41 Nb Ниобий 92.906
Переходный металл d-block Period 5 Group 5

Ниобий

Nb · Element 41 · Vanadium group

A superconducting metal that carries the current in every MRI magnet on Earth.

СОСТОЯНИЕ ПРИ 20°C твёрдое
АТОМНАЯ МАССА 92.906 u
ELECTRON CONFIGURATION [Kr] 4d⁴ 5s¹
40Zr All 118 42Mo

Строение

Атом ниобий

Это не схема 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 связей.

Облако орбиталей

Измеренные значения

Таблица свойств

Каждая полоса показывает, какое место ниобий занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.

Физические

Плотность 8.57 g/cm³ 53%
Температура Плавления 2750 K 95%
Температура Кипения 5017 K 94%
Удельная теплоёмкость 0.265 J/g·K
Теплопроводность 53.7 W/m·K 67%

Атомные

Атомный Радиус 146 pm 38%
Ковалентный радиус 164 pm
Радиус Ван-дер-Ваальса 207 pm

Электронные

Электроотрицательность 1.6 49%
Энергия ионизации 652.2 kJ/mol 43%
Сродство к Электрону 85.9 kJ/mol 65%

Распространённость

Распространённость в земной коре 20 mg/kg 73%

Идентификационные

СимволNb
Атомный номер41
Атомная масса92.9064 u
КатегорияПереходный металл
Блокd
Кристаллическая структураобъёмно-центрированная кубическая
Степени окисления-3, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5
Открытие1801
ПервооткрывательCharles Hatchett

Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.

Размер в масштабе

How big is a ниобий atom?

Radius 146 pm — that is 0.146 nm, so about 3425 million of them side by side would span a millimetre.

Тепловой диапазон

Solid, liquid, gas — and when

Ниобий is liquid over a 2267 K window, from 2750 K to 5017 K.

Положение

Положение в таблице

Ниобий sits in period 5, group 5. Everything in group 5 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER ПЕРЕХОДНЫЕ МЕТАЛЛЫ

21Sc 22Ti 23V 24Cr 25Mn 26Fe 27Co 28Ni 29Cu 30Zn 39Y 40Zr 42Mo 43Tc 44Ru 45Rh
All переходные металлы

История

Что такое ниобий и как его обнаружили

A superconducting metal that carries the current in every MRI magnet on Earth.

The discovery of ниобий

История двух названий

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 даже в XX веке.

Charles Hatchett: первое открытие (1801)

В 1801 году британский химик Charles Hatchett исследовал образец минерала из коллекции Британского музея. Тёмный плотный минерал был отправлен из Massachusetts в 1734 году и оставался неизученным 67 лет. Hatchett заметил, что минерал содержит неизвестный оксид со свойствами, отличными от свойств любого известного элемента.

Работая в собственной лаборатории, Hatchett растворил минерал в кислоте и осадил белый оксид. Он назвал новый элемент «columbium» в честь Columbia — поэтического названия America, отметив происхождение минерала. За это открытие Royal Society наградило Hatchett престижной медалью Copley в 1801 году.

Heinrich Rose и путаница (1844)

Сорок три года спустя немецкий химик Heinrich Rose сделал поразительное открытие при изучении танталитовых минералов. Он обнаружил, что считавшийся чистым тантал на самом деле содержит второй, очень похожий элемент. Rose понял, что это тот же элемент, который Hatchett открыл десятилетия назад.

Спор о названии

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 острый международный спор о названии:

  • Американские учёные настаивали на названии «columbium», признавая приоритет Hatchett
  • Европейские учёные предпочитали «niobium», следуя мифологической системе названий Rose
  • Спор продолжался 100 лет, и разные страны использовали разные названия в учебниках и научных публикациях

Разрешение спора и признание

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.

Вклад Jean Charles Galissard de Marignac

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 исключительного терпения и мастерства.

Выделение чистого металла

Первый чистый металлический ниобий был получен только в 1925 году, когда немецкий химик Werner von Bolton использовал электродуговую печь для восстановления оксида ниобия. Полученный металл был чист лишь на 99%, но наконец позволил учёным изучить истинные свойства ниобия после 124 лет работы с его соединениями.

Применение

Для чего используется ниобий

Революция в аэрокосмической инженерии

Ниобий — основа современной аэрокосмической техники, позволяющая самолётам и космическим аппаратам выдерживать экстремальные условия. В реактивных двигателях суперсплавы ниобия работают при температурах свыше 1,000°C, сохраняя структурную целостность. Boeing 787 Dreamliner и Airbus A350 широко используют ниобий-титановые сплавы для создания лёгких, но чрезвычайно прочных корпусов.

Системы ракетной тяги

NASA и SpaceX используют сопла на основе ниобия в ракетных двигателях, поскольку они выдерживают температуры 3,000°C, возникающие во время запуска. В основных двигателях Space Shuttle содержалось более 2 тонн ниобиевых сплавов, а современные ракеты Falcon Heavy используют усиленные ниобием компоненты для повторного использования.

Сверхпроводящие магниты

Проволоки 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.

Медицинская технология МРТ

Каждый аппарат МРТ использует сверхпроводящие магниты из ниобия, охлаждённые до -269°C жидким гелием. Эти магниты создают точные магнитные поля, необходимые для получения изображений человеческого тела, что делает возможной диагностику, спасающую жизни. Один сканер МРТ содержит около 1,700 метров ниобиевой проволоки.

Инфраструктура и строительство

Высокопрочные низколегированные стали (HSLA), содержащие ниобий, используются в критически важной инфраструктуре по всему миру. При реконструкции 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.

Технология трубопроводов

Межконтинентальные нефтегазопроводы используют стальные трубы с ниобием, устойчивые к коррозии и растрескиванию под экстремальным давлением. Trans-Alaska Pipeline System содержит более 1,000 тонн ниобиевой стали и надёжно работает при температурах от -40°C до +80°C.

Инновации в автомобилестроении

Гоночные автомобили Формулы-1 используют ниобиевые выхлопные системы, выдерживающие температуры 1,000°C и весящие на 40% меньше стальных аналогов. Производители автомобилей класса люкс, такие как Ferrari и McLaren, устанавливают ниобиевые компоненты в высокопроизводительные двигатели для достижения максимального отношения мощности к массе.

Повседневные изделия из стали

Хотя потребители этого не замечают, ниобий присутствует в бесчисленном количестве повседневных предметов. Кузовные панели вашего автомобиля, бытовая техника и даже стальная рама 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.

Кухонная и бытовая техника

  • Посуда из нержавеющей стали: В высококачественных кастрюлях и сковородах используется сталь, усиленная ниобием, для лучшего распределения тепла и долговечности
  • Холодильники и стиральные машины: Компоненты из ниобиевой стали устойчивы к коррозии и продлевают срок службы техники
  • Столовые приборы: Профессиональные ножи шеф-поваров часто содержат ниобий для превосходного сохранения остроты лезвия

Ювелирные изделия и декоративное искусство

Уникальное свойство ниобия приобретать яркие цвета при анодировании сделало его популярным среди дизайнеров ювелирных изделий. В отличие от многих металлов, ниобий полностью гипоаллергенен, поэтому идеально подходит людям с чувствительной кожей или аллергией на металлы.

Художественное применение

  • Анодированные украшения: Создают радужные цвета без красителей и покрытий
  • Украшения для пирсинга: Биосовместимы и безопасны при длительном ношении
  • Скульптурное искусство: Художники создают меняющие цвет скульптуры посредством контролируемого окисления

Коллекционные монеты

Несколько стран выпускают памятные монеты из ниобия, обладающие свойством менять цвет. Особенно известны ниобиевые монеты Austria: их металлический центр в зависимости от угла зрения меняет цвет с серебряного на синий, зелёный или золотой. Среди коллекционеров по всему миру эти монеты продаются по премиальным ценам.

Лабораторное оборудование

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 берётся

Встречаемость в природе

20 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 73% of elements

Глобальное распространение

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 виде чистого металла он встречается редко, образуя вместо этого сложные минералы, для извлечения которых требуются сложные технологии.

Brazil: ниобиевая сверхдержава

Brazil доминирует в мировом производстве ниобия, контролируя около 85% мировых запасов. Рудник Araxá в штате Minas Gerais — крупнейшее в мире месторождение ниобия, содержащее, по оценкам, 460 миллионов тонн ниобийсодержащей руды. Этот единственный рудник мог бы обеспечивать мировой спрос более 500 лет при нынешних темпах потребления.

Основные источники минералов

Пирохлор: главный источник

Большая часть промышленного ниобия производится из пирохлора [(Na,Ca)2Nb2O6(OH,F)] — сложного оксидного минерала, встречающегося в карбонатитовых формациях. Эти геологические структуры образовались 130 миллионов лет назад, когда древняя вулканическая активность создала богатые минералами залежи глубоко под землёй.

Колумбит-танталит

К вторичным источникам относятся минералы колумбит-танталит, в которых ниобий и тантал встречаются вместе. Эти минералы обнаруживаются в пегматитовых формациях Канады, Австралии и некоторых регионов Африки. Демократическая Республика Конго производит значительные объёмы ниобия как побочный продукт добычи тантала.

Космическое происхождение

Ниобий образуется в результате звёздного нуклеосинтеза в массивных звёздах в последние взрывные моменты их существования. Когда звёзды массой в восемь раз больше Солнца подходят к концу своей жизни, 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.

Свидетельства метеоритов

Анализ железных метеоритов выявляет концентрации ниобия, сходные с концентрациями в ядре Земли, что указывает на поступление запасов ниобия на нашу планету в период ранней бомбардировки 4.5 миллиарда лет назад. Некоторые редкие метеориты содержат ниобийсодержащие агрегатные состояния, которые не встречаются в природе на Земле.

Альтернативные источники

Переработка становится всё более важным источником ниобия, особенно из отходов аэрокосмической и сталелитейной промышленности. Современные методы переработки позволяют извлекать 95% ниобия из отходов суперсплавов, снижая зависимость от добычи и сохраняя этот ценный ресурс для будущих поколений.

Обращение

Безопасность

Общий профиль безопасности

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 замечательной биосовместимостью и при обычных условиях представляет минимальный риск для здоровья.

Биосовместимость

Медицинское применение: Ниобий настолько биосовместим, что используется в медицинских имплантатах, электродах кардиостимуляторов и хирургических инструментах. Организм человека не проявляет неблагоприятных реакций на ниобий, что делает его идеальным для длительной имплантации.

Меры предосторожности при промышленной работе

Риски порошкообразной формы

  • Пожароопасность: Мелкодисперсный порошок ниобия может самовоспламеняться на воздухе, горя при 400°C
  • Защита органов дыхания: При работе с порошками используйте пылезащитные маски, одобренные NIOSH, чтобы предотвратить вдыхание
  • Статическое электричество: Заземляйте всё оборудование при обработке порошков, чтобы предотвратить воспламенение от статического разряда

Высокотемпературные операции

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 образовывать яркие искры.

Экологические аспекты

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 протоколы, чтобы минимизировать нарушение среды обитания.

Важность переработки

Хотя сам ниобий представляет небольшой экологический риск, переработка содержащих его материалов снижает нагрузку на добывающую промышленность и сохраняет этот ценный ресурс. Отходы аэрокосмической и сталелитейной промышленности следует правильно сортировать для извлечения ниобия.

Действия в чрезвычайных ситуациях

  • Контакт с кожей: Промыть водой с мылом; металлический ниобий редко вызывает раздражение кожи
  • Контакт с глазами: Промывать чистой водой в течение 15 минут; при сохранении раздражения обратиться за медицинской помощью
  • Вдыхание: Выйти на свежий воздух; металлическая пыль ниобия обычно нетоксична, но следует избегать длительного воздействия
  • Пожар: Использовать сухой химический огнетушитель, CO2 или песок; никогда не использовать воду при пожарах порошка ниобия

Краткие ответы

Ниобий: часто задаваемые вопросы

What is Ниобий?

Ниобий (symbol Nb) is element 41 on the periodic table, a переходный металл in period 5, group 5. A superconducting metal that carries the current in every MRI magnet on Earth. At room temperature it is a solid.

What is the electron configuration of Ниобий?

Ниобий's ground-state electron configuration is [Kr] 4d⁴ 5s¹, giving 5 occupied shells holding 2, 8, 18, 12, 1 electrons respectively.

What are the melting and boiling points of Ниобий?

Ниобий melts at 2750 K (2476.9 °C) and boils at 5017 K (4743.9 °C). That puts it among the most refractory elements — it stays solid at temperatures that vaporise most metals.

What is the atomic mass of Ниобий?

The standard atomic weight of Ниобий is 92.906 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is Ниобий?

Ниобий has a density of 8.57 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of ниобий is about 8.6× heavier.

What is the electronegativity of Ниобий?

Ниобий has a Pauling electronegativity of 1.6. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.

Who discovered Ниобий, and when?

Ниобий was discovered in 1801 by Charles Hatchett. It is named after niobe, daughter of Tantalus.

How common is Ниобий on Earth?

Ниобий makes up about 20 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.

← Предыдущий Zr Zirconium Element 40 · Transition metal Далее → Mo Molybdenum Element 42 · Transition metal