ნიობიუმი

ნიობიუმი (ქიმიური სიმბოლო — Nb), კოლუმბიუმი (ქიმიური სიმბოლო — Cb) — ელემენტთა პერიოდული სისტემის მეხუთე პერიოდის, მეხუთე ჯგუფის (მოძველებული კლასიფიკაციით — მეხუთე ჯგუფის თანაური ქვეჯგუფის, Vბ) ქიმიური ელემენტი. მისი ატომური ნომერია 41, ატომური მასა — 92.906, tდნ — 2477 °C, tდუღ — 4744 °C, სიმკვრივე — 8.57 გ/სმ3. რუხი-ფოლადისფერი ლითონი. ბუნებრივი ნიობიუმი შედგება ერთი სტაბილური იზოტოპისაგან ^{93}Nb. 1801 წელს აღმოაჩინა ინგლისელმა მეცნიერმა ჩ. ჰაჩეტმა, რომელსაც „კოლუმბიუმი“ უწოდა. 1844 წელს გერმანელმა ქიმიკოსმა ჰ. როზემ აღმოაჩინა „ახალი“ ელემენტი და მას, ტანტალოსის ქალიშვილის ნიობეს სახელის მიხედვით „ნიობიუმი“ უწოდა. მოგვიანებით დადგინდა, რომ ნიობიუმი იგივე კოლუმბიუმი იყო.
ისტორია
ნიობიუმი აღმოჩენილი იქნა 1801 წ. ინგლისელი მეცნიერის ჩ. ჰატჩეტის მიერ მინერალში (კოლუმბიტი), რომელიც ნაპოვნი იქნა მდ. კოლუმბიის აუზში, და ამიტომაც ამ ელემენტმა მიიღო სახელწოდება «კოლუმბიუმი». 1809 წ. ინგლისელმა ქიმიკოსმა უ.ვოლასტონმა შეცდომით დაასკვნა, რომ ტანტალი და კოლუმბიუმი ინდენტურებია.
გერმანელმა მეცნიერმა ჰ.როუზმა 1846 წ. განსაზღვრა, რომ ტანტალის საბადო შეიცავდა მეორე (სხვა) ელემენტს, რომელსაც მან უწოდა ნიობიუმი.ნიობის ტანტალის ქალიშვილის პატივსაცემად, რითაც ხაზი გაუსვა ნიობიუმისა და ტანტალის მსგავსებას. შემდგომმა მეცნიერულმა კვლევებმა უჩვენა, რომ ნიობიუმი და კოლუმბიუმი წარმოადგენდა ერთსადაიმავე ელემენტს (ტანტალისგან განსხვავებულს) და მთელი საუკუნის განმავლობაში ორივე სახელი გამოიყენებოდა მონაცვლეობით.
მაგრამ ზოგ ქვეყანაში (აშშ, ინგლისი) დიდი ხნით შენარჩუნდა ელემენტის პირვანდელი სახელწოდება — კოლუმბიუმი, და მხოლოდ 1950 წ. თეორიული და გამოყენებითი ქიმიის საერთაშორისო კავშირის გადაწყვეტილებით (IUPAC) ელემენტს საბოლოოდ მიენიჭა ნიობიუმის სახელწოდება.
ბუნებაში
ნიობიუმი დედამიწაზე გავრცელების მიხედვით წარმოადგენს 33–ე ელემენტს. დედამიწის ქერქში იგი არის 20ppm. ბუნებაში თავისუფალი ელემენტი არ არის ნაპოვნი, მაგრამ იგი გვხვდება მინერალებში.
ნიობიუმის კლარკი არის 18 გრ/ტ. ნიობიუმის შემცველობა მატულობს ულტრაფუძე ქანებიდან (0,2 გრ/ტ Nb) მჟავე ქანებისაკენ 24 გრ/ტ Nb). ნიობიუმს სულ თან ახლავს ტანტალი. ტანტალისა და ნიობიუმის ახლო ქიმიური თვისებები განაპირობებენ მათ ერთობლივ არსებობას ერთ და იგივე მინერალში და საერთო გეოლოგიურ პროცესებში მონაწილეობას. ნიობიუმს შეუძლია ჩაანაცვლოს ტიტანი ზოგ ტიტანშემცველ მინერალში (სფენი, ორტიტი, ბიოტიტი). ბუნებაში ნიობიუმის არსებობის ფორმა შეიძლება სხვადასხვაგვარი იყოს: გაბნეული (ქანწარმომქმნელ და მაგმატური ქანების აქცესორულ მინერალებში) და მინერალური. საერთოდ ცნობილია 100-ზე უფრო მეტი ნუბიუმშემცველი მინერალი. მათ შორის სამრეწველო მნიშვნელობა აქვს მხოლოდ რამდენიმეს: კოლუმბიტ-ტანტალიტი (Fe, Mn)(Nb, Ta)2O6, პიროქლორი (Na, Ca, TR, U)2(Nb, Ta, Ti)2O6(OH, F) (Nb2O5 0 — 63 %), ლოპარიტი (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb)O3 ((Nb, Ta)2O5 8 — 10 %), ზოგჯერ გამოიყენება ევქსენითი, ტოროლიტი, ილმენორუტილი, ასევე მინერალები, რომლებიც შეიცავენ ნიობიუმს როგორც მინარევს (ილმენიტი, კასიტერიტი, ვოლფრამიტი). ტუტე - ულტრაფუძე ქანებში ნიობიუმი იფანტება მინერალებში. ნიობიუმის კონცენტრაცია ზღვის წყალში შეადგენს 1 მგრ/ლ.
საბადოები
ნიობიუმის საბადოები მდებარეობენ აშშ, იაპონიაში, რუსეთში, ბრაზილიაში, კანადაში. ბრაზილია მსოფლიოში ლიდერობს ნიობიუმის და ფერონიობიუმის (ნიობიუმისა და რკინის შენადნობი) წარმოებაში.
მიღება
ნიობიუმის მადანი — ჩვეულებრივ არის კომპლექსური და ღარიბია ლითონით. მადნის კონცენტრატები შეიცავენ Nb2O5: პიროქლორები — არა უმცირეს 37 %-ისა, ლიპარიტები — 8 %, კოლუმბიტები — 30—60 %. მათი უმრავლესობას ამუშავებენ ალუმინო- ან სილიკოთერმული აღდგენით ფერონიობიუმამდე (40—60 % Nb) და ფეროტანტალონიობიუმამდე. ლითონურ ნიობიუმს მიიღებენ მადნის კონცენტრატებისაგან სამ სტადიანი რთული ტექნოლოგიით:
1) კონცენტრატის გახსნა, 2) ნიობიუმისა და ტანტალის გამოყოფა და მათი სუფთა ქიმიური ნაერთების მიღება, 3) ლითონური ნიობიუმის და მისი შენადნობების აღდგენა და რაფინირება. ლითონური ნიობიუმის Nb და შენადნობების მიღების ძირითადი სამრეწველო მეთოდებია - ალუმინოთერმული, ნატრიუმთერმული, კარბოთერმული: თავდაპირველად Nb2O5-სა და ჭვარტლის - ბუნებრივი აირის ნამწვისაგან 1800 °C ტემპერათურისას წყალბადის ატმოსფეროში მიიღებენ კარბიდს, შემდეგ კარბიდისა და ხუთჟანგის ნარევისაგან 1800—1900 °C-ზე ვაკუუმში - მიიღებენ ლითონს; ნიობიუმის შენადნობების მისაღებად ამ ნარევებში ამატებენ მალეგირებელი ლითონების ჟანგებს; მეორე ვარიანტით ნიობიუმს აღადგენენ ვაკუუმში მაღალი ტემპერატურისას უშუალოდ Nb2O5-საგან. ნატრიუმთერმული მეთოდისას ნიობიუმს K2NbF7-დან აღადგენენ ნატრიუმით, ალუმინოთერმულისას — Nb2O5-დან ალუმინით. კომპაქტურ ლითონებს (შენადნობი) აწარმოებევნ ფხვნილური მეტლურგიის მეთოდებით, ჯერ ვაკუუმში ლითონის დაწნეხილ ფხვნილებს 2300 °C-ზე ადუღებენ ერთმანეთთან ელექტრონულსხივური ან ვაკუუმური შედუღებით.
იზოტოპები
ბუნებაში, ნიობიუმი გვხვდება ერთადერთი სტაბილური იზოტოპის Nb-93–ის სახით. 2003 წ. სინთეზირებულ იქნა 32–მდე რადიოიზოტოპი, რომელთა ატომური მასები 81-დან 113–მდე მერყეობს. მათგან ყველაზე სტაბილურია Nb-92 (ნახევარდაშლის პერიოდით 34.7 მილიონი წელი. ყველაზე ნაკლებ სტაბილურია Nb-113 (ნახევარდაშლის პერიოდი – 30 მილიწამი).
აღწერილია 25 ბირთვული იზომერი, ატომური მასით 84–დან 104–მდე ამ რიგში იზომერი არ აქვს მხოლოდ Nb-96, Nb-101 და Nb-103–ს. ნიობიუმის იზომერიდან ყველაზე მდგრადია 93მეტაNb (ნახევარდაშლის პერიოდი 103 ნწმ). გარდა 92მეტაNb–ისა, ნიობიუმის ყველა იზომერი იშლება ან იზომეტრიული გარდაქმნით ან ბეტა–დაშლით.
ფიზიკური და ქიმიური თვისებები
ფიზიკური თვისებები
ნიობიუმი — დრეკადი პარამაგნიტური, ბრწყინავი მოვერცხლისფრო-რუხი ფერის ლითონია რომელსაც კუბური მოცულობაცენტრირებული კრისტალური α-Fe, а = 0,3294 ნმ ტიპის მესერი აქვს.
მას ახასიათებს მაღალი სიმაგრე და ჭედადობა.
ჰაერზე მდგრადი და პარამაგნიტურია.
გარე ელექტრონულ შრეზე დანარჩენ წევრებთან შედარებით გააჩნია ელექტრონების არატიპიური კონფიგურაცია. (ეს აღინიშნება მის მეზობელ რუთენიუმში, როდიუმში (45) და პალადიუმში (46)).
ნიობიუმი კრიოგენულ ტემპერატურაზე ხდება ზეგამტარი.
ატმოსფერულ წნევაზე, მას გააჩნია ელემენტური სუპერგამტარობის უმაღლესი კრიტიკული ტემპერატურა: 9.2 K.
ნიობიუმს გააჩნია უდიდესი მაგნიტური შეღწევადობა სხვა ელემენტებთან შედარებით.
ლითონ ნიობიუმის ზეგამტარობა ძლიერ არის დამოკიდებული მის სისუფთავეზე, როდესაც ძლიერ სუფთაა იგი შედარებით რბილი და დრეკადია, მაგრამ მინარევების დროს იგი ხდება უფრო მაგარი.
ქიმიური თვისებები
ლითონი ნიობიუმი ოთახის ტემპერატურაზე, ჰაერზე გარკვეული პერიოდით დაყოვნებისას იღებს მოლურჯო ელფერს, მიუხედავად იმისა, რომ ელემენტურ ფორმაში გააჩნია მაღალი ლღობის ტემპერატურა (2.468 °C), ახასიათებს დაბალი სიმკვრივე, სხვა ძნელადლღობად ლითონებთან შედარებით. იგი წარმოადგენს კოროზიამედეგ ლითონს, რომელიც ამჟღავნებს ზეგამტარობის უნარს და წარმოქმნის ოქსიდის ფენებს. ნიბიუმის ელექტროუარყოფითობა მცირედ ნაკლებია და მეტად კომპაქტურია, ვიდრე პერიოდულ სისტემაში მის წინ მდგომი ცირკონიუმისა, მაშინ როცა იგი ზომაში ვირტუალურად იდენტურია უფრო მძიმე ტანტალისა. ამიტომაც, ნიბიუის ქიმიური თვისებები ძალიან ემსგავსება ტანტალისას, რომელიც პერიოდულ სისტემაში განლაგებულია ნიობიუმის ქვემოთ. მიუხედავად იმისა, რომ მისი კოროზიული მედეგობა არ არის ისეთივე გამოკვეთილი, როგორიც ტიტანის, მაგრამ დაბალი ფასისა და დიდი მისაწვდომობის გამო ნიობიუმი ხდება უფრო ხელმისაწვდომი ნაკლებად მოთხოვნად გამოყენებაში. მაგალითად როგორიცაა დანადგარების მოპირკეთება.
ქიმიურად ნიუბიუმი მეტად მდგრადია. ჰაერზე გახურებისას იჟანგება Nb2О5-მდე. ამ ოქსიდისათვის აღწერილია მიახლოებით 10 კრისტალური მოდიფიკაცია. ჩვეულებრივი წნევისას β-ფორმა სტაბილურია Nb2О5.
Nb2О5-ის შედნობისას სხვადასხვა ოქსიდებთან მიიღებენ ნიობატებს: Ti2Nb10О29, FeNb49О124. ნიობატები შეიძლება განვიხილოთ როგორც ჰიპითეთიკური ნიობიუმის მჟავეების მარილებად. ისინი იყოფიან მეტანიობატებად MNbO3, ორთონიობატებად M3NbO4, პირონიობატებად M4Nb2O7 ან პოლინიობატებად M2O·nNb2O5 (M — ერთმუხტიანი კათიონია, n = 2-12). ცნობილია ასევე ორ- და სამმუხტიანი კათიონი ნიობატები.
ნიობატები რეაგირებენ ფტორწყალბადმჟავასთან HF, ტუტე ლითონების და ამონიუმის ჰიდროფტორიდებთან, (KHF2). ზოგი ნიობატი M2O/Nb2O5 ჰიდროლიზდება:
6Na3NbO4 + 5H2O = Na8Nb6O19 + 10NaOH.
ნიობიუმი წარმოქმნის NbO2, NbO, მთელ რიგ ოქსიდებს, შუალედური NbO2,42-სა და NbO2,50-ს შორის და ის სტრუქტურით ახლოა β-ფორმასთან Nb2О5.
ნიობიუმი წარმოქმნის ჰალოგენიდებს დაჟანგულობის ხარისხით +5 და +4. პენტაჰალგენიდები (NbHal5) წარმოადგენენ ოქტაედრს, რომლის ცენტრშიც არის ნიობიუმი. ნიობიუმ პენტაფტორიდი (NbF5) წარმოადგენს თეთრ, მყარ ნივთიერებას, ლღობის ტემპერატურით 79,0 °C, ნიობიუმ პენტაქლორიდი (NbCl5) კი არის ყვითელი ფერის ნივთიერება ლღობის ტემპერატურით 203.4 °C. ორივე ნივთიერება განიცდის ჰიდროლიზს და იძლევა ოქსიდებს და ოქსიდჰალოგენებს, როგორიცაა მაგალითად NbOCl3. პენტაქლორიდი გამოიყენება ძირითადად ორგანომეტალური ნაერთების მისაღებად, როგორიცაა ((C5H5)2NbCl2).
ტეტრაჰალოგენიდი (NbHal4) და ფაზები NbHal2,67 — NbHal3+x, რომლებში არის დაჯგუფებები Nb3 ან Nb2 მუქი ფერის პოლიმერი Nb-Nb ბმით, მაგალითად, შავი ჰიგროსკოპული ნიობიუმტეტრაქლორიდი (NbF4) და ყავისფერი ნიობიუმტეტრაქლორიდი (NbCl4). ნიობიუმის პენტაჰალოგენიდები ადვილად ჰიდროლიზდებიან წყალში კარგადაა ცნობილი ნიობიუმის ანიონური ჰალოგენიდები. მათ შორის პენტაჰალოგენიდები. მნიშვნელოვანია [NbF7]2-, რომელიც შუალედური პროდუქტია საბადოებიდან Nb და Ta გამოყოფის დროს. ეს ჰეფტაფტორიდი წარმოქმნის ოქსოპენტაქლორიდს უფრო ადვილად, ვიდრე ტანტალის ნაერთები. სხვა ჰალოგენიდკომპლექსები მოიცავენ ოქტაედრული [NbCl6]-:
Nb2Cl10 + 2 Cl- → 2 [NbCl6]-
წყლის ორთქლთან და ჟანგბადთან ერთად NbCl5 და NbBr5 წარმოქმნის ოქსიჰალოგენიდებს NbOCl3 და NbOBr3 — ფხვიერი ბამბისმაგვარი ნივთიერება.
ნიობიუმისა და გრაფიტის ურთიერთქმედებით წარმოიქმნება კარბიდები Nb2C და NbC, მაგარი ცეცხლგამძლე ნაერთებია. Nb — N სისტემაში არსებობს ცვალებადი შემადგენლობის რამდენიმე ფაზა და ნიტრიდები Nb2N და NbN. ნიობიუმი ფოსფორის და დარიშხანის სისტემებშიც მსგავსად იქცევა. ნიობიუმისა და გოგირდის ურთიერთქმედებით მიიღება სულფიდები: NbS, NbS2 და NbS3. Nb-სა და კალიუმის (ნატრიუმის) ორმაგი ფტორიდები სინთეზირდებიან — K2[NbF7].
წყლის ხსნარებიდან ელექტროქიმიურად ნიობიუმის მიღება ჯერჯერობით ვერ მოხერხდა. შესაძლებელია ნიობიუმის შემცვლელი შენადნობების მიღება ელექტროქიმიურად. უწყლო მარილების შენადუღებიდან ელექტროლიზით შესაძლებელია ლითონური ნიობიუმის მიღება.
გამოყენება
რომ 2006 წელს, ნიობიუმის 44.500 მეტრი ტონა იქნა წარმოებული, რომლის 90% გამოყენებული იქნა მაღალი ხარისხის ფოლადის წარმოებაში, იგი აგრეთვე გამოყენებული იქნა ზეშენადნობებში.
ნიობიუმის მიღება და გამოყენება სწრაფად იზრდება, რაც განპირობებულია მისი ისეთი თვისებებით, როგორიცაა ძნელადლღობადობა, ზეგამტარობა, სითბური ნეიტრონების მიტაცების მცირე განიკვეთი, ცეცხლმედეგობა, კოროზიამედეგობა და სხვა.
ნიობიუმის გამოკენების ძირითადი დარგებია: რაკეტის მშენებლობა, ავიაციური და კოსმოსური ტექნიკა, რადიოტექნიკა, ელექტრონიკა, ატომური ენერგეტიკა.
ლითონური ნიობიუმის გამოყენება
სუფთა ნიობიუმიდან ან მისი შენადნობებიდან ამზადებენ საფრენი აპარატების ნაწილებს; ურანისა და პლუტონიუმის სითბოგამემცემი ელემენტის გარსებს; თხევადი ლითონების კონტეინერებსა და მილებს; ელექტრილიტური კონდენსატორების ნაწილებს; ელექტრონული (რადარული დანადგარებისათვის) და მძლავრი გენერატორების ნათურების (ანოდები, კათოდები, ბადეები და სხვა) «ცხელ» არმატურებს; კოროზიამედეგ აპარატურისათვის ქიმიურ მრეწველობაში.
ნიობიუმით ალეგირებენ სხვა ფერად ლითონებს, მათ შორის ერანს.
ნიობიუმი გამოიყენება კრიოტრონებში — გამომთვლელი მანქანების ზეგამტარ ელემენტებში. ნიობიუმი ასევე ცნობილია იმით, რომ გამოიყენება დიდი ადრონული კოლაიდერის აჩქარებულ სტრუქტურებში.
ნიობიუმის ინტერმეტალიდები და შენადნობები
სტანიდი Nb3Sn და ნიობიუმის შენადნობები ტიტანთან და ცირკონიუმთან ერთად გამოიყენება ზეგამტარი ელექტრომაგნიტების კოჭების დასამზადებლად.
ნიობიუმი და მისი შენადნობები ტანტალთან ბევრ შემთხვევაში ცვლიან ტანტალს, რასაც დიდი ეკონომიური ეფექტი აქვს (ნიობიუმი იაფია და თითქმის ორჯერ უფრო მჩატეა, ვიდრე ტანტალი).
ფერონიობიუმს ამატებენ უჟანგავი ქრომონიკელის ფოლადებში კრისტალებსშორისი კოროზიისა და დაშლის თავიდან ასაცილებლად და სხვა ტიპის ფოლადებში თვისებების გასაუმჯობესებლად.
ნიობიუმი გამოიყენება კოლექციური მონეტების მოჭრისას. ლატვიის ბანკი ამტკიცებს, რომ 1 ლატის ნომინალის კოლექციურ მონეტებში ვერცხლთან ერთად გამოყენებულია ნიობიუმი.
ნიობიუმის ნაერთების გამოყენება
Nb2O5 - არის კატალიზატორი ქიმიურ მრეწველობაში;
გამოიყენება ცეცხლგამძლე მასალებში, კერმეტებში, სპეციალური მინებში, ნიტრიდებში, კარბიდებში და ნიობატებში.
ნიობიუმის კარბიდი (დნ. ტ. 3480 °C) ცირკონიუმის კარბიდთან და ურან-235-ის კარბიდთან ერთად შენადნობში წარმოადგენს მნიშვნელოვან კონსტრუქციულ მასალას სითბოგამომყოფი ელემენტებისათვის მყარფაზიან ბირთვულ რეაქტიულ ძრავებში.
ნიობიუმის ნიტრიდი NbN გამოიყენება 5-10 К მქონე კრიტიკული ტემპერატურის, წვრილი გადასვლის - მიახლოებით 0,1 К-ის თხელი და ულტრათხელი ზეგამტარი ბრკეების (пленка) დასამზადებლად .
პირველი თაობის ზეგამტარი მასალები
არის ერთ-ერთი ყველაზე აქტიურად გამოყენებადი ზეგამტარი მასალა (ზეგამტარობაზე გადასვლის ტემპერატურა 9,25 К). ნიობიუმის ნაერთების ზეგამტარობის გადასვლის ტემპერატურა აღწევს 23,2 К (Nb3Ge).
ყველაზე ხშირად გამოყენებადი სამრეწველო ზეგამტარებია — NbTi და Nb3Sn.
ნიობიუმი ასევე გამოიყენება მაგნიტურ შენადნობებში.
გამოიყენება როგორც მალეგირებელი დანამატი.
ნიობიუმის ნითრიდი გამოიყენება ზეგამტარი ბოლომეტრების დასამზადებლად.
ცეზიუმ-133-ის გადახურებულ ორთქლში ნიობიუმისა და მისი შენადნობები ტანტალთან ერთად წარმოადგენს ერთ-ერთ ყველაზე სასურველ და იაფ კონსტრუქციულ მასალას დიდი სიძლიერის თერმოემისიური გენერატორებისათვის.
ბიოლოგიური როლი
ფიზიოლოგიური ქმედება
ნიობიუმის ლითონური მტვერი ცეცხლსაშიშია და აღიზიანებს თვალებს და კანს. ნიობიუმის ზოგი ნაერთი ძალიან ტოქსიკურია. წყალში ნიობიუმის ზღვრული დასაშვები კონცენტრაციაა 0,01 მგრ/ლ.
ორგანიზმში მოხვედრისას იწვევს შინაგანი ორგანოების გაღიზიანებას და კიდურების დამბლას.
რესურსები ინტერნეტში
ნიობიუმი chemistry.ge-ზე
ნიობიუმი Webelements-ზე
ნიობიუმი ქიმიური ელემენტების პოპულარულ ბიბლიოთეკაში
კუტოლინი ს.ა. და სხვ. ნიობიუმის, ტანტალისა და ტუტე ლითონების პრეპარატიული და არაორგანული ქიმია[იხ.ასევე:ს.ა.კუტოლინი,ა.ი.ვულიხი. მეტანიობატები, ტუტე ლითონების მეტატანტალატები.- ნაკ.ქიმიური რეაქტივებისა და პრეპარატების მიღების მეთოდები.მ.:ИРЕА,1967.-გამ.16.-ფ.17.-23;ფ.50-51. Chem.Abstr.,v.68, 83878v,1968 - http://kutol.narod.ru/PUBL/li2zro3_menbtao3.pdf][და კიდევ ფაილი - djvu:http://kutol.narod.ru/PUBL/irea-16.djvu]
სქოლიო