Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение ниобий среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 146 pm — это 0,146 нм, поэтому около 3,42 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Ниобий находится в жидком состоянии в диапазоне 2267 K — от 2750 K до 5017 K.
Положение
История
Сверхпроводящий металл, проводящий ток в каждом МРТ-магните на Земле.
История открытия ниобия — это история научного соперничества, международной политики и упорных споров о номенклатуре, продолжавшихся более 100 лет. На самом деле этот элемент дважды открыл один и тот же человек, а его название оставалось спорным вплоть до 20-го века.
В 1801 году британский химик Charles Hatchett исследовал образец минерала из коллекции British Museum. Тёмный плотный минерал был отправлен из Massachusetts в 1734 году и оставался неизученным 67 лет. Hatchett заметил, что минерал содержит неизвестный оксид со свойствами, нехарактерными для любого известного элемента.
Работая в своей частной лаборатории, Hatchett растворил минерал в кислоте и осадил белый оксид. Он назвал новый элемент «columbium» в честь Columbia — поэтического названия America, отдав дань происхождению минерала. За это открытие Royal Society наградило Hatchett престижной медалью Copley в 1801 году.
Сорок три года спустя немецкий химик Heinrich Rose сделал поразительное открытие при изучении минералов танталита. Он обнаружил, что то, что учёные считали чистым танталом, на самом деле содержит второй, очень похожий элемент. Rose понял, что это тот же элемент, который Hatchett открыл несколькими десятилетиями ранее.
Rose решил переименовать элемент в «niobium» в честь Niobe, дочери Tantalus в греческой мифологии, — удачный выбор, поскольку элемент был тесно связан с танталом, названным в честь Tantalus. Это вызвало ожесточённый международный спор о названии:
Спор о названии не был разрешён до 1949 года, когда International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) официально принял «niobium» в качестве стандартного названия. Однако американские металлурги продолжали использовать «columbium» в коммерческих целях до 1960-х годов.
Швейцарский химик Marignac внёс важный вклад в 1866 году, успешно разделив ниобий и тантал и доказав, что это действительно разные элементы. Его кропотливая работа включала многократную дробную кристаллизацию их сложных фторидных солей — процесс, требовавший необычайного терпения и мастерства.
Первый чистый металлический ниобий был получен лишь в 1925 году, когда немецкий химик Werner von Bolton использовал электродуговую печь для восстановления оксида ниобия. Полученный металл был чистым лишь на 99%, но наконец позволил учёным изучить истинные свойства ниобия после 124 лет работы с его соединениями.
Применение
Ниобий — основа современных аэрокосмических технологий, позволяющая самолётам и космическим аппаратам выдерживать экстремальные условия. В реактивных двигателях суперсплавы ниобия работают при температурах выше 1,000°C, сохраняя структурную целостность. Boeing 787 Dreamliner и Airbus A350 широко используют ниобий-титановые сплавы для создания лёгких, но исключительно прочных корпусов.
NASA и SpaceX используют сопла на основе ниобия в ракетных двигателях, поскольку они выдерживают температуры 3,000°C, возникающие во время запуска. Основные двигатели Space Shuttle содержали более 2 тонн ниобиевых сплавов, а современные ракеты Falcon Heavy используют усиленные ниобием компоненты для многократного использования.
Провода из ниобий-титана (NbTi) и ниобий-олова (Nb3Sn) считаются золотым стандартом для сверхпроводящих магнитов. Большой адронный коллайдер (LHC) в CERN содержит 1,200 тонн ниобиевых сверхпроводящих кабелей, создающих магнитные поля в 100,000 раз сильнее магнитного поля Земли.
Каждый аппарат МРТ использует сверхпроводящие магниты из ниобия, охлаждённые до -269°C жидким гелием. Эти магниты создают точные магнитные поля, необходимые для визуализации человеческого тела, благодаря чему становятся возможными жизненно важные диагнозы. Один МРТ-сканер содержит примерно 1,700 метров ниобиевой проволоки.
Высокопрочные низколегированные (HSLA) стали, содержащие ниобий, используются в важнейших объектах инфраструктуры по всему миру. При реконструкции моста Sydney Harbour Bridge применялась ниобиевая сталь, позволившая снизить массу и повысить прочность. В современных небоскрёбах, таких как Burj Khalifa, используются стальные балки, усиленные ниобием и на 30% более прочные, чем обычная сталь.
Межконтинентальные нефтегазопроводы используют стальные трубы с ниобием, устойчивые к коррозии и растрескиванию под экстремальным давлением. Трансаляскинская трубопроводная система содержит более 1,000 тонн ниобиевой стали и надёжно работает при температурах от -40°C до +80°C.
Гоночные автомобили Formula 1 используют ниобиевые выхлопные системы, выдерживающие температуры 1,000°C и весящие на 40% меньше стальных аналогов. Производители роскошных автомобилей, такие как Ferrari и McLaren, применяют ниобиевые компоненты в высокопроизводительных двигателях для достижения максимального отношения мощности к массе.
Хотя потребители этого не замечают, ниобий содержится во множестве повседневных предметов. Кузовные панели вашего автомобиля, бытовая техника и даже стальной каркас смартфона, вероятно, содержат ниобий. Добавление всего 0.03% ниобия в сталь повышает её прочность до 30%, позволяя производителям использовать меньше материала и одновременно улучшать характеристики.
Уникальное свойство ниобия приобретать яркие цвета при анодировании сделало его популярным среди дизайнеров ювелирных изделий. В отличие от многих металлов, ниобий полностью гипоаллергенен, что делает его идеальным для людей с чувствительной кожей или аллергией на металлы.
Несколько стран выпускают памятные монеты из ниобия, обладающие свойством менять цвет. Ниобиевые монеты Austria особенно известны: их металлический центр меняет цвет с серебряного на синий, зелёный или золотой в зависимости от угла обзора. Среди коллекционеров по всему миру эти монеты продаются по повышенной цене.
Научно-исследовательские лаборатории используют ниобиевые тигли и контейнеры для высокотемпературных экспериментов. Устойчивость ниобия к большинству кислот и его высокая температура плавления (2,477°C) делают его незаменимым в исследованиях материалов и химическом анализе.
Откуда он происходит
20 мг/кг земной коры · более распространён, чем 73% элементов
Ниобий удивительно распространён в земной коре: среди всех элементов он занимает 33-е место, а его средняя концентрация составляет 20 частей на миллион. Однако в чистом виде он встречается редко, образуя сложные минералы, для извлечения которых требуются современные технологии.
Brazil доминирует в мировом производстве ниобия, контролируя примерно 85% мировых запасов. Рудник Araxá в штате Minas Gerais — крупнейшее в мире месторождение ниобия, содержащее, по оценкам, 460 миллионов тонн ниобийсодержащей руды. Один этот рудник мог бы обеспечивать мировой спрос более 500 лет при нынешних темпах потребления.
Большая часть промышленного ниобия добывается из пирохлора [(Na,Ca)2Nb2O6(OH,F)] — сложного оксидного минерала, встречающегося в карбонатитовых образованиях. Эти геологические структуры сформировались 130 миллионов лет назад, когда древняя вулканическая активность создала богатые минералами залежи глубоко под землёй.
К вторичным источникам относятся минералы колумбит-танталит, в которых ниобий и тантал встречаются вместе. Эти минералы обнаруживают в пегматитовых образованиях по всей Canada, Australia и в некоторых районах Africa. Democratic Republic of Congo производит значительные объёмы ниобия как побочный продукт добычи тантала.
Ниобий образуется в результате звёздного нуклеосинтеза в массивных звёздах в последние взрывные моменты их существования. Когда звёзды, в восемь раз превосходящие по массе наше Солнце, заканчивают свой жизненный цикл, они создают ниобий посредством процессов быстрого захвата нейтронов. Затем этот космический ниобий миллиарды лет перемещается в космосе, прежде чем войти в состав новых планетных систем.
Анализ железных метеоритов выявляет концентрации ниобия, сходные с концентрациями в ядре Земли, что указывает на доставку запасов ниобия на нашу планету в период ранней бомбардировки 4.5 миллиарда лет назад. Некоторые редкие метеориты содержат богатые ниобием агрегатные состояния, которые не встречаются в природе на Земле.
Переработка становится всё более важным источником ниобия, особенно из отходов аэрокосмической и сталелитейной промышленности. Современные технологии переработки позволяют извлекать 95% ниобия из отходов суперсплавов, снижая зависимость от добычи и сохраняя этот ценный ресурс для будущих поколений.
Обращение
Ниобий считается одним из самых безопасных металлов при контакте с человеком и воздействии на окружающую среду. В отличие от многих переходных металлов, чистый ниобий обладает выдающейся биосовместимостью и при обычных условиях представляет минимальный риск для здоровья.
Медицинское применение: Ниобий настолько биосовместим, что его используют в медицинских имплантатах, электродах кардиостимуляторов и хирургических инструментах. Организм человека не проявляет неблагоприятных реакций на ниобий, что делает его идеальным для долгосрочной имплантации.
Сварка и обработка: При работе с ниобием при высоких температурах обеспечьте достаточную вентиляцию, чтобы предотвратить вдыхание оксидных паров. Используйте подходящие средства защиты глаз, поскольку при резке или сварке ниобий может давать яркие искры.
Минимальное воздействие на окружающую среду: Соединения ниобия обладают низкой токсичностью для водных организмов и не накапливаются в пищевых цепях. Однако при добыче следует соблюдать стандартные экологические нормы, чтобы свести к минимуму нарушение среды обитания.
Хотя сам ниобий представляет небольшой экологический риск, переработка содержащих его материалов снижает нагрузку на добывающую отрасль и сохраняет этот ценный ресурс. Отходы аэрокосмической и сталелитейной промышленности следует правильно сортировать для извлечения ниобия.
Краткие ответы
Ниобий (символ Nb) — элемент 41 в периодической таблице, представитель семейства Переходный металл в 5 периоде, 5 группе. Сверхпроводящий металл, проводящий ток в каждом МРТ-магните на Земле. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Kr] 4d⁴ 5s¹; она включает 5 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 12, 1.Ниобий плавится при 2750 K (2476.9 °C) и кипит при 5017 K (4743.9 °C). Это относит его к самым тугоплавким элементам — он остаётся твёрдым при температурах, при которых большинство металлов испаряется.
Стандартная атомная масса Ниобий составляет 92.906 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Ниобий составляет 8.57 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Ниобий примерно в 8.6× тяжелее.
Электроотрицательность Ниобий по шкале Полинга составляет 1.6. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Ниобий был открыт в 1801 году Charles Hatchett. Назван в честь ниоба, дочь Тантала.
На долю Ниобий приходится около 20 мг/кг земной коры — он встречается нечасто, но не является редким.