2.1.5. Ниобий

Ниобий – химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 41, атомная масса 92.9064; металл серо-стального цвета. Элемент имеет один природный изотоп ⁹³Nb.

Физические свойства. Кристаллическая решетка ниобия объемноцентрированная кубическая с параметром а = 3.294 Å. Удельное объемное электрическое сопротивление при 0°С – 15.22·10^–8 Ом·м. Температура перехода в сверхпроводящее состояние – 9.25 К. Ниобий парамагнитен.

Чистый ниобий легко обрабатывается давлением на холоду и сохраняет удовлетворительные механические свойства при высоких температурах. Его предел прочности при 20 и 800 °С соответственно равен 342 и 312 Мн/м²; относительное удлинение при 20 и 800 °С соответственно 19.2 и 20.7%. Твердость чистого ниобия по Бринеллю 450, технического 750…1800 Mн/м². Примеси некоторых элементов, особенно водорода, азота, углерода и кислорода, сильно ухудшают пластичность и повышают твердость ниобия.

Химические свойства. По химические свойствам ниобий близок к танталу. Оба они чрезвычайно устойчивы (тантал более чем ниобий) на холоду и при небольшом нагревании к действию многих агрессивных сред. Компактный ниобий заметно окисляется на воздухе только выше 200 °С. На ниобий действуют: хлор выше 200 °С, водород при 250 °С (интенсивно при 360 °С), азот при 400 °С. Практически не действуют на ниобий очищенные от примеси кислорода жидкие Na, К и их сплавы, Li, Bi, Pb, Hg, Sn, применяемые в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах.

Ниобий устойчив к действию многих кислот и растворов солей. На него не действуют царская водка, соляная и серная кислоты при 20 °С, азотная, фосфорная, хлорная кислоты, водные растворы аммиака. Плавиковая кислота, ее смесь с азотной кислотой и щелочи растворяют Ниобий. В кислых электролитах на ниобии образуется анодная оксидая пленка с высокими диэлектрическими характеристиками, что позволяет использовать ниобий и его сплавы с Та взамен дефицитного чистого Та для изготовления миниатюрных электролитических конденсаторов большой емкости с малыми токами утечки.

Конфигурация внешних электронов атома Nb 4d⁴5s^l. Наиболее устойчивы соединения пятивалентного ниобия, но известны и соединения со степенями окисления + 4, +3, +2 и +1, к образованию которых ниобий склонен более, чем тантал. Например, в системе ниобий-кислород установлены фазы: оксид Nb₂O₅ (t_пл = 1512 °С, цвет белый), нестехеометрические NbO_2,47 и NbO_2,42, оксид NbO₂ (t_пл = 2080 °С, цвет черный), оксид NbO (t_пл = 1935 °С, цвет серый) и твердый раствор кислорода в ниобии. NbO₂ – полупроводник; NbO, сплавленная в слиток, обладает металлическим блеском и электропроводностью металлического типа, заметно испаряется при 1700 °С, интенсивно – при 2300…2350 °С, что используют для вакуумной очистки ниобия от кислорода; Nb₂O₅ имеет кислотный характер; ниобиевые кислоты не выделены в виде определенных химические соединений, но известны их соли - ниобаты.

С водородом Nb образует твердый раствор внедрения (до 10 ат.% Н) и гидрид состава от NbH_0,7 до NbH. Растворимость водорода в Nb (в г/см³) при 20 °С – 104, при 500°С – 74.4, при 900°С – 4.0. Поглощение водорода обратимо: при нагревании, особенно в вакууме, водород выделяется; это используют для очистки ниобия от водорода (сообщающего металлу хрупкость) и для гидрирования компактного Nb: хрупкий гидрид измельчают и дегидрируют в вакууме, получая чистый порошок ниобий для электролитических конденсаторов. Растворимость азота в ниобии составляет (% по массе) 0.005, 0.04 и 0.07 соответственно при 300, 1000 и 1500 °С. Рафинируют ниобий от азота нагреванием в глубоком вакууме выше 1900 °С или вакуумной плавкой. Высший нитрид NbN светло-серого цвета с желтоватым оттенком; температура перехода в сверхпроводящее состояние 15.6 К. С углеродом при 1800…2000 °С Nb образует 3 фазы: α- фаза – твердый раствор внедрения углерода в ниобий, содержащий до 2 ат.% С при 2335 °С; β- фаза – Nb₂C, δ- фаза – NbC. С галогенами ниобий дает галогениды, оксигалогениды и комплексные соли. Из них наиболее важны пентафторид NbF₅, пентахлорид NbCl₅, окситрихлорид NbOCl₃, фторониобат калия K₂NbF₇ и оксифторониобат калия K₂NbOF₇·Н₂О. Небольшое различие в давлении паров NbCl₅ и ТаСl₅ используют для их весьма полного разделения и очистки методом ректификации.

Применение. Применение и производство ниобия быстро возрастают, что обусловлено сочетанием таких его свойств, как тугоплавкость, малое сечение захвата тепловых нейтронов, способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие и других сплавы, коррозионная стойкость, геттерные свойства, низкая работа выхода электронов, хорошие обрабатываемость давлением на холоду и свариваемость. Основные области применения ниобия: ракетостроение, авиационная и космическая техника, радиотехника, электроника, химическое аппаратостроение, атомная энергетика. Из чистого ниобия или его сплавов изготовляют детали летательных аппаратов; оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов; контейнеры и трубы для жидких металлов; детали электрических конденсаторов; "горячую" арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и другие); коррозионноустойчивую аппаратуру в химической промышленности. Ниобием легируют другие цветные металлы, в т. ч. уран. Ниобий применяют в криотронах – сверхпроводящих элементах вычислительных машин, а станнид Nb₃Sn и сплавы Nb с Ti и Zr – для изготовления сверхпроводящих соленоидов. Nb и сплавы с Та во многих случаях заменяют Та, что дает большой экономический эффект (Nb дешевле и почти вдвое легче, чем Та). Феррониобий вводят в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии и разрушения и в стали других типов для улучшения их свойств. Применяют и соединения ниобия: Nb₂O₅ (катализатор в химической промышленности; в производстве огнеупоров, керметов, специальных стекол), нитрид, карбид, ниобаты.