鈮

康熙字典

化學(xué)元素解釋：

簡介

鈮 niobium一種化學(xué)元素。化學(xué)符號Nb，原子序數(shù)41，原子量2.90638，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)。1802年瑞典A.G.厄克貝里在鉭鐵礦中發(fā)現(xiàn)另一種新元素 tantalum。由于這兩種元素性質(zhì)上非常相似，不少人認(rèn)為它們是同一種元素。1844年德意志H.羅澤詳細(xì)研究了許多鈮鐵礦和鉭鐵礦，分離出兩種元素，才澄清了事實真相。鈮在地殼中的含量為0.002%，主要礦物有鈮鐵礦〔(Fe，Mn)(Nb，Ta)2Ob〕、燒綠石〔(Ca，Na)2(Nb，Ta，Ti)2O6(OH，F(xiàn))〕和黑稀金礦、褐釔鈮礦、鉭鐵礦、鈦鈮鈣鈰礦。鈮是灰白色金屬，熔點2468℃，沸點4742℃，密度8.57克/厘米3 。室溫下鈮在空氣中穩(wěn)定，在氧氣中紅熱時也不被完全氧化，高溫下與硫、氮 、碳直接化合 ，能與鈦 、鋯、鉿、鎢形成合金。不與無機(jī)酸或堿作用，也不溶于王水，但可溶于氫氟酸。鈮的氧化態(tài)為-1、+ 2、+3、+4和+5，其中以+5價化合物最穩(wěn)定。

發(fā)現(xiàn)

1801年，英國化學(xué)家查理斯·哈契特(Charles Hatchett)在一種稱為燒綠石(pyrochlore)的礦物中發(fā)現(xiàn)了鈮，由于鈮和鉭非常相似，起初他還曾將兩者混淆，他將這種物質(zhì)暫命名為“鈳”。1809年，另一位英國化學(xué)家威廉·海德·伍拉斯頓(William Hyde Wollaston)錯誤的將“鉭”與“鈳”歸為同一種物質(zhì)。1846年，一位德國化學(xué)家亨烈赫·羅沙(Heinrich Rose)提出鉭礦里應(yīng)該還含有另一種元素，并命名為“鈮”。到1864至65年間，一些科研成果表明其實“鈳”與“鈮”是同一種元素，在之后的一個世紀(jì)里，這兩種稱法是通用的。直至1949年，這種元素才被正式定名為“鈮”。因為人們曾長期用鈮鐵礦的名字(Columbium，譯作鈛、鈳或鎶)來稱呼鈮，所以現(xiàn)在偶爾還會聽到該名稱。

綜合性質(zhì)

元素符號：Nb

元素英文名稱：niobium

元素類型：金屬元素

原子體積:10.87 (立方厘米/摩爾)

元素在太陽中的含量: 0.004 (ppm)

元素在海水中的含量:0.0000009 (ppm)

地殼中含量：20(ppm)

相對原子質(zhì)量：92.90638

原子序數(shù)：41

所屬周期：5

所屬族數(shù)：VB

電子層排布：2-8-18-12-1

晶體結(jié)構(gòu)：晶胞為體心立方晶胞，每個晶胞含有2個金屬原子。

晶胞參數(shù)：a = 330.04 pm， b = 330.04 pm， c = 330.04 pm， α = 90°， β = 90°， γ = 90°

氧化態(tài)：Main Nb+5 ，Other Nb-3, Nb-1, Nb+1, Nb+2, Nb+3, Nb+4

莫氏硬度：6

聲音在其中的傳播速率：3480(m/S)

電離能 (kJ /mol)

M - M+ 664

M+ - M2+ 1382

M2+ - M3+ 2416

M3+ - M4+ 3695

M4+ - M5+ 4877

M5+ - M6+ 9899

M6+ - M7+ 12100[1]

化學(xué)性質(zhì)

鈮的化學(xué)性質(zhì)在很多方面跟同族(第5族，即VB族)的前面的元素相似。高溫下，鈮會跟絕大多數(shù)非金屬單質(zhì)反應(yīng)：室溫即與氟單質(zhì)反應(yīng)，200 °C即與氯氣和氫氣反應(yīng)，400 °C與氮?dú)夥磻?yīng)，產(chǎn)物通常是填隙式且不是整比化合物。鈮置于空氣中200 °C開始被氧化，卻能夠抵抗熔融堿金屬和酸(包括王水、鹽酸、硫酸、硝酸和磷酸等)的腐蝕。鈮能被熱的，濃的無機(jī)酸腐蝕，包括氫氟酸或氫氟酸/硝酸混合酸。盡管鈮能顯示出所有正常的氧化態(tài)(從+5到−1)，其最穩(wěn)定的價態(tài)為+5價。

鈮能夠形成+5價氧化物五氧化二鈮(Nb2O5)，+4價的二氧化鈮(NbO2)還有+3價的三氧化二鈮(Nb2O3)和較為罕見的氧化態(tài)+2價的一氧化鈮(NbO)。最穩(wěn)定的氧化態(tài)為+5，五氧化物跟非整比的二氧化物是最常見的鈮氧化物。鈮的五氧化物主要用于生產(chǎn)電容器，光學(xué)玻璃，或作為制備鈮的其他化合物的起始材料。制備這些化合物，我們可以將其五氧化二物溶解在堿性氫氧化物溶液中，或是將之與其他金屬的氧化物共同熔融。例如制備鈮酸鋰(LiNbO3)、鈮酸鑭(LaNbO4)。對于鈮酸鋰的結(jié)構(gòu)，鈮酸根離子(NbO3−)不是作為單體存在，而是三角形扭曲的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的一部分，而對于鈮酸鑭的結(jié)構(gòu)則包含孤立的NbO4−離子。鈮酸鋰作為一種鐵電物質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)和光調(diào)制器，以及聲表面波器件的生產(chǎn)，屬于ABO3結(jié)構(gòu)類似鉭酸鋰和鉭酸鋇的鐵電體。

鈮能夠形成+5，+4，+3價鹵化物(NbX5，NbX4和NbX3)，也能生成多核配合物和非整比化合物。五氟化鈮(NbF5)為白色固體，熔點79.0 °C;五氯化鈮(NbCl5)是黃白色固體，熔點203.4 °C。兩者都能發(fā)生水解反應(yīng)，在高溫條件下能夠與過量的鈮單質(zhì)反應(yīng)，生成黑色極易潮解的四氟化鈮(NbF4)和四氯化鈮(NbCl4)。鈮的三鹵化物能夠通過氫氣還原其五鹵化物制得，而其二鹵化物則不存在。高溫下一氯化鈮的光譜能夠被檢測到。鈮的氟化物可用于分離鈮和鉭的混合物。五氯化鈮在有機(jī)化學(xué)中被用作觸發(fā)烯烴的Diels-Alder反應(yīng)的Lewis酸。五氯化鈮還能作為原料制備有機(jī)金屬化合物二氯二茂鈮((C5H5)2NbCl2)，可作為制備其它有機(jī)鈮化合物的起始原料。其他二元化合物如氮化鈮(NbN)在低溫條件下顯示出超導(dǎo)性，現(xiàn)已用于紅外探測器;碳化鈮則是一種硬度很大的，熔點很高的陶瓷材料，在制造商品上用于制造切割工具的一部分。鍺化鈮(Nb3Ge)，錫化鈮(Nb3Sn)還有鈮鈦合金，都被用作超導(dǎo)磁體的超導(dǎo)導(dǎo)線。其它的化合物有硫化鈮和其它幾種鈮的填隙型化合物，如鈮跟硅的填隙型化合物等，此處不再細(xì)說。

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。

鈮和鉭

把它們放到一起來介紹是有道理的，因為它們在元素周期表里是同族，物理、化學(xué)性質(zhì)很相似，而且常常“形影不離”，在自然界伴生在一起，真稱得上是一對惟妙惟肖的“孿生兄弟”。事實上，當(dāng)人們在十九世紀(jì)初首次發(fā)現(xiàn)鈮和鉭的時候，還以為它們是同一種元素呢。以后大約過了四十二年，人們用化學(xué)方法第一次把它們分開，這才弄清楚它們原來是兩種不同的金屬。鈮、鉭和鎢、鉬一樣都是稀有高熔點金屬，它們的性質(zhì)和用途也有不少相似之處。

既然被稱為稀有高熔點金屬，鈮、鉭最主要的特點當(dāng)然是耐熱。它們的熔點分別高達(dá)攝氏二千四百多度和將近三千度，不要說一般的火勢燒不化它們，就是煉鋼爐里烈焰翻騰的火海也奈何它們不得。難怪在一些高溫高熱的郡門里，特別是制造一千六百度以上的真空加熱爐，鉭金屬是十分適合的材料。

一種金屬的優(yōu)良性能往往可以“移植”到另一種金屬里。現(xiàn)在的情況也是這樣，用鈮作合金元素添加到鋼里，能使鋼的高溫強(qiáng)度增加，加工性能改善。鈮、鉭與鎢、鉬、釩、鎳、鈷等一系列金屬合作，得到的“熱強(qiáng)合金”，可以用作超音速噴氣式飛機(jī)和火箭、導(dǎo)彈等的結(jié)構(gòu)材料。目前科學(xué)家們在研制新型的高溫結(jié)構(gòu)材料時，已開始把注意力轉(zhuǎn)向鈮、鉭;許多高溫、高強(qiáng)度合金都有這一對孿生兄弟參加。

鈮、鉭本身很頑強(qiáng)，它們的碳化物更有能耐，這個特點與鎢、鉬也毫無二致。用鈮和鉭的碳化物作基體制成的硬質(zhì)合金，有很高的強(qiáng)度和抗壓、耐磨、耐蝕本領(lǐng)。在所有的硬質(zhì)化合物中，碳化鉭的硬度是最高的。用碳化袒硬質(zhì)合金制成的刀具，能抗得住三千八百度以下的高溫，硬度可以與金剛石匹敵，使用壽命比碳化鎢更長。

用途

鈮 - 超低溫下創(chuàng)奇跡

人們很早以前就發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降低到接近絕對零度的時俟，有些物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)會發(fā)生突然的改變，變成一種幾乎沒有電阻的“超導(dǎo)體”。物質(zhì)開始具有這種奇異的“超導(dǎo)”性能的溫度叫臨界溫度。不用說，各種物質(zhì)的臨界溫度是不一樣的。

要知道，超低溫度是很不容易得到的，人們?yōu)榇硕冻隽司薮蟮拇鷥r;越向絕對零度接近，需要付出的代價越大。所以我們對超導(dǎo)物質(zhì)的要求，當(dāng)然是臨界溫度越高越好。

具有超導(dǎo)性能的元素不少，鈮是其中臨界溫度最高的一種。而用鈮制造的合金，臨界溫度高達(dá)絕對溫度十八點五到二十一度，是目前最重要的超導(dǎo)材料。

人們曾經(jīng)做過這樣一個實驗：把一個冷到超導(dǎo)狀態(tài)的金屬鈮環(huán)，通上電流然后再斷開電流，然后，把整套儀器封閉起來，保持低溫。過了兩年半后，人們把儀器打開，發(fā)現(xiàn)鈮環(huán)里的電流仍在流動，而且電流強(qiáng)弱跟剛通電時幾乎完全相同!

從這個實驗可以看出，超導(dǎo)材料幾乎不會損失電流。如果使用超導(dǎo)電纜輸電，因為它沒有電阻，電流通過時不會有能量損耗，所以輸電效率將大大提高。

有人設(shè)計了一種高速磁懸浮列車，它的車輪部位安裝有超導(dǎo)磁體，使整個列車可以浮起在軌道上約十厘米。這樣一來，列車和軌道之間就不會再有摩擦，減少了前進(jìn)的阻力。一列乘載百人的磁懸浮列車，只消一百馬力的推動力，就能使速度達(dá)到每小時五百公里以上。

用一條長達(dá)二十公里的鈮錫帶，纏繞在直徑為一點五米的輪緣上，繞組能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈而穩(wěn)定的磁場，足以舉起一百二十二公斤的重物，并使它懸浮在磁場空間里。如果把這種磁場用到熱核聚變反應(yīng)中，把強(qiáng)大的熱核聚變反應(yīng)控制起來，那就有可能給我們提供大量的幾乎是無窮無盡的廉價電力。

不久前，人們曾用鈮鈦超導(dǎo)材料制成了一臺直流發(fā)電機(jī)。它的優(yōu)點很多，比如說體積小，重量輕，成本低，與同樣大小的普通發(fā)電機(jī)相比，它發(fā)的電量要大一百倍。

鈮 - 醫(yī)療用途

鉭在外科醫(yī)療上也占有重要地位，它不僅可以用來制造醫(yī)療器械，而且是很好的“生物適應(yīng)性材料”。

比如說吧，用鉭片可以彌補(bǔ)頭蓋骨的損傷，鉭絲可以用來縫合神經(jīng)和肌腱，鉭條可以代替折斷了的骨頭和關(guān)節(jié)，鉭絲制成的鉭紗或鉭網(wǎng)，可以用來補(bǔ)償肌肉組織……

在醫(yī)院里，還會有這樣的情況：用鉭條代替人體里折斷了的骨頭之后，經(jīng)過一段時間，肌肉居然會在鉭條上生長起來，就像在真正的骨頭上生長一樣。怪不得人們把鉭叫作“親生物金屬”哩。

為什么鉭在外科手術(shù)中能有這樣奇特的作用呢?

關(guān)鍵還是因為它有極好的抗蝕性，不會與人體里的各種液體物質(zhì)發(fā)生作用，并且?guī)缀跬耆粨p傷生物的機(jī)體組織，對于任何殺菌方法都能適應(yīng)，所以可以同有機(jī)組織長期結(jié)合而無害地留在人體里。

除了在外科手術(shù)中有這樣好的用途外，利用鈮、鉭的仆學(xué)穩(wěn)定性，還可以用它們來制造電解電容器、整流器等等。

特別是鉭，目前約有一半以上用來生產(chǎn)大容量，小體積，高穩(wěn)定性的固體電解電容器。全世界每年都要生產(chǎn)幾億只。

鉭電解電容器沒有“辜負(fù)”人們的厚望，它具有很多其他材料比不上的優(yōu)點。

它比跟它一般大小的其他電容器“兄弟”的電容量大五倍，而且非常可靠、耐震，工作溫度范圍大，使用壽命長，現(xiàn)在已經(jīng)大量地用在電子計算機(jī)、雷達(dá)、導(dǎo)彈、超音速飛機(jī)、自動控制裝置以及彩色電視、立體電視等的電子線路中。