Millisesse perekonda nioobium kuulub? Nioobiumi kasutamine metallurgias ja tööstuses. Meetodid nioobiumi saamiseks

Tantaali ja nioobiumi saadakse redutseerimisel kõrge puhtusastmega ühenditest: oksiididest, kompleksfluoriidisooladest, kloriididest. Tööstuslikud metallide tootmise meetodid võib jagada nelja rühma:

Natriotermiline redutseerimine kompleksfluoriididest;

Oksiididest redutseerimine süsinikuga (karbotermiline meetod);

Redutseerimine alumiiniumoksiididest (aluminotermiline meetod);

Redutseerimine kloriididest vesinikuga;

Sula keskkonna elektrolüüs.

Tantaali (~3000 C) ja nioobiumi (~2500 C) kõrge sulamistemperatuuri tõttu saadakse need redutseerimise tulemusena kõigil loetletud meetoditel, välja arvatud kolmas, pulbrite või paagutatud käsnadena. Kompaktse tempermalmist tantaali ja nioobiumi tootmise ülesande teeb keeruliseks asjaolu, et need metallid neelavad aktiivselt gaase (vesinik, lämmastik, hapnik), mille lisandid muudavad need hapraks. Seetõttu on vaja pulbritest pressitud toorikud paagutada või sulatada kõrgvaakumis.

Natriotermiline meetod tantaali- ja nioobiumipulbrite tootmiseks

Kompleksfluoriidide K2TaF7 ja K2NbF7 naatriumtermiline redutseerimine on esimene tööstuslik meetod tantaali ja nioobiumi tootmiseks. Seda kasutatakse ka tänapäeval. Naatrium, kaltsium ja magneesium, millel on kõrge afiinsus fluori suhtes, sobivad tantaali ja nioobiumi fluoriidühendite redutseerimiseks, nagu on näha allpool toodud väärtustest:

Al<^ент Nb Та Na Mg Са

AG298, kJ/g-aatom F. . . -339 -358 -543 -527 -582

Naatriumi kasutatakse redutseerimiseks, kuna naatriumfluoriid lahustub vees ja seda saab eraldada pesemisega tantaali- ja nioobiumipulbrist, magneesium- ja kaltsiumfluoriidid aga lahustuvad vees ja hapetes vähe.

Vaatleme protsessi tantaali tootmise näitel. K2TaF7 redutseerimine naatriumiga toimub suure soojuse vabanemisega (isegi kuni 5 kg laadimisskaala korral), mis on piisav protsessi spontaanseks kulgemiseks. Pärast laengu kuumutamist ühes kohas temperatuurini 450-500 C levib reaktsioon kiiresti üle kogu laengu massi ning temperatuur jõuab 800-900 C. Kuna naatrium sulab 97 C juures ja keeb 883 C juures, on ilmne, et vedelik ja naatriumi aur osalevad redutseerimises:

K2TaF7 + 5NaW = Ta + 5NaF + 2KF; K2TaF7 + 5Na(ra3) = Ta + 5NaF + 2KF.

Reaktsioonide (2,18) ja (2,19) soojuslikud eriefektid on vastavalt 1980 ja 3120 kJ/kg laengu kohta.

Redutseerimine toimub terastiiglis, millesse laetakse kiht-kihi haaval kaaliumfluorotantalaadi ja naatriumi tükid (~120% stöhhiomeetriliselt vajalikust kogusest), mis lõigatakse spetsiaalsete kääridega. Segu kaetakse pealt naatriumkloriidi kihiga, mis moodustab KF ja NaF-ga madala sulamistemperatuuriga segu. Sulasool kaitseb osakesi oksüdatsiooni eest
tantaali pulber Protsessi kõige lihtsamas versioonis kuumutatakse reaktsiooni käivitamiseks tiigli põhjas asuvat seina puhuri leegiga, kuni ilmub punane laik. Reaktsioon kulgeb kiiresti kogu massi ulatuses ja lõpeb 1-2 minutiga. Selle protsessiga saadakse toodete lühiajalise kokkupuute tõttu maksimaalsel temperatuuril (800-900 C) peened tantaalipulbrid, mis pärast soolade pesemist sisaldavad kuni 2% hapnikku.

Väiksema hapnikusisaldusega jämedamateraline pulber saadakse reaktsioonitiigli asetamisel šahtelektriahju ja pärast reaktsiooni lõppu 1000 °C juures ahjus hoidmist.

Saadud tantaal levib väikeste osakeste kujul fluoriidkloriidi räbus, mis sisaldab liigset naatriumi. Pärast jahutamist koputatakse tiigli sisu välja, purustatakse lõualuupurustis ja laaditakse väikeste portsjonitena veega reaktorisse, kus naatrium “kustutatakse” ja suurem osa sooladest lahustatakse. Seejärel pestakse pulbrit järjestikku lahjendatud naatriumkloriidiga (soolade täielikumaks mahapesmiseks ning raua ja osaliselt titaani lisandite lahustamiseks). Tantaaloksiidide sisalduse vähendamiseks pestakse pulbrit mõnikord täiendavalt külma lahjendatud vesinikfluoriidhappega. Seejärel pestakse pulber destilleeritud veega, filtreeritakse ja kuivatatakse 110-120 C juures.

Kasutades ülalkirjeldatud meetodit ja järgides ligikaudu samu režiime, saadakse nioobiumipulbrid k2NbF7 redutseerimisel naatriumiga. Kuivatatud nioobiumipulbrid on koostisega,%: Ti, Si, Fe 0,02-0,06; O umbes 0,5; N kuni 0,1; Alates 0,1-0,15.

Karbotermiline meetod nioobiumi ja tantaali tootmiseks oksiididest

See meetod töötati algselt välja nioobiumi tootmiseks Nb2o5-st.

Nioobiumi saab redutseerida Nb2os-st süsinikuga temperatuuril 1800–1900 °C vaakumahjus:

Nb2Os + 5C = 2Nb + SCO. (2.20)

Nb205 + 5C laeng sisaldab vähe nioobiumi ja isegi briketeeritud olekus on madala tihedusega (~1,8 g/cm3). Samal ajal eraldub 1 kg laadimise kohta suur kogus co (~0,34 m3). Need asjaolud muudavad reaktsiooni (2.20) kohase protsessi läbiviimise kahjumlikuks, kuna vaakumahju tootlikkus on madal. Seetõttu viiakse protsess läbi kahes etapis:

I etapp - nioobiumkarbiidi tootmine

Nb203 + 1C = 2NbC + 5CO; (2,2 l)

Etapp P - nioobiumi tootmine vaakumahjudes

Nb2Os + 5NbC = 7Nb + 5CO. (2.22)

її astme briketeeritud laeng sisaldab 84,2% (massi järgi) nioobiumi, brikettide tihedus ~3 g/cm3, 1 kg laengu kohta moodustub maht 0,14 m3 (~ 2,5 korda vähem kui laeng Nb2o5 + sc ). See tagab vaakumahju suurema tootlikkuse.

Kaheetapilise protsessi oluline eelis on ka see, et esimest etappi saab läbi viia atmosfäärirõhul grafiittoru takistusahjudes (joonis 29).

Nioobiumkarbiidi saamiseks (protsessi 1. etapp) brikettitakse Nb2o5 ja tahma segu ning brikette kuumutatakse grafiittoru ahjus vesiniku või argooni atmosfääris 1800–1900 °C juures (briketti liigutatakse pidevalt mööda ahju

Riis. 29. Grafiittoru takistusahju skeem:

1 - korpus; 2 - grafiitfilamenttoru; 3 - varjestusgrafiittoru; 4- tahma soojust isoleeriv tagasitäide; 5 - külmik; 6 - kontaktgrafiidi koonused; 7 - jahutatud kontaktpea; 8 - luuk; 9 - voolu toidavad bussid

Lähtudes nende viibimisest kuumas tsoonis 1-1,5 tundi). Purustatud nioobiumkarbiid segatakse kuulveskis Nb2o5-ga, mida võetakse kerges liias (3-5%) võrreldes reaktsiooniga (2.22) vajalikuga.

Laeng pressitakse 100 MPa rõhu all kangideks, mida kuumutatakse grafiitküttekehadega vaakumpahjudes (või grafiittoruga vaakum-induktsioonahjudes) temperatuuril 1800-1900 C. Ekspositsioon lõpeb, kui jääkrõhk jõuab 1,3-0,13 Pa-ni. .

Reaktsioonid (2.21) ja (2.22) on kokku. Need kulgevad läbi madalamate oksiidide (Nt>o2 ja NbO), aga ka Nb2c karbiidi moodustumise vahefaasid. I etapi peamised reaktsioonid:

Nb2Os + C = 2Nb02 + CO; (2.23)

Nb02 + C = NbO + CO; (2.24)

2NbO + 3C = Nb2C + 2CO; (2,25)

Nb2C + C = 2NbC. (2,26)

1. etapi reaktsioonid:

Nb2Os + 2NbC = 2Nb02 + Nb2C + CO; (2,27)

Nb02 + 2NbC = NbO + Nb2C + CO; (2.28)

NbO + Nb2C = 3Nb + CO. (2.29)

Metalliline nioobium saadakse protsessi II etapi (2.29) lõppreaktsioonil. Reaktsiooni (2.29) tasakaalurõhk co temperatuuril 1800 °C > 1,3 Pa. Seetõttu tuleb protsess läbi viia jääkrõhul, mis on väiksem kui antud reaktsiooni tasakaalurõhk (0,5-0,13 Pa).

Saadud nioobiumi paagutatud poorsed briketid sisaldavad,%: C 0,1-0,15; Umbes 0,15-0,30; N 0,04-0,5. Kompaktse tempermalmist metalli saamiseks sulatatakse brikett elektronkiire ahjus. Teine võimalus on saada briketist pulbrit (hüdrogeenimisega 450 C juures, jahvatades ja järgnevalt dehüdrogeenimisega vaakumis), pressides vardad ja paagutades need vaakumis temperatuuril 2300-2350 C. Vaakumsulatamise ja vaakumis paagutamise protsessides hapnik ja süsinik eemaldatakse kompositsioonist ja liigne hapnik lenduvate madalamate oksiidide koostises.

Karbotermilise meetodi peamised eelised on metalli kõrge otsesaagis (mitte alla 96%) ja odava redutseerija kasutamine. Selle meetodi puuduseks on kõrgtemperatuursete vaakumpahjude konstruktsioonide keerukus.

Karbotermilise meetodiga saab toota ka tantaali ja nioobium-tantaali sulameid.

Alumiiniumtermiline meetod nioobiumi ja tantaali tootmiseks kõrgematest oksiididest

Viimastel aastatel välja töötatud aluminomeetrilisel meetodil nioobiumi tootmiseks nioobiumpentoksiidi redutseerimisel alumiiniumiga on tehnilisi ja majanduslikke eeliseid võrreldes teiste nioobiumi tootmismeetoditega, kuna see on madala astme ja seadmete lihtsus.

Meetod põhineb eksotermilisel reaktsioonil:

3Nb2Os + 10A1 = 6Nb + 5A1203; (2.30)

Dow = -925,3 + 0,1362 t, kJ/mol Nb2o5.

Reaktsiooni kõrge erisoojusefekt (2640 kJ/kg stöhhiomeetrilise koostise laengu kohta) võimaldab protsessi läbi viia ilma välise kuumutamiseta nioobiumi-alumiiniumisulami valuploki sulatamisega. Edukas ahjuväline aluminotermiline redutseerimine on võimalik, kui protsessi temperatuur on kõrgem kui sulamistemperatuur A12о3 = 2030 °C) ja metallifaas (Nb +10% ai sulam sulab 2050 °C juures). Kui alumiiniumi liig laengus on 30-40% üle stöhhiomeetrilise koguse, saavutab protsessi temperatuur ~2150-2200 C. Tänu kiirele redutseerimisele tõuseb temperatuur ligikaudu 100-150 C võrra võrreldes sulamisega. räbu ja metalli faaside temperatuur on piisav nende eraldamise tagamiseks. Ülalmainitud alumiiniumi liiaga laengus saadakse 8-10% alumiiniumi sisaldav nioobiumisulam tegeliku nioobiumiekstraktsiooniga 98-98,5%.

Aluminotermiline redutseerimine viiakse läbi terastiiglis, mille vooder on kaltsineeritud magneesium- või alumiiniumoksiididest. Sulatustoodete mahalaadimise hõlbustamiseks on tiigel tehtud eemaldatavaks. Kontaktid sisestatakse läbi seinte, et anda kaitsmele elektrivool (20 V, 15 A) laengusse asetatud nikroomtraadi kujul. Teine võimalik variant on viia protsess läbi massiivses lõhestatud vasest tiiglis, mille seintele moodustatakse kaitsekiht.

Põhjalikult kuivatatud Nb2o5 ja alumiiniumipulbri segu osakeste suurusega ~100 μm laaditakse tiiglisse. Õhuga kokkupuutumise vältimiseks on soovitatav asetada tiigel argooniga täidetud kambrisse.

Pärast kaitsme sisselülitamist kulgeb reaktsioon kiiresti kogu laengu massi ulatuses. Saadud sulamist valuplokk purustatakse tükkideks ja allutatakse vaakumkuumtöötlemisele 1800-2000 C juures grafiitküttekehaga ahjus jääkrõhul ~0,13 Pa, et eemaldada suurem osa alumiiniumist (kuni selle sisaldus 0,2%). ). Seejärel teostatakse rafineerimissulatus elektronkiirahjus, saades kõrge puhtusastmega nioobiumkangid lisandite sisaldusega, %: A1< 0,002; С 0,005; Си < 0,0025; Fe < 0,0025; Mg, Mn, Ni, Sn < 0,001; N 0,005; О < 0,010; Si < 0,0025; Ті < < 0,005; V < 0,0025.

Põhimõtteliselt on tantaali aluminotermiline tootmine võimalik, kuid protsess on mõnevõrra keerulisem. Redutseerimisreaktsiooni erisoojusefekt on 895 kJ/kg laengu kohta. Tantaali ja selle alumiiniumiga sulamite kõrge sulamistemperatuuri tõttu sisestatakse valuploki sulatamiseks laengusse raudoksiid (7-7,5% raua ja 1,5% alumiiniumi sisaldava sulami saamise kiirusega), samuti kuumutatakse. lisand - kaaliumkloraat (bertoliitsool) . Tiigel koos laenguga asetatakse ahju. 925 C juures algab spontaanne reaktsioon. Tantaali ekstraheerimine sulamisse on umbes 90%.

Pärast vaakumtermotöötlust ja elektronkiirega sulatamist on tantaali valuplokkidel kõrge puhtusaste, mis on võrreldav ülaltoodud nioobiumi puhtusega.

Tantaali ja nioobiumi valmistamine nende kloriididest vesinikuga redutseerimisel

Tantaali ja nioobiumi redutseerimiseks nende kloriididest on välja töötatud erinevaid meetodeid: redutseerimine magneesiumi, naatriumi ja vesinikuga. Kõige lootustandvamad on mõned vesinikuga redutseerimise võimalused, eriti allpool käsitletud meetod kloriidi aurude redutseerimiseks kuumutatud substraatidel kompaktse metallvarda saamiseks.

Joonisel fig. Joonisel 30 on näidatud skeem tantaali tootmiseks TaC15 auru redutseerimisel vesinikuga tantaaliribal, mis on kuumutatud temperatuurini 1200–1400 °C. Vesinikuga segatud TaCI5 aur voolab aurustist reaktorisse, mille keskel on tantaaliriba, mida kuumutatakse elektrivoolu otsesel läbimisel antud temperatuurini. Auru-gaasisegu ühtlaseks jaotamiseks piki lindi pikkust ja voolu tagamiseks selle pinnaga risti paigaldatakse lindi ümber aukudega roostevabast terasest ekraan. Kuumutatud pinnal toimub reaktsioon:

TaC15 + 2,5 H2 = Ta + 5 HCI; AG°m k = -512 kJ. (2,31)

Riis. 30. Tantaalpentakloriidi vesinikuga redutseerimise paigaldise skeem: 1 - reaktori äärik; 2 - isoleeritud elektrivarustus; 3 - klambrikontaktid; 4 - kondensaator reageerimata kloriidi jaoks; 5 - tantaallint; 6 - aukudega ekraanid, - 7 - reaktori korpus; 8 - reaktori kütteseade; 9 - soojendusega rotameeter; 10 - nõelventiil; 11 - aurusti elektriahi; 12 - tantaalpentakloriidi aurusti; 13 - vesiniku rotameeter

Optimaalsed tingimused tantaali sadestamiseks: lindi temperatuur 1200-1300 °C, TaCI5 kontsentratsioon gaasisegus ~ 0,2 mol/mol segust. Sadestamiskiirus nendes tingimustes on 2,5-3,6 g/(cm2 h) (või 1,5-2,1 mm/h). Seega saadakse 24 tunniga puhas tantaalipulk keskmise läbimõõduga 24-25 mm, mida saab rullitakse lehtedeks, kasutatakse ümbersulatamiseks elektronkiire ahjus või valmistatakse kõrge puhtusastmega pulbrid (pulbri hüdrogeenimise, jahvatamise ja dehüdrogeenimise teel). Kloriidi muundamise aste (otse ekstraheerimine kattekihiks) on 20-30%. Reageerimata kloriid kondenseeritakse ja kasutatakse uuesti. Elektrikulu on olenevalt valitud režiimist 7-15 kWh 1 kg tantaali kohta.

Vesiniku saab pärast HCl aurude eraldamist vees neeldumise teel protsessi tagasi suunata.

Kirjeldatud meetodiga saab toota ka nioobiumvardaid. Optimaalsed tingimused nioobiumi sadestamiseks: lindi temperatuur 1000-1300 C, pentakloriidi kontsentratsioon 0,1-0,2 mol/mol gaasisegus. Metalli sadestumise kiirus on 0,7-1,5 g/(cm2-h), kloriidi metalliks muutumise aste on 15-30%, elektrikulu 17-22 kWh/kg metalli kohta. Nioobiumi protsessi muudab keeruliseks asjaolu, et osa NbCl5-st väheneb reaktori mahus mingil kaugusel kuumutatud lindist kuni lendumatu NbCl3-ni, mis sadestub reaktori seintele.

Elektrolüütiline meetod tantaali tootmiseks

Tantaali ja nioobiumi ei saa vesilahustest elektrolüüsiga eraldada. Kõik väljatöötatud protsessid põhinevad sulakeskkonna elektrolüüsil.

Tööstuspraktikas kasutatakse meetodit tantaali saamiseks. Nii kasutas firma Fensteel (USA) mitu aastat tantaali elektrolüütilist meetodit, praegu saadakse osa Jaapanis toodetud tantaalist elektrolüüsi teel. NSV Liidus viidi läbi meetodi ulatuslikud uuringud ja tööstuslikud katsetused.

Tantaali elektrolüütilise tootmise meetod on sarnane alumiiniumi tootmise meetodiga.

Elektrolüüt põhineb sulasooladel K2TaF7 - KF - - KS1, milles on lahustunud tantaaloksiid Ta205. Ainult ühte soola K2TaF7 sisaldava elektrolüüdi kasutamine on grafiitanoodi kasutamisel pideva anoodiefekti tõttu praktiliselt võimatu. Elektrolüüs on võimalik K2TaF7, KC1 ja NaCl sisaldavas vannis. Selle elektrolüüdi puuduseks on fluoriidisoolade kogunemine selles elektrolüüsi ajal, mis viib kriitilise voolutiheduse vähenemiseni ja nõuab vanni koostise reguleerimist. See puudus kõrvaldatakse, lisades elektrolüüti Ta205. Elektrolüüsi tulemuseks on sel juhul tantaaloksiidi elektrolüütiline lagunemine koos tantaali vabanemisega katoodil ja anoodil hapnik reageerib anoodi grafiidiga, moodustades CO2 ja CO. Lisaks parandab Ta205 lisamine soolasulatisse grafiitanoodi märgumist sulatisega ja suurendab kriitilist voolutihedust.

Elektrolüüdi koostise valik põhineb K2TaF7-KCl-KF kolmekomponentse süsteemi uuringute andmetel (joonis 31). See süsteem sisaldab kahte topeltsoola K2TaF7 KF (või KjTaFg) ja K2TaF7 KS1 (või K3TaF7Cl), kahte kolmekomponentset eutektikumi Ei ja E2, mis sulavad vastavalt 580 ja 710 C juures ning peritektilist punkti P 678 °C juures. Kui Ta205 sisestatakse sulatisse, interakteerub see fluorotantalaatidega, moodustades oksofluorotantalaadi:

3K3TaF8 + Ta2Os + 6KF = 5K3TaOF6. (2,32)

Reaktsioon K3TaF7Cl-ga kulgeb sarnaselt. Tantaaloksofluoriidi komplekside moodustumine määrab Ta2O5 lahustuvuse elektrolüüdis. Piiratav lahustuvus sõltub K3TaF8 sisaldusest sulatis ja vastab reaktsiooni stöhhiomeetriale (2.32).

Tuginedes andmetele elektrolüütide koostise mõju kohta elektrolüüsi jõudlusele (kriitiline voolutihedus, voolu efektiivsus, ekstraheerimine, tantaalipulbri kvaliteet), pakkusid Nõukogude teadlased välja järgmise optimaalse elektrolüüdi koostise: 12,5% (massi järgi) K2TaF7, ülejäänud KS1 ja KF suhtega 2:1 (massi järgi). Sisseviidud Ta2O-de kontsentratsioon on 2,5-3,5% (massi järgi). Selles elektrolüüdis on grafiitanoodi kasutades temperatuuridel 700-800 °C oksofluoriidikompleksi lagunemispinge 1,4 V, KF ja KS1 korral on lagunemispinged vastavalt ~3,4 V ja ~4,6 V.

KS I K2TaF,-KCl KJaFf

Riis. 31. Süsteemi K2TaF7-KF-KCl sulatatavusskeem

Katoodil elektrolüüsi ajal toimub Ta5+ katioonide astmeline tühjenemine:

Ta5+ + 2e > Ta3+ + be * Ta0.

Anoodil toimuvaid protsesse saab esitada reaktsioonidega: TaOF63" - Ze = TaFs + F" + 0; 20 + C = C02; CO2 + C = 2CO; TaFj + 3F~ = TaF|~. TaF|~ ioonid, reageerides sulatisse viidud Ta2O-dega, moodustavad taas TaOF|~ ioone. Elektrolüüsi temperatuuridel 700-750 °C on gaasi koostis -95% CO2, 5-7% CO; 0,2-

NSV Liidus testitud elektrolüsaatorite konstruktsioonide hulgas saadi parimad tulemused nendes, kus katood on niklist (või nikli ja kroomi sulamist) valmistatud tiigel keskel.

Joon.32. Tantaali tootmiseks kasutatava elektrolüüsi skeem:

1 - punker koos sööturiga Ta205; 2 - sööturi elektromagnetiline vibraator; 3 - anoodi kinnitusega kronstein; 4 - seina aukudega õõnes grafiidianood; 5 - nikroomtiigel-katood; 6 - kate; 7 - soojusisolatsiooniklaas; 8 - rool täiturmehhanismi tõstmiseks; 9 - vardaga pistik toiteallika jaoks

Mis sisaldab õõnsat grafiitanoodi, mille seintes on augud (joon. 32). Tantaaloksiidi juhitakse perioodiliselt automaatse vibreeriva sööturi abil õõnsasse anoodi. Selle etteandemeetodiga kõrvaldatakse katoodisademe mehaaniline saastumine lahustumata tantaalpentoksiidiga. Gaasid eemaldatakse rongisisese imemise kaudu. Elektrolüüsi temperatuuril 700-720 C, Ta205 vanni pidev toide (st minimaalse anoodiefektide arvuga), katoodvoolutihedus 30-50 A/dm2 ja suhe DjDк = 2*4, otsene tantaali ekstraheerimine on 87-93%, tootlus voolu järgi 80%.

Elektrolüüsi viiakse läbi, kuni 2/3 tiigli kasulikust mahust on täidetud katoodsete setetega. Elektrolüüsi lõpus tõstetakse anood ja elektrolüüt koos katoodisademega jahutatakse. Elektrolüüdi eraldamiseks tantaalipulbri osakestest kasutatakse katoodtoote töötlemiseks kahte meetodit: jahvatamine õhueraldusega ja vaakumtermiline puhastus.

NSV Liidus välja töötatud vaakumtermiline meetod seisneb tantaali soolade põhiosa eraldamises argooni atmosfääris sulatamise (sulatamise) teel, millele järgneb jäägi eemaldamine vaakumis 900 C juures aurustamisega. Sulanud ja kondenseerunud elektrolüüt viiakse tagasi elektrolüüsile.

Seda jahvatades õhueraldusega 30-70 mikronit ja vaakumkuumtöötlemisel - 100-120 mikronit.

Oksüfluoriidkloriid-elektrolüütidest, nagu tantaalist, nioobiumi tootmine ei andnud positiivseid tulemusi, kuna katoodil tühjenemisel tekivad madalamad oksiidid, mis saastavad metalli. Praegune väljund on madal.

Hapnikuvabad elektrolüüdid on nioobiumi (nagu ka tantaali) jaoks paljutõotavad. Nioobium- ja tantaalpentakloriidid lahustuvad sulatatud leelismetallikloriidides, moodustades komplekssoolad A/eNbCl6 ja MeTaCl6. Nende komplekside elektrolüütilise lagunemise käigus vabanevad katoodil nioobiumi ja tantaali jämekristallilised ladestused ning grafiidianoodil kloor.

Nioobiumi kirjeldus ja omadused

nioobium– viiendasse perioodilisse rühma kuuluv element, aatomnumber – 41. Nioobiumi elektrooniline valem— Nb 4d45sl. Nioobiumi graafiline valem- Nb - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3p 10 4p 6 4p 4 5s 1. Avastati 1801. aastal – algselt nimetati seda “Columbia” jõe nime järgi, millest see avastati. Hiljem ümber nimetatud.

Nioobium – metall valge terasvari, on plastilisusega - kergesti rullitav lehtedeks. Nioobiumi elektrooniline struktuur annab sellele teatud omadused. Märgitakse kõrget temperatuuri sulamise ajal ja metalli keemistemperatuuri. Tänu sellele märgitakse tunnusena elektronide elektroonilist väljavoolu. Ülijuhtivus ilmneb ainult kõrgetel temperatuuridel. Oksüdeerimiseks vajab metall minimaalset temperatuuri umbes 300ºC või kõrgemat. See loob spetsiifilise nioobiumoksiid Nb2O5.

Nioobium, omadused mis suhtleb aktiivselt teatud gaasidega. Need on vesinik, hapnik ja lämmastik, nende mõjul võib see teatud omadusi muuta. Mida kõrgem on temperatuur, seda intensiivsemalt vesinik neeldub, muutes nioobiumi hapramaks, kui saavutatakse kontrollpunkt 600ºC, hakkab toimuma vastupidine evolutsioon ja metall taastab oma kaotatud omadused. Pärast seda algab NbN-nitriidi moodustumine, mille sulamiseks on vaja 2300ºC.

Süsinik ja seda sisaldavad gaasid alustavad oma interaktsiooni nioobiumiga vajalikul temperatuuril üle 1200ºC, mille tulemusena moodustub karbiid NbC – sulamistemperatuur – 3500ºC. Räni ja boori interaktsiooni tulemusena metalli nioobiumiga tekib boriid NbB2. moodustunud - sulamistemperatuur - 2900ºC.

Element nioobium vastupidav peaaegu kõigile teadaolevatele hapetele, välja arvatud vesinikfluoriidhape ja eriti selle segu lämmastikhappega. Metall on vastuvõtlik leelistele, eriti kuumadele. Neis lahustumisel toimub oksüdatsiooniprotsess ja moodustub nioobhape.

Nioobiumi kaevandamine ja päritolu

Metallisisaldus ühe tonni laenatud kivimi kohta on suhteliselt madal – vaid 18 g tonni kohta. Happelisemates kivimites on sisaldus suurenenud. Kõige sagedamini leitakse ühes hoius nioobium ja tantaal, tänu nende sarnastele keemilistele omadustele, mis võimaldavad neid leida samast mineraalist ja osaleda ühistes protsessides. Sageli esineb mõnes titaani sisaldavas mineraalis asendusnähtus - "nioobium - titaan".

Tuntakse umbes sada erinevat nioobiumi sisaldavat mineraali. Kuid ainult väheseid kasutatakse tööstuses. Need on pürokloor, lopariit, toroliit jne. Ultramafilistes ja leeliselistes kivimites esineb nioobium perovskiidis ja eudialüüdis.

Nioobiumimaardlad saadaval Brasiilias, Austraalias, Kanadas, Kongos, Nigeerias ja Rwandas.

Nioobiumi tootmineüsna keeruline protsess kolme põhietapiga. Kõigepealt avatakse kontsentraat, seejärel eraldatakse nioobium puhasteks ühenditeks. Viimane etapp on taaskasutusprotsessid ja metalli rafineerimine. Levinumad meetodid hõlmavad karbotermilisi, aluminotermilisi ja naatriumtermilisi meetodeid.

Näiteks nioobiumoksiidi ja tahma segamisel kõrgel temperatuuril vesiniku keskkonnas saadakse karbiid, seejärel karbiidi ja nioobiumoksiidi segamisel samadel temperatuuridel, kuid täielikus vaakumis saadakse metall, millest erinevad nioobiumi sulamid. Niobiumisulameid on võimalik saada pulbermetallurgia meetoditel, kasutades vaakum- ja elektronkiire sulatusmeetodeid.

Nioobiumi rakendused

Tänu oma ainulaadsetele omadustele kasutatakse nioobiumi paljudes tööstusvaldkondades. Nioobiumi sulamid neil on tulekindlus, kuumakindlus, ülijuhtivus, getter ja korrosioonivastased omadused. Lisaks on seda üsna lihtne töödelda ja keevitada. Seda kasutatakse laialdaselt kosmose- ja lennutehnoloogias, raadio- ja elektrotehnikas, keemiatööstuses ja tuumaenergeetikas. Generaatorlampides valmistatakse selle abil palju kütteelemente. Nendel eesmärkidel kasutatakse ka selle sulamit tantaaliga.

Teatud koguses seda metalli sisaldavad ka elektrialaldid ja elektrolüütkondensaatorid. Selle kasutamine nendes seadmetes on tingitud iseloomulikest ülekande- ja oksüdeerivatest omadustest. Seda metalli sisaldavad suhteliselt väikeste mõõtmetega kondensaatorid on suure takistusega. Kõik kondensaatori elemendid on valmistatud spetsiaalsest fooliumist. See on pressitud nioobiumipulbrist.

Vastupidavus erinevatele hapetele, kõrge soojusjuhtivus ja konstruktsiooni nõtkus määravad selle populaarsuse keemias ja metallurgias, erinevate seadmete ja konstruktsioonide loomisel. Selle olulise metalli positiivsete omaduste kombinatsioon on nõutud isegi tuumaenergeetikas.

Tänu nioobiumi nõrgale toimele tööstusliku uraaniga, sobib metall suhteliselt madalatel temperatuuridel (900ºC) tuumareaktoritele kaitsekihi tekitamiseks. Sellise kestaga on võimalik kasutada naatriumjahutusvedelikke, millega see samuti peaaegu ei suhtle. Nioobium pikendab oluliselt uraanielementide kasutusiga, luues nende pinnale veeauru kahjuliku mõju eest kaitsva oksiidi.

Mõne kuumuskindlaid omadusi saab parandada nioobiumiga legeerimisega. Ka nioobiumisulamid on end üsna hästi tõestanud. Näiteks on see sulam nioobium – tsirkoonium, mida iseloomustavad tähelepanuväärsed omadused. Sellistest sulamitest valmistatakse kosmose- ja õhusõidukite erinevaid osi ning nende kestasid. Sellise sulami töötemperatuur võib ulatuda kuni 1200ºC.

Mõned terase töötlemiseks kasutatavad sulamid sisaldavad nioobiumkarbiidi, mis parandab sulami omadusi. Suhteliselt väike nioobiumi lisamine roostevabale terasele suurendab selle korrosioonivastaseid omadusi ja parandab saadud keevisõmbluste kvaliteeti. Paljud tööriistaterased sisaldavad ka nioobiumi. Katalüüsina osalevad selle erinevad ühendid kunstliku orgaanilise sünteesi protsessides.

Nioobiumi hind

Peamine müügivorm maailmaturul on nioobiumi valuplokid, kuid muud salvestusviisid on täiesti võimalikud. Maailmas on alati olnud nõudlus nioobium, hind mis püsis 2000. aasta alguseni stabiilsel tasemel. Paljude riikide majanduse arenguga kaasnev enesekindel nõudluse kasv ning tootmismahtude kasv uuenduslike tehnoloogiate, metallurgia- ja keemiatööstuse vallas aitas 2007. aastaks kaasa järsule hinnatõusule 12 dollarilt 32 dollarile kilogrammi metalli kohta.

Järgnevatel aastatel toimus majandussektori globaalse kriisi tõttu kuni 2012. aastani väike langus. Vastavalt vähenes ka kaubakäibe määr. Kuid 2012. aastaks olid hinnad taas ülespoole hiilinud ja isegi siis osta nioobiumi see oli võimalik vaid 60 dollariga kilogrammi kohta ja kasv pole veel peatunud. Samaväärsete, kuid kättesaadavamate asendajate küsimus on pikka aega tõstatatud. Ja need on olemas, kuid nende omadused on selgelt nioobiumi omast madalamad. Seetõttu on see endiselt hinnas.

Uurali Riiklik Kaevandusülikool

Teemal: nioobiumi omadused

Rühm: M-13-3

Õpilane: Mokhnashin Nikita

1. Üldine teave elemendi kohta

Nioobiumi füüsikalised omadused

Nioobiumi keemilised omadused

Tasuta nioobium

Nioobiumoksiidid ja nende soolad

Nioobiumiühendid

Juhtivad riigid nioobiumi tootmises

1. Üldine teave elemendi kohta

Inimkond on perioodilisuse tabeli 41. lahtris oleva elemendiga tuttav juba pikka aega. Selle praegune nimi nioobium on ligi pool sajandit noorem. Juhtus nii, et element nr 41 avati kaks korda. Esimest korda - 1801. aastal uuris inglise teadlane Charles Hatchet Ameerikast Briti muuseumi saadetud tõelise mineraali proovi. Sellest mineraalist eraldas ta varem tundmatu elemendi oksiidi. Hatchet nimetas uue elemendi kolumbiumiks, märkides sellega selle ülemere päritolu. Ja musta mineraali nimetati kolumbiidiks. Aasta hiljem eraldas Rootsi keemik Ekeberg kolumbiidist teise uue elemendi, tantaali oksiidi. Ühendite Columbia ja tantaali sarnasus oli nii suur, et 40 aastat uskus enamik keemikuid, et tantaal ja kolumbium on sama element.

1844. aastal uuris Saksa keemik Heinrich Rose Baierist leitud kolumbiidi proove. Ta avastas taas kahe metalli oksiidid. Üks neist oli juba tuntud tantaali oksiid. Oksiidid olid sarnased ja nende sarnasust rõhutades nimetas Rose teise oksiidi moodustava elemendi nioobiumiks, mütoloogilise märtri Tantaluse tütre Niobe järgi. Kuid Rose, nagu ka Hatchet, ei suutnud seda elementi vabas olekus hankida. Metallilist nioobiumit sai esmakordselt alles 1866. aastal Rootsi teadlane Blomstrand nioobiumkloriidi redutseerimisel vesinikuga. 19. sajandi lõpul. leiti veel kaks võimalust selle elemendi saamiseks. Esiteks sai Moissan selle elektriahjus, redutseerides nioobiumoksiidi süsinikuga, ja seejärel suutis Goldschmidt redutseerida sama elemendi alumiiniumiga. Ja elementi nr 41 nimetati erinevates riikides jätkuvalt erinevalt: Inglismaal ja USA-s - Columbia, teistes riikides - nioobium. Rahvusvaheline Puhta ja Rakenduskeemia Liit (IUPAC) tegi sellele vaidlusele punkti 1950. aastal. Otsustati seadustada kõikjal elemendi nimetus "nioobium" ja nioobiumi põhimineraalile määrati nimi "kolumbiit". Selle valem on (Fe, Mn) (Nb, Ta)2 KOHTA 6.

Pole juhus, et nioobiumit peetakse haruldaseks elemendiks: seda leidub tõepoolest harva ja väikestes kogustes, alati mineraalide kujul ja mitte kunagi looduslikus olekus. Huvitav detail: erinevates teatmeväljaannetes on nioobiumi klarke (sisaldus maakoores) erinev. See on peamiselt seletatav asjaoluga, et viimastel aastatel on Aafrika riikides avastatud uusi nioobiumi sisaldavate mineraalide leiukohti. The Chemist's Handbook, vol 1 (M., Chemistry, 1963) annab järgmised arvud: 3,2 10-5% (1939), 1 10-3% (1949) ja 2, 4,10-3% (1954). Kuid ka viimased arvud on alahinnatud: viimastel aastatel avastatud Aafrika maardlad siia ei kuulu. Sellest hoolimata on hinnanguliselt võimalik juba teadaolevate maardlate mineraalidest sulatada ligikaudu 1,5 miljonit tonni metallilist nioobiumi.

Nioobiumi füüsikalised omadused

Nioobium on läikiv hõbehall metall.

Elementaarne nioobium on äärmiselt tulekindel (2468°C) ja kõrge keemistemperatuuriga (4927°C) metall, mis on väga vastupidav paljudele agressiivsetele keskkondadele. Kõik happed, välja arvatud vesinikfluoriidhape, ei mõjuta seda. Oksüdeerivad happed “passiveerivad” nioobiumi, kattes selle kaitsva oksiidkilega (nr 205). Kuid kõrgel temperatuuril nioobiumi keemiline aktiivsus suureneb. Kui 150...200°C juures oksüdeerub metallist vaid väike pinnakiht, siis 900...1200°C juures suureneb oluliselt oksiidkile paksus.

Nioobiumi kristallvõre on kehakeskne kuup, parameetriga a = 3,294 Å.

Puhas metall on plastiline ja seda saab külmas ilma vahepealse lõõmutamiseta valtsida õhukesteks lehtedeks (paksusega kuni 0,01 mm).

Võib märkida nioobiumi selliseid omadusi nagu kõrge sulamis- ja keemistemperatuur, madalam elektronide tööfunktsioon võrreldes teiste tulekindlate metallide - volframi ja molübdeeni - omadustega. Viimane omadus iseloomustab elektronemissiooni (elektronide emissiooni) võimet, mida kasutatakse nioobiumi kasutamisel elektrivaakumtehnoloogias. Nioobiumil on ka kõrge üleminekutemperatuur ülijuhtivasse olekusse.

Tihedus 8,57 g/cm 3(20 °C); t pl 2500 °C; t pall 4927 °C; aururõhk (mm Hg; 1 mm Hg = 133,3 n/m 2) 1·10 -5(2194 °C), 110 -4(2355 °C), 6 10 -4(aadressil t pl ), 1·10-3 (2539 °C).

Tavalistel temperatuuridel on nioobium õhus stabiilne. Metalli kuumutamisel temperatuurini 200 - 300°C täheldatakse oksüdatsiooni (värvimuutuskile) algust. Üle 500° toimub kiire oksüdeerumine koos Nb2 oksiidi moodustumisega O 5.

Soojusjuhtivus ühikutes W/(m·K) temperatuuril 0 °C ja 600 °C on vastavalt 51,4 ja 56,2 ning cal/(cm·sec·°C) on 0,125 ja 0,156. Elektriline eritakistus 0°C juures 15,22 10 -8oomi m (15,22 10 -6ohm cm). Üleminekutemperatuur ülijuhtivasse olekusse on 9,25 K. Nioobium on paramagnetiline. Elektronide tööfunktsioon 4,01 eV.

Puhas nioobium on kergesti töödeldav külma survega ja säilitab kõrgel temperatuuril rahuldavad mehaanilised omadused. Selle tõmbetugevus temperatuuril 20 ja 800 °C on vastavalt 342 ja 312 Mn/m 2, sama kgf / mm 234,2 ja 31,2; suhteline pikenemine 20 ja 800 °C juures on vastavalt 19,2 ja 20,7%. Puhta nioobiumi Brinelli kõvadus on 450, tehniline 750-1800 Mn/m 2. Teatud elementide, eriti vesiniku, lämmastiku, süsiniku ja hapniku lisandid kahjustavad oluliselt nioobiumi elastsust ja suurendavad selle kõvadust.

3. Nioobiumi keemilised omadused

Nioobium on eriti hinnatud selle vastupidavuse poolest anorgaanilistele ja orgaanilistele ainetele.

Pulbrilise ja tükkmetalli keemilises käitumises on erinevusi. Viimane on stabiilsem. Metallid ei mõjuta seda isegi kõrge temperatuurini kuumutamisel. Vedelad leelismetallid ja nende sulamid, vismut, plii, elavhõbe ja tina võivad nioobiumiga pikka aega kokku puutuda, muutmata selle omadusi. Isegi sellised tugevad oksüdeerivad ained nagu perkloorhape, aqua regia, lämmastik-, väävel-, vesinikkloriid- ja kõigist teistest rääkimata, ei saa sellega midagi peale hakata. Ka leeliselahused ei mõjuta nioobiumit.

Siiski on kolm reaktiivi, mis võivad nioobiumi metalli keemilisteks ühenditeks muuta. Üks neist on leelismetalli hüdroksiidi sulam:

Nb+4NaOH+5O2 = 4NaNbO3+2H2O

Ülejäänud kaks on vesinikfluoriidhape (HF) või selle segu lämmastikhappega (HF+HNO). Sel juhul tekivad fluoriidikompleksid, mille koostis sõltub suuresti reaktsioonitingimustest. Igal juhul on element osa 2- või 2-tüüpi anioonist.

Kui võtate nioobiumipulbrit, on see mõnevõrra aktiivsem. Näiteks sulas naatriumnitraadis see isegi süttib, muutudes oksiidiks. Kompaktne nioobium hakkab üle 200°C kuumutamisel oksüdeeruma ja pulber kattub oksiidkilega juba 150°C juures. Samal ajal avaldub selle metalli üks imelisi omadusi - see säilitab oma elastsuse.

Saepuru kujul põleb see üle 900°C kuumutamisel täielikult Nb2O5-ks. Põleb tugevalt kloorijoas:

Nb + 5Cl2 = 2NbCl5

Kuumutamisel reageerib see väävliga. Enamiku metallidega on raske legeerida. Võib-olla on ainult kaks erandit: raud, millega moodustuvad erineva vahekorra tahked lahused, ja alumiinium, milles on ühend Al2Nb nioobiumiga.

Millised nioobiumi omadused aitavad tal vastu seista kõige tugevamate oksüdeerivate hapete toimele? Selgub, et see ei viita metalli omadustele, vaid selle oksiidide omadustele. Kokkupuutel oksüdeerivate ainetega tekib metalli pinnale õhuke (seetõttu märkamatu), kuid väga tihe oksiidikiht. See kiht muutub ületamatuks barjääriks oksüdeeriva aine teel puhtale metallpinnale. Läbi selle võivad tungida ainult teatud keemilised reaktiivid, eriti fluori anioon. Järelikult metall on sisuliselt oksüdeerunud, kuid praktiliselt on oksüdatsiooni tulemused nähtamatud õhukese kaitsekile olemasolu tõttu. Vahelduvvoolu alaldi loomiseks kasutatakse passiivsust lahjendatud väävelhappe suhtes. See on disainitud lihtsalt: plaatina- ja nioobiumplaadid kastetakse 0,05 m väävelhappe lahusesse. Passiveeritud olekus nioobium suudab juhtida voolu, kui see on negatiivne elektrood – katood ehk elektronid pääsevad oksiidikihist läbi ainult metalli poolelt. Elektronide tee lahusest välja on suletud. Seetõttu läbib sellise seadme vahelduvvoolu läbimisel ainult üks faas, mille anood on plaatina ja katood nioobium.

nioobiummetalli halogeen

4. Nioobium vabas olekus

See on nii ilus, et omal ajal prooviti sellest ehteid teha: oma helehalli värviga meenutab nioobium plaatinat. Vaatamata kõrgele sulamistemperatuurile (2500°C) ja keemistemperatuurile (4840°C) saab sellest kergesti valmistada mis tahes toodet. Metall on nii plastiline, et seda saab külmas töödelda. On väga oluline, et nioobium säilitaks kõrgetel temperatuuridel oma mehaanilised omadused. Tõsi, nagu vanaadiumi puhul, vähendavad isegi väikesed vesiniku, lämmastiku, süsiniku ja hapniku lisandid elastsust ja suurendavad kõvadust. Nioobium muutub hapraks temperatuuril -100 kuni -200 °C.

Viimaste aastate tehnoloogia kasutamisega on saanud võimalikuks nioobiumi saamine ülipuhtal ja kompaktsel kujul. Kogu tehnoloogiline protsess on keeruline ja töömahukas. Põhimõtteliselt on see jagatud 4 etappi:

1.kontsentraadi saamine: ferronioobium või ferrotantalonioobium;

.kontsentraadi avamine - nioobiumi (ja tantaali) muundamine mõneks lahustumatuks ühendiks, et eraldada see põhiosast kontsentraadist;

.nioobiumi ja tantaali eraldamine ja nende üksikute ühendite saamine;

.metallide tootmine ja rafineerimine.

Esimesed kaks etappi on üsna lihtsad ja tavalised, kuigi töömahukad. Nioobiumi ja tantaali eraldusastme määrab kolmas etapp. Soov saada võimalikult palju nioobiumit ja eriti tantaali sundis meid leidma uusimad eraldusmeetodid: selektiivne ekstraheerimine, ioonivahetus ja nende elementide ühendite rektifikatsioon halogeenidega. Selle tulemusena saadakse kas tantaali ja nioobiumi oksiid või pentakloriidid eraldi. Viimases etapis kasutatakse redutseerimist kivisöega (tahmaga) vesinikuvoolus temperatuuril 1800 °C, seejärel tõstetakse temperatuur 1900 °C-ni ja rõhku alandatakse. Söega koostoimel tekkiv karbiid reageerib Nb2O5-ga:

2Nb2O5 + 5NbC = 9Nb + 5CO3,

ja ilmub nioobiumipulber. Kui nioobiumi tantaalist eraldamise tulemusena saadakse mitte oksiid, vaid sool, siis töödeldakse seda 1000°C juures metallilise naatriumiga ja saadakse ka pulbriline nioobium. Seetõttu toimub pulbri edasisel muutmisel kompaktseks monoliidiks ümbersulatamine kaarahjus ning eriti puhta nioobiumi monokristallide saamiseks kasutatakse elektronkiire- ja tsoonisulatamist.

Nioobiumoksiidid ja nende soolad

Hapnikuga ühendeid on nioobiumis vähe, oluliselt vähem kui vanaadiumis. Seda seletatakse asjaoluga, et oksüdatsiooniastmele +4, +3 ja +2 vastavates ühendites on nioobium äärmiselt ebastabiilne. Kui selle elemendi aatom hakkab loobuma elektronidest, siis kaldub see loobuma kõigist viiest, et paljastada stabiilne elektronkonfiguratsioon.

Kui võrrelda rühma kahe naabri - vanaadiumi ja nioobiumi - sama oksüdatsiooniastmega ioone, leiame omaduste suurenemise metallide suunas. Nb2O5 oksiidi happeline iseloom on märgatavalt nõrgem kui vanaadium(V) oksiidil. See ei moodusta lahustumisel hapet. Ainult leeliste või karbonaatidega sulatamisel ilmnevad selle happelised omadused:

O5 + 3Nа2СО3 = 2Nа3NbO4 + 3С02

See sool – naatriumortoniobaat – sarnaneb samade ortofosfor- ja ortovanaadhapete sooladega. Fosforis ja arseenis on ortovorm aga kõige stabiilsem ja katse saada ortoniobaati puhtal kujul ebaõnnestus. Kui sulamit töödeldakse veega, ei eraldu mitte Na3NbO4 soola, vaid NaNbO3 metaniobaati. See on värvitu, külmas vees halvasti lahustuv peenekristalliline pulber. Järelikult on kõrgeima oksüdatsiooniastmega nioobiumis stabiilsem mitte ühendite orto-, vaid metavorm.

Teistest nioobium(V)oksiidi ühenditest aluseliste oksiididega on tuntud pürohappeid meenutavad diniobaadid K4Nb2O7 ja polüniobaadid (polüfosfor- ja polüvanaadiumhapete varjuna) ligikaudsete valemitega K7Nb5O16.nH2O ja K8NbH2O9.m. Nimetatud soolad, mis vastavad kõrgemale nioobiumoksiidile, sisaldavad seda elementi aniooni osana. Nende soolade kuju võimaldab pidada neid nioobiumi derivaatideks. happed Neid happeid ei saa puhtal kujul saada, kuna neid võib pigem pidada veemolekulidega seotud oksiidideks. Näiteks metavorm on Nb2O5. H2O ja orgo vorm on Nb2O5. 3H2O. Koos seda tüüpi ühenditega on nioobiumil ka teisi, kus see on juba katiooni osa. Nioobium ei moodusta lihtsaid sooli nagu sulfaadid, nitraadid jne. Suheldes naatriumvesiniksulfaadiga NaHSO4 või lämmastikoksiidiga N2O4, ilmnevad keerulise katiooniga ained: Nb2O2(SO4)3. Nendes soolades olevad katioonid sarnanevad vanaadiumi katiooniga, ainsa erinevusega, et siin on ioon viie laenguga ja vanaadiumi oksüdatsiooniaste on vanadüülioonis neli. Sama katioon NbO3+ sisaldub ka mõne komplekssoola koostises. Nb2O5 oksiid lahustub vesinikfluoriidhappe vesilahuses üsna kergesti. Sellistest lahustest saab eraldada K2 komplekssoola. H2O.

Vaadeldud reaktsioonide põhjal võime järeldada, et nioobium võib oma kõrgeimas oksüdatsiooniastmes olla osa nii anioonidest kui ka katioonist. See tähendab, et viievalentne nioobium on amfoteerne, kuid siiski olulise ülekaaluga happelised omadused.

Nb2O5 saamiseks on mitu võimalust. Esiteks nioobiumi ja hapniku vastasmõju kuumutamisel. Teiseks nioobiumisoolade kaltsineerimine õhus: sulfiid, nitriid või karbiid. Kolmandaks, kõige levinum meetod on hüdraatide dehüdratsioon. Hüdreeritud oksiid Nb2O5 sadestatakse soola vesilahustest kontsentreeritud hapetega. xH2O. Seejärel, kui lahused on lahjendatud, moodustub valge oksiidi sade. Nb2O5 xH2O sette dehüdratsiooniga kaasneb soojuse eraldumine. Kogu mass kuumeneb. See ilmneb amorfse oksiidi muutumise tõttu kristalliliseks vormiks. Nioobiumoksiid on saadaval kahes värvitoonis. Tavatingimustes on see valge, kuid kuumutamisel muutub kollaseks. Kuid niipea, kui oksiid on jahtunud, kaob värvus. Oksiid on tulekindel (sulamistemperatuur = 1460 °C) ja mittelenduv.

Niobiumi madalamad oksüdatsiooniastmed vastavad NbO2-le ja NbO-le. Esimene neist kahest on sinise varjundiga must pulber. NbO2 saadakse Nb2O5-st hapniku eemaldamisel magneesiumi või vesinikuga temperatuuril umbes tuhat kraadi:

O5 + H2 = 2NbO2 + H2O

Õhus muutub see ühend kergesti tagasi kõrgemaks oksiidiks Nb2O5. Selle iseloom on üsna salajane, kuna oksiid ei lahustu ei vees ega hapetes. Ometi omistatakse sellele happeline iseloom selle koostoime põhjal kuuma leelise vesilahusega; sel juhul aga toimub oksüdeerumine viie laenguga iooniks.

Näib, et ühe elektroni erinevus pole nii suur, kuid erinevalt Nb2O5-st juhib NbO2 oksiid elektrivoolu. Ilmselgelt on selles ühendis metall-metall side. Kui kasutate seda omadust ära, võite tugeva vahelduvvooluga kuumutamisel sundida NbO2 hapnikust loobuma.

Hapniku kadumisel muutub NbO2 NbO oksiidiks ja seejärel eraldub kogu hapnik üsna kiiresti. Madalama nioobiumoksiidi NbO kohta on vähe teada. Sellel on metallist läige ja see on välimuselt sarnane metalliga. Juhib suurepäraselt elektrit. Ühesõnaga käitub nii, nagu poleks tema koostises üldse hapnikku. Isegi nagu tavaline metall, reageerib see kuumutamisel ägedalt klooriga ja muutub oksükloriidiks:

2NbO + 3Cl2=2NbOCl3

See tõrjub vesinikkloriidhappest välja vesiniku (nagu see polekski oksiid, vaid metall nagu tsink):

NbO + 6HCl = 2NbOCl3 + 3H2

NbO võib saada puhtal kujul juba mainitud komplekssoola K2 kaltsineerimisel metallilise naatriumiga:

K2 + 3Na = NbO + 2KF + 3NaF

NbO oksiidil on kõigist nioobiumoksiididest kõrgeim sulamistemperatuur, 1935 °C. Nioobiumi hapnikust puhastamiseks tõstetakse temperatuur 2300-2350°C-ni, seejärel laguneb NbO samaaegselt aurustumisega hapnikuks ja metalliks. Toimub metalli rafineerimine (puhastamine).

Nioobiumiühendid

Lugu selle elemendi kohta ei oleks täielik, kui ei mainita selle ühendeid halogeenide, karbiidide ja nitriididega. See on oluline kahel põhjusel. Esiteks on tänu fluoriidikompleksidele võimalik eraldada nioobium selle igavesest kaaslasest tantaalist. Teiseks näitavad need ühendid meile nioobiumi kui metalli omadusi.

Halogeenide koostoime metallilise nioobiumiga:

Nb + 5Cl2 = 2NbCl5 on võimalik saada, kõik võimalikud nioobiumpentahaliidid.

NbF5-pentafluoriid (sulamistemperatuur = 76 °C) on vedelas olekus ja aurudes värvitu. Nagu vanaadiumpentafluoriid, on see vedelas olekus polümeerne. Nioobiumi aatomid on omavahel seotud fluori aatomite kaudu. Tahkel kujul on selle struktuur, mis koosneb neljast molekulist (joonis 2).

Riis. 2. NbF5 ja TaF5 struktuur tahkel kujul koosneb neljast molekulist.

Vesinikfluoriidhappe H2F2 lahused sisaldavad erinevaid kompleksioone:

H2F2 = H2; + H2O = H2

Kaaliumisool K2. H2O on oluline nioobiumi eraldamiseks tantaalist, kuna erinevalt tantaalisoolast on see hästi lahustuv.

Ülejäänud nioobiumpentahaliidid on erksavärvilised: NbCl5 kollane, NbBr5 lillakaspunane, NbI2 pruun. Kõik nad ülevad ilma lagunemata vastava halogeeni atmosfääris; paarikaupa on nad monomeerid. Nende sulamis- ja keemistemperatuur tõusevad kloorilt broomile ja joodile üleminekul. Mõned pentahaliidide valmistamise meetodid on järgmised:

2Nb+5I2 2NbI5;O5+5C+5Cl22NbCl5+5CO;.

2NbCl5+5F22NbF5+5Cl2

Pentahaliidid lahustuvad hästi orgaanilistes lahustites: eetris, kloroformis, alkoholis. Need aga lagunevad täielikult vee toimel – hüdrolüüsitakse. Hüdrolüüsi tulemusena saadakse kaks hapet - vesinikhalogeniidhape ja nioobhape. Näiteks,

4H2O = 5HCl + H3NbO4

Kui hüdrolüüs on ebasoovitav, lisatakse veidi tugevat hapet ja ülalkirjeldatud protsessi tasakaal nihkub NbCl5 suunas. Sel juhul lahustub pentahaliid ilma hüdrolüüsita,

Erilise tänu metallurgidelt on nioobiumkarbiid pälvinud. Igas terases on süsinikku; nioobium, sidudes selle karbiidiks, parandab legeerterase kvaliteeti. Tavaliselt on roostevaba terase keevitamisel keevisõmblus vähem tugevust. Seda puudust aitab parandada nioobiumi lisamine koguses 200 g tonni kohta. Kuumutamisel moodustab nioobium enne kõiki teisi terasmetalle ühendi süsinik-karbiidiga. See segu on üsna plastiline ja samal ajal talub temperatuuri kuni 3500 ° C. Vaid poole millimeetri paksusest karbiidikihist piisab, et kaitsta metalle ja mis eriti väärtuslik, grafiiti korrosiooni eest. Karbiidi saab metalli või nioobium(V)oksiidi kuumutamisel süsiniku või süsinikku sisaldavate gaasidega (CH4, CO).

Nioobiumnitriid on ühend, mida keetmisel ei mõjuta happed ja isegi “regia viin”; vastupidav veele. Ainus, millega seda saab sundida suhtlema, on keev leelis. Sel juhul see laguneb, vabastades ammoniaagi.

NbN-nitriid on helehall kollaka varjundiga. See on tulekindel (temp. mp. 2300 ° C), sellel on märkimisväärne omadus - absoluutse nulli lähedasel temperatuuril (15,6 K ehk -267,4 ° C) on ülijuhtivus.

Madalama oksüdatsiooniastmega nioobiumi sisaldavatest ühenditest on tuntumad halogeniidid. Kõik madalamad halogeniidid on tumedad kristalsed tahked ained (tumepunasest mustani). Nende stabiilsus väheneb, kui metalli oksüdatsiooniaste väheneb.

Nioobiumi kasutamine erinevates tööstusharudes

Nioobiumi kasutamine metallide legeerimiseks

Nioobiumiga legeeritud terasel on hea korrosioonikindlus. Kroom suurendab ka terase korrosioonikindlust ja see on palju odavam kui nioobium. Sellel lugejal on korraga õigus ja vale. Ma eksin, sest unustasin ühe asja.

Kroom-nikkelteras, nagu iga teinegi, sisaldab alati süsinikku. Kuid süsinik ühineb kroomiga, moodustades karbiidi, mis muudab terase rabedamaks. Nioobiumil on suurem afiinsus süsiniku suhtes kui kroomil. Seetõttu tekib terasele nioobiumi lisamisel tingimata nioobiumkarbiid. Nioobiumiga legeeritud teras omandab kõrged korrosioonivastased omadused ja ei kaota oma elastsust. Soovitud efekt saavutatakse, kui tonnile terasele lisatakse ainult 200 g nioobiummetalli. Ja nioobium annab kroom-mangaanterasele kõrge kulumiskindluse.

Paljud värvilised metallid on samuti legeeritud nioobiumiga. Seega ei reageeri leelises kergesti lahustuv alumiinium nendega, kui sellele on lisatud ainult 0,05% nioobiumi. Ja oma pehmuse poolest tuntud vask ja paljud selle sulamid näivad olevat nioobiumiga karastatud. See suurendab metallide nagu titaan, molübdeen, tsirkoonium tugevust ja samal ajal suurendab nende kuumakindlust ja kuumakindlust.

Nüüd hindavad nioobiumi omadusi ja võimalusi lennundus, masinaehitus, raadiotehnika, keemiatööstus ja tuumaenergeetika. Kõigist neist said nioobiumi tarbijad.

Unikaalne omadus – nioobiumi ja uraani märgatava interaktsiooni puudumine temperatuuril kuni 1100°C ning lisaks hea soojusjuhtivus, soojuslike neutronite väike efektiivne neeldumisristlõige – tegi nioobiumist tõsise konkurendi tuumatööstuses tunnustatud metallidele. tööstus - alumiinium, berüllium ja tsirkoonium. Lisaks on nioobiumi kunstlik (indutseeritud) radioaktiivsus madal. Seetõttu saab sellest valmistada konteinereid radioaktiivsete jäätmete hoidmiseks või rajatisi nende kasutamiseks.

Keemiatööstus tarbib nioobiumi suhteliselt vähe, kuid seda saab seletada vaid selle vähesusega. Kõrge puhtusastmega hapete tootmiseks mõeldud seadmed on mõnikord valmistatud nioobiumi sisaldavatest sulamitest ja harvem nioobiumi lehtedest. Nioobiumi võimet mõjutada teatud keemiliste reaktsioonide kiirust kasutatakse näiteks alkoholi sünteesil butadieenist.

Elemendi nr 41 tarbijateks said ka raketi- ja kosmosetehnoloogia. Pole saladus, et teatud kogused seda elementi juba pöörlevad Maa-lähedastel orbiitidel. Mõned rakettide osad ja Maa tehissatelliitide pardaseadmed on valmistatud nioobiumi sisaldavatest sulamitest ja puhtast nioobiumist.

Nioobiumi kasutamine teistes tööstusharudes

"Kuumad liitmikud" (st kuumutatud osad) on valmistatud nioobiumlehtedest ja -varrastest - anoodidest, võredest, kaudselt kuumutatud katoodidest ja muudest elektrooniliste lampide osadest, eriti võimsatest generaatorlampidest.

Lisaks puhtale metallile kasutatakse samadel eesmärkidel tantalooniumi-biumi sulameid.

Nioobiumit kasutati elektrolüütkondensaatorite ja voolualaldi valmistamiseks. Siin kasutatakse nioobiumi võimet moodustada anoodsel oksüdatsioonil stabiilne oksiidkile. Oksiidkile on happelistes elektrolüütides stabiilne ja läbib voolu ainult elektrolüüdist metalli suunas. Tahke elektrolüüdiga nioobiumkondensaatoreid iseloomustab väikeste mõõtmetega suur võimsus ja kõrge isolatsioonitakistus.

Nioobiumkondensaatori elemendid on valmistatud õhukesest fooliumist või metallipulbritest pressitud poorsetest plaatidest.

Hapetes ja muudes keskkondades sisalduva nioobiumi korrosioonikindlus koos kõrge soojusjuhtivuse ja plastilisusega muudab selle väärtuslikuks konstruktsioonimaterjaliks keemia- ja metallurgiatööstuse seadmete jaoks. Nioobiumil on kombinatsioon omadustest, mis vastavad tuumaenergia nõuetele konstruktsioonimaterjalidele.

Kuni 900°C interakteerub nioobium uraaniga nõrgalt ja sobib elektrireaktorite uraankütuseelementide kaitsekestade valmistamiseks. Sel juhul on võimalik kasutada vedelaid metallist jahutusvedelikke: naatriumi või naatriumi ja kaaliumi sulamit, millega nioobium ei interakteeru kuni 600°C. Uraani kütuseelementide vastupidavuse suurendamiseks legeeritakse uraan nioobiumiga (~ 7% nioobiumi). Niobiumilisand stabiliseerib uraani kaitsva oksiidkile, mis suurendab selle vastupidavust veeaurule.

Nioobium on reaktiivmootoriga gaasiturbiinide erinevate kuumakindlate sulamite komponent. Molübdeeni, titaani, tsirkooniumi, alumiiniumi ja vase legeerimine nioobiumiga parandab oluliselt nende metallide ja ka nende sulamite omadusi. Reaktiivmootorite ja rakettide osade konstruktsioonimaterjalina (turbiinilabade, tiibade esiservade, lennukite ja rakettide ninaotsade, rakettide nahad) on nioobiumil põhinevad kuumakindlad sulamid. Nioobiumi ja sellel põhinevaid sulameid saab kasutada töötemperatuuridel 1000 - 1200°C.

Nioobiumkarbiid on osa teatud tüüpi volframkarbiidil põhinevast karbiidist, mida kasutatakse terase lõikamiseks.

Nioobiumi kasutatakse laialdaselt terase legeeriva lisandina. Terase süsinikusisaldusest 6–10 korda suuremas koguses nioobiumi lisamine välistab roostevaba terase teradevahelise korrosiooni ja kaitseb keevisõmblusi hävimise eest.

Nioobiumi lisatakse ka erinevatele kuumakindlatele terastele (näiteks gaasiturbiinidele), samuti tööriista- ja magnetterastele.

Nioobium sisestatakse terasesse raua (ferronioobiumi) sulamis, mis sisaldab kuni 60% Nb. Lisaks kasutatakse ferrotantalonioobiumi ferrosulamis tantaali ja nioobiumi erineva vahekorraga.

Orgaanilises sünteesis kasutatakse katalüsaatoritena mõningaid nioobiumiühendeid (fluoriidikompleksi soolad, oksiidid).

Nioobiumi kasutamine ja tootmine kasvab kiiresti, mis on tingitud selliste omaduste kombinatsioonist nagu tulekindlus, väike ristlõige termilise neutronite püüdmiseks, võime moodustada kuumakindlaid, ülijuhtivaid ja muid sulameid, korrosioonikindlus, getteri omadused, madal elektronide tööfunktsioon, hea töödeldavus külma rõhu all ja keevitatavus. Peamised nioobiumi kasutusvaldkonnad on: raketitehnika, lennundus- ja kosmosetehnoloogia, raadiotehnika, elektroonika, keemiatehnika, tuumaenergeetika.

Metallilise nioobiumi rakendused

Lennuki osad on valmistatud puhtast nioobiumist või selle sulamitest; uraani ja plutooniumi kütuseelementide katted; mahutid ja torud; vedelate metallide jaoks; elektrolüütkondensaatorite osad; "kuumad" liitmikud elektroonilistele (radariseadmetele) ja võimsatele generaatorlampidele (anoodid, katoodid, võrgud jne); korrosioonikindlad seadmed keemiatööstuses.

Muud värvilised metallid, sealhulgas uraan, on legeeritud nioobiumiga.

Nioobiumi kasutatakse krüotronites – arvutite ülijuhtivates elementides. Nioobium on tuntud ka selle kasutamise poolest suure hadronipõrguti kiirendavates struktuurides.

Intermetallilised ühendid ja nioobiumi sulamid

Ülijuhtivate solenoidide valmistamiseks kasutatakse Nb3Sn-stanniidi ja nioobiumi sulameid titaani ja tsirkooniumiga.

Nioobium ja tantaaliga sulamid asendavad paljudel juhtudel tantaali, mis annab suure majandusliku efekti (nioobium on tantalist odavam ja peaaegu kaks korda kergem).

Ferroniobiumi lisatakse roostevabasse kroom-nikkelterasesse, et vältida nende teradevahelist korrosiooni ja hävimist, ning muudesse teraseliikidesse nende omaduste parandamiseks.

Nioobiumi kasutatakse kogumismüntide vermimisel. Nii väidab Läti Pank, et nioobiumi kasutatakse koos hõbedaga 1-latilistes kollektsioonimüntides.

Nioobiumühendite O5 katalüsaatori kasutamine keemiatööstuses;

tulekindlate materjalide, metallkeraamika, eritoodete tootmisel. klaas, nitriid, karbiid, niobaadid.

Tsirkooniumkarbiidi ja uraan-235 karbiidiga legeeritud nioobiumkarbiid (mp 3480 °C) on tahkefaasiliste tuumareaktiivmootorite kütusevardade kõige olulisem konstruktsioonimaterjal.

Nioobiumnitriidi NbN kasutatakse õhukeste ja üliõhukeste ülijuhtivate kilede tootmiseks, mille kriitiline temperatuur on 5–10 K kitsa üleminekuga suurusjärgus 0,1 K

Nioobium meditsiinis

Niobiumi kõrge korrosioonikindlus on võimaldanud seda kasutada meditsiinis. Nioobiumniidid ei põhjusta eluskudede ärritust ja kleepuvad sellega hästi. Taastav kirurgia on selliseid niite edukalt kasutanud rebenenud kõõluste, veresoonte ja isegi närvide kokkuõmblemiseks.

Kasutamine ehetes

Nioobiumil pole mitte ainult tehnoloogia jaoks vajalikke omadusi, vaid see näeb ka üsna ilus välja. Juveliirid püüdsid seda valget läikivat metalli kasutada kellakorpuste valmistamiseks. Nioobiumi sulamid volframi või reeniumiga asendavad mõnikord väärismetalle: kulda, plaatinat, iriidiumi. Viimane on eriti oluline, kuna nioobiumi ja reeniumi sulam ei ole mitte ainult väliselt sarnane metallilise iriidiumiga, vaid on peaaegu sama kulumiskindel. See võimaldas mõnel riigil täitesulepeade otste tootmisel ilma kalli iriidiumita hakkama saada.

Nioobiumi kaevandamine Venemaal

Viimastel aastatel on ülemaailmne nioobiumitoodang olnud 24-29 tuhande tonni tasemel. Tuleb märkida, et maailma nioobiumiturgu on oluliselt monopoliseerinud Brasiilia ettevõte SVMM, mis moodustab umbes 85% maailma nioobiumitoodangust.

Peamine nioobiumi sisaldavate toodete (sealhulgas eelkõige ferronioobium) tarbija on Jaapan. See riik impordib igal aastal Brasiiliast üle 4 tuhande tonni ferronioobiumi. Seetõttu võib nioobiumi sisaldavate toodete Jaapani impordihindu suure kindlusega pidada maailma keskmise lähedaseks. Viimastel aastatel on ferronioobiumi hinnad kaldunud tõusma. See on tingitud selle kasvavast kasutamisest peamiselt nafta- ja gaasijuhtmete jaoks mõeldud madala legeeritud terase tootmiseks. Üldiselt tuleb märkida, et viimase 15 aasta jooksul on nioobiumi tarbimine maailmas kasvanud keskmiselt 4-5% aastas.

Peame kahetsusega tunnistama, et Venemaa on nioobiumituru kõrval. 90ndate alguses toodeti ja tarbiti endises NSV Liidus Giredmeti spetsialistide sõnul umbes 2 tuhat tonni nioobiumi (nioobiumoksiidi osas). Praegu ei ületa Venemaa tööstuse nioobiumitoodete tarbimine ainult 100-200 tonni. Tuleb märkida, et endises NSV Liidus loodi märkimisväärsed nioobiumi tootmisvõimsused, mis on hajutatud erinevatesse vabariikidesse - Venemaale, Eestisse, Kasahstani. See NSV Liidu tööstuse arengu traditsiooniline joon on pannud Venemaa nüüdseks väga raskesse olukorda seoses paljude toorainete ja metallidega. Nioobiumiturg algab nioobiumi sisaldavate toorainete tootmisega. Selle peamine tüüp Venemaal oli ja jääb Lovozersky GOK-s (praegu Sevredmet JSC, Murmanski piirkond) toodetud lopariidi kontsentraat. Enne NSV Liidu lagunemist tootis ettevõte umbes 23 tuhat tonni lopariidi kontsentraati (nioobiumoksiidi sisaldus on umbes 8,5%). Seejärel vähenes jõusööda tootmine aastatel 1996-1998 pidevalt. Ettevõte peatus mitu korda müügi puudumise tõttu. Praegu prognoositakse ettevõttes lopariidi kontsentraadi toodanguks 700-800 tonni kuus.

Tuleb märkida, et ettevõte on üsna rangelt seotud oma ainsa tarbijaga - Solikamski magneesiumitehasega. Fakt on see, et lopariidi kontsentraat on üsna spetsiifiline toode, mida saadakse ainult Venemaal. Selle töötlemistehnoloogia on selles sisalduva haruldaste metallide (nioobium, tantaal, titaan) tõttu üsna keeruline. Lisaks on kontsentraat radioaktiivne, mistõttu lõppesid suuresti kõik katsed selle tootega maailmaturule pääseda. Samuti tuleb märkida, et lopariidi kontsentraadist on ferronioobiumi võimatu saada. 2000. aastal käivitas Rosredmeti ettevõte Sevredmeti tehases eksperimentaalse lopariidikontsentraadi töötlemise rajatise, et toota muude metallide hulgas kaubanduslikke nioobiumi sisaldavaid tooteid (nioobiumoksiid).

SMZ nioobiumitoodete peamised turud on mitte-SRÜ riigid: tarned toimuvad USA-sse, Jaapanisse ja Euroopa riikidesse. Ekspordi osakaal kogutoodangust on üle 90%. Märkimisväärsed nioobiumi tootmisvõimsused NSV Liidus koondati Eestisse - Sillamäe Keemia- ja Metallurgiatootmisühingusse (Sillamäe). Nüüd kannab Eesti firma nime Silmet. Nõukogude ajal töötles ettevõte Lovoozerski kaevandus- ja töötlemistehasest pärit lopariidi kontsentraati alates 1992. aastast, selle vedu peatati. Praegu töötleb Silmet vaid väikest kogust Solikamski magneesiumitehasest pärit nioobiumhüdroksiidi. Praegu saab ettevõte suurema osa nioobiumi sisaldavast toorainest Brasiiliast ja Nigeeriast. Ettevõtte juhtkond ei välista lopariidikontsentraadi tarnimist, kuid Sevredmet püüab järgida selle kohapealse töötlemise poliitikat, kuna tooraine eksport on vähem kasumlik kui valmistoodang.

Õpetamine

Vajad abi teema uurimisel?

Meie spetsialistid nõustavad või pakuvad juhendamisteenust teid huvitavatel teemadel.
Esitage oma taotlus märkides teema kohe ära, et saada teada konsultatsiooni saamise võimalusest.

Seal on üsna palju elemente, mis koos teiste ainetega moodustavad spetsiaalsete toimivusomadustega sulameid. Näiteks nioobium, element, mida algul nimetati "kolumbiumiks" (seda jõe nime järgi, kust see esmakordselt leiti), kuid hiljem nimetati see ümber. Nioobium on üsna ebatavaliste omadustega metall, millest räägime lähemalt hiljem.

Elemendi hankimine

Arvestades nioobiumi omadusi, tuleb märkida, et selle metalli sisaldus ühe tonni kivimi kohta on suhteliselt väike, ligikaudu 18 grammi. Seetõttu tehti pärast selle avastamist päris mitu katset metalli kunstlikult kätte saada. Sarnase keemilise koostise tõttu kaevandatakse seda ainet sageli koos tantaaliga.

Nioobiumimaardlad asuvad peaaegu kõikjal maailmas. Näiteks võib tuua Kongo, Rwanda, Brasiilia ja paljude teiste riikide kaevandused. Siiski ei saa seda elementi nimetada laialt levinud paljudes piirkondades isegi madalates kontsentratsioonides.

Aine suhteliselt väikest kontsentratsiooni maakivis raskendavad raskused selle kontsentraadist hankimisel. Tasub arvestada, et nioobium NBS-i saab ainult tantaaliga küllastunud kivimitest. Tootmisprotsessi omadused on järgmised:

Alustuseks tarnitakse tehasele kontsentreeritud maak, mis läbib mitu puhastamisetappi. Nioobiumi tootmisel eraldatakse saadud maak puhasteks elementideks, sealhulgas tantaaliks.
Lõplik töötlemisprotsess hõlmab metalli rafineerimist.

Vaatamata kõnealuse maagi kaevandamisel ja töötlemisel tekkinud raskustele suureneb kõnealuse sulami tootmismaht igal aastal märkimisväärselt. Selle põhjuseks on asjaolu, et metallil on erakordsed jõudlusomadused ja seda kasutatakse laialdaselt erinevates tööstusharudes.

Nioobiumoksiidid

Kõnealune keemiline element võib saada erinevate ühendite aluseks. Kõige tavalisem on nioobiumpentoksiid. Selle ühenduse omaduste hulgas võib märkida järgmisi punkte:

Nioobiumoksiid on valge kristalne pulber, millel on kreemjas toon.
Aine ei lahustu vees.
Saadud aine säilitab enamiku hapetega segamisel oma struktuuri.

Nioobiumpentoksiidi omadused hõlmavad ka järgmisi omadusi:

Suurenenud tugevus.
Kõrge tulekindlus. Aine talub temperatuuri kuni 1490 kraadi Celsiuse järgi.
Kuumutamisel pind oksüdeerub.
Reageerib klooriga ja seda saab redutseerida vesinikuga.

Enamasti kasutatakse nioobiumhüdroksiidi kõrge legeeritud terase klasside tootmiseks, millel on üsna atraktiivsed jõudlusomadused.

Füüsilised ja keemilised omadused

Nioobiumi keemilised omadused on sarnased tantaali omadega. Nioobiumi peamiste omaduste kaalumisel peate pöörama tähelepanu järgmistele punktidele:

Vastupidav erinevat tüüpi korrosioonile. Selle elemendi kompositsiooni lisamisel saadud sulamitel on kõrge korrosioonikindlad omadused.
Kõnealusel keemilisel elemendil on kõrge sulamistemperatuur. Nagu praktika näitab, on enamiku sulamite sulamistemperatuur üle 1400 kraadi Celsiuse järgi. see raskendab töötlemisprotsessi, kuid muudab metallid mitmesugustes tegevusvaldkondades asendamatuks.
Põhilisi füüsikalisi omadusi iseloomustab ka saadud sulamite keevitamise lihtsus.
Mullatemperatuuridel jääb elemendi struktuur praktiliselt muutumatuks, mis võimaldab säilitada metalli tööomadusi.
Nioobiumi aatomi eriline struktuur määrab materjali ülijuhtivusomadused.
Aatommass on 92,9, valents sõltub koostise omadustest.

Aine peamiseks eeliseks peetakse selle tulekindlust. Seetõttu hakati seda kasutama väga erinevates tööstusharudes. Aine sulab temperatuuril umbes 2500 kraadi Celsiuse järgi. Mõned sulamid sulavad isegi rekordtemperatuuril 4500 kraadi Celsiuse järgi. Aine tihedus on üsna kõrge, 8,57 grammi kuupsentimeetri kohta. Tasub arvestada, et metalli iseloomustab paramagnetilisus.

Järgmised happed ei mõjuta kristallvõre:

väävel;
sool;
fosfor;
kloor

Ei mõjuta metalli ja kloori vesilahuseid. Teatud mõjul metallile moodustub selle pinnale dielektriline oksiidkile. Seetõttu hakati metalli kasutama miniatuursete suure võimsusega kondensaatorite tootmisel, mis on samuti valmistatud kallimast tantaalist.

Nioobiumi rakendused

Valmistatakse väga erinevaid nioobiumitooteid, millest enamik on seotud lennukite tootmisega. Näiteks võib tuua nioobiumi kasutamise osade valmistamisel, mis paigaldatakse rakettide või lennukite kokkupanemisel. Lisaks saab eristada selle elemendi järgmisi kasutusviise:

Elementide tootmine, millest tehakse radaripaigaldised.
Nagu eelnevalt märgitud, saab kõnealust sulamit kasutada odavamate mahtuvuslike elektrikondensaatorite tootmiseks.
Fooliumist katoodid ja anoodid valmistatakse ka kõnealuse elemendi abil, mis on seotud kõrge kuumakindlusega.
Sageli võite leida võimsate generaatorlampide kujundusi, mille sees on võre. Selleks, et see võrk taluks kõrgeid temperatuure, on see valmistatud kõnealusest sulamist.

Kõrged füüsikalised ja keemilised omadused määravad nioobiumi kasutamise vedelate metallide transportimiseks mõeldud torude tootmisel. Lisaks kasutatakse sulameid väga erinevatel eesmärkidel kasutatavate mahutite tootmiseks.

Sulamid nioobiumiga

Selliste sulamite kaalumisel tuleb arvestada, et seda elementi kasutatakse sageli ferronioobiumi tootmiseks. Seda materjali kasutatakse laialdaselt valutööstuses, samuti elektrooniliste katete valmistamisel. Sisaldab:

raud;
nioobium tantaaliga;
räni;
alumiinium;
süsinik;
väävel;
fosfor;
titaan.

Põhielementide kontsentratsioon võib varieeruda üsna laias vahemikus, mis määrab materjali jõudluse.

Alternatiivset ferronioobiumisulamit võib nimetada nioobium 5VMC-ks. Selle valmistamisel kasutatakse legeerivate elementidena volframi, tsirkooniumi ja molübdeeni. Enamasti kasutatakse seda vaiku pooltoodete tootmiseks.

Kokkuvõtteks märgime, et mõnes riigis kasutatakse nioobiumi müntide valmistamisel. Selle põhjuseks on materjali üsna kõrge hind. Peamise elemendina nioobiumi sisaldavate sulamite masstootmisega luuakse ainulaadsed valuplokid.

Nioobiumi kasutamine metallide legeerimiseks

Nüüd hindavad nioobiumi omadusi ja võimalusi lennundus, masinaehitus, raadiotehnika, keemiatööstus ja tuumaenergeetika. Kõigist neist said nioobiumi tarbijad.

Nioobiumi kasutamine teistes tööstusharudes

Lisaks puhtale metallile kasutatakse samadel eesmärkidel tantalooniumi-biumi sulameid.

Nioobiumkondensaatori elemendid on valmistatud õhukesest fooliumist või metallipulbritest pressitud poorsetest plaatidest.

Nioobiumkarbiid on osa teatud tüüpi volframkarbiidil põhinevast karbiidist, mida kasutatakse terase lõikamiseks.

Nioobiumi lisatakse ka erinevatele kuumakindlatele terastele (näiteks gaasiturbiinidele), samuti tööriista- ja magnetterastele.

Nioobium sisestatakse terasesse raua (ferronioobiumi) sulamis, mis sisaldab kuni 60% Nb. Lisaks kasutatakse ferrotantalonioobiumi ferrosulamis tantaali ja nioobiumi erineva vahekorraga.

Orgaanilises sünteesis kasutatakse katalüsaatoritena mõningaid nioobiumiühendeid (fluoriidikompleksi soolad, oksiidid).

Metallilise nioobiumi rakendused

Lennuki osad on valmistatud puhtast nioobiumist või selle sulamitest; uraani ja plutooniumi kütuseelementide katted; mahutid ja torud; vedelate metallide jaoks; elektrolüütkondensaatorite osad; "kuumad" liitmikud elektroonilistele (radariseadmetele) ja võimsatele generaatorlampidele (anoodid, katoodid, võrgud jne); korrosioonikindlad seadmed keemiatööstuses.
Muud värvilised metallid, sealhulgas uraan, on legeeritud nioobiumiga.
Nioobiumi kasutatakse krüotronites – arvutite ülijuhtivates elementides. Nioobium on tuntud ka selle kasutamise poolest suure hadronipõrguti kiirendavates struktuurides.

Intermetallilised ühendid ja nioobiumi sulamid

Nb 3 Sn-stanniidi ning nioobiumi sulameid titaani ja tsirkooniumiga kasutatakse ülijuhtivate solenoidide valmistamiseks.
Nioobium ja tantaaliga sulamid asendavad paljudel juhtudel tantaali, mis annab suure majandusliku efekti (nioobium on tantalist odavam ja peaaegu kaks korda kergem).
Ferroniobiumi lisatakse roostevabasse kroom-nikkelterasesse, et vältida nende teradevahelist korrosiooni ja hävimist, ning muudesse teraseliikidesse nende omaduste parandamiseks.
Nioobiumi kasutatakse kogumismüntide vermimisel. Nii väidab Läti Pank, et nioobiumi kasutatakse koos hõbedaga 1-latilistes kollektsioonimüntides.

Nioobiumiühendite kasutamine

Nb 2 O 5 katalüsaator keemiatööstuses;
tulekindlate materjalide, metallkeraamika, eritoodete tootmisel. klaas, nitriid, karbiid, niobaadid.
Tsirkooniumkarbiidi ja uraan-235 karbiidiga legeeritud nioobiumkarbiid (mp 3480 °C) on tahkefaasiliste tuumareaktiivmootorite kütusevardade kõige olulisem konstruktsioonimaterjal.
Nioobiumnitriidi NbN kasutatakse õhukeste ja üliõhukeste ülijuhtivate kilede tootmiseks, mille kriitiline temperatuur on 5–10 K kitsa üleminekuga suurusjärgus 0,1 K

Nioobium meditsiinis

Kasutamine ehetes

Nioobiumil pole mitte ainult tehnoloogia jaoks vajalikke omadusi, vaid see näeb ka üsna ilus välja. Juveliirid püüdsid seda valget läikivat metalli kasutada kellakorpuste valmistamiseks. Nioobiumi sulamid volframi või reeniumiga asendavad mõnikord väärismetalle: kulda, plaatinat, iriidiumi. Viimane on eriti oluline, kuna nioobiumi-reeniumi sulam mitte ainult ei sarnane metallilise iriidiumiga, vaid on peaaegu sama kulumiskindel. See võimaldas mõnel riigil täitesulepeade otste tootmisel ilma kalli iriidiumita hakkama saada.

Nioobium kui esimese põlvkonna ülijuhtiv materjal

Ülijuhtivuse hämmastavat nähtust, kui juhi temperatuuri langedes tekib selles elektritakistuse järsk kadumine, täheldas esmakordselt Hollandi füüsik G. Kamerlingh-Onnes aastal 1911. Esimeseks ülijuhiks osutus elavhõbe, kuid mitte see, vaid nioobium ja mõned nioobiumi intermetallilised ühendid pidid saama esimesteks tehniliselt tähtsateks ülijuhtivateks materjalideks.

Ülijuhtide kaks omadust on praktiliselt olulised: kriitilise temperatuuri väärtus, mille juures toimub üleminek ülijuhtivusseisundisse, ja kriitiline magnetväli (Kamerlingh Onnes täheldas ka ülijuhtivuse kaotust ülijuhi poolt, kui see puutub kokku piisavalt tugeva magnetväljaga ). 1975. aastal sai kõrgeima kriitilise temperatuuri rekordiomanikuks nioobiumi ja germaaniumi intermetalliline ühend koostisega Nb 3 Ge. Selle kriitiline temperatuur on 23,2°K; See on kõrgem kui vesiniku keemistemperatuur. (Enamik tuntud ülijuhte muutuvad ülijuhtideks ainult vedela heeliumi temperatuuril).

Ülijuhtivusseisundisse ülemineku võime on iseloomulik ka nioobiumstanniidile Nb 3 Sn, nioobiumi sulamitele alumiiniumi ja germaaniumi või titaani ja tsirkooniumiga. Kõiki neid sulameid ja ühendeid kasutatakse juba ülijuhtivate solenoidide, aga ka mõnede muude oluliste tehniliste seadmete valmistamiseks.

Üks aktiivselt kasutatavatest ülijuhtidest (ülijuhtiva ülemineku temperatuur 9,25 K). Nioobiumiühendite ülijuhtivuse üleminekutemperatuur on kuni 23,2 K (Nb 3 Ge).
Kõige sagedamini kasutatavad tööstuslikud ülijuhid on NbTi ja Nb 3 Sn.
Nioobiumi kasutatakse ka magnetsulamites.
Kasutatakse legeeriva lisandina.
Nioobiumnitriidi kasutatakse ülijuhtivate bolomeetrite tootmiseks.

Nioobiumi ja selle tantaaliga sulamite erakordne vastupidavus ülekuumendatud tseesium-133 aurudes teeb sellest ühe eelistatuima ja odavaima konstruktsioonimaterjali suure võimsusega termioongeneraatorite jaoks.

Millisesse perekonda nioobium kuulub? Nioobiumi kasutamine metallurgias ja tööstuses. Meetodid nioobiumi saamiseks

Õpetamine

Elemendi hankimine

Nioobiumoksiidid

Füüsilised ja keemilised omadused

Nioobiumi rakendused

Sulamid nioobiumiga

Hirmutavad lood ja müstilised lood Jeffi kutsumine öösel kodus tapjaks

Pudingite ja sufleede valmistamine