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.