Ниобий

Проект по теме «Химология».

Выполнила ученица 11  класса

Костерина Ольга.

П. Кесова Гора

2017 г.

Ниобий.

Характеристика элемента.

Ниобий — элемент побочной подгруппы пятой группы пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 41. Обозначается символом Nb (лат. Niobium). Простое вещество ниобий— блестящий металл серебристо-серого цвета.

История открытия.

Ниобий был открыт в 1801 г. английским учёным Ч. Хатчетом в минерале колумбите, найденном в бассейне р. Колумбии, и потому получил название «колумбий».

В 1844 году немецкий химик Генрих Розе переименовал его в «ниобий» в честь дочери Тантала Ниобы, чем подчеркнул сходство между ниобием и танталом. Однако в некоторых странах (США, Англии) долго сохранялось первоначальное название элемента — колумбий, и только в 1950 году решением Международного союза теоретической и прикладной химии элементу окончательно было присвоено название ниобий.

Нахождение в природе.

Кларк ниобия 18 г/т. Содержания ниобия увеличивается от ультраосновных (0,2 г/т Nb) к кислым породам (24 г/т Nb). Ниобию всегда сопутствует тантал. Близкие химические свойства ниобия и тантала обуславливают совместное их нахождение в одних и тех же минералах и участие в общих геологических процессах. Ниобий способен замещать титан в ряде титансодержащих минералов (сфен, ортит, перовскит, биотит). Форма нахождения ниобия в природе может быть разной: рассеянной (в породообразующих и акцессорных минералах магматических пород) и минеральной. В общей сложности известно более 100 минералов, содержащих ниобий. Из них промышленное значение имеют лишь некоторые: колумбит-танталит, пирохлор, лопарит, иногда используются эвксенит, торолит, ильменорутил, а также минералы, содержащие ниобий в виде примесей (ильменит, касситерит, вольфрамит). В щелочных — ультраосновных породах ниобий рассеивается в минералах типа перовскита и в эвдиалите. В экзогенных процессах минералы ниобия и тантала, являясь устойчивыми, могут накапливаться в деллювиально-аллювиальных россыпях (колумбитовые россыпи), иногда в бокситах коры выветривания.

Месторождения ниобия расположены в США, Японии, России, Бразилии, Канаде.

Получение.

Руды ниобия — обычно комплексные и бедны металлом. Рудные концентраты содержат Nb2O5: пирохлоровые — не менее 37 %, лопаритовые — 8 %, колумбитовые — 30—60 %. Большую их часть перерабатывают алюмо- или силикотермическим восстановлением на феррониобий (40—60 % Nb) и ферротанталониобий. Металлический ниобий получают из рудных концентратов по сложной технологии в три стадии:

1) вскрытие концентрата

 2) разделение ниобия и тантала и получение их чистых химических соединениий

 3) восстановление и рафинирование металлического ниобия и его сплавов.

Основные промышленные методы производства ниобия и его сплавов — алюмотермический, натрийтермический, карботермический: из смеси Nb2O5 и сажи вначале получают при 1800 °C в атмосфере водорода карбид, затем из смеси карбида и пятиокиси при 1800—1900 °C в вакууме — металл; для получения сплавов ниобия в эту смесь добавляют окислы легирующих металлов; по другому варианту ниобий восстанавливают при высокой температуре в вакууме непосредственно из Nb2O5 сажей. Натрийтермическим способом ниобий восстанавливают натрием из K2NbF7, алюминотермическим — алюминием из Nb2O5. Компактный металл (сплав) производят методами порошковой металлургии, спекая спрессованные из порошков штабики в вакууме при 2300 °C либо электроннолучевой и вакуумной дуговой плавкой; монокристаллы ниобия высокой чистоты — бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.

Физические свойства.

Блестящий металл серебристо-белого цвета; покрывается желтоватой оксидной пленкой. Плотность (при н. у.)        - 8,57 г/см³. Температура плавления - 2741 K. Температура кипения - 5015 K. Теплота плавления - 26,8 кДж/моль. Теплота испарения - 680 кДж/моль.

Химические свойства.

Химически ниобий довольно устойчив. При прокаливании на воздухе окисляется до Nb2О5. Для этого оксида описано около 10 кристаллических модификаций. При обычном давлении стабильна β-форма Nb2О5.

При сплавлении Nb2О5 с различными оксидами получают ниобаты: Ti2Nb10О29, FeNb49О124. Ниобаты могут рассматриваться как соли гипотетических ниобиевых кислот. Они делятся на метаниобаты MNbO3, ортониобаты M3NbO4, пирониобаты M4Nb2O7 или полиниобаты M2O·nNb2O5 (M — однозарядный катион, n = 2-12). Известны ниобаты двух- и трехзарядных катионов.

Ниобаты реагируют с HF, расплавами гидрофторидов щелочных металлов (KHF2) и аммония. Некоторые ниобаты с высоким отношением M2O/Nb2O5 гидролизуются: 6Na3NbO4 + 5H2O = Na8Nb6O19 + 10NaOH.

Ниобий образует NbO2, NbO, ряд оксидов, промежуточных между NbO2,42 и NbO2,50 и близких по структуре к β-форме Nb2О5.

С галогенами ниобий образует пентагалогениды NbHal5, тетрагалогениды NbHal4 и фазы NbHal2,67 — NbHal3+x, в которых имеются группировки Nb3 или Nb2. Пентагалогениды ниобия легко гидролизуются водой.

В присутствии паров воды и кислорода NbCl5 и NbBr5 образуют оксигалогениды NbOCl3 и NbOBr3 — рыхлые ватообразные вещества.

При взаимодействии ниобия и графита образуются карбиды Nb2C и NbC, твердые жаропрочные соединения. В системе Nb — N существуют несколько фаз переменного состава и нитриды Nb2N и NbN. Сходным образом ведет себя ниобий в системах с фосфором и мышьяком. При взаимодействии ниобия с серой получены сульфиды: NbS, NbS2 и NbS3. Синтезированы двойные фториды Nb и калия (натрия) — K2[NbF7].

Из водных растворов выделить электрохимически ниобий пока не удалось. Возможно электрохимическое получение сплавов, содержащих ниобий. Электролизом безводных солевых расплавов может быть выделен металлический ниобий.

Важнейшие соединения и их применение.

Применение и производство ниобия быстро возрастают, что обусловлено сочетанием таких его свойств, как тугоплавкость, малое сечение захвата тепловых нейтронов, способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие и др. сплавы, коррозионная стойкость, низкая работа выхода электронов, хорошие обрабатываемость давлением на холоде и свариваемость. Основные области применения ниобия: ракетостроение, авиационная и космическая техника, радиотехника, электроника, химическое аппаратостроение, атомная энергетика.

Применение металлического ниобия.

Из чистого ниобия или его сплавов изготовляют детали летательных аппаратов; оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов; контейнеры и трубы для жидких металлов; детали электролитических конденсаторов; «горячую» арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и др.); коррозионноустойчивую аппаратуру в химической промышленности.

Ниобием легируют другие цветные металлы, в том числе уран.

Ниобий применяют в криотронах — сверхпроводящих элементах вычислительных машин. Ниобий также известен тем, что он используется в ускоряющих структурах большого адронного коллайдера.

Интерметаллиды и сплавы ниобия.

Станнид Nb3Sn и сплавы ниобия с титаном и цирконием применяются для изготовления сверхпроводящих соленоидов.

Ниобий и сплавы с танталом во многих случаях заменяют тантал, что даёт большой экономический эффект (ниобий дешевле и почти вдвое легче, чем тантал).

Феррониобий вводят (до 0,6% ниобия) в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии (в т. ч. той, которая иначе началась бы после сварки нержавейки) и разрушения и в стали др. типов для улучшения их свойств.

Ниобий используется при чеканке коллекционных монет. Так, Латвийский Банк утверждает, что в коллекционных монетах достоинством 1 лат наряду с серебром используется ниобий.

Применение соединений ниобия.

Nb2O5 — катализатор в химической промышленности;

Карбид ниобия (т. пл. 3480 °C) в сплаве с карбидом циркония и карбидом урана-235 является важнейшим конструкционным материалом для ТВЭЛов твердофазных ядерных реактивных двигателей.

Нитрид ниобия NbN используется для производства тонких и ультратонких сверхпроводящих пленок с критической температурой от 5 до 10 К с узким переходом, порядка 0,1 К.

Сверхпроводящие материалы первого поколения.

Один из активно применяемых сверхпроводников (температура сверхпроводящего перехода 9,25 К). Соединения ниобия имеют температуру сверхпроводящего перехода до 23,2 К (Nb3Ge). Наиболее часто используемые промышленные сверхпроводники — NbTi и Nb3Sn.Ниобий используется также в магнитных сплавах.Применяется как легирующая добавка.Нитрид ниобия используется для производства сверхпроводящих болометров.Исключительная стойкость ниобия и его сплавов с танталом в перегретом паре цезия-133 делает его одним из наиболее предпочтительных и дешёвых конструкционных материалов для термоэмиссионных генераторов большой мощности.

Химологический прогноз.

Моей дате рождения соответствует элемент с порядковым номером 41 – ниобий. Изначально элемент носил другое название – колумбит. Такая же история произошла и со мной: многие знакомые люди нашей семьи часто путают меня с моей родной сестрой, называя нас разными именами. Так как ниобий чрезвычайно тугоплавкий и стойкий во многих агрессивных средах металл, то люди, рожденные, под этим знаком, обладают жизненной стойкостью, независимостью, большим запасом терпения. Ниобий – амфотерный элемент, и людям этого знака характерны особенность реагирования  с разными типами людей, а также способность вращаться в любой сфере деятельности – все будет зависеть от конкретных условий и личных интересов. Ниобий легко образует двойные соли и комплексные соединения, значит для людей этого знака характерно пребывание в широком кругу людей и благоприятна работа в группах. Такое свойство элемента как коррозионная стойкость характеризует людей знака быть способными длительное время сохранять  свои жизненные принципы; применение его в легировании многих  других элементов – способность людей приходить на помощь; применение в медицине как восстановителя сухожилий, сосудов и даже нервов говорит о том, что для людей знака характерна особенность быть хорошим психологом, восстановителем душевного равновесия. Ниобий активно реагирует со многими неметаллами, поэтому для людей этого знака благоприятен брачный союз с людьми со знаками азота, углерода, серы, галогенов. Так как ниобий может проявлять разную валентность – от 2 до 5, то благоприятными днями недели для представителей знака являются вторник, среда, четверг, пятница. Но главная валентность элемента 5+, поэтому самым стабильным днем недели будет являться пятница, именно на этот день представители знака могут планировать наиболее важные дела и надеяться на их благоприятное решение.