Kokiai šeimai priklauso niobis? Niobio taikymas metalurgijoje ir pramonėje. Niobio gavimo būdai

Tantalas ir niobis gaunami redukuojant iš didelio grynumo junginių: oksidų, kompleksinių fluorido druskų, chloridų. Pramoninius metalų gamybos būdus galima suskirstyti į keturias grupes:

Natrioterminis redukcija iš kompleksinių fluoridų;

Redukcija iš oksidų anglimi (karboterminis metodas);

Redukcija iš aliuminio oksidų (aliuminioterminis metodas);

Redukcija iš chloridų vandeniliu;

Išlydytų terpių elektrolizė.

Dėl aukštos tantalo (~3000 C) ir niobio (~2500 C) lydymosi temperatūros jie gaunami redukuojant visais išvardintais būdais, išskyrus trečiąjį, miltelių arba sukepintų kempinių pavidalu. Kompaktiško kaliojo tantalo ir niobio gamybos užduotį apsunkina tai, kad šie metalai aktyviai sugeria dujas (vandenilį, azotą, deguonį), dėl kurių priemaišų jie tampa trapūs. Todėl iš miltelių presuotus ruošinius reikia sukepinti arba išlydyti dideliame vakuume.

Natrioterminis tantalo ir niobio miltelių gamybos metodas

Kompleksinių fluoridų K2TaF7 ir K2NbF7 terminis natrio redukcija yra pirmasis pramoninis tantalo ir niobio gamybos būdas. Jis naudojamas ir šiandien. Natris, kalcis ir magnis, turintys didelį afinitetą fluorui, yra tinkami tantalo ir niobio fluorido junginiams redukuoti, kaip matyti iš toliau pateiktų verčių:

Al<^ент Nb Та Na Mg Са

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

Natris naudojamas redukcijai, nes natrio fluoridas tirpsta vandenyje ir gali būti atskirtas plaunant nuo tantalo ir niobio miltelių, o magnio ir kalcio fluoridai mažai tirpsta vandenyje ir rūgštyse.

Panagrinėkime procesą tantalo gamybos pavyzdžiu. K2TaF7 redukcija natriu vyksta dideliu šilumos išsiskyrimu (net esant iki 5 kg įkrovos skalei), kurios pakanka, kad procesas vyktų spontaniškai. Vienoje vietoje pakaitinus įkrovą iki 450-500 C, reakcija greitai pasklinda po visą įkrovos masę, o temperatūra siekia 800-900 C. Kadangi natris tirpsta 97 C ir verda 883, akivaizdu, kad skystis ir natrio garai dalyvauja redukuojant:

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

Reakcijų (2,18) ir (2,19) savitasis terminis poveikis yra lygus atitinkamai 1980 ir 3120 kJ/kg krūvio.

Redukcija atliekama plieniniame tiglyje, į kurį sluoksnis po sluoksnio sukraunami kalio fluorotantalato ir natrio gabaliukai (~120% stechiometriškai reikalingo kiekio), kurie supjaustomi specialiomis žirklėmis. Mišinys ant viršaus padengiamas natrio chlorido sluoksniu, kuris sudaro mažai tirpstantį mišinį su KF ir NaF. Išlydyta druska apsaugo daleles nuo oksidacijos
tantalo milteliai Paprasčiausiame proceso variante, norint inicijuoti reakciją, tiglio sienelė apačioje kaitinama pūtiklio liepsna, kol atsiranda raudona dėmė. Reakcija vyksta greitai per visą masę ir baigiasi per 1-2 minutes. Šiuo procesu dėl trumpalaikio produktų poveikio maksimalioje temperatūroje (800-900 C) gaunami smulkūs tantalo milteliai, kuriuose, išplovus druskas, yra iki 2 % deguonies.

Stambesnio grūdėtumo milteliai su mažesniu deguonies kiekiu gaunami įdedant reakcijos tiglį į šachtinę elektrinę krosnį ir pasibaigus reakcijai 1000 °C laikant krosnyje.

Gautas tantalas pasklinda smulkių dalelių pavidalu fluorido-chlorido šlake, kuriame yra natrio perteklius. Atvėsus tiglio turinys išmušamas, susmulkinamas žandikaulio smulkintuvu ir mažomis porcijomis kraunamas į reaktorių su vandeniu, kur „užgesinamas“ natris ir ištirpinama didžioji druskų dalis. Tada milteliai paeiliui plaunami atskiestu natrio chloridu (kad būtų geriau nuplaunamos druskos ir ištirptų geležies ir iš dalies titano priemaišos). Siekiant sumažinti tantalo oksidų kiekį, milteliai kartais papildomai plaunami šalta praskiesta vandenilio fluorido rūgštimi. Tada milteliai nuplaunami distiliuotu vandeniu, filtruojami ir džiovinami 110-120 C temperatūroje.

Taikant aukščiau aprašytą metodą, laikantis maždaug tų pačių režimų, niobio milteliai gaunami redukuojant k2NbF7 natriu. Džiovinti niobio milteliai turi sudėtį, %: Ti, Si, Fe 0,02-0,06; O apie 0,5; N iki 0,1; Nuo 0,1 iki 0,15.

Karboterminis niobio ir tantalo gamybos iš oksidų metodas

Šis metodas iš pradžių buvo sukurtas niobio gamybai iš Nb2o5.

Niobį galima redukuoti iš Nb2os su anglimi 1800–1900 °C temperatūroje vakuuminėje krosnyje:

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

Nb205 + 5C įkrova turi mažai niobio ir net briketuota yra mažo tankio (~1,8 g/cm3). Tuo pačiu metu 1 kg įkrovimo išsiskiria didelis kiekis ko (~0,34 m3). Dėl šių aplinkybių nepelninga atlikti procesą pagal reakciją (2.20), nes vakuuminės krosnies našumas mažas. Todėl procesas vyksta dviem etapais:

I etapas – niobio karbido gamyba

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

P etapas – niobio gamyba vakuuminėse krosnyse

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

IV pakopos briketuotame užtaise yra 84,2 % (pagal masę) niobio, briketų tankis ~3 g/cm3, susidaręs tūris 0,14 m3 1 kg įkrovos (~ 2,5 karto mažiau nei briketo atveju). įkrovimas Nb2o5 + sc ). Tai užtikrina didesnį vakuuminės krosnies našumą.

Reikšmingas dviejų pakopų proceso privalumas yra ir tai, kad pirmąjį etapą galima atlikti esant atmosferiniam slėgiui grafito vamzdžių atsparumo krosnyse (29 pav.).

Norint gauti niobio karbidą (1 proceso etapas), Nb2o5 ir suodžių mišinys briketuojamas ir briketai kaitinami grafito vamzdžių krosnyje vandenilio arba argono atmosferoje 1800-1900 °C temperatūroje (briketai nuolat judinami išilgai). krosnis

Ryžiai. 29. Grafito vamzdžių atsparumo krosnies schema:

1 - korpusas; 2 - grafito gijų vamzdis; 3 - ekranuojantis grafito vamzdis; 4- suodžių šilumą izoliuojantis užpildas; 5 - šaldytuvas; 6 - kontaktiniai grafito kūgiai; 7 - aušinama kontaktinė galvutė; 8 - liukas; 9 - autobusai, tiekiantys srovę

Atsižvelgiant į jų buvimą karštoje zonoje 1–1,5 valandos). Susmulkintas niobio karbidas sumaišomas rutuliniame malūne su Nb2o5, paimamas su nedideliu pertekliumi (3-5%), palyginti su tuo, ko reikia reakcijai (2.22).

Užtaisas 100 MPa slėgiu suspaudžiamas į ruošinius, kurie kaitinami vakuuminėse krosnyse su grafito šildytuvais (arba vakuuminėse indukcinėse krosnyse su grafito vamzdžiu) 1800-1900 C. Ekspozicija baigiasi, kai liekamasis slėgis pasiekia 1,3-0,13 Pa .

Reakcijos (2.21) ir (2.22) yra bendros. Jie vyksta per tarpinius žemesniųjų oksidų (Nt>o2 ir NbO), taip pat Nb2c karbido susidarymo etapus. Pagrindinės I etapo reakcijos:

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

Nb02 + C = NbO + CO; (2.24)

2NbO + 3C = Nb2C + 2CO; (2.25)

Nb2C + C = 2NbC. (2.26)

1 etapo reakcijos:

Nb2Os + 2NbC = 2Nb02 + Nb2C + CO; (2.27)

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

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

Metalinis niobis gaunamas vykdant galutinę II proceso etapo reakciją (2.29). Pusiausvyros slėgis co reakcijai (2.29) esant 1800 °C > 1,3 Pa. Todėl procesas turi būti atliekamas esant liekamajam slėgiui, mažesniam už tam tikros reakcijos pusiausvyros slėgį (0,5–0,13 Pa).

Gautuose sukepintuose porėtuose niobio briketuose yra, %: C 0,1-0,15; Apie 0,15-0,30; N 0,04-0,5. Norint gauti kompaktišką kaliąjį metalą, briketai lydomi elektronų pluošto krosnyje. Kitas būdas – gauti miltelius iš briketų (hidrinant 450 C temperatūroje, malant ir vėliau dehidrogenuojant vakuume), strypelius presuojant ir sukepinant vakuume 2300-2350 C. Vakuuminio lydymosi ir sukepinimo vakuume procesuose deguonis ir iš kompozicijos pašalinama anglis, o deguonies perteklius – lakiųjų žemesniųjų oksidų sudėtyje.

Pagrindiniai karboterminio metodo privalumai yra didelė tiesioginė metalo išeiga (ne mažesnė kaip 96%) ir pigios redukcijos priemonės naudojimas. Šio metodo trūkumas yra aukštos temperatūros vakuuminių krosnių konstrukcijų sudėtingumas.

Karboterminiu metodu taip pat galima pagaminti tantalo ir niobio-tantalo lydinius.

Aliuminterminis niobio ir tantalo gamybos iš aukštesnių oksidų metodas

Pastaraisiais metais sukurtas aliuminometrinis niobio gamybos metodas, redukuojant niobio pentoksidą aliuminiu, turi techninių ir ekonominių pranašumų, palyginti su kitais niobio gamybos būdais, dėl savo žemų etapų ir įrangos paprastumo.

Metodas pagrįstas egzotermine reakcija:

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

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

Didelis specifinis terminis reakcijos efektas (2640 kJ/kg stechiometrinės sudėties krūvio) leidžia atlikti procesą be išorinio kaitinimo lydant niobio-aliuminio lydinio luitą. Sėkmingas aliuminoterminis redukavimas ne krosnyje yra įmanomas, jei proceso temperatūra yra aukštesnė už lydymosi temperatūrą A12о3 = 2030 °C) ir metalinę fazę (Nb +10% ai lydinys lydosi 2050 °C temperatūroje). Aliuminio pertekliui įkrovoje 30-40% viršijant stechiometrinį kiekį, proceso temperatūra pasiekia ~2150-2200 C. Dėl greito redukcijos, temperatūra pakyla maždaug 100-150 C, lyginant su lydymosi. šlako ir metalo fazių temperatūra yra pakankama jų atskyrimui užtikrinti. Esant minėtam aliuminio pertekliui įkrovoje, gaunamas niobio lydinys su 8-10% aliuminio, kurio tikroji niobio ekstrakcija yra 98-98,5%.

Aliuminoterminė redukcija atliekama plieniniame tiglyje su dengtu magnio arba aliuminio oksidų pamušalu. Kad būtų lengviau iškrauti lydymo produktus, tiglis yra nuimamas. Per sieneles įkišami kontaktai, kad būtų tiekiama elektros srovė (20 V, 15 A) į saugiklį nichromo laido pavidalu, įdėtu į įkrovą. Kitas galimas variantas – procesą atlikti masyviame skaldyto vario tiglyje, prie kurio sienelių susidaro apsauginis sluoksnis.

Kruopščiai išdžiovinto Nb2o5 ir aliuminio miltelių, kurių dalelių dydis ~100 μm, mišinys įpilamas į tiglį. Norint išvengti sąlyčio su oru, tiglį patartina įdėti į kamerą, užpildytą argonu.

Įjungus saugiklį, reakcija greitai vyksta per visą įkrovimo masę. Gautas lydinio luitas susmulkinamas į gabalus ir apdorojamas vakuuminiu terminiu 1800-2000 C temperatūroje krosnyje su grafito šildytuvu, esant ~0,13 Pa liekamajam slėgiui, siekiant pašalinti didžiąją dalį aliuminio (iki 0,2 proc. ). Tada rafinuojamas lydymas atliekamas elektronų pluošto krosnyje, gaunant didelio grynumo niobio luitus su priemaišų kiekiu, %: 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.

Iš esmės tantalo aliuminoterminė gamyba yra įmanoma, tačiau procesas yra šiek tiek sudėtingesnis. Savitasis šiluminis redukcijos reakcijos efektas yra 895 kJ/kg įkrovos. Dėl aukštos tantalo ir jo lydinių su aliuminiu lydymosi temperatūros į užpildą įpilamas geležies oksidas, kad lydytų luitą (gaunant lydinį su 7-7,5% geležies ir 1,5% aliuminio), taip pat kaitinama. priedas - kalio chloratas (bertolito druska) . Tiglis su užtaisu dedamas į krosnį. 925 C temperatūroje prasideda spontaniška reakcija. Tantalo ekstrahavimas į lydinį yra apie 90%.

Po vakuuminio terminio apdorojimo ir lydymosi elektronų pluoštu tantalo luitų grynumas yra didelis, panašus į aukščiau pateiktą niobio grynumą.

Tantalo ir niobio gavimas redukuojant iš jų chloridų vandeniliu

Tantalo ir niobio redukcijai iš jų chloridų buvo sukurti įvairūs metodai: redukcija magniu, natriu ir vandeniliu. Perspektyviausios yra kai kurios redukcijos vandeniliu galimybės, ypač toliau aptartas metodas, skirtas chlorido garams redukuoti ant šildomų substratų, kad būtų pagamintas kompaktiškas metalinis strypas.

Fig. 30 paveiksle parodyta tantalo gamybos, redukuojant TaC15 garus vandeniliu ant tantalo juostos, įkaitintos iki 1200–1400 °C, schema. TaCI5 garai, sumaišyti su vandeniliu, teka iš garintuvo į reaktorių, kurio centre yra tantalo juostelė, šildoma tiesioginiu elektros srovės pratekėjimu iki tam tikros temperatūros. Norint tolygiai paskirstyti garų ir dujų mišinį per juostos ilgį ir užtikrinti statmeną jos paviršiui srautą, aplink juostą įrengiamas nerūdijančio plieno ekranas su skylutėmis. Reakcija vyksta ant įkaitusio paviršiaus:

TaC15 + 2,5 H2 = Ta + 5 HCl; AG°m k = -512 kJ. (2.31)

Ryžiai. 30. Tantalo pentachlorido redukavimo vandeniliu įrenginio schema: 1 - reaktoriaus flanšas; 2 - izoliuotas elektros tiekimas; 3 - gnybtų kontaktai; 4 - nesureagavusio chlorido kondensatorius; 5 - tantalo juosta; 6 - briaunos su skylutėmis, - 7 - reaktoriaus korpusas; 8 - reaktoriaus šildytuvas; 9 - šildomas rotometras; 10 - adatinis vožtuvas; 11 - garintuvo elektrinė krosnis; 12 - tantalo pentachlorido garintuvas; 13 - vandenilio rotometras

Optimalios tantalo nusodinimo sąlygos: juostos temperatūra 1200-1300 °C, TaCI5 koncentracija dujų mišinyje ~ 0,2 mol/mol mišinio. Nusėdimo greitis tokiomis sąlygomis yra 2,5-3,6 g/(cm2 h) (arba 1,5-2,1 mm/h). Taigi per 24 valandas gaunamas grynas tantalo strypas, kurio vidutinis skersmuo yra 24-25 mm. susukti į lakštus, naudojami perlydyti elektronų pluošto krosnyje arba pagaminti iš didelio grynumo miltelių (hidrinant, malant ir dehidrogenuojant miltelius). Chlorido konversijos laipsnis (tiesioginis ekstrahavimas į dangą) yra 20-30%. Nesureagavęs chloridas kondensuojamas ir vėl naudojamas. Elektros suvartojimas yra 7-15 kWh 1 kg tantalo, priklausomai nuo pasirinkto režimo.

Vandenilis po HCl garų atskyrimo absorbuojant vandenį gali būti grąžintas į procesą.

Aprašytas metodas taip pat gali pagaminti niobio strypus. Optimalios sąlygos niobio nusodinimui: juostos temperatūra 1000-1300 C, pentachlorido koncentracija 0,1-0,2 mol/mol dujų mišinio. Metalo nusodinimo greitis 0,7-1,5 g/(cm2-h), chlorido virsmo metalu laipsnis 15-30%, elektros sąnaudos 17-22 kWh/kg metalo. Niobio procesą apsunkina tai, kad dalis NbCl5 sumažinama reaktoriaus tūryje tam tikru atstumu nuo įkaitintos juostos iki nelakaus NbCl3, nusėdusio ant reaktoriaus sienelių.

Elektrolitinis tantalo gamybos metodas

Tantalo ir niobio negalima išskirti elektrolizės būdu iš vandeninių tirpalų. Visi sukurti procesai yra pagrįsti išlydytos terpės elektrolize.

Pramoninėje praktikoje metodas naudojamas tantalui gauti. Taigi, jau eilę metų elektrolitinį tantalo metodą naudojo bendrovė „Fensteel“ (JAV), dalis Japonijoje gaminamo tantalo šiuo metu gaunama elektrolizės būdu. SSRS buvo atlikti platūs metodo tyrimai ir pramoniniai bandymai.

Tantalo elektrolitinio gamybos būdas yra panašus į aliuminio gamybos būdą.

Elektrolitas pagamintas iš išlydytų druskų K2TaF7 - KF - - KS1, kuriose yra ištirpęs tantalo oksidas Ta205. Naudoti elektrolitą, kuriame yra tik viena druska K2TaF7, praktiškai neįmanoma dėl nuolatinio anodinio poveikio naudojant grafito anodą. Elektrolizė galima vonioje, kurioje yra K2TaF7, KC1 ir NaCl. Šio elektrolito trūkumas yra fluoro druskų kaupimasis jame elektrolizės metu, dėl kurio sumažėja kritinis srovės tankis ir reikia koreguoti vonios sudėtį. Šis trūkumas pašalinamas į elektrolitą įvedant Ta205. Elektrolizės rezultatas šiuo atveju yra elektrolitinis tantalo oksido skilimas, kai prie katodo išsiskiria tantalas, o anode reaguojant su anodo grafitu susidaro CO2 ir CO. Be to, Ta205 įvedimas į druskos lydalą pagerina grafito anodo drėkinimą lydalu ir padidina kritinį srovės tankį.

Elektrolito sudėtis parinkta remiantis K2TaF7-KCl-KF trinarės sistemos tyrimų duomenimis (31 pav.). Šioje sistemoje yra dvi dvigubos druskos K2TaF7 KF (arba KjTaFg) ir K2TaF7 KS1 (arba K3TaF7Cl), dvi trinarės eutektikos Ei ir E2, lydančios atitinkamai 580 ir 710 C temperatūroje, ir peritektinis taškas P esant 678 °C. Kai Ta205 patenka į lydalą, jis sąveikauja su fluorotalatatais, sudarydamas oksofluorotantalatą:

3K3TaF8 + Ta2Os + 6KF = 5K3TaOF6. (2.32)

Reakcija su K3TaF7Cl vyksta panašiai. Tantalo oksofluorido kompleksų susidarymas lemia Ta2O5 tirpumą elektrolite. Ribojamasis tirpumas priklauso nuo K3TaF8 kiekio lydaloje ir atitinka reakcijos stechiometriją (2.32).

Remdamiesi duomenimis apie elektrolitų sudėties įtaką elektrolizės veikimui (kritinis srovės tankis, srovės efektyvumas, ekstrahavimas, tantalo miltelių kokybė), sovietų mokslininkai pasiūlė tokią optimalią elektrolito sudėtį: 12,5% (pagal svorį) K2TaF7, likusi dalis KS1. ir KF santykiu 2:1 (pagal svorį). Įvestų Ta2O koncentracija yra 2,5-3,5 % (pagal masę). Šiame elektrolite esant 700-800 °C temperatūrai naudojant grafito anodą oksofluorido komplekso skilimo įtampa yra 1,4 V, o KF ir KS1 skilimo įtampa atitinkamai ~3,4 V ir ~4,6 V.

KS I K2TaF,-KCl KJaFf

Ryžiai. 31. Sistemos K2TaF7-KF-KCl lydumo schema

Elektrolizės metu prie katodo vyksta laipsniškas Ta5+ katijonų iškrovimas:

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

Procesai anode gali būti pavaizduoti reakcijomis: TaOF63" - Ze = TaFs + F" + 0; 20 + C = C02; CO2 + C = 2CO; TaFj + 3F~ = TaF|~. TaF|~ jonai, reaguodami su Ta2Os, įvestais į lydalą, vėl sudaro TaOF|~ jonus. Esant 700-750 °C elektrolizės temperatūrai, dujų sudėtis yra -95% CO2, 5-7% CO; 0,2-

Tarp SSRS išbandytų elektrolizatorių konstrukcijų geriausi rezultatai buvo gauti tuose, kurių katodas yra nikelio (arba nikelio ir chromo lydinio) tiglis centre.

32 pav. Tantalo gamybos elektrolizatoriaus schema:

1 - bunkeris su tiektuvu Ta205; 2 - tiektuvo elektromagnetinis vibratorius; 3 - laikiklis su tvirtinimu anodui; 4 - tuščiaviduris grafito anodas su skylutėmis sienoje; 5 - nichromo tiglis-katodas; 6 - dangtelis; 7 - šilumą izoliuojantis stiklas; 8 - vairas pavaros mechanizmui pakelti; 9 - kištukas su strypu maitinimui

Kuriame yra tuščiaviduris grafito anodas su skylutėmis sienose (32 pav.). Tantalo oksidas periodiškai tiekiamas automatiniu vibruojančiu tiektuvu į tuščiavidurį anodą. Šiuo padavimo būdu pašalinamas katodo nuosėdų mechaninis užterštumas neištirpusiu tantalo pentoksidu. Dujos pašalinamos per borto siurbimą. Esant 700-720 C elektrolizės temperatūrai, nuolatinis Ta205 vonios tiekimas (t.y. su minimaliu anodo efektų skaičiumi), katodo srovės tankis 30-50 A/dm2 ir santykis DjDк = 2*4, tiesioginis ištraukimas. tantalo yra 87-93%, išeiga šiuo metu 80%.

Elektrolizė atliekama tol, kol 2/3 naudingojo tiglio tūrio užpildoma katodo nuosėdomis. Elektrolizės pabaigoje anodas pakeliamas ir elektrolitas kartu su katodo nuosėdomis atšaldomas. Elektrolitui nuo tantalo miltelių dalelių atskirti naudojami du katodo gaminio apdorojimo būdai: šlifavimas su oro atskyrimu ir vakuuminis terminis valymas.

Vakuuminis terminis metodas, sukurtas SSRS, susideda iš didžiosios dalies druskų atskyrimo nuo tantalo lydant (lydant) argono atmosferoje, po to pašalinant likučius išgarinant vakuume 900 C temperatūroje. Išlydytas ir kondensuotas elektrolitas grąžinama į elektrolizę.

Kad šlifuojant su oro atskyrimu 30-70 mikronų, o naudojant vakuuminį terminį apdorojimą - 100-120 mikronų.

Niobio gamyba iš oksifluorido-chlorido elektrolitų, kaip ir tantalo, nedavė teigiamų rezultatų dėl to, kad iškrovimo metu prie katodo susidaro žemesni oksidai, kurie teršia metalą. Srovės galia yra maža.

Bedeguonies elektrolitai yra perspektyvūs niobiui (taip pat ir tantalui). Niobio ir tantalo pentachloridai ištirpsta išlydytuose šarminių metalų chloriduose ir sudaro kompleksines druskas A/eNbCl6 ir MeTaCl6. Elektrolitinio šių kompleksų skilimo metu prie katodo išsiskiria stambių kristalų niobio ir tantalo nuosėdos, o grafito anode – chloras.

Niobio aprašymas ir savybės

Niobis– elementas, priklausantis penktai periodinei grupei, atominis skaičius – 41. Elektroninė niobio formulė- Nb 4d45sl. Grafinė niobio formulė- Nb - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 4d 4 5s 1. Atrasta 1801 m. – iš pradžių vadinta „Kolumbija“ pagal upės, kurioje buvo aptikta, pavadinimą. Vėliau pervadinta.

Niobis – metalas balto plieno atspalvis, turi plastiškumą - lengvai susukamas į lakštus. Elektroninė niobio struktūra suteikia jam tam tikrų savybių. Pastebima aukšta temperatūra lydymosi metu ir metalo virimo temperatūra. Dėl šios priežasties elektroninis elektronų nutekėjimas pažymimas kaip ypatybė. Superlaidumas atsiranda tik esant aukštai temperatūrai. Kad metalas oksiduotųsi, minimali temperatūra turi būti apie 300ºC arba aukštesnė. Taip sukuriamas specifinis niobio oksidas Nb2O5.

Niobis, savybės kuri aktyviai sąveikauja su tam tikromis dujomis. Tai vandenilis, deguonis ir azotas, jų įtakoje gali pasikeisti tam tikros savybės. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo intensyviau įsisavinamas vandenilis, todėl niobis tampa trapesnis, kai pasiekiamas 600ºC kontrolinis taškas, pradeda vykti atvirkštinė evoliucija, o metalas atkuria prarastas savybes. Po to pradeda formuotis NbN nitridas, kuriam ištirpti reikia 2300ºC.

Anglis ir jos turinčios dujos pradeda sąveikauti su niobiu esant reikiamai temperatūrai aukštesnėje nei 1200ºC temperatūroje, todėl susidaro karbidas NbC – lydymosi temperatūra – 3500ºC. Dėl silicio ir boro sąveikos su metalu niobiu susidaro boridas NbB2. susidaro - lydymosi temperatūra - 2900ºC.

Elementas niobis atsparus beveik visoms žinomoms rūgštims, išskyrus vandenilio fluorido rūgštį, o ypač jos mišinį su azoto rūgštimi. Metalas yra jautrus šarmams, ypač karštiems. Juose ištirpus vyksta oksidacijos procesas ir susidaro niobo rūgštis.

Niobio kasyba ir kilmė

Metalo kiekis tonoje skolintų uolienų yra palyginti mažas – tik 18 g tonoje. Rūgštesnėse uolienose kiekis padidėja. Dažniausiai randama viename indėlyje niobis ir tantalas, dėl panašių cheminių savybių, leidžiančių jas rasti tame pačiame minerale ir dalyvauti bendruose procesuose. Dažnai kai kuriuose mineraluose, kuriuose yra titano, atsiranda pakeitimo reiškinys - „niobis – titanas“.

Yra žinoma apie šimtą įvairių mineralų, kuriuose yra niobio. Tačiau tik keli yra naudojami pramonėje. Tai pirochloras, loparitas, torolitas ir kt. Ultramafinėse ir šarminėse uolienose niobio yra perovskite ir eudialite.

Niobio nuosėdos galima rasti Brazilijoje, Australijoje, Kanadoje, Konge, Nigerijoje ir Ruandoje.

Niobio gamyba gana sudėtingas procesas, susidedantis iš trijų pagrindinių etapų. Pirmiausia atidaromas koncentratas, tada niobis suskirstomas į grynus junginius. Paskutinis etapas yra regeneravimo procesai ir metalo rafinavimas. Dažniausiai naudojami karboterminiai, aliuminoterminiai ir natrioterminiai metodai.

Pavyzdžiui, maišant niobio oksidą ir suodžius aukštoje temperatūroje vandenilio aplinkoje, gaunamas karbidas, tada maišant karbidą ir niobio oksidą tos pačios temperatūros, bet visiškame vakuume, gaunamas metalas, iš kurio įvairūs. niobio lydiniai. Galima gauti niobio lydinius miltelinės metalurgijos metodais, taikant vakuuminio ir elektronų pluošto lankinio lydymo metodus.

Niobio panaudojimas

Dėl savo unikalių savybių niobis naudojamas daugelyje pramonės sričių. Niobio lydiniai turi ugniai atsparumo, atsparumo karščiui, superlaidumo, geterio ir antikorozines savybes. Be to, jį gana lengva apdoroti ir suvirinti. Jis plačiai naudojamas kosmoso ir aviacijos technologijose, radijo ir elektros inžinerijoje, chemijos pramonėje ir branduolinėje energetikoje. Generatoriaus lempose daugelis kaitinimo elementų yra pagaminti naudojant jį. Šiems tikslams taip pat naudojamas jo lydinys su tantalu.

Tam tikras šio metalo kiekis turi ir elektros lygintuvuose bei elektrolitiniuose kondensatoriuose. Jis naudojamas šiuose įrenginiuose dėl būdingų perdavimo ir oksidacinių savybių. Santykinai mažų matmenų kondensatoriai, kuriuose yra šis metalas, turi didelį atsparumą. Visi kondensatoriaus elementai pagaminti iš specialios folijos. Jis spaudžiamas iš niobio miltelių.

Atsparumas įvairioms rūgštims, didelis šilumos laidumas ir konstrukcijos lankstumas lemia jos populiarumą chemijoje ir metalurgijoje, kuriant įvairius įrenginius ir konstrukcijas. Šio svarbaus metalo teigiamų savybių derinys yra paklausus net branduolinėje energetikoje.

Dėl silpno niobio poveikio pramoniniam uranui, esant santykinai žemai temperatūrai (900ºC), metalas tinkamas apsauginiam sluoksniui ant branduolinių reaktorių sukurti. Su tokiu apvalkalu tampa įmanoma naudoti natrio aušinimo skysčius, su kuriais jis taip pat beveik nesąveikauja. Niobis žymiai prailgina urano elementų tarnavimo laiką, sukurdamas apsauginį oksidą ant jų paviršiaus nuo žalingo vandens garų poveikio.

Kai kurių karščiui atsparias savybes galima pagerinti legiruojant niobu. Niobio lydiniai taip pat gana gerai pasitvirtino. Pavyzdžiui, tai yra lydinys niobis – cirkonis, pasižymintis nepaprastomis savybėmis. Iš tokių lydinių gaminamos įvairios erdvėlaivių ir orlaivių dalys bei jų apvalkalai. Tokio lydinio darbinė temperatūra gali siekti iki 1200ºC.

Kai kuriuose plieno apdirbimui skirtuose lydiniuose yra niobio karbido, kuris pagerina lydinio savybes. Palyginti nedidelis niobio priedas į nerūdijantį plieną pagerina jo antikorozines savybes ir pagerina gautų suvirinimo siūlių kokybę. Daugelyje įrankių plieno taip pat yra niobio. Kaip katalizė, įvairūs jo junginiai dalyvauja dirbtinės organinės sintezės procesuose.

Niobio kaina

Pagrindinė pardavimo forma pasaulinėje rinkoje yra niobio luitai, bet kitos saugojimo formos yra visiškai įmanomos. Visada pasaulyje buvo paklausa niobis, kaina kuri iki 2000 m. pradžios išliko stabiliame lygyje. Užtikrintas paklausos augimas, susijęs su daugelio šalių ekonomikos plėtra ir gamybos apimčių padidėjimu novatoriškų technologijų, metalurgijos ir chemijos pramonės srityse, prisidėjo prie staigaus kainų kilimo iki 2007 m. nuo 12 USD iki 32 USD už kilogramą metalo.

Vėlesniais metais dėl pasaulinės ekonomikos sektoriaus krizės, iki 2012 m., buvo nedidelis nuosmukis. Prekybos apyvartos tempas atitinkamai sumažėjo. Tačiau 2012 m. kainos vėl pakilo ir net tada pirkti niobį tai buvo įmanoma tik po 60 USD už kilogramą, o augimas dar nesustojo. Jau seniai buvo keliamas lygiaverčių, bet labiau prieinamų pakaitalų klausimas. Ir jie egzistuoja, tačiau savo savybėmis akivaizdžiai prastesnės nei niobio. Todėl jis vis dar kainuoja.

Uralo valstybinis kalnakasybos universitetas

Tema: niobio savybės

Grupė: M-13-3

Mokinys: Mokhnashin Nikita

1. Bendra informacija apie elementą

Fizikinės niobio savybės

Cheminės niobio savybės

Nemokamas niobis

Niobio oksidai ir jų druskos

Niobio junginiai

Pirmaujančios šalys niobio gamybos srityje

1. Bendra informacija apie elementą

Žmonija ilgą laiką buvo susipažinusi su elementu, kuris užima 41-ąją periodinės lentelės ląstelę. Dabartinis jo pavadinimas – niobis – beveik puse amžiaus jaunesnis. Taip atsitiko, kad elementas #41 buvo atidarytas du kartus. Pirmą kartą – 1801 metais anglų mokslininkas Charlesas Hatchet ištyrė tikrojo mineralo pavyzdį, atsiųstą į Britų muziejų iš Amerikos. Iš šio mineralo jis išskyrė anksčiau nežinomo elemento oksidą. Hatchet pavadino naująjį elementą kolumbiu, taip pažymėdamas jo užjūrio kilmę. O juodasis mineralas buvo vadinamas kolumbitu. Po metų švedų chemikas Ekebergas iš kolumbito išskyrė kito naujo elemento, vadinamo tantalu, oksidą. Kolumbijos ir tantalo junginių panašumas buvo toks didelis, kad 40 metų dauguma chemikų manė, kad tantalas ir kolumbis yra tas pats elementas.

1844 metais vokiečių chemikas Heinrichas Rose ištyrė Bavarijoje rastus kolumbito pavyzdžius. Jis vėl atrado dviejų metalų oksidus. Vienas iš jų buvo jau žinomo tantalo oksidas. Oksidai buvo panašūs, ir, pabrėždama jų panašumą, Rožė pavadino elementą, sudarantį antrąjį oksidą, niobio vardu, Niobės, mitologinio kankinio Tantalo dukters, vardu. Tačiau Rose, kaip ir Hatchet, negalėjo gauti šio elemento laisvoje būsenoje. Pirmą kartą metalinį niobį tik 1866 metais gavo švedų mokslininkas Blomstrandas, redukuodamas niobio chloridą vandeniliu. pabaigoje – XIX a. buvo rasti dar du būdai gauti šį elementą. Pirmiausia Moissan jį gavo elektrinėje krosnyje, redukuodamas niobio oksidą anglimi, o paskui Goldschmidtas sugebėjo tą patį elementą redukuoti aliuminiu. O elementas Nr.41 ir toliau įvairiose šalyse buvo vadinamas skirtingai: Anglijoje ir JAV – Kolumbija, kitose šalyse – niobiu. Tarptautinė grynosios ir taikomosios chemijos sąjunga (IUPAC) padėjo tašką šiam ginčui 1950 m. Nuspręsta visur įteisinti elemento pavadinimą „niobis“, o pagrindiniam niobio mineralui buvo suteiktas pavadinimas „kolumbitas“. Jo formulė yra (Fe, Mn) (Nb, Ta)2 APIE 6.

Neatsitiktinai niobis laikomas retu elementu: jis iš tiesų randamas retai ir nedideliais kiekiais, visada mineralų pavidalu ir niekada nebūdingas. Įdomi detalė: skirtinguose informaciniuose leidiniuose niobio klarkas (turinys žemės plutoje) skiriasi. Tai daugiausia paaiškinama tuo, kad pastaraisiais metais Afrikos šalyse buvo aptikti nauji mineralų, kuriuose yra niobio, telkiniai. Chemist's Handbook, tomas 1 (M., Chemistry, 1963), pateikiami tokie skaičiai: 3,2 10-5% (1939), 1 10-3% (1949) ir 2, 4,10-3% (1954). Tačiau naujausi skaičiai taip pat neįvertinti: pastaraisiais metais aptikti Afrikos telkiniai čia neįtraukti. Nepaisant to, manoma, kad iš jau žinomų telkinių mineralų galima išlydyti apie 1,5 mln. tonų metalinio niobio.

Fizikinės niobio savybės

Niobis yra blizgus sidabriškai pilkas metalas.

Elementinis niobis yra itin ugniai atsparus (2468°C) ir aukštai verdantis (4927°C) metalas, labai atsparus daugeliui agresyvių aplinkų. Visos rūgštys, išskyrus vandenilio fluorido rūgštį, jai neturi jokios įtakos. Oksiduojančios rūgštys „pasyvuoja“ niobį, padengdamos jį apsaugine oksido plėvele (Nr. 205). Tačiau esant aukštai temperatūrai, padidėja niobio cheminis aktyvumas. Jei 150...200°C temperatūroje oksiduojasi tik nedidelis paviršinis metalo sluoksnis, tai prie 900...1200°C oksido plėvelės storis žymiai padidėja.

Niobio kristalinė gardelė yra kūno centre, o parametras a = 3,294 Å.

Grynas metalas yra kalus ir gali būti susuktas į plonus lakštus (iki 0,01 mm storio) šaltoje būsenoje be tarpinio atkaitinimo.

Galima pastebėti tokias niobio savybes kaip aukšta lydymosi ir virimo temperatūra, mažesnė elektronų darbo funkcija, palyginti su kitais ugniai atspariais metalais – volframu ir molibdenu. Paskutinė savybė apibūdina elektronų emisijos (elektronų emisijos) galimybę, kuri naudojama naudojant niobį elektrinėje vakuuminėje technologijoje. Niobis taip pat turi aukštą perėjimo į superlaidžią būseną temperatūrą.

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

Įprastoje temperatūroje niobis yra stabilus ore. Kaitinamas metalas iki 200 - 300°C, pastebima oksidacijos pradžia (spalvos pakitimo plėvelė). Virš 500° greita oksidacija vyksta, kai susidaro Nb2 oksidas O 5.

Šilumos laidumas W/(m·K) esant 0°C ir 600°C yra atitinkamai 51,4 ir 56,2, o tas pats cal/(cm·sec·°C) yra 0,125 ir 0,156. Savitoji tūrinė elektrinė varža esant 0°C 15.22 10 -8omų m (15,22 10 -6omų cm). Perėjimo į superlaidžią būseną temperatūra yra 9,25 K. Niobis yra paramagnetinis. Elektronų darbo funkcija 4,01 eV.

Grynas niobis lengvai apdorojamas šaltu slėgiu ir išlaiko patenkinamas mechanines savybes esant aukštai temperatūrai. Jo tempiamasis stipris 20 ir 800 °C temperatūroje yra atitinkamai 342 ir 312 Mn/m 2, tas pats kgf / mm 234,2 ir 31,2; santykinis pailgėjimas 20 ir 800 °C temperatūroje yra atitinkamai 19,2 ir 20,7 %. Gryno niobio Brinelio kietumas yra 450, techninis 750-1800 Mn/m 2. Tam tikrų elementų, ypač vandenilio, azoto, anglies ir deguonies, priemaišos labai pablogina niobio elastingumą ir padidina jo kietumą.

3. Cheminės niobio savybės

Niobis ypač vertinamas dėl atsparumo neorganinėms ir organinėms medžiagoms.

Skiriasi metalo miltelių ir gabalėlių cheminis elgesys. Pastarasis yra stabilesnis. Metalai jai nedaro jokios įtakos, net kai kaitinami iki aukštos temperatūros. Skystieji šarminiai metalai ir jų lydiniai, bismutas, švinas, gyvsidabris, alavas gali ilgai liestis su niobu, nepakeisdami jo savybių. Netgi tokie stiprūs oksidatoriai kaip perchloro rūgštis, aqua regia, jau nekalbant apie azoto, sieros, druskos ir visų kitų, nieko negali padaryti. Šarminiai tirpalai taip pat neturi įtakos niobui.

Tačiau yra trys reagentai, galintys paversti metalą niobį cheminiais junginiais. Vienas iš jų yra šarminio metalo hidroksido lydalas:

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

Kiti du yra vandenilio fluorido rūgštis (HF) arba jos mišinys su azoto rūgštimi (HF+HNO). Tokiu atveju susidaro fluorido kompleksai, kurių sudėtis labai priklauso nuo reakcijos sąlygų. Bet kuriuo atveju elementas yra 2 arba 2 tipo anijono dalis.

Jei vartojate niobio miltelius, jis yra šiek tiek aktyvesnis. Pavyzdžiui, išlydytame natrio nitrate jis net užsidega, virsdamas oksidu. Kompaktiškas niobis pradeda oksiduotis kaitinant virš 200°C, o milteliai pasidengia oksido plėvele jau 150°C temperatūroje. Kartu pasireiškia viena iš nuostabių šio metalo savybių – jis išlaiko savo lankstumą.

Pjuvenų pavidalu, kai kaitinama virš 900°C, visiškai sudega iki Nb2O5. Energingai dega chloro sraute:

Nb + 5Cl2 = 2NbCl5

Kaitinamas, jis reaguoja su siera. Sunku legiruoti su dauguma metalų. Galbūt yra tik dvi išimtys: geležis, su kuria susidaro skirtingų santykių kieti tirpalai, ir aliuminis, kuriame yra junginys Al2Nb su niobu.

Kokios niobio savybės padeda jam atsispirti stipriausių oksiduojančių rūgščių poveikiui? Pasirodo, tai susiję ne su metalo savybėmis, o su jo oksidų savybėmis. Susilietus su oksiduojančiomis medžiagomis, ant metalo paviršiaus atsiranda plonas (todėl nepastebimas), bet labai tankus oksidų sluoksnis. Šis sluoksnis tampa neįveikiama kliūtimi oksiduojančios medžiagos kelyje į švarų metalinį paviršių. Pro jį gali prasiskverbti tik tam tikri cheminiai reagentai, ypač fluoro anijonas. Vadinasi, metalas iš esmės oksiduojamas, tačiau praktiškai oksidacijos rezultatai nematomi dėl plonos apsauginės plėvelės. Pasyvumas praskiestos sieros rūgšties atžvilgiu naudojamas kuriant kintamosios srovės lygintuvą. Jis suprojektuotas paprastai: platinos ir niobio plokštės panardinamos į 0,05 m sieros rūgšties tirpalą. Pasyvintos būsenos niobis gali pravesti srovę, jei tai neigiamas elektrodas – katodas, t.y. elektronai gali praeiti per oksido sluoksnį tik iš metalinės pusės. Elektronų išėjimo iš tirpalo kelias uždarytas. Todėl, kai per tokį įrenginį teka kintamoji srovė, praeina tik viena fazė, kurios anodas yra platina, o katodas – niobis.

niobio metalo halogenas

4. Niobis laisvoje būsenoje

Jis toks gražus, kad kažkada iš jo buvo bandoma gaminti papuošalus: savo šviesiai pilka spalva niobis primena platiną. Nepaisant aukštų lydymosi (2500°C) ir virimo (4840°C) temperatūros, iš jo galima lengvai pagaminti bet kokį gaminį. Metalas yra toks lankstus, kad jį galima apdoroti šaltyje. Labai svarbu, kad niobis išlaikytų savo mechanines savybes aukštoje temperatūroje. Tiesa, kaip ir vanadžio atveju, net ir nedidelės vandenilio, azoto, anglies ir deguonies priemaišos labai sumažina plastiškumą ir padidina kietumą. Niobis tampa trapus, kai temperatūra yra nuo -100 iki -200 °C.

Pastaraisiais metais naudojant technologijas tapo įmanoma gauti itin gryno ir kompaktiško niobio. Visas technologinis procesas yra sudėtingas ir daug darbo reikalaujantis. Iš esmės jis suskirstytas į 4 etapus:

1.koncentrato gavimas: ferroniobis arba ferotantaloniobis;

.koncentrato atidarymas – niobio (ir tantalo) pavertimas kai kuriais netirpiais junginiais, siekiant atskirti jį nuo didžiosios koncentrato dalies;

.niobio ir tantalo atskyrimas ir atskirų jų junginių gavimas;

.metalų gamyba ir rafinavimas.

Pirmieji du etapai yra gana paprasti ir įprasti, nors ir daug darbo reikalaujantys. Niobio ir tantalo atskyrimo laipsnį lemia trečioji pakopa. Noras gauti kuo daugiau niobio ir ypač tantalo privertė ieškoti naujausių atskyrimo būdų: selektyvaus ekstrahavimo, jonų mainų, šių elementų junginių rektifikavimo halogenais. Dėl to tantalo ir niobio oksidas arba pentachloridai gaunami atskirai. Paskutiniame etape naudojamas redukavimas anglimi (suodžiais) vandenilio srove 1800°C temperatūroje, po to temperatūra pakeliama iki 1900°C ir sumažinamas slėgis. Karbidas, susidaręs sąveikaujant su anglimi, reaguoja su Nb2O5:

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

ir atsiranda niobio milteliai. Jei atskyrus niobį nuo tantalo, gaunamas ne oksidas, o druska, tada jis apdorojamas metaliniu natriu 1000 ° C temperatūroje ir taip pat gaunamas niobio milteliai. Todėl toliau miltelius paverčiant kompaktišku monolitu, perlydymas atliekamas lankinėje krosnyje, o ypač gryno niobio pavieniams kristalams gauti naudojamas elektronų pluošto ir zoninis lydymas.

Niobio oksidai ir jų druskos

Junginių su deguonimi niobyje yra nedaug, žymiai mažiau nei vanadyje. Tai paaiškinama tuo, kad junginiuose, atitinkančiuose oksidacijos laipsnį +4, +3 ir +2, niobis yra itin nestabilus. Jei šio elemento atomas pradeda atsisakyti elektronų, tada jis linkęs atsisakyti visų penkių, kad atskleistų stabilią elektronų konfigūraciją.

Jei palygintume dviejų gretimų kaimynų – vanadžio ir niobio – tos pačios oksidacijos laipsnio jonus, rastume savybių padidėjimą metalų kryptimi. Nb2O5 oksido rūgštingumas yra pastebimai silpnesnis nei vanadžio (V) oksido. Ištirpęs jis nesudaro rūgšties. Tik susiliejus su šarmais ar karbonatais, atsiranda rūgštinės savybės:

O5 + 3Nа2СО3 = 2Nа3NbO4 + 3С02

Ši druska – natrio ortoniobatas – panaši į tas pačias ortofosforo ir ortovanado rūgščių druskas. Tačiau fosforo ir arseno orto forma yra stabiliausia, o bandymas gauti gryną ortoniobatą nepavyko. Kai lydinys apdorojamas vandeniu, išsiskiria ne Na3NbO4 druska, o NaNbO3 metaniobatas. Tai bespalviai, mažai tirpūs smulkiai kristaliniai milteliai šaltame vandenyje. Vadinasi, niobyje, esant didžiausiam oksidacijos laipsniui, stabilesnė yra ne orto-, o metaforma junginių.

Tarp kitų niobio (V) oksido junginių su baziniais oksidais žinomi pirorūgštis primenantys diniobatai K4Nb2O7 ir poliniobatai (kaip polifosforo ir polivanadžio rūgščių šešėlis) apytikslėmis formulėmis K7Nb5O16.nH2O ir K8NbH2O9.m. Minėtose druskose, atitinkančiose aukštesnįjį niobio oksidą, šis elementas yra anijono dalis. Šių druskų forma leidžia jas laikyti niobio dariniais. rūgštys Šių rūgščių negalima gauti grynos formos, nes jos gali būti laikomos oksidais, sujungtais su vandens molekulėmis. Pavyzdžiui, meta forma yra Nb2O5. H2O, o orgo forma yra Nb2O5. 3H2O. Kartu su tokio tipo junginiais niobis turi ir kitų, kur jis jau yra katijono dalis. Niobis nesudaro paprastų druskų, tokių kaip sulfatai, nitratai ir kt. Sąveikaujant su natrio vandenilio sulfatu NaHSO4 arba azoto oksidu N2O4, atsiranda medžiagų su sudėtingu katijonu: Nb2O2(SO4)3. Šiose druskose esantys katijonai primena vanadžio katijoną, tik tas skirtumas, kad čia jonas yra penkių krūvių, o vanadžio oksidacijos būsena vanadilo jone yra keturi. Tas pats katijonas NbO3+ yra įtrauktas į kai kurių kompleksinių druskų sudėtį. Nb2O5 oksidas gana lengvai tirpsta vandenilio fluorido rūgštyje. Iš tokių tirpalų galima išskirti K2 kompleksinę druską. H2O.

Remiantis nagrinėtomis reakcijomis, galime daryti išvadą, kad niobis, esantis aukščiausioje oksidacijos būsenoje, gali būti tiek anijonų, tiek katijonų dalis. Tai reiškia, kad penkiavalentis niobis yra amfoterinis, bet vis tiek turi reikšmingą rūgščių savybių vyravimą.

Yra keletas būdų, kaip gauti Nb2O5. Pirma, niobio sąveika su deguonimi kaitinant. Antra, niobio druskų kalcinavimas ore: sulfidas, nitridas arba karbidas. Trečia, labiausiai paplitęs būdas yra hidratų dehidratacija. Hidratuotas oksidas Nb2O5 nusodinamas iš vandeninių druskų tirpalų su koncentruotomis rūgštimis. xH2O. Tada, kai tirpalai praskiedžiami, susidaro baltos oksido nuosėdos. Nb2O5 xH2O nuosėdų dehidrataciją lydi šilumos išsiskyrimas. Visa masė įkaista. Taip atsitinka dėl amorfinio oksido virsmo kristaline forma. Niobio oksidas yra dviejų spalvų. Normaliomis sąlygomis jis yra baltas, tačiau kaitinant pagelsta. Tačiau kai tik oksidas atšaldomas, spalva išnyksta. Oksidas yra ugniai atsparus (lydymosi temperatūra = 1460°C) ir nelakus.

Žemesnės niobio oksidacijos laipsniai atitinka NbO2 ir NbO. Pirmasis iš šių dviejų yra juodos spalvos milteliai su mėlynu atspalviu. NbO2 gaunamas iš Nb2O5 pašalinant deguonį magniu arba vandeniliu maždaug tūkstančio laipsnių temperatūroje:

O5 + H2 = 2NbO2 + H2O

Ore šis junginys lengvai virsta aukštesniu oksidu Nb2O5. Jo pobūdis yra gana slaptas, nes oksidas netirpus nei vandenyje, nei rūgštyse. Tačiau jam priskiriamas rūgštinis pobūdis dėl sąveikos su karštu vandeniniu šarmu; tačiau šiuo atveju oksidacija įvyksta iki penkių krūvių jonų.

Atrodytų, kad vieno elektrono skirtumas nėra toks didelis, tačiau skirtingai nei Nb2O5, NbO2 oksidas praleidžia elektros srovę. Akivaizdu, kad šiame junginyje yra metalo ir metalo jungtis. Jei pasinaudosite šia kokybe, tada kaitinant stipria kintama srove galite priversti NbO2 atsisakyti deguonies.

Kai netenkama deguonies, NbO2 virsta NbO oksidu, o tada visas deguonis gana greitai atsiskiria. Mažai žinoma apie žemesnįjį niobio oksidą NbO. Jis turi metalinį blizgesį ir savo išvaizda yra panašus į metalą. Puikiai praleidžia elektrą. Žodžiu, jis elgiasi taip, tarsi jo sudėtyje iš viso nebūtų deguonies. Netgi, kaip ir įprastas metalas, kaitinant jis smarkiai reaguoja su chloru ir virsta oksichloridu:

2NbO + 3Cl2=2NbOCl3

Jis išstumia vandenilį iš druskos rūgšties (tarsi tai būtų visai ne oksidas, o metalas kaip cinkas):

NbO + 6HCl = 2NbOCl3 + 3H2

Gryną NbO galima gauti kalcinuojant jau minėtą kompleksinę druską K2 metaliniu natriu:

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

NbO oksido lydymosi temperatūra yra aukščiausia iš visų niobio oksidų – 1935°C. Norint išvalyti niobį iš deguonies, temperatūra padidinama iki 2300 - 2350°C, tada kartu su garavimu NbO skyla į deguonį ir metalą. Vyksta metalo rafinavimas (valymas).

Niobio junginiai

Pasakojimas apie elementą nebūtų baigtas, nepaminėjus jo junginių su halogenais, karbidais ir nitridais. Tai svarbu dėl dviejų priežasčių. Pirma, dėl fluoro kompleksų galima atskirti niobį nuo jo amžinojo palydovo tantalo. Antra, šie junginiai atskleidžia mums niobio, kaip metalo, savybes.

Halogenų sąveika su metaliniu niobu:

Nb + 5Cl2 = 2NbCl5 galima gauti, visi galimi niobio pentahalidai.

NbF5 pentafluoridas (lydymosi temperatūra = 76 °C) skystoje būsenoje ir garuose yra bespalvis. Kaip ir vanadžio pentafluoridas, skystoje būsenoje jis yra polimerinis. Niobio atomai yra sujungti vienas su kitu per fluoro atomus. Kieto pavidalo jo struktūra susideda iš keturių molekulių (2 pav.).

Ryžiai. 2. Kietos formos NbF5 ir TaF5 struktūra susideda iš keturių molekulių.

Vandenilio fluorido rūgšties H2F2 tirpaluose yra įvairių sudėtingų jonų:

H2F2 = H2;+ H2O = H2

Kalio druska K2. H2O yra svarbus atskiriant niobį nuo tantalo, nes, skirtingai nei tantalo druska, jis gerai tirpsta.

Likę niobio pentahalidai yra ryškios spalvos: NbCl5 geltona, NbBr5 violetinė-raudona, NbI2 ruda. Visi jie yra didingi, neskyla atitinkamo halogeno atmosferoje; poromis jie yra monomerai. Jų lydymosi ir virimo temperatūra padidėja, kai nuo chloro pereina prie bromo ir jodo. Kai kurie pentahalidų paruošimo būdai yra šie:

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

2NbCl5+5F22NbF5+5Cl2

Pentahalidai gerai tirpsta organiniuose tirpikliuose: eteryje, chloroforme, alkoholyje. Tačiau jie visiškai suskaidomi vandens – hidrolizuojami. Hidrolizės metu gaunamos dvi rūgštys - vandenilio halogeno rūgštis ir niobo rūgštis. Pavyzdžiui,

4H2O = 5HCl + H3NbO4

Kai hidrolizė yra nepageidautina, įvedama šiek tiek stiprios rūgšties ir aukščiau aprašyto proceso pusiausvyra pasislenka link NbCl5. Šiuo atveju pentahalidas ištirpsta be hidrolizės,

Ypatingą metalurgų dėkingumą pelnė niobio karbidas. Bet kuriame pliene yra anglies; niobis, sujungdamas jį į karbidą, pagerina legiruotojo plieno kokybę. Paprastai, suvirinant nerūdijantį plieną, suvirinimo siūlė turi mažesnį stiprumą. 200 g niobio įvedimas į toną padeda ištaisyti šį trūkumą. Kaitinamas, niobis, prieš visus kitus plieno metalus, sudaro junginį su anglies karbidu. Šis junginys yra gana plastiškas ir tuo pačiu gali atlaikyti iki 3500°C temperatūrą. Pakanka vos pusės milimetro storio karbido sluoksnio, kad apsaugotų metalus ir, kas ypač vertinga, grafitą nuo korozijos. Karbidą galima gauti kaitinant metalą arba niobio (V) oksidą anglies arba anglies turinčiomis dujomis (CH4, CO).

Niobio nitridas yra junginys, kurio verdant neveikia jokios rūgštys ir net „regia degtinė“; atsparus vandeniui. Vienintelis dalykas, su kuriuo galima priversti bendrauti, yra verdantis šarmas. Tokiu atveju jis suyra, išskirdamas amoniaką.

NbN nitridas yra šviesiai pilkas su gelsvu atspalviu. Jis yra atsparus ugniai (temp. 2300 °C), turi puikią savybę – esant absoliučiam nuliui artimai temperatūrai (15,6 K, arba -267,4 °C), turi superlaidumą.

Iš junginių, kurių sudėtyje yra žemesnės oksidacijos niobio, geriausiai žinomi halogenidai. Visi žemesni halogenidai yra tamsios kristalinės kietosios medžiagos (nuo tamsiai raudonos iki juodos). Jų stabilumas mažėja, kai mažėja metalo oksidacijos būsena.

Niobio panaudojimas įvairiose pramonės šakose

Niobio taikymas metalų legiravimui

Niobiu legiruotas plienas turi gerą atsparumą korozijai. Chromas taip pat padidina plieno atsparumą korozijai ir yra daug pigesnis nei niobis. Šis skaitytojas yra teisus ir neteisingas tuo pačiu metu. Aš klystu, nes pamiršau vieną dalyką.

Chromo-nikelio pliene, kaip ir bet kuriame kitame, visada yra anglies. Tačiau anglis jungiasi su chromu ir sudaro karbidą, dėl kurio plienas tampa trapesnis. Niobis turi didesnį afinitetą anglies atžvilgiu nei chromas. Todėl, kai į plieną dedama niobio, būtinai susidaro niobio karbidas. Plienas, legiruotas su niobu, įgauna aukštas antikorozines savybes ir nepraranda savo lankstumo. Norimas efektas pasiekiamas, kai į toną plieno įdedama tik 200 g niobio metalo. O niobis chromo-mangano plienui suteikia didelį atsparumą dilimui.

Daugelis spalvotųjų metalų taip pat legiruojami su niobu. Taigi šarmuose lengvai tirpstantis aliuminis su jais nereaguoja, jei į jį dedama tik 0,05 % niobio. O varis, žinomas dėl savo minkštumo, ir daugelis jo lydinių, atrodo, yra sukietinti niobio. Tai padidina metalų, tokių kaip titanas, molibdenas, cirkonis, stiprumą ir tuo pačiu padidina jų atsparumą karščiui ir atsparumą karščiui.

Dabar niobio savybes ir galimybes vertina aviacija, mechaninė inžinerija, radiotechnika, chemijos pramonė, branduolinė energetika. Visi jie tapo niobio vartotojais.

Unikali savybė – pastebimos niobio sąveikos su uranu nebuvimas esant temperatūrai iki 1100°C ir, be to, geras šilumos laidumas, mažas efektyvus šiluminių neutronų sugerties skerspjūvis – padarė niobį rimtu konkurentu branduolyje pripažintiems metalams. pramonė – aliuminis, berilis ir cirkonis. Be to, dirbtinis (sukeltas) niobio radioaktyvumas yra mažas. Todėl iš jo galima gaminti radioaktyviosioms atliekoms saugoti skirtus konteinerius arba jų naudojimo įrenginius.

Chemijos pramonėje niobio suvartojama palyginti nedaug, tačiau tai galima paaiškinti tik jo trūkumu. Įranga, skirta didelio grynumo rūgštims gaminti, kartais gaminama iš niobio turinčių lydinių, o rečiau – iš niobio lakštų. Niobio gebėjimas paveikti tam tikrų cheminių reakcijų greitį naudojamas, pavyzdžiui, sintezuojant alkoholį iš butadieno.

41 elemento vartotojais tapo ir raketų bei kosmoso technologijos. Ne paslaptis, kad kai kurie šio elemento kiekiai jau sukasi artimose Žemės orbitose. Kai kurios raketų dalys ir dirbtinių Žemės palydovų įranga yra pagamintos iš niobio turinčių lydinių ir gryno niobio.

Niobio naudojimas kitose pramonės šakose

„Karštos detalės“ (t. y. šildomos dalys) gaminamos iš niobio lakštų ir strypų – anodų, tinklelių, netiesiogiai šildomų katodų ir kitų elektroninių lempų dalių, ypač galingų generatorių.

Be gryno metalo, tiems patiems tikslams naudojami ir tantalono-bio lydiniai.

Niobis buvo naudojamas elektrolitiniams kondensatoriams ir srovės lygintuvams gaminti. Čia naudojamas niobio gebėjimas sudaryti stabilią oksido plėvelę anodinės oksidacijos metu. Oksido plėvelė yra stabili rūgštiniuose elektrolituose ir praleidžia srovę tik kryptimi nuo elektrolito iki metalo. Niobio kondensatoriai su kietu elektrolitu pasižymi dideliu pajėgumu, mažais matmenimis ir dideliu izoliacijos varža.

Niobio kondensatorių elementai gaminami iš plonos folijos arba akytų plokščių, presuotų iš metalo miltelių.

Dėl niobio atsparumo korozijai rūgštyse ir kitose terpėse, kartu su dideliu šilumos laidumu ir lankstumu, jis yra vertinga chemijos ir metalurgijos pramonės įrangos konstrukcinė medžiaga. Niobis pasižymi savybių deriniu, atitinkančiu branduolinės energijos reikalavimus konstrukcinėms medžiagoms.

Iki 900°C niobis silpnai sąveikauja su uranu ir yra tinkamas jėgainių reaktorių urano kuro elementų apsauginiams apvalkalams gaminti. Šiuo atveju galima naudoti skystus metalinius aušinimo skysčius: natrį arba natrio ir kalio lydinį, su kuriuo niobis nesąveikauja iki 600°C. Siekiant padidinti urano kuro elementų patvarumą, uranas yra legiruotas niobu (~ 7% niobio). Niobio priedas stabilizuoja apsauginę oksido plėvelę ant urano, todėl padidėja jo atsparumas vandens garams.

Niobis yra įvairių karščiui atsparių lydinių, skirtų reaktyvinių variklių dujų turbinoms, sudedamoji dalis. Molibdeno, titano, cirkonio, aliuminio ir vario legiravimas su niobu žymiai pagerina šių metalų, taip pat jų lydinių, savybes. Yra karščiui atsparių lydinių, kurių pagrindą sudaro niobis, kaip reaktyvinių variklių ir raketų dalių konstrukcinė medžiaga (turbinų menčių, sparnų priekinių briaunų, orlaivių ir raketų priekinių galų, raketų apvalkalų gamyba). Niobis ir jo pagrindu pagaminti lydiniai gali būti naudojami 1000 - 1200°C darbinėje temperatūroje.

Niobio karbidas yra kai kurių rūšių volframo karbido karbido, naudojamo plienui pjauti, dalis.

Niobis plačiai naudojamas kaip legiravimo priedas plienuose. Pridėjus niobio 6–10 kartų daugiau nei anglies kiekis pliene, pašalinama nerūdijančio plieno tarpkristalinė korozija ir apsaugomos suvirinimo siūlės nuo sunaikinimo.

Niobio taip pat dedama į įvairius karščiui atsparius plienus (pavyzdžiui, dujų turbinoms), taip pat į įrankinį ir magnetinį plieną.

Niobis į plieną įtraukiamas lydinyje su geležimi (feroniobiu), kuriame yra iki 60 % Nb. Be to, ferotantaloniobis naudojamas skirtingais tantalo ir niobio santykiais ferolydinyje.

Organinėje sintezėje kai kurie niobio junginiai (fluorido kompleksinės druskos, oksidai) naudojami kaip katalizatoriai.

Sparčiai didėja niobio naudojimas ir gamyba, o tai lemia tokių savybių derinys kaip atsparumas ugniai, mažas skerspjūvis šiluminiam neutronų surinkimui, gebėjimas formuoti karščiui atsparius, superlaidžius ir kitus lydinius, atsparumas korozijai, geterio savybės, maža elektronų darbo funkcija, geras apdirbamumas esant šaltam slėgiui ir suvirinamumas. Pagrindinės niobio panaudojimo sritys yra: raketų, aviacijos ir kosmoso technologijos, radijo inžinerija, elektronika, chemijos inžinerija, branduolinė energetika.

Metalinio niobio panaudojimas

Orlaivių dalys gaminamos iš gryno niobio arba jo lydinių; urano ir plutonio kuro elementų apvalkalai; konteineriai ir vamzdžiai; skystiems metalams; elektrolitinių kondensatorių dalys; „karšta“ elektroninių (radarų įrenginių) ir galingų generatorių lempų (anodai, katodai, tinkleliai ir kt.) armatūra; korozijai atspari įranga chemijos pramonėje.

Kiti spalvotieji metalai, įskaitant uraną, yra legiruojami niobu.

Niobis naudojamas kriotronuose – superlaidžiuose kompiuterių elementuose. Niobis taip pat žinomas dėl savo naudojimo greitinančiose Didžiojo hadronų greitintuvo struktūrose.

Tarpmetaliniai junginiai ir niobio lydiniai

Superlaidžių solenoidų gamybai naudojamas Nb3Sn stanidas ir niobio lydiniai su titanu ir cirkoniu.

Niobis ir lydiniai su tantalu daugeliu atvejų pakeičia tantalą, o tai duoda didelį ekonominį efektą (niobis yra pigesnis ir beveik dvigubai lengvesnis už tantalą).

Ferroniobis įterpiamas į nerūdijantį chromo-nikelio plieną, kad būtų išvengta jų tarpkristalinės korozijos ir sunaikinimo, ir į kitų rūšių plieną, siekiant pagerinti jų savybes.

Niobis naudojamas kolekcinių monetų kalimui. Taigi Latvijos bankas teigia, kad 1 lato kolekcinėse monetose kartu su sidabru naudojamas niobis.

Niobio junginių O5 katalizatoriaus taikymas chemijos pramonėje;

ugniai atsparių medžiagų, kermetų, specialiųjų gaminių gamyboje. stiklas, nitridas, karbidas, niobatai.

Niobio karbidas (temp. 3480 °C), legiruotas su cirkonio karbidu ir urano-235 karbidu, yra svarbiausia kietosios fazės branduolinių reaktyvinių variklių kuro strypų konstrukcinė medžiaga.

Niobio nitridas NbN naudojamas plonoms ir itin plonoms superlaidžioms plėvelėms, kurių kritinė temperatūra yra nuo 5 iki 10 K, su siauru 0,1 K dydžio perėjimu gaminti.

Niobis medicinoje

Didelis niobio atsparumas korozijai leido jį naudoti medicinoje. Niobio siūlai nedirgina gyvų audinių ir gerai prie jų prilimpa. Rekonstrukcinė chirurgija tokiais siūlais sėkmingai panaudojo plyšusias sausgysles, kraujagysles ir net nervus.

Taikymas papuošaluose

Niobis ne tik turi aibę technologijoms būtinų savybių, bet ir atrodo gana gražiai. Šį baltą blizgantį metalą juvelyrai bandė panaudoti laikrodžių korpusams gaminti. Niobio lydiniai su volframu ar reniu kartais pakeičia tauriuosius metalus: auksą, platiną, iridį. Pastarasis yra ypač svarbus, nes niobio ir renio lydinys ne tik išoriškai panašus į metalinį iridį, bet yra beveik toks pat atsparus dilimui. Tai leido kai kurioms šalims apsieiti be brangaus iridžio gaminant plunksnakočių antgalių litavimo antgalius.

Niobio kasyba Rusijoje

Pastaraisiais metais pasaulinė niobio gamyba siekė 24–29 tūkst. tonų. Reikia pažymėti, kad pasaulinę niobio rinką ženkliai monopolizuoja Brazilijos įmonė SVMM, kuri pagamina apie 85% pasaulio niobio produkcijos.

Pagrindinis niobio turinčių produktų (tai visų pirma apima feroniobį) vartotojas yra Japonija. Ši šalis kasmet iš Brazilijos importuoja per 4 tūkst. tonų feroniobio. Todėl niobio turinčių produktų Japonijos importo kainas galima drąsiai vertinti kaip artimas pasaulio vidurkiui. Pastaraisiais metais pastebima tendencija, kad ferroniobio kainos kyla. Taip yra dėl to, kad jis vis dažniau naudojamas mažai legiruoto plieno, daugiausia skirto naftos ir dujotiekiams, gamybai. Apskritai reikia pažymėti, kad per pastaruosius 15 metų pasaulinis niobio suvartojimas kasmet išaugo vidutiniškai 4-5%.

Apgailestaudami turime pripažinti, kad Rusija yra niobio rinkos nuošalyje. Dešimtojo dešimtmečio pradžioje, Giredmet specialistų teigimu, buvusioje SSRS buvo pagaminta ir sunaudota apie 2 tūkst. tonų niobio (niobio oksido). Šiuo metu Rusijos pramonės niobio produktų suvartojimas neviršija 100 - 200 tonų. Pažymėtina, kad buvusioje SSRS buvo sukurti dideli niobio gamybos pajėgumai, išsibarstę po įvairias respublikas – Rusiją, Estiją, Kazachstaną. Dėl šios tradicinės SSRS pramonės plėtros ypatybės Rusija dabar atsidūrė labai sudėtingoje padėtyje dėl daugelio rūšių žaliavų ir metalų. Niobio rinka prasideda nuo niobio turinčių žaliavų gamybos. Pagrindinė jo rūšis Rusijoje buvo ir išlieka loparito koncentratas, pagamintas Lovozersky GOK (dabar Sevredmet UAB, Murmansko sritis). Iki SSRS žlugimo įmonė pagamino apie 23 tūkst. tonų loparito koncentrato (niobio oksido kiekis yra apie 8,5%). Vėliau koncentratų gamyba nuolat mažėjo, 1996-1998 m. Įmonė kelis kartus sustojo dėl pardavimų trūkumo. Šiuo metu skaičiuojama, kad įmonėje loparito koncentrato pagaminama 700-800 tonų per mėnesį.

Reikėtų pažymėti, kad įmonė yra gana griežtai susieta su vieninteliu savo vartotoju - Solikamsko magnio gamykla. Faktas yra tas, kad loparito koncentratas yra gana specifinis produktas, gaunamas tik Rusijoje. Jo apdirbimo technologija yra gana sudėtinga dėl jame esančių retųjų metalų komplekso (niobio, tantalo, titano). Be to, koncentratas yra radioaktyvus, todėl iš esmės visi bandymai su šiuo produktu patekti į pasaulinę rinką baigėsi bergždžiais. Taip pat reikia pažymėti, kad iš loparito koncentrato feroniobio gauti neįmanoma. 2000 m. Sevredmet gamykloje Rosredmet kompanija pradėjo eksperimentinį loparito koncentrato perdirbimo įrenginį, skirtą gaminti, be kitų metalų, komercinius niobio turinčius produktus (niobio oksidą).

Pagrindinės SMZ niobio produktų rinkos yra ne NVS šalys: pristatomos į JAV, Japoniją ir Europos šalis. Eksporto dalis visoje gamyboje viršija 90 proc. Reikšmingi niobio gamybos pajėgumai SSRS buvo sutelkti Estijoje – Silamos chemijos ir metalurgijos gamybos asociacijoje (Sillamae). Dabar Estijos įmonė vadinasi Silmet. Tarybiniais laikais įmonė nuo 1992 m. perdirbo loparito koncentratą iš Lovoozersko kasybos ir perdirbimo, jo gabenimas buvo sustabdytas. Šiuo metu „Silmet“ apdoroja tik nedidelį niobio hidroksido kiekį iš Solikamsko magnio gamyklos. Šiuo metu bendrovė didžiąją dalį niobio turinčių žaliavų gauna iš Brazilijos ir Nigerijos. Įmonės vadovybė neatmeta loparito koncentrato tiekimo, tačiau „Sevredmet“ bando vykdyti jo perdirbimo vietoje politiką, nes eksportuoti žaliavas yra mažiau pelninga nei gatavą produkciją.

Mokymas

Reikia pagalbos studijuojant temą?

Mūsų specialistai patars arba teiks kuravimo paslaugas Jus dominančiomis temomis.
Pateikite savo paraišką nurodydami temą dabar, kad sužinotumėte apie galimybę gauti konsultaciją.

Yra gana daug elementų, kurie, derinami su kitomis medžiagomis, sudaro lydinius, pasižyminčius ypatingomis eksploatacinėmis savybėmis. Pavyzdys yra niobis, elementas, kuris pirmą kartą buvo vadinamas „kolumbu“ (pagal upės, kurioje jis pirmą kartą buvo rastas, pavadinimo), bet vėliau buvo pervadintas. Niobis yra gana neįprastų savybių metalas, kurį plačiau aptarsime vėliau.

Elemento gavimas

Vertinant niobio savybes, reikia pažymėti, kad šio metalo kiekis tonoje uolienų yra palyginti mažas, maždaug 18 gramų. Būtent todėl po jo atradimo metalą buvo bandoma gauti dirbtinai. Dėl panašios cheminės sudėties ši medžiaga dažnai kasama kartu su tantalu.

Niobio telkiniai yra beveik visame pasaulyje. Pavyzdžiui, kasyklos Konge, Ruandoje, Brazilijoje ir daugelyje kitų šalių. Tačiau šis elementas negali būti vadinamas plačiai paplitęs daugelyje regionų, jis praktiškai nerandamas net mažomis koncentracijomis.

Palyginti mažą medžiagos koncentraciją žemės uolienoje apsunkina sunkumai, su kuriais susiduriama ją išgaunant iš koncentrato. Verta manyti, kad NBS niobio galima gauti tik iš tantalo prisotintos uolienos. Gamybos proceso ypatybės yra šios:

Pirmiausia į gamyklą tiekiama koncentruota rūda, kuri pereina kelis valymo etapus. Gaminant niobį, susidariusi rūda yra padalinama į grynus elementus, įskaitant tantalą.
Galutinis apdorojimo procesas apima metalo rafinavimą.

Nepaisant sunkumų, su kuriais susiduriama išgaunant ir apdorojant nagrinėjamą rūdą, kiekvienais metais aptariamo lydinio gamybos apimtis labai didėja. Taip yra dėl to, kad metalas pasižymi išskirtinėmis eksploatacinėmis savybėmis ir yra plačiai naudojamas įvairiose pramonės šakose.

Niobio oksidai

Aptariamas cheminis elementas gali tapti įvairių junginių pagrindu. Labiausiai paplitęs yra niobio pentoksidas. Tarp šio ryšio savybių galima pastebėti šiuos dalykus:

Niobio oksidas yra balti kristaliniai milteliai, turintys kreminį atspalvį.
Medžiaga netirpsta vandenyje.
Susidariusi medžiaga išlaiko savo struktūrą, kai sumaišoma su dauguma rūgščių.

Niobio pentoksido savybės taip pat apima šias savybes:

Padidėjusi jėga.
Didelis atsparumas ugniai. Medžiaga gali atlaikyti iki 1490 laipsnių Celsijaus temperatūrą.
Kaitinamas paviršius oksiduojasi.
Reaguoja į chlorą ir gali būti redukuojamas vandeniliu.

Daugeliu atvejų niobio hidroksidas naudojamas labai legiruoto plieno rūšims, kurios pasižymi gana patraukliomis eksploatacinėmis savybėmis, gaminti.

Fizinės ir cheminės savybės

Niobis pasižymi panašiomis cheminėmis savybėmis kaip tantalo. Svarstydami pagrindines niobio savybes, turite atkreipti dėmesį į šiuos dalykus:

Atsparus įvairių tipų korozijai. Lydiniai, gauti įvedus šį elementą į kompoziciją, pasižymi aukštomis korozijai atspariomis savybėmis.
Aptariamas cheminis elementas pasižymi aukšta lydymosi temperatūra. Kaip rodo praktika, daugumos lydinių lydymosi temperatūra yra didesnė nei 1400 laipsnių Celsijaus. tai apsunkina apdirbimo procesą, tačiau metalai tampa nepakeičiami įvairiose veiklos srityse.
Pagrindinėms fizinėms savybėms taip pat būdingas gautų lydinių suvirinimo paprastumas.
Esant minusinei temperatūrai, elemento struktūra išlieka praktiškai nepakitusi, o tai leidžia išsaugoti metalo eksploatacines savybes.
Ypatinga niobio atomo struktūra lemia medžiagos superlaidžias savybes.
Atominė masė yra 92,9, valentingumas priklauso nuo kompozicijos savybių.

Pagrindinis medžiagos pranašumas yra jos atsparumas ugniai. Štai kodėl jis buvo pradėtas naudoti įvairiose pramonės šakose. Medžiaga lydosi maždaug 2500 laipsnių Celsijaus temperatūroje. Kai kurie lydiniai net išsilydo esant rekordinei 4500 laipsnių Celsijaus temperatūrai. Medžiagos tankis yra gana didelis, 8,57 gramo kubiniame centimetre. Verta manyti, kad metalui būdingas paramagnetiškumas.

Šios rūgštys neturi įtakos kristalinei gardelei:

sieros;
druskos;
fosforo;
chloro

Neveikia metalo ir vandeninių chloro tirpalų. Tam tikru poveikiu metalui ant jo paviršiaus susidaro dielektrinio oksido plėvelė. Būtent todėl metalas pradėtas naudoti gaminant miniatiūrinius didelės talpos kondensatorius, kurie taip pat gaminami iš brangesnio tantalo.

Niobio panaudojimas

Gaminama daug įvairių niobio gaminių, kurių dauguma siejami su orlaivių gamyba. Pavyzdys yra niobio naudojimas gaminant dalis, kurios sumontuotos raketų ar orlaivių surinkimo metu. Be to, galima išskirti šiuos šio elemento naudojimo būdus:

Elementų, iš kurių gaminami radarų įrenginiai, gamyba.
Kaip minėta anksčiau, aptariamas lydinys gali būti naudojamas pigesniems talpiniams elektriniams kondensatoriams gaminti.
Katodai ir anodai iš folijos taip pat gaminami naudojant atitinkamą elementą, kuris yra susijęs su dideliu atsparumu karščiui.
Dažnai galite rasti galingų generatorių lempų, kurių viduje yra tinklelis. Kad šis tinklelis atlaikytų aukštą temperatūrą, jis pagamintas iš atitinkamo lydinio.

Aukštos fizinės ir cheminės savybės lemia niobio panaudojimą vamzdžių, skirtų skystiems metalams transportuoti, gamyboje. Be to, lydiniai naudojami įvairios paskirties konteineriams gaminti.

Lydiniai su niobu

Kalbant apie tokius lydinius, reikia atsižvelgti į tai, kad šis elementas dažnai naudojamas ferroniobio gamybai. Ši medžiaga plačiai naudojama liejyklų pramonėje, taip pat elektroninių dangų gamyboje. Apima:

geležies;
niobis su tantalu;
silicio;
aliuminio;
anglis;
siera;
fosforo;
titano.

Pagrindinių elementų koncentracija gali skirtis gana plačiame diapazone, o tai lemia medžiagos eksploatacines savybes.

Alternatyvus ferroniobio lydinys gali būti vadinamas niobio 5VMC. Jį gaminant kaip legiravimo elementai naudojami volframas, cirkonis ir molibdenas. Dažniausiai ši derva naudojama pusgaminiams gaminti.

Baigdami pažymime, kad kai kuriose šalyse niobis naudojamas monetoms gaminti. Taip yra dėl gana didelės medžiagos kainos. Masiškai gaminant lydinius, kurių pagrindinis elementas yra niobis, sukuriami unikalūs luitai.

Niobio taikymas metalų legiravimui

Dabar niobio savybes ir galimybes vertina aviacija, mechaninė inžinerija, radiotechnika, chemijos pramonė, branduolinė energetika. Visi jie tapo niobio vartotojais.

Niobio naudojimas kitose pramonės šakose

Be gryno metalo, tiems patiems tikslams naudojami ir tantalono-bio lydiniai.

Niobis buvo naudojamas elektrolitiniams kondensatoriams ir srovės lygintuvams gaminti. Čia naudojamas niobio gebėjimas sudaryti stabilią oksido plėvelę anodinės oksidacijos metu. Oksido plėvelė yra stabili rūgštiniuose elektrolituose ir praleidžia srovę tik kryptimi iš elektrolito į metalą. Niobio kondensatoriai su kietu elektrolitu pasižymi dideliu pajėgumu, mažais matmenimis ir dideliu izoliacijos varža.

Niobio kondensatorių elementai gaminami iš plonos folijos arba iš metalo miltelių presuotų akytų plokščių.

Niobio karbidas yra kai kurių rūšių volframo karbido karbido, naudojamo plienui pjauti, dalis.

Niobio taip pat dedama į įvairius karščiui atsparius plienus (pavyzdžiui, dujų turbinoms), taip pat į įrankinį ir magnetinį plieną.

Niobis į plieną įtraukiamas lydinyje su geležimi (feroniobiu), kuriame yra iki 60 % Nb. Be to, ferotantaloniobis naudojamas skirtingais tantalo ir niobio santykiais ferolydinyje.

Organinėje sintezėje kai kurie niobio junginiai (fluorido kompleksinės druskos, oksidai) naudojami kaip katalizatoriai.

Metalinio niobio panaudojimas

Orlaivių dalys gaminamos iš gryno niobio arba jo lydinių; urano ir plutonio kuro elementų apvalkalai; konteineriai ir vamzdžiai; skystiems metalams; elektrolitinių kondensatorių dalys; „karšta“ elektroninių (radarų įrenginių) ir galingų generatorių lempų (anodai, katodai, tinkleliai ir kt.) armatūra; korozijai atspari įranga chemijos pramonėje.
Kiti spalvotieji metalai, įskaitant uraną, yra legiruojami niobu.
Niobis naudojamas kriotronuose – superlaidžiuose kompiuterių elementuose. Niobis taip pat žinomas dėl savo naudojimo greitinančiose Didžiojo hadronų greitintuvo struktūrose.

Tarpmetaliniai junginiai ir niobio lydiniai

Superlaidžių solenoidų gamybai naudojamas Nb 3 Sn stanidas ir niobio lydiniai su titanu ir cirkoniu.
Niobis ir lydiniai su tantalu daugeliu atvejų pakeičia tantalą, o tai duoda didelį ekonominį efektą (niobis yra pigesnis ir beveik dvigubai lengvesnis už tantalą).
Ferroniobis įterpiamas į nerūdijantį chromo-nikelio plieną, kad būtų išvengta jų tarpkristalinės korozijos ir sunaikinimo, ir į kitų rūšių plieną, siekiant pagerinti jų savybes.
Niobis naudojamas kolekcinių monetų kalimui. Taigi Latvijos bankas teigia, kad 1 lato kolekcinėse monetose kartu su sidabru naudojamas niobis.

Niobio junginių taikymas

Nb 2 O 5 katalizatorius chemijos pramonėje;
ugniai atsparių medžiagų, kermetų, specialiųjų gaminių gamyboje. stiklas, nitridas, karbidas, niobatai.
Niobio karbidas (temp. 3480 °C), legiruotas su cirkonio karbidu ir urano-235 karbidu, yra svarbiausia kietosios fazės branduolinių reaktyvinių variklių kuro strypų konstrukcinė medžiaga.
Niobio nitridas NbN naudojamas plonoms ir itin plonoms superlaidžioms plėvelėms, kurių kritinė temperatūra yra nuo 5 iki 10 K, su siauru 0,1 K dydžio perėjimu gaminti.

Niobis medicinoje

Taikymas papuošaluose

Niobis ne tik turi aibę technologijoms būtinų savybių, bet ir atrodo gana gražiai. Šį baltą blizgantį metalą juvelyrai bandė panaudoti laikrodžių korpusams gaminti. Niobio lydiniai su volframu ar reniu kartais pakeičia tauriuosius metalus: auksą, platiną, iridį. Pastarasis yra ypač svarbus, nes niobio-renio lydinys ne tik atrodo panašus į metalinį iridį, bet yra beveik toks pat atsparus dilimui. Tai leido kai kurioms šalims apsieiti be brangaus iridžio gaminant plunksnakočių antgalių litavimo antgalius.

Niobis kaip pirmosios kartos superlaidi medžiaga

Nuostabų superlaidumo reiškinį, kai mažėjant laidininko temperatūrai jame staiga išnyksta elektrinė varža, pirmą kartą pastebėjo olandų fizikas G. Kamerlinghas Onnesas 1911 m. Pirmasis superlaidininkas buvo gyvsidabris, bet ne jis, o niobis ir kai kurie intermetaliniai niobio junginiai turėjo tapti pirmosiomis techniškai svarbiomis superlaidžiomis medžiagomis.

Praktiškai svarbios dvi superlaidininkų charakteristikos: kritinės temperatūros, kuriai esant vyksta perėjimas į superlaidumo būseną, reikšmė ir kritinis magnetinis laukas (Kamerlingh Onnes taip pat pastebėjo, kad superlaidininkas praranda superlaidumą, kai jį veikia pakankamai stiprus magnetinis laukas ). 1975 m. intermetalinis niobio ir germanio junginys, kurio sudėtis Nb 3 Ge, tapo aukščiausios kritinės temperatūros rekordininku. Jo kritinė temperatūra yra 23,2°K; Tai yra aukštesnė nei vandenilio virimo temperatūra. (Dauguma žinomų superlaidininkų superlaidininkais tampa tik esant skysto helio temperatūrai).

Gebėjimas pereiti į superlaidumo būseną taip pat būdingas niobio stanidui Nb 3 Sn, niobio lydiniams su aliuminiu ir germaniu arba su titanu ir cirkoniu. Visi šie lydiniai ir junginiai jau naudojami superlaidžių solenoidų, taip pat kai kurių kitų svarbių techninių prietaisų gamybai.

Vienas iš aktyviai naudojamų superlaidininkų (superlaidumo pereinamoji temperatūra 9,25 K). Niobio junginių superlaidumo pereinamoji temperatūra yra iki 23,2 K (Nb 3 Ge).
Dažniausiai naudojami pramoniniai superlaidininkai yra NbTi ir Nb 3 Sn.
Niobis taip pat naudojamas magnetiniuose lydiniuose.
Naudojamas kaip legiravimo priedas.
Niobio nitridas naudojamas superlaidžių bolometrų gamybai.

Dėl išskirtinio niobio ir jo lydinių su tantalu atsparumo perkaitintuose cezio-133 garuose jis yra viena iš labiausiai pageidaujamų ir pigiausių konstrukcinių medžiagų didelės galios termoelektriniams generatoriams.