Niob (Nb) är det kemiska elementet i atomnummer 41 som tillhör grupp 5 i det periodiska systemet.
Det är en naturligt tillgänglig övergångsmetall i fast tillstånd, som upptäcktes 1801 av den brittiska kemisten Charles Hatchett.
Mineraler som innehåller niob är sällsynta i världen, men rikligt i Brasilien, det land som har de största reserverna av denna metall.
På grund av dess egenskaper, hög ledningsförmåga och korrosionsbeständighet har detta element många tillämpningar, allt från stålproduktion till rakettillverkning.
Därefter introducerar vi detta kemiska element och de egenskaper som gör det så viktigt.
Vad är niob?
Niob är en eldfast metall, det vill säga den är mycket motståndskraftig mot värme och slitage.
Metallerna i denna klass är: niob, volfram, molybden, tantal och rhenium, med niob som den lättaste av alla.
Niob förekommer i naturen i mineraler, vanligtvis kopplade till andra element, huvudsakligen tantal, eftersom de två har mycket liknande fysikalisk-kemiska egenskaper.
Detta kemiska element klassificeras som en övergångsmetall i det periodiska systemet. Den är ljus, med låg hårdhet, låg motståndskraft mot genomströmning av elektrisk ström och motståndskraftig mot korrosion.
Fysiska egenskaper hos niob
fysiskt tillstånd | fast vid rumstemperatur |
---|---|
färg och utseende | metallgrå |
Densitet | 8,570 g / cm3 |
Fusionspunkt | 2468 ° C |
Kokpunkt | 4742 ° C |
Kristallin struktur | Body Centered Cubic - CCC |
värmeledningsförmåga |
54,2 W m-1 K-1 |
Kemiska egenskaper hos niob
Klassificering | övergångsmetall |
---|---|
atomnummer | 41 |
Blockera | d |
Grupp | 5 |
Tidsförlopp | 5 |
atomvikt | 92,90638 u |
atomstråle | 1,429 Å |
vanliga joner | Nb5+ och Nb3+ |
elektronnegativitet | 1.6 Pauling |
Den största fördelen med att använda denna metall är att endast en mängd, i gram, av detta element kan modifiera massor av järn, vilket gör metallen lättare, motståndskraftig mot korrosion och mer effektiv.
Var finns Niobium?
Jämfört med andra ämnen som finns i naturen har niob en låg koncentration, i andelen 24 delar per miljon.
Denna metall finns i följande länder: Brasilien, Kanada, Australien, Egypten, Demokratiska republiken Kongo, Grönland, Ryssland, Finland, Gabon och Tanzania.
Niob i Brasilien
På 1950-talet upptäcktes den största fyndigheten av pyroklormalm, som innehåller denna metall, i Brasilien av den brasilianska geologen Djalma Guimarães.
Den stora mängden malm som innehåller niob ligger i Brasilien, världens största producent, som innehar mer än 90% av metallens reserver.
De utforskade reservaten ligger i delstaterna Minas Gerais, Amazonas, Goiás och Rondônia.
niobmalmer
Niob finns i naturen alltid kopplat till andra kemiska element. Mer än 90 mineralarter som innehåller niob och tantal i naturen är redan kända.
I tabellen nedan kan vi se några av malmerna som innehåller niob, de viktigaste egenskaperna och det niobinnehåll som finns i varje material.
columbite tantalit | |
---|---|
Sammansättning: | (Fe, Mn) (Nb, Ta)2O6 |
Niobinnehåll (maximalt): | 76% av Nb2O5 |
Funktioner: |
|
Pyroklorit | |
---|---|
Sammansättning: | (På2,Här)2(Nb, Ti) (O, F)7 |
Niobinnehåll (maximalt): | 71% av Nb2O5 |
Funktioner: |
|
Loparite | |
---|---|
Sammansättning: | (C, Na, C)2(Ti, Nb)2O6 |
Niobinnehåll (maximalt): | 20% av Nb2O5 |
Funktioner: |
|
prospektering av niob
Niobmalmer genomgår omvandlingar tills de produkter som kommer att marknadsföras bildas.
Processstegen kan sammanfattas som:
- Brytning
- Niobkoncentration
- Niob-raffinering
- Niob-produkter
Gruvdrift sker där det finns malmreserver som utvinns med sprängämnen och transporteras med bälten dit koncentrationsstadiet äger rum.
Koncentration sker med malmens nedbrytning, malning gör att malmkristallerna blir mycket finare och använder magnetisk separation järnfraktionerna avlägsnas från malmen.
Vid raffinering av niob avlägsnas svavel, vatten, fosfor och bly.
En av produkterna som innehåller niob är järn-nioblegeringen som produceras enligt följande ekvation:
Denna process kallas aluminotermi där malmkoncentratet blandas i reaktorer med järnskrot eller järnoxid.
Metalloxider reagerar med aluminium under höga temperaturer, vilket genererar produkten av intresse.
De mest kommersialiserade niobprodukterna är:
- Niobkoncentrat: en bas som innehåller 58% Nb2O5.
- Järn-nioblegering: innehåller 65% niob.
- Högrenhetsoxid: används vid tillverkning av speciella material.
Vad är niob för?
Egenskaperna hos niob gör detta element alltmer önskvärt och med otaliga applikationer.
Sedan upptäckten 1905 började ansökningar om niob undersökas när den tyska kemisten Werner von Bolton producerade grundämnet i ren form.
50-talet representerade en stor sökning efter niobapplikationer, eftersom den fram till dess inte producerades i stor skala.
Under denna period väckte det kalla kriget intresse för att denna metall skulle användas i flyg- och rymdkomponenter.
Nedan är en lista över hur niob används.
Metalllegeringar
Tillsatsen av niob till en legering ökar dess härdbarhet, dvs. förmågan att härda när den utsätts för värme och sedan kyls. Således kan materialet som innehåller niob utsättas för specifika värmebehandlingar.
Affiniteten hos niob med kol och kväve gynnar legeringens mekaniska egenskaper och ökar exempelvis mekanisk hållfasthet och motstånd mot nötande slitage.
Dessa effekter är fördelaktiga eftersom de kan utöka en legerings industriella tillämpningar.
Stål är till exempel en metalllegering bildad av järn och kol. Tillsatsen av niob till denna legering kan ha fördelar för:
- Bilindustrin: producerar en bil lättare och mer motståndskraftig mot kollision.
- Konstruktion: förbättrar stålets svetsbarhet och ger smidighet.
- Transportrörsindustrin: Tillåter konstruktioner med tunnare väggar och större diametrar, utan att det påverkar säkerheten.
superlegeringar
Superlegeringen är en metalllegering med hög motståndskraft mot höga temperaturer och mekanisk hållfasthet. Legeringar som innehåller niob gör detta material användbart vid tillverkning av flygturbiner eller energiproduktion.
Fördelen med att arbeta vid höga temperaturer gör att superlegeringar komponerar högpresterande jetmotorer.
superledande magneter
Superledningsförmågan hos niob gör att föreningarna av niob-germanium, niob-skandium och niob-titan används i:
- Skanner av MR-maskiner.
- Partikelacceleratorer som Large Hadron Collider.
- Detektering av elektromagnetisk strålning och studier av kosmisk strålning av material som innehåller niobnitrit.
Oxider
Andra applikationer för niob är i form av oxider, främst Nb2O5. De viktigaste användningarna är:
- optiska linser
- Keramiska kondensatorer
- pH-sensorer
- motor delar
- Smycken
Historia och upptäckt av Niobium
1734 fördes några malm som tillhör en personlig samling av John Winthrop från Amerika till England och dessa föremål var en del av British Museums samling i London.
När han gick med i Royal Society fokuserade den brittiska kemisten Charles Hatchett på att undersöka sammansättningen av malmerna som finns på museet. Så här isolerade han 1801 ett kemiskt grundämne i form av en oxid och kallade det columbium och malmen från vilken det extraherades columbite.
År 1802 rapporterade den svenska kemisten Anders Gustaf Ekeberg upptäckten av ett nytt kemiskt grundämne och kallade det tantal, med hänvisning till sonen till Zeus i grekisk mytologi.
1809 analyserade den engelska kemisten och fysikern William Hyde Wollaston dessa två element och observerade att de hade mycket liknande egenskaper.
På grund av detta faktum, från 1809 till 1846, ansågs columbium och tantal samma element.
Senare noterade den tyska mineralogen och kemisten Heinrich Rose, som undersökte columbite malmen, att tantal också var närvarande.
Rose hittade närvaron av ett annat element, som liknade tantal och kallade det Niobius, med hänvisning till Niobe, dotter till Tantalus, från den grekiska mytologin.
År 1864 lyckades svensken Christian Bromstrand isolera niob från ett kloridprov uppvärmt i en väteatmosfär.
1950 godkände Unionen för ren och tillämpad kemi (IUPAC) niob som det officiella namnet, snarare än columbium, eftersom de var samma kemiska element.
Sammanfattning av niob
Kemiskt grundämne: Niob | |||
---|---|---|---|
Symbol | Nb | Upptäckare | Charles Hatchett |
atomnummer | 41 | atomisk massa | 92,906 u |
Grupp | 5 | Tidsförlopp | 5 |
Klassificering | övergångsmetall | Eletronisk distribution | [Kr] 4d35s2 |
Funktioner |
|
||
Huvudmalmer |
|
||
Huvudprodukter |
|
||
applikationer |
|
||
Förekomst | I världen |
|
|
I Brasilien |
|
Fiendövningar och antagningsprov
1. (Enem / 2018) I grekisk mytologi var Niobia dotter till Tantalus, två karaktärer kända för sitt lidande. Det kemiska grundämnet atomnummer (Z) lika med 41 har kemiska och fysikaliska egenskaper som liknar grundämnet atomnummer 73 att de var förvirrade.
Därför, för att hedra dessa två karaktärer i grekisk mytologi, fick dessa element namnen på niob (Z = 41) och tantal (Z = 73). Dessa två kemiska grundämnen har fått stor ekonomisk betydelse i metallurgi, i produktionen av superledare och i andra avancerade applikationer inom industrin, just på grund av de kemiska och fysikaliska egenskaperna gemensamt för båda.
KEAN, S. Den försvinnande skeden: och andra sanna berättelser om galenskap, kärlek och död från kemiska element. Rio de Janeiro: Zahar, 2011 (anpassad).
Den ekonomiska och tekniska betydelsen av dessa element, på grund av likheten mellan deras kemiska och fysiska egenskaper, beror på
a) har elektroner i undernivån f.
b) vara delar av intern övergång.
c) tillhör samma grupp i det periodiska systemet.
d) ha sina yttersta elektroner på nivå 4 respektive 5.
e) vara placerade i familjen av alkaliska jordarter och alkaliska, respektive.
Rätt alternativ: c) tillhör samma grupp i det periodiska systemet.
Det periodiska systemet är organiserat i 18 grupper (familjer), där varje grupp sammanför kemiska element med liknande egenskaper.
Dessa likheter händer eftersom elementen i en grupp har samma antal elektroner i valensskalet.
Genom att göra den elektroniska fördelningen och lägga till elektronerna från det mest energiska undernivån till det yttersta undernivån hittar vi den grupp som de två elementen tillhör.
Niob | |
Distribution elektronik |
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p65s2 4d3 |
summan av elektroner |
mer energisk + mer extern 4d3 + 5s2 = 5 elektroner |
Grupp | 5 |
Tantal | |
Distribution elektronik |
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p66s2 4f145d3 |
summan av elektroner |
mer energisk + mer extern 5d3 + 6s2 = 5 elektroner |
Grupp | 5 |
Elementen niob och tantal:
- De tillhör samma grupp på det periodiska systemet.
- De har sina yttersta elektroner på nivå 5 respektive 6, och så ligger de i femte och sjätte perioden.
- De har elektroner i undernivån och därför är de övergångselement utanför.
2. (IFPE / 2018) Brasilien är världens största producent av niob och står för mer än 90% av reserven för denna metall. Niob, symbol Nb, används vid tillverkning av specialstål och är en av de mest beständiga metallerna mot korrosion och extrema temperaturer. Nb-föreningen2O5 det är föregångaren till nästan alla legeringar och niobföreningar. Markera alternativet med den erforderliga massan av Nb2O5 för att erhålla 465 gram niob. Angivet: Nb = 93 g / mol och O = 16 g / mol.
a) 275 g
b) 330 g
c) 930 g
d) 465 g
e) 665 g
Rätt alternativ: e) 665 g
Prekursorföreningen av niob är Nb-oxid2O5 och det niob som används i legeringarna är i elementär Nb-form.
Därför har vi följande stökiometriska förhållande:
1 mol Nb2O5 genererar 2 mol Nb, eftersom nioboxid bildas av 2 atomer av denna metall.
Första steget: beräkna antalet mol producerade niob som motsvarar 465 g.
Om vi genom beräkningen såg att massan av niob motsvarar 5 mol, så är mängden mol Nb2O5 används är hälften av detta värde, eftersom:
2: a steget: beräkna molmassan av nioboxid.
Tredje steget: beräkna massan av nioboxid som motsvarar 2,5 mol.
3. (UECE / 2015) Brasilien innehar 98% av världens niobreserver, som har många industriella applikationer som till exempel inom smycktillverkning, hyperallergena implantat, elektrokeramik, supraledande magneter, magnetiska resonansmaskiner, metalllegeringar, specialmynt och vid produktion av stål. För niob, granska uttalandena nedan och kryssa för det enda sanna alternativet.
a) Dess differentierade elektron är belägen i det näst sista skalet.
b) Det är ett representativt element.
c) Dess elektronegativitet är lägre än för vanadin.
d) Den tillhör den fjärde perioden i det periodiska systemet.
Rätt alternativ: a) Differentialelektronen är belägen i det näst sista skalet.
När man utför den elektroniska distributionen av niob är det möjligt att se att dess differentierade elektron är belägen i det näst sista skalet.
Eftersom den har differentialelektronen i d-undernivån är det ett yttre övergångselement.
Eftersom dess yttersta nivå ligger i det femte lagret, ligger niob i tabellens femte period.
Elektronegativitet är egenskapen relaterad till elementets förmåga att attrahera elektroner och det varierar beroende på atomradie: ju mindre atomradie, desto större attraktion för elektroner och därför är desto större elektronnegativitet.
Genom att konsultera tabellen med elektronegativitetsvärdena är det möjligt att se att niob och vanadin har värden nära 1,6 Pauling.
4. (UEA / 2014) Den naturliga isotopen av niob är 93Nb. Antalet neutroner i denna isotop är
a) 41.
b) 52.
c) 93.
d) 134.
e) 144.
Rätt alternativ: b) 52.
Isotoper är atomer av ett kemiskt grundämne med olika massnummer.
Atommassa motsvarar summan av ett grundämnes protoner och neutroner.
Antalet protoner representerar det kemiska grundämnets atomnummer och för isotoper ändras det inte.
Således uppträder massvariationen av isotoper på grund av det olika antalet neutroner.
Om atomnumret för niob är 41, ges antalet neutroner genom beräkningen:
5. (IFMG / 2015) Det kemiska grundämnet niob, Nb, är uppkallat efter den grekiska gudinnan Niobe. Brasilien är världens största metallproducent och står för 75% av produktionen. På grund av dess legerings termiska stabilitet används niob vid tillverkning av speciella höghållfasta stållegeringar för motorer, framdrivningsutrustning och olika supraledande material. Att observera positionen av niob i det periodiska systemet är det korrekt att säga att:
a) ditt mest energiska delnivå kommer att vara undernivå d.
b) är ett element som tillhör alkalimetallfamiljen.
c) bildar jonföreningar med andra metaller.
d) dess katjoner kommer att ha en atomradie större än det rena elementet.
Rätt alternativ: a) ditt mest energiska delnivå kommer att vara undernivå d.
Genom att titta på det periodiska systemet kan vi se att niob karakteriseras som ett yttre övergångselement, som tillhör grupp 5 i det periodiska systemet, eftersom dess mest energiska undernivå är d.
Vi kan också få denna information genom att distribuera den elektroniskt.
Eftersom det är en metall, gör detta element metalliska förbindelser med andra metaller, som i legeringen järn-niob eller också kovalenta bindningar, genom att dela elektroner, som i nioboxid Nb2O5.
6. (UFSC / 2003) Niob upptäcktes 1801 av den engelska kemisten Charles Hatchett. Brasilien har cirka 93% av världsproduktionen av niobkoncentrat. De största insättningarna finns i delstaterna Minas Gerais, Goiás och Amazonas. Metallen används främst vid tillverkning av järn-nioblegeringar och andra mer komplexa legeringar, som har använts vid konstruktion av jetdrivningsturbiner, raketer och rymdfarkoster. Dess oxider används vid tillverkning av linser för glasögon, fotokameror och annan optisk utrustning. Givet (Z = 41). Beträffande niob, markera CORRECT proposition (er).
(01) När niobium förlorar 3 elektroner antar kryptonens konfiguration.
(02) Niob kan bilda metalloxider av M-typ2O5 i2O3.
(04) Den kemiska symbolen för niob är Ni.
(08) Niob är en övergångsmetall.
(16) En järn-nioblegering är ett exempel på en fast lösning.
Rätt alternativ: 02 + 08 + 16 = 26.
(01) FEL.
Element | Eletronisk 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
Med tanke på oxidationsnumren 3+ och 5+ för niob kan den bilda föreningarna:
Oxidationsnummer 5+ | Oxidationsnummer 3+ |
Nb2O5 | Nb2O3 |
(04) FEL
Ni är symbolen för elementet nickel. Symbolen för niob är Nb.
(08) KORREKT
Niob är en extern övergångsmetall som tillhör grupp 5 i det periodiska systemet.
(16) KORREKT
En fast lösning motsvarar att en blandning av två eller flera komponenter i samma fas, som är fast, är vanlig bland metaller.
7. (UERJ / 2013) Niob är en metall som finns i naturliga avlagringar, främst i form av oxider.
I en avsättning innehållande niob med ett oxidationsnummer +5 motsvarar formeln för den dominerande oxiden av denna metall:
a) NbO5
b) Nb5O
c) Nb5O2
d) Nb2O5
Rätt alternativ: d) Nb2O5
Syre bildar två bindningar och har ett fast oxidationsnummer, vilket är 2-.
För att bilda nioboxid måste syre därför bindas till 2 atomer av denna metall.
Niob har olika oxidationstillstånd. Med oxidationsnummer 3+ binder det till 3 oxygener och med Nox 5+ bildar det föreningen: Nb2O5 vari 2 niobatomer binder med 5 syreatomer.
Läs texten för att svara på frågorna 8 till 10.
Niob är en metall av stor teknisk betydelse och dess huvudsakliga världsreserver finns i
Brasilien, i form av pyroklormalm, bestående av Nb2O5. I en av processerna för dess extraktiva metallurgi används aluminotermi i närvaro av Fe-oxid2O3, vilket resulterar i en legering av niob och järn och aluminiumoxid som en biprodukt. Reaktionen för denna process representeras i ekvationen:
I naturen uppträder niob i form av den stabila isotopen niob-93, men flera instabila syntetiska isotoper är kända, som förfaller genom strålningsemission. En av dem är niob-95 som sönderfaller till grundämnet molybden-95.
(Systems.dnpm.gov.br; Teknologi Metall. Mater. Miner., São Paulo, v. 6, nr. 4, s. 185-191, april-juni. 2010 och G. Audi et al./Nuclear Physics A 729 (2003) 3–128. Anpassad)
8. (FGV / 2019) I aluminotermi-reaktionen för att erhålla legeringen av niob och järn, med tanke på stökiometrin som presenteras i den balanserade ekvationen, är det totala antalet elektroner som är involverade i processen
a) 6.
b) 12.
c) 18.
d) 24.
e) 36.
Rätt alternativ: e) 36.
Redoxreaktionen inträffar med förlust och förstärkning av elektroner.
När ett element minskar får det elektroner och när ett element oxideras förlorar det elektroner.
När ett element reducerar är det ett oxidationsmedel, medan när ett element oxiderar är det ett reduktionsmedel.
På detta sätt är antalet elektroner som förlorades av ett element och gavs upp till ett annat lika.
Element | NOX | Reaktion | elektroner | |
Niob |
+5 3Nb2O5 |
0 6Nb |
Minskning | 3.2.5 = 30 och- vinster |
Järn |
+3 Tro2O3 |
0 2Fe |
Minskning | 2.3 = 6 och- vinster |
Aluminium |
0 12Al |
+3 6Al2O3 |
Oxidation | 6.2.3 = 36 och- förlorat |
Aluminiumladdningen på aluminiumoxidprodukten är 3+, det vill säga varje aluminium har tappat 3 elektroner.
Men i produkterna har vi 12 aluminiumatomer, vilket gör det totala antalet elektroner involverade i processen:
12. 3 = 36 elektroner.
9. (FGV / 2019) I en aluminotermisk operation för produktion av niob och järnlegering med stökiometriska mängder Nb2O5 och Fe2O3 och användning av överskott av metalliskt aluminium bildades 6,12 ton Al.2O3. Summan av mängderna, i mol, av niob och järn som beräknas erhållas vid denna operation är
a) 6 × 104
b) 6 × 106
c) 8 × 103
d) 8 × 104
e) 8 × 106
Rätt alternativ: d) 8 × 104.
1: a steget: beräkna molmassan för Al2O3
2: a steget: beräkna antalet mol Al2O3
3: e steget: utför de stökiometriska förhållandena.
I den kemiska ekvationen ser vi att det finns förhållandet: 6 mol niob, 6 mol aluminium och 2 mol järn.
Enligt förhållandet mellan antalet bildade mol har vi:
Och summan av mängderna niob och järn i mol är:
I niob-95-sönderfallsprocessen för radioisotop är den tid det tar för aktiviteten för detta prov att sönderfalla till 25 MBq och namnet på arten som släpps ut
a) 140 dagar och neutroner.
b) 140 dagar och protoner.
c) 120 dagar och protoner.
d) 120 dagar och partiklar ß–.
e) 140 dagar och partiklar ß–.
Rätt alternativ: e) 140 dagar och partiklar ß–.
Halveringstiden är den tid det tar för ett radioaktivt prov att halvera sin aktivitet.
I diagrammet ser vi att den radioaktiva aktiviteten börjar vid 400 MBq, så halveringstiden är den tid det tog för aktiviteten att förfalla till 200 MBq, vilket är hälften av den ursprungliga.
Vi analyserar i diagrammet att den här tiden var 35 dagar.
För att aktiviteten skulle sjunka med hälften igen gick ytterligare 35 dagar och aktiviteten gick från 200 MBq till 100 MBq när ytterligare 35 dagar gick, det vill säga från 400 till 100 MBq, 70 dagar gick.
För att provet skulle förfalla upp till 25 MBq krävdes 4 halveringstider.
Vilket motsvarar:
4 x 35 dagar = 140 dagar
Vid radioaktivt sönderfall kan utsläppen vara alfa, beta eller gamma.
Gamma-strålning är en elektromagnetisk våg.
Alfaemission har en positiv laddning och minskar 4 enheter i massa och 2 enheter i det sönderfallna elementets atomnummer, vilket gör det till ett annat element.
Betaemission är en höghastighetselektron som ökar det sönderfallna elementets atomnummer med en enhet och förvandlar det till ett annat element.
Niob-95 och molybden-95 har samma massa så en beta-emission uppstod på grund av: