НИОБИЙ
(лат. Niobium),
Nb, хим. элемент V группы периодич. системы Менделеева; ат. н. 41, ат.
м. 92,9064; металл серо-стального цвета. Элемент имеег один природный изотоп
93Nb.
Н. открыт в 1801 англ, учёным
Ч. Хат-четом (1765—1847) в минерале, найденном в Колумбии, и назван им
«колум-бием». В 1844 нем. химик Г. Роэз (1795—1864) обнаружил «новый» элемент
и назвал его «ниобием» в честь дочери Тантала Ниобы, чем подчеркнул
сходство между Н. и танталом. Позднее было установлено, что Н. тот
же элемент, что и Колумбии.
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 ок. 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 и колумбит.
Промышленные месторождения Н. связаны с массивами щелочных пород (напр.,
на Кольском полуострове), их корами выветривания, а также с гранитными
пегматитами. Важное значение имеют и россыпи танталониобатов.
В биосфере геохимия Н. изучена
плохо. Установлено только, что в районах щелочных пород, обогащенных Н.,
он мигрирует в виде соединений с органич. и др. комплексами. Известны минералы
Н., образующиеся при выветривании щелочных пород (мурманит, герасимовскит
и др.). В морской воде лишь ок. 1*10-9 % Н. по массе.
В 60-е гг. 20 в. ежегодно
в мире добывалось ок. 1300 т Н., что по сравнению с кларком свидетельствует
о его слабом использовании (слабее большинства металлов).
Физические и химические свойства.
Чистый Н. легко обрабатывается
По хим. свойствам Н. близок
Н. устойчив к действию многих
Конфигурация внешних электронов
С водородом Nb образует твёрдый
Получение и применение. Руды
Применение и производство
Лит.: Зеликман А.
А
Б
В
Г
Д
Е
Ё
Ж
З
И
Й
К
Л
М
Н
О
П
Р
С
Т
У
Ф
Х
Ц
Ч
Ш
Щ
Ъ
Ы
Ь
Э
Ю
Я
Кристаллич. решётка Н. объёмноцентрированная кубич. с параметром а =
3,294 А. Плотность 8,57 г/см3 (20 °С); t
рт. ст.= = 133,3 н/м2) 1*10-5 (2194 °С),
1*10-4 (2355 °С), 6*10-4 (при t
(2539 °С). Теплопроводность в вт/(.м-К) при О 0С и 600
°С соответственно 51,4 и 56,2, то же в кал/(см• сек • °С) 0,125
и 0,156. Уд. объёмное электрич. сопротивление при О °С 15,22-10"8
ом*м (15,22*10-6 ом-см). Темп-pa перехода в сверхпроводящее
состояние 9,25 К. Н. парамагнитен. Работа выхода электронов 4,01 эв.
давлением на холоду и сохраняет удовлетворительные механич. свойства при
высоких темп-pax. 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, технич. 750—1800 Mн/м2. Примеси
некоторых элементов, особенно водорода, азота, углерода и кислорода, сильно
ухудшают пластичность и повышают твёрдость Н.
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 oС.
Практически не действуют на Н. очищенные от примеси кислорода жидкие Na,
К и их сплавы, Li, Bi, Pb, Hg, Sn, применяемые в качестве жидкометаллич.
теплоносителей в атомных реакторах.
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 к-та, её смесь с азотной кислотой и щёлочи растворяют
Н. В кислых электролитах на Н. образуется анодная окисная плёнка с высокими
диэлектрич. характеристиками, что позволяет использовать Н. и его сплавы
с Та взамен дефицитного чистого Та для изготовления миниатюрных электролитич.
конденсаторов большой ёмкости с малыми токами утечки.
атома Nb 4d45sl. Наиболее устойчивы соединения
пятивалентного Н., но известны и соединения со степенями окисления + 4,
+3, +2и +1, к образованию к-рых Н. склонен более, чем тантал. Напр., в
системе Н.— кислород установлены фазы: пятиокись Nb
NbO
NbO (t
при 1700 °С, интенсивно — при 2300—2350 °С, что используют для вакуумной
очистки Н. от кислорода; Nb
известны их соли — ниобаты.
раствор внедрения (до 10 ат.% Н) и гидрид состава от NbH
oС 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; темп-pa перехода в сверхпроводящее состояние 15,6
К. С углеродом при 1800—2000 °С Nb образует 3 фазы: а-фаза — твёрдый
раствор внедрения углерода в Н., содержащий до 2 ат.% С при 2335 °С; В-фаза
— Nb
оксигалогениды и комплексные соли. Из них наиболее важны и лучше других
изучены пентафторид NbF
Nb — обычно комплексные и бедны Nb, хотя их запасы намного превосходят
запасы руд Та (см. Ниобиевые руды). Рудные концентраты содержат
Nb
силикотермич. восстановлением на феррониобий (40—60% Nb) и ферротанталониобий.
Металлич. Nb получают из рудных концентратов по сложной технологии в три
стадии: 1) вскрытие концентрата, 2) разделение Nb и Та и получение их чистых
хим. соединений, 3) восстановление и рафинирование металлич. Н. и его сплавов.
Основные промышленные методы производства Nb и сплавов — алюминотер-мический,
натриетермический, карботер-мический: из смеси Nb
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 темп-ре
в вакууме непосредственно из Nb
в вакууме при 2300 oС, либо электроннолучевой и вакуумной дуговой
плавкой; монокристаллы Nb высокой чистоты — бестигельной электроннолучевой
зонной плавкой.
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 космич. 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 электрич. конденсаторов;
«горячую» арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных
ламп (аноды, катоды, сетки и др.); коррозионноустойчи-вую аппаратуру в
хим. пром-сти. Ниобием легируют др. цветные металлы, в т. ч. уран. Н. применяют
в криотронах — сверхпроводящих элементах вычислительных машин, а станнид
Nb
экономич. эффект (Nb дешевле и почти вдвое легче, чем Та). 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.: Nb
ниобаты.
Н., Меерсон Г. А., Металлургия редких металлов, М., 1973; Ниобий, тантал
и их сплавы, пер. с англ., М., 1966; Н е д ю х а И. М., Черный В. Г., Ниобий
— металл космической эры, Киев, 1965; Ниобий и тантал. Сб. [переводных
ст.], под ред. О. П. Колчина, М., 1961; Фи л я н д М. А., Семенова Е. И.,
Свойства редких элементов [Справочник], 2 изд., М., 1964. О. П. Колчин.