Как изначально назывался ниобий

Дело в том, что этот элемент в 1801 году открыл английский химик Чарльз Хатчетт, исследуя странный американский минерал. В нем была обнаружена неизвестная металлическая кислота, а металл, который образует ее ангидрид, Хатчетт и назвал колумбием. Год спустя Андрес Экеберг в Швеции также нашел новый элемент в похожем минерале из Финляндии и назвал его танталом.

Уильям Волластон в 1809 году проанализировал оба элемента и счел их идентичными. Логично было бы отвергнуть второе название и оставить за элементом первоначальное — колумбий. Но этого не произошло. Сорок лет после открытия Хатчетта химики использовали оба имени в зависимости от личных предпочтений. Однако в 1844 году ситуация усложнилась.

Ниобий — Металл, ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЗОЛОТО!

Исследуя колумбиты и танталиты из разных местностей, немец Генрих Розе нашел в них еще два элемента — ниобий и пелопий. Открытие второго не подтвердилось, ниобий же, судя по всему, был тем самым колумбием. Однако стараниями немецких химиков старое имя было забыто, и с тех пор в Европе данный элемент называют ниобием.

Впрочем, англосаксы продолжали именовать его колумбием — под этим названием он вошел в Британскую энциклопедию и в рекомендации химической секции Американской ассоциации содействия развитию науки. Причиной путаницы было, видимо, то обстоятельство, что Волластон при описании своих опытов использовал название «танталиты», про колумбий не упоминал, а своему ниобию приписал больший вес, чем у известного тогда тантала-колумбия. Американцы пытались бороться за приоритет (см., например, «Science» ), но европейцы не обратили на это внимания — вероятно, в 1914 году им было не до того. В 1950 году ИЮПАК окончательно утвердил название «ниобий».

Каковы свойства ниобия? Для химика — это металл, который обычно проявляет валентность +5. Он может входить в состав солей и как катион, и в кислотном остатке. Соли ниобиевых кислот называют ниобатами. Бывают и двойные соли ниобиевой кислоты, например с участием галогенов, причем наиболее охотно образуются фторниобаты.

Именно ниобаты — основа минералов, содержащих ниобий. Первый такой минерал — тот самый колумбит, с которым работал Чарльз Хатчетт, — имел состав (Fe,Mn)(Nb,Ta)2O6. Основным промышленным источником ниобия сейчас служит фторниобат пирохлор — (Ca,Na)2(NbTaTi)2O6(O,OH,F).

Как видно из формулы, хлора он не содержит, а называется так потому, что при прокаливании зеленеет: по-гречески пир — огонь, а хлорос — зеленый. Основные месторождения этого минерала находятся в Канаде и Бразилии, где добывают 90% ниобия, а в 70-х годах крупнейшим поставщиком была Нигерия. Сам по себе пирохлор эти страны не продают — на экспорт идет выделенный из минерала оксид ниобия или феррониобий. никельниобий — эти вещества добавляют в сплавы при легировании ниобием. Другой распространенный минерал, лопарит, имеет состав (Na, Ce, Ca)2(NbTi)2O6. Его, в частности, добывают на Кольском полуострове.

Для металлурга ниобий — прежде всего металл с высокой температурой плавления (2468°С), на котором при нагреве образуется прочная оксидная пленка. Одним словом, жаропрочный материал. При этом ниобий еще и самый пластичный из жаропрочных, а от ближайшего коллеги по этой профессии — тантала — отличается вдвое меньшим удельным весом.

Как ниобий извлекают из минерала? Это сложный процесс. Самое главное — разделить ниобий и тантал. Долгое время пользовались тем обстоятельством, что комплексный фторид ниобия растворим, а фторид тантала — нет. Соответствующий метод в 1866 году предложил Жан-Шарль Галлисар де Мариньяк, но хорошего разделения достичь не удавалось.

Сейчас используют избирательную экстракцию, ионный обмен, ректификацию, и на выходе получают оксид или хлорид пятивалентного ниобия. Далее, если нужен чистый металл, его можно восстановить и несколько раз переплавить (подробности см. в «Химии и жизни», 1968, № 3). В общем, понятно, что ниобий — металл не из дешевых, хотя он и дешевле того же тантала. Мировой объем его производства составляет несколько сотен тонн в год.

Для чего применяют ниобий в металлургии? Основную часть ниобия используют по назначению — для легирования теплостойких, коррозионностойких сталей и жаропрочных никелевых сплавов. Что он там делает? Например, коррозионную стойкость можно повысить добавлением гораздо более дешевого хрома. Однако сталь — это сплав железа с углеродом, а хром охотно образует карбиды.

Ниобий образует карбиды еще охотнее — он свяжет излишний углерод раньше хрома и сохранит его в металлическом виде. Заодно карбидные частицы упрочнят сталь. Применяют ниобий и для микролегирования. Малые его добавки — менее десятой доли процента — позволяют существенно облагораживать дешевую сталь, используемую в строительстве или при производстве труб.

Карбиды и нитриды ниобия не только упрочняют сплав, но и не дают расти зерну, что повышает прочность и уменьшает вероятность разрушения. Микролегирование улучшает качество стали без существенного роста цены, однако требует хорошей культуры производства.

Третья крупная область применения ниобия — в виде карбида он входит в состав сверхтвердых материалов на основе кобальта и карбида вольфрама. Такие материалы идут на изготовление технологической оснастки, например, штампов для горячего прессования или резцов.

Зачем ниобий электротехникам? Ниобиевые конденсаторы в микросхемах используют издавна. Теперь же он может пригодиться в суперконденсаторах, или ионисторах. Это накопители электрического заряда, которые могут его быстро отдать. Этим они отличаются от аккумуляторов, которые отдают заряд медленно, но долго.

Другое отличие: суперконденсатор выдерживает многие тысячи циклов зарядки-разрядки без заметного ухудшения своих свойств. Предполагается, что суперконденсаторы должны обеспечивать движение электромобиля при пиковых нагрузках, например при трогании с места или резком ускорении, а аккумуляторы — при стабильном движении. Суперконденсаторы теперь устанавливают в троллейбусах, чтобы они могли объезжать препятствия, отсоединившись от проводов.

Однако не так давно появилась идея о гибридных суперконденсаторах, которые, несмотря на большую плотность тока, не сразу отдают свой заряд, то есть могут служить и аккумуляторами. Для этого они должны обеспечивать высокую плотность и энергонасыщенности, и мощности, а это зависит от качества электродов. Сейчас лучшие электроды обеспечивают плотность мощности до 18,5 кВт на килограмм веса ионистора при плотности энергии 15 Вт⋅ч на килограмм. Опыты с пористым анодом из композита, содержащего оксид ниобия (который плохо проводит ток, будучи полупроводником) и углерод, дали огромный рост энергонасыщенности — до 75 Вт⋅ч на килограмм. Исследователи считают, что такой ниобиевый анод уже может найти применение в реальных устройствах ( «ACS Nano» ).

Суперконденсаторы могут понадобиться не только для автомобилей, но и как встроенный в одежду источник питания для электроники. В этом случае основным параметром оказывается запас энергии, приходящийся уже не на на единицу веса, а на единицу объема. Такое устройство нужно делать из гибкого и прочного волокна, и его прототип не так давно создали из нанотрубочных и графеновых волокон.

Однако пряжа из ниобиевых волокон показала гораздо лучшие характеристики — пиковые значения плотности мощности и энергонасыщенности соответственно в два и пять раз выше, чем у углеродных материалов: 55 Вт/см3 и 7 мВт⋅ч/см3. Высокую мощность обеспечила металлическая проводимость нановолокон, а энергонасыщенность — большая площадь их поверхности в пряже. По упругости и гибкости ниобиевая нить не уступает углеродной ( «ACS Applied Materials Interfaces» ).

Может ниобий поработать и в новых литиевых батареях. Сейчас литий на электроде аккумулятора входит в соединения с трехвалентными металлами — никелем, кобальтом, образуя соединение LiMeO2. Опыты с четырехвалентными, например, рутением или марганцем позволили предположить, что увеличение количества ионов лития в соединении обеспечит рост емкости при удовлетворительной устойчивости к циклам зарядки-разрядки. И вот дело дошло до пятивалентного ниобия, с которым получается ниобат состава Li3NbO4. Они дали 300 мА⋅ч на грамм материала при 50°С, что считается перспективным ( «Proceedings of the National Academy of Science» ).

Зачем ниобий биологам? Быстро развивающийся раздел молекулярной биологи — фосфопротеомика — изучает присоединение фосфатных групп к белкам. Поскольку фосфорилирование изменяет активность белков, наблюдая за ним, можно сделать важные выводы и о функциях отдельных генов, и о процессах, идущих в клетке, а также найти новые мишени для лекарств.

Идентифицируют такие белки с помощью металл-аффинной хроматографии, для чего в смесь белков добавляют реагент, содержащий ионы металла. Они связываются с отрицательно заряженными фосфатными группами на пептиде. Обычно для таких анализов используют трехвалентные ионы металлов. Как оказалось, магнитные наночастицы, к которым прикреплены пятивалентные ионы ниобия, обладают исключительной способностью связываться с такими группами: они могут вылавливать искомое вещество из смеси с чрезвычайно высокой избирательностью — при фемтомолярных концентрациях.

Зачем ниобий ювелирам? Чтобы создавать необычные украшения. Дело в том, что пленки оксида ниобия, как и некоторых других металлов, окрашены в разные цвета в зависимости от толщины. Например, австрийская компания «Münze Österreich AG» изготавливает сувенирные монетки всех цветов радуги, сначала нанося ниобий на серебро, а затем контролируемо окисляя его.

Коррозионная стойкость и прочность ниобия надолго сохраняют разноцветные рисунки. Делают из него брошки, а также серьги и прочие украшения для пирсинга, — этот металл не вызывает аллергии.

Как ниобий может работать в солнечно-водородной энергетике? Получать водород за счет разложения воды под действием солнечного света — мечта сторонников альтернативной энергетики. Ведь это позволит добывать топливо без затрат энергии. Фотолиз воды идет и сам по себе, но с очень маленьким выходом. Для его ускорения нужен катализатор, например соединения тяжелых металлов.

В одном из опытов для этого использовали этилат ниобия (соединение с остатком этилового спирта). Как оказались, эти молекулы не проявляют склонности к самоорганизации, поэтому их можно равномерно перемешать с другими коллоидными частицами и получить превосходные мономолекулярные листы ниобата — по эффективности они оставили далеко позади основных конкурентов, листы из смеси ниобия с графеном или дисульфидом молибдена ( «Chemical Communicatrions (Cambridge)» ). Другой пример: для создания фотоэлектрохимической ячейки на пленку селенида кадмия нанесли наночастицы оксида ниобия. Они повысили эффективность преобразования энергии в 23 раза, а покрытие сохранилось в целости целых четыре часа вместо обычных десятков минут ( «Langmuir» ).

Зачем ниобий медикам? Врачей привлекают его высокая стойкость к коррозии. При этом содержащие ниобий сплавы по другим характеристикам не уступают аналогам. Так, Ti-16Nb-2Sn — более коррозионностойкий конкурент знаменитого нитинола, сплава с эффектом памяти формы на основе интерметаллида NiTi. Из нитинола уже давно делают различные имплантаты.

Сплав Nb-60Ta-2Zr лучше, нежели кобальт-хромовые сплавы или сталь, подходит для изготовления стентов, расширяющих сосуды. А новая кость прекрасно растет на пористом покрытии имплантата из сплава Ti-35Nb.

Зачем ниобий физикам? По сей день это важнейший элемент сверхпроводящих обмоток для мощных магнитов. Такие магниты предназначены, в частности, для уникальных приборов, подобных Большому адронному коллайдеру или строящемуся термоядерному реактору ИТЕР.

Дело в том, что сплав Nb-Ti, а также интерметаллид Nb3Sn не только становятся сверхпроводящими при температуре выше точки кипения жидкого гелия, но и выдерживают высокую плотность тока и сильные магнитные поля. Высокотемпературным керамическим сверхпроводникам такое пока не под силу.

Сверхпроводимость у интерметаллида лучше, чем у титан-ниобиевого сплава, однако он хрупок, поэтому из него долго не могли изготовить гибкий кабель. Пришлось делать композит из медь-оловянного сплава и ниобиевых проволочек. Затем композит нагрели, олово стало переходить в ниобий, и на границе со сплавом получилась тонкая зона интерметаллида. Эти тонкие оболочки и обеспечили прохождение мощного сверхпроводящего тока.

Что может помешать использованию ниобия? Ограничения на поставки этого металла, вызванные разного рода эмбарго, ведь добыча сосредоточена всего в двух странах. Впрочем, потребности РФ удовлетворяют отечествнные залежи лопарита.

История с ниобиевым долотом

Одно из соединений ниобия, литиевый ниобат LiNbO3, служит компонентом электронных схем. Здесь используют его пьезоэлектрические свойства: благодаря способности преобразовывать электрический сигнал в оптический и наоборот, с помощью монокристаллического ниобата лития строят прекрасные фильтры и другое акусто-электрические устройства. Дело в том, что резонансная частота такого фильтра зависит исключительно от свойств включенного в него кристалла, поэтому при пьезоэлектрическом преобразовании большинство шумов будет отсечено. Ниобат лития применяют во многих устройствах, принимающих радиоволны, прежде всего в мобильных телефонах. Применяют это вещество и для удвоения частот лазерного излучения, в устройствах нелинейной оптики, в качестве оптических волноводов, оптических переключателей.

Исходное сырье для их изготовления — поликристаллический ниобат лития — получают, в частности, на Соликамском магниевом заводе. Источником ниобия служит привезенный с Кольского полуострова лопарит, а лития — гидроксид этого элемента. Однажды так получилось, что литиевый гидроксид слежался и образовал плотнейшую массу, по прочности не уступающую бетону. Как ее расколоть, чтобы доставить в цех? «Стальной лом в этом случае не годится — кристаллы ниобата должны быть очень чистыми, примеси железа потом пришлось бы как-то отчищать, — объясняет химик-технолог завода А.Чуб. — Нашли такое решение: сделать ниобиевое долото — ведь ниобий и так входит в состав этого соединения». Долото выковали на том же заводе из имеющегося металла и с его помощью, правда, не без труда, разбили прочную глыбу.

Источник: dzen.ru

Ниобий: происхождение и область применения

Ниобий (Nb) — 41-й элемент периодической таблицы, представляет собой мягкий серый кристаллический металл, используемый в самых разных областях — от производства стали до гипоаллергенных украшений. Первоначально он был обнаружен британским химиком Чарльзом Хэтчеттом в 1801 году, при исследовании коллекции американских минералов в Британском музее. Исследователь назвал этот элемент Колумбиум в честь Христофора Колумба. В Европе на протяжении многих лет использовали другое его название — ниобий.

Добыча и происхождение ниобия

Тантал и ниобий часто встречаются вместе, на протяжении многих лет их практически не отличали друг от друга. По предложению Королевского химического общества он стал называться в честь греческой богини слез Ниобе, дочери короля Тантала.

Nb имеет запутанную историю. Джон Уинтроп открыл руду в штате Массачусетс в 1734 году и отправил ее в Англию. Минерал хранился в коллекции Британского музея в течение многих лет, пока в 1801 году его не стал изучать Чарльз Хэтчетт. Он обнаружил новый элемент в руде и назвал его колумбием в честь Колумбии, самого поэтического звучания Америки.

В 1809 году английский химик Уильям Хайд Волластон сравнил колумбит с другим минералом, танталитом. Эти металлические элементы очень похожи, всегда находятся вместе и их трудно выделить.

В 1844 году Генрих Роуз, работая с образцами колумбита и танталита, создал две новые отдельные, но очень похожие кислоты, которые он назвал соответственно ниобиевой и пелоповой и переименовал элемент в ниобий. Двадцать лет спустя швейцарский химик Жан Шарль Галиссар де Мариньяк выделил металлический Nb путем нагревания хлорида в атмосфере водорода.

В Соединенных Штатах в течение примерно 100 лет изначальный элемент назывался колумбий (символ Cb), тогда как в Европе его называли ниобием. В 1949 году Международный союз теоретической и прикладной химии официально принял ниобий в качестве официального названия элемента. Однако многие металлургические общества США до сих пор называют его колумбием.

Свойства и особенности производства

Образец чистого металла был изготовлен в 1864 году Кристианом Бломстрандом, который восстановил хлорид ниобия, нагревая его газообразным водородом. Почти весь Nb добывается в Бразилии и Канаде. Предполагается, что промышленное его количество в земной коре сохранится в течение следующих пяти веков.
Согласно исследованиям, некоторые соединения ниобиевой пыли могут вызывать раздражение глаз и кожи, тем не менее, не зафиксированы какие-либо серьезные последствия при работе с Nb, так же как и негативного влияния его на экологию.

Элемент встречается в виде оксида и обладает сильной геохимической связью с танталом. Основные минералы — пирохлор [(Na, Ca) 2 Nb 2 O 6 F] и колумбит [(Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6], состоящий из ниобата, танталата, железа и марганца. Пирохлор встречается обычно в карбонатитах и пегматитах, полученных из щелочных пород, связанных с минералами циркония, титана, тория, урана и редкоземельных элементов. Колумбит содержится в интрузивных пегматитах и биотитах, а также в щелочных гранитах. Однако, поскольку большинство таких месторождений невелики и распределены неравномерно на земле, они получаются, как побочный продукт других металлов.

Металл добывают открытым способом, руда, делится на блоки и перерабатывается путем разрыва, с помощью бульдозера, погрузки и транспортировки. Добыча в Квебеке (Канада) идет подземными методами. Концентрация руды достигается путем дробления и измельчения, магнитного разделения для удаления магнетита, а затем обесшламливания и флотационного разделения.

Концентрат пирохлора обычно восстановлен до феррониобия через алюминотермический процесс. Он смешивается с гематитом, алюминиевым порошком и небольшим количеством флюорошпатового и известкового флюсов в роторном смесителе. Затем выгружается в стальные контейнеры, облицованные огнеупорным кирпичом из магнезита.

Здесь смесь помещается в круглые углубления, сделанные из смеси извести, плавикового шпата и кварцевого песка, и восстанавливается воспламенением смеси алюминиевого порошка и хлората натрия или пероксида бария. Экзотермическая реакция длится примерно от 15 до 30 минут, а температура процесса порядка 2400 C. Большая часть примесей из концентрата, включая все оксиды тория и урана, попадают в расплавленный шлак, Когда реакция заканчивается, он отводится, и сосуд поднимается, оставляя металл остывать в песке.

Сплав товарного феррониобия измельчают до размеров частиц с составом:

• Nb — 62–69%;
• железа — 29–30%;
• кремния — 2%;
• алюминия — 1–3%.

Область применения

По данным USGS (Геологическое обследование США), около 80 процентов Nb используется в сталелитейной промышленности для создания высокопрочных низколегированных сталей. Свойства ниобия позволяют применять его в сплавах, что повышает механическую и жаропрочность, ударную вязкость и коррозионную стойкость.

Другие области применения его включают строительство трубопроводов, суперсплавов для жаропрочного оборудования, а также реактивные двигатели и ювелирные изделия. Ниобий, вольфрам, молибден, тантал и рений известны как пять тугоплавких металлов. Все они обладают очень высокой устойчивостью к нагреву и износу.

Промышленное использование Nb началось еще в начале 1900-х годов. Крупнейшим рынком ниобия (> 80%) является производство высокопрочной низколегированной стали, где он обеспечивает высокую жаропрочность и коррозионную стойкость для газопроводов, автомобильных компонентов и конструкционной стали.

Nb, как и тантал, позволяет переменному току проходить только в одном направлении через электролизер. Металл ниобий используется в дуговых сварочных стержнях для стабилизированных марок нержавеющей стали. Наиболее интересные его применения в области сверхпроводимости. Сверхпроводящие магниты изготовлены из проволоки Nb-Zr (ниобий и цирконий), которая сохраняет сверхпроводимость в сильных магнитных полях.

Сплавы с ниобием

Ниобий чаще всего используется для создания сплавов. Даже при содержании Nb всего 0,01% прочность стали заметно улучшается. Такие сплавы часто встречаются в нефтегазовых установках и трубопроводах. Суперсплавы Nb, такие, как никель-ниобий, обладают способностью сохранять стабильность, что делает их незаменимыми в ракетостроении и производстве энергетических турбин.

Ниобий-титановые сплавы являются сверхпроводящими в определенном диапазоне низких температур. Эти сплавы используются для создания специальных магнитов, используемых в МРТ сканерах.

Использование сплавов Nb:

1. Стержни для дуговой сварки стабилизированных марок нержавеющей стали.
2. Стержень управления ядерным реактором из-за его высокой температуры плавления и коррозионной стойкости, а также низкого поглощения нейтронов в поперечном сечении.
3. Тигли для производства синтетических алмазов.
4. Ювелирные изделия, на поверхности Nb можно создать яркие цвета.
5. Сверхпроводник, суперколлайдери ускоритель частиц с использованием сверхчистых металлов и сплавов.
6. Оптическое покрытие и объектив камеры.
7. Литий Nb для волновода в коммуникациях.
8. Тонкопленочный солнечный элемент.

Цена ниобия

Поскольку элемент не имеет больших залежей на земле и имеет сложную технологию производства его цена всегда было очень высокой и сростом развития автомобилестроения, энергетики, самолетостроения и космической технологии его цена неуклонно росла. При этом были периоды, когда она оставалась низкой из-за кризисных явлениях в мировой экономики.

Цена Nb на мировом рынке в тыс. $ за метрическую тонну по годам:

• 1940 – 0.77162;
• 1950 -13.991;
• 2004 — 48.372;
• 2010 — 41.500;
• 2018 – 42.280.

Азиатско-Тихоокеанский регион в потреблении Nb начал доминировать на мировом рынке с 2017 года, что было вызвано ростом использования конструкционных сталей в автомобильной и аэрокосмической промышленности в таких странах, как Китай, Индия и Япония.

На мировом рынке Nb крупным производителем является CBMM (Бразилия), обладающая монополией на его поставки с 84% долей мирового рынка.

Другие известные компании:

1. China Molybdenum Co. Ltd, Китай
   NIOBEC (Magris Resources Company), Канада.
2. Alkane Resources Ltd, США.
3. Современное российское предприятие-производитель Nb в концентрате — ООО «Ловозерский горно-обогатительный комбинат».
4. Предприятия, которые остановили производство: Malyshevskoye mine department, ОАО «Забайкальский ГОК», ООО «Стальмаг», ОАО «Вишневогорский ГОК».

Сегодня в России реализуются проекты с инвестициями по восстановлению редкоземельных месторождений и развитию ниобиевой отрасли:

1. Томторпроект.
2. Белозиминское месторождение.
3. Катугинскоеместорождение.
4. Чуктуконскоеместорождение.
5. Зашихинскоеместорождение.
6. Улуг-Танзекское месторождение.

Ожидается, что в 2019-2024 гг на мировом рынке ниобия будет среднегодовой темп роста в 5,90%. Основные факторы, влияющими на него — высокое потребление Nb в конструкционной стали и широкое использование сплавов при производстве авиационных двигателей.

Как вам статья?

Источник: 1nerudnyi.ru

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.