Niob (Nb) er det kemiske element i atomnummer 41, der hører til gruppe 5 i det periodiske system.
Det er et naturligt tilgængeligt overgangsmetal i fast tilstand, som blev opdaget i 1801 af den britiske kemiker Charles Hatchett.
Mineraler, der indeholder niob, er sjældne i verden, men rigelige i Brasilien, det land med de største reserver af dette metal.
På grund af dets egenskaber, høje ledningsevne og korrosionsbestandighed har dette element mange anvendelser lige fra stålproduktion til raketfremstilling.
Dernæst introducerer vi dette kemiske element og de egenskaber, der gør det så vigtigt.
Hvad er niob?
Niob er et ildfast metal, hvilket betyder, at det er meget modstandsdygtigt over for varme og slid.
Metallerne i denne klasse er: niob, wolfram, molybdæn, tantal og rhenium, hvor niob er den letteste af alle.
Niob forekommer i naturen i mineraler, som regel forbundet med andre grundstoffer, hovedsageligt tantal, da de to har meget ens fysisk-kemiske egenskaber.
Dette kemiske element er klassificeret som et overgangsmetal i det periodiske system. Det er lyst, med lav hårdhed, med lav modstand mod elektrisk strøm og korrosionsbestandigt.
Fysiske egenskaber ved Niobium
fysisk tilstand | fast ved stuetemperatur |
---|---|
farve og udseende | metallic grå |
Massefylde | 8,570 g / cm3 |
Fusionspunkt | 2468 ° C |
Kogepunkt | 4742 ° C |
Krystallinsk struktur | Body Centered Cubic - CCC |
varmeledningsevne |
54,2 W m-1 K-1 |
Kemiske egenskaber af Niobium
Klassifikation | overgangsmetal |
---|---|
Atom nummer | 41 |
Blok | d |
Gruppe | 5 |
Tidsforløb | 5 |
atomvægt | 92,90638 u |
atomstråle | 1,429 Å |
almindelige ioner | Nb5+ og Nb3+ |
elektronegativitet | 1.6 Pauling |
Den største fordel ved at bruge dette metal er, at kun en mængde i gram af dette element kan ændre et ton jern, hvilket gør metallet lettere, modstandsdygtigt over for korrosion og mere effektiv.
Hvor findes Niobium?
Sammenlignet med andre stoffer, der findes i naturen, har niob en lav koncentration i en andel af 24 dele pr. Million.
Dette metal findes i følgende lande: Brasilien, Canada, Australien, Egypten, Den Demokratiske Republik Congo, Grønland, Rusland, Finland, Gabon og Tanzania.
Niobium i Brasilien
I 1950'erne blev den største deponering af pyrochloram, der indeholder dette metal, opdaget i Brasilien af den brasilianske geolog Djalma Guimarães.
Den store mængde malm, der indeholder niob, ligger i Brasilien, verdens største producent, der besidder mere end 90% af metalets reserver.
De udforskede reserver ligger i delstaterne Minas Gerais, Amazonas, Goiás og Rondônia.
niobmalme
Niob findes i naturen altid forbundet med andre kemiske grundstoffer. Mere end 90 mineralarter, der indeholder niob og tantal i naturen, er allerede kendt.
I nedenstående tabel kan vi se nogle af malmerne, der indeholder niob, de vigtigste egenskaber og det niobindhold, der er tilgængeligt i hvert materiale.
columbite tantalit | |
---|---|
Sammensætning: | (Fe, Mn) (Nb, Ta)2O6 |
Niobindhold (maksimum): | 76% af Nb2O5 |
Funktioner: |
|
Pyrochlorit | |
---|---|
Sammensætning: | (På2,Her)2(Nb, Ti) (O, F)7 |
Niobindhold (maksimum): | 71% af Nb2O5 |
Funktioner: |
|
Loparite | |
---|---|
Sammensætning: | (C, Na, C)2(Ti, Nb)2O6 |
Niobindhold (maksimum): | 20% af Nb2O5 |
Funktioner: |
|
niob efterforskning
Niobmalme gennemgår transformationer, indtil de produkter, der skal markedsføres, dannes.
Processen kan sammenfattes som:
- Minedrift
- Niob-koncentration
- Niob raffinering
- Niobium-produkter
Minedrift finder sted, hvor der er malmreserver, der ekstraheres ved hjælp af sprængstoffer og transporteres med bælter, hvor koncentrationsfasen finder sted.
Koncentration sker med nedbrydning af malmen, formaling gør malmkrystaller meget finere og bruger magnetisk adskillelse jernfraktionerne fjernes fra malmen.
I raffinering af niob er der fjernelse af svovl, vand, fosfor og bly.
Et af produkterne, der indeholder niob, er jern-niobiumlegeringen, der produceres i henhold til følgende ligning:
Denne proces kaldes aluminotermi, hvor malmkoncentratet blandes i reaktorer med jernskrot eller jernoxid.
Metaloxider reagerer med aluminium under høje temperaturer og genererer det produkt af interesse.
De mest kommercielle niobprodukter er:
- Niobiumkoncentrater: en base, der indeholder 58% Nb2O5.
- Jern-niob-legering: indeholder 65% niob.
- Oxid med høj renhed: anvendes til produktion af specielle materialer.
Hvad er niob til?
Egenskaberne ved niob gør dette element mere og mere ønskeligt og med utallige anvendelser.
Siden opdagelsen i 1905 begyndte ansøgninger om niob at blive undersøgt, da den tyske kemiker Werner von Bolton producerede elementet i ren form.
50'erne repræsenterede en stor søgning efter niob-applikationer, da den indtil da ikke blev produceret i stor skala.
I denne periode udløste den kolde krig interesse for, at dette metal blev anvendt i luftfartskomponenter.
Nedenfor er en liste over måder, hvorpå niob anvendes.
Metallegeringer
Tilsætningen af niob til en legering øger dens hærdbarhed, dvs. evnen til at hærde, når den udsættes for varme og derefter afkøles. Således kan materialet indeholdende niob underkastes specifikke varmebehandlinger.
Affiniteten af niobium med kulstof og nitrogen favoriserer legeringens mekaniske egenskaber og øger f.eks. Mekanisk styrke og modstandsdygtighed over for slid.
Disse effekter er gavnlige, da de kan udvide en legerings industrielle anvendelser.
Stål er for eksempel en metallegering dannet af jern og kulstof. Tilsætningen af niob til denne legering kan have fordele for:
- Bil industrien: producerer en bil lettere og mere modstandsdygtig over for kollision.
- Konstruktion: forbedrer stålets svejseevne og giver smidighed.
- Transportrørledningsindustri: Tillader konstruktioner med tyndere vægge og større diametre uden at påvirke sikkerheden.
superlegeringer
Superlegeringen er en metallegering med høj modstandsdygtighed over for høje temperaturer og mekanisk styrke. Legeringer indeholdende niob gør dette materiale nyttigt til fremstilling af flyturbiner eller energiproduktion.
Fordelen ved at arbejde ved høje temperaturer får superlegeringer til at sammensætte højtydende jetmotorer.
superledende magneter
Superledningsevnen af niob forårsager, at forbindelserne af niobium-germanium, niobium-scandium og niobium-titan anvendes i:
- Scanner af MR-maskiner.
- Partikelacceleratorer såsom Large Hadron Collider.
- Påvisning af elektromagnetisk stråling og undersøgelse af kosmisk stråling med materialer indeholdende niobnitrit.
Oxider
Andre anvendelser af niob er i form af oxider, hovedsageligt Nb2O5. De vigtigste anvendelser er:
- optiske linser
- Keramiske kondensatorer
- pH-sensorer
- motordele
- Smykker
Historie og opdagelse af Niobium
I 1734 blev nogle malme, der tilhørte en personlig samling af John Winthrop, ført fra Amerika til England, og disse emner var en del af samlingen på British Museum i London.
Da han blev medlem af Royal Society, fokuserede den britiske kemiker Charles Hatchett på at undersøge sammensætningen af malme, der var tilgængelige på museet. Sådan isolerede han i 1801 et kemisk element i form af et oxid og kaldte det columbium og malmen, hvorfra det blev ekstraheret columbite.
I 1802 rapporterede den svenske kemiker Anders Gustaf Ekeberg opdagelsen af et nyt kemisk element og kaldte det tantal under henvisning til søn af Zeus i græsk mytologi.
I 1809 analyserede den engelske kemiker og fysiker William Hyde Wollaston disse to elementer og observerede, at de havde meget ens karakteristika.
På grund af dette faktum blev columbium og tantal fra 1809 til 1846 betragtet som det samme element.
Senere bemærkede den tyske mineralog og kemiker Heinrich Rose, der undersøgte columbitmalmen, at tantal også var til stede.
Rose fandt tilstedeværelsen af et andet element, der lignede tantal og kaldte det Niobius, med henvisning til Niobe, datter af Tantalus, fra græsk mytologi.
I 1864 formåede svensken Christian Bromstrand at isolere niob fra en prøve af klorid opvarmet i en brintatmosfære.
I 1950 godkendte Unionen af ren og anvendt kemi (IUPAC) niob som det officielle navn snarere end columbium, da de var det samme kemiske element.
Resumé af Niobium
Kemisk element: Niob | |||
---|---|---|---|
Symbol | Nb | Opdageren | Charles Hatchett |
Atom nummer | 41 | atommasse | 92.906 u |
Gruppe | 5 | Tidsforløb | 5 |
Klassifikation | overgangsmetal | Elektronisk distribution | [Kr] 4d35s2 |
Funktioner |
|
||
Hovedmalme |
|
||
Hovedprodukter |
|
||
applikationer |
|
||
Hændelse | I verden |
|
|
I Brasilien |
|
Fjendtlige øvelser og optagelsesprøver
1. (Enem / 2018) I græsk mytologi var Niobia datter af Tantalus, to tegn kendt for deres lidelse. Det kemiske element med atomnummer (Z) lig med 41 har kemiske og fysiske egenskaber, der ligner grundstoffet med atomnummer 73, at de var forvirrede.
Derfor blev disse elementer til ære for disse to tegn i græsk mytologi tildelt navnene niob (Z = 41) og tantal (Z = 73). Disse to kemiske grundstoffer har fået stor økonomisk betydning i metallurgi, i produktionen af superledere og i andre avancerede industriapplikationer, netop på grund af de kemiske og fysiske egenskaber fælles for begge.
KEAN, S. Den forsvindende ske: og andre sande historier om vanvid, kærlighed og død fra kemiske grundstoffer. Rio de Janeiro: Zahar, 2011 (tilpasset).
Den økonomiske og teknologiske betydning af disse grunde på grund af ligheden mellem deres kemiske og fysiske egenskaber skyldes
a) har elektroner i underniveau f.
b) være elementer i intern overgang.
c) hører til den samme gruppe i det periodiske system.
d) har deres yderste elektroner på henholdsvis niveau 4 og 5.
e) være placeret i henholdsvis familien af jordalkali og alkalisk jord.
Korrekt alternativ: c) hører til den samme gruppe i det periodiske system.
Det periodiske system er organiseret i 18 grupper (familier), hvor hver gruppe samler kemiske grundstoffer med lignende egenskaber.
Disse ligheder opstår, fordi elementerne i en gruppe har det samme antal elektroner i valensskallen.
Ved at udføre den elektroniske distribution og tilføje elektroner fra det mest energiske underniveau til det yderste underniveau finder vi den gruppe, som de to elementer hører til.
Niob | |
Fordeling elektronik |
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p65s2 4d3 |
summen af elektroner |
mere energisk + mere ekstern 4d3 + 5s2 = 5 elektroner |
Gruppe | 5 |
Tantal | |
Fordeling elektronik |
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p66s2 4f145d3 |
summen af elektroner |
mere energisk + mere ekstern 5d3 + 6s2 = 5 elektroner |
Gruppe | 5 |
Elementerne niob og tantal:
- De tilhører den samme gruppe på det periodiske system.
- De har deres yderste elektroner på henholdsvis niveau 5 og 6 og er således placeret i 5. og 6. periode.
- De har elektroner i underniveau, og derfor er de overgangselementer udenfor.
2. (IFPE / 2018) Brasilien er verdens største producent af niob og tegner sig for mere end 90% af reserven til dette metal. Niobium, symbol Nb, bruges til fremstilling af specialstål og er et af de mest modstandsdygtige metaller over for korrosion og ekstreme temperaturer. Nb-forbindelsen2O5 det er forløberen for næsten alle legeringer og niobforbindelser. Marker alternativet med den krævede masse af Nb2O5 til opnåelse af 465 gram niob. Givet: Nb = 93 g / mol og O = 16 g / mol.
a) 275 g
b) 330 g
c) 930 g
d) 465 g
e) 665 g
Korrekt alternativ: e) 665 g
Forløberforbindelsen til niob er Nb-oxid2O5 og det anvendte niob i legeringerne er i grundform Nb.
Derfor har vi følgende støkiometriske forhold:
1 mol Nb2O5 genererer 2 mol Nb, da niobiumoxid dannes af 2 atomer af dette metal.
1. trin: beregne antallet af mol produceret niob, der svarer til 465 g.
Hvis vi ved beregningen så, at massen af niob svarer til 5 mol, så er antallet af mol Nb2O5 brugt er halvdelen af denne værdi, fordi:
2. trin: beregne molmassen af niobiumoxid.
3. trin: beregne massen af nioboxid, der svarer til 2,5 mol.
3. (UECE / 2015) Brasilien besidder 98% af verdens niobreserver, som har adskillige industrielle anvendelser, såsom inden for smykkeproduktion, hyperallergeniske implantater, elektrokeramik, superledende magneter, magnetiske resonansmaskiner, metallegeringer, specielle mønter og til produktion af stål. For niob skal du gennemgå udsagnene nedenfor og markere det eneste sande alternativ.
a) Dens differentierede elektron er placeret i den næstsidste skal.
b) Det er et repræsentativt element.
c) Dens elektronegativitet er lavere end for vanadium.
d) Det hører til den fjerde periode i det periodiske system.
Korrekt alternativ: a) Dens differentierede elektron er placeret i den næstsidste skal.
Når man udfører den elektroniske distribution af niob, er det muligt at se, at dens differentierede elektron er placeret i den næstsidste skal.
Fordi det har differentielektronen i d-underniveauet, er det et ydre overgangselement.
Da det yderste niveau er i det femte lag, ligger niob i den femte periode i tabellen.
Elektronegativitet er den egenskab, der er relateret til elementets evne til at tiltrække elektroner, og det varierer alt efter atomradius: jo mindre atomradius, jo større tiltrækningskraft for elektroner og derfor jo større elektronegativitet.
Ved at konsultere tabellen med elektronegativitetsværdierne er det muligt at se, at niob og vanadium har værdier tæt på 1,6 Pauling.
4. (UEA / 2014) Den naturlige isotop af niob er 93Nb. Antallet af neutroner i denne isotop er
a) 41.
b) 52.
c) 93.
d) 134.
e) 144.
Korrekt alternativ: b) 52.
Isotoper er atomer af et kemisk element med forskellige massetal.
Atommasse svarer til summen af et grundstofs protoner og neutroner.
Antallet af protoner repræsenterer det kemiske grundstofs atomnummer, og for isotoper ændres det ikke.
Således opstår massevariationen af isotoper på grund af det forskellige antal neutroner.
Hvis atomnummeret for niob er 41, angives antallet af neutroner ved beregningen:
5. (IFMG / 2015) Det kemiske grundstof niob, Nb, er opkaldt efter den græske gudinde Niobe. Brasilien er verdens største producent af metallet og tegner sig for 75% af produktionen. På grund af legeringernes termiske stabilitet anvendes niob til produktion af specielle højstyrke stållegeringer til motorer, fremdrivningsudstyr og forskellige superledende materialer. Når man overholder niobets position i det periodiske system, er det korrekt at anføre, at:
a) dit mest energiske underniveau vil være underniveau d.
b) er et element, der hører til alkalimetalfamilien.
c) danner ioniske forbindelser med andre metaller.
d) dets kationer vil have en atomare radius større end det rene element.
Korrekt alternativ: a) dit mest energiske underniveau vil være underniveau d.
Ved at se på det periodiske system kan vi se, at niob er karakteriseret som et ydre overgangselement, der hører til gruppe 5 i det periodiske system, da dets mest energiske underniveau er d.
Vi kan også få disse oplysninger ved at distribuere dem elektronisk.
Da det er et metal, opretter dette element metalliske forbindelser med andre metaller, som i legeringen jern-niob eller også kovalente bindinger ved at dele elektroner som i nioboxid Nb2O5.
6. (UFSC / 2003) Niobium blev opdaget i 1801 af den engelske kemiker Charles Hatchett. Brasilien ejer ca. 93% af verdensproduktionen af niobiumkoncentrat. De største indskud er placeret i delstaterne Minas Gerais, Goiás og Amazonas. Metallet bruges hovedsageligt til fremstilling af jern-niob-legeringer og andre mere komplekse legeringer, som er blevet anvendt til konstruktion af jetfremdrivningsturbiner, raketter og rumfartøjer. Dens oxider anvendes til fremstilling af lette linser til briller, fotografiske kameraer og andet optisk udstyr. Givet (Z = 41). Med hensyn til niob skal du markere det / de rigtige forslag.
(01) Niobium antager, når det mister 3 elektroner, konfigurationen af krypton.
(02) Niob kan danne M-type metaloxider2O5 i2O3.
(04) Det kemiske symbol for niob er Ni.
(08) Niob er et overgangsmetal.
(16) En jern-niob-legering er et eksempel på en fast opløsning.
Korrekte alternativer: 02 + 08 + 16 = 26.
(01) FEJL.
Elementer | Elektronisk distribution |
36Kr | 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 |
41Nb 41Nb3+ |
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d3 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 4p6 4d2 |
(02) KORREKT
I betragtning af oxidationsnumrene 3+ og 5+ for niob kan det danne forbindelserne:
Oxidationsnummer 5+ | Oxidationsnummer 3+ |
Nb2O5 | Nb2O3 |
(04) FEJL
Ni er symbolet for elementet nikkel. Symbolet for niob er Nb.
(08) KORREKT
Niob er et eksternt overgangsmetal, der hører til gruppe 5 i det periodiske system.
(16) KORREKT
En fast opløsning svarer til, at en blanding af to eller flere komponenter i samme fase, som er fast, er almindelig blandt metaller.
7. (UERJ / 2013) Niob er et metal, der findes i naturlige aflejringer, hovedsageligt i form af oxider.
I en aflejring indeholdende niob med et oxidationsnummer +5 svarer formlen for den dominerende oxid af dette metal til:
a) NbO5
b) Nb5O
c) Nb5O2
d) Nb2O5
Korrekt alternativ: d) Nb2O5
Oxygen danner to bindinger og har et fast oxidationsnummer, som er 2-.
Derfor skal ilt binde til 2 atomer af dette metal for at danne niobiumoxid.
Niob har forskellige oxidationstilstande. Med oxidation nummer 3+ binder det sig til 3 oxygener og med Nox 5+ danner det forbindelsen: Nb2O5 hvor 2 niobatomer binder med 5 oxygenatomer.
Læs teksten for at besvare spørgsmål 8 til 10.
Niob er et metal af stor teknologisk betydning, og dets vigtigste verdensreserver er placeret i
Brasilien, i form af pyrochloram, der består af Nb2O5. I en af processerne i dets ekstraktionsmetallurgi anvendes aluminotermi i nærværelse af Fe-oxid2O3, hvilket resulterer i en legering af niob og jern og aluminiumoxid som et biprodukt. Reaktionen af denne proces er repræsenteret i ligningen:
I naturen vises niob i form af den stabile isotop niob-93, men der kendes flere ustabile syntetiske isotoper, som henfalder ved stråling. En af dem er niobium-95, der henfalder til grundstof molybdæn-95.
(Systems.dnpm.gov.br; Teknologi Metal. Mater. Minearbejder, São Paulo, v. 6, nr. 4, s. 185-191, april-juni. 2010 og G. Audi et al./Nuclear Physics A 729 (2003) 3–128. Tilpasset)
8. (FGV / 2019) I aluminotermi-reaktionen for at opnå legeringen af niob og jern under hensyntagen til støkiometrien præsenteret i den afbalancerede ligning er det samlede antal elektroner involveret i processen
a) 6.
b) 12.
c) 18.
d) 24.
e) 36.
Korrekt alternativ: e) 36.
Redoxreaktionen opstår med tab og forstærkning af elektroner.
Når et element reducerer, får det elektroner, og når et element oxideres, mister det elektroner.
Når et element reducerer, er det et oxidationsmiddel, mens når et element oxiderer, er det et reduktionsmiddel.
På denne måde er antallet af elektroner, der blev tabt af et element og givet til et andet, ens.
Element | NOX | Reaktion | elektroner | |
Niob |
+5 3Nb2O5 |
0 6Nb |
Reduktion | 3.2.5 = 30 og- gevinster |
Jern |
+3 Tro2O3 |
0 2Fe |
Reduktion | 2.3 = 6 og- gevinster |
Aluminium |
0 12Al |
+3 6Al2O3 |
Oxidation | 6.2.3 = 36 og- faret vild |
Opladningen af aluminium på aluminiumoxidproduktet er 3+, dvs. hver aluminium har mistet 3 elektroner.
Men i produkterne har vi 12 aluminiumatomer, hvilket gør det samlede antal elektroner involveret i processen:
12. 3 = 36 elektroner.
9. (FGV / 2019) I en aluminotermisk operation til produktion af niob og jernlegering med støkiometriske mængder Nb2O5 og Fe2O3 og anvendelse af overskydende metallisk aluminium dannedes 6,12 tons Al.2O3. Den samlede sum af de mængder, i mol, af niob og jern, der anslås at være opnået i denne operation, er
a) 6 × 104
b) 6 × 106
c) 8 × 103
d) 8 × 104
e) 8 × 106
Korrekt alternativ: d) 8 × 104.
1. trin: beregne molmassen af Al2O3
2. trin: beregne antallet af mol Al2O3
3. trin: udfør de støkiometriske forhold.
I den kemiske ligning ser vi, at der er forholdet: 6 mol niob, 6 mol aluminium og 2 mol jern.
Ved forholdet mellem antallet af dannede mol har vi:
Og summen af mængderne af niob og jern i mol er:
I niobium-95-radioisotop-henfaldsprocessen er den tid, det tager for aktiviteten af denne prøve at henfalde til 25 MBq, og navnet på den udsendte art er
a) 140 dage og neutroner.
b) 140 dage og protoner.
c) 120 dage og protoner.
d) 120 dage og partikler ß–.
e) 140 dage og partikler ß–.
Korrekt alternativ: e) 140 dage og partikler ß–.
Halveringstiden er den tid, det tager for en radioaktiv prøve at halvere dens aktivitet.
I grafen ser vi, at den radioaktive aktivitet starter ved 400 MBq, så halveringstiden er den tid, det tog for aktiviteten at henfalde til 200 MBq, hvilket er halvdelen af den oprindelige.
Vi analyserer i grafen, at denne gang var 35 dage.
For at aktiviteten skulle falde halvt igen, gik der yderligere 35 dage, og aktiviteten gik fra 200 MBq til 100 MBq, når der gik yderligere 35 dage, det vil sige fra 400 til 100 MBq, der gik 70 dage.
For at prøven kunne henfalde op til 25 MBq, var der krævet 4 halveringstider.
Hvilket svarer til:
4 x 35 dage = 140 dage
Ved radioaktivt henfald kan emissioner være alfa, beta eller gamma.
Gamma-stråling er en elektromagnetisk bølge.
Alfa-emission har en positiv ladning og falder 4 enheder i masse og 2 enheder i det forfaldne grundstofs atomnummer, hvilket gør det til et andet element.
Beta-emission er en højhastighedselektron, der øger det forfaldne grundstofs atomnummer med en enhed og omdanner det til et andet element.
Niob-95 og molybdæn-95 har den samme masse, så der opstod en beta-emission, fordi: