鈮(niobium)是一種化學(xué)元素?;瘜W(xué)符號Nb,原子序數41,原子量92.90638,屬周期系ⅤB族。1801年英國C.哈切特從鈮鐵礦中分離出一種新元素的氧化物,并命名該元素為columbium(中譯名鈳)。鈮是灰白色金屬,熔點(diǎn)2468℃,沸點(diǎn)4742℃,密度8.57克/立方厘米。鈮是一種帶光澤的灰色金屬,具有順磁性,屬于元素周期表上的5族。高純度鈮金屬的延展性較高,但會(huì )隨雜質(zhì)含量的增加而變硬。鈮對于熱中子的捕獲截面很低,因此在核工業(yè)上有相當的用處。
一.制取
金屬鈮可用電解熔融的七氟鈮酸鉀制取,也可用金屬鈉還原七氟鈮酸鉀或金屬鋁還原五氧化二鈮制取。純鈮在電子管中用于除去殘留氣體,鋼中摻鈮能提高鋼在高溫時(shí)的抗氧化性,改善鋼的焊接性能。鈮還用于制造高溫金屬陶瓷。
開(kāi)采所得的礦石要經(jīng)過(guò)分離過(guò)程,使五氧化二鉭(Ta2O5)和五氧化二鈮(Nb2O5)從其他礦物中脫離出來(lái)。
讓-夏爾·加利薩·德馬里尼亞發(fā)明了產(chǎn)業(yè)規模的分離方法,利用了鈮和鉭的氟化物配合物所擁有的水溶性差異。新的方法則使用類(lèi)似環(huán)己酮的有機溶劑把氟化物從水溶液中萃取出來(lái),再用水將鈮和鉭的配合物從有機溶劑中分別提取。加入氟化鉀能使鈮沉淀成氟化鉀配合物,而加入氨則可沉淀出五氧化二鈮。
從化合物到金屬態(tài)的還原方法有幾種。一是對K2[NbOF5]和氯化鈉的熔融混合物進(jìn)行電解,二是用鈉對氟化鈮進(jìn)行還原。這種方法所得出的鈮金屬具有較高的純度。
截至2013年,巴西冶金及礦業(yè)有限公司控制了世界85%的鈮生產(chǎn)。美國地質(zhì)調查局估計,鈮產(chǎn)量從2005年的38,700噸升至2006年的44,500噸。全球鈮資源存量估計有440萬(wàn)噸。在1995至2005年間,產(chǎn)量從17,800噸上升至雙倍以上。2009年至2011年,產(chǎn)量維持在每年63,000噸的穩定狀態(tài)。
二.化合物
鈮在很多方面都與鉭及鋯十分相似。它會(huì )在室溫下與氟反應,在200°C下與氯和氫反應,以及在400°C下與氮反應,產(chǎn)物一般都是間隙非整比化合物。鈮金屬在200°C下會(huì )在空氣中氧化,且能抵御熔融堿和各種酸的侵蝕,包括王水、氫氯酸、硫酸、硝酸和磷酸等。不過(guò)氫氟酸以及氫氟酸和硝酸的混合物則可以侵蝕鈮。
1.氧化物及硫化物
鈮的氧化物可以有以下的氧化態(tài):+5(Nb2O5)、+4(NbO2)和+3(Nb2O3),另外較罕見(jiàn)的有+2態(tài)(NbO)。五氧化二鈮是最常見(jiàn)的鈮氧化物,鈮金屬及所有鈮化合物的制備都需從其開(kāi)始。要制成鈮酸鹽,可將五氧化二鈮溶于堿性氫氧化物溶液中,或熔化于堿金屬氧化物中。
2.鹵化物
鈮可以形成擁有+5和+4氧化態(tài)的鹵化物,以及各種亞化學(xué)計量化合物。
鈮的鹵化物負離子也存在,這是因為鈮的五鹵化物都是路易斯酸。最重要的一種為[NbF7],它是鈮和鉭的礦物分離過(guò)程中的一個(gè)中間化合物。它比對應的鉭化合物更易轉換為氧五氟化物。
3.氮化物及碳化物
氮化鈮(NbN)在低溫下會(huì )變成超導體,被用在紅外線(xiàn)探測器中。最主要的碳化鈮是NbC,其硬度極高,是一種耐火的陶瓷材料,可用作切割工具刀頭材料。