铌是什么?
铌(符号Nb)是元素周期表中的第41号元素,属于5周期5族的过渡金属。 一种超导金属,为地球上每一台MRI磁体传导电流。 在室温下为固态。
结构
这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。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
每个条形图显示铌在全部118种元素中该属性所处的位置。
来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。
尺寸,按比例显示
半径146 pm——即0.146 nm,因此大约3.42百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。
温度范围
铌在2267 K的范围内呈液态,温度从2750 K到5017 K。
背后的故事
一种超导金属,为地球上每一台MRI磁体传导电流。
铌的发现故事充满了科学竞争、国际政治以及持续了100多年的命名争议。这个元素实际上由同一个人发现了两次,而它的名称直到20世纪仍存在争议。
1801年,英国化学家Charles Hatchett在研究大英博物馆馆藏的一份矿物标本。这种深色、致密的矿物于1734年从马萨诸塞州寄来,之后67年一直无人研究。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在自己的私人实验室中将矿物溶解于酸,并沉淀出一种白色氧化物。他以Columbia这一美国的诗意名称为新元素命名为“columbium”,以纪念矿物的来源。Royal Society因其发现于1801年授予Hatchett prestigious Copley Medal。
43年后,德国化学家Heinrich Rose在研究钽铁矿时取得了惊人发现。他发现,科学家以为是纯钽的物质实际上含有第二种非常相似的元素。Rose意识到,这就是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为元素重新命名为“niobium”,这是一个恰当的选择,因为该元素与钽(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International Union of Pure and Applied Chemistry(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仍继续使用“columbium”,直到20世纪60年代。
瑞士化学家Marignac在1866年作出了关键贡献,他成功分离了铌和钽,证明二者确实是不同的元素。他的细致工作包括对它们复杂的氟化物盐进行反复分步结晶,这一过程需要非凡的耐心和技巧。
直到1925年,人们才制得第一块纯铌金属。当时,德国化学家Werner von Bolton使用电弧炉还原氧化铌。所得金属纯度只有99%,但经过124年对化合物的研究后,它终于让科学家能够研究铌的真正性质。
用途
铌是现代航空航天技术的基础,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。Boeing 787 Dreamliner和Airbus A350高度依赖铌钛合金,以制造轻质但强度极高的机身。
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。Space Shuttle主发动机含有超过2吨的铌合金,而现代Falcon Heavy火箭使用铌增强部件来实现重复使用。
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设备都依赖于用液氦冷却至-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扫描仪约含1,700米铌线。
世界各地的关键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。Burj Khalifa等现代摩天大楼采用铌增强钢梁,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。Trans-Alaska Pipeline System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。
Formula 1赛车使用铌排气系统,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采用铌部件,以实现最大的功率重量比。
尽管消费者难以察觉,铌却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。在钢中加入仅0.03%的铌,就能使其强度提高最多30%,让制造商在提升性能的同时减少材料用量。
铌具有通过阳极氧化产生鲜艳色彩的独特性质,因此深受珠宝设计师欢迎。与许多金属不同,铌完全不会引起过敏,非常适合敏感皮肤或金属过敏人群。
一些国家发行由铌制成、具有变色性质的纪念币。奥地利的铌硬币尤其著名,其金属中心会根据观察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获得溢价。
研究实验室使用铌坩埚和容器进行高温实验。铌耐大多数酸,并且熔点高达2,477°C,因此对材料科学研究和化学分析具有重要价值。
来源
地壳中含量为20 mg/kg · 比73%的元素更丰富
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 parts per million。然而,铌很少以纯金属形式存在,而是形成需要先进提取技术的复杂矿物。
巴西主导全球铌生产,控制着全世界约85%的供应量。米纳斯吉拉斯州的Araxá矿是世界最大的铌矿床,估计含有4.6亿吨含铌矿石。按照当前消费速度,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,其中铌和钽共同存在。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。刚果民主共和国在开采钽的过程中,也会生产大量铌作为副产品。
铌通过大质量恒星在生命末期爆炸性阶段发生的恒星核合成形成。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生成铌。这些宇宙中的铌随后在太空中运行数十亿年,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45亿年前的早期轰击时期形成的。少数稀有陨石含有地球上自然界未发现的富铌状态。
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行业的废料。先进回收技术可以从高温合金废料中回收95%的铌,在减少对采矿依赖的同时,为子孙后代保护这一宝贵资源。
处理
铌被认为是与人体接触和环境暴露时最安全的金属之一。与许多过渡金属不同,纯铌具有出色的生物相容性,在正常情况下对健康的风险极低。
医疗应用:铌具有很高的生物相容性,因此可用于医疗植入物、心脏起搏器电极和手术器械。人体对铌不会产生不良反应,因此非常适合长期植入。
焊接与加工:在高温下操作铌时,应确保通风充分,以防吸入氧化物烟雾。切割或焊接时铌可能产生明亮火花,因此应使用适当的护目装备。
对环境影响很小:铌化合物对水生生物的毒性较低,不会在食物链中生物累积。然而,采矿作业应遵循标准环境规程,以尽量减少对栖息地的破坏。
虽然铌本身造成的环境风险很少,但回收含铌材料可以减轻采矿压力,并节约这一宝贵资源。航空航天和钢铁行业的废料应进行适当分类,以便回收铌。
快速解答
铌(符号Nb)是元素周期表中的第41号元素,属于5周期5族的过渡金属。 一种超导金属,为地球上每一台MRI磁体传导电流。 在室温下为固态。
[Kr] 4d⁴ 5s¹,共有5个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 18, 12, 1。铌在2750 K(2476.9 °C)熔化,在5017 K(4743.9 °C)沸腾。 因此它属于最耐高温的元素之列——在能使大多数金属汽化的温度下,它仍保持固态。
铌的标准原子量为92.906 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。
铌的密度为8.57 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此铌块约重8.6倍。
铌的鲍林电负性为1.6。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。
铌由Charles Hatchett于1801年发现。 它以niobe,Tantalus 的女儿命名。
铌约占地壳的20 mg/kg——不常见,但并不稀有。