НИОБИЙ. [Niobium; по имени древнегреч. мифологического персонажа Ниобеи , дочери Тантала], Nb — хим. элемент V группы периодической системы элементов; ат.н. 41, ат. м. 92,9064. Ковкий металл светло-серого цвета. В соединениях проявляет степени окисления +1, + 2, +3, +4 и +5. Природных изотопов один —93Nb. Из искусственно получаемых наибольшее значение имеет изотоп 96Nb с периодом полураспада 35 дней. Н. обнаружил (1801) англ. химик Ч. Хатчет в минерале, найденном в Колумбии, назвав этот элемент колумбием. В 1844 нем. химик Г. Розе открыл новый элемент и назвал его ниобием. Позднее было установлено, что Колумбии и ниобий — один и тот же элемент. Металлический Н. впервые получил (1866) швед, ученый Бломстрад; компактный пластичный Н. получил (1907) нем. химик В. фон Болтон. Пром. применение Н. развивается с 50-х гг. 20 в.
 
Содержание ниобия в земной коре 1 • 10 %. В природе встречается вместе с танталом. Входит в состав около 100 минералов. Наиболее важные пром. минералы Н.: колумбит и танталит (Fe, Мn) [(Та, Nb) 03]2 (название зависит от преобладания ниобия или тантала), пирохлор (Na, Са…)2 (Nb, Ti)206 [F, ОН) и лопарит (Na, Са, Се…)2 (Ti, Nb)2 06. Кристаллическая решетка Н. объемноцентри-рованная   кубическая   с   периодом а = 3,294 А. Атомный радиус 1,45 А, ионный радиус Nb5+ равен 0,66 А. Плотность 8,57 г/см3; tпл 2468°С; tкип    5127° С; температурный коэфф. линейного  расширения    (т-ра  0—100° С) 7,1 х 10-6 град-1; коэфф. теплопроводности  (т-ры  20 и  600° С) 0,125 и 0,156 кал/см — сек- град. Удельная теплоемкость при т-рах 100; 1400 и 1600° С равна соответственно 0,065; 0,0797 и 0,08267 кал/г х град. Теплота плавления 6,4 ккал/г х атом; теплота испарения 170 ккал/г х атом. Удельное электрическое сопротивление (т-ра 0°С) 15,22 х 10-6 ом х см. Температурный коэфф. электрического сопротивления (т-ра 0—100°С) 3,95 х 10-3 град . Т-ра перехода в сверхпроводящее состояние 9,22 К. Ионизационный потенциал 6,77 эв. Работа выхода электронов 4,01 эв. Н. парамагнитен. Мех. св-ва Н. зависят от чистоты и характера обработки.
 
Модуль нормальной упругости ниобия составляет И 500 кгс/мм2; модуль   сдвига  равен  3750 кгс/мм2; коэффициент   Пуассона 0,38; твердость 100—160 кгс/мм2 (при чистоте 99,9—99,7%) и 40—50 кгс/мм2 (металла высокой чистоты). У Н. технической чистоты предел прочности на растяжение 35 кгс/мм2; удлинение 50% ; сужение 80% . Предел текучести (т-ра 20° С) 25,3 кгс/мм2. Сечение захвата тепловых нейтронов 1,15 барн. Н. стоек к действию соляной, серной, азотной и фосфорной к-т, «царской водки», а также органических к-т любой концентрации на холоду и при т-ре  100—150° С.   Растворяется  в плавиковой к-те, смесях плавиковой и азотной к-т, в горячей концентрированной серной к-те, в расплавленных щелочах и соде. Горячие растворы щелочей заметно разъедают металл.
 
Стоек в расплавленных щелочных металлах и висмуте, противостоит действию расплавленного урана и его сплавов. Н. стоек на холоду в атмосфере воздуха, в соленой и пресной воде. Кислоты-окислители пассивируют  металл.   При  повышенной т-ре Н. становится химически активным, способным поглощать водород, азот и др. газы с образованием твердых   растворов   и   внедрения    фаз. Окисляться начинает при т-ре выше 300° С. Углерод и углеродсодержа-щие газы при т-ре выше 1200° С взаимодействуют с образованием карбидов. С бором и кремнием Н. образует твердые тугоплавкие бориды и силициды.  При комнатной температуре взаимодействует   с фтором,   выше т-ры 200° С — с хлором, выше т-ры 250° С — с бромом. При т-ре 500— 600° С взаимодействует с серой и фосфором, образуя сульфиды и фосфиды.   С  переходными   металлами IV—VI групп образует непрерывные ряды твердых растворов (за исключением хрома), по крайней мере при высокой  т-ре.   Самое   распространенное соединение Н.— пятиокись Nb206 имеет кислотные св-ва;  нио-биевые к-ты не выделены в свободном виде, но известны их соли — ниоба-ты.
 
Произ-во металлического Н. из рудного сырья заключается в получении концентратов обогащением руд (гравитационным методом с последующей флотацией, электромаги, или электростатической сепарацией); вскрытии концентратов (сплавлением со щелочами или карбонатами, обработкой серной или плавиковой к-той, хлорированием); переработке концентратов   на   окислы,   фтористые комплексные соли и хлориды; разделении тантала и ниобия; очистке соединений  ниобия   (дробной  кристаллизацией комплексных фтористых солей, экстракцией органическими растворителями, ректификацией хлоридов и др.); получении металлического Н. из его соединений. Осн. методы получения Н.: восстановление окислов углеродом (карботерми-ческий метод) или алюминием (алю-мотермический метод); восстановление комплексных фтористых солей натрием; электролиз расплавленных солей; восстановление хлоридов магнием, натрием и водородом. Во всех методах, кроме алюмотермического, металл получают в виде порошка или губки. Если применяют алюмотермический метод, получают сплав Н. с алюминием, к-рый удаляют при вакуумной переплавке. Переработку порошков и губки в компактные пластичные заготовки осуществляют методами спекания, электродуговой вакуумной плавки, электроннолучевой плавки.
Для получения Н. высшей чистоты прибегают к одному из наиболее эффективных методов — бестигельной зонной плавке с электроннолучевым нагревом в высоком вакууме. Н. выпускают в виде порошка, штабиков, слитков, прутков, листов, фольги, проволоки, бесшовных труб или монокристальиых прутков. Спеченные и плавленные ниобиевые заготовки обрабатывают давлением на холоду с промежуточными отжигами для снятия наклепа в высоком вакууме или в хорошо очищенном инертном газе при т-ре 1000—1400° С. Высокая пластичность Н. позволяет применять все виды обработки давлением. Н. хорошо сваривается с титаном, медью, цирконием и др. металлами. Сварку ведут в вакууме или нейтральной среде, применяя различные виды дуговой и электроннолучевой сварки.
 
При пайке на Н. предварительно наносят (электролитическим способом) слой меди или  никеля.
Н. в составе феррониобия служит легирующей добавкой к нержавеющим сталям, стабилизирующей карбиды и предотвращающей межкрис-таллитную коррозию. Такими свойствами, как тугоплавкость, жаропрочность, коррозионная стойкость, относительно небольшое сечение захвата тепловых нейтронов, высокая т-ра перехода в сверхпроводящее состояние, определяется перспектива применения Н. в качестве конструкционного материала для реактивных двигателей и ракет, в хим. аппарату-ростроении, в атомной энергетике, электровакуумной технике и радиоэлектронике. Н. может частично или полностью заменять более дефицитный тантал со значительным экономическим эффектом (он дешевле и почти вдвое легче тантала). См. также Ниобия сплавы.
Характеристика элементов. Ниобий являются металлам, но в состоянии окисления +5 проявляют неметаллические качества. Он почти не образуют катионов, но известно довольно большое количество сложных анионов, куда входят этот элемент. Характер изменения химической связи удобно прослеживается на стадиях постепенного окисления ниобия
Nb + O2  Nb — O(твердый раствов)  Nb6 Nb2 NbO  NbO2  Nb2O5
Оксиды Nb6O и Nb2O—типичные металлические соединения, NbO — обладает металлическим блеском и металлической проводимостью, NbO2— полупроводник, Nb2O5 — неметаллический оксид и электрической проводимостью не обладает. Следовательно, по мере возрастания положительной степени окисления уменьшается доля металлической связи и увеличивается доля ковалентной. Наполовину занятые d-орбитали активно участвуют в образовании химической связи как металлического кристалла, так и неметаллических соединений и комплексов.
 
Свойства простых веществ и соединений. По своему свободному состоянию и по химическим взаимодействиям члены подгруппы VB — ниобий  резко отличается от сурьмы и висмута.
Металлы — ниобий  — очень тугоплавок , тверд , химически малоактивен . Кристаллизуется в кубической объемноцентрированной решетке. Его химическая активность примерно одинакова с танталам .
Ни вода, ни большинство кислот на него не действуют. На воздухе он покрыт плотным слоем  оксидов, который  препятствует при обычной температуре его дальнейшему взаимодействию даже с такими активными химическими реагентами, как кислородгалогены и сера. Только довольно значительное нагревание способно вывести его из столь пассивного состояния. На ниобий даже «царская водка» — смесь, способная растворять золото, не действует. Он может раствориться только в еще более грозной смеси плавиковой и азотной кислот. Взаимодействие с водородом идет довольно легко, однако при поглощении водорода ниобий определенных соединений не образуется. 
Состав максимально насыщенных водородом продуктов приближается к формуле ЭН, т. е. на каждый атом металла приходится один атом водорода. Если рассматривать свойства металлов в состоянии со степенью окисления +5, нужно отметить следующее: оксиды — плотные, устойчивые, инертные вещества. По размерам атома и иона ниобий и тантал близки друг к другу. Это отражается и на свойствах оксидов, температура образования которых у ниобия и тантала высокая, как и температура плавления оксидов, а высшие оксиды Nb2Os и Та205 практически нерастворимы в воде. Если сравнивать ионы одной и той же степени окисления, то можно заметить усиление металлических свойств. 
Кислотные свойства гидроксидов выше, чем в подгруппе титана, и падают от ванадия к танталу. Гидроксид ванадия— слабая кислота, а ниобия и тантала — соединения амфотерные. Так как у этих элементов не заполнены tf-орбитали, то значит они способны образовывать комплексные соединения. Взаимодействуя со смесью азотной и плавиковой кислот, они дают комплексы типа H2[NbF7] , H2[NbOF5]. Атом ниобия в NbF5 обладает положительным зарядом, так как фтор оттягивает от Nb электроны. Таким образом d-орбитали остаются практически свободными и создается возможность ниобию проявить свои акцепторные качества:
 
2Nb + 5F2 = 2NbF6
 
NbF5 + 2KF = K2[NbF7]
 
Оксид ниобия (V) при растворении в воде кислоту не образует. Высший оксид ниобия обнаруживает свой кислотный характер лишь при сплавлении со щелочами или карбонатами :
 
Nb2O5 + 3Na2з = 2Na3NbO4 + ЗСO2
 
Образуется соль ниобневой кислоты, но выделить ее невозможно: она превращается в NaNbO3 (метаформа). В этом случае Nb проявляет способность неметалла. Тот же самый оксид при взаимодействии с гидросульфатом натрия дает соль, где ниобий входит в состав катиона, т. е. проявляет способности, свойственные металлу.
Следовательно, ниобий в степени окисления +5 обладает амфотерностью с преобладанием кислотных свойств. 
 
Получение и использование. Ниобий получают из полиметаллических руд, содержащих железотитанцирконий и др.  Его превращают в пентоксиды Nb2O5 или пентагалогениды, а затем восстанавливают до металлов водородом, кальцием или
алюминотермическим способом получают феррониобий или ферротантал. Ниобий обладают ценным сочетанием качеств. Химическая инертность позволяет его использовать в высоко агрессивных средах, вплоть до атомных реакторов, а так же в костной и пластической хирургии. Он нисколько не вредит деятельности живых тканей организма.
Применение ниобия и тантала позволило резко расширить ассортимент сталей и сплавов. Некоторые соединения ниобия (Nb3Ge, Nb3Sn) представляют интерес для физики сверхпроводимости.
 
Лит.: Горощенко   Я. Г.  Химия ниобия и тантала.  Мальцев М. В., Б а Яков А. И., Соловьев В. Я. Технология производства ниобия и его сплавов.

Также читают на тему Ниобий.

ГлавнаяСтальПорошокПолучениеИсторияСплавыНиобий и металлыСверхпроводник

Соли, минералы.

Ниобаты

С этим часто ищут.

ВанадийНиобийТанталДубний