Niobium
Переходный металл со сверхпроводящими и упрочняющими сплавы свойствами.
Ниобий — химический элемент с символом Nb (ранее колумбий, Cb) и атомным номером 41. Это светло-серый кристаллический переходный металл. Его твёрдость по шкале Мооса сопоставима с твёрдостью чистого титана, а пластичность схожа с железом. Примечательной характеристикой ниобия является его очень медленное окисление в атмосфере Земли, что делает его подходящей гипоаллергенной альтернативой никелю в ювелирных изделиях. В природе элемент встречается в таких минералах, как пирохлор и колумбит. Его название происходит из греческой мифологии, а именно от Ниобы, дочери Тантала, чьё имя также является источником названия тантала. Это название отражает чрезвычайное физическое и химическое сходство между ниобием и танталом, которое исторически делало их очень трудно различимыми.
Элемент был впервые описан в 1801 году английским химиком Чарльзом Хэтчеттом, который назвал его колумбием в честь образца минерала, присланного из Коннектикута. В 1809 году Уильям Хайд Волластон ошибочно заключил, что тантал и колумбий идентичны. Немецкий химик Генрих Розе позже, в 1846 году, определил, что танталовые руды содержат второй элемент, который он назвал ниобием. Серия открытий в 1864 и 1865 годах прояснила, что ниобий и колумбий — это один и тот же элемент, отличный от тантала, и оба названия использовались взаимозаменяемо в течение столетия. Название «ниобий» было официально принято в 1949 году, хотя колумбий до сих пор используется в металлургии США. Коммерческое использование ниобия началось только в начале XX века. Он является важной добавкой в высокопрочные низколегированные стали, где даже максимум 0,1% повышает прочность за счёт связывания карбидов и нитридов. Бразилия является ведущим производителем ниобия и феррониобия — сплава, содержащего 60–70% ниобия с железом. Крупнейшее применение ниобия — в специальной стали для газопроводов. Его температурная стабильность является ключевой для суперсплавов, используемых в реактивных и ракетных двигателях. Ниобий также применяется в сверхпроводящих материалах, часто в сплавах с титаном и оловом, для сверхпроводящих магнитов МРТ-сканеров. Другие области применения включают сварку, атомную промышленность, электронику, оптику и ювелирные изделия, где ценятся его низкая токсичность и переливчатость, получаемая при анодировании.
Quick Facts
- Atomic number
- 41
- Discovered by
- Charles Hatchett
- Original name
- columbium
- Category
- transition metal
- Key property
- superconductivity at cryogenic temperatures
Facts from the source article.
Контекст
Ниобий — это светло-серый кристаллический переходный металл с твёрдостью по Моосу, сравнимой с твёрдостью чистого титана, и пластичностью, подобной железу. В атмосфере Земли он окисляется очень медленно, что делает его пригодным для использования в ювелирных изделиях в качестве гипоаллергенной альтернативы никелю. В природе элемент встречается в таких минералах, как пирохлор и колумбит, среди прочих. Его название происходит из греческой мифологии, отсылая к Ниобе, дочери Тантала, чьё имя также является источником названия тантала; это название подчёркивает чрезвычайное сходство между двумя элементами как по физическим, так и по химическим свойствам, что исторически затрудняло их различение. Чистый ниобий можно анодировать для получения переливчатой поверхности, а его низкая токсичность высоко ценится в ювелирных изделиях.
Путеводитель
Ниобий не использовался в коммерческих целях до начала XX века. Он является важной добавкой в высокопрочные низколегированные стали, причём Бразилия является ведущим производителем ниобия и феррониобия. Хотя эти сплавы содержат максимум 0,1% ниобия, небольшой процент повышает прочность стали за счёт связывания карбидов и нитридов. Суперсплавы, содержащие ниобий, важны для реактивных и ракетных двигателей благодаря своей температурной стабильности. Ниобий также используется в различных сверхпроводящих материалах, включая сплавы с титаном и оловом, которые широко применяются в сверхпроводящих магнитах МРТ-сканеров. Другие области применения включают сварку, атомную промышленность, электронику, оптику и ювелирные изделия, где ценятся его низкая токсичность и переливчатость от анодирования.
Самый долгий спор о названии в химии
Идентификация ниобия — один из самых запутанных эпизодов в истории химии. В 1801 году английский химик Чарльз Хэтчетт исследовал образец минерала, который прибыл из Коннектикута в Англию ещё в 1734 году, первоначально отправленный Джоном Уинтропом, внуком Джона Уинтропа-младшего. Хэтчетт обнаружил в руде новый элемент, который он назвал колумбитом, а сам элемент — колумбием в честь Колумбии, поэтического названия молодой американской республики. Однако его образец, вероятно, был смесью нового элемента с танталом, что создало почву для десятилетий путаницы. В 1809 году Уильям Хайд Волластон объявил колумбий и тантал одним и тем же веществом, несмотря на заметную разницу в плотности их оксидов. Немецкий химик Генрих Розе возразил в 1846 году, утверждая, что танталит на самом деле содержит два различных элемента, которые он назвал ниобием и пелопием в честь детей Тантала. Появились и другие фантомные элементы — ильмений, дианий — прежде чем Бломстранд, Сент-Клер Девиль, Труст и де Мариньяк наконец доказали в середине 1860-х годов, что в деле замешаны только два элемента. Название «ниобий» было официально принято ИЮПАК в 1949 году, положив конец столетнему двойному именованию, хотя американские металлурги до сих пор предпочитают более старый термин «колумбий».
Металл, названный в честь мифологической дочери
Ниобий представляет собой светло-серый кристаллический переходный металл с атомным номером 41 и символом Nb. Его твёрдость по Моосу очень близка к твёрдости чистого титана, а пластичность сопоставима с железом, что делает его исключительно хорошо поддающимся обработке металлом. Одним из его самых практичных свойств является чрезвычайно низкая скорость окисления в атмосфере Земли — качество, которое сделало его популярной гипоаллергенной альтернативой никелю в ювелирных изделиях. Элемент встречается в природе в таких минералах, как пирохлор и колумбит. Само его название — отсылка к греческой мифологии: Ниоба была дочерью Тантала, того же персонажа, который дал своё имя танталу. Это мифологическое родство отражает реальное химическое родство двух элементов, чьи физические и химические свойства настолько близки, что их различение оказалось чрезвычайно трудным для поколений химиков. Низкая токсичность элемента и яркая переливчатость, возникающая при его анодировании, ещё больше повышают его привлекательность как в декоративных, так и в функциональных целях.
Тихий упрочнитель внутри современной стали
Коммерческое использование ниобия началось только в начале двадцатого века, когда он впервые был применён в нитях ламп накаливания — роль, которая быстро устарела из-за более высокой температуры плавления вольфрама. Истинное промышленное значение элемента проявилось в 1920-х годах, когда исследователи обнаружили, что даже следовые количества значительно упрочняют сталь. Сегодня ниобий является критически важной добавкой в высокопрочные низколегированные стали, где он работает, связывая карбидные и нитридные фазы, тем самым повышая структурную целостность металла. Хотя эти сплавы содержат не более 0,1 процента ниобия, эффект значителен, и крупнейшее единственное применение — в специальных сталях для газопроводов. Бразилия является ведущим мировым производителем ниобия и феррониобия — сплава, содержащего от 60 до 70 процентов ниобия в сочетании с железом. Помимо трубопроводов, температурная стабильность суперсплавов, содержащих ниобий, делает их незаменимыми в реактивных и ракетных двигателях, где работа в условиях экстремальной жары является обязательным требованием. Другие промышленные применения включают сварку, ядерные технологии, электронику и оптику.
Сверхпроводимость и магниты, движущие открытия
В 1961 году американский физик Юджин Кунцлер и его коллеги из Bell Labs сделали открытие, которое изменило технологию мощных магнитов: сплавы ниобия с оловом продолжают проявлять сверхпроводимость даже под воздействием сильных электрических токов и интенсивных магнитных полей. Это был первый материал, способный выдерживать высокие токи и поля, необходимые для по-настоящему полезных мощных магнитов и электрических силовых машин. Два десятилетия спустя это открытие позволило изготавливать длинные многожильные кабели, свёрнутые в катушки, для создания больших мощных электромагнитов для вращающихся машин, ускорителей частиц и детекторов частиц. Сегодня сверхпроводящие сплавы на основе ниобия — часто с добавлением титана и олова — широко используются в сверхпроводящих магнитах МРТ-сканеров, что делает их незаметным, но важным компонентом современной медицинской визуализации. Универсальность элемента простирается далеко за пределы сверхпроводимости: его низкая токсичность и яркие переливчатые цвета, получаемые при анодировании, делают его востребованным материалом в ювелирном деле, в то время как его роль в сварке, атомной промышленности, электронике и оптике подчёркивает его широкую применимость в научных и промышленных областях.
More in Химия и материалы
Заметили ошибку?
Исправления от читателей сразу попадают в нашу очередь на проверку. Предложить правку · Как собираются источники для этого сайта