Ниобијум (Нб): шта је то, чему служи и где се налази

Ниобијум (Нб) је хемијски елемент атомског броја 41 који припада групи 5 периодног система.

То је природно доступан прелазни метал у чврстом стању, који је 1801. открио британски хемичар Цхарлес Хатцхетт.

Минерали који садрже ниобијум су ретки у свету, али обилују у Бразилу, земљи са највећим резервама овог метала.

Због својих својстава, високе проводљивости и отпорности на корозију, овај елемент има много примена, од производње челика до производње ракете.

Даље ћемо представити овај хемијски елемент и карактеристике које га чине толико важним.

Шта је ниобијум?

Ниобијум је ватростални метал, односно врло је отпоран на топлоту и хабање.

Метали у овој класи су: ниобијум, волфрам, молибден, тантал и ренијум, а ниобијум је најлакши од свих.

Ниобијум се у природи јавља у минералима, обично повезаним са другим елементима, углавном танталом, јер та два имају врло слична физичко-хемијска својства.

Овај хемијски елемент је класификован као прелазни метал на периодном систему. Светао је, мале тврдоће, са малим отпором на пролазак електричне струје и отпоран на корозију.

Физичка својства ниобија

физичко стање	чврста на собној температури
боја и изглед	металик сива
Густина	8.570 г / цм^3
Тачка фузије	2468 ° Ц
Тачка кључања	4742 ° Ц
Кристална структура	Боди Центеред Цубиц - ЦЦЦ
топлотна проводљивост	54,2 В м^-1 К.^-1

Хемијске особине ниобија

Класификација	прелазни метал
атомски број	41
Блокирати	д
Група	5
Временски курс	5
атомска маса	92,90638 у
атомски зрак	1,429 Å
заједнички јони	Нб^5^+ и Нб^3^+
електронегативност	1.6 Паулинг

Главна предност употребе овог метала је у томе што само количина, у грамима, овог елемента може модификовати тону гвожђа, чинећи метал лакшим, отпорним на корозију и још много тога ефикасан.

Где се налази Ниобијум?

У поређењу са другим супстанцама које су присутне у природи, ниобијум има ниску концентрацију, у проценту од 24 делова на милион.

Овај метал се налази у следећим земљама: Бразил, Канада, Аустралија, Египат, Демократска Република Конго, Гренланд, Русија, Финска, Габон и Танзанија.

Ниобијум у Бразилу

Педесетих година прошлог века, највеће налазиште руде пирохлора, које садржи овај метал, открио је у Бразилу бразилски геолог Дјалма Гуимараес.

Велика количина руда које садрже ниобијум налази се у Бразилу, највећем светском произвођачу, који држи више од 90% резерви метала.

Истражене резерве налазе се у државама Минас Гераис, Амазонас, Гоиас и Рондониа.

руде ниобија

Ниобијум се налази у природи увек повезан са другим хемијским елементима. Већ је познато више од 90 минералних врста које у природи садрже ниобијум и тантал.

У доњој табели можемо видети неке од руда које садрже ниобијум, главне карактеристике и садржај ниобија доступан у сваком материјалу.

колумбит танталит
Састав:	(Фе, Мн) (Нб, Та)2О.6
Садржај ниобија (максимум):	76% Нб2О.5
Карактеристике:	Ортхорхомбиц минерал Променљива релативна густина од 5,2 до 8,1 г / цм^3 Формира сличне структуре, у којима се тантал и ниобијум замењују у свим пропорцијама.

Пирохлорит
Састав:	(У2, Овде)2(Нб, Ти) (О, Ф)7
Садржај ниобија (максимум):	71% Нб2О.5
Карактеристике:	Изометријски минерал октаедарске навике Релативна густина од 4,5 г / цм^3 Има сорту бариопироклор, која у свој састав укључује елемент баријум.

Лопарите
Састав:	(Ц, На, Ц)2(Ти, Нб)2О.6
Садржај ниобија (максимум):	20% Нб2О.5
Карактеристике:	Гранулирани до крхки минерал Густина 4,77 г / цм^3 Кристалише у изометријском систему

истраживање ниобија

Руде ниобијума се претварају док се не формирају производи који ће се стављати на тржиште.

Кораци процеса могу се сажети као:

1. Рударство
2. Концентрација ниобија
3. Рафинисање ниобија
4. Ниобијум производи

Рударство се одвија тамо где постоје резерве руде, које се ваде експлозивом и транспортују каишевима до места где се одвија фаза концентрације.

Концентрација настаје распадањем руде, услед млевења кристали руде постају много финији и коришћењем магнетно раздвајање фракције гвожђа се уклањају из руде.

У пречишћавању ниобијума долази до уклањања сумпора, воде, фосфора и олова.

Један од производа који садрже ниобијум је легура гвожђе-ниобијум, која се производи према следећој једначини:

Овај процес се назива алуминотермија у коме се концентрат руде меша у реакторима са гвожђем или гвозденим оксидом.

Метални оксиди реагују са алуминијумом под високим температурама, стварајући производ који нас занима.

Најкомерцијализовани производи од ниобијума су:

• Концентрати ниобијума: база која садржи 58% Нб₂О.₅.
• Легура гвожђе-ниобијум: садржи 65% ниобија.
• Оксид високе чистоће: користи се у производњи специјалних материјала.

Чему служи ниобијум?

Карактеристике ниобија чине овај елемент све пожељнијим и са безброј примена.

Од његовог открића 1905. године, примене ниобија почињу да се истражују, када је немачки хемичар Вернер вон Болтон елемент произвео у чистом облику.

50-те су представљале сјајну потрагу за апликацијама ниобија, јер до тада није произведен у великим размерама.

Током овог периода, хладни рат је изазвао интересовање за овај метал који ће се користити у ваздухопловним компонентама.

Испод је списак начина на које се ниобијум користи.

Легуре метала

Додавање ниобија у легуру повећава њену отврдњавање, односно способност очвршћавања када је изложена топлоти, а затим охлађена. Дакле, материјал који садржи ниобијум може бити подвргнут специфичним топлотним третманима.

Сродност ниобија са угљеником и азотом фаворизује механичка својства легуре, повећавајући, на пример, механичку чврстоћу и отпорност на абразивно хабање.

Ови ефекти су корисни јер могу проширити индустријску примену легуре.

Челик је, на пример, метална легура коју формирају гвожђе и угљеник. Додатак ниобија овој легури може имати предности за:

• Аутомобилска индустрија: производња аутомобила лакшег и отпорнијег на судар.
• Конструкција: побољшава заварљивост челика и обезбеђује ковање.
• Индустрија транспортних цевовода: Омогућава конструкције са тањим зидовима и већим пречницима, без утицаја на сигурност.

супер легуре

Суперлегура је метална легура високе отпорности на високе температуре и механичку чврстоћу. Легуре које садрже ниобијум чине овај материјал корисним у производњи авионских турбина или производњи енергије.

Предност рада на високим температурама чини супер легуре састављањем млазних мотора високих перформанси.

суперпроводљиви магнети

Суперпроводљивост ниобија доводи до тога да се једињења ниобијум-германијум, ниобијум-скандијум и ниобијум-титанијум користе у:

• Скенер МРИ машина.
• Убрзивачи честица као што је Велики хадронски сударач.
• Детекција електромагнетног зрачења и проучавање космичког зрачења материјалима који садрже ниобијум нитрит.

Оксиди

Остале примене ниобија су у облику оксида, углавном Нб₂О.₅. Главне употребе су:

• оптичка сочива
• Керамички кондензатори
• пХ сензори
• делови мотора
• Накит

Историја и откриће Ниобија

Године 1734. неке руде из личне колекције Јохна Винтхропа однешене су из Америке у Енглеску и ти предмети били су део колекције Британског музеја у Лондону.

По приступању Краљевском друштву, британски хемичар Цхарлес Хатцхетт усредсредио се на истраживање састава руда доступних у музеју. Тако је 1801. године изоловао хемијски елемент, у облику оксида, и назвао га колумбијум и руда из које је извађен колумбит.

1802. шведски хемичар Андерс Густаф Екеберг известио је о открићу новог хемијског елемента и назвао га танталом, позивајући се на Зевсовог сина у грчкој митологији.

1809. године енглески хемичар и физичар Виллиам Хиде Волластон анализирао је ова два елемента и приметио да имају врло слична својства.

Због ове чињенице, од 1809. до 1846. године, колумбијум и тантал сматрани су истим елементом.

Касније је немачки минералог и хемичар Хајнрих Роуз, истражујући руду колумбита, приметио да је присутан и тантал.

Роуз је пронашла присуство још једног елемента, сличног танталу, и назвала га Ниобиус, позивајући се на Ниобу, ћерку Тантала, из грчке митологије.

Швеђанин Цхристиан Бромстранд је 1864. успео да изолује ниобијум из узорка хлорида загреваног у атмосфери водоника.

1950. године Савез чисте и примењене хемије (ИУПАЦ) одобрио је ниобијум као званични назив, а не колумбијум, јер су били исти хемијски елемент.

Резиме ниобија

Хемијски елемент: Ниобијум
Симбол	Нб	Откривач	Цхарлес Хатцхетт
атомски број	41	атомска маса	92,906 у
Група	5	Временски курс	5
Класификација	прелазни метал	Елетрониц дистрибуција	[Кр] 4д^35с^2
Карактеристике	ватростални метал Чврста, дуктилна и податна висока проводљивост Отпорни на корозију
Главне руде	Колумбит-танталит: Садржај 76% Нб2О.5 Пирохлорит: 71% Нб2О.5 Лопарит: 20% Нб садржаја2О.5
Главни производи	Ниобијум концентрат Легура гвожђе-ниобијум Ниобијум оксид високе чистоће
апликације	Легуре метала: цивилна конструкција и транспорт Суперлегуре: Авионске и ракетне турбине Суперпроводљиви магнети: машине за магнетну резонанцу Оксиди: накит у различитим бојама
Појава	У свету	Бразил Канада Аустралија Египат Демократска Република Конго Гренланд Русија Финска Габон Танзанија.
У Бразилу	Минас Гераис Амазонке Гоиас Рондониа

Енем вежбе и пријемни испити

1. (Енем / 2018) У грчкој митологији Ниобија је била ћерка Тантала, два лика позната по својој патњи. Хемијски елемент са атомским бројем (З) једнак 41 има хемијска и физичка својства толико слична елементу са атомским бројем 73 да су били збуњени.

Стога су у част ова два лика у грчкој митологији ови елементи добили имена ниобијум (З = 41) и тантал (З = 73). Ова два хемијска елемента стекла су велики економски значај у металургији, у производњи суперпроводници и у другим врхунским индустријским применама, управо због хемијских и физичких својстава заједничко и једнима и другима.

_{КЕАН, С. Кашика која нестаје: и друге истините приче о лудилу, љубави и смрти од хемијских елемената. Рио де Жанеиро: Захар, 2011 (адаптирано).}

Економска и технолошка важност ових елемената, због сличности њихових хемијских и физичких својстава, је због

а) имају електроне у поднивоу.
б) као елементи унутрашње транзиције.
в) припадају истој групи на периодном систему.
д) имају своје најудаљеније електроне на нивоима 4, односно 5.
е) бити смештени у породици земноалкалних, односно алкалних.

Погледајте одговор

Тачна алтернатива: в) припадају истој групи на периодном систему.

Периодни систем је организован у 18 група (породица), где свака група окупља хемијске елементе сличних својстава.

Ове сличности се дешавају јер елементи групе имају једнак број електрона у валентној љусци.

Вршећи електронску дистрибуцију и додајући електроне из најенергичнијег нивоа на најудаљенији подниво, проналазимо групу којој припадају два елемента.

Ниобијум
Дистрибуција електроника	1с^2 2с^2 2п^6 3с^2 3п^6 4с^2 3д^10 4п^65с^2 4д^3
збир електрони	енергичнији + више спољни 4д^3 + 5с^2= 5 електрона
Група	5

Тантал
Дистрибуција електроника	1с^2 2с^2 2п^6 3с^2 3п^6 4с^2 3д^10 4п^6 5с^2 4д^10 5п^66с^2 4ф^145д^3
збир електрони	енергичнији + више спољни 5д^3 + 6с^2 = 5 електрона
Група	5

Елементи ниобијум и тантал:

• Припадају истој групи на периодном систему.
• Они имају своје најудаљеније електроне на нивоима 5, односно 6, и тако се налазе у 5. и 6. периоду.
• Они имају електроне у под нивоу и, према томе, они су прелазни елементи споља.

2. (ИФПЕ / 2018) Бразил је највећи светски произвођач ниобија, који чини више од 90% резерви овог метала. Ниобијум, симбол Нб, користи се у производњи специјалних челика и један је од најотпорнијих метала на корозију и екстремне температуре. Једињење Нб₂О.₅ претеча је готово свих легура и једињења ниобија. Означите алтернативу са потребном масом Нб₂О.₅ да се добије 465 грама ниобијума. Дато: Нб = 93 г / мол и О = 16 г / мол.

а) 275 г.
б) 330 г.
в) 930 г.
г) 465 г.
д) 665 г.

Погледајте одговор

Тачна алтернатива: е) 665 г.

Претходно једињење ниобијума је Нб оксид₂О.₅ а ниобијум који се користи у легурама је у елементарном облику Нб.

Стога имамо следећи стехиометријски однос:

1 мол Нб₂О.₅ генерише 2 мола Нб, јер ниобијум оксид настаје од 2 атома овог метала.

1. корак: израчунати број произведених молова ниобија који одговара 465 г.

Ако смо прорачуном видели да маса ниобија одговара 5 молова, онда је број молова Нб₂О.₅ употријебљена је половина ове вриједности, јер:

2. корак: израчунати моларну масу ниобијум оксида.

3. корак: израчунати масу ниобијум оксида која одговара 2,5 мола.

3. (УЕЦЕ / 2015) Бразил држи 98% светских резерви ниобија, који има бројне индустријске примене, као што је, на пример, производња накита, хипералергенски имплантати, електрокерамика, суперпроводљиви магнети, машине за магнетну резонанцу, металне легуре, специјалне кованице и у производњи челика. За ниобијум, прегледајте изјаве у наставку и означите једину истинску алтернативу.

а) Његов диференцијални електрон се налази у претпоследњој љусци.
б) То је репрезентативни елемент.
в) Његова електронегативност је нижа од ванадијума.
г) Припада четвртом периоду периодног система.

Погледајте одговор

Тачна алтернатива: а) Његов диференцијални електрон се налази у претпоследњој љусци.

Када се врши електронска дистрибуција ниобијума, могуће је видети да се његов диференцијални електрон налази у претпоследњој љусци.

Будући да има диференцијални електрон у д нивоу, он је спољни прелазни елемент.

Будући да је његов најудаљенији ниво у петом слоју, ниобијум се налази у петом периоду табеле.

Електронегативност је својство повезано са способношћу елемента да привлачи електроне и она варира у зависности од атомски радијус: што је мањи атомски радијус, то је већа привлачност за електроне и, према томе, то је већа електронегативност.

Консултујући табелу са вредностима електронегативности, могуће је видети да ниобијум и ванадијум имају вредности близу 1,6 Паулинга.

4. (УЕА / 2014) Природни изотоп ниобија је ⁹³Нб. Број неутрона у овом изотопу је

а) 41.
б) 52.
ц) 93.
г) 134.
д) 144.

Погледајте одговор

Тачна алтернатива: б) 52.

Изотопи су атоми хемијског елемента са различитим масеним бројевима.

Атомска маса одговара збиру протона и неутрона елемента.

Број протона представља атомски број хемијског елемента и за изотопе се не мења.

Тако долази до варијације масе изотопа услед различитог броја неутрона.

Ако је атомски број ниобијума 41, онда се израчунавањем рачуна број неутрона.

5. (ИФМГ / 2015) Хемијски елемент ниобијум, Нб, добио је име по грчкој богињи Ниоби. Бразил је највећи светски произвођач метала, чинећи 75% производње. Због топлотне стабилности својих легура, ниобијум се користи у производњи посебних легура челика високе чврстоће за моторе, погонску опрему и разне суправодљиве материјале. Посматрајући положај ниобија на периодном систему, тачно је тврдити да:

а) ваш најенергичнији подниво биће подниво д.
б) је елемент који припада породици алкалних метала.
в) са другим металима образује јонска једињења.
г) његови катиони ће имати атомски радијус већи од чистог елемента.

Погледајте одговор

Тачна алтернатива: а) ваш најенергичнији подниво биће подниво д.

Посматрајући периодни систем можемо видети да је ниобијум окарактерисан као спољни прелазни елемент, који припада групи 5 периодног система, јер је његов најенергичнији подниво д.

Ове податке можемо добити и електронском дистрибуцијом.

Како је метал, овај елемент успоставља металне везе са другим металима, као у легури гвожђе-ниобијум или такође ковалентне везе, дељењем електрона, као у ниобијум оксиду Нб₂О.₅.

6. (УФСЦ / 2003) Ниобијум је 1801. године открио енглески хемичар Цхарлес Хатцхетт. Бразил држи око 93% светске производње концентрата ниобијума. Највећа налазишта налазе се у државама Минас Гераис, Гоиас и Амазонас. Метал се углавном користи у производњи гвожђе-ниобијумских легура и других сложенијих легура, које су примењене у конструкцији млазних погонских турбина, ракета и свемирских летелица. Његови оксиди се користе у производњи светлосних сочива за наочаре, фотографске камере и другу оптичку опрему. Дато (З = 41). Што се тиче ниобија, означите ТАЧНЕ (е) тврдње (е).

(01) Ниобијум, када губи 3 електрона, претпоставља конфигурацију криптона.
(02) Ниобијум може да формира металне оксиде типа М₂О.₅ у₂О.₃.
(04) Хемијски симбол за ниобијум је Ни.
(08) Ниобијум је прелазни метал.
(16) Легура гвожђе-ниобијум је пример чврстог раствора.

Погледајте одговор

Тачне алтернативе: 02 + 08 + 16 = 26.

(01) НЕПРАВИЛНО.

Елементи	Елетрониц дистрибуција
36Кр	1с^2 2с^2 2п^6 3с^2 3п^6 4с^2 3д^10 4п^6
41Нб 41Нб^3+	1с^2 2с^2 2п^6 3с^2 3п^6 4с^2 3д^10 4п^65с^2 4д^3 1с^2 2с^2 2п^6 3с^2 3п^6 4с^2 3д^10 4п^6 4п^6 4д^2

(02) ТАЧНО

Узимајући у обзир 3+ и 5+ оксидациона броја за ниобијум, он може формирати једињења:

Оксидација број 5+	Оксидација број 3+
Нб2О.5	Нб2О.3

(04) НЕПРАВИЛНО

Ни је симбол елемента никал. Симбол за ниобијум је Нб.

(08) ТАЧНО

Ниобијум је спољни прелазни метал који припада групи 5 периодног система.

(16) ТАЧНО

Чврсти раствор одговара смеши две или више компоненти у истој фази, која је чврста и која је честа међу металима.

7. (УЕРЈ / 2013) Ниобијум је метал који се налази у природним наслагама, углавном у облику оксида.
У лежишту које садржи ниобијум са оксидационим бројем +5, формула за претежни оксид овог метала одговара:

а) НбО₅
б) Нб₅О.
ц) Нб₅О.₂
д) Нб₂О.₅

Погледајте одговор

Тачна алтернатива: д) Нб₂О.₅

Кисеоник прави две везе и има фиксни оксидациони број, који је 2-.

Према томе, да би се формирао ниобијум оксид, кисеоник се мора везати за 2 атома овог метала.

Ниобијум има различита стања оксидације. Са оксидационим бројем 3+ веже се за 3 кисеоника, а са Нок 5+ формира једињење: Нб₂О.₅ при чему се 2 атома ниобија везују за 5 атома кисеоника.

Прочитајте текст да бисте одговорили на питања од 8 до 10.

Ниобијум је метал од великог технолошког значаја и његове главне светске резерве налазе се у
Бразил, у облику руде пирохлора, коју чине Нб₂О.₅. У једном од процеса њене екстрактивне металургије, алуминотермија се користи у присуству Фе оксида₂О.₃, што је резултирало легуром ниобија и гвожђа и оксида алуминијума као нуспроизвода. Реакција овог процеса представљена је у једначини:

У природи се ниобијум појављује у облику стабилног изотопа ниобијума-93, али је познато неколико нестабилних синтетичких изотопа који пропадају емисијом зрачења. Један од њих је ниобијум-95 који се распада до елемента молибден-95.
_{(Системс.днпм.гов.бр; Технологија Метал. Матер. Рудар., Сао Пауло, в. 6, бр. 4, стр. 185-191, април-јун. 2010. и Г. Ауди и др. / Нуклеарна физика А 729 (2003) 3–128. Прилагођено)}

8. (ФГВ / 2019) У реакцији алуминотермије за добијање легуре ниобија и гвожђа, узимајући у обзир стехиометрију представљену у уравнотеженој једначини, укупан број електрона укључених у процес је

а) 6.
б) 12.
ц) 18.
д) 24.
д) 36.

Погледајте одговор

Тачна алтернатива: д) 36.

Редокс реакција се јавља са губитком и добитком електрона.

Када се елемент редукује, добија електроне, а када се елемент оксидира, он губи електроне.

Када се елемент редукује, он је оксидационо средство, док када елемент оксидира, то је редукционо средство.

На тај начин је једнак број електрона које је један елемент изгубио, а другом дао.

Елемент	НОКС	Реакција	електрони
Ниобијум	+5 3Нб2О.5	0 6Нб	Смањење	3.2.5 = 30 и^- добитке
Гвожђе	+3 Вера2О.3	0 2Фе	Смањење	2,3 = 6 и^- добитке
Алуминијум	0 12Ал	+3 6Ал2О.3	Оксидација	6.2.3 = 36 и^- изгубљен

Пуњење алуминијума на производу алуминијумског оксида је 3+, односно сваки алуминијум је изгубио 3 електрона.

Али у производима имамо 12 атома алуминијума, што чини укупан број електрона укључених у процес:

12. 3 = 36 електрона.

9. (ФГВ / 2019) У алуминотермијској операцији за производњу легуре ниобија и гвожђа са стехиометријским количинама Нб₂О.₅ и Фе₂О.₃ и употребом вишка металног алуминијума настало је 6,12 тона Ал.₂О.₃. Укупни износ количина, у моловима, ниобија и гвожђа за које се процењује да ће се добити у овој операцији је

а) 6 × 10⁴
б) 6 × 10⁶
в) 8 × 10³
г) 8 × 10⁴
д) 8 × 10⁶

Погледајте одговор

Тачна алтернатива: г) 8 × 10⁴.

1. корак: израчунати моларну масу Ал₂О.₃

2. корак: израчунати број молова Ал₂О.₃

3. корак: извршити стехиометријске односе.

У хемијској једначини видимо да постоји однос: 6 мола ниобија, 6 мола алуминијума и 2 мола гвожђа.

По омјеру броја формираних молова имамо:

А збир количина ниобија и гвожђа у моловима је:

10. (ФГВ / 2019) На слици је приказана крива зрачења распада узорка ниобија-95, који се распада до молибдена-95.

У процесу распадања радиоизотопа ниобија-95, време потребно да активност овог узорка пропадне на 25 МБк и назив емитоване врсте су

а) 140 дана и неутрони.
б) 140 дана и протони.
в) 120 дана и протони.
г) 120 дана и честице ß^–.
д) 140 дана и честице ß^–.

Погледајте одговор

Тачна алтернатива: е) 140 дана и честице ß^–.

Полувреме је време потребно да радиоактивни узорак преполови своју активност.

На графикону видимо да радиоактивна активност почиње са 400 МБк, па је време полураспада време потребно да активност пропадне на 200 МБк, што је половина почетног.

На графикону анализирамо да је ово време било 35 дана.

Да би активност поново опала за пола, прошло је још 35 дана, а активност је прешла са 200 МБк на 100 МБк када је прошло још 35 дана, односно са 400 на 100 МБк 70 дана.

Да би узорак пропао до 25 МБк, била су потребна 4 времена полураспада.

Што одговара:

4 к 35 дана = 140 дана

У радиоактивном распадању, емисије могу бити алфа, бета или гама.

Гама зрачење је електромагнетни талас.

Алфа емисија има позитиван набој и смањује 4 јединице масе и 2 јединице атомског броја распаднутог елемента, претварајући га у други елемент.

Бета емисија је електрон велике брзине који повећава атомски број распаднутог елемента за једну јединицу, претварајући га у други елемент.

Ниобијум-95 и молибден-95 имају исту масу па је дошло до бета емисије јер: