Моделирование свойств химического элемента

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра общей химии 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СРС 

на тему

«Моделирование  свойств химического  элемента» 

Вариант № 3’

«Ниобий» 
 
 
 
 
 
 

Выполнил:  
 
 
 

Проверила:

доцент  к.х. Невъянцева Р.Р. 
 
 
 

Уфа

Содержание          стр.

1) Историческая  справка  об элементе (история открытия).    3

2) Распространение  в природе, получение  металла.     4

3) Физические  свойства.         5

4) Химические  свойства:         6

7) Применение          9

8) Физиологическое  значение.        9

9) Список  использованной литературы.       10 

Историческая  справка об элементе

     Ниобий — элемент побочной подгруппы пятой группы пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 41. Обозначается символом Nb (лат. Niobium).

     Случилось так, что элемент №41 был открыт дважды. Первый раз – в 1801 г. английский ученый Чарльз Хатчет исследовал образец  верного минерала, присланного в  Британский музей из Америки. Из этого  минерала он выделил окисел неизвестного прежде элемента. Новый элемент Хатчет назвал колумбием, отмечая тем самым  его заокеанское происхождение. А черный минерал получил название колумбита.

     Через год шведский химик Экеберг выделил  из колумбита окисел еще одного нового элемента, названного танталом. Сходство соединений Колумбия и тантала было так велико, что в течение 40 лет  большинство химиков считало: тантал и колумбий – один и тот же элемент.

     В 1844 г. немецкий химик Генрих Розе исследовал образцы колумбита, найденные в  Баварии. Он вновь обнаружил окислы двух металлов. Один из них был окислом  известного уже тантала. Окислы были похожи, и, подчеркивая их сходство, Розе назвал элемент, образующий второй окисел, ниобием по имени Ниобы, дочери мифологического мученика Тантала.

     Впрочем, Розе, как и Хатчет, не сумел получить этот элемент в свободном состоянии.

     Металлический ниобий был впервые получен лишь в 1866 г. шведским ученым Бломстрандом при  восстановлении хлорида ниобия водородом. В конце XIX в. были найдены еще  два способа получения этого  элемента. Сначала Муассан получил  его в электропечи, восстанавливая окись ниобия углеродом, а затем  Гольдшмидт сумел восстановить тот  же элемент алюминием.

     А называть элемент №41 в разных странах  продолжали по-разному: в Англии и  США – колумбием, в остальных  странах – ниобием. Конец этой разноголосице положил Международный  союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) в 1950 г. Было решено повсеместно узаконить  название элемента «ниобий», а за основным минералом ниобия так и закрепилось  наименование «колумбит». Его формула  .

Нахождение  в природе

     Кларк ниобия 18 г/т. Содержания ниобия увеличивается  от ультраосновных (0,2 г/т Nb) к кислым породам (24 г/т Nb). Ниобию всегда сопутствует  тантал. Близкие химические свойства ниобия и тантала обуславливают  совместное их нахождение в одних  и тех же минералах и участие  в общих геологических процессах. Ниобий способен замещать титан в  ряде титансодержащих минералов (сфен, ортит, перовскит, биотит). Форма нахождения ниобия в природе может быть разной: рассеянной (в породообразующих и  акцессорных минералах магматических  пород) и минеральной. В общей  сложности известно более 100 минералов, содержащих ниобий. Из них промышленное значение имеют лишь некоторые: колумбит-танталит, пирохлор, лопарит, иногда используются эвксенит, торолит, ильменорутил, а  также минералы, содержащие ниобий в виде примесей (ильменит, касситерит, вольфрамит). В щелочных — ультраосновных породах ниобий рассеивается в минералах  типа перовскита и в эвдиалите. В  экзогенных процессах минералы ниобия и тантала, являясь устойчивыми, могут накапливаться в деллювиально-аллювиальных россыпях (колумбитовые россыпи), иногда в бокситах коры выветривания.

     Колумбит был первым минералом ниобия, известным человечеству. И этот же минерал – самый богатый элементом № 41. На долю окислов ниобия и тантала приходится до 80% веса колумбита. Гораздо меньше ниобия в пирохлоре и лопарите. А всего известно больше 100 минералов, в состав которых входит ниобий. Значительные месторождения таких минералов есть в разных странах: США, Канаде, Норвегии, Финляндии, но крупнейшим поставщиком концентратов ниобия на мировой рынок стало африканское государство Нигерия. В России есть большие запасы лопарита, они найдены на Кольском полуострове.

Получение ниобия

     Руды  ниобия — обычно комплексные и  бедны металлом. Рудные концентраты  содержат : пирохлоровые — не менее 37 %, лопаритовые — 8 %, колумбитовые — 30—60 %. Большую их часть перерабатывают алюмо- или силикотермическим восстановлением на феррониобий (40—60 % Nb) и ферротанталониобий. Металлический ниобий получают из рудных концентратов по сложной технологии в три стадии:

     1) вскрытие концентрата, 2) разделение  ниобия и тантала и получение  их чистых химических соединений, 3) восстановление и рафинирование  металлического ниобия и его  сплавов. 

     Металлический ниобий можно получить восстановлением  его соединений, например хлорида  ниобия или фтор-ниобата калия, при  высокой температуре: 

     Но  прежде чем достигнуть этой в сущности последней стадии производства, ниобиевая  руда проходит множество этапов переработки. Первый из них – обогащение руды, получение концентратов. Концентрат сплавляют с различными плавнями: едким натром или содой. Полученный сплав выщелачивают. Но растворяется он не полностью. Нерастворимый осадок и есть ниобий. Правда, он здесь еще  в составе гидроокиси, не разделен со своим аналогом по подгруппе –  танталом – и не очищен от некоторых  примесей.

     До 1866 г. не было известно ни одного пригодного для производственных условий способа  разделения тантала и ниобия. Первым метод разделения этих чрезвычайно  похожих элементов предложил  Жан Шарль Галиссар де Мариньяк. Метод основан на разной растворимости  комплексных соединений этих металлов и называется фторидным. Комплексный  фторид тантала нерастворим в  воде, а аналогичное соединение ниобия растворимо.

     Фторидный метод сложен и не позволяет полностью  разделить ниобий и тантал. Поэтому  в наши дни он почти не применяется. На смену ему пришли методы избирательной  экстракции, ионного обмена, ректификации галогенидов и др. Этими методами получают окисел и хлорид пятивалентного ниобия.

     После разделения ниобия и тантала идет основная операция – восстановление. Пятиокись ниобия восстанавливают алюминием, натрием, сажей или карбидом ниобия, полученным при взаимодействии с углеродом; пентахлорид ниобия восстанавливают металлическим натрием или амальгамой натрия. Так получают порошкообразный ниобий, который нужно затем превратить в монолит, сделать пластичным, компактным, пригодным для обработки. Как и другие тугоплавкие металлы, ниобий-монолит получают методами порошковой металлургии, суть которой в следующем.

     Из  полученного металлического порошка  под большим давлением  прессуют так называемые штабики прямоугольного или квадратного сечения. В вакууме при 2300°C эти штабики спекают, соединяют в пруты, которые плавят в вакуумных дуговых печах, причем пруты в этих печах играют роль электрода. Такой процесс называется плавкой с расходуемым электродом.

     Монокристаллический пластичный ниобий получают методом  бестигельной зонной электронно-лучевой  плавки. Суть его в том, что на порошкообразный ниобий (операции прессования  и спекания исключены!) направляют мощный пучок электронов, который плавит порошок. Капли металла стекают  на ниобиевый слиток, который постепенно растет и выводится из рабочей  камеры.

     Как видно, путь ниобия от руды до металла в любом случае довольно долог, а способы производства сложны.

Физические  свойства

     Ниобий  — блестящий серебристо-серый  металл.

     Элементарный  ниобий – чрезвычайно тугоплавкий (2468°C) и высококипящий (4927°C) металл, очень стойкий во многих агрессивных  средах. Все кислоты, за исключением  плавиковой, не действуют на него. Кислоты-окислители «пассивируют» ниобий, покрывая его  защитной окисной пленкой (№ 205). Но при высоких температурах химическая активность ниобия повышается. Если при 150...200°C окисляется лишь небольшой поверхностный слой металла, то при 900...1200°C толщина окисной пленки значительно увеличивается.

     Кристаллическая решетка Ниобия объемно центрированная кубическая с параметром а = 3,294Å.

     Чистый  металл пластичен и может быть прокатан в тонкий лист (до толщины 0, 01 мм) в холодном состоянии без промежуточного отжига.

     Можно отметить такие свойства ниобия как  высокая температура плавления  и кипения, более низкая работа выхода электронов по сравнению с другими  тугоплавкими металлами — вольфрамом и молибденом. Последнее свойство характеризует способность к  электронной эмиссии (испусканию электронов), что используется для применения ниобия в электровакуумной технике. Ниобий также имеет высокую температуру  перехода в состояние сверхпроводимости.

     При обычной температуре ниобий устойчив на воздухе. Начало окисления (плёнки побежалости) наблюдается при нагревании металла  до 200 — 300°С. Выше 500° происходит быстрое  окисление с образованием окисла .

Химические  свойства

     Z = 41; атомный вес = 92,906

     Валентность (I, II, III, IV), V; заряд (1+, 2+, 3+, 4+), 5+

     Массовое  число природного изотопа 93

     Электронная структура атома ниобия: .

     Электронная структура атома ниобия и иона для 4d- и 5s-орбиталей: 
 
 
 
 

     С химической точки зрения ниобий можно  отнести к элементам с пониженной химической активностью или соответственно к металлам с очень большой устойчивостью к действию различных химических реагентов.

     При обычной температуре металлический  ниобий в компактном состоянии не разрушается на воздухе или при  соприкосновении с водой, однако тонкодисперсный порошок ниобия при повышенной температуре энергично разлагает воду с выделением водорода.

     При нагревании металлический ниобий взаимодействует  с фтором, хлором, бромом, кислородом, серой, селеном, азотом, водородом, углеродом и др.

     Соединения  ниобия

     Одно-, двух-, трех- и четырехвалентный ниобий встречается лишь в ограниченном числе соединений, пятивалентный же ниобий — в виде многочисленных простых, двойных и координационных соединений.

     С ростом валентности ослабляется основной характер соединений ниобия, и увеличиваются устойчивость соединений и тенденция к образованию координационных соединений.

     Соединения  одно-, двух-, трех- и четырехвалентного  ниобия получают восстановлением соединений пятивалентного ниобия.

     Окись ниобия, NbO или Nb202, получают пропусканием паров NbOF3 или NbOCl3 над магниевой проволокой, восстановлением соли K2[NbOF5] металлическим  натрием или калием при нагревании, восстановлением Nb205 водородом под  давлением 150 am при 2500° и др.

               2NbOF₃ + 3Mg = 2NbO + 3MgF₂

               K₂[NbOF₅] + 3Na = NbO + 2KF + 3NaF

               2NbOCl₃ + 3Mg = 2NbO + 3MgCl₂ Nb₂O₆ + 3H₂ = 2NbO + 3H₂O

     Окись ниобия образует октаэдрические черные кристаллы с плотностью 7,30 г/см³ (или черный порошок с плотностью 6,3 г/см²), растворяющиеся в HF, НС1 или в смеси HF с конц. H₂S0₄ и окисляющиеся при нагревании на воздухе, в кислороде или хлоре:

2NbO + ³/₂0₂ = Nb₂0₅ NbO + ³/₂С1₂ = NbOCl, 

     Соединения  трехвалентного ниобия

     Трехокисъ ниобия, Nb₂0₃, получают восстановлением Nb₂0₅ водородом при 1250° или металлическим магнием при легком нагревании:

     Nb₂O₅ + 2Н₂ = Nb₂O₃ + 2Н₂O    Nb₂O₅ + 2Mg = Nb₂O₃ + 2MgO

        Трихлорид ниобия, NbCl₃, получают действием хлора на металлический ниобий, нагретый до 450°, пропусканием смеси паров NbCl₅ и водорода через стеклянную трубку, нагретую до 400— 450°, восстановлением NbCl₅ металлическим алюминием при нагревании, восстановлением NbCl₄ металлическим ниобием при нагревании или диспропорционированием NbCl₄:

NbCl₅ + Н₂ = NbCl₃ + 2НС1     3NbCl₄ + Nb = 4NbCl₃

  3NbCl₅ + 2A1 = 3NbCl₃ + Al₂Cl₆    2NbCl₄ = NbCl₃ + NbCl₅

     Трибромид ниобия, NbBr₃, получают восстановлением NbBr₅ водородом (500°). Это черный порошок, который очищается сублимацией в вакууме примерно при 400° и разлагается при нагревании до 925°. Водой бромид гидролизуется.

5NbBr₃ = 3NbBr₅ + 2Nb

2NbBr₃ + (n + 5)H₂O = Nb₂O₅∙nH₂O + 6HBr + 2H₂

     Соединения  четырехвалентного  ниобия

     Двуокись  ниобия представляет собой черно-синий  блестящий порошок (кубическая структура  кристаллов), плохо растворимый в  кислотах (НС1, HN0₃ и др.) или щелочах; обладает восстановительным характером, окисляется до Nb₂0₅ на воздухе при повышенной температуре, не взаимодействует с водой, восстанавливается водородом при температуре выше 1300°, вступает в реакцию с хлором, нитритом, сульфитом и сульфатом натрия. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Тетрахлорид ниобия, NbCl₄, получают действием хлора на нагретый до 450° металлический ниобий и металлотермическим восстановлением NbCl₅ металлическим ниобием, железом или алюминием: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Ниобий  образует двойные соли и комплексные  соединения, наиболее легко – фтористые. Фторниобаты – так называются эти двойные соли. Они получаются, если в раствор ниобцевой и  плавиковой кислот добавить фторид какого-либо металла.

     Состав  комплексного соединения зависит от соотношения реагирующих в растворе компонентов. Рентгенометрический  анализ одного из этих соединений показал  строение, отвечающее формуле K₂NbF₇. Могут образоваться и оксосоединения ниобия, например оксофторнпобат калия K₂NbOF₅ · H₂O.

     Ниобий  устойчив против действия соляной, серной, азотной, фосфорной и органических кислот любой концентрации на холоду и при 100 — 150°С. Металл растворяется в плавиковой кислоте и особенно интенсивно — в смеси плавиковой и азотной кислот.

     Менее устойчив ниобий в щелочах. Горячие  растворы едких щелочей заметно  разъедает металл, в расплавленных  щелочах и соде он быстро окисляется с образованием натриевой соли ниобиевой  кислоты.

Применение

     Благодаря высокой температуре плавления, большой способности к эмиссии электронов, способности адсорбировать при нагревании различные газы металлический ниобий применяется в вакуумной технике, радиотехнике, радиолокационной и рентгеновской аппаратуре. Поскольку металлический ниобий обладает сверхпроводимостью, его используют в вычислительных машинах (для криотронов).

     Металлический ниобий применяется для получения жаропрочных, тугоплавких, кислотостойких, магнитных, сверхтвердых, термостойких и неокисляющихся сплавов.

     Сплавы  ниобия и тантала, будучи термостойкими  сплавами с превосходными техническими характеристиками, незаменимы в областях техники высоких скоростей; это материал для сверхзвуковых самолетов, ракет, межпланетных станций и др. Стали, содержащие ниобий, используются в реактивных турбинах, цилиндрах высокого давления и вращающихся деталях, подвергающихся различным сильным воздействиям. Поскольку металлический ниобий увеличивает прочность сварки, стали, содержащие ниобий, служат для сварки металлов. При получении сталей с ниобием используется феррониобий, а не металлический ниобий.

     Благодаря своим свойствам металлический  ниобий может заменять платину; он служит для изготовления тиглей, капсул, дистилляционных  приборов в химических лабораториях.

     Карбид  ниобия с карбидами вольфрама, молибдена, титана и других металлов служит для  получения самых термостойких сверхтвердых сплавов.

     Из  перечисленных областей применения металлического ниобия и его сплавов  очевидно, что это один из наиболее ценных металлов современной техники.

     Физиологическое действие

     Металлическая пыль ниобия огнеопасна и раздражает глаза и кожу. Некоторые соединения ниобия очень токсичны. ПДК ниобия в воде 0,01 мг/л. При попадании в  организм вызывает раздражение внутренних органов и последующий паралич  конечностей.

Список  использованной литературы

1. Рипан, Р. Химия металлов: в 2-х т.: пер. с румын. / Р. Рипан, И. Четяну.— М.: Мир, 1971 – Т. 2: Неорганическая химия.— 1972 .— 871 с.: ил.; 21 см.
2. Общая и неорганическая химия.  Угай Я.А.
3. Химические свойства неорганических веществ. (Уч. пос.) Лидин Р.А. и др. (2000, 480с.)
4. Краткий справочник физико-химических величин /Под ред. А.А. Равделя, А.И. Пономаревой. – Л.: Химия
5. http://protown.ru/information/hide/5588.html
6. http://ru.wikipedia.org/