотермическим— алюминием из Nb2O5. Компактный металл (сплав) производят методами порошковой металлургии, спекая спрессованные из порошков штабики в вакууме при 2300 °С, либо электроннолучевой и вакуумной дуговой плавкой.

Монокристаллы Nb высокой чистоты — бестигельной электроннолучевой зонной плавкой. Применение и производство Н. Быстро возрастают, что обусловлено сочетанием таких его свойств, как тугоплавкость, малое сечение захвата тепловых нейтронов (1,15 б), способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие и др. Сплавы, коррозионная стойкость, геттерные свойства, низкая работа выхода электронов, хорошие обрабатываемость давлением на холоду и свариваемость. Основные области применения Н. Ракетостроение, авиационная и космическая техника, радиотехника, электроника, хим. Аппаратостроение, атомная энергетика. Из чистого Н. Или его сплавов изготовляют детали летательных аппаратов. Оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов.

Контейнеры и трубы для жидких металлов. Детали электрических конденсаторов. «горячую» арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и др.). Коррозионноустойчивую аппаратуру в химической промышленности. Ниобием легируют др. Цветные металлы, в том числе уран. Н. Применяют в криотронах — сверхпроводящих элементах вычислительных машин, а станнид Nb3Sn и сплавы Nb с Ti и Zr — для изготовления сверхпроводящих соленоидов. Nb и сплавы с Ta во многих случаях заменяют Ta, что даёт большой экономический эффект (Nb дешевле и почти вдвое легче, чем Ta). Феррониобий вводят в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии и разрушения и в стали др.

Типов для улучшения их свойств. Применяют и соединения Н. Nb2O5 (катализатор в химической промышленности. В производстве огнеупоров, керметов, специальных стекол), нитрид (См. Нитриды), карбид (См. Карбиды), Ниобаты. Лит. Зеликман А. Н., Меерсон Г. А., Металлургия редких металлов, М., 1973. Ниобий, тантал и их сплавы, пер. С англ., М., 1966. Недюха И. М., Черный В. Г., Ниобий — металл космической эры, Киев, 1965. Ниобий и тантал. Сб. [переводных ст.], под ред. О. П. Колчина, М., 1961. Филянд М. А., Семенова Е. И., Свойства редких элементов [Справочник], 2 изд., М., 1964. О. П. Колчин.