Ніобій (Nb) - хімічний елемент атомного номера 41, що належить до групи 5 періодичної системи.
Це природний доступний перехідний метал у твердому стані, який був відкритий у 1801 р. Британським хіміком Чарльзом Хатчеттом.
Мінерали, що містять ніобій, у світі рідкісні, але в Бразилії, країні з найбільшими запасами цього металу, багато.
Завдяки своїм властивостям, високій провідності та стійкості до корозії цей елемент має безліч застосувань, починаючи від виробництва сталі і закінчуючи виробництвом ракет.
Далі ми представимо цей хімічний елемент та характеристики, які роблять його таким важливим.
Що таке ніобій?
Ніобій - тугоплавкий метал, тобто він дуже стійкий до нагрівання та зносу.
Металами цього класу є ніобій, вольфрам, молібден, тантал і реній, причому ніобій є найлегшим з усіх.
Ніобій зустрічається в природі в мінералах, зазвичай пов’язаних з іншими елементами, головним чином танталом, оскільки ці два мають дуже схожі фізико-хімічні властивості.
Цей хімічний елемент класифікується як перехідний метал у таблиці Менделєєва. Він яскравий, низької твердості, з низькою стійкістю до проходження електричного струму і стійкий до корозії.
Фізичні властивості ніобію
фізичний стан | твердий при кімнатній температурі |
---|---|
колір і зовнішній вигляд | металевий сірий |
Щільність | 8,570 г / см3 |
Точка плавлення | 2468 ° С |
Точка кипіння | 4742 ° С |
Кристалічна структура | Body Centered Cubic - CCC |
теплопровідність |
54,2 Вт м-1 К-1 |
Хімічні властивості ніобію
Класифікація | перехідний метал |
---|---|
атомний номер | 41 |
Блок | d |
Група | 5 |
Часовий курс | 5 |
атомна вага | 92,90638 u |
атомний промінь | 1,429 Å |
загальні іони | Nb5+ та Nb3+ |
електронегативність | 1.6 Полінг |
Головною перевагою використання цього металу є те, що може бути лише кількість, в грамах, цього елемента модифікуйте тонну заліза, роблячи метал легшим, стійким до корозії тощо ефективний.
Де знаходиться ніобій?
У порівнянні з іншими речовинами, що містяться в природі, ніобій має низьку концентрацію у пропорції 24 частини на мільйон.
Цей метал знаходиться в наступних країнах: Бразилія, Канада, Австралія, Єгипет, Демократична Республіка Конго, Гренландія, Росія, Фінляндія, Габон і Танзанія.
Ніобій в Бразилії
У 1950-х роках найбільше родовище пірохлорної руди, що містить цей метал, було відкрито в Бразилії бразильським геологом Джалмою Гімарайншем.
Велика кількість руд, що містять ніобій, знаходиться в Бразилії, найбільшому світовому виробнику, який утримує понад 90% запасів металу.
Розвідані запаси розташовані в штатах Мінас-Жерайс, Амазонас, Гояс та Рондонія.
ніобієві руди
Ніобій знаходиться в природі, завжди пов’язаний з іншими хімічними елементами. Вже відомо більше 90 видів мінералів, що містять у природі ніобій і тантал.
У таблиці нижче ми можемо побачити деякі руди, що містять ніобій, основні характеристики та вміст ніобію, доступні в кожному матеріалі.
танталіт коламбіту | |
---|---|
Склад: | (Fe, Mn) (Nb, Ta)2О6 |
Вміст ніобію (максимум): | 76% Nb2О5 |
Особливості: |
|
Пірохлорит | |
---|---|
Склад: | (В2, Тут)2(Nb, Ti) (O, F)7 |
Вміст ніобію (максимум): | 71% Nb2О5 |
Особливості: |
|
Лопарит | |
---|---|
Склад: | (C, Na, C)2(Ti, Nb)2О6 |
Вміст ніобію (максимум): | 20% Nb2О5 |
Особливості: |
|
розвідка ніобію
Руди ніобію зазнають перетворень, поки не сформуються продукти, які будуть продаватися.
Етапи процесу можна узагальнити так:
- Видобуток корисних копалин
- Концентрація ніобію
- Переробка ніобію
- Продукти ніобію
Видобуток відбувається там, де є запаси руди, які видобуваються з використанням вибухових речовин і транспортуються стрічками туди, де відбувається стадія концентрації.
Концентрація відбувається при руйнуванні руди, подрібнення робить рудні кристали набагато більш дрібними і використовуючи магнітна сепарація фракції заліза видаляються з руди.
При переробці ніобію відбувається видалення сірки, води, фосфору та свинцю.
Одним із продуктів, що містять ніобій, є залізо-ніобієвий сплав, який отримують згідно з таким рівнянням:
Цей процес називається алюмотермією, при якому рудний концентрат змішують у реакторах із брухтом заліза або оксидом заліза.
Оксиди металів реагують з алюмінієм при високих температурах, утворюючи продукт, що цікавить.
Найбільш комерційними продуктами ніобію є:
- Концентрати ніобію: основа, що містить 58% Nb2О5.
- Залізо-ніобієвий сплав: містить 65% ніобію.
- Оксид високої чистоти: використовується у виробництві спеціальних матеріалів.
Для чого призначений ніобій?
Характеристики ніобію роблять цей елемент все більш бажаним і з незліченною кількістю застосувань.
З часу його відкриття в 1905 р. Застосування ніобію почали досліджувати, коли німецький хімік Вернер фон Болтон виробляв цей елемент у чистому вигляді.
50-ті роки представляли великий пошук застосувань ніобію, оскільки до тих пір він не вироблявся у великих масштабах.
У цей період "холодна війна" викликала інтерес до використання цього металу в аерокосмічних компонентах.
Нижче наведено перелік способів використання ніобію.
Сплави металів
Додавання ніобію до сплаву підвищує його твердість, тобто здатність тверднути під впливом тепла, а потім охолоджувати. Таким чином, матеріал, що містить ніобій, може бути підданий специфічній термічній обробці.
Спорідненість ніобію з вуглецем та азотом сприяє механічним властивостям сплаву, збільшуючи, наприклад, механічну міцність та стійкість до абразивного зносу.
Ці ефекти є корисними, оскільки можуть розширити промислове застосування сплаву.
Наприклад, сталь - це металевий сплав, утворений залізом та вуглецем. Додавання ніобію до цього сплаву може мати переваги для:
- Автомобільна промисловість: виробництво автомобіля легшого та стійкішого до зіткнення.
- Будівництво: покращує зварюваність сталі та забезпечує пластичність.
- Промисловість трубопровідного транспорту: Дозволяє конструкції з тоншими стінками та більшим діаметром, не впливаючи на безпеку.
суперсплави
Суперсплав - це металевий сплав з високою стійкістю до високих температур і механічної міцності. Сплави, що містять ніобій, роблять цей матеріал корисним для виробництва авіаційних турбін або виробництва енергії.
Перевага роботи при високих температурах змушує суперсплави складати високоефективні реактивні двигуни.
надпровідні магніти
Надпровідність ніобію обумовлює використання сполук ніобію-германію, ніобію-скандію та ніобію-титану в:
- Сканер апаратів МРТ.
- Прискорювачі частинок, такі як Великий адронний колайдер.
- Виявлення електромагнітного випромінювання та вивчення космічного випромінювання матеріалами, що містять нітрит ніобію.
Оксиди
Інші галузі застосування ніобію знаходяться у формі оксидів, головним чином Nb2О5. Основними напрямками використання є:
- оптичні лінзи
- Керамічні конденсатори
- датчики рН
- деталі двигуна
- Ювелірні вироби
Історія та відкриття ніобію
У 1734 р. Деякі руди, що належать до особистої колекції Джона Вінтропа, були вивезені з Америки до Англії, і ці предмети входили до колекції Британського музею в Лондоні.
Приєднавшись до Королівського товариства, британський хімік Чарльз Хатчетт зосередився на дослідженні складу руд, доступних у музеї. Ось як у 1801 р. Він виділив хімічний елемент у вигляді оксиду і назвав його колумбієм та рудою, з якої його добували коламбітом.
У 1802 р. Шведський хімік Андерс Густаф Екеберг повідомив про відкриття нового хімічного елемента і назвав його танталом, посилаючись на сина Зевса в грецькій міфології.
У 1809 р. Англійський хімік і фізик Вільям Гайд Волластон проаналізував ці два елементи і помітив, що вони мають дуже схожі характеристики.
Завдяки цьому з 1809 по 1846 рік Колумбій і тантал вважалися одним і тим же елементом.
Пізніше німецький мінералог і хімік Генріх Роуз, досліджуючи руду коламбіту, зазначив, що тантал також присутній.
Роуз виявив наявність іншого елемента, подібного до танталу, і назвав його Ніобієм, посилаючись на Ніобу, дочку Тантала, з грецької міфології.
У 1864 р. Швед Крістіан Бромстранд зумів виділити ніобій із зразка хлориду, нагрітого в атмосфері водню.
У 1950 р. Союз чистої та прикладної хімії (IUPAC) затвердив ніобій як офіційну назву, а не колумбій, оскільки вони були одним і тим же хімічним елементом.
Короткий зміст ніобію
Хімічний елемент: ніобій | |||
---|---|---|---|
Символ | Nb | Першовідкривач | Чарльз Хатчетт |
атомний номер | 41 | атомна маса | 92 906 у |
Група | 5 | Часовий курс | 5 |
Класифікація | перехідний метал | Елетронний розподіл | [Кр] 4d35 с2 |
Особливості |
|
||
Основні руди |
|
||
Основна продукція |
|
||
додатків |
|
||
Виникнення | У світі |
|
|
В Бразилії |
|
Вправи на ворогів та вступні іспити
1. (Enem / 2018) У грецькій міфології Ніобія була дочкою Тантала, двох персонажів, відомих своїми стражданнями. Хімічний елемент з атомним номером (Z), що дорівнює 41, має хімічні та фізичні властивості настільки подібні до елемента з атомним номером 73, що їх плутали.
Тому на честь цих двох персонажів у грецькій міфології цим елементам дали імена ніобій (Z = 41) та тантал (Z = 73). Ці два хімічні елементи набули великого економічного значення в металургії, у виробництві надпровідники та в інших галузевих галузях, саме завдяки хімічним та фізичним властивостям спільне для обох.
КЕАН, С. Ложка, що зникає: та інші справжні історії божевілля, любові та смерті від хімічних елементів. Ріо-де-Жанейро: Захар, 2011 (адаптовано).
Економічна та технологічна важливість цих елементів через схожість їх хімічних та фізичних властивостей обумовлена
а) мають електрони у f-підрівні.
б) є елементами внутрішнього переходу.
в) належать до однієї групи на таблиці Менделєєва.
г) мають найвіддаленіші електрони на рівнях 4 і 5 відповідно.
д) розташовуватися в сімействі лужноземельних та лужних відповідно.
Правильна альтернатива: в) належать до однієї групи в періодичній системі.
Періодична система організована у 18 груп (сімей), де кожна група об’єднує хімічні елементи зі схожими властивостями.
Ці подібності трапляються через те, що елементи групи мають однакову кількість електронів у валентній оболонці.
Здійснюючи електронний розподіл та додаючи електрони з найенергійнішого підрівню до самого зовнішнього підрівню, ми знаходимо групу, до якої належать два елементи.
Ніобій | |
Поширення електроніки |
1с2 2с2 2р6 3 с2 3п6 4 с2 3d10 4р65 с2 4г3 |
сума електрони |
більш енергійний + більше зовнішній 4г3 + 5 с2 = 5 електронів |
Група | 5 |
Тантал | |
Поширення електроніки |
1с2 2с2 2р6 3 с2 3п6 4 с2 3d10 4р6 5 с2 4г10 5р66 с2 4f145г3 |
сума електрони |
більш енергійний + більше зовнішній 5г3 + 6 с2 = 5 електронів |
Група | 5 |
Елементи ніобій і тантал:
- Вони належать до однієї групи на таблиці Менделєєва.
- Вони мають найвіддаленіші електрони на рівнях 5 і 6 відповідно, і тому вони знаходяться в 5-му і 6-му періодах.
- Вони мають електрони в d підрівні, і, отже, вони є перехідними елементами зовні.
2. (IFPE / 2018) Бразилія є найбільшим у світі виробником ніобію, на який припадає понад 90% запасів цього металу. Ніобій, символ Nb, використовується у виробництві спеціальних сталей і є одним з найбільш стійких до корозії та екстремальних температур металів. З'єднання Nb2О5 він є попередником майже всіх сплавів та сполук ніобію. Позначте альтернативу з необхідною масою Nb2О5 отримати 465 грам ніобію. Дано: Nb = 93 г / моль і O = 16 г / моль.
а) 275 г.
б) 330 г.
в) 930 г.
г) 465 р
д) 665 р
Правильна альтернатива: д) 665 г.
Попередником сполуки ніобію є оксид Nb2О5 а ніобій, що використовується в сплавах, знаходиться в елементарній формі Nb.
Отже, ми маємо такий стехіометричний зв’язок:
1 моль Nb2О5 генерує 2 моля Nb, оскільки оксид ніобію утворюється з 2 атомів цього металу.
1-й крок: підрахуйте кількість утворених молей ніобію, що відповідає 465 г.
Якщо за розрахунком ми побачили, що маса ніобію відповідає 5 молям, то кількість молей Nb2О5 використовується - половина цього значення, оскільки:
2-й крок: розрахуйте молярну масу оксиду ніобію.
3-й етап: обчисліть масу оксиду ніобію, що відповідає 2,5 моль.
3. (UECE / 2015) Бразилія тримає 98% світових запасів ніобію, який має численні промислові застосування, такі як, наприклад, у ювелірному виробництві, гіпераллергенні імплантати, електрокераміка, надпровідні магніти, магнітно-резонансні машини, металеві сплави, спеціальні монети та у виробництві сталь. Що стосується ніобію, перегляньте наведені нижче твердження та поставте галочку на єдину справжню альтернативу.
а) Його диференціальний електрон знаходиться в передостанній оболонці.
б) Це репрезентативний елемент.
в) Його електронегативність нижча, ніж у ванадію.
г) Належить до четвертого періоду періодичної системи.
Правильна альтернатива: а) Його диференціальний електрон знаходиться в передостанній оболонці.
При виконанні електронного розподілу ніобію можна побачити, що його диференціальний електрон знаходиться в передостанній оболонці.
Оскільки він має диференціальний електрон у d підрівні, він є зовнішнім перехідним елементом.
Оскільки його крайній рівень знаходиться в п’ятому шарі, ніобій знаходиться в п’ятому періоді таблиці.
Електронегативність - це властивість, пов’язана зі здатністю елемента притягувати електрони, і вона змінюється залежно від атомний радіус: чим менший атомний радіус, тим більше тяжіння для електронів і, отже, тим більше електронегативність.
Звернувшись до таблиці зі значеннями електронегативності, можна побачити, що ніобій і ванадій мають значення, близькі до 1,6 Полінга.
4. (UEA / 2014) Природним ізотопом ніобію є 93Nb. Кількість нейтронів у цьому ізотопі становить
а) 41.
б) 52.
в) 93.
г) 134.
д) 144.
Правильна альтернатива: б) 52.
Ізотопи - це атоми хімічного елемента з різними масовими числами.
Атомна маса відповідає сумі протонів і нейтронів елемента.
Кількість протонів представляє атомний номер хімічного елемента, і для ізотопів воно не змінюється.
Таким чином, зміна маси ізотопів відбувається через різну кількість нейтронів.
Якщо атомний номер ніобію дорівнює 41, то число нейтронів задається розрахунком:
5. (IFMG / 2015) Хімічний елемент ніобій, Nb, названий на честь грецької богині Ніобе. Бразилія є найбільшим у світі виробником металу, на який припадає 75% виробництва. Завдяки термічній стійкості своїх сплавів ніобій використовується у виробництві спеціальних високоміцних сталевих сплавів для двигунів, рушійного обладнання та різних надпровідних матеріалів. Спостерігаючи положення ніобію в періодичній системі, правильно стверджувати, що:
а) ваш найбільш енергійний підрівень буде підрівнем г.
б) є елементом, що належить до сімейства лужних металів.
в) утворює іонні сполуки з іншими металами.
г) його катіони матимуть атомний радіус більше чистого елемента.
Правильна альтернатива: а) ваш найбільш енергійний підрівень буде підрівнем г.
Подивившись на періодичну таблицю, ми можемо побачити, що ніобій характеризується як зовнішній перехідний елемент, який належить до групи 5 періодичної системи, оскільки його найбільш енергійним підрівнем є d.
Ми також можемо отримати цю інформацію, поширюючи її в електронному вигляді.
Оскільки це метал, цей елемент встановлює металеві з'єднання з іншими металами, як у сплаві залізо-ніобій або також ковалентні зв’язки, шляхом обміну електронами, як в оксиді ніобію Nb2О5.
6. (UFSC / 2003) Ніобій був відкритий в 1801 році англійським хіміком Чарльзом Хатчеттом. Бразилія займає близько 93% світового виробництва ніобієвого концентрату. Найбільші родовища знаходяться в штатах Мінас-Жерайс, Гояс та Амазонас. Метал в основному використовується для виготовлення залізо-ніобієвих сплавів та інших більш складних сплавів, що застосовуються при будівництві реактивних рушійних турбін, ракет і космічних кораблів. Його оксиди використовуються у виробництві світлових лінз для окулярів, фотокамер та іншого оптичного обладнання. Дано (Z = 41). Щодо ніобію, позначте ПРАВИЛЬНІ пропозиції.
(01) При втраті 3 електронів ніобій приймає конфігурацію криптону.
(02) Ніобій може утворювати оксиди металів М-типу2О5 в2О3.
(04) Хімічним символом ніобію є Ni.
(08) Ніобій - перехідний метал.
(16) Залізо-ніобієвий сплав є прикладом твердого розчину.
Правильні альтернативи: 02 + 08 + 16 = 26.
(01) НЕПРАВИЛЬНО.
Елементи | Елетронний розподіл |
36Кр | 1с2 2с2 2р6 3 с2 3п6 4 с2 3d10 4р6 |
41Nb 41Nb3+ |
1с2 2с2 2р6 3 с2 3п6 4 с2 3d10 4р6 5 с2 4г3 1с2 2с2 2р6 3 с2 3п6 4 с2 3d10 4р6 4р6 4г2 |
(02) ПРАВИЛЬНО
Враховуючи окислювальні числа 3+ та 5+ для ніобію, він може утворювати сполуки:
Окислення № 5+ | Окислення № 3+ |
Nb2О5 | Nb2О3 |
(04) НЕПРАВИЛЬНО
Ni - символ елемента нікель. Символ ніобію - Nb.
(08) ПРАВИЛЬНО
Ніобій - зовнішній перехідний метал, що належить до групи 5 періодичної системи.
(16) ПРАВИЛЬНО
Твердий розчин відповідає суміші двох або більше компонентів в одній і тій же фазі, яка є твердою речовиною, поширеною серед металів.
7. (UERJ / 2013) Ніобій - це метал, що міститься в природних родовищах, переважно у формі оксидів.
У родовищі, що містить ніобій з окислювальним числом +5, формула переважного оксиду цього металу відповідає:
а) NbO5
б) Nb5О
в) Nb5О2
г) Nb2О5
Правильна альтернатива: d) Nb2О5
Кисень утворює два зв’язки і має фіксоване число окислення, яке дорівнює 2.
Отже, для утворення оксиду ніобію кисню потрібно зв’язатися з 2 атомами цього металу.
Ніобій має різні ступені окислення. З окислювальним числом 3+ він зв'язується з 3 киснями, а з Nox 5+ утворює сполуку: Nb2О5 де 2 атоми ніобію зв’язуються з 5 атомами кисню.
Прочитайте текст, щоб відповісти на запитання 8–10.
Ніобій - метал, що має велике технологічне значення, і його основні світові запаси знаходяться в
Бразилія, у формі пірохлорної руди, що складається з Nb2О5. В одному з процесів добувної металургії застосовується алюмотермія у присутності оксиду Fe2О3, в результаті чого сплав ніобію та заліза та оксиду алюмінію є побічним продуктом. Реакція цього процесу представлена у рівнянні:
У природі ніобій виступає у формі стабільного ізотопу ніобій-93, але відомо кілька нестабільних синтетичних ізотопів, які розпадаються випромінюванням випромінювання. Одним з них є ніобій-95, який розпадається на елемент молібден-95.
(Systems.dnpm.gov.br; Технологія Металеві. Матер. Шахтар., Сан-Паулу, с. 6, № 4, с. 185-191, квіт.-Черв. 2010 та Г. Ауді та ін. / Ядерна фізика A 729 (2003) 3–128. З адаптацією)
8. (FGV / 2019) В реакції алюмотермії для отримання сплаву ніобію та заліза, враховуючи стехіометрію, представлену у збалансованому рівнянні, загальна кількість електронів, що беруть участь у процесі, дорівнює
а) 6.
б) 12.
в) 18.
г) 24.
д) 36.
Правильна альтернатива: д) 36.
Окислювально-відновна реакція відбувається із втратою та виграшем електронів.
Коли елемент зменшується, він отримує електрони, а коли елемент окислюється, він втрачає електрони.
Коли елемент відновлюється, він є окислювачем, тоді як коли елемент окислюється, він є відновником.
Таким чином, кількість електронів, які були втрачені одним елементом і віддані іншому, дорівнює.
Стихія | NOX | Реакція | електрони | |
Ніобій |
+5 3Nb2О5 |
0 6Nb |
Скорочення | 3.2.5 = 30 і- прибутки |
Залізо |
+3 Віра2О3 |
0 2Fe |
Скорочення | 2,3 = 6 і- прибутки |
Алюміній |
0 12Ал |
+3 6Ал2О3 |
Окислення | 6.2.3 = 36 і- загублений |
Заряд алюмінію на продукті з оксиду алюмінію становить 3+, тобто кожен алюміній втратив 3 електрони.
Але в продуктах ми маємо 12 атомів алюмінію, що становить загальну кількість електронів, що беруть участь у процесі:
12. 3 = 36 електронів.
9. (FGV / 2019) В операції з алюмотермії для отримання ніобію та залізного сплаву зі стехіометричними кількостями Nb2О5 і Fe2О3 та використання надлишку металевого алюмінію утворило 6,12 тонни Al.2О3. Загальна сума кількості молі ніобію та заліза, яку, за оцінками, буде отримано під час цієї операції, становить
а) 6 × 104
б) 6 × 106
в) 8 × 103
г) 8 × 104
д) 8 × 106
Правильна альтернатива: г) 8 × 104.
1-й крок: обчисліть молярну масу Al2О3
2-й крок: обчисліть кількість родимок Al2О3
3-й крок: виконайте стехіометричні співвідношення.
У хімічному рівнянні ми бачимо, що існує взаємозв'язок: 6 молей ніобію, 6 молей алюмінію і 2 молі заліза.
За співвідношенням кількості сформованих молів маємо:
А сума кількостей ніобію та заліза в молях становить:
У процесі розпаду радіоізотопу ніобій-95 час, необхідний для розпаду активності цієї проби до 25 МБк, і назва виду, що викидається
а) 140 днів і нейтрони.
б) 140 днів і протони.
в) 120 днів і протони.
г) 120 днів і частинки ß–.
д) 140 днів і частинки ß–.
Правильна альтернатива: д) 140 днів і частинки ß–.
Період напіввиведення - це час, протягом якого радіоактивний зразок зменшує свою активність вдвічі.
На графіку ми бачимо, що радіоактивна активність починається з 400 МБк, тож період напіввиведення - це час, який потрібен, щоб активність занепала до 200 МБк, що становить половину від початкового.
На графіку аналізуємо, що цей час становив 35 днів.
Щоб активність знову впала наполовину, минуло ще 35 днів, і активність перейшла з 200 МБк до 100 МБк, коли минуло ще 35 днів, тобто з 400 до 100 МБк пройшло 70 днів.
Щоб зразок розпався до 25 МБк, потрібно було 4 періоди напіврозпаду.
Що відповідає:
4 х 35 днів = 140 днів
При радіоактивному розпаді викиди можуть бути альфа, бета або гамма.
Гамма-випромінювання - це електромагнітна хвиля.
Альфа-випромінювання має позитивний заряд і зменшує 4 одиниці маси і 2 одиниці атомного номера розпався елемента, перетворюючи його в інший елемент.
Бета-емісія - це високошвидкісний електрон, який збільшує атомний номер розкладеного елемента на одну одиницю, перетворюючи його в інший елемент.
Ніобій-95 і молібден-95 мають однакову масу, тому сталося викид бета-речовини, оскільки: