Металл Ниобий — описание химического элемента, электронная конфигурация и свойства

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 Nb. 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 

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 O2, 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.

К другим химическим свойствам относится устойчивость к большинству кислот, кроме концентрированной H2SO4 (при температуре до 150 °C), плавиковой кислоты (HF), и смеси HF с HNO3.  

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

Ниобиевая кислота HNbO3 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. 

Цена

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.