Описание и свойства ниобия
Ниобий – элемент, относящийся к пятой группе периодической , атомный номер – 41. Электронная формула ниобия — Nb 4d45sl. Графическая формула ниобия — Nb — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 4d 4 5s 1. Открыт в 1801 г. – первоначально назван “колумбием”, по названию реки, в которой был обнаружен. В дальнейшем переименован.
Ниобий – металл бело-стального оттенка, имеет пластичность – легко прокатывается в листы. Электронное строение ниобия наделяет его определёнными характеристиками. Отмечается показание большого температурного режима при плавке и точки кипения металла. За счёт этого, как особенность отмечается электронный исход электронов. Сверхпроводимость проявляется только при большой температуре. Для окисления металлу требуется минимальная температура около 300º С и выше. При этом образуется специфичный оксид ниобия Nb2O5.
Ниобий, свойства которого активно взаимодействовать с некоторыми газами. Это водород, кислород и азот, под их воздействием может поменять определённые характеристики. Чем выше температура, тем интенсивнее поглощается водород, делающий ниобий более хрупким, при достижении контрольной отметки 600º С, начинает происходить обратное выделение, и металл восстанавливает утраченные показатели. После этого начинается образование нитрида NbN, для плавления которого требуется 2300º С.
Углерод и содержащие его газы, начинают своё взаимодействие с ниобием при необходимой температуре свыше 1200º С, в результате образуется карбид NbC – t плавления — 3500º С. В результате взаимодействия кремния и бора с металлом ниобием образуется борид NbB2 – t плавления — 2900º С.
Элемент ниобий устойчив почти ко всем известным кислотам, кроме плавиковой кислоты, а особенно её смеси с азотной кислотой. Металл подвержен воздействию щелочей, особенно, горячих. При растворении в них, происходит процесс окисления, и образуется ниобиевая кислота.
Добыча и происхождение ниобия
Содержание металла на тонну заемной породы сравнительно невелико – всего 18 г на тонну. Содержание увеличено в более кислых породах. Наиболее часто в одном залеже встречаются ниобий и тантал , за счёт их близких химических свойств, которые позволяют находится им в одном минерале, и участвовать в общих процессах. Зачастую в некоторых минералах содержащих титан, происходит замещающее явление – «ниобий – титан».
Известно около ста различных минералов содержащих ниобий. Но в промышленности используются единицы. Это пирохлор, лопарит, торолит и т.д. В ультраосновных и щелочных породах ниобий встречается в перовските и эвдиалите.
Месторождения ниобия имеются в Бразилии, Австралии, Канаде, Конго, Нигерии и Руанде.
Производство ниобия довольно сложный процесс, имеющий три основных стадии. Для начала вскрывается концентрат, потом разделяются ниобий и на чистые соединения. Завершающей стадией является восстановительные процессы и рафинирование металла. Из наиболее распространенных способов можно отметить – карботермические, алюмотермические и натриетермические методы.
К примеру, смешивая оксид ниобия и сажу при высоких температурах в водородной среде получают карбид, затем смешав карбид и оксид ниобия при тех же температурах, но уже в полном вакууме получают металл, из которого в дальнейшем выплавляют различные сплавы ниобия . Не исключено получение сплавов ниобия, используя методы порошковой металлургии, с применением вакуумных и электроннолучевых способов дуговой плавки.
Применение ниобия
В связи с уникальными свойствами, ниобий находит применение во многих областях промышленности. Сплавы ниобия обладают тугоплавкостью, жаропрочностью, сверхпроводимостью, геттерными и антикоррозийными свойствами. К тому же он довольно легко обрабатывается и сваривается. Он широко применяется в космических и авиационных технологиях, радио и электротехнике, химической отрасли и атомной энергетике. В генераторных лампах многие нагревательные элементы, выполнены с его применением. Также для этих целей применяются его сплав с танталом.
Электрические выпрямители и электролитические конденсаторы тоже содержат определённое количество этого металла. Его применение в этих устройствах обусловлено характерными ему пропускными и окислительными свойствами. Конденсаторы, включающие в свой состав данный металл, при сравнительно небольших габаритах, обладают большим сопротивлением. Все элементы конденсаторов, выполняются из специальной фольги. Она прессуется из порошка ниобия.
Стойкость к воздействию различных кислот, высокая теплопроводность и податливость структуры, обуславливают его популярность в химии и металлургии, при создании различной аппаратов и конструкций. Сочетание положительных свойств этого важного металла, востребовано даже в атомной энергетике.
За счёт слабого воздействия ниобия с промышленным ураном, при сравнительно невысоких температурах (900º С), металл годен для создания защитного слоя на атомных реакторах. При такой оболочке становиться возможным применение натриевых теплоносителей, с которыми он также почти не взаимодействует. Ниобий значительно продлевает срок службы урановых элементов, создавая на их поверхности защитную окись, от пагубного влияния водяного пара.
Улучшить жаростойкие свойства некоторых , можно посредством легирования с помощью ниобия. Также довольно хорошо себя зарекомендовали сплавы из ниобия. К примеру, это сплав ниобий – цирконий , отличающийся примечательными свойствами. Из подобных сплавов изготовляются различные детали для космических аппаратов и самолётов, а также их обшивки. Рабочая температура такого сплава может доходить до 1200º С.
В состав некоторых сплавов для обработки стали имеется карбид ниобия, усиливающий свойства сплава. Сравнительно небольшая прибавка ниобия, в нержавеющую сталь, усиливает её антикоррозийные свойства и улучшает качество получаемых сварных швов. Многие инструментальные стали также имеют примесь ниобия. Как катализ его различные соединения участвуют в процессах искусственного органического синтеза.
Цена ниобия
Основной формой для продажи на мировом рынке является ниобий в слитках , но вполне возможны и другие формы хранения. В мире всегда имелся спрос на ниобий, цена которого до начала 2000 года держалась на стабильном уровне. Уверенный рост спроса, связанный с развитием экономики многих стран, и увеличением объёма производства в области инновационных технологий, металлургических и химических отраслях, способствовало резкому взлёту цен к 2007 году с 12 $ до 32 $ за килограмм метала.
В последующих годах, в связи с мировым кризисом в экономической отрасли, вплоть до 2012 года, отмечалось их некоторое падение. Темпы товарооборота соответственно снизились. Но уже к 2012 году цены снова поползли вверх, и уже тогда ниобий купить можно было только по 60 $ за килограмм, и рост пока не остановился. Уже давно стоит вопрос о равноценных, но более доступных заменителях. И они имеются, но по свойствам явно уступают ниобию. Поэтому он пока находится в цене.
Ниобий
НИО́БИЙ -я; м. [лат. Niobium] Химический элемент (Nb), твёрдый тугоплавкий и ковкий металл серовато-белого цвета (используется при производстве химически стойких и жаростойких сталей).
◁ Нио́бийный; нио́биевый, -ая, -ое.
нио́бий(лат. Niobium), химический элемент V группы периодической системы. Назван по имени Ниобы - дочери мифологического Тантала (близость свойств Nb и Ta). Светло-серый тугоплавкий металл, плотность 8,57 г/см 3 , t пл 2477°C, температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,28 K. Химически очень стоек. Минералы: пирохлор, колумбит, лопарит и др. Компонент химически стойких и жаростойких сталей, из которых изготовляют детали ракет, реактивных двигателей, химическую и нефтеперегонную аппаратуру. Ниобием и его сплавами покрывают тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) ядерных реакторов. Станнид Nb 3 Sn, германид Nb 3 Ge, сплавы ниобия с Sn, Ti и Zr используют для изготовления сверхпроводящих соленоидов (Nb 3 Ge - сверхпроводник с температурой перехода в сверхпроводящее состояние 23,2 K).
НИОБИЙНИО́БИЙ (лат. Niobium, от имени Ниобы (см.
НИОБА)
), Nb (читается «ниобий»), химический элемент с атомным номером 41, атомная масса 92,9064. Природный ниобий состоит из одного стабильного изотопа 93 Nb. Конфигурация двух внешних электронных слоев 4s
2
p
6
d
4
5s
1
. Cтепени окисления +5, +4, +3, +2 и +1 (валентности V IV, III, II и I). Расположен в группе VВ, в 5 периоде периодической системы элементов.
Радиус атома 0,145 нм, радиус иона Nb 5+ - от 0,062 нм (координационное число 4) до 0,088 нм (8), иона Nb 4+ - от 0,082 до 0,092 нм, иона Nb 3+ - 0,086 нм, иона Nb 2+ - 0,085 нм.
Энергии последовательной ионизации - 6,88, 14,32, 25,05, 38,3 и 50,6 эВ. Работа выхода электронов 4,01 эВ. Электроотрицательность по Полингу (см.
ПОЛИНГ Лайнус)
1,6.
История открытия
Открыт в 1801 Ч. Хатчетом (см.
ХАТЧЕТ Чарлз)
. Исследуя черный минерал, присланный из Америки, он выделил оксид нового элемента, который он назвал колумбием, а содержащий его минерал - колумбитом. Через год из того же минерала А. Г. Экеберг (см.
ЭКЕБЕРГ Андерс Густав)
выделил еще один оксид, который назвал танталом (см.
ТАНТАЛ (химический элемент))
. Свойства колумбия и Ta были очень близки, и их очень долго рассматривали как один элемент. В 1844 Г. Розе (см.
РОЗЕ (немецкие ученые, братья))
доказал, что это два разных элемента. Он сохранил название тантал, а другой назвал ниобий. Только в 1950 ИЮПАК (Всемирная организация химиков) окончательно присвоила элементу №41 название ниобий. Металлический Nb первым получил в 1866 К. Бломстранд (см.
БЛОМСТРАНД Кристиан Вильгельм)
.
Нахождение в природе
Содержание в земной коре 2·10 -3 % по массе. В свободном виде ниобий не встречается, в природе сопутствует танталу. Из руд наиболее важны колумбит-танталит (см.
КОЛУМБИТ)
(Fe,Mn)(Nb,Ta) 2 O 6 , пирохлор (см.
ПИРОХЛОР)
и лопарит (см.
ЛОПАРИТ)
.
Получение
Около 95% Nb получают из пирохлоровых, колумбит-танталитовых и лопаритовых руд. Руды обогащают гравитационнымми методами и флотацией (см.
ФЛОТАЦИЯ)
. Концентраты с содержанием Nb 2 O 5 до 60% перерабатывают до феррониобия (сплава железа и ниобия), чистого Nb 2 O 5 или NbCl 5 . Восстанавливают ниобий из его оксида, фторида или хлорида алюмино- или карботермией. Особо чистый ниобий получают высокотемпературным восстановлением летучего NbCl 5 водородом.
Полученный порошок ниобия брикетируют, спекают в вакууме в электродуговых или электроннолучевых печах.
Физические и химические свойства
Ниобий - блестящий серебристо-серый металл с кубической объемно центрированной кристаллической решеткой типа a-Fe, а
= 0,3294 нм. Температура плавления 2477°C, кипения 4760°C, плотность 8,57 кг/дм 3 .
Химически ниобий довольно устойчив. При прокаливании на воздухе окисляется до Nb 2 О 5 . Для этого оксида описано около 10 кристаллических модификаций. При обычном давлении стабильна b-форма Nb 2 О 5 . При сплавлении Nb 2 О 5 с различными оксидами получают ниобаты: Ti 2 Nb 10 О 29 , FeNb 49 О 124 . Ниобаты могут рассматриваться как соли гипотетических ниобиевых кислот. Они делятся на метаниобаты MNbO 3 , ортониобаты M 3 NbO 4 , пирониобаты M 4 Nb 2 O 7 или полиниобаты M 2 O·n
Nb 2 O 5 (M - однозарядный катион, а n
= 2-12). Известны ниобаты двух- и трехзарядных катионов. Ниобаты реагируют с HF, расплавами гидрофторидов щелочных металлов (KHF 2) и аммония (см.
АММОНИЙ (в химии))
. Некоторые ниобаты с высоким отношением M 2 O/Nb 2 O 5 гидролизуются:
6Na 3 NbO 4 + 5H 2 O = Na 8 Nb 6 O 19 + 10NaOH
Ниобий образует NbО 2 , NbО и ряд оксидов, промежуточных между NbО 2,42 и NbО 2,50 и близких по структуре к b-форме Nb 2 О 5 .
С галогенами (см.
ГАЛОГЕНЫ)
Nb образует пентагалогениды NbHal 5 , тетрагалогениды NbHal 4 и фазы NbHal 2,67 -NbHal 3+x , в которых имеются группировки Nb 3 или Nb 2 . Пентагалогениды ниобия легко гидролизуются водой. Температуры плавления пентахлорида, пентабромида и пентаиодида ниобия - 205, 267,5 и 310°C. Выше 200-250°C эти пентагалогениды летучи.
В присутствии паров воды и кислорода NbCl 5 и NbBr 5 образуют оксигалогениды NbOCl 3 (NbOBr 3) - рыхлые ватообразные вещества.
При взаимодействии Nb и графита образуются карбиды Nb 2 C и NbC, твердые жаропрочные соединения. В системе Nb - N существуют несколько фаз переменного состава и нитриды Nb 2 N и NbN. Сходным образом ведет себя Nb в системах с фосфором и мышьяком. При взаимодействии Nb с серой получены сульфиды: NbS, NbS 2 и NbS 3 . Синтезированы двойные фториды Nb и K (Na) - K 2 .
Применение
50% производимого ниобия используется для микролегирования сталей, 20-30% - для получения нержавеющих и жаропрочных сплавов. Интерметаллиды ниобия (Nb 3 Sn и Nb 3 Ge) применяют при изготовлении соленоидов сверхпроводящих устройств. Нитрид ниобия NbN используют при изготовлении мишеней передающих телевизионных трубок. Оксиды ниобия - компоненты огнеупорных материалов, керметов, стекол с высокими коэффициентами преломления. Двойные фториды - при выделении ниобия из природного сырья, при производстве металлического ниобия. Ниобаты используются в акусто- и оптоэлектронике, как лазерные материалы.
Физиологическое действие
Соединения ниобия ядовиты. ПДК ниобия в воде 0,01 мг/л.
Энциклопедический словарь . 2009 .
Синонимы :Смотреть что такое "ниобий" в других словарях:
- (ново лат. niobium). Один из редких металлов, встречающийся в танталите. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. НИОБИЙ металл, встречается в виде окислов в редких минералах практического значения не имеет … Словарь иностранных слов русского языка
- (Niobium), Nb, химический элемент V группы периодической системы, атомный номер 41, атомная масса 92,9064; металл, tпл 2477 шC. Ниобий используют для легирования сталей, получения жаропрочных, твердых и других сплавов. Ниобий открыт английским… … Современная энциклопедия
Ниобий - (Niobium), Nb, химический элемент V группы периодической системы, атомный номер 41, атомная масса 92,9064; металл, tпл 2477 °C. Ниобий используют для легирования сталей, получения жаропрочных, твердых и других сплавов. Ниобий открыт английским… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
- (символ Nb), блестящий серо белый переходный химический элемент, металл. Открыт в 1801 г. Встречается, как правило, в пирохлорных рудах. Будучи мягким и ковким металлом, ниобий применяется в производстве специальных нержавеющий сталей и сплавов… … Научно-технический энциклопедический словарь
Nb (лат. Niobium; от им. Ниобы дочери Тантала в др. греч. мифологии * a. niobium; н. Niob, Niobium; ф. niobium; и. niobio), хим. элемент V группы периодич. системы Менделеева, ат. н. 41, ат. м. 92,9064. Имеет один природный изотоп 93Nb.… … Геологическая энциклопедия
НИОБИЙ, один из открытых химиками металлов. Толковый словарь Даля. В.И. Даль. 1863 1866 … Толковый словарь Даля
НИОБИЙ - хим. элемент, символ Nb (лат. Niobium), ат. н. 41, ат. м. 92,90; светло серый металл, плотность 8570 кг/м3, t = 2500 °С; обладает высокой хим. стойкостью. В природе встречается в минералах совместно с танталом, разделение с которым вызывает… … Большая политехническая энциклопедия
- (лат. Niobium) Nb, химический элемент V группы периодической системы, атомный номер 41, атомная масса 92,9064. Назван от имени Ниобы дочери мифологического Тантала (близость свойств Nb и Ta). Светло серый тугоплавкий металл, плотность 8,57… … Большой Энциклопедический словарь
- (Niobium), Nb, хим … Физическая энциклопедия
Производство ниобия наряду с танталом, а также танталониобиевых сплавов имеет важное экономическое значение с точки зрения комплексного использования обоих ценных металлов.
Во многих случаях вместо тантала с тем же эффектом можно использовать близкий к нему по свойствам ниобий или сплавы тантала с ниобием, поскольку эти металлы образуют непрерывный ряд твердых растворов, свойства которых близки к свойствам исходных металлов.
Сплав тантала с ниобием можно получить путем смешения раздельно полученных порошков тантала и ниобия с последующим прессованием смеси и спеканием в вакууме, а также путем одновременного совместного восстановления смеси соединений тантала и ниобия, например смеси комплексных фторидов K2TaF7 и K2NbF7, смеси хлоридов, смеси окислов и т. п.
Обычно при плавиковокислом методе разделения тантала и ниобия последний отделяется в форме фтороксиниобата K2NbOF5*H2O.
Эта соль не пригодна для восстановления ее натрием по двум причинам:
а) кристаллизационная вода, входящая в состав указанной соли, реагируя с натрием, может привести к взрыву,
б) кислород, входящий в состав соли и связанный с ниобием, не восстанавливается натрием и остается в форме примеси окисла в продукте восстановления.
Поэтому фтороксиниобат калия должен быть перекристаллизован через раствор плавиковой кислоты с концентрацией HF выше 10%, в результате чего образуется соль K2NbF7, пригодная для восстановления натрием.
Ниобий также может быть получен электролизом в условиях, аналогичных описанным для производства тантала. Отмечаются более низкий выход по току, чем при электролитическом получении тантала, а также затруднения, связанные с заметной растворимостью в электролите соединений ниобия разных валентностей.
Возможен и электролиз из смешанной ванны, содержащей в качестве разлагающихся составляющих смесь Ta2O5+Nb2O5 и в качестве растворителя K2TaF7. В этом случае получается сплав ниобия с танталом.
Для получения ниобия был предложен метод углеродного восстановления пятиокиси ниобия в вакууме.
Восстановление пятиокиси ниобия углеродом
Для получения ниобия К. Болке разработал метод восстановления пятиокиси ниобия карбидом ниобия в вакууме по реакции:
По существу этот процесс сводится к восстановлению пятиокиси ниобия углеродом.
Ввиду большой химической прочности пятиокиси ниобия для восстановления углеродом при атмосферном давлении требуется высокая температура (около 1800-1900°), которая может быть получена в графитовотрубчатой печи Ниобий обладает большим сродством к углероду (свободная энергия образования карбида ниобия -ΔF° =38,2 ккал), поэтому при наличии углеродистых газов в печи и при большой скорости диффузии в твердой фазе, развивающейся при такой высокой температуре, ниобий оказывается загрязненным карбидом ниобия, даже в случае составления шихты в расчете на реакцию
В вакууме реакция восстановления углеродом протекает при более низкой температуре (1600-1700°),
Брикеты приготовляют из смеси пятиокиси ниобия и сажи, взятых в стехиометрических соотношениях по расчету на реакцию
Прокативание проводят при 1800-1900° в графитовотрубчатой печи в защитной атмосфере (водород, аргон) или в вакууме при температуре 1600° до прекращения выделения CO. Получающийся продукт представляет собой слегка спекшиеся брикеты, состоящие из частиц порошкообразного карбида серого цвета. Карбид измельчают в порошок в шаровой мельнице и смешивают с пятиокисью в соотношениях, соответствующих реакции (1). Брикеты смеси Nb2O5 + NbC вновь прокаливают в вакууме при температуре около 1600°.
Для обеспечения потного удаления углерода в виде CO в состав шихты Nb2O5 + NbC следует вводить небольшой избыток пятиокиси ниобия. В последующей операции высокотемпературного спекания (сварки) штабиков, спрессованных из порошкообразного металлического ниобия, избыток пятиокиси ниобия удаляется, так как.окислы ниобия (как и тантала) улетучиваются в вакууме при температуре ниже точки плавления металла
Вследствие неизбежных затрат времени на создание вакуума и остывания в нем продукта производительность вакуумной печи при изготовлении исходного карбида ниобия намного ниже производительности графитовотрубчатой печи, работающей при атмосферном давлении, в которой можно осуществлять непрерывный процесс продвижкой патронов с брикетами смеси Nb2O5 + С. Поэтому целесообразнее получать NbC непрерывным путем в графитовотрубчатой печи при атмосферном давлении хотя и при температурах 1800-1900°.
Можно было бы получать металлический ниобий в вакуумной печи непосредственно путем взаимодействия пятиокиси с сажей по реакции (2) с небольшим избытком Nb2O5 в шихте. Однако при загрузке в вакуумную печь смеси Nb2O5 + 5NbC ее производительность существенно повышается по сравнению с загрузкой смеси Nb2O5 + 5С, так как смесь Nb2O5 + SNbC содержит ниобия (82,4%) в 1,5 раза больше, чем смесь Nb2O5 + 5С (57,2%) Кроме того, первая смесь имеет аддитивный удельный вес в 1,7 раза больший, чем вторая смесь (6,25 г/см3 и 3,7 г/см3 соответственно).
Помимо этого, надо учитывать, что карбид ниобия, составляющий преобладающую часть смеси Nb2O5 + 5NbC, более крупнозернист чем дисперсные порошки Nb2O5 и сажи, что служит дополнительной причиной большего насыпного веса смеси Nb2O5 + 5NbC, чем смеси Nb2O5 + 5С.
Вследствие всего этого в единицу объема патрона может вместиться в 2,5-3 раза больше материала (в расчете на содержание ниобия) в форме брикетов смеси Nb2О5 + 5NbC, чем брикетов смеси Nb2O5 + 5С.
В работе Болке нет достаточно веских доказательств необходимости строго придерживаться рекомендуемого им состава Nb2O5 + 5NbC смеси, загружаемой в вакуумную печь.
Путем прокаливания смеси Nb2O5 + 5С в угольнотрубчатой печи при атмосферном давлении можно получить с большой производительностью (при непрерывном процессе) продукт, близкий по составу к металлическому ниобию с небольшой примесью углерода. Затем этот богатый ниобием порошок с высоким удельным и насыпным весом можно смешать с соответствующим количеством Nb2O5 (с небольшим избытком Nb2O5 по отношению к эквиваленту содержания примеси углерода в ниобии) и сбрикетированную смесь прокалить в вакуумной печи для удаления углерода в форме CO.
При таком варианте вместимость, а следовательно, и производительность вакуумной печи будет наибольшей. Небольшой остающийся избыток Nb2O5 улетучится в процессе дальнейшего высокотемпературного спекания ниобия, и последний превратится в компактный ковкий металл
При использовании малоуглеродистого ниобия вместо карбида ниобия для взаимодействия с пятиокисью могут возникнуть некоторые технологические осложнения. Дело в том, что при получении малоуглеродистого ниобия при атмосферном давлении в реакционном пространстве графитовотрубчатой печи всегда возможно присутствие примеси азота из воздуха могущего попасть в печь. Ниобий, обладая высоким сродством к азоту, активно поглощает его. При получении же карбида ниобия возможность загрязнения продукта азотом гораздо меньше вследствие большего сродства ниобия к углероду, чем к азоту.
Поэтому получение металлического ниобия при использовании в качестве исходного материала малоуглеродистого ниобия осложняется необходимостью создания условий, исключающих возможность попадания азота в реакционное пространство, что трудно достижимо в графитовотрубчатой печи, свободно соединенной с атмосферой. Для удаления азота из печи требуется тщательно заполнять печь чистым водородом или аргоном, соблюдать герметичность кожуха, избегать засасывания воздуха в реакционную трубу при загрузке в нее патронов со смесью Nb2O5 + 5С и при выгрузке ниобия и т. д.
Поэтому вопрос о преимуществах варианта предварительного получения карбида ниобия или малоуглеродистого ниобия при атмосферном давлении (с последующим прокаливанием этих продуктов в смеси с Nb2O5 в вакууме) может быть решен практическими возможностями в каждом отдельном случае.
Преимуществами процесса углеродного восстановления ниобия по одному из описанных вариантов являются: использование дешевого восстановителя в виде сажи и высокое прямое извлечение ниобия в готовый металл
Близость свойств окислов тантала и ниобия позволяет использовать описанный метод и для получения ковкого тантала.
В др.-греч. мифологии * а. niobium; н. Niob, Niobium; ф. niobium; и. niobio), — химический элемент V группы периодической системы Менделеева , атомный номер 41, атомная масса 92,9064. Имеет один природный изотоп 93 Nb.
Оксид ниобия выделен впервые английским химиком Ч. Хатчетом в 1801 из колумбита . Металлический ниобий получил в 1866 шведский учёный К. В. Бломстранд.
Ниобий свойства
Ниобий- металл стального цвета, имеет объёмно-центрированную кубического решётку с а=0,3294 нм; плотность 8570 кг/м 3 ; t плавления2500°С, t кипения4927°С; теплоёмкость (298 К) 24,6 Дж/(моль.К); теплопроводность (273 К) 51,4 Вт/(м.К); температурный коэффициент линейного расширения (63-1103 К) 7,9.10 -6 К -1 ; удельное электрическое сопротивление (293 К) 16.10 -8 Ом.м; термический коэффициент электрического сопротивления (273 К) 3,95.10 -3 К -1 . Температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,46 К.
Степень окисления +5, реже от +1 до +4. По химическим свойствам близок к танталу, чрезвычайно устойчив к холоду и при небольшом нагревании к действию многих агрессивных сред, в т.ч. и кислот. Ниобий растворяет только плавиковая кислота, её смесь с азотной кислотой и щёлочи. Амфотерен. При взаимодействии с галогенами образует галогениды ниобия. При сплавлении Nb 2 О 5 с содой получают соли ниобиевых кислот — ниобаты, хотя сами кислоты не существуют в свободном состоянии. Ниобий может образовывать двойные соли и комплексные соединения. Нетоксичен.
Получение и применение
Для получения ниобия ниобиевый концентрат сплавляют с едким натром или содой и образующийся сплав выщелачивают. Содержащиеся в нерастворившемся осадке Nb и Ta разделяют, оксид ниобия восстанавливают отдельно от оксида тантала. Компактный ниобий получают методами порошковой металлургии, электродуговой, вакуумной и электроннолучевой плавки.
Ниобий — один из основных компонентов при легировании жаропрочных сталей и сплавов. Ниобий и его сплавы используются как конструкционные материалы для деталей реактивных двигателей, ракет, газовых турбин, химической аппаратуры, электронных приборов, электрических конденсаторов, сверхпроводящих устройств. Ниобаты широко применяют как сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, лазерные материалы.
Ниобий (Nb) является редким, мягким, переходным металлом, используемым в производстве стали высокого качества. Ниобий - компанент для получения сплавов, который будучи добавленным к другим материалам заметно улучшает их свойства. У стали, содержащей ниобий, есть много привлекательных свойств, делающих ее очень желательной для использования в автомобильной, строительной промышленности и при строительстве газопроводов. Сталь с добавлением ниобия обладает большей твердостю, легче и более устойчива к коррозии.
Ниобий в форме стандартного феррониобия, на долю которого приходится более чем 90% производства ниобия, является переходным металлом, членом группы Ванадиевых элементов. Он характеризуется высокими точками плавления и кипения. Несмотря на высокую точку плавления в элементной форме (2,468 °C), у ниобия низкая плотность по сравнению с другими коррозионностойкими металлами. Кроме того, ниобий при определенных условиях обладает свойствами сверхпроводимости. По химическим свойствам ниобий очень подобен танталу.
Месторождения ниобия находятся, в основном, в Бразилии и Канаде, которые составляют приблизительно 99% полного производства ниобия в мире, а также в Австралии. Геологическая служба США оценивает мировые запасы ниобия на уровне 4,3 млн тонн по содержанию металла.
В природе ниобий находится в таких минералах, как пирохлор и колумбит, которые содержат ниобий и тантал в переменных пропорциях. Минерал пирохлор добывается прежде всего ради ниобия. Колумбит добывается ради извлечения тантала, а ниобий извлекается как побочный продукт. Roskill оценивает, что приблизительно 97% ниобия находятся в минерале пирохлор.
Запасы на месторождениях ниобия в 2012 году, тыс.тонн *
* данные US Geological Survey
Руды, содержащие пирохлор, добываются с использованием двух основных методов - в изоляции или как комбинация. Открытые разработки - распространенный метод в Бразилии, в то время как подземные горные разработки используются в шахте Niobec в Канаде. Вместе с тем, на шахте Niobec в Канаде планируется использовать два метода массовой разработки недр - открытый и подземный, поскольку у них есть потенциал, чтобы значительно увеличить мощность предприятия и объемы добычи, одновременно понижая эксплуатационные расходы.
После того, как руда добыта, ее дробят на мелкие частицы и обогащают методом флотации и магнитного разделения для того, чтобы удалить железо. В Канаде для того, чтобы удалить апатит, используется азотная кислота, а в Бразилии используется специальный процесс, чтобы удалить барий, фосфор и серу. Результат этой физической обработки - концентрат пирохлора с содержанием Nb2O5 на уровне 55-60%. Большая часть концентрата пирохлора перерабатывается в феррониобий стандартного сорта для использования в областях промышленности, где допускаются примеси. Для областей применения, требующих более высоких уровней чистоты, требуется последующая обработка, чтобы привести ниобий к уровню чистоты ~99%, таким, например, как уровни чистоты окиси ниобия или феррониобия вакуумного сорта.
* данные US Geological Survey
Мировой спрос на ниобий рос в среднем ежегодно на 10% в период с 2000 по 2010 год. Рост стимулировали два ключевых фактора:
1. Стабильный спрос на сталь, особенно среди производителей стали из стран БРИКС. Спрос в этих странах вырос на 14% в 2010 году до 1,414 млн тонн и, согласно оценкам, повысился еще на 4% в 2011 году.
Следует отметить, что автомобильная промышленность, строительство и нефтегазовый сектор, которые являются крупнейшими потребителями феррониобия, имеют тенденцию быть чрезвычайно коррелированными к экономическому росту, и состояние мировой экономики оказывает самое большое влияние на спрос на ниобий.
Сильный рост ВВП стран БРИКС требует больше стали и, соответственно, определяет более высокий спрос на ниобий в производстве стали. Мировой ВВП увеличился на 5,1% в 2010 году, в основном из-за высоких показателей развития экономик стран БРИК, которые выросли на 8,8% в 2010 году, особенно Китай, который вырос на 10,3%. Рост ВВП в странах БРИКС в 2011 и 2012 годах также был высоким: 4-10% на фоне мирового экономического роста ~3-4%. В прошедшее десятилетие страны БРИКС определяли глобальный экономический пейзаж, составляя более чем одну треть роста мирового ВВП и, в пересчете на покупательную способность, экономики данных стран выросли от одной шестой мировой экономики до почти четверти.
Голдман Сакс прогнозирует, что объем экономики стран БРИКС, как совокупность, превысит объем американской экономики уже к 2018 году. К 2020, на страны БРИКС, как ожидают, будет приходится приблизительно 49,0% роста мирового ВВП и эти страны будут составлять одну треть мировой экономики, основанной на покупательной способности.
Положительные глобальные экономические перспективы - подтверждение сильного мирового промышленного спроса, который служит хорошим предзнаменованием для стального сектора. Полный глобальный рост в производстве стали продолжит значительно влиять на спрос на ниобий.
2. Рост количества ниобия, используемого для производства стали.
Когда требования конечных потребителей стали в части обеспечения более высокого качества продуктов растут, сталелитейные заводы должны увеличивать использование ниобия, чтобы произвести сталь, соответствующую более высоким стандартам и техническим требованиям. В 2000 году на 1 тонну стали добавлялось 40 граммов феррониобия. В 2008 году это были уже 63 грамма на тонну. Учитывая, что ниобий представляет очень небольшой процент в стали в плане стоимости, но добавляет существенную ценность, улучшая ее особенности, особенно прочность, долговечность, легкость и гибкость, ожидается, что использование данного металла продолжит увеличиваться во всех сегментах конечного потребления.
Устойчивый рост спроса на ниобий, как ожидают, сохранится в кратко- и долгосрочной перспективе, в то время как возникающие рынки продолжают расти, и приложения на более высокие качественные стали уже разработаны.
С учетом растущего производства стали и увеличивающегося процента содержания в ней ниобия, согласно оценкам, мировое потребление феррониобия увеличилось на ~11% с ~78 100 т в 2010 году до ~86 000 т в 2011 году.
Крупнейшие потребители ниобия - Китай, Северная Америка и Европа. Китай - наиболее быстро растущий рынок в мире для ниобия, составлял 25% полного потребления в 2010 году. Это отражает размер его сталелитейной промышленности и быстрый темп роста производства в последние годы. Китай - ведущий в мире производитель нержавеющей стали, с долей мирового производства, вросшей от 1-2% в 1990-ых годах до 36,7% в 2010 году. Китай - также крупнейший и быстро растущий производитель легированных сталей, включая стали HSLA.
Производство и потребление ниобия в мире, тыс.тонн*
| год | 2008 | 2009 | 2010 | 2011 | 2012 |
| Всего производство | 67.9 | 40.6 | 59.4 | 65.7 | 62.9 |
| Всего потребление | 58.1 | 40.6 | 48.9 | 61.5 | 62.9 |
| Баланс рынка | 9.8 | -- | 9.4 | -0.4 | -0.4 |
* данные Tantalum-Niobium International Study Center
В начале 2000-ых годов цены на ниобий оставались относительно стабильными в диапазоне от 12,00 US$ до US$13,50 за киллограм. Существенный экономический рост развивающихся рынков, особенно экономических систем БРИК и увеличение использования ниобия в производстве стали дали толчок к росту цен на металл до US$32,63 за кг в 2007 году и к дальнейшему росту цен до US$60,00 за килограмм в 2012 году. Только в 2008 и 2009 годах цены на ниобий на фоне мирового экономического кризиса немного снизились. Однако данное снижение было намного меньшим, нежели у металлов - заменителей.
С потребительской точки зрения устойчивая цена на ниобий - желательная особенность, поскольку это позволяет лучше предсказывать и соответственно планировать стоимость. Кроме того, конечные потребители подчеркивают важность сорсинга ниобия от многократных поставщиков, чтобы минимизировать разрушения системы поставок и избежать сверхуверенности в одном производителе.
Ключевая замена для ниобия - феррованадий, рынок которого в основном пришел в себя после краха, испытанного во время финансового кризиса. Однако, сравнительно более высокая цена феррованадия и значительно более высокая изменчивость способствовали его замене феррониобий, у которого есть более предсказуемая ценовая история.
Учитывая высокую ценность, добавленную от использования ниобия в процессе изготовления стали (то есть дополнительная прочность, долговечность, коррозионностойкость, тепловое сопротивление, уменьшение веса) и относительно небольшой доле в общей стоимости, со стороны покупателей металла спрос довольно неэлатичный. Как пример, считается, что ниобий составляет
Кроме того, ниобий - добавка к сплавам высокой ценности, которые используются в технических сферах (компоненты реактивного двигателя, медицинское оборудование, тяжелое машиностроение), где приверженность техническим требованиям и превосходящей работе - потребность. В результате доля использования ниобия в производстве стали повысилась. Эта тенденция, как ожидают, продолжится в будущем.
Учитывая отсутствие активных продаж на свободном рынке и, как следствие, отсутствие конкурентной цены, немногие аналитики-исследователи делают предсказания о будущих ценах на ниобий, а тех, кто делает такие предсказания, ведут себя скорее консервативно. Несмотря на эти факторы, ниобий, как ожидают, будет востребован в ближайшем времени, а цены на металл останутся на высоком уровне. Некоторые аналитики ожидают дальнейший рост цен на ниобий в следующие два - три года, что основано на потребительских взаимодействиях и будущих потребностях.
Строительство, автомобильные и нефтегазовые сектора, как ожидают, продолжат составлять самый большой процент потребления ниобия. На эти сектора оказал негативное воздействие финансовый кризис 2008 года, но в последующие годы они пришли в себя и, как предсказывают, будут расти с устойчивой скоростью.