ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Ниобий - сорок первый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Nb от латинского «niobium». Расположен в пятом периоде, VBA группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 41.
В земной коре ниобия содержится 0,002% (масс.). Этот элемент во многом сходен с ванадием. В свободном состоянии он представляет собой тугоплавкий металл, твердый, но не хрупкий, хорошо поддающийся механической обработке (рис. 1.. Плотность ниобия 8,57 г/см 3 , температура плавления - 2500 o С.
Ниобий устойчив во многих агрессивных средах. На него не действует соляная кислота и царская водка, так как на поверхности этого металла образуется тонкая, но очень прочная и химически стойкая оксидная пленка.
Рис. 1. Ниобий. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса ниобия
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии ниобий существует в виде одноатомных молекул Nb, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 92,9063.
Изотопы ниобия
Известно, что в природе ниобий может находиться в виде единственного стабильного изотопа 93 Nb. Массовое число равно 93, ядро атома содержит сорок один протон и пятьдесят два нейтрона.
Существуют искусственные нестабильные изотопы циркония с массовыми числами от 81-го до 113-ти, а также двадцать пять изомерных состояния ядер, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 92 Nb с периодом полураспада равным 34,7 млн. лет.
Ионы ниобия
На внешнем энергетическом уровне атома ниобия имеется пять электронов, которые являются валентными:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 3 5s 2 .
В результате химического взаимодействия ниобий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Nb 0 -1e → Nb + ;
Nb 0 -2e → Nb 2+ ;
Nb 0 -3e → Nb 3+ ;
Nb 0 -4e → Nb 4+ ;
Nb 0 -5e → Nb 5+ .
Молекула и атом ниобия
В свободном состоянии ниобий существует в виде одноатомных молекул Nb. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу ниобия:
Сплавы ниобия
Ниобий - один из компонентов многих жаропрочных и коррозионностойких сплавов. Особенно большое значение имеют жаропрочные сплавы ниобия, которые применяются в производстве газовых турбин, реактивных двигателей, ракет.
Ниобий вводят также в нержавеющие стали. Он резко улучшает их механические свойства и сопротивляемость коррозии. Стали, содержащие от 1 до 4% ниобия, отличаются высокой жаропрочностью и используются как материал для изготовления котлов высокого давления.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Укажите валентность и степень окисления ниобия в соединениях: Gd 2 Nb 2 O 7 иPb(NbO 3) 2 . |
| Ответ | Чтобы определить валентность ниобия в кислородсодержащих соединениях, нужно строго соблюдать следующую последовательность действий. Рассмотрим на примере Gd 2 Nb 2 O 7 . Определяем число атомов кислорода в молекуле. Оно равно 7 — ми. Вычисляем общее число единиц валентности для кислорода:
Вычисляем общее число единиц валентности для гадолиния: Находим разность этих величин: Определяем число атомов ниобия в соединении. Оно равно 2-м. Валентность ниобия равна IV (8/2 = 4). Чтобы найти степень окисления ниобия в этом же соединении примем её значение за х и учитываем тот факт, что заряд молекулы равен 0: 2×3 + 2×x +7×(-2) = 0 Степень окисления ниобия равна +4. Аналогичным образом определяем, что валентность и степень окисления ниобия в Pb(NbO 3) 2 равны IV и +1, соответственно. |
Краткая историческая справка
Элемент ниобий (колумбий) открыл в 1801 году английский химик Гатчет в минерале, найденном в Колумбии, и назвал его колумбитом. В 1802 году шведский химик Экеберг в двух минералах, найденных в Финляндии и Швеции, открыл элемент, названный им танталом, что символизировало трудности («муки Тантала»), которые встретились при попытке растворить оксид нового элемента в кислоте. Некоторое время оба открытых элемента считали тождественными. В 1844 году было доказано немецким химиком Розе, что минерал колумбит содержит два различных элемента: ниобий (названный по имени мифологической богини слез Ниобы – дочери Тантала) и тантал. В 1865 году Мариньяк открыл способ разделения тантала и ниобия, основанный на различии в растворимости комплексных фтористых солей этих элементов. Этот способ приобрел промышленное значение и используется еще и в настоящее время.
Попытки получить тантал и ниобий в форме чистых компактных металлов долгое время были безуспешными. Тантал в чистом виде впервые получен в 1903 году, ниобий – в 1907 году Больтоном. В промышленном масштабе тантал начали выпускать в 1922 году, а ниобий – в конце тридцатых годов.
Тантал и ниобий относятся к V побочной группе периодической системы элементов. Они обладают близкими химическими и физическими свойствами.
Физические свойства. Тантал и ниобий - металлы серо-стального цвета. Тантал имеет слегка синеватый оттенок. Чистые металлы пластичны и могут быть прокатаны в тонкий лист в холодном состоянии без промежуточных отжигов.
Важнейшие физические свойства тантала и ниобия приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Свойства тантала и ниобия
Среди приведенных свойств (табл. 2.1) необходимо отметить высокие температуры плавления и кипения, более низкую работу выхода электронов по сравнению с другими тугоплавкими металлами.
Химические свойства. При обычной температуре тантал и ниобий устойчивы на воздухе. Начало окисления наблюдается при нагревании до 200-300 0 С. Характерное свойство тантала и ниобия – способность их поглащать газы – водород, азот и кислород. Небольшие примеси этих элементов сильно влияют на механические и электрические свойства металлов. Тантал и ниобий устойчивы против действия соляной, серной, азотной, фосфорной и органических кислот любой концентрации на холоду и при нагревании до 100 – 150 о С. По стойкости в горячих соляной и серной кислотах тантал превосходит ниобий. Металлы растворяются в плавиковой кислоте и особенно интенсивно – в смеси плавиковой и азотной кислот. Менее устойчивы тантал и ниобий в щелочах. Горячие растворы едких щелочей заметно разъедают металлы; в расплавленных щелочах и соде они быстро окисляются с образованием натриевых солей ниобиевой и танталовой кислот.
В др.-греч. мифологии * а. niobium; н. Niob, Niobium; ф. niobium; и. niobio), — химический элемент V группы периодической системы Менделеева , атомный номер 41, атомная масса 92,9064. Имеет один природный изотоп 93 Nb.
Оксид ниобия выделен впервые английским химиком Ч. Хатчетом в 1801 из колумбита . Металлический ниобий получил в 1866 шведский учёный К. В. Бломстранд.
Ниобий свойства
Ниобий- металл стального цвета, имеет объёмно-центрированную кубического решётку с а=0,3294 нм; плотность 8570 кг/м 3 ; t плавления2500°С, t кипения4927°С; теплоёмкость (298 К) 24,6 Дж/(моль.К); теплопроводность (273 К) 51,4 Вт/(м.К); температурный коэффициент линейного расширения (63-1103 К) 7,9.10 -6 К -1 ; удельное электрическое сопротивление (293 К) 16.10 -8 Ом.м; термический коэффициент электрического сопротивления (273 К) 3,95.10 -3 К -1 . Температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,46 К.
Степень окисления +5, реже от +1 до +4. По химическим свойствам близок к танталу, чрезвычайно устойчив к холоду и при небольшом нагревании к действию многих агрессивных сред, в т.ч. и кислот. Ниобий растворяет только плавиковая кислота, её смесь с азотной кислотой и щёлочи. Амфотерен. При взаимодействии с галогенами образует галогениды ниобия. При сплавлении Nb 2 О 5 с содой получают соли ниобиевых кислот — ниобаты, хотя сами кислоты не существуют в свободном состоянии. Ниобий может образовывать двойные соли и комплексные соединения. Нетоксичен.
Получение и применение
Для получения ниобия ниобиевый концентрат сплавляют с едким натром или содой и образующийся сплав выщелачивают. Содержащиеся в нерастворившемся осадке Nb и Ta разделяют, оксид ниобия восстанавливают отдельно от оксида тантала. Компактный ниобий получают методами порошковой металлургии, электродуговой, вакуумной и электроннолучевой плавки.
Ниобий — один из основных компонентов при легировании жаропрочных сталей и сплавов. Ниобий и его сплавы используются как конструкционные материалы для деталей реактивных двигателей, ракет, газовых турбин, химической аппаратуры, электронных приборов, электрических конденсаторов, сверхпроводящих устройств. Ниобаты широко применяют как сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, лазерные материалы.
