Ниобий, так же известный как Колумбий, является химическим элементом таблицы Менделеева с атомным номером 41 и условным обозначением Nb. Ниобий представляет собой светло-серый кристаллический и пластичный переходный металл.
Как был открыт Ниобий
История открытия ниобия является достаточно запутанной и неоднозначной. Эта история, вероятно, началась в 1734 году, когда американский исследователь Джон Уинтроп обнаружил новый минерал в Коннектикуте (США) и предположил, что он содержит новый химический элемент. Новый минерал «Американский Джон» назвал Колумбит, а сам элемент Колумбием в честь поэтического названия Соединенных Штатов Америки. Для изучения найденного минерала Джон Уинтроп отправляет его в Англию, где в 1801 году британский минеролог и химик Чарльз Хэтчет индефицировал новый химический элемент.
Изучаемый минерал представлял собой соединение Ниобия и Тантала из-за чего впоследствии возникла путанница между этими элементами. В 1809 году английский химик Уильям Хайд Волластон сравнил оксид колумбия извлеченного из колумбита и оксид тантала полученного из танталита. Ученый выявил, что эти химические элементы очень похожи и единственным отличием была плотность. Плотность минерала ниобия составляла 5.9 г/см 3, а плотность соединения тантала составила 9 г/см 3, но химик не придал этому значения и открытие этого элемента было аннулировано.
Вывод Уильяма Хайда Волластона был оспорен немецким химиком Генрихом Роузом только в 1846 году. Последний утверждал, что в образце талантита присутствует несколько новых химических элементов. В этом списке оказались ниобий, пелопий, ильмений и диан. Все эти названия обозначают детей древнегреческого персонажа «Тантала». В дальнейшем оказалось, что пелопий, ильмений и диан соответствуют ниобию и смесям ниобия и тантала.
Различия между танталом и ниобием были недвусмысленно продемонстрированы в 1864 году Кристианом Вильгельмом Бломстрандом и Анри Этьеном Сент-Клер Девиль, а также Луи Дж. Тростом, который определил формулы некоторых соединений в 1865 году и, наконец, швейцарским химиком Жаном Шарлем Галиссаром де Мариньяком в 1866 году, который все доказал и определил, что существует только два элемента. Статьи об ильмении продолжали появляться до 1871 г. Де Мариньяк был первым, кто приготовил металл в 1864 году, когда он восстановил хлорид ниобия, нагревая его в атмосфере водорода.
Где и как добывают Ниобий
Добыча ниобия является достаточно сложным и трудоемким процессом и всегда происходит параллельно с добычей тантала.Ниобиевые и танталовые руды сначала перерабатываются вместе, а затем разделяются путем фракционной кристаллизации или благодаря различной растворимости в органических растворителях. Первый промышленный процесс разделения такого рода был разработан Шарлем Мариньяком в 1866 году.
Сначала руды подвергаются воздействию смеси концентрированной серной и плавиковой кислот при температуре 50 – 80 °C. Образуются легко растворимые комплексные фториды [NbF7]2– и [TaF7]2–.
Дикалиевые соли этих фторидов (например, гептафторониобат калия) могут быть образованы путем превращения их в водную фазу и добавления фторида калия. Только фторид тантала плохо растворяется в воде и выпадает в осадок. Таким образом, легко растворимый фторид ниобия можно отделить от тантала. В настоящее время обычным явлением является разделение экстракцией метилизобутилкетоном. Третья возможность разделения через фракционную перегонку с хлоридами NbCl5 и TACL5. Это происходит из-за реакции руды, кокса и хлора, которые можно наблюдать при высоких температурах.
Из отделенного фторида ниобия сначала получают пятиокись ниобия по реакции с кислородом. Его либо сначала превращают в карбид ниобия с углеродом, а затем восстанавливают до металла с дополнительным пентоксидом ниобия при 2000 °C в вакууме ,либо получают непосредственно алюмотермическим способом. Таким образом производится большая часть ниобия для сталелитейной промышленности с добавлением оксида железа для получения сплава железо-ниобий (60% ниобия). Если в качестве исходного материала для восстановления используются галогениды, это делается с использованием натрия в качестве восстанавливающего агента.
Годовая добыча ниобия в мире ежегодно составляет около 60 000 тонн. От этого количества около 90% добывается в Бразилии и 7% в Канаде. Цена сплава железа и ниобия за 1 тонну колеблется в районе 40 000 $.
Распространенность Ниобия
Ниобий является достаточно редким химическим элементом. Его доля в земной коре составляет 1.8*10-3%. Из-за схожих ионных радиусов ниобий и тантал всегда будут родственными элементами. Самыми важными минералами ниобия являются представители серии колумбит-танталит, с общей формулой (Fe, Mn)(Nb, Ta)2O6, а так же представители группы пирохлора. Около 85–90% ниобиевой промышленности использует ниобий из месторождений, на которых не производятся танталовые руды
Другие, в основном редкие минералы:
- Эвксенит — [(Y, Ca, Ce, U, Th) (Nb, Ta, Ti)2O6];
- Ольмстедит — (KFe2 (Nb, Ta) [O | PO 4 ]2 · H2O)
- Самарскит — ((Y, Er)4 [(Nb, Ta)2O7]3)
Содержание ниобия в морской воде так же невелика и составляет 1*10-5 г/л.
Применение Ниобия
Применение ниобия, не смотря на редкость этого химического элемента, является достаточно широким благодаря своим характеристикам. Ежегодно около 90% полученного ниобия используется для производства высококачественной конструкционной стали.
Такого рода стали используются в космической промышленности, военной отрасли, медицине, электротехнической промышленности, производстве драгоценных металлов и украшений.
В космической промышленности колумбий используется при производстве корпуса космических шатлов и зондов, а так же для производства корпуса сопла ракетных двигателей и турбин. Такое же применение касается и военной промышленности, где ниобий применяется в конструкции двигателей турбореактивных самолетов. В сфере медицины колумбий применяется для производства сверхпроводящих магнитов, которые в свою очередь используются в высокорезонансных томографах.
В электротехнической промышленности ниобий используется для производства сверхпроводящих радиоприемников. Так же ниобат лития широко используется в мобильных телефонах и оптических устройствах. Так же достаточно часто ниобий используют для производства украшений и памятных монет с золотом, серебром и платиной.
Ниобий так же является важным компонентом высокоэффективных гетерогенных катализаторов производства акриловой кислоты путем селективного окисления пропана. У колумбия еще множество других применений.
Интересные факты
Интересных фактов связанных с ниобием достаточно много. Стоит начать с того, что ниобий не имеет известной биологической роли. В то время как ниобиевая пыль является раздражителем глаз и кожи и потенциально опасна из-за возможности возгорания. Элементарный ниобий в более широком масштабе физиологически инертен (и, следовательно, гипоаллергенен) и безвреден. Он часто используется в ювелирных изделиях и был протестирован для использования в некоторых медицинских имплантатах.
Большинство людей редко сталкивается с ниобийсодержащими соединениями, но некоторые из них токсичны. Кратковременное и долгосрочное воздействие ниобатов и хлорида ниобия, двух химикатов, растворимых в воде, было протестировано на крысах. Крысы, получавшие однократную инъекцию пентахлорида ниобия или ниобатов, имели среднюю смертность при дозе от 10 до 100 мг / кг.
Ниобий используется в стержнях для дуговой сварки некоторых стабилизированных марок нержавеющей стали и в анодах для систем катодной защиты некоторых резервуаров с водой, которые затем обычно покрываются платиной.
Как говорилось выше, Ниобий используется как драгоценный металл в памятных монетах, часто с серебром или золотом. Например, Австрия выпустила серию серебряных монет евро с ниобием, начиная с 2003 г. Цвет этих монет создается за счет дифракции света на тонком слое анодированного оксида. В 2012 году доступно десять монет с изображением самых разных цветов в центре монеты: синего, зеленого, коричневого, пурпурного, фиолетового или желтого. Еще два примера является австрийская железнодорожная памятная монета от 2004 года и австрийская монета 25€ от 2006 года в честь Европейской спутниковой навигационной системы. Австрийский монетный двор произвел для Латвии аналогичную серию монет, начиная с 2004 года. В 2011 году Королевский монетный двор Канады начал производство 5-долларовой монеты из серебра и ниобия под названием «Луна Хантера» в котором ниобий был избирательно окислен, что позволило создать уникальную отделку, в которой нет двух абсолютно одинаковых монет.
