What is 铌?
铌 (symbol Nb) is element 41 on the periodic table, a 过渡金属 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.
结构
这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。
测量值
每个条形图都显示铌在全部118种元素中该性质的排名位置。
来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。
按比例显示的大小
Radius 146 pm — that is 0.146 nm, so about 3425 million of them side by side would span a millimetre.
热范围
铌 is liquid over a 2267 K window, from 2750 K to 5017 K.
故事
A superconducting metal that carries the current in every MRI magnet on Earth.
铌的发现史充满了科学竞争、国际政治以及持续了100多年的命名争论。这个元素实际上由同一个人发现了两次,其名称直到20世纪仍存在争议。
1801年,英国化学家Charles Hatchett正在研究大英博物馆藏品中的一件矿物标本。这种深色、致密的矿物于1734年从马萨诸塞州寄来,并闲置了67年未被研究。Hatchett注意到,这种矿物含有一种未知氧化物,其性质不同于任何已知元素。
Hatchett在私人实验室中将矿物溶于酸,并沉淀出白色氧化物。他以Columbia命名这个新元素;Columbia是America的诗意名称,用来纪念矿物的来源。由于这项发现,Royal Society于1801年授予Hatchett著名的Copley Medal。
43年后,德国化学家Heinrich Rose在研究钽铁矿时有了惊人的发现。他发现,科学家们以为的纯钽实际上含有第二种非常相似的元素。Rose意识到,这正是Hatchett数十年前发现的同一种元素。
Rose以希腊神话中Tantalus的女儿Niobe为这个元素重新命名为“niobium”,这是一个恰当的选择,因为这种元素与钽(以Tantalus命名)关系密切。这引发了一场激烈的国际命名争端:
这场命名争议直到1949年才得到解决,当时国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)正式采用“niobium”作为标准名称。然而,美国冶金学家出于商业目的继续使用“columbium”,直到20世纪60年代。
瑞士化学家Marignac于1866年作出了重要贡献,他成功分离了铌和钽,证明它们确实是不同的元素。他的细致工作包括反复对它们的复杂氟化物盐进行分步结晶,这一过程需要非凡的耐心和技巧。
直到1925年,人们才制得第一批纯铌金属。当时,德国化学家Werner von Bolton使用电弧炉还原氧化铌。所得金属的纯度只有99%,但这终于让科学家能够在与化合物打交道124年后研究铌的真正性质。
应用
铌是现代航空航天技术的支柱,使飞机和航天器能够承受极端条件。在喷气发动机中,铌基高温合金可在超过1,000°C的温度下运行,同时保持结构完整性。波音787梦想客机和空客A350都大量采用铌钛合金制造机身,使其既轻便又极其坚固。
NASA和SpaceX在火箭发动机中使用铌基喷管,因为它们能够承受发射期间产生的3,000°C高温。航天飞机主发动机含有超过2吨的铌合金,而现代猎鹰重型火箭则使用铌增强部件以实现重复使用。
铌钛(NbTi)和铌锡(Nb3Sn)线材是超导磁体的黄金标准。CERN的大型强子对撞机(LHC)含有1,200吨铌超导电缆,可产生比地球磁场强100,000倍的磁场。
每台MRI设备都依靠用液氦冷却至-269°C的铌超导磁体。这些磁体产生人体成像所需的精确磁场,使挽救生命的诊断成为可能。单台MRI扫描仪大约含有1,700米铌线。
世界各地的重要基础设施都使用含铌的高强度低合金(HSLA)钢。悉尼海港大桥翻修工程使用铌钢,在提高强度的同时减轻重量。现代摩天大楼,如哈利法塔,也采用铌增强钢梁,其强度比普通钢高30%。
跨大陆石油和天然气管道使用铌钢管,可在极端压力下抵抗腐蚀和开裂。跨阿拉斯加管道系统含有超过1,000吨铌钢,可在-40°C至+80°C的温度范围内可靠运行。
一级方程式赛车使用铌制排气系统,可承受1,000°C高温,同时比钢制替代品轻40%。Ferrari和McLaren等豪华汽车制造商在高性能发动机中加入铌部件,以实现最大的功率重量比。
虽然消费者难以察觉,但铌存在于无数日常用品中。你的汽车车身面板、家用电器,甚至智能手机的钢制框架,都可能含有铌。在钢中仅加入0.03%的铌,就能使其强度提高30%,让制造商在减少材料用量的同时改善性能。
铌具有通过阳极氧化产生鲜艳色彩的独特性质,因此在珠宝设计师中很受欢迎。与许多金属不同,铌完全不会引起过敏,非常适合皮肤敏感或对金属过敏的人。
一些国家发行由铌制成的纪念币,并利用其变色性质。奥地利的铌硬币尤其著名,硬币中心会根据观看角度从银色变为蓝色、绿色或金色。这些硬币在世界各地的收藏家中都能卖出溢价。
研究实验室使用铌坩埚和容器进行高温实验。铌能够抵抗大多数酸,并具有较高的熔点(2,477°C),因此对材料科学研究和化学分析十分宝贵。
来源
20 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 73% of elements
铌在地壳中出人意料地丰富,在所有元素中排名第33位,平均浓度为20 ppm。然而,铌很少以纯金属形式存在,而是形成复杂矿物,需要先进的提取技术。
巴西主导全球铌生产,控制着全球约85%的供应量。米纳斯吉拉斯州的阿拉沙矿是世界上最大的铌矿床,估计含有4.6亿吨含铌矿石。按当前消费速度计算,仅这一座矿就能满足全球需求500多年。
大多数商业用铌来自烧绿石[(Na,Ca)2Nb2O6(OH,F)],这是一种存在于碳酸岩地层中的复杂氧化物矿物。这些地质结构形成于1.3亿年前,当时古代火山活动在地下深处形成了富含矿物的矿床。
次要来源包括铌钽铁矿,其中铌和钽共存。这些矿物分布于加拿大、澳大利亚和非洲部分地区的伟晶岩地层中。刚果民主共和国在钽矿开采过程中作为副产品生产大量铌。
铌在大质量恒星生命末期的剧烈爆炸过程中,通过恒星核合成形成。当质量达到太阳8倍的恒星走到生命尽头时,会通过快速中子俘获过程产生铌。这些宇宙中的铌随后在太空中旅行数十亿年,最终融入新的行星系统。
对铁陨石的分析显示,其铌浓度与地球核心相近,这表明地球的铌储量是在45亿年前早期轰击时期形成的。少数稀有陨石含有地球上自然界不存在的富铌状态。
回收正成为越来越重要的铌来源,尤其是来自航空航天和钢铁工业的废料。先进的回收技术能够从高温合金废料中回收95%的铌,在保护这一宝贵资源供后代使用的同时减少对采矿的依赖。
处理
铌被认为是对人体接触和环境暴露最安全的金属之一。与许多过渡金属不同,纯铌具有显著的生物相容性,在正常情况下几乎不会带来健康风险。
医疗应用:铌具有极佳的生物相容性,因此被用于医疗植入物、起搏器电极和手术器械。人体对铌不会产生不良反应,使其非常适合长期植入。
焊接和加工:在高温下处理铌时,应确保通风充足,以防止吸入氧化物烟雾。切割或焊接时铌可能产生明亮火花,因此应使用适当的护眼装备。
对环境影响极小:铌化合物对水生生物的毒性较低,也不会在食物链中生物累积。不过,采矿作业应遵循标准环境规范,以尽量减少对栖息地的破坏。
虽然铌本身几乎不会带来环境风险,但回收含铌材料可以减少采矿压力,并保护这一宝贵资源。航空航天和钢铁工业废料应进行适当分类,以便回收铌。
快速回答
铌 (symbol Nb) is element 41 on the periodic table, a 过渡金属 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.
[Kr] 4d⁴ 5s¹, giving 5 occupied shells holding 2, 8, 18, 12, 1 electrons respectively.铌 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.
The standard atomic weight of 铌 is 92.906 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
铌 has a density of 8.57 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 铌 is about 8.6× heavier.
铌 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.
铌 was discovered in 1801 by Charles Hatchett. It is named after niobe, daughter of Tantalus.
铌 makes up about 20 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.