Niob

niob
←  Zirkonium | Molybden  →
41 PROTI ↑ Nb ↓ Ta 41 Nb
Vzhled jednoduché látky
Krystaly niobu
Vlastnosti atomu
Jméno, symbol, číslo	niob / niob (Nb), 41
Skupina , období , blok	5 (zastaralé 5), 5, d-prvek
atomová hmotnost ( molární hmotnost )	92.90638(2) [1]  a. e. m.  ( g / mol )
Elektronická konfigurace	[Kr] 4d 4 5s 1
Poloměr atomu	146 hodin
Chemické vlastnosti
kovalentní poloměr	164  hodin
Poloměr iontů	(+5e)69  hodin
Elektronegativita	1,6 (Paulingova stupnice)
Elektrodový potenciál	0
Oxidační stavy	+1, +2, +3, +4, +5
Ionizační energie (první elektron)	663,6 (6,88)  kJ / mol  ( eV )
Termodynamické vlastnosti jednoduché látky
Hustota (v n.a. )	8,57 g/cm³
Teplota tání	2741K (2468°C, 4474°F)
Teplota varu	5015K (4742 °C, 8567 °F)
Oud. teplo tání	26,8 kJ/mol
Oud. výparné teplo	680 kJ/mol
Molární tepelná kapacita	24,44 [2]  J/(K mol)
Molární objem	10,8  cm³ / mol
Krystalová mřížka jednoduché látky
Příhradová konstrukce	Krychlové tělo centrované
Parametry mřížky	3,301 Å  _
Debyeho teplota	275 tisíc  _
Další vlastnosti
Tepelná vodivost	(300 K) 53,7 W/(m K)
Číslo CAS	7440-03-1

Niob ( chemická značka  - Nb , z lat.  Niob , zastaralý název - kolumbium ) - chemický prvek 5. skupiny (podle zastaralé klasifikace  - vedlejší podskupina páté skupiny, VB), Pátá perioda periodického systému chemických prvků D. I. Mendělejeva s atomovým číslem 41.

Jednoduchá látka niob  je brilantní stříbrošedý přechodový kov s krychlovou krystalickou mřížkou centrovanou na tělo typu α-Fe, a = 0,3294. Pro niob jsou známy izotopy s hmotnostními čísly od 81 do 113.

Historie

Niob objevil v roce 1801 anglický vědec Charles Hatchet v minerálu , který v roce 1734 poslal zpět do Britského muzea z Massachusetts John Winthrop (vnuk Johna Winthropa Jr. ). Minerál byl pojmenován columbite a chemický prvek byl pojmenován columbium (Cb) na počest země, ze které byl vzorek získán ( Kolumbie  - slavnostní název Spojených států) [3] .

V roce 1802 objevil A. G. Ekeberg tantal , který se téměř ve všech chemických vlastnostech shodoval s niobem, a proto se dlouhou dobu věřilo, že se jedná o jeden a tentýž prvek. Teprve v roce 1844 německý chemik Heinrich Rose zjistil, že jde o prvek odlišný od tantalu a přejmenoval jej na „niob“ na počest Tantalovy dcery Niobe , což zdůraznilo podobnosti mezi prvky. V některých zemích (USA, Anglie) se však původní název prvku, columbium, udržel dlouhou dobu a teprve v roce 1950 byl rozhodnutím Mezinárodní unie pro čistou a aplikovanou chemii ( IUPAC , IUPAC) prvek nakonec dostal jméno niob.

Poprvé čistý niob získal na konci 19. století francouzský chemik Henri Moissan elektrotermickou cestou: redukoval oxid niobu uhlíkem v elektrické peci [4] .

Být v přírodě

Clarke z niobu - 18 g/t. Obsah niobu se zvyšuje od ultramafických (0,2 g/t Nb) až po kyselé horniny (24 g/t Nb). Niob je vždy doprovázen tantalem. Blízké chemické vlastnosti niobu a tantalu určují jejich společnou přítomnost ve stejných minerálech a účast na společných geologických procesech. Niob je schopen nahradit titan v řadě minerálů obsahujících titan ( sfén , orthit , perovskit , biotit ). Forma nálezu niobu v přírodě může být různá: rozptýlená (v horninotvorných a akcesorických minerálech vyvřelých hornin) a minerální. Celkem je známo více než sto minerálů obsahujících niob. Z nich jen několik má průmyslový význam: columbit-tantalit (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6 , pyrochlor (Na, Ca, TR, U) 2 (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 ( OH, F ) (Nb 2 O 5 0 - 63 %), loparit (Na, Ca, Ce) (Ti, Nb) O 3 ((Nb, Ta) 2 O 5 8 - 10 %), euxenit, torolit, ilmenorutil někdy se používají, stejně jako minerály obsahující niob jako nečistoty ( ilmenit , kassiterit , wolframit ). V alkalických - ultrabazických horninách je niob rozptýlen v minerálech jako je perovskit a v eudialytu. V exogenních procesech se niobové a tantalové minerály, které jsou stabilní, mohou akumulovat v deluviálně-aluviálních sypačích (kolumbitických sypačích), někdy v bauxitech zvětrávací kůry. Koncentrace niobu v mořské vodě je 1⋅10 −5 mg/l [5] .

Vklady

Ložiska niobu se nacházejí v USA , Japonsku [6] , Rusku ( poloostrov Kola ), Brazílii, Kanadě [7] .

Izotopy

Přírodní niob se skládá z jediného stabilního izotopu 93 Nb  . Všechny ostatní uměle získané izotopy niobu s hmotnostními čísly od 81 do 113 jsou radioaktivní (celkem je známo 32). Nejdéle žijící izotop je 92Nb s poločasem rozpadu 34,7 milionů let.

Také je známo 25 metastabilních stavů jader jeho různých izotopů.

Fyzikální vlastnosti

Kompletní elektronová konfigurace atomu niobu je: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 4 5s 1

Niob je tažný , žáruvzdorný přechodový kov , jehož fyzikální vlastnosti závisí na teplotě. Teplota tání 2468 °C a hustota 8,57 g/cm3 ( při 20 °C). Bod varu niobu je 4742 °C, mřížková struktura je tělesně centrovaná krychlová s periodou 0,33 nm.

Chemické vlastnosti

Chemicky je niob docela stabilní, ale v tomto ohledu je horší než tantal . Prakticky ji neovlivňují kyselina chlorovodíková , ortofosforečná , zředěná kyselina sírová , dusičná . Kov se při zahřátí nad 150 °C rozpouští v kyselině fluorovodíkové HF , směsi HF a HNO 3 , koncentrovaných roztocích žíravých alkálií a také v koncentrované kyselině sírové . Při kalcinaci na vzduchu oxiduje na Nb 2 O 5 . Pro tento oxid bylo popsáno asi 10 krystalických modifikací . Za normálního tlaku je β-forma Nb 2 O 5 stabilní .

• Když se Nb205 taví s různými oxidy , získají se niobitany : Ti2Nb10029 , FeNb490124 . Niobáty lze považovat za soli hypotetických niobových kyselin. Dělí se na metaniobáty MNbO 3 , orthoniobáty M 3 NbO 4 , pyroniobáty M 4 Nb 2 O 7 nebo polyniobáty M 2 O nNb 2 O 5 (M je jednoduše nabitý kationt , n = 2-12). Jsou známy niobáty dvou- a tří nabitých kationtů.
• Niobáty reagují s HF , taveninami hydrofluoridů alkalických kovů (KHF 2 ) a amoniem . Některé niobáty s vysokým obsahem M2O / Nb205 hydrolyzují :

• Niob tvoří Nb02 , NbO , řadu oxidů mezilehlých mezi Nb02,42 a Nb02,50 a podobnou strukturou jako β-forma Nb205 .
• S halogeny niob tvoří NbHal 5 pentahalidy, NbHal 4 tetrahalogenidy a NbHal 2,67  -NbHal 3+x fáze obsahující Nb 3 nebo Nb 2 skupiny . Pentahalidy niobu jsou snadno hydrolyzovány vodou.
• V přítomnosti vodní páry a kyslíku tvoří NbCl 5 a NbBr 5 oxyhalogenidy NbOCl 3 a NbOBr 3  - sypké látky podobné bavlně .
• Při interakci niobu a grafitu vznikají karbidy Nb2C a NbC, pevné žáruvzdorné sloučeniny. V systému Nb - N existuje několik fází různého složení a nitridy Nb 2 N a NbN. Niob se chová podobně v systémech s fosforem a arsenem . Při interakci niobu se sírou byly získány sulfidy : NbS, NbS 2 a NbS 3 . Byly syntetizovány dvojité fluoridy Nb a draslík ( sodík ) — K 2 [NbF 7 ].
• Dosud nebylo možné izolovat niob elektrochemicky z vodných roztoků. Možná elektrochemická výroba slitin obsahujících niob. Kovový niob lze izolovat elektrolýzou tavenin bezvodých solí.

Získání

Niobové rudy jsou obvykle složité a chudé na kov. Rudné koncentráty obsahují Nb 2 O 5 : pyrochlor  - ne méně než 37%, loparit  - 8%, columbit  - 30-60%. Většina z nich se zpracovává alumino- nebo silikotermickou redukcí na feroniob (40–60 % Nb) a ferotantaloniob. Kovový niob se získává z rudných koncentrátů složitou technologií ve třech fázích:

1. otevření koncentrátu,
2. separace niobu a tantalu a získání jejich čistých chemických sloučenin,
3. získávání a rafinace kovového niobu a jeho slitin.

Hlavní průmyslové způsoby výroby niobu a jeho slitin jsou aluminotermické, sodno-termické, karbotermické: ze směsi Nb 2 O 5 a sazí se nejprve získá karbid při 1800 °C ve vodíkové atmosféře , poté ze směsi karbid a pentoxid při 1800-1900 °C ve vakuu-kov; pro získání slitin niobu se do této směsi přidávají oxidy legujících kovů; alternativně se niob redukuje při vysoké teplotě ve vakuu přímo ze sazí Nb205 . Niob se redukuje sodíkovou termální metodou sodíkem z K 2 NbF 7 , aluminotermickou metodou hliníkem z Nb 2 O 5 . Kompaktní kov ( slitina ) se vyrábí metodami práškové metalurgie, slinovacími tyčemi lisovanými z prášků ve vakuu při 2300 °C nebo elektronovým paprskem a vakuovým obloukovým tavením; monokrystaly vysoce čistého niobu - bezkelímkové tavení v zóně elektronového paprsku.

Aplikace

Použití a výroba niobu rychle narůstá, což je způsobeno kombinací jeho vlastností, jako je žáruvzdornost, malý průřez záchytu tepelných neutronů , schopnost vytvářet žáruvzdorné, supravodivé a další slitiny, odolnost proti korozi, vlastnosti getrů, nízká elektronová pracovní funkce , dobrá zpracovatelnost za studena a svařitelnost. Hlavní oblasti použití niobu: raketová věda, letectví a kosmická technika, radiotechnika, elektronika, stavba chemických přístrojů, jaderná energetika.

Aplikace kovového niobu

• Části letadel jsou vyrobeny z čistého niobu nebo jeho slitin; pláště na uranové a plutoniové palivové články; nádoby a potrubí na tekuté kovy; podrobnosti o elektrolytických kondenzátorech ; "horké" armatury elektronických (pro radarové instalace) a výkonných generátorových lamp ( anody , katody , mřížky atd.); zařízení odolná proti korozi v chemickém průmyslu.
• Ostatní neželezné kovy jsou legovány niobem , včetně uranu . Například hliník , pokud je do něj přidáno pouze 0,05% niobu, vůbec nereaguje s alkáliemi , i když za normálních podmínek se v nich rozpouští. Slitina niobu s 20% mědi má vysokou elektrickou vodivost a zároveň je dvakrát tvrdší a pevnější než čistá měď .
• Niob se používá v kryotronech  - supravodivých prvcích počítačů. Niob je také známý pro jeho použití v urychlovacích strukturách velkého hadronového urychlovače [9] .
• Niob a tantal se používají k výrobě elektrolytických kondenzátorů s vysokou specifickou kapacitou. Tantal umožňuje výrobu kvalitnějších kondenzátorů než kovový niob. Nejspolehlivější a ohnivzdorné jsou však kondenzátory z oxidu niobu .
• Rakousko , Britské Panenské ostrovy , Kanada , Lotyšsko , Libérie , Lucembursko , Palau a Sierra Leone vydávají bimetalové pamětní mince s použitím niobu [10] [11] .

• 25 EUR „700 let Hall in Tyrol“

• 25 EUR „150. výročí alpské železnice“

• 25 EUR „50 let televize“

• 25 EUR "Bionika"

Intermetalika a slitiny niobu

• K výrobě supravodivých solenoidů se používá stanid Nb 3 Sn ( stanid triniobu , také známý jako slitina niob-cín ), germanid Nb 3 Ge ( germaniumtriniob ), nitrid NbN a slitiny niobu s titanem ( niob-titan ) a zirkonium . Vinutí supravodivých magnetů Velkého hadronového urychlovače je tedy vyrobeno z 1200 tun kabelu ze slitiny niobu a titanu.
• Niob a slitiny s tantalem v mnoha případech nahrazují tantal, což dává velký ekonomický efekt (niob je levnější a téměř dvakrát lehčí než tantal).
• Ferroniob [12] se přidává (až 0,6 % niobu) do nerezových chromniklových ocelí, aby se zabránilo jejich mezikrystalové korozi (včetně té, která by jinak začala po svařování nerezové oceli ) a destrukci, a do jiných typů ocelí za účelem zlepšení jejich vlastností.
• Niob se používá při ražbě sběratelských mincí. Lotyšská banka tedy tvrdí, že niob se používá spolu se stříbrem ve sběratelských mincích 1 lat [13] [14] .

Aplikace sloučenin niobu

• Nb 2 O 5  je katalyzátor v chemickém průmyslu;
• při výrobě žáruvzdorných materiálů, cermetů, speciálních skel, nitridů, karbidů, niobátů.
• Karbid niobu (t.t. 3480 °C) ve slitině s karbidem zirkonia a karbidem uranu-235 je nejdůležitějším konstrukčním materiálem pro palivové články jaderných proudových motorů na pevnou fázi.
• Niob nitrid NbN se používá pro výrobu tenkých a ultratenkých supravodivých vrstev s kritickou teplotou 5 až 10 K s úzkým přechodem, řádově 0,1 K.

Supravodivé materiály první generace

• Jeden z aktivně používaných supravodičů (teplota supravodivého přechodu 9,25 K). Sloučeniny niobu mají teplotu supravodivého přechodu až 23,2 K (Nb 3 Ge).
• Nejčastěji používané průmyslové supravodiče jsou NbTi a Nb 3 Sn.
• Niob se také používá v magnetických slitinách.
• Používá se jako legovací přísada.
• Niob nitrid se používá k výrobě supravodivých bolometrů .
• Výjimečná odolnost niobu a jeho slitin s tantalem v přehřátých parách cesia-133 z něj činí jeden z nejvýhodnějších a nejlevnějších konstrukčních materiálů pro vysoce výkonné termionické generátory.

Fyziologické působení

• Niobový kovový prach je hořlavý a dráždí oči a pokožku.
• Některé sloučeniny niobu jsou vysoce toxické.
• Maximální přípustná koncentrace niobu ve vodě je 0,01 mg/l.
• Při požití způsobuje podráždění vnitřních orgánů a následné ochrnutí končetin.

Poznámky

1. ↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg , Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang-Kun Zhu. Atomové hmotnosti prvků 2011 (IUPAC Technical Report  )  // Pure and Applied Chemistry . - 2013. - Sv. 85 , č. 5 . - S. 1047-1078 . - doi : 10.1351/PAC-REP-13-03-02 .
2. ↑ Editorial: Knunyants I. L. (šéfredaktor). Chemická encyklopedie: v 5 svazcích - Moskva: Sovětská encyklopedie, 1992. - T. 3. - S. 249. - 639 s. — 50 000 výtisků.  - ISBN 5-85270-039-8.
3. ↑ Materials Handbook: Stručná příručka pro stolní počítače Archivováno 3. října 2015 na Wayback Machine , François Cardarelli, 2000, s.157.
4. ↑ Venetsky S.I. Čtyřicátá první // Příběhy o kovech. - Moskva: Metalurgie, 1979. - 240 s. — 60 000 výtisků.
5. ↑ JP Riley a Skirrow G. Chemická oceánografie V.I, 1965
6. ↑ Vzácný niob na trhu vzácných zemin . Datum přístupu: 20. září 2010. Archivováno z originálu 13. prosince 2010. (neurčitý)
7. ↑ Ložisko niobu a tantalu . Získáno 20. září 2010. Archivováno z originálu 9. července 2011. (neurčitý)
8. ↑ Larry D. Cunningham. Informace o minerálech USGS: niob (kolumbium) a tantal . Minerals.usgs.gov (5. dubna 2012). Získáno 17. srpna 2012. Archivováno z originálu dne 25. listopadu 2012. (neurčitý)
9. ↑ Spuštění urychlovače // "Věda a technologie Ruska" (nepřístupný odkaz) . Získáno 7. února 2009. Archivováno z originálu 21. září 2008. (neurčitý) 
10. ↑ Niobové mince: Kouzlo barev (odkaz není k dispozici) . EuroCoins.Novinky. Získáno 12. března 2012. Archivováno z originálu dne 28. května 2012. (neurčitý) 
11. ↑ Katalog rakouských sbírkových mincí z drahých kovů (nepřístupný odkaz) . Svět mincí. Získáno 19. března 2012. Archivováno z originálu 15. února 2012. (neurčitý) 
12. ↑ Ve stejném množství se k tomu používá i titan .
13. ↑ Mince času (downlink) . Získáno 5. prosince 2007. Archivováno z originálu dne 12. března 2008. (neurčitý) 
14. ↑ Mince času2 (downlink) . Získáno 5. prosince 2007. Archivováno z originálu dne 22. května 2009. (neurčitý) 

Odkazy

• Niobium na Webelements Archivováno 15. září 2004 na Wayback Machine
• Niobium v ​​Popular Library of Chemical Elements Archived 14. března 2007 na Wayback Machine

Slovníky a encyklopedie	Velká dánština Velká Katalánština Skvělý norský Velký Rus Brockhaus a Efron Malý Brockhaus a Efron Nový Britannica (online) Brockhaus Treccani Universalis Universalis
V bibliografických katalozích BNE : XX543817 BNF : 12257830n GND : 4042362-1 J9U : 987007531486605171 LCCN : sh85091993 NDL : 00568530