Реферат/сочинение: "Отримання ніобію"

Отримання нiобiю

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

З дисциплiни:

"Фiзичнi основи металургiї"

"Отримання нiобiю"

Суми 2009 р.

Вiдкриття нiобiю

Трапилося так, що нiобiй був вiдкритий двiчi. Перший раз у 1801 р. англiйський вчений Чарльз Хатчет дослiджував зразок мiнералу, надiсланий у Британський музей з Америки. З цього мiнералу вiн видiлив оксид невiдомого ранiше елемента. Новий елемент Хатчет назвав колумбiєм, вiдзначаючи тим самим його заокеанське походження. А чорний мiнерал отримав назву колумбiт.

Через рiк шведський хiмiк Екеберг видiлив з колумбiту оксид ще одного нового елемента, названого тантал. Схожiсть сполук колумбiю i танталу була така велика, що протягом 40 рокiв бiльшiсть хiмiкiв вважали, що тантал i колумбiй – один i той самий елемент.

їх схожiсть, Розi назвав елемент, що створює другий оксид, нiобiєм на iм'я Нiобi, дочки мiфологiчного мученика Тантала. Втiм, Розi, як i Хатчет, не зумiв отримати цей елемент у вiльному станi.

Металевий нiобiй був вперше отриманий лише у 1866 р. шведським ученим Бломстрандом при вiдновленнi хлориду нiобiю воднем. У кiнцi ХІ ст. були знайденi ще два способи отримання цього елемента. Спочатку Муассан отримав його в електропечi, вiдновлюючи окисел нiобiю вуглецем, а потiм Гольдшмiдт зумiв вiдновити той же елемент алюмiнiєм.

Середнiй вмiст нiобiю у земнiй корi 2^-10 -3% за масою. Тiльки у лужних вивержених породах – нiфелiнових сiєнитах та iнших – вмiст нiобiю пiдвищений до 10^-2 -10^-1 складнi i простi оксиди. У мiнералах Nb пов'язаний з рiдкоземельними елементами та з Та, Тi, Са, Nа, Тh, Fе, Ва (тантало-нiобати, титанати та iн.). З 6 промислових мiнералiв найбiльш важливi пiрохлор i колумбiт. Промисловi родовища нiобiю пов'язанi з масивами лужних порiд (наприклад, на Кольському пiвостровi), їх корою вивiтрювання, а також з гранiтними пегматитами. Важливе значення мають i розсипи танталонiобатiв.

Отримання нiобiю

Руди нiобiю – як правило, комплекснi i збiдненi Nb, хоча їх запаси набагато перевершують запаси руд Та. Руднi концентрати мiстять Nb₂ О₅ : пiрохлоровi – не менше 37%, лопаритовi – 8%, колумбiтовi – 30–60%. Велику їх частину переробляють алюмiно – або силiкотермiчним вiдновленням на феронiобiй (40–60% Nb) й феротанталонiобiй. Металевий нiобiй отримують з рудних концентратiв за складною технологiєю у три стадiї: 1) розкриття концентрату, 2) роздiлення Nb i Та i отримання їх чистих хiмiчних сполук; 3) вiдновлення i рафiнування металевого нiобiю i його сплавiв. Основнi промисловi методи виробництва нiобiю i сплавiв алюмiнотермiчний, натрiєтермiчний, карботермiчний: з сумiшi Nb₂ О₅ i сажi спочатку одержують при 1800 °С в атмосферi водню карбiд, потiм з сумiшi карбiду i оксид при 1800–1900 °С у вакуумi – метал; для отримання сплавiв нiобiю у цю сумiш додають оксиди легуючих металiв; за iншим варiантом нiобiй вiдновлюють при високiй температурi у вакуумi безпосередньо з Nb₂ О₅ сажею. Натрiєтермiчним способом нiобiй вiдновлюють натрiєм з К₂ NbF₇₂ О₅ . Компактний метал (сплав) виробляють методами порошкової металургiї, спiкаючи спресованi з порошкiв штабки у вакуумi при 2300 °С, або електронно-променевим i вакуумним дуговим плавленням; монокристали нiобiю високої чистоти – безтигельним електронно-променевим зонним плавленням.

Металевий нiобiй можна отримати вiдновленням його сполук, наприклад хлориду нiобiю або фтор-нiобату калiю, при високiй температурi:

К₂ NbF₇ + 5Na → Nb + 2КF+ 5NaF

Але перш нiж досягти цiєї, по сутi, останньої стадiї виробництва, нiобiєва руда проходить безлiч етапiв переробки. Перший з них – збагачення руди, отримання концентратiв. Концентрат сплавляють з рiзними iнгредiєнтами: їдким натром або содою. Отриманий сплав вилуговують. Але розчиняється вiн не повнiстю. Нерозчинним осадом i є нiобiй. Правда, вiн тут ще у складi гiдроокису, не роздiльний зi своїм аналогом за пiдгрупою – танталом – i не очищений вiд деяких домiшок.

До 1866 р. не було вiдомо жодного придатного для виробничих умов способу роздiлення танталу i нiобiю. Перший метод роздiлення цих надзвичайно схожих елементiв запропонував Жан Шарль Галiссар де Марiньяк. Метод базується на рiзнiй розчинностi комплексних сполук цих металiв i називається фторидним. Комплексний фторид танталу нерозчинний у водi, а аналогiчна сполука нiобiю розчинна.

Фторидний метод складний i не дозволяє повнiстю роздiлити нiобiй i тантал. Тому в нашi днi вiн майже не застосовується. На змiну йому прийшли методи виборчої екстракцiї, iонного обмiну, ректифiкацiї галогенiдiв та iн. Цими методами отримують оксид i хлорид п'ятивалентного нiобiю. Пiсля роздiлення нiобiю i танталу йде основна операцiя – вiдновлення. П'ятиокис нiобiю Nb₂ O₅ вiдновлюють алюмiнiєм, натрiєм, сажею або карбiдом нiобiю, отриманим при взаємодiї Nb₂ O₅ з вуглецем; пентахлорид нiобiю вiдновлюють металевим натрiєм або амальгамою натрiю. Так отримують порошкоподiбний нiобiй, який потрiбно потiм перетворити на монолiт, зробити пластичним, компактним, придатним для обробки. Як i iншi тугоплавкi метали, нiобiй-монолiт отримують методами порошкової металургiї, суть якої полягає у такому.

З отриманого металевого порошку пiд великим тиском (1 т/см² ) пресують так званi штабки прямокутної або квадратної форми. У вакуумi при 2300°С цi штабки спiкають, сполучають у прутки, якi плавлять у вакуумних дугових печах, причому прутки у цих печах виконують роль електрода. Такий процес називається плавкою з електродом, що витрачається. Багатокристалiчний пластичний нiобiй отримують методом безтигельного зонного електронно-променевого плавлення. Суть його в тому, що на порошкоподiбний нiобiй (операцiї пресування i спiкання виключенi) спрямовують могутнiй пучок електронiв, який плавить порошок. Краплi металу стiкають на нiобiєвий злиток, який поступово росте i виводиться з робочої камери.

Хiмiчнi властивостi нiобiю

За хiмiчними властивостями нiобiй близький до танталу. Обидва вони надзвичайно стiйкi (тантал бiльш стiйкий, нiж нiобiй) на холодi i при невеликому нагрiваннi до дiї багатьох агресивних середовищ. Компактний нiобiй помiтно окиснюється на повiтрi тiльки вище 200°С. На нiобiй дiють: хлор вище 200°С, водень при 250°С (iнтенсивно при 360°С), азот при 400°С. Практично не дiють на нiобiй очищенi вiд домiшок кисню рiдкi Nа, Kо i їх сплави, Li, Вi, Рb, Нg, Sn, застосовуванi як рiдкометалевi теплоносiї в атомних реакторах.

Нiобiй активно реагує з багатьма неметалами. З ним утворюють сполуки галогену, азоту, водню, вуглецю, сiрки. При цьому нiобiй може проявляти рiзнi валентностi – вiд двох до п'яти. Але головна валентнiсть цього елемента 5⁺

Солi нiобiєвих кислот називають нiобатами. Їх отримують у результатi обмiнних реакцiй пiсля сплаву п'ятиокису нiобiю з содою:

Nb₂ O₅₂ CO₃ > 2Na₃ NbO₄ + 3CO₂ .

₃ , а також динiобати i пентанiобати (К₄ Nb₂ О₇ , K₇ Nb₅ О₁₆ ). А солi, в яких елемент N41 виступає як катiон, як правило, отримують прямою взаємодiєю простих речовин, наприклад, 2Nb + 5С1₂ >2NbСl₅ .

Яскраво забарвленi голчастi кристали пентагалогенiдiв нiобiю (NbС1 – жовтого кольору, NbВr₅ – пурпурно-червоного) легко розчиняються в органiчних розчинниках – хлороформi, ефiрi, спиртi. Але при розчиненнi у водi цi сполуки повнiстю розкладаються, гiдролiзуються з утворенням нiобатiв: NbCl₅ + 4Н₂ O > 5НСl + Н₃ NbО₄ .

Нiобiй утворює подвiйнi солi i комплекснi сполуки, найлегше – фтористi. Фторнiобати – так називаються цi подвiйнi солi. Вони виходять, якщо у розчин нiобiєвої i плавикової кислот додати фторид якого-небудь металу.

Склад комплексної сполуки залежить вiд спiввiдношення реагуючих в розчинi компонентiв. Рентгенометричний аналiз однiєї з цих сполук показав будову, що вiдповiдає формулi К₂ NbF₇ . Можуть утворитися i оксосполуки нiобiю, наприклад, оксофторнiобат калiю К₂ NbOF₅ nН₂ O.

Нiобiй особливо цiнується за його стiйкiсть до дiї неорганiчних i органiчних речовин.

Використання нiобiю

У металургiї нiобiй знайшов найбiльш широке застосування, як у кольоровiй металургiї, так i у чорнiй. Сталь, легована нiобiєм, має гарну корозiйну стiйкiсть. Хром теж пiдвищує корозiйну стiйкiсть сталi, i вiн набагато дешевший за нiобiй, але в хромонiкелевiй сталi, як i у всякiй iншiй, завжди є вуглець. Але вуглець з'єднується з хромом, утворюючи карбiд, який робить сталь крихкiшою. Нiобiй має бiльшу спорiдненiсть до вуглецю, нiж хром. Тому при додаваннi у сталь нiобiю обов'язково утворюється карбiд нiобiю. Легована нiобiєм сталь набуває високих антикорозiйних властивостей i не втрачає своєї пластичностi. Потрiбний ефект досягається, коли до тонни сталi додано всього 200 г. металевого нiобiю. А хромо-марганцевiй сталi нiобiй додає високої зносостiйкостi.

нiобiй немов загартовує. Вiн збiльшує мiцнiсть таких металiв, як титан, молiбден, цирконiй, i одночасно пiдвищує їх жаростiйкiсть i жаромiцнiсть.

Зараз властивостi i можливостi нiобiю гiдно оцiненi авiацiєю, машинобудуванням, радiотехнiкою, хiмiчною промисловiстю, ядерною енергетикою. Всi вони застосовують нiобiй.

нiобiй серйозним конкурентом визнаних в атомнiй промисловостi металiв – алюмiнiю, берилiю i цирконiю. До того ж штучна (наведена) радiоактивнiсть нiобiю невелика. Тому з нього можна робити контейнери для зберiгання радiоактивних вiдходiв або установки щодо їх використання.

кислот. Здатнiсть нiобiю впливати на швидкiсть деяких хiмiчних реакцiй використовується, наприклад, при синтезi спирту з бутадiєну. Споживачами елемента №41 стали також ракетна i космiчна технiка. Не секрет, що на навколоземних орбiтах вже обертаються якiсь кiлькостi цього елемента. З нiобiйутримуючих сплавiв i чистого нiобiю зробленi деякi деталi ракет i бортової апаратури штучних супутникiв землi.

Монокарбiд нiобiю NвС – пластична речовина з характерним рожевим блиском. Ця важлива сполука дуже легко утворюється при взаємодiї металевого нiобiю з вуглеводами. Поєднання доброї ковкостi i високої термостiйкостi з приємними «зовнiшнiми даними» зробило монокарбiд нiобiю цiнним матерiалом для виготовлення покриттiв. Шар цiєї речовини товщиною всього 0,5 мм надiйно захищає вiд корозiї при високих температурах багато матерiалiв, зокрема графiт, який iншими покриттямифактично не захищений. NвС використовується i як конструкцiйний матерiал в ракетобудуваннi i виробництвi турбiн.

Висока корозiйна стiйкiсть нiобiю дозволила використовувати його в медицинi. Нiобiєвi нитки не викликають подразнення живої тканини i добре зрощуються з нею. Вiдновна хiрургiя успiшно використовує такi нитки для зшивання порваних сухожиль, кровоносних судин i навiть нервiв.

Нiобiй не тiльки має комплекс потрiбних технiцi властивостей, але i має досить гарний вигляд. Цей бiлий блискучий метал ювелiр намагалися використовувати для виготовлення корпусiв ручного годинника. Сплави нiобiю з вольфрамом або ренiєм iнодi замiнюють благороднi метали: золото, платину, iридiй. Останнє особливо важливо, оскiльки сплав нiобiю з ренiєм не тiльки зовнi схожий на металевий iридiй, але майже так само стiйкий проти зношування. Це дозволило деяким країнам обходитися без дорогого iридiю у виробництвi напайок для пер авторучок.

в корозiйно-активних середовищах або пiд великим тиском. Але тут з'ясувалося, що при зварюваннi неiржавiючої сталi зварний шов має набагато меншу мiцнiсть, нiж сама сталь. Щоб полiпшити властивостi шва, в нержавiючу сталь почали вводити рiзнi домiшки. Кращим з них виявився нiобiй.