Атомная масса ниобий. Применение ниобия и его свойства. Производство ниобия в России

Приведены физические свойства ниобия Nb в зависимости от температуры в диапазоне от -223 до 2527°С. Рассмотрены следующие свойства твердого и жидкого ниобия:

• плотность ниобия d ;
• удельная массовая теплоемкость C p ;
• коэффициент температуропроводности a ;
• коэффициент теплопроводности λ ;
• удельное электрическое сопротивление ρ ;
• коэффициент линейного теплового расширения α .

Физические свойства ниобия по-разному зависят от температуры. Ее изменение оказывает наибольшее влияние на удельное электрическое сопротивление ниобия. Например, при повышении температуры этого металла с 0°С до точки плавления, его удельное сопротивление увеличивается более чем в 8 раз (до величины 109·10 -8 Ом·м).

Ниобий представляет собой пластичный тугоплавкий металл с температурой плавления 2477°С и плотностью 8570 кг/м 3 (при 20°С). Температура кипения ниобия равна 4744°С, структура решетки объемно центрированная кубическая с периодом 0,33 нм.

Плотность ниобия уменьшается при нагревании . Ниобий в расплавленном состоянии имеет плотность существенно ниже, чем в твердом: при температуре 2477°С плотность жидкого ниобия равна 7580 кг/м 3 .

Удельная теплоемкость ниобия при комнатной температуре равна 268 Дж/(кг·град) и при нагревании увеличивается. Отметим, что при плавлении величина этого физического свойства ниобия изменяется незначительно, а в жидком состоянии его удельная теплоемкость в 1,7 раза больше классического значения 3R.

Теплопроводность ниобия при 0°С равна 48 Вт/(м·град) , она близка по величине . Температурная зависимость коэффициента теплопроводности ниобия характеризуется пологим минимумом в области комнатных температур и положительным температурным коэффициентом — выше 230°С. При приближении к точке плавления ниобия его теплопроводность возрастает.

Температуропроводность ниобия также имеет пологий минимум вблизи комнатных температур и далее пологий максимум при 900…1500°С. Коэффициент теплового линейного расширения ниобия относительно имеет довольно низкое значение. Он сравним по значению с коэффициентом расширения таких металлов, как вольфрам, иридий и .

Существует довольно большое количество элементов, которые при соединении с другими веществами образуют сплавы с особыми эксплуатационными качествами. Примером можно назвать ниобий – элемент, который получил сначала название «колумбий» (по названию реки, где он впервые найден), но после был переименован. Ниобий – металл с довольно необычными свойствами, о которых далее поговорим подробнее.

Получение элемента

При рассмотрении свойств ниобия следует отметить, что содержание этого металла на тонну породы относительно невелико, составляет примерно 18 грамм. Именно поэтому после его открытия было предпринято довольно много попыток получения металла искусственным путем. За счет близкого химического состава это вещество достаточно часто добывается вместе с танталом.

Месторождения ниобия расположены практически по всему миру. Примером назовем рудники в Конго, Руанде, Бразилии и в многих других странах. Однако этот элемент нельзя назвать распространенным, во многих регионах он практически не встречается даже в малой концентрации.

Относительно небольшая концентрация вещества в земной породе усугубляется сложностями, возникающими при его получении из концентрата. Стоит учитывать, что ниобий НБШ получить можно только из породы, которая насыщена танталом. Особенностями производственного процесса назовем нижеприведенные моменты:

1. Для начала на завод поставляется концентрированная руда, которая проходит несколько этапов очистки. При производстве ниобия проводится разделение получаемой руды на чистые элементы, среди которых и тантал.
2. Завершающий процесс переработки заключается в рафинировании металла.

Несмотря на возникающие сложности при добыче и переработке рассматриваемой руды, с каждым годом объем производства рассматриваемого сплава существенно возрастает. Это связано с тем, что металл обладает исключительными эксплуатационными качествами и получил большое распространение в самых различных отраслях промышленности.

Оксиды ниобия

Рассматриваемый химический элемент может стать основой различных соединений. Самым распространенным можно назвать пятиокись ниобия. Среди особенностей данного соединения можно отметить нижеприведенные моменты:

1. Оксид ниобия представлен белым кристаллическим порошком, который имеет кремовый оттенок.
2. Вещество не растворяется в воде.
3. Получаемое вещество сохраняет свою структуру при смешивании с большинства кислотами.

К особенностям пентаоксида ниобия также можно отнести следующие свойства:

1. Повышенная прочность.
2. Высокая тугоплавкость. Вещество способно выдерживать температуру до 1490 градусов Цельсия.
3. При нагреве поверхность окисляется.
4. Реагирует на воздействие хлора, может восстанавливаться водородом.

Гидроксид ниобия в большинстве случаев применяется для получения высоколегированных марок стали, которые обладают довольно привлекательными эксплуатационными качествами.

Физические и химические свойства

Ниобий имеет химические свойства схожие с химическими свойствами тантала. Рассматривая основные характеристики ниобия, нужно уделить внимание нижеприведенным моментам:

1. Устойчивость к воздействию различных видов коррозии. Сплавы, получаемые при внедрении данного элемента в состав, обладают высокими коррозионностойкими качествами.
2. Рассматриваемый химический элемент демонстрирует высокий показатель температуры плавления. Как показывает практика, у большинства сплавов температура плавления более 1 400 градусов Цельсия. это усложняет процесс обработки, но делает металлы незаменимы в различных сферах деятельности.
3. Основные физические свойства также характеризуются легкостью сваривания получаемых сплавов.
4. При отрицательных температурах структура элемента остается практически неизменной, что позволяет сохранить эксплуатационные свойства металла.
5. Особое строение атома ниобия определяет сверхпроводящие качества материала.
6. Атомная масса составляет 92,9, валентность зависит от особенностей состава.

Основным достоинством вещества считается именно тугоплавкость. Именно поэтому он стал применяться в самых различных отраслях промышленности. Плавление вещества проходит при температуре около 2 500 градусов Цельсия. Некоторые сплавы и вовсе плавятся при рекордной температуре 4 500 градусов Цельсия. Плотность вещества достаточно высокая, составляет 8,57 грамма на кубический сантиметр. Стоит учитывать, что металл характеризуется парамагнитностью.

На кристаллическую решетку не оказывают воздействия следующие кислоты:

1. серная;
2. соляная;
3. фосфорная;
4. хлорная.

Не оказывает воздействие на металл и водные растворы хлора. При определенном воздействии на металл на его поверхности образуется диэлектрическая оксидная пленка. Именно поэтому металл стал использоваться при производстве миниатюрных высокоемкостных конденсаторов, которые также изготавливаются из более дорогостоящего тантала.

Применение ниобия

Изготавливаются самые различные изделия из ниобия, большая часть которых связана с выпуском авиационной техники. Примером можно назвать применение ниобия в изготовлении деталей, которые устанавливаются при сборе ракет или самолетов. Кроме этого, можно выделить следующее применение данного элемента:

1. Производство элементов, из которых изготавливают радарные установки.
2. Как ранее было отмечено, для получения более дешевых емкостных электрических конденсаторов может применяться рассматриваемый сплав.
3. Катоды, аноды из фольги тоже изготавливают при применении рассматриваемого элемента, что связано с высокой жаропрочностью.
4. Часто можно встретить конструкции мощных генераторных ламп, которые имеют внутри сетку. Для того чтобы эта сетка выдержала воздействие высокой температуры ее изготавливают из рассматриваемого сплава.

Высокие физические и химические качества определяют применение ниобия при производстве труб для транспортировки жидких металлов. Кроме этого, сплавы применяются для получения контейнеров самого различного предназначения.

Сплавы с ниобием

Рассматривая подобные сплавы следует учитывать, что часто этот элемент применяется для производства феррониобия. Этот материал получил широкое применение в литейных отраслях индустрии, а также при изготовлении электронных покрытий. В состав входит:

1. железо;
2. ниобий с танталом;
3. кремний;
4. алюминий;
5. углерод;
6. сера;
7. фосфор;
8. титан.

Концентрация основных элементов может варьироваться в достаточно большом диапазоне, от чего и зависят эксплуатационные качества материала.

Альтернативным сплавов феррониобия можно назвать ниобий 5ВМЦ. При его получении в качестве легирующих элементов используется вольфрам, цирконий и молибден. В большинстве случаев этот спав используется для производства полуфабрикатов.

В заключение отметим, что ниобий в некоторых странах применяется при производстве монет. Это связано с достаточно высокой стоимостью материала. При массовом выпуске сплавов, которые в качестве основного элемента имеют в составе ниобий, создаются своеобразные слитки.

Стоит начать с того, что ниобий неразрывно связан с таким веществом, как тантал. Это даже несмотря на то что открыты эти материалы были не в одно и то же время.

Что такое ниобий

Что же на сегодняшний день известно о таком веществе, как ниобий? Он является химическим элементом, который располагается в 5 группе таблицы Менделеева, обладая атомным номером 41, а также атомной массой 92,9. Как и многие другие металлы, для этого вещества характерен серо-стальной блеск.

Одним из наиболее важных физических параметров этого его тугоплавкость. Именно благодаря этой характеристике применение ниобия стало широко распространено во многих отраслях промышленности. Температура плавления этого вещества - 2468 градусов по Цельсию, а температура кипения - 4927 градусов по Цельсию.

Химические свойства этого вещества также находятся на высоком уровне. Он характеризуется высоким уровнем устойчивости к воздействию отрицательных температур, а также к воздействию большинства агрессивных сред.

Производство

Стоит сказать о том, что наличие руды, которая содержит элемент Nb (ниобий), гораздо больше, чем той, что содержит тантал, но проблема заключается в скудности содержания самого элемента в этой руде.

Чаще всего для того, чтобы получить этот элемент, осуществляется процесс термического восстановления, в котором участвует алюминий или же кремний. В результате проведения этой операции получаются соединения феррониобий и ферротанталониобий. Стоит отметить, что получение металлического варианта этого вещества осуществляется с этой же руды, но при этом используется более сложная технология. Тигли из ниобия и другие полученные материалы характеризуются очень высокими эксплуатационными характеристиками.

Методы получения ниобия

В настоящее время одними из наиболее развитых направлений получения этого материала являются алюминотермическое, натриетермическое и карботермическое. Отличие между этими типами заключается также и в прекурсорах, которые используются для восстановления ниобия. Допустим, в натриетермическом способе используется K2NbF7. А вот, к примеру, при алюминотермическом способе применяется пятиокись ниобия.

Если говорить о карботермическом способе получения, то эта технология подразумевает под собой смешение Nb с сажей. Проходить этот процесс должен в высокотемпературной и водородной среде. В результате проведения этой операции будет получен карбид ниобия. Второй этап заключается в том, что водородная среда заменяется вакуумной, а температура сохраняется. В этот момент к карбиду ниобия добавляется его оксид и получается сам металл.

Важно отметить, что среди форм выпускаемого металла довольно распространен ниобий в слитках. Этот продукт предназначается для производства сплава на базе металла, а также других различных полуфабрикатов.

Также может выпускаться штабик этого материала, который разделяется на несколько категорий в зависимости от чистоты вещества. Меньше всего примесей содержится в штабике с маркировкой НБШ-00. Класс НБШ-0 характеризуется более высоким наличием таких элементов, как железо, титан и кремний тантала. Категория, которая обладает наиболее высоким показателем примесей, НБШ-1. Можно добавить, что у ниобия в слитках такой классификации не имеется.

Альтернативные способы производства

К альтернативным способам можно отнести бестигельную электроннолучевую зонную плавку. Этот процесс позволяет получать монокристаллы Nb. Тигли из ниобия производятся с использованием этого метода. Он относится к порошковой металлургии. Его применяют для того, чтобы сначала получить сплав этого материала, а после и его чистый образец. Наличие этого метода стало причиной тому, что довольно часто встречаются объявления о покупке ниобия. Этот способ позволяет использовать для получения чистого металла не саму руду, добыть которую довольно сложно, или же концентрат из нее, а вторичное сырье.

К еще одному альтернативному методу производства можно отнести прокат ниобия. Стоит отметить, что большинство различных фирм отдает предпочтение покупке именно прутьев, проволоке или листовому металлу.

Прокат и фольга

Фольга из этого материала представляет собой довольно распространенный полуфабрикат. Он является наиболее тонким листом проката этого вещества. Используется для производства некоторых изделий и деталей. Фольга из ниобия получается из чистого сырья путем холодного проката Nb слитков. Полученные изделия характеризуются такими показателями, как высокая устойчивость к коррозии, воздействию агрессивной среды, а также высокой температуры. Прокат ниобия и его слитков дает также такие характеристики, как стойкость изделия к износу, высокая пластичность, хорошая поддаваемость обработке.

Продукты, полученные таким образом, чаще всего используются в таких сферах деятельности, как авиастроение, ракетостроение, медицина (хирургия), радиотехника, электротехника, атомная энергетика, ядерная энергетика. Фольга из ниобия упаковывается в катушки и хранится в сухом, защищенном от попадания влаги месте, а также в защищенном месте от механического воздействия со стороны.

Применение в электродах и сплавах

Применение ниобия очень широко распространено. Он может использоваться, как хром и никель, в качестве материала, который входит в состав железного сплава, использующегося для производства электродов. Из-за того, что ниобий, как и тантал, способен образовывать сверхтвердый карбид, его часто применяют для производства сверхтвердых сплавов. Можно добавить, что в настоящее время пробуют при помощи этого материала улучшать свойства сплавов, полученных на основе

Так как ниобий является сырьем, способным создавать карбидные элементы, то он, как и тантал, применяется в качестве легирующей смеси при производстве стали. Стоит отметить, что долгое время применение ниобия в качестве примеси к танталу считалось отрицательным действием. Однако на сегодняшний день мнение изменилось. Было установлено, что Nb может выступать в качестве заменителя танталу, причем с большим успехом, так как из-за меньшей атомной массы можно использовать меньшее количество вещества, сохраняя все старые возможности и эффекты изделия.

Применение в электрической технике

Стоит подчеркнуть, что применение ниобия, как и его брата тантала, возможно в выпрямителях, благодаря тому, что они обладают свойством униполярной проводимости, то есть эти вещества пропускают электрически ток лишь в одном направлении. Возможно использование этого металла для создания таких устройств, как аноды, что используются в мощных генераторах и усилительных лампах.

Очень важно отметить, что применение ниобия дошло и до атомной энергетики. В этой отрасли изделия из этого вещества применяются в качестве конструкционных материалов. Это стало возможным, так как наличие Nb в деталях делает их устойчивыми к жару, а также придает им высокие качества химической стойкости.

Отличные физические характеристики этого металла привели к тому, что его довольно широко используют в ракетной технике, в реактивных самолетах, в газовых турбинах.

Производство ниобия в России

Если говорить о запасах этой руды, то всего насчитывается около 16 млн тонн. Наибольшее месторождение, занимающее примерно 70% всего объема, находится в Бразилии. На территории России же располагается около 25% запасов данной руды. Данный показатель считается значительной частью от всех запасов ниобия. Наибольшее месторождение этого вещества находится в Восточной Сибири, а также на Дальнем Востоке. На сегодняшний день на территории Российской Федерации добычей и производством этого вещества занимается компания Ловозерский ГОК. Можно заметить, что производством ниобия в России занималась также фирма "Стальмаг". Она разрабатывала татарское месторождение этой руды, однако в 2010 году была закрыта.

Также можно добавить, что занимается производством оксида ниобия. Его они получают, перерабатывая лопаритовый концентрат. Это предприятие вырабатывает от 400 до 450 тонн этого вещества, большая часть из которого уходит на экспорт в такие страны, как США и Германия. Часть оставшегося оксида уходит на Чепецкий механический завод, который производит как чистый ниобий, так и его сплавы. Там располагаются значительные мощности, позволяющие производить до 100 тонн материала в год.

Металл из ниобия и его стоимость

Несмотря на то что сфера применения этого вещества довольно широка, основное предназначение - это космическая и ядерная промышленность. По этой причине Nb относится к стратегическим материалам.

Основные параметры, которые влияют на стоимость ниобия:

• чистота сплава, большое количество примесей снижает цену;
• форма поставки материала;
• объемы поставляемого материала;
• расположение пункта приема руды (разные регионы нуждаются в разном количестве элемента, а значит и цена на него отличается).

Примерный список цен на материал в Москве:

• ниобий марки НБ-2 стоит в пределах 420-450 рублей за кг;
• стружка ниобия стоит от 500 до 510 рублей за кг;
• штабик марки НБШ-00 стоит от 490 до 500 рублей за кг.

Стоит отметить, что, несмотря на огромную стоимость этого товара, спрос на него только увеличивается.

Ниобий - один из самых тугоплавких металлов.В середине 16 века в Северной Америке был обнаружен тяжелый черный минерал с золотистыми прожилками слюды. Его переслали в Англию, где минерал пролежал почти 150 лет в Британском музее. В 1801 году исследованием его занялся химик Хатчет, который обнаружил в нем железо и какое-то неизвестное вещество со свойствами кислотного окисла. Хатчет назвал новый элемент колумбием, а минерал колумбитом, по месту его нахождения.Через год, в 1802 году, шведский исследователь Экеберг нашел в некоторых скандинавских и финских минералах еще одно новое вещество, названное им танталом. Это название было дано в честь одного из героев греческой мифологии. Тантал оказался по своим свойствам очень близок к колумбию, поэтому многие ученые утверждали, что колумбий и тантал - одно и то же.Фактически и Хатчет и Экеберг открывали смесь тантала и колумбия, в которой преобладал в одном случае колумбий, а в другом - тантал. Некоторая ясность была внесена лишь в 1844 году, когда Розе открыл в одном минерале два элемента - и тантал и колумбий, которому он дал имя ниобий. Чистый тантал был впервые получен в 1903 году, а чистый ниобий - еще позднее.Ниобий, подобно ванадию, относят к V группе периодической системы. Однако, в отличие от ванадия, ниобий значительно труднее восстанавливается до низших степеней валентности.Поэтому приходится иметь дело с их пятивалентным соединением, как наиболее устройчивым, что следует из строения электронных оболочек атомов: ниобий - 2,8,18,12,1.Металлический ниобий напоминает по внешнему виду платину. Микротвердость металлического ниобия 88 кг/мм2.

Основные характеристики ниобия :

Наиболее ценным свойством, определяющим применение ниобия, является в первую очередь его исключительная устойчивость по отношению к кислотам: ниобий не растворяется в царской водке и концентрированной азотной кислоте.Концентрированная серная кислота при нагревании полностью растворяет ниобий. Ниобий растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот, но отдельно плавиковая кислота медленно действует на ниобий.Растворы щелочей почти не действуют на ниобий. С расплавленными щелочами ниобий взаимодействует образуя соли- ниобаты. Совершенно не действуют на ниобий расплавы некоторых солей и различные органические соединения. Друое особенное и важное свойство металлического ниобия явялестя способность поглощать газы - водород, азот и другие -с образованием соответствующих твердых растворов, являющихся фазами внедрения. Ниобий способен образовывать гидриды. В системе Nb-H обнаружено только одно химическое соединение именно NbH. Растворимость водорода в ниобии резко падает с повышением температуры.Это показано на графике слева

Ниобий растворяет также кислород в количестве до 0,8% по весу. Растворимость в ниобии при различных температурах подробно изучал Стейболт, показавший ход изменения твердости с увеличением содержания кислорода в металле. По- видимому часть кислорода находится в металле в виде твердого раствора, а часть образует окисел; изучение системы ниобий- кислород особенно важно в связи с исследованиями по применению этих металлов в качестве жаростойкого трудноплавкого конструкционного материала. Ниобий и тантал образуют сплавы со многими металлами.Изучению этих сплавов уделяется сейчас особое внимание в связи с тем, что многие из них обладают особо ценными качествами и имеют поэтому большое практическое значение.

В отличие от своего аналога ванадия - ниобий значительно менее склонен к переходу в низшие валентные состояния, а тантал вообще не известен в растворе валентности ниже 5. Поэтому восстановление ниобия и тантала до металлов электролизом водных растворов мало вероятно. Ниобий, однако, можно восстановить до 4-валентного при электролизе с ртутным катодом или амальгамой цинка. Этим пользуются в аналитических целях, титруя восстановленный ниобий перманганатом или восстанавливая ниобий перед гидролитическим осаждением тантала с целью его отделения от ниобия.По последним данным, электролизом сернокислых растворов ниобия можно отделить его от тантала, пользуясь тем, что восстановленный ниобий осаждается из раствора при добавлении сульфата аммония в виде соли предполагаемого состава, содержащего трех- и четырехвалентный нибоий в отношении 1:2.

Электролизом пользуются также для выделения индикаторов количеств радиоактивных изотопов ниобия.Восстановить ниобий до металла удается электролизом расплавов. Полярографическое поведение ниобия изучалось неоднократно, но широкого практического применения пока не получило. Некоторые исследователи считают, что волны, наблюдаемые в кислых растворах ниобия, носят каталитический характер, так как их высота значительно больше теоретической.

В соответствии со своим положением в периодической системе ниобий образует окислы кислотного характера. По сравнению с ванадием - его высшим аналогом - ниобий имеет ярко выраженные кислотные свойства. Однако в природе они встречаются только в виде солей своих кислот, в связи с чем за ними долгое время сохранялось название земельных кислот или "кислых земель"

Пятиокись Nb2O5 предстаялет собой белые мелкокристаллические порошки, практически нерастворимые в воде и весьма тугоплавкие. Nb2O5 получается при непосредственном окислении металлического ниобия. Порошкообразный металлический ниобий сгорает в токе кислорода до пятиокиси уже при 400 °C. Теплота образования составляет 455,2 ккал/моль.Ниобий также образует комплексные соединения различного типа, в частности с органическими кислотами.Ниобий входит также во внешнюю сферу некоторых гетерополикислот, например фосфорномолибденовой и силикомолибденовой, что необходимо учитывать при колориметрическом определении кремния и фосфора при помощи этих соединений в присутствии ниобия. В связи с необходимостью получения металлического ниобия высокой частоты возник интерес к его йодиду. Йодиды ниобия и тантала могут быть получены путем обменной реакции между йодидами алюминия или кремния и хлоридами ниобия и тантала при 300-400 °C. По последним данным йодид ниобия представляет собой кристаллы с бронзовым блеском, легко гидролизующиеся водой и влагой воздуха, не плавящиеся и не улетучивающиеся при температурах до 300 °C.Ниобий и тантал образуют карбиды различного состава. Монокарбиды ниобия и тантала применяются для изготовления некоторых марок твердых сплавов, для нагревательных элементов различных высокотемпературных установок и для некоторых других целей. Купить ниобий по самой низкой цене можно перейдя по ссылкам ниже.

Пентафториды ниобия.

Пентафториды ниобия - сильные льюисовы кислоты, они катализируют реакции Фриделя - Крафтса и образуют аддукты ниобия с самыми различными нейтральными и анионными соединениями. В отличие от подобных реакций других пентагалогенидов ниобия эти реакции, как правило, являются реакциями присоединения; замещение галогена в молекуле пентафторида или изменение валентности центрального атома металла происходит редко. Температура плавления пентафторидов ниобия самая разная.Вязкость расплавленных пентафторидов ниобия почти в 250 раз превышают вязкость воды при этих же температурных условиях, что указывает на высокую степень ассоциации молекул в расплавах.

Применение ниобия

Купить ниобий

Вы всегда можете приобрести продукцию из ниобия по самым низким ценам на отечественном рынке. Продукция выпускаемая на современном иностранном оборудовании известных марок, с учетом соблюдения международных сертификатов качества ISO, отечественных ГОСТА и ТУ, самая конкурентоспособная во всем Уральском регионе. На сайте компании вы всегда можете заказать: ниобиевая проволока, ниобиевый пруток, ниобиевый штабик, ниобиевый лист. Все ваши заказы мы принимаем и обрабатываем точно в срок. В нашей компании вы всегда можете приобрести вольфрам и его сплавы следующих марок :

5В2МЦ-1, 5ВМЦ, 5ВМЦ-2, 5В2М, 5ВМ, Нц2, НЦ-2-1, 10ВЦ, СБ-1, СБ-У, ВН2, ВН2А, ВН3, ВН4, ВН6, НАЖ-1, НАЖ-2, НБА-0, НБА-1, НБА-1В, НБ1, НБ2, Нб5ВМЦ, Нб5В2МЦ, НБЦ, НБП1, НБШ, НЬШ00,

НБШ1, НВЧ, ОНБ, РН-8.

Мы предлагаем купить следующую продукцию из ниобия:

1. ниобий,
2. ниобиевый круг,
3. ниобиевая проволока,
4. ниобиевый штабик.