Ниобиум пентоксид

Ниобиум пентоксид — неорганско соединение со хемиска формула Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>. Безбоен, нерастворлив и прилично нереактивна и цврст, тој е најраспространетиот прекурсор за други соединенија и материјали што содржат ниобиум. Претежно се користи во легирање и други специјализирани употреби во кондензаторите, оптичките очила и производство на литиум ниобат.
1 Структура
Има многу полиморфни форми, сите главно базирани на октаедрално координирани атоми на ниобиум. Полиморфите се идентификуваат со различни префикси. TФормата што најчесто се среќава е моноклиничен H-Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>, која има сложена структура со единечна ќелија која содржи 28 атоми на ниобиум и 70 кислород, каде што 27 од атомите на ниобиум се октаедрално координирани и еден тетраедарски. Има необележан цврст хидрат, , таканаречената ниобна киселина (претходно наречена колумбинска киселина), која може да се подготви со хидролиза на базен раствор на ниобиум пентахлорид или Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> растворен во HF.
Стопениот ниобиум пентооксид има помали средни координативни броеви од кристалните форми, со структура која главно се состои од полиедри на NbO<sub>5</sub> и NbO<sub>6</sub>.
2 Производство
2.1 Хидролиза
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> се подготвува со хидролиза на алкално-метални ниобати, алкоксиди или флуориди со користење на база. Ваквите навидум едноставни процедури овозможуваат хидрирани оксиди кои потоа може да се калцинираат. Чистиот Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> може да се подготви и со хидролиза на NbCl<sub>5</sub>::2 NbCl<sub>5</sub> + 5 H<sub>2</sub>O → Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> + 10 HCl
Пријавен е метод на производство преку техники на сол-гел со хидролизирање на ниобиум алкоксиди во присуство на оцетна киселина, проследено со калцинирање на геловите за да се добие ортохомбична форма, T-Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>.
2.2 Оксидација
Имајќи предвид дека Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> најзастапеното и најцврстото соединение на ниобиумот, постојат многу методи, и практични и езотерични, за неговото формирање. Оксидот на пример, настанува кога ниобиум металот се оксидира во воздухот. Оксидацијата на ниобиум диоксид, NbO<sub>2</sub> во воздухот го формира полиморфот, L-Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>.
Честичките на ниобиум пентооксид со нано големина се синтетизирани со редукција на NbCl со LiH <sub>5</sub>, проследено со воздушна оксидација како дел од синтезата на нано структурирани ниобати.
3 Реакции
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> е нападнат од HF и се раствора во соединети алкали.
3.1 Редукција до металот
Конверзијата на Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> е главниот пат за индустриско производство на ниобиум метал. Во 1980-тите, околу 15.000.000 kg Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> се трошеле годишно за редукција до метал. Главниот метод е редукција на овој оксид со алуминиум:
:3 Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> + 10 Al → 6 Nb + 5 Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Алтернативен, но помалку практикуван пат вклучува карботермална редукција, која се одвива преку редукција со јаглерод и ја формира основата на двостепениот Балке процес::Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> + 7 C → 2 NbC + 5 CO (се загрева под вакуум на 1800 °C)
:5 NbC + Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> → 7 Nb + 5 CO
3.2 Конверзија во халиди
Познати се многу методи за конверзија наNb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> во халиди. Главниот проблем е нецелосната реакција за давање на оксихалиди. Во лабораторија, конверзијата може да се изврши со тионил хлорид::Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> + 5 SOCl<sub>2</sub> → 2 NbCl<sub>5</sub> + 5 SO<sub>2</sub>
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> реагира со CCl<sub>4</sub> и дава ниобиум оксихлорид NbOCl<sub>3</sub>.
3.3 Конверзија во ниобати
Третирањето на Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> wсо воден NaOH на 200 °C може да даде кристален натриум ниобат, NaNbO<sub>3</sub> додека реакцијата со KOH може да даде растворливи хексаниобат од типот Lindqvist, . Литиум ниобатите како LiNbO<sub>3</sub> and Li<sub>3</sub>NbO<sub>4</sub> може да се подготват со реакција на литиум карбонат и Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>.
3.4 Конверзија во редуцирани ниобиум оксиди
Високата редукција на температурата со H<sub>2</sub> дава NbO<sub>2</sub>::Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> + H<sub>2</sub> → 2 NbO<sub>2</sub> + H<sub>2</sub>O
Ниобиум моноксидот произлегува од компропорција со користење на лачна печка::Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> + 3Nb → 5 NbO
Ниобиум(III) оксидот со боја на бургунд, еден од првите суперспроводливи оксиди, може повторно да се подготви со компропорција::Li<sub>3</sub>NbO<sub>4</sub> + 2 NbO → 3 LiNbO<sub>2</sub>
4 Употреба
Ниобиум пентооксидот се користи главно во производството на ниобиум метал, но постојат специјализирани апликации во производството на оптички очила и литиум ниобат.
Тенките филмови од Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> ги формираат диелектричните слоеви во ниобиумските електролитски кондензатори.
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> се смета за употреба како анода во литиум-јонска батерија, имајќи предвид дека нивната подредена кристална структура овозможува брзини на полнење од 225 mAh g<sup>−1</sup> при 200 mA g<sup>−1</sup> низ 400 циклуси, со кулумбиска ефикасност од 99.93%.