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  一种化学元素,化学符号Nb,原子序数41,原子量92.90638,属周期系ⅤB族。

目录

发现

  1801年英国化学家C.哈切特从当时陈列在大英博物馆的一块黑色矿石(铌铁矿)中分离出一种新元素的氧化物,称为columbium(钶)。一年后,瑞典化学家A.G.厄克贝里从瑞典的钽铁矿中发现元素。由于钶和钽在性质上非常相似,不少研究者认为两者是同一元素。1844年德意志化学家H.罗泽对各种不同的铌铁矿和钽铁矿进行了透彻的研究,分离出两种不同的元素,才澄清事实真相,并仿照厄克贝里用希腊神话中宙斯之子Tantalus之名命名钽,用Tantalus的女儿Niobe的名字来命名这个与钽伴生的元素。罗泽证实哈切特发现的“columbium”,实际上是铌和钽的混合氧化物。

存在

  铌在地壳中的含量为0.002%。铌常以铌酸盐的形式存在,主要矿石是铌铁矿。由于铌、钽的共生,在铌铁矿中常含有钽,在钽铁矿中也含有铌,两种矿石统一表示为(Fe,Mn)(Nb,Ta)2O6,按两者相对含量之多少来判定何者是铌铁矿,何者是钽铁矿。通常,在铌铁矿中铌的含量为47%~78%。铌有时常与稀土元素共存,有时也与铀矿物共存,例如黑稀金矿(Y,Ca,Ce,U,Th) (Nb,Ta,Ti)2O6、复稀金矿(组成与黑稀金矿类同)、褐钇铌矿Y(Nb,Ta)O4、铌钇矿(Fe,Ca,UO2)3(Y,Ce)2(Ta,Nb)6O21等矿石中都含有铌。天然存在一种铌的稳定同位素铌90。

物理性质

  铌为灰白色金属,磨光的表面呈白色光泽;熔点2468℃,沸点4742℃,密度8.57克/厘米3。纯金属铌具有立方体心结构,在真空中加热时强烈喷溅。

化学性质

  铌的电子构型为(Kr)4d45s1,氧化态有+2、+3、+4、+5、-1。金属铌具有良好的抗蚀性。常温下,不被水和无机酸碱侵蚀,也不与王水反应,但能缓慢溶于氢氟酸。加热时,铌与氢氟酸反应迅速,也能溶于热浓硫酸和浓碱。铌在空气中稳定,加热时表面失去光泽。在氧气中加热到红热也不会完全氧化。在氯气流中,红热的铌剧烈地燃烧,成为五氯化铌。高温下,铌能与硫、氮、碳等元素直接化合,形成硫化物、氮化物和碳化物。

化合物

  常见的五价铌的化合物有五氧化二铌和五氯化铌,它们的性质与非金属化合物相似。其卤化物和卤氧化物有挥发性且易发生水解。五氯化铌水解时生成水合五氧化二铌,也称铌酸。铌酸具有两性,能溶于盐酸和浓硫酸,也能溶于浓的碱溶液。在碱性溶液中,铌酸根离子形成多阴离子[Nb6O19]8-;当溶液的酸度增加到pH=7时,会有水合氧化铌沉淀。

  铌也能形成一些低价的氧化物 NbO2、NbO和卤化物NbX4、NbX3、NbX2(X为卤素)。有些铌低价卤化物的组成还相当复杂,如Nb6F15、Nb6Cl14、Nb6I11。这些低价化合物都有金属原子簇和非整比的特征。例如在低价卤化物中存在以卤素原子为桥的,具有Nb-Nb金属键的,组成为[Nb3X8]、[Nb6X8]3+、[Nb6X12]n-(n=2、3)的金属原子簇(见原子簇金属化合物)。

制法

  处理铌矿有酸法和碱法两种:①酸法,用硫酸氢钾与矿粉熔融,用水洗涤熔体,再用盐酸沥取以除去其中的铁,然后将熔体用稀的氢氟酸处理,最后用含氟络合钾盐分级结晶的方法对铌、钽进行分离。②碱法,用苛性碱与矿粉熔融,熔体用水沥取以除去二氧化硅。母液用盐酸处理,使铌、钽以铌酸和钽酸的形式沉淀,最后将沉淀溶入氢氟酸,并引入离子,使钽以七氟钽酸钾的形式结晶析出,铌以五氟氧合铌酸钾K2NbOF5的形式留在溶液中。溶液中残留的钽,可通过将溶液煮沸后加入碳酸钾的办法,使它成为氟氧钽酸钾2K2TaF7•Ta2O5而沉淀。溶液中的铌,可加过量氢氧化钠使它沉淀为铌酸钠7Na2O•6Nb2O5•3H2O,然后用盐酸处理,将它转化为铌酸,最后制成铌酸钾4K2O•3Nb2O5•16H2O,再进行重结晶提纯。

  目前分级结晶分离铌、钽的方法已被液-液萃取法所代替。萃取时水相可用氢氟酸、氢氟酸-盐酸或氢氟酸-硫酸体系;有机相用甲基异丁基酮。在氢氟酸浓度较低时,钽首先被甲基异丁基酮萃取,然后加盐酸或硫酸以增加水溶液的酸度,再用新鲜的甲基异丁基酮萃取其中的铌。金属铌可先用五氧化二铌制成铌的碳化物 NbC,再将NbC和五氧化二铌按化学计量配比,在1600~2500℃加热制取,其反应为:


5NbC+Nb2O5─→7Nb+5CO

此法制得的粉末状铌,可先经烧结,再在真空或惰性气氛下的电弧炉内熔化,制成金属块;也可用碘化法进一步精炼。

  金属铌还可用电解熔融的七氟铌酸钾或用金属还原七氟铌酸钾的方法制取;也可用金属碳化物还原纯五氧化二铌的方法制取。

应用

  纯金属铌在电子管中用来去除残留气体。铌铁合金加在不锈钢中可起固定碳的作用;铌在合金钢中能提高钢在高温时的抗氧化性,改善钢的焊接性能和增强钢的抗蠕变能力。铌还用于制造高温金属陶瓷,含铌金属陶瓷可以用来制造高空火箭和喷气发动机。

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