Металл nb таблица менделеева

Обновлено: 06.05.2024

История ниобия с самого момента его обнаружения тесно связана с танталом. Самое интересное заключается в том, что даже названия данных металлов тесно переплетаются между собой, поскольку Ниоба – дочь царя Тантала в древнегреческой мифологии.

Данный металл был открыт исследователем Ч. Хэтчеттом, который проводил исследования минерала из Колумбии. Изначально Ниобий был назван по другому, в честь данной страны – «Колумбий». Через год был открыт Тантал, который также по ошибке приняли за колумбий, однако в ближайшие полвека эта проблема была решена, колумбий назвали ниобием (элемент Nb), а второй металл – танталом.

История металла

В 1734 г. в Британский музей из Америки, которую тогда называли Колумбией, поступил неизученный минерал. В 1901 г. его исследовал Ч. Хэтчет и открыл новый химический элемент. Изначально ниобий назывался колумбием.

Через год шведский химик открыл тантал, с аналогичными свойствами. Некоторое время считалось, что это один и тот элемент, пока еще через 40 лет немецкий химик Розе не доказал обратное. Ученый переименовал колумбий в ниобий, в честь Ниобы, дочери Тантала, чтобы подчеркнуть схожесть свойств обоих элементов. В некоторых англоязычных странах прежнее название продолжали использовать до середины следующего столетия, пока в 1950 г. международная организация химиков IUPAC официально не закрепила современное название Niobium и символ Nb .

Чистый ниобий выделил путем реакции восстановления французский ученый Анри Муассан в конце 19 ст.

Ниобий – металл или неметалл

В таблице Менделеева ниобий находится в пятой группе элементов. Это металл, характеризующийся высокой тугоплавкостью, которая обусловила его активное промышленное использование. Другим важным свойством является сверхпроводимость, для проявления которой не требуются слишком сложные сопутствующие условия. Электронная конфигурация ниобия имеет следующий вид: 4d45sl.

Температура плавления ниобия – 2468 градусов Цельсия, температура кипения – 4927 градусов Цельсия. С точки зрения магнитных свойств ниобий является парамагнетиком.

Свойства

Ниобий находится в V группе таблицы Менделеева. Порядковый (атомный) номер – 41. Решетка кубическая (атомы находятся в вершинах и по центру).

Ниобий относится к группе моноизотопных элементов, т. к. имеет 1 стабильный изотоп Nb -93. Остальные 32 радионуклида имеют периоды полураспада от 44 нс (Nb-81) до 34,7 млн лет (Nb-92).

Физические свойства

Атомная масса	92,9 а. е. м.
Радиус атома	146 ·10 −12 м
Теплопроводность	53,7 Вт/(м·K )
Температура кипения	4742 °С
Температура плавления	2468 °С
Твердость	6 из 10 (по Моосу)
Удельное электрическое сопротивление (при 0°С)	15,22·10-8 ом·м
Предел прочности ( при 20 °С)	342·10 6 Н/см 2
Плотность (при 20 °С)	8,57 г/см 3

Плотность ниобия при переходе в жидкое состояние уменьшается до 7, 58 г/см3. При температуре -264,15 °С металл превращается в сверхпроводник. По значению температуры плавления ниобий отнесен к группе тугоплавких металлов, где находится на 4-й верхней строке таблицы.

Nb – пластичный металл, его даже можно раскатать в фольгу, но только при отсутствии примесей O 2 , H , C , N , которые повышают твердость, но ухудшают пластичность, делая металл хрупким.

Химические свойства

Электронная конфигурация атома ниобия состоит из 5 энергетических уровней, на которых расположены электроны в следующем порядке: 2, 8, 18, 12, 1. На крайней (5s) и пред-крайней (4d) орбитах находятся в сумме 5 неспаренных электронов, что отображено в краткой графической формуле Nb: [Kr] 4d4 5s1. Наличие 5 субатомных частиц с отрицательным зарядом означает, что у ниобия 5 валентных электронов.

Валентность	1, 2, …5
Высшая степень окисления	5
Низшие степени окисления	4, 3, 2, 1, 0, -1, -3
Энергия ионизации	652 кДж/моль

К другим химическим свойствам относится устойчивость к большинству кислот, кроме концентрированной H 2 SO 4 (при температуре до 150 °C), плавиковой кислоты ( HF ), и смеси HF с HNO 3 .

Из щелочей Nb вступает в реакцию только с концентрированными растворами едких щелочей . С ураном, расплавленными щелочными металлами Nb реагирует при высоких температурах.

Ниобиевая кислота HNbO 3 образует с K , Li , Pb , Na , Cd , Nd , Rh соли под названием «ниобаты».

Ниобий хорошо взаимодействует с газами, особенно с кислородом. На воздухе он покрывается оксидной пленкой, а в виде порошка склонен к самовозгоранию. При повышении температуры от 200 °С резко возрастает окисляемость. В состоянии окисления Nb проявляет свойства неметаллов.

Ниобий в природе

На текущий момент месторождений с чистым ниобием на планете не было обнаружено. В природе он встречается во множестве рассеянных форм или в составе различных минералов. Наиболее интересными с точки зрения промышленного производства являются минералы лопарит, пирохлор и колумбит-танталит. Стоит отметить, что в природе ниобий всегда соседствует с танталом. В том случае, если было обнаружено месторождение одного из этих металлов, то значит, рядом находятся и примеси второго. Это объясняется тем, что они обладают крайне схожими физическими и химическими свойствами, и для того, чтобы отличить ниобий от тантала, требуется использование только специального оборудования. В связи со всем этим особую ценность приобретает лом ниобия.

Особенности производства ниобия

Впервые чистый образец ниобия был получен в 1864 году усилиями Кристиана Бломстранда, который воздействовал на хлорид ниобия при помощи газообразного водорода. В ходе нагревания удалось получить чистый образец ниобия. На текущий момент добыча минералов, содержащих в себе ниобий, происходит в Бразилии и Канаде. Эти два государства являются основными поставщиками этого металла на мировой рынок. По текущим расчетам в промышленных объемах в земной коре данный металл будет содержаться в течение следующих пяти веков.

Некоторые исследования говорят о том, что ниобий токсичен для человека, а точнее, токсичны некоторые разновидности ниобиевой пыли, которые при попадании в глаза или на кожу, могут вызывать раздражение. Однако каких-либо массовых случаев негативного воздействия ниобия на человека выявлено не было.

Добыча данного металла происходит открытым способом, добывается руда, которая впоследствии делится на блоки и перерабатывается за счет разрыва. Затем происходит погрузка и транспортировка руды ниобия в места переработки. Однако могут использоваться и подземные методы добычи ниобия, как например в Канаде.

Основой восстановления концентрата пирохлора до феррониобия является алюминотермический процесс. Здесь производится смешивание руды с гематитом, порошком алюминия, а также незначительным количеством флюса извести и флюоорошпата. После чего происходит выгрузка в стальные контейнеры, которые предварительно были облицованы огнеупорным кирпичом из магнезита.

Основные физико-химические характеристики ниобия

Среди основных характеристик ниобия, которые объясняют его активную эксплуатацию, можно выделить:

прочность;
тугоплавкость;
высокую устойчивость к коррозии и негативному воздействию окружающей среды;
легкость в варке;
пластичность.

Главное преимущество заключается в том, что кислоты крайне слабо воздействуют на данный элемент.

Сплавы

В промышленности используется чистый Nb , без легирующих добавок, и соединения с такими металлами:

вольфрамом;
молибденом;
цирконием;
титаном;
ванадием;
серебром;
германием (германийтриниобий);
оловом (станнид триобия)
нержавеющей сталью (феррониобий).

Для этих сплавов характерны тугоплавкость, устойчивость к коррозии, прочность.

Сверхпроводимость и возбужденное состояние ниобия

Сверхпроводимость – состояние, когда при резком понижении температуры проводника в нем скачкообразно исчезает электрическое сопротивление.

Первым сверхпроводником являлась ртуть, однако ниобий стал одним из первых металлов, чья сверхпроводимость стала важнейшим фактором. Здесь крайне важным параметром становится величина критической температуры, когда наступает подобное свойство. На текущий момент известно огромное количество металлов со сверхпроводимостью, однако большинство из них не могут быть использованы в промышленности из-за чрезмерно больших значений критических параметров. Ниобий лишен этого недостатка, что обусловило его активное использование при создании сверхпроводящих магнитов.

Преимущества и недостатки

К достоинствам ниобия относится высокая устойчивость к коррозии и агрессивным средам. Там, где детали из нержавеющей стали выдерживают 2-3 месяца, изделия из ниобия служат 2-3 года. Тугоплавкость, высокая прочность и пластичность также относятся к преимуществам.

Недостатками металла считается его высокая цена, низкое содержание в земной коре и токсичность для живых организмов.

В зависимости от примесей цена за ниобиевый порошок составляет 3-20 тыс. руб./кг, слитки, пpyтки – 8000 руб./кг, стpyжкa – 650 руб./кг. Даже цена на лом ниобия обозначается 3-4-значным числом.

Применение ниобия

Применение ниобия становится все более распространенным, что объясняется большим количеством его преимуществ и важных характеристик. Основными отраслями, где используется ниобий, являются строительство различных видов транспортной техники, от космических ракет до компонентов других летательных аппаратов. Обширно его использование в электронике и радиотехнике.

При этом в различных отраслях используется в своих различных формах. К примеру, чистый ниобий используется для создания деталей летательных аппаратов, контейнеров и труб для жидких металлов.

Сплавы ниобия позволяют легировать цветные металлы, в том числе и уран. В результате они перестают подвергаться воздействию щелочных соединений.

Оксиды ниобия Nb2O5 получили очень большое распространение в химической индустрии.

Вычислительные устройства также подразумевают использования ниобия, поскольку он требуется для производства криотронов – сверхпроводящих элементов. К тому же, строительство большого адронного коллайдера было бы невозможно без использования соединений данного металла.

Высокая удельная емкость металла обусловила его применение при изготовлении электролитических конденсаторов. Стоит отметить, что использование тантала позволяет производить конденсаторы более высокого качества, однако в вопросах надежности конденсаторы из ниобия существенно лучше.

Наконец, ниобий используется при изготовлении памятных монет в некоторых странах мира. Конкретная формула сплава и определяет ценность этих монет.

Влияние на человека

Ниoбий и его соединения oпacны для человека, особенно пыль, которая вызывает слезотечение и дерматиты. При попадании внутрь организма развиваются патологии opгaнoв, возможен паралич конечностей.

В РФ допустимая концентрация Nb в воде – не выше 0,01 мг/л.

Ответы на вопросы пользователей

Часто пользователи задают различные вопросы по Ниобию. Ответим на некоторые из них.

Число протонов, нейтронов и электронов в атоме ниобия

Атом стабильного изотопа Nb -93 содержит 41 протон и столько же электронов, нейтронов – 52.

Вид химической связи, характерный для ниобия

Между атомами в кристалле ниобия имеет место металлическая связь, обусловленная объединением валентных электронов.

НИОБИЙ — мифы и реальность

Названия металлов ниобия и тантала связаны со времен их открытия. Не зря их имена отнесены к одному мифологическому семейству — Танталу и его дочери Ниобы.

История

История ниобия связана с его вечным спутником — танталом.

Новый элемент обнаружил Ч. Хетчет, исследуя минерал из Колумбии. Поэтому и найденный элемент назвали колумбием. Через год был открыт тантал, но его ошибочно посчитали «колумбием». Ошибку нашли и исправили через 40 лет. Колумбий назвали ниобием, а его спутника танталом.

Элемент относится к тугоплавким металлам, в таблице Менделеева имеет № 41. Латинское название Niobium, в химических формулах обозначается символом Nb.

Некоторые характеристики:

цвет серебристо-серый;
кристаллическая структура решетки объемноцентрированая, кубическая;
состоит из стабильного изотопа Nb93;
отличается высокой хладоустойчивостью.
обладает парамагнитностью.

Химические свойства:

С большинством кислот не реагирует (кроме плавиковой и ее смеси с азотной).
Устойчив в расплавах многих металлов.
Реагирует с концентрированными едкими щелочами.
С повышением температуры окисляемость металла быстро возрастает.
При 9°К становится сверхпроводником.

Познавательно: ниобий и тантал — братья-близнецы. Они всегда рядом в рудах, и разделить их непросто. Проще всего отличить одинаковые кусочки металла по весу — плотность ниобия почти в 2 раза меньше, чем у тантала. К тому же тантал гораздо дороже нашего героя.

Плюсы и минусы

Достоинства	Недостатки
Устойчив к коррозии в агрессивных средах	Высокая цена
Завидные механические свойства (прочность, пластичность)	Руды металла редко встречаются
Высокая температура плавления	Малый модуль упругости

Где искать

Нахождение в природе ниобия почти всегда сопутствует минералам, содержащим тантал.

Месторождения рудных запасов имеют:

Австралия;
Бразилия;
Россия;
США;
Канада.

Известно около 100 ниобийсодержащих минералов; в их состав почти всегда входит и тантал.

Производство ниобия

Промышленные способы получения чистого металла:

алюмотермия;
карботермия;
натрийтермия.

Производство включает предварительную концентрацию руды и несколько стадий процессов:

Концентрат сплавляют с едким натром или содой; сплав выщелачивают.
В нерастворимый осадок выпадают Nb и Ta, которые разделяют.
Раздельно восстанавливают оксиды редких металлов.

Порошковый металл получают электроннолучевой, дуговой или вакуумной плавкой.

В сплавах применяют в качестве лигатуры:

Для повышения жаропрочности в соединения ниобия вводят вольфрам, цирконий, молибден.

Познавательно: детали из нержавейки в средах сильных кислот работают 2-3 месяца; детали из ниобия и его сплавов в этих средах трудятся 2-3 года.

Что делают из ниобия

Продукцию из ниобия и его сплавов потребляют:

электронная промышленность;
авиация;
ядерная физика;
металлургия.

Применение свойства сверхпроводимости в томографии, исследованиях на аппаратах МРТ в медицине помогают медикам в раннем обнаружении болезней.

Охлаждение квантовых компьютеров, кабели для Большого адронного коллайдера, огнеупоры, ТВЭЛы для ядерных устройств — везде работает наш герой и его сплавы.

Возможно применение металла в ювелирной промышленности. Его оксидные пленки, полученные с помощью электролиза, имеют множество ярких цветов; все зависит от электролита и температуры.

Интересно: несколько стран выпускают коллекционные монеты с сердцевиной, анодированной разноцветными сплавами ниобия.

Легирующие свойства металла придают сплавам тугоплавкость, прочность, устойчивость к коррозии.

Физикам-экспериментаторам не обойтись без соединений ниобия (химические формулы NbN, Nb3Sn, Nb3Ge, NbTi) — они обладают сверхпроводимостью.

Купить металл

Цена ниобиевого порошка на 20.09.2020 составляла 17000 руб/кг.

Мне 42 года и я специалист в области минералогии. Здесь на сайте я делюсь информацией про камни и их свойства — задавайте вопросы и пишите комментарии!

Сковорода бы стоила из таких сплавов от 30 до 50 тыс.руб

Мне очень хочется что все россияне готовили себе и своим детям на безопасных сковородках выплавленных из : сплава- титана, циркония, тантала только тогда нация будет здоровой но к сожалению никто такую посуду не производит в путинской России руководство проводит антинародную политику, я прошу дорого господина чемезова самого достойного россиянина создать в Ростехе предприятие производящее для всех россиян — сковородки , кастрюли, ножи, ложки, вилки , терки, мясорубки, чайники, из обсолютно безопасного на планете единственного сплава без железа , без ядовитого хрома и никеля , без тефлонового ядовитейшего покрытия пластмассового которое травит всех россиян и их детей и из этой отравы все граждане покупают сковородки . А нужно делать только из — сплава : титана 30%+ цирконий 50%+ тантал 20% , такая посуда и сковородка ничего вредного в еду совсем не выделяет , не ржавеет никогда и можно давать гарантию — 500 — 1000 лет. Юрий тимашов 29 лет Кубань .

Металл Ниобий — описание химического элемента, электронная конфигурация и свойства

Ниобий как химический элемент таблицы Менделеева

Ниобий, так же известный как Колумбий, является химическим элементом таблицы Менделеева с атомным номером 41 и условным обозначением Nb. Ниобий представляет собой светло-серый кристаллический и пластичный переходный металл.

Как был открыт Ниобий

Чарльз Хэтчетт

История открытия ниобия является достаточно запутанной и неоднозначной. Эта история, вероятно, началась в 1734 году, когда американский исследователь Джон Уинтроп обнаружил новый минерал в Коннектикуте (США) и предположил, что он содержит новый химический элемент. Новый минерал «Американский Джон» назвал Колумбит, а сам элемент Колумбием в честь поэтического названия Соединенных Штатов Америки. Для изучения найденного минерала Джон Уинтроп отправляет его в Англию, где в 1801 году британский минеролог и химик Чарльз Хэтчет индефицировал новый химический элемент.

Изучаемый минерал представлял собой соединение Ниобия и Тантала из-за чего впоследствии возникла путанница между этими элементами. В 1809 году английский химик Уильям Хайд Волластон сравнил оксид колумбия извлеченного из колумбита и оксид тантала полученного из танталита. Ученый выявил, что эти химические элементы очень похожи и единственным отличием была плотность. Плотность минерала ниобия составляла 5.9 г/см 3 , а плотность соединения тантала составила 9 г/см 3 , но химик не придал этому значения и открытие этого элемента было аннулировано.

Вывод Уильяма Хайда Волластона был оспорен немецким химиком Генрихом Роузом только в 1846 году. Последний утверждал, что в образце талантита присутствует несколько новых химических элементов. В этом списке оказались ниобий, пелопий, ильмений и диан. Все эти названия обозначают детей древнегреческого персонажа «Тантала». В дальнейшем оказалось, что пелопий, ильмений и диан соответствуют ниобию и смесям ниобия и тантала.

Различия между танталом и ниобием были недвусмысленно продемонстрированы в 1864 году Кристианом Вильгельмом Бломстрандом и Анри Этьеном Сент-Клер Девиль, а также Луи Дж. Тростом, который определил формулы некоторых соединений в 1865 году и, наконец, швейцарским химиком Жаном Шарлем Галиссаром де Мариньяком в 1866 году, который все доказал и определил, что существует только два элемента. Статьи об ильмении продолжали появляться до 1871 г. Де Мариньяк был первым, кто приготовил металл в 1864 году, когда он восстановил хлорид ниобия, нагревая его в атмосфере водорода.

Где и как добывают Ниобий

Ниобиевый пентахлорид

Добыча ниобия является достаточно сложным и трудоемким процессом и всегда происходит параллельно с добычей тантала.Ниобиевые и танталовые руды сначала перерабатываются вместе, а затем разделяются путем фракционной кристаллизации или благодаря различной растворимости в органических растворителях. Первый промышленный процесс разделения такого рода был разработан Шарлем Мариньяком в 1866 году.

Сначала руды подвергаются воздействию смеси концентрированной серной и плавиковой кислот при температуре 50 – 80 °C. Образуются легко растворимые комплексные фториды [NbF₇] 2– и [TaF₇] 2– .

Дикалиевые соли этих фторидов (например, гептафторониобат калия) могут быть образованы путем превращения их в водную фазу и добавления фторида калия. Только фторид тантала плохо растворяется в воде и выпадает в осадок. Таким образом, легко растворимый фторид ниобия можно отделить от тантала. В настоящее время обычным явлением является разделение экстракцией метилизобутилкетоном. Третья возможность разделения через фракционную перегонку с хлоридами NbCl₅ и TACL₅. Это происходит из-за реакции руды, кокса и хлора, которые можно наблюдать при высоких температурах.

Из отделенного фторида ниобия сначала получают пятиокись ниобия по реакции с кислородом. Его либо сначала превращают в карбид ниобия с углеродом, а затем восстанавливают до металла с дополнительным пентоксидом ниобия при 2000 °C в вакууме ,либо получают непосредственно алюмотермическим способом. Таким образом производится большая часть ниобия для сталелитейной промышленности с добавлением оксида железа для получения сплава железо-ниобий (60% ниобия). Если в качестве исходного материала для восстановления используются галогениды, это делается с использованием натрия в качестве восстанавливающего агента.

Годовая добыча ниобия в мире ежегодно составляет около 60 000 тонн. От этого количества около 90% добывается в Бразилии и 7% в Канаде. Цена сплава железа и ниобия за 1 тонну колеблется в районе 40 000 $.

Распространенность Ниобия

Ниобий является достаточно редким химическим элементом. Его доля в земной коре составляет 1.8*10 -3 %. Из-за схожих ионных радиусов ниобий и тантал всегда будут родственными элементами. Самыми важными минералами ниобия являются представители серии колумбит-танталит, с общей формулой (Fe, Mn)(Nb, Ta)₂O₆, а так же представители группы пирохлора. Около 85–90% ниобиевой промышленности использует ниобий из месторождений, на которых не производятся танталовые руды

Другие, в основном редкие минералы:

Содержание ниобия в морской воде так же невелика и составляет 1*10_-5 г/л.

Применение Ниобия

Применение ниобия, не смотря на редкость этого химического элемента, является достаточно широким благодаря своим характеристикам. Ежегодно около 90% полученного ниобия используется для производства высококачественной конструкционной стали.

Такого рода стали используются в космической промышленности, военной отрасли, медицине, электротехнической промышленности, производстве драгоценных металлов и украшений.

В космической промышленности колумбий используется при производстве корпуса космических шатлов и зондов, а так же для производства корпуса сопла ракетных двигателей и турбин. Такое же применение касается и военной промышленности, где ниобий применяется в конструкции двигателей турбореактивных самолетов. В сфере медицины колумбий применяется для производства сверхпроводящих магнитов, которые в свою очередь используются в высокорезонансных томографах.

В электротехнической промышленности ниобий используется для производства сверхпроводящих радиоприемников. Так же ниобат лития широко используется в мобильных телефонах и оптических устройствах. Так же достаточно часто ниобий используют для производства украшений и памятных монет с золотом, серебром и платиной.

Ниобий так же является важным компонентом высокоэффективных гетерогенных катализаторов производства акриловой кислоты путем селективного окисления пропана. У колумбия еще множество других применений.

Интересные факты

Ниобиевая сталь

Интересных фактов связанных с ниобием достаточно много. Стоит начать с того, что ниобий не имеет известной биологической роли. В то время как ниобиевая пыль является раздражителем глаз и кожи и потенциально опасна из-за возможности возгорания. Элементарный ниобий в более широком масштабе физиологически инертен (и, следовательно, гипоаллергенен) и безвреден. Он часто используется в ювелирных изделиях и был протестирован для использования в некоторых медицинских имплантатах.

Большинство людей редко сталкивается с ниобийсодержащими соединениями, но некоторые из них токсичны. Кратковременное и долгосрочное воздействие ниобатов и хлорида ниобия, двух химикатов, растворимых в воде, было протестировано на крысах. Крысы, получавшие однократную инъекцию пентахлорида ниобия или ниобатов, имели среднюю смертность при дозе от 10 до 100 мг / кг.

Ниобий используется в стержнях для дуговой сварки некоторых стабилизированных марок нержавеющей стали и в анодах для систем катодной защиты некоторых резервуаров с водой, которые затем обычно покрываются платиной.

Как говорилось выше, Ниобий используется как драгоценный металл в памятных монетах, часто с серебром или золотом. Например, Австрия выпустила серию серебряных монет евро с ниобием, начиная с 2003 г. Цвет этих монет создается за счет дифракции света на тонком слое анодированного оксида. В 2012 году доступно десять монет с изображением самых разных цветов в центре монеты: синего, зеленого, коричневого, пурпурного, фиолетового или желтого. Еще два примера является австрийская железнодорожная памятная монета от 2004 года и австрийская монета 25€ от 2006 года в честь Европейской спутниковой навигационной системы. Австрийский монетный двор произвел для Латвии аналогичную серию монет, начиная с 2004 года. В 2011 году Королевский монетный двор Канады начал производство 5-долларовой монеты из серебра и ниобия под названием «Луна Хантера» в котором ниобий был избирательно окислен, что позволило создать уникальную отделку, в которой нет двух абсолютно одинаковых монет.

Читайте также: