Реферат
На тему: Свойства ниобия
Группа: М-13-3
Студент: Мохнашин Никита
Содержание
1. Общие сведения об элементе
. Физические свойства ниобия
. Химические свойства ниобия
. Ниобий в свободном состоянии
. Оксиды ниобия и их соли
. Соединения ниобия
. Применение ниобия в различных отраслях
. Добыча ниобия на территории России
. Страны лидеры в производстве ниобия
1. Общие сведения об элементе
С элементом, занимающим в менделеевской таблице 41-ю клетку, человечество знакомо давно. Возраст его нынешнего названия - ниобий - почти на полстолетия меньше. Случилось так, что элемент №41 был открыт дважды. Первый раз - в 1801 г. английский ученый Чарльз Хатчет исследовал образец верного минерала, присланного в Британский музей из Америки. Из этого минерала он выделил окисел неизвестного прежде элемента. Новый элемент Хатчет назвал колумбием, отмечая тем самым его заокеанское происхождение. А черный минерал получил название колумбита. Через год шведский химик Экеберг выделил из колумбита окисел еще одного нового элемента, названного танталом. Сходство соединений Колумбия и тантала было так велико, что в течение 40 лет большинство химиков считало: тантал и колумбий - один и тот же элемент.
В 1844 г. немецкий химик Генрих Розе исследовал образцы колумбита, найденные в Баварии. Он вновь обнаружил окислы двух металлов. Один из них был окислом известного уже тантала. Окислы были похожи, и, подчеркивая их сходство, Розе назвал элемент, образующий второй окисел, ниобием по имени Ниобы, дочери мифологического мученика Тантала. Впрочем, Розе, как и Хатчет, не сумел получить этот элемент в свободном состоянии. Металлический ниобий был впервые получен лишь в 1866 г. шведским ученым Бломстрандом при восстановлении хлорида ниобия водородом. В конце XIX в. были найдены еще два способа получения этого элемента. Сначала Муассан получил его в электропечи, восстанавливая окись ниобия углеродом, а затем Гольдшмидт сумел восстановить тот же элемент алюминием. А называть элемент №41 в разных странах продолжали по-разному: в Англии и США - колумбием, в остальных странах - ниобием. Конец этой разноголосице положил Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) в 1950 г. Было решено повсеместно узаконить название элемента «ниобий», а за основным минералом ниобия так и закрепилось наименование «колумбит». Его формула (Fe, Mn) (Nb, Ta)2О6.
Ниобий не случайно считается редким
элементом: он действительно встречается не часто и в небольших количествах,
причем всегда в виде минералов и никогда в самородном состоянии. Любопытная
деталь: в разных справочных изданиях кларк (содержание в земной коре) ниобия
разный. Это объясняется главным образом тем, что в последние годы в странах
Африки найдены новые месторождения минералов, содержащих ниобий. В «Справочнике
химика», т. 1 (М., «Химия», 1963) приведены цифры: 3,2·10-5% (1939 г.), 1·10-3% (1949 г.) и 2,4·10-3% (1954 г.). Но и последние цифры
занижены: африканские месторождения, открытые в последние годы, сюда не вошли.
Тем не менее подсчитано, что из минералов уже известных месторождений можно
выплавить примерно 1,5 млн т металлического ниобия.
. Физические свойства ниобия
Ниобий - блестящий серебристо-серый металл.
Элементарный ниобий - чрезвычайно тугоплавкий (2468°C) и высококипящий (4927°C) металл, очень стойкий во многих агрессивных средах. Все кислоты, за исключением плавиковой, не действуют на него. Кислоты-окислители «пассивируют» ниобий, покрывая его защитной окисной пленкой (№205). Но при высоких температурах химическая активность ниобия повышается. Если при 150...200°C окисляется лишь небольшой поверхностный слой металла, то при 900...1200°C толщина окисной пленки значительно увеличивается.
Кристаллическая решетка Ниобия объемно центрированная кубическая с параметром а = 3,294Å.
Чистый металл пластичен и может быть прокатан в тонкий лист (до толщины 0, 01 мм.) в холодном состоянии без промежуточного отжига.
Можно отметить такие свойства ниобия как высокая температура плавления и кипения, более низкая работа выхода электронов по сравнению с другими тугоплавкими металлами - вольфрамом и молибденом. Последнее свойство характеризует способность к электронной эмиссии (испусканию электронов), что используется для применения ниобия в электровакуумной технике. Ниобий также имеет высокую температуру перехода в состояние сверхпроводимости.
Плотность 8,57 г/см3 (20 °С); tпл 2500 °С; tкип 4927 °С; давление пара (в мм рт. ст.; 1 мм рт. ст.= 133,3 н/м2) 1·10-5 (2194 °С), 1·10-4 (2355 °С), 6·10-4 (при tпл), 1·10-3 (2539 °С).
При обычной температуре ниобий устойчив на воздухе. Начало окисления (плёнки побежалости) наблюдается при нагревании металла до 200 - 300°С. Выше 500° происходит быстрое окисление с образованием окисла Nb2O5.
Теплопроводность в вт/(м·К) при 0°С и 600 °С соответственно 51,4 и 56,2, то же в кал/(см·сек·°С) 0,125 и 0,156. Удельное объемное электрическое сопротивление при 0°С 15,22·10-8 ом·м (15,22·10-6 ом·см). Температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,25 К. Ниобий парамагнитен. Работа выхода электронов 4,01 эв.
Чистый Ниобий легко обрабатывается давлением на холоду и сохраняет
удовлетворительные механические свойства при высоких температурах. Его предел
прочности при 20 и 800 °С соответственно равен 342 и 312 Мн/м2, то же в кгс/мм234,2 и 31,2; относительное
удлинение при 20 и 800 °С соответственно 19,2 и 20,7%. Твердость чистого Ниобиы
по Бринеллю 450, технического 750-1800 Mн/м2. Примеси некоторых элементов, особенно водорода, азота,
углерода и кислорода, сильно ухудшают пластичность и повышают твердость Ниобия.
3. Химические свойства ниобия
Ниобий особенно ценится за его устойчивость к действию неорганических и органических веществ.
Есть разница в химическом поведении порошкообразного и кускового металла. Последний более устойчив. Металлы на него не действуют, даже если нагреть их до высоких температур. Жидкие щелочные металлы и их сплавы, висмут, свинец, ртуть, олово могут находиться в контакте с ниобием долго, не меняя его свойств. С ним ничего не могут поделать даже такие сильные окислители, как хлорная кислота, «царская водка», не говоря уж об азотной, серной, соляной и всех прочих. Растворы щелочей на ниобий тоже не действуют.
Существует, однако, три реагента, которые могут переводить металлический
ниобий в химические соединения. Одним из них является расплав гидроксида
какого-либо щелочного металла:
Nb+4NaOH+5О2 = 4NaNbO3+2H2О
Двумя другими являются плавиковая кислота (HF) или ее смесь с азотной (HF+HNO). При этом образуются фторидные комплексы, состав которых в значительной степени зависит от условий проведения реакции. Элемент в любом случае входит в состав аниона типа [NbOF5]2- или [Nb(OH)2F5]2-.
Если же взять порошкообразный ниобий, то он несколько более активен. Например, в расплавленном нитрате натрия он даже воспламеняется, превращаясь в оксид. Компактный ниобий начинает окисляться при нагревании выше 200°С, а порошок покрывается окисной пленкой уже при 150°С. При этом проявляется одно из чудесных свойств этого металла - он сохраняет пластичность.
В виде опилок при нагревании выше 900°С он полностью сгорает до Nb2O5.
Энергично сгорает в токе хлора:
Nb + 5Cl2 = 2NbCl5
При нагревании реагирует с серой. С большинством металлов он сплавляется с трудом. Исключение, пожалуй, составляют лишь два: железо, с которым образуются твердые растворы разного отношения, да алюминий, имеющий с ниобием соединение Al2Nb.
Какие же качества ниобия помогают ему сопротивляться действию сильнейших кислот-окислителей? Оказывается, это относится не к свойствам металла, а к особенностям его оксидов. При соприкосновении с окислителями на поверхности металла возникает тончайший (поэтому он и незаметен), но очень плотный слой оксидов. Этот слой встает неодолимой преградой на пути окислителя к чистой металлической поверхности. Проникнуть сквозь него могут только некоторые химические реагенты, в частности анион фтора. Следовательно, по существу металл окисляется, но практически результатов окисления незаметно из-за присутствия тонкой защитной пленки. Пассивность по отношению к разбавленной серной кислоте используют для создания выпрямителя переменного тока. Устроен он просто: платиновая и ниобиевая пластинки погружены в 0,05 м. раствор серной кислоты. Ниобий в пассивированном состоянии может проводить ток, если является отрицательным электродом - катодом, т. е. электроны могут проходить сквозь слой оксидов только со стороны металла. Из раствора путь электронам закрыт. Поэтому, когда через такой прибор пропускают переменный ток, то проходит только одна фаза, для которой платина - анод, а ниобий - катод.
ниобий металл галоген
4. Ниобий в свободном состоянии
Он настолько красив, что одно время пытались из него делать ювелирные изделия: своим светло-серым цветом ниобий напоминает платину. Несмотря на высокие температуры плавления (2500°С) и кипения (4840°C), из него легко можно сделать любое изделие. Металл настолько пластичен, что его можно обрабатывать на холоду. Очень важно, что ниобий сохраняет свои механические свойства при высоких температурах. Правда, как и в случае ванадия, даже небольшие примеси водорода, азота, углерода и кислорода сильно уменьшают пластичность и повышают твердость. Ниобий становится хрупким при температуре от - 100 до - 200 °С.
Получение ниобия в сверхчистом и компактном виде стало возможным с привлечением техники последних лет. Весь технологический процесс сложен и трудоемок. В принципе он делится на 4 этапа:
1. получение концентрата: феррониобия или ферротанталониобия;
. вскрытие концентрата - перевод ниобия (и тантала) в какие-либо нерастворимые соединения, чтобы отделить от основной массы концентрата;
. разделение ниобия и тантала и получение их индивидуальных соединений;
. получение и рафинирование металлов.
Первые два этапа довольно просты и обычны, хотя и трудоемки. Степень разделения ниобия и тантала определяется третьим этапом. Стремление получить как можно больше ниобия и особенно тантала заставило изыскать новейшие методы разделения: избирательной экстракции, ионного обмена, ректификации соединений этих элементов с галогенами. В результате получают либо оксид, либо пятихлориды тантала и ниобия в отдельности. На последнем этапе применяют восстановление углем (сажей) в токе водорода при 1800°С, а затем температуру повышают до 1900°С и понижают давление. Получившийся при взаимодействии с углем карбид вступает в реакцию с Nb2O5:
2Nb2O5 + 5NbC = 9Nb + 5CO3,
и появляется порошок ниобия. Если в результате отделения ниобия от
тантала получен не оксид, а соль, то ее обрабатывают металлическим натрием при
1000°С и также получают порошкообразный ниобий. Поэтому при дальнейшем
превращении порошка в компактный монолит проводят переплавку в дуговой печи, а
для получения монокристаллов особо чистого ниобия используют электроннолучевую
и зонную плавку.
. Оксиды ниобия и их соли
Число соединений с кислородом у ниобия невелико, значительно меньше, чем у ванадия. Объясняется это тем, что в соединениях, соответствующих степени окисления +4, +3 и +2, ниобий крайне неустойчив. Если атом этого элемента начал отдавать электроны, то он стремится отдавать все пять, чтобы обнажить стабильную электронную конфигурацию.
Если сравнивать ионы одной и той же степени окисления двух соседей по группе - ванадия и ниобия, то обнаруживается усиление свойств в сторону металлов. Кислотный характер оксида Nb2O5заметно слабее, чем у оксида ванадия (V). Кислоту при растворении он не образует. Лишь при сплавлении со щелочами или карбонатами проявляются его кислотные свойства:
O5 + 3Nа2СО3 = 2Nа3NbO4 + ЗС02
Эта соль - ортониобат натрия - похожа на такие же соли ортофосфорной и ортованадиевой кислот. Однако у фосфора и мышьяка ортоформа самая устойчивая, а попытка получить ортониобат в чистом виде не удается. При обработке сплава водой выделяется не соль Nа3NbO4, а метаниобат NaNbO3. Это бесцветный труднорастворимый в холодной воде мелкокристаллический порошок. Следовательно, у ниобия в высшей степени окисления более устойчива не орто- , а мета-форма соединений.
Из других соединений оксида ниобия (V) с основными оксидами известны диниобаты K4Nb2O7, напоминающие о пирокислотах, и полиниобаты (как тень полифосфорных и поливанадиевых кислот) с примерными формулами K7Nb5O16.nH2O и K8Nb6O19.mH2O. Упомянутые соли, отвечающие высшему оксиду ниобия, содержат этот элемент в составе аниона. Форма этих солей позволяет считать их производными ниобиевых. кислот. В чистом виде эти кислоты получить нельзя, так как их скорее можно рассматривать как оксиды, имеющие связь с молекулами воды. Например, мета-форма - это Nb2O5. H2O, а орго-форма Nb2O5. 3H2O. Наряду с такого рода соединениями у ниобия есть и другие, где он уже входит в состав катиона. Ниобий не образует простых солей типа сульфатов, нитратов и т. д. При взаимодействии с гидросульфатом натрия NaHSО4 или с оксидом азота N2О4 появляются вещества со сложным катионом: Nb2О2(SО4)3. Катионы в этих солях напоминают катион ванадия с той лишь разницей, что здесь ион пятизарядный, а у ванадия степень окисления в ионе ванадила равна четырем. Такой же катион NbO3+ входит, в состав некоторых комплексных солей. Оксид Nb2O5 довольно легко растворяется в водной фтористоводородной кислоте. Из таких растворов можно выделить комплексную соль K2[NbOF6]. H2O.
На основании рассмотренных реакций можно сделать вывод, что ниобий в своей высшей степени окисления может входить как в состав анионов, так и в состав катиона. Это значит, что пятивалентный ниобий амфотерен, но все же со значительным преобладанием кислотных свойств.
Существует несколько способов получения Nb2O5. Во-первых, взаимодействие ниобия с кислородом при нагревании. Во-вторых, прокаливание на воздухе солей ниобия: сульфида, нитрида или карбида. В-третьих - наиболее обычный метод -обезвоживание гидратов. Из водных растворов солей концентрированными кислотами осаждается гидратированный оксид Nb2O5. xH2O. Затем при разбавлении растворов происходит выпадение белого осадка оксида. Обезвоживание осадка Nb2O5 xH2O сопровождается выделением теплоты. Вся масса накаляется. Происходит это из-за превращения аморфного оксида в кристаллическую форму. Оксид ниобия может быть двух цветов. В обычных условиях белый, но при нагревании приобретает желтую окраску. Стоит, однако, охладить оксид, как цвет исчезает. Оксид тугоплавок (tпл=1460°С) и нелетуч.
Более низким степеням окисления ниобия соответствуют NbО2 и NbО. Первый из этих двух представляет собой черный с голубым отливом порошок. Получают NbO2 из Nb2O5, отбирая кислород магнием или водородом при температуре около тысячи градусов:
O5 + Н2 = 2NbО2 + Н2О
На воздухе это соединение легко переходит обратно в высший оксид Nb2O5. Характер его довольно скрытный, так как оксид нерастворим ни в воде, ни в кислотах. Все же ему приписывают кислотный характер на основании взаимодействия с горячей водной щелочью; при этом, однако, идет окисление до пятизарядного иона.
Казалось бы, разница в один электрон не так уж велика, но в отличие от Nb2O5, оксид NbO2 проводит электрический ток. Очевидно, в этом соединении существует связь металл - металл. Если воспользоваться этим качеством, то при нагревании сильным переменным током можно заставить NbO2 отдать свой кислород.
При потере кислорода NbO2 переходит в оксид NbO, в дальнейшем довольно быстро отщепляется и весь кислород. О низшем оксиде ниобия NbО известно немного. Он имеет металлический блеск и по виду схож с металлом. Прекрасно проводит электрический ток. Словом, ведет себя так, будто кислорода в его составе вовсе и нет. Даже, подобно типичному металлу, бурно реагирует с хлором при нагревании и превращается в оксихлорид:
2NbO + 3Cl2=2NbOCl3
Из соляной кислоты вытесняет водород (будто и не оксид он вовсе, а металл
вроде цинка):
NbO + 6HCl = 2NbOCl3 + 3H2
Получить в чистом виде NbО можно прокаливанием уже упоминавшейся
комплексной соли K2[NbOF5] с металлическим натрием:
К2[NbOF5]
+ 3Na = NbO + 2KF + 3NaF
Оксид NbO имеет самую высокую из всех ниобиевых оксидов температуру
плавления 1935°С. Чтобы очистить ниобий от кислорода, температуру повышают до
2300 - 2350°С, тогда одновременно с испарением происходит распад NbO на
кислород и металл. Происходит рафинирование (очистка) металла.
. Соединения ниобия
Взаимодействие галогенов с металлическим ниобием: