Ниобий
История открытия ниобия, особенности строения его атома. Нахождение в природе, технология получения. Химические и физическое свойства ниобия, его применение. Интерметаллиды и сплавы ниобия, его соединения. Сверхпроводящие материалы первого поколения.
| Рубрика | Химия |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 14.11.2013 |
| Размер файла | 23,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
"МАТИ - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени К.Э. Циалковского"
Кафедра "Общей химии, физике и химии композиционных материалов"
РЕФЕРАТ
По курсу: "Общая химия"
Тема: "Ниобий"
Студент группы 2ИЛА-1ДС-277
Дугин Дмитрий
Преподаватель: Евдокимов Сергей Васильевич
Москва 2013
Содержание
- Введение
- История открытия
- Строение атома
- Нахождение в природе
- Получение
- Физические свойства
- Химические свойства
- Применение ниобия
- Интерметаллиды и сплавы ниобия
- Соединения ниобия
- Сверхпроводящие материалы первого поколения
- Заключение
- Список литературы
Введение
НИОБИЙ (от имени Ниобы - дочери Тантала в древне-греческой мифологии; лат. Niobium) обозначается Nb, химический элемент V группы периодической системы, атомный номер 41, атомная масса 92,9064. В природе один стабильный изотоп 93Nb. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 1,15.10-28 м2. Конфигурация внешних электронных оболочек атома 4s24p64d45s1; степени окисления + 5, реже + 4, + 3, + 2 и + 1; энергии ионизации при последовательном переходе от Nb0 к Nb7+ равны соответственно 6,882, 14,320, 25,05, 38,3, 50,6, 103 и 124,6 эВ; сродство к электрону 1,13 эВ; работа выхода электрона 4,01 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,6; атомный радиус 0,145 нм.
Простое вещество ниобий - блестящий металл серебристо-серого цвета.
Содержание в земной коре 2.10-3% по массе. Встречается в природе обычно вместе с Та (Тантал). Наиболее важные минералы - колумбит-танталит, пирохлор и лопарит.
История открытия
Случилось так, что элемент №41 был открыт дважды. Первый раз - в 1801 г. английский ученый Чарльз Хатчет исследовал образец верного минерала, присланного в Британский музей из Америки. Из этого минерала он выделил окисел неизвестного прежде элемента. Новый элемент Хатчет назвал колумбием, отмечая тем самым его заокеанское происхождение. А черный минерал получил название колумбита.
Через год шведский химик Экеберг выделил из колумбита окисел еще одного нового элемента, названного танталом. Сходство соединений Колумбия и тантала было так велико, что в течение 40 лет большинство химиков считало: тантал и колумбий - один и тот же элемент.
В 1844 г. немецкий химик Генрих Розе исследовал образцы колумбита, найденные в Баварии. Он вновь обнаружил окислы двух металлов. Один из них был окислом известного уже тантала. Окислы были похожи, и, подчеркивая их сходство, Розе назвал элемент, образующий второй окисел, ниобием по имени Ниобы, дочери мифологического мученика Тантала.
Строение атома
Ниобий является элементом V группы побочной подгруппы:
|
Атомная масса |
92,906 |
|
|
Валентные электроны |
4d45s1 |
|
|
Металлический радиус атома, нм |
0,145 |
|
|
Условный радиус иона Nb+5, нм |
0,066 |
|
|
Первый потенциал ионизации, В |
6,88 |
|
|
Массовое число природные изотопы |
93 (100%) |
|
|
Электроотрицательность |
1,23 |
Электронная структура атома ниобия: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d45s1 (наблюдается провал электрона на d-подуровень)
Ниобий в соединениях имеет степень окисления +1, +2, +3, +4 и +5, так как ниобий является d-элементом, наиболее устойчива и характерна высшая степень окисления +5.
Нахождение в природе
Кларк ниобия 18 г/т. Содержания ниобия увеличивается от ультраосновных (0,2 г/т Nb) к кислым породам (24 г/т Nb). Ниобию всегда сопутствует тантал. Близкие химические свойства ниобия и тантала обусловливают совместное их нахождение в одних и тех же минералах и участие в общих геологических процессах. Ниобий способен замещать титан в ряде титансодержащих минералов (сфен, ортит, перовскит, биотит).
Форма нахождения ниобия в природе может быть разной: рассеянной (в породообразующих и акцессорных минералах магматических пород) и минеральной. В общей сложности известно более 100 минералов, содержащих ниобий. Из них промышленное значение имеют лишь некоторые: колумбит-танталит (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2O6, пирохлор (Na, Ca, TR, U) 2 (Nb, Ta, Ti) 2O6 (OH, F) (Nb2O5 0 - 63%), лопарит (Na, Ca, Ce) (Ti, Nb) O3 ( (Nb, Ta) 2O5 8 - 10%), иногда используются эвксенит, торолит, ильменорутил, а также минералы, содержащие ниобий в виде примесей (ильменит, касситерит, вольфрамит). В щелочных - ультраосновных породах ниобий рассеивается в минералах типа перовскита и в эвдиалите. В экзогенных процессах минералы ниобия и тантала, являясь устойчивыми, могут накапливаться в делювиально-аллювиальных россыпях (колумбитовые россыпи), иногда в бокситах коры выветривания. Концентрация ниобия в морской воде 1·10?5 мг/л.
ниобий сверхпроводящий материал соединение
Получение
Руды ниобия - обычно комплексные и бедны, хотя их запасы намного превосходят запасы руд тантала. Рудные концентраты содержат Nb2O5: пирохлоровые - не менее 37%, лопаритовые - 8%, колумбитовые - 30-60%. Большую их часть перерабатывают алюмино - или силикотермическим восстановлением на феррониобий (40-60% Nb) и ферротанталониобий.
Металлический ниобий получают из рудных концентратов по сложной технологии в три стадии:
1) вскрытие концентрата,
2) разделение Nb и Та и получение их чистых химические соединений,
3) восстановление и рафинирование металлического Ниобия и его сплавов.
Основные промышленные методы производства Nb и сплавов - алюминотермический, натриетермический, карботермический: из смеси Nb2O5 и сажи вначале получают при 1800°С в атмосфере водорода карбид, затем из смеси карбида и оксид при 1800-1900°С в вакууме - металл; для получения сплавов Ниобия в эту смесь добавляют оксиды легирующих металлов; по другому варианту: Ниобий восстанавливают при высокой температуре в вакууме непосредственно из Nb2O5 с сажей. Натриетермическим способом Ниобий восстанавливают натрием из K2NbF7, алюминотермическим - алюминием из Nb2O5. Компактный металл (сплав) производят методами порошковой металлургии, спекая спрессованные из порошков штабики в вакууме при 2300°С, либо электроннолучевой и вакуумной дуговой плавкой; монокристаллы ниобия высокой чистоты - бестигельной электроннолучевой зонной плавкой.
Физические свойства
Кристаллическая решетка Ниобия объёмно-центрированная кубическая с параметром а = 3,294Е. Плотность 8,57 г/см3 (20°С); tпл=2500°С; tкип=4927°С; давление пара (в мм рт. ст.; 1 мм рт. ст. = 133,3 н/м2) 1·10-5 (2194°С), 1·10-4 (2355°С), 6·10-4 (при tпл), 1·10-3 (2539°С). Теплопроводность в вт/ (м·К) при 0°С и 600°С соответственно 51,4 и 56,2, то же в кал/ (см·сек·°С) 0,125 и 0,156. Удельное объемное электрическое сопротивление при 0°С 15,22·10-8 ом·м (15,22·10-6ом·см). Температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,25 К. Ниобий парамагнитен. Работа выхода электронов 4,01 эв.
Чистый Ниобий легко обрабатывается давлением на холоде и сохраняет удовлетворительные механические свойства при высоких температурах. Его предел прочности при 20 и 800°С соответственно равен 342 и 312 Мн/м2, то же в кгс/мм2 34,2 и 31,2; 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
Химически ниобий довольно устойчив. При прокаливании на воздухе окисляется до Nb2О5. Для этого оксида описано около 10 кристаллических модификаций. При обычном давлении стабильна в-форма Nb2О5.
При сплавлении Nb2О5 с различными оксидами получают ниобаты: Ti2Nb10О29, FeNb49О124. Ниобаты могут рассматриваться как соли гипотетических ниобиевых кислот. Они делятся на метаниобаты MNbO3, ортониобаты M3NbO4, пирониобаты M4Nb2O7 или полиниобаты M2O·nNb2O5 (M - однозарядный катион, n = 2-12). Известны ниобаты двух - и трехзарядных катионов.
Ниобаты реагируют с HF, расплавами гидрофторидов щелочных металлов (KHF2) и аммония. Некоторые ниобаты с высоким отношением M2O/Nb2O5 гидролизуются:
6Na3NbO4 + 5H2O = Na8Nb6O19 + 10NaOH.
Ниобий образует NbO2, NbO, ряд оксидов, промежуточных между NbO2,42 и NbO2,50 и близких по структуре к в-форме Nb2О5.
С галогенами ниобий образует пентагалогениды NbHal5, тетрагалогениды NbHal4 и фазы NbHal2,67 - NbHal3+x, в которых имеются группировки Nb3 или Nb2. Пентагалогениды ниобия легко гидролизуются водой.
В присутствии паров воды и кислорода NbCl5 и NbBr5 образуют оксигалогениды NbOCl3 и NbOBr3 - рыхлые ватообразные вещества.
При взаимодействии ниобия и графита образуются карбиды Nb2C и NbC, твердые жаропрочные соединения. В системе Nb - N существуют несколько фаз переменного состава инитриды Nb2N и NbN. Сходным образом ведет себя ниобий в системах с фосфором и мышьяком. При взаимодействии ниобия с серой получены сульфиды: NbS, NbS2 и NbS3. Синтезированы двойные фториды Nb и калия (натрия) - K2 [NbF7].
Из водных растворов выделить электрохимически ниобий пока не удалось. Возможно электрохимическое получение сплавов, содержащих ниобий. Электролизом безводных солевых расплавов может быть выделен металлический ниобий.
Применение ниобия
Из чистого ниобия или его сплавов изготовляют детали летательных аппаратов; оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов; контейнеры и трубы для жидких металлов; детали электролитических конденсаторов; "горячую" арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и др.); коррозионно-устойчивую аппаратуру в химической промышленности.
Ниобием легируют другие цветные металлы, в том числе уран.
Ниобий применяют в криотронах - сверхпроводящих элементах вычислительных машин. Ниобий также известен тем, что он используется в ускоряющих структурах большого андронного коллайдера.
Ниобий и тантал используют для производства электролитических конденсаторов высокой удельной емкости (но тантал позволяет производить более качественные конденсаторы).
Интерметаллиды и сплавы ниобия
Станнид Nb3Sn и сплавы ниобия с титаном и цирконием применяются для изготовления сверхпроводящих соленоидов.
Ниобий и сплавы с танталом во многих случаях заменяют тантал, что даёт большой экономический эффект (ниобий дешевле и почти вдвое легче, чем тантал).
Феррониобий вводят (до 0,6 % ниобия) в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии (в том числе той, которая иначе началась бы после сварки нержавейки) и разрушения и в стали др. типов для улучшения их свойств.
Ниобий используется при чеканке коллекционных монет. Так, Латвийский Банк утверждает, что в коллекционных монетах достоинством 1 лат наряду с серебром используется ниобий.
Соединения ниобия
Применение соединений:
Nb2O5 - катализатор в химической промышленности;
в производстве огнеупоров, керметов, специальных стёкол, нитрид, карбид, ниобаты.
Карбид ниобия (т. пл.3480°C) в сплаве с карбидом циркония и карбидом урана-235 является важнейшим конструкционным материалом для ТВЭЛов твердофазных ядерных реактивных двигателей.
Нитрид ниобия NbN используется для производства тонких и ультратонких сверхпроводящих пленок с критической температурой от 5 до 10 К с узким переходом, порядка 0,1 К.
Сверхпроводящие материалы первого поколения
Один из активно применяемых сверхпроводников (температура сверхпроводящего перехода 9,25 К). Соединения ниобия имеют температуру сверхпроводящего перехода до 23,2 К (Nb3Ge).
Наиболее часто используемые промышленные сверхпроводники - NbTi и Nb3Sn.
Ниобий используется также в магнитных сплавах.
Применяется как легирующая добавка.
Нитрид ниобия используется для производства сверхпроводящих болометров.
Исключительная стойкость ниобия и его сплавов с танталом в перегретом паре цезия-133 делает его одним из наиболее предпочтительных и дешёвых конструкционных материалов для термоэмиссионных генераторов большой мощности.
Заключение
Ниобий не играет никакой биологической роли.
Металлическая пыль ниобия огнеопасна и раздражает глаза и кожу. Некоторые соединения ниобия очень токсичны. ПДК (предельно допустимая концентрация) ниобия в воде 0,01 мг/л. При попадании в организм вызывает раздражение внутренних органов и последующий паралич конечностей.
Список литературы
1. http://ru. wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B8%D0%BE%D0%B1%D0%B8%D0%B9#. D0.9D. D0. B0. D1.85. D0. BE. D0. B6. D0. B4. D0. B5. D0. BD. D0. B8. D0. B5_. D0. B2_. D0. BF. D1.80. D0. B8. D1.80. D0. BE. D0. B4. D0. B5
2. http://chem100.ru/elem. php? n=41
3. http://n-t.ru/ri/ps/pb041. htm
4. http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/2890.html
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Общие сведения об элементе. Его применение, физические и химические свойства. Ниобий в свободном состоянии, его соединения с галогенами, карбидами и нитридами. Оксиды металла и их соли. Добыча ниобия на территории России. Страны лидеры в его производстве.
реферат [136,6 K], добавлен 17.05.2015Понятие и сравнительная характеристика элементов ниобия и тантала, особенности их строения, физические и химические свойства. Оксиды, кислоты и их соли, соединения ниобия и тантала. Направления и сферы практического применения исследуемых элементов.
курсовая работа [47,6 K], добавлен 25.06.2015Основные способы разложения танталитовых и колумбитовых концентратов 60-70 % плавиковой кислотой при нагревании. Разложение лопаритовых концентратов методом хлорирования и сернокислотным способом. Получение компактных металлических тантала и ниобия.
курсовая работа [25,1 K], добавлен 07.03.2015Краткий обзор основных сфер использования редких металлов: лития, тантала, ниобия, галлия, индия, ниобия, бериллия, неодима и самария. Широкое применение редких металлов в микрочипах, платах, компьютерных технологиях, при производстве фотоэлементов.
презентация [1,3 M], добавлен 08.04.2013История открытия железа. Положение химического элемента в периодической системе и строение атома. Нахождение железа в природе, его соединения, физические и химические свойства. Способы получения и применение железа, его воздействие на организм человека.
презентация [8,5 M], добавлен 04.01.2015Характеристика кристаллической структуры ниобия и ванадия, ее симметрия и междоузлия. Распространение элементов Nb и V в природе. Фазовые равновесия системы. Формулы для кристаллографических расчетов. Построение стереографических проекций ГЦК решетки.
контрольная работа [391,5 K], добавлен 08.04.2013Основные физические и химические свойства, технологии получения бериллия, его нахождение в природе и сферы практического применения. Соединения бериллия, их получение и производство. Биологическая роль данного элемента. Сплавы бериллия, их свойства.
реферат [905,6 K], добавлен 30.04.2011История открытия урана, его физические и химические свойства. Сферы применения уранат натрия, соединений урана, карбида урана-235 в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония. Изотопы урана как разновидности атомов (и ядер) химического элемента.
реферат [17,9 K], добавлен 19.12.2010История получения алюминия, его физические и химические свойства, химический состав, нахождение в природе и производство. Применение в качестве восстановителя, в ювелирных изделиях, стекловарении. Сплавы на основе алюминия, алюминий как добавка в сплавы.
реферат [33,6 K], добавлен 03.05.2010История и происхождение названия меди, ее нахождение в природе. Физические и химические свойства элемента, его основные соединения. Применение в промышленности, биологические свойства. Нахождение серебра в природе и его свойства. Сведения о золоте.
курсовая работа [45,1 K], добавлен 08.06.2011
