Ниобијум

С Википедије, слободне енциклопедије
Ниобијум
Niobium crystals and 1cm3 cube.jpg
Општа својства
Име, симболниобијум, Nb
Изгледсиво металан, плавкаст када се оксидира
У периодном систему
Водоник Хелијум
Литијум Берилијум Бор Угљеник Азот Кисеоник Флуор Неон
Натријум Магнезијум Алуминијум Силицијум Фосфор Сумпор Хлор Аргон
Калијум Калцијум Скандијум Титанијум Ванадијум Хром Манган Гвожђе Кобалт Никл Бакар Цинк Галијум Германијум Арсен Селен Бром Криптон
Рубидијум Стронцијум Итријум Цирконијум Ниобијум Молибден Технецијум Рутенијум Родијум Паладијум Сребро Кадмијум Индијум Калај Антимон Телур Јод Ксенон
Цезијум Баријум Лантан Церијум Празеодијум Неодијум Прометијум Самаријум Европијум Гадолинијум Тербијум Диспрозијум Холмијум Ербијум Тулијум Итербијум Лутецијум Хафнијум Тантал Волфрам Ренијум Осмијум Иридијум Платина Злато Жива Талијум Олово Бизмут Полонијум Астат Радон
Францијум Радијум Актинијум Торијум Протактинијум Уранијум Нептунијум Плутонијум Америцијум Киријум Берклијум Калифорнијум Ајнштајнијум Фермијум Мендељевијум Нобелијум Лоренцијум Радерфордијум Дубнијум Сиборгијум Боријум Хасијум Мајтнеријум Дармштатијум Рендгенијум Коперницијум Нихонијум Флеровијум Московијум Ливерморијум Тенесин Оганесон
V

Nb

Ta
цирконијумниобијуммолибден
Атомски број (Z)41
Група, периодагрупа 5, периода 5
Блокd-блок
Рел. ат. маса (Ar)92,90637(2)[1]
Ел. конфигурација
по љускама
2, 8, 18, 12, 1
Физичка својства
Тачка топљења2750 K ​(2477 °‍C, ​4491 °F)
Тачка кључања5017 K ​(4744 °‍C, ​8571 °F)
Густина при с.т.8,57 g/cm3
Топлота фузије30 kJ/mol
Топлота испаравања689,9 kJ/mol
Мол. топл. капацитет24,60 J/(mol·K)
Напон паре
P (Pa) 100 101 102
на T (K) 2942 3207 3524
P (Pa) 103 104 105
на T (K) 3910 4393 5013
Атомска својства
Електронегативност1,6
Енергије јонизације1: 652,1 kJ/mol
2: 1380 kJ/mol
3: 2416 kJ/mol
Атомски радијус146 pm
Ковалентни радијус164±6 pm
Линије боје у спектралном распону
Остало
Кристална структураунутрашњецентр. кубична (BCC)
Cubic body-centered кристална структура за ниобијум
Брзина звука танак штап3480 m/s (на 20 °‍C)
Топл. ширење7,3 µm/(m·K)
Топл. водљивост53,7 W/(m·K)
Електрична отпорност152 nΩ·m (на 0 °‍C)
Магнетни распоредпарамагнетичан
Јангов модул105 GPa
Модул смицања38 GPa
Модул стишљивости170 GPa
Поасонов коефицијент0,40
Мосова тврдоћа6,0
Викерсова тврдоћа870–1320 MPa
Бринелова тврдоћа735–2450 MPa
CAS број7440-03-1
Историја
Именовањепо Ниоби у грчкој митологији, ћерки Тантала (тантал)
ОткрићеЧарлс Хачет (1801)
Прва изолацијаКристијан Вилхелм Блумстранд (1864)
Препознат као засебни емементХајнрих Розе (1844)
Главни изотопи
изо РА полуживот (t1/2) ТР ПР
90Nb syn 15 h β+ 90Zr
91Nb syn 680 y ε 91Zr
91mNb syn 61 d ИТ 91Nb
92Nb трафови 3,47×107 y ε 92Zr
γ
92m1Nb syn 10 d ε 92Zr
γ
93Nb 100% стабилни
93mNb syn 16 y ИТ 93Nb
94Nb trace 20,3×103 y β 94Mo
γ
95Nb syn 35 d β 95Mo
γ
95mNb syn 4 d ИТ 95Nb
96Nb syn 24 h β 96Mo
референцеВикиподаци

Ниобијум (Nb, лат. niobium) метал је VB групе, прелазних метала са атомским бројем 41.[2] Име је добио по личности из грчке митологије — Ниобе, Танталове ћерке.[3] Нобијумов минерал је колумбит (Fe,Mn)Nb2O6.[4] Заступљен је у Земљиној кори у количини од 20 ppm (енгл. parts per million).

Физичке и хемијске особине ниобијума су доста сличне као и особине елемента тантала, те је релативно тешко разликовати ова два метала. Енглески хемичар Чарлс Хачет објавио је откриће новог елемента сличног танталу 1801. и дао му име колумбијум. Његов сународњак, хемичар Вилијам Хајд Воластон погрешно је закључио да су тантал и колумбијум једнаки. Међутим, Немац Хајнрих Розе је 1846. запазио да руде тантала садрже неки други елемент којем је дао име ниобијум. Неколико научних открића током 1864. и 1865. показала су да су ниобијум и раније пронађени колумбијум исти елемент (и да се разликује од тантала), а готово цели век та два назива су се користила упоредо. Тек 1949. званично је усвојен назив ниобијум, али је назив колумбијум и даље остао у кориштењу у металургији, нарочито у САД.

Све до почетка 20. века ниобијум се није много комерцијално користио. Бразил је водећи произвођач ниобијума и ферониобијума, легуре ниобијума и жељеза са уделом ниобијума од 60% до 70%. Ниобијум се углавном употребљава у легурама, највећи део у посебним челицима који се користе за прављење гасовода. Иако те легуре садрже највише 0,1% овог елемента, тако мали удео ниобијума повећава чврстоћу челика. Температурна стабилност суперлегура са ниобијумем важна је због њихове примене у ракетним и млазним моторима. Овај метал се користи у разним суперпроводним материјалима. Такве суперпроводне легуре, које још на пример садрже титанијум и калај, широко се употребљавају као суперпроводни магнети у МРИ скенерима. Друге апликације ниобијума укључују заваривање, нуклеарну индустрију, електронику, оптику, нумизматику и накит. У последње две апликације до посебног изражаја долази његова слаба отровност и способност обојења при анодизацији.

Историја[уреди | уреди извор]

Ниобијум је 1801. открио Чарлс Хачет. Открио га је у узорку руде колумбита пореклом из речног корита у Масачусетсу, који је у Енглеску послат око 1743. године. Хачет је елемент назвао колумбијум (према Колумбији, персонификацији Сједињених Америчких Држава). До средине 19. века, претпостављало се да се код колумбијума и тантала (откривеног 1802.) ради о истом елементу, јер су се они у минералима готово увек јављали заједно (у парагенези).

Тек 1844. берлински професор Хајнрих Розе доказао је да су ниобијумева и танталова киселина различите супстанце. Не знајући за радове Хачета нити његово давање имена колумбијуму, он је „поновно” откривени елемент назвао по ћерки митолошког Тантала, Ниоби, због сличности тог елемента са танталом.

Gotovo 100 godina trajala je polemika i diskusija o imenu ovog elementa, sve dok Međunarodna unija za čistu i primijenjenu hemiju (IUPAC) није 1950. одлучила да се као званично име овог елемента узме ниобијум. Године 1864. Кристијан Вилхелм Блумстранд је успео да добије метални ниобијум помоћу редукције ниобијум-хлорида са водоником при високој температури. Године 1866. Чарлс Марињак потврдио је да је тантал засебан елемент. Вернере фон Болтон је 1907. добио веома чисти елементарни ниобијум редукцијом хептрафлуорониобата са натријумом.[5]

Особине[уреди | уреди извор]

Физичке[уреди | уреди извор]

Ниобијум је сјајни, сиви, дуктилни, парамагнетични метал у 5. групи периодног система, иако има нетипичну конфигурацију своје крајње вањске електронске љуске у односу на остале чланове те групе. (Слично се може уочити и у његовом „комшилуку” код рутенијума (44), родијума (45) и паладијума (46).)

Z Елемент Бр. електрона по љусци
23 ванадијум 2, 8, 11, 2
41 ниобијум 2, 8, 18, 12, 1
73 тантал 2, 8, 18, 32, 11, 2
105 дубнијум 2, 8, 18, 32, 32, 11, 2 (претпоставка)

Иако постоји мишљење да он има просторно-центрирану кубичну кристалну структуру у распону од T = 0 K до своје тачке топљења, мерења топлотног ширења високе резолуције дуж три кристалографске осе открила су анизотропе који нису у складу са кубном структуром.[6] Стога се за ниобијум мора разматрати нова кристална структура.

При криогеним температурама, овај метал постаје суперпроводник. При атмосферском притиску, он има највишу критичну температуру од свих елементарних суперпроводника: 9,2 K.[7] Ниобијум има и највећу дубину магнетног продирања (пенетрације) од свих елемената.[7] Осим тога, он је и један од три елементарна суперпроводника типа II, заједно са ванадијумом и технецијумом. Суперпроводничке особине доста зависе од чистоће металног ниобијума.[8] Када је веома чист, релативно је мек и дуктилан, док га нечистоће чине снажнијим.[9]

Метал има и врло мали попречни пресек хватања термалних неутрона,[10] па се због тога користи у нуклеарној индустрији.[11]

Хемијске[уреди | уреди извор]

Плочице од ниобија

Када се на дужи период изложи ваздуху при собној температури, метал поприма плавкасте нијансе.[12] И поред високе тачке топљења у елементарном облику (2477°C), ниобијум има релативно ниску густину у односу на друге ватросталне метале. Такође, он је отпоран на корозију, показује суперпроводничке особине и гради диелектричне слојеве оксида.

Ниобијум је незнатно мање електропозитиван и нешто компактнији од његовог претходника у периодном систему, цирконијума, док је практично исти по величини у поређењу са тежим атомима тантала, што се објашњава контракцијом лантаноида.[9] Као резултат тога, хемијске особине овог елемента су изузетно сличне танталовим, који се налази директно испод ниобијума у периодном систему елемената.[13] Иако његова отпорност на корозију није тако велика попут танталове, ниска цена и лакша доступност ниобијума чине га пожељнијим у мање захтевне сврхе и апликације попут облагања у хемијским фабрикама.[9]

Изотопи[уреди | уреди извор]

Природни ниобијум састоји се из само једног стабилног изотопа, 93Nb.[14] До 2003. била су позната и синтетизована најмање 32 радиоактивна изотопа, са атомским масама у распону од 81 до 113. Међу њима најстабилнији је изотоп 92Nb чије време полураспада износи 34,7 милиона година. Један од најнестабилнијих изотопа је 113Nb са процењеним временом полураспада од 30 милисекунди. Изотопи лакши од стабилног 93Nb имају тенденцију да се распадају β+ распадом, док они тежи се претежно распадају β распадом, уз одређене изузетке. Изотопи 81Nb, 82Nb и 84Nb имају споредне путеве β<суп>+</суп> распада накнадном емисијом протона, 91Nb се распада захватом електрона и емисијом позитрона, док се 92Nb распада β+ и β распадом.[14]

Откривено је и описано најмање 25 нуклеарних изомера чије се атомске масе крећу у распону од 84 до 104. Унутар тог распона само 96Nb, 101Nb и 103Nb немају изомере. Најстабилнији међу изомерима ниобијума је 93mNb са временом полураспада од 16,13 година. Најмање стабилан изомер је 84mNb који има време полураспада од 103 ns. Сви изомери ниобијума се распадају изомерском транзицијом или бета распадом осим 92m1Nb који има споредни ланац распада електронским захватом.[14]

Референце[уреди | уреди извор]

  1. ^ Meija, J.; et al. (2016). „Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265—291. doi:10.1515/pac-2015-0305. 
  2. ^ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. изд.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6. 
  3. ^ Knapp, Brian. Francium to Polonium. Atlantic Europe Publishing Company, 2002, str. 40.
  4. ^ Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga. 
  5. ^ Holleman, Arnold F.; Wiberg, Egon; Wiberg, Nils (1985). „Niob”. Lehrbuch der Anorganischen Chemie (на језику: немачки) (91–100 изд.). Walter de Gruyter. стр. 1075—1079. ISBN 3-11-007511-3. 
  6. ^ Bollinger R. K.; White B. D.; Neumeier J. J. (2011). „Observation of a Martensitic Structural Distortion in V, Nb, and Ta”. Physical Review Letters. American Physical Society. 107 (7): 075503. Bibcode:2011PhRvL.107g5503B. doi:10.1103/PhysRevLett.107.075503. 
  7. ^ а б M. Peiniger; Piel, H. (1985). „A Superconducting Nb3Sn Coated Multicell Accelerating Cavity”. Nuclear Science. 32 (5): 3610—3612. Bibcode:1985ITNS...32.3610P. doi:10.1109/TNS.1985.4334443. 
  8. ^ Hernane R. Salles Moura; Louremjo de Moura, Louremjo (2007). „Melting And Purification Of Niobium”. AIP Conference Proceedings. American Institute of Physics (927): 165—178. ISSN 0094-243X. Архивирано из оригинала на датум 3. 6. 2016. Приступљено 13. 9. 2020. 
  9. ^ а б в Nowak, Izabela; Ziolek, Maria (1999). „Niobium Compounds: Preparation, Characterization, and Application in Heterogeneous Catalysis”. Chemical Reviews. 99 (12): 3603—3624. PMID 11849031. doi:10.1021/cr9800208. 
  10. ^ Jahnke, L. P.; Frank, R. G.; Redden, T. K. (1960). „Columbium Alloys Today”. Metal Progr. 77 (6): 69—74. OSTI 4183692. 
  11. ^ A. V. Nikulina (2003). „Zirconium-Niobium Alloys for Core Elements of Pressurized Water Reactors”. Metal Science and Heat Treatment. 45 (7–8): 287—292. doi:10.1023/A:1027388503837. 
  12. ^ Robert C. Weast, ур. (1990). CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton: CRC (Chemical Rubber Publishing Company). стр. E—129 do E—145. ISBN 0-8493-0470-9. , u navedenoj literaturi, vrijednosti su navedene u g/mol.
  13. ^ C. K. Gupta; Suri, A. K. (1994). Extractive Metallurgy of Niobium. CRC Press. стр. 1—16. ISBN 0-8493-6071-4. 
  14. ^ а б в Audi Georges; Bersillon O.; Blachot J.; Wapstra A.H. (2003). „The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties”. Nuclear Physics A. Atomic Mass Data Center. 729: 3—128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. 

Спољашње везе[уреди | уреди извор]