铌_金属元素 - 威林百科weilinceramic.com

铌

金属元素

铌（Niobium），化学符号Nb，原子序数为41，是一种过渡金属元素。铌单质是一种带光泽的灰色金属。高纯度铌金属的延展性较高，但会随杂质含量的增加而变硬。铌对于热中子的捕获截面很低，因此在核工业上有相当的用处。

发现历史

当于1801年考察在大英博物馆的矿石时，Charles Hatchett被一个标签为columbite（钶铁矿）的样本激起了兴趣。他推测其包含一种新的金属，他是对的。他加热一块样本与碳酸钾，溶解产物到水中，添加了酸后获得了沉淀物。然而，进一步的处理也没能生产出元素本身，他命名其为columbium（钶——铌元素的旧译），被人们已知多年。

其他人则对钶持怀疑态度，尤其是在接下来的一年发现了钽之后。这些金属在大自然中一起出现，而且很难分离。在1844年德国化学家Heinrich Rose证明了钶铁矿包含了这两种元素，他把columbium（钶）命名为niobium（铌）。“Columbium”（钶，符号Cb）是哈契特对新元素所给的最早命名。这一名称在美国一直有广泛的使用，美国化学学会在1953年出版了最后一篇标题含有“钶”的论文；“铌”则在欧洲通用。1949年在阿姆斯特丹举办的化学联合会第15届会议最终决定以“铌”作为第41号元素的正式命名。翌年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）也采纳了这一命名，结束了一个世纪来的命名分歧，尽管“钶”的使用时间更早。这可算是一种妥协：IUPAC依北美的用法选择“Tungsten”而非欧洲所用的“Wolfram”作为钨的命名，并在铌的命名上以欧洲的用法为先。具权威性的化学学会和政府机构都一般以IUPAC正式命名称之，但美国地质调查局以及冶金业、金属学会等组织至今仍使用旧名“钶”。

当时，科学家未能有效地把钶（铌）和性质极为相似的钽区分开来。1809年，英国化学家威廉·海德·沃拉斯顿（William Hyde Wollaston）对钶和钽的氧化物进行比较，得出两者的密度分别为5.918g/cm3及超过16.6g/cm3。虽然密度值相差巨大，但他仍认为两者是完全相同的物质。另一德国化学家海因里希·罗泽（Heinrich Rose）在1846年驳斥这一结论，并称原先的钽铁矿样本中还存在着另外两种元素。他以希腊神话中坦塔洛斯的女儿尼俄伯（Niobe，泪水女神）和儿子珀罗普斯（Pelops）把这两种元素分别命名为“Niobium”（铌）和“Pelopium”。钽和铌的差别细微，而因此得出的新“元素”Pelopium、Ilmenium和Dianium实际上都只是铌或者铌钽混合物。

1864年，克利斯蒂安·威廉·布隆斯特兰（Christian Wilhelm Blomstrand）、亨利·爱丁·圣克莱尔·德维尔和路易·约瑟夫·特罗斯特（Louis Joseph Troost）明确证明了钽和铌是两种不同的化学元素，并确定了一些相关化合物的化学公式。瑞士化学家让-夏尔·加利萨·德马里尼亚（Jean Charles Galissard de Marignac）在1866年进一步证实除钽和铌以外别无其他元素。然而直到1871年还有科学家发表有关Ilmenium的文章。

1864年，德马里尼亚在氢气中对氯化铌进行还原反应，首次制成铌金属。虽然他在1866年已能够制备不含钽的铌金属，但要直到20世纪初，铌才开始有商业上的应用：电灯泡灯丝。铌很快就被钨淘汰了，因为钨的熔点比铌更高，更适合作灯丝材料。1920年代，人们发现铌可以加强钢材，这成为铌一直以来的主要用途。贝尔实验室的尤金·昆兹勒（Eugene Kunzler）等人发现，铌锡在强电场、磁场环境下仍能保持超导性，这使铌锡成为第一种能承受高电流和磁场的物质，可用于大功率磁铁和电动机械。这一发现促使了20年后多股长电缆的生产。这种电缆在绕成线圈后可形成大型强电磁铁，用在旋转机械、粒子加速器和粒子探测器当中。

纯净的金属样本在1864年由Christian Blomstrand制取，他用氢气加热还原氯化铌实现。

元素简介

元素信息

一种金属元素。铌能吸收气体，用作除气剂，也是一种良好的超导体。旧称“钶”。化学符号Nb，原子序数41，原子量92.90638，属周期系ⅤB族。1801年英国查尔斯·哈切特（Charles·Hatchett）在研究伦敦大英博物馆中收藏的铌铁矿中分离出一种新元素的氧化物，并命名该元素为columbium（中译名钶）。1802年瑞典A.G.厄克贝里在钽铁矿中发现另一种新元素tantalum。由于这两种元素性质上非常相似，不少人认为它们是同一种元素。由于它与钽非常相似，起初他竟搞混了。1844年德意志H.罗泽详细研究了许多铌铁矿和钽铁矿，分离出两种元素，才澄清了事实真相。最后查尔斯·哈切特用神话中的女神尼俄伯（Niobe）的名字命名了该元素。在历史上，最初人们用铌所在的铌铁矿的名字“columbium”来称呼铌。铌在地壳中的含量为0.002%，铌在地壳中的自然储量为520万吨，可开采储量440万吨，主要矿物有铌铁矿、烧绿石和黑稀金矿、褐钇铌矿、钽铁矿、钛铌钙铈矿。

同位素

自然产生的铌由一种稳定同位素组成：93Nb。截至2003年，已合成的放射性同位素共有至少32种，原子量在81和113之间。其中最稳定的是92Nb，半衰期有3470万年；113Nb是最不稳定的同位素之一，其半衰期估计只有30毫秒。比93Nb更轻的同位素一般进行β+衰变，比它重的则会进行β-衰变。例外包括：81Nb、82Nb和84Nb会进行少量β缓发质子发射，91Nb会进行电子捕获和正电子发射，而92Nb会同时进行正电子（β+）和电子（β-）发射。

已知的核素共有25种，质量数介乎84至104。这个质量区间内的同位素中，只有96Nb、101Nb和103Nb不具有同核异构体。最稳定的铌同核异构体是93mNb，半衰期为16.13年；最不稳定的是84mNb，半衰期为103纳秒。除92m1Nb进行少量电子捕获之外，所有同核异构体的衰变方式都是同核异构体转换或β衰变。

相关资料

元素符号：Nb

元素英文名称：niobium

元素类型：金属元素

原子体积：10.87cm3/mol

元素在太阳中的含量:0.004(ppm)

元素在海水中的含量：0.0000009(ppm)

地壳中含量：20（ppm）

相对原子质量：92.90638

原子序数：41

所属周期：5

所属族数：VB

核外电子排布：1s22s22p63s23p63d104s24p64d45s1

电子层排布：2，8，18，12，1

晶体结构：晶胞为体心立方晶胞，每个晶胞含有2个金属原子。

晶胞参数：a = 330.04 pm，b = 330.04 pm，c = 330.04 pm，α = 90°， β = 90°， γ = 90°

化合价：+5（主要），-3，-1，0，+1，+2，+3，+4

莫氏硬度：6

声音在其中的传播速率：3480（m/s）

电离能(kJ/mol)

M - M+ 664

M+ - M2+ 1382

M2+ - M3+ 2416

M3+ - M4+ 3695

M4+ - M5+ 4877

M5+ - M6+ 9899

M6+ - M7+ 12100

物理化学性质

物理性质

铌是灰白色金属，熔点2468℃，沸点4742℃，密度8.57g/cm3。铌是一种带光泽的灰色金属，具有顺磁性，高纯度铌金属的延展性较高，但会随杂质含量的增加而变硬。它的最外电子层排布和其他的5族元素非常不同。同样的现象也出现在前后的钌（44）、铑（45）和钯（46）元素上。

铌在低温状态下会呈现超导体性质。在标准大气压力下，铌的超导临界转变温度为9.25K，是所有具有超电导性质的金属中最高的。其磁穿透深度也是所有元素中最高的。铌是三种单质第II类超导体之一，其他两种分别为钒和锝。铌金属的纯度会大大影响其超导性质。

铌对于热中子的捕获截面很低，因此在核工业上有相当的用处。

化学性质

室温下铌在空气中稳定，在氧气中红热时也不被完全氧化，高温下与硫、氮、碳直接化合，能与钛、锆、铪、钨形成合金。不与无机酸或碱作用，也不溶于王水，但可溶于氢氟酸。

铌金属室温下在空气中是极其稳定的，不与空气作用。虽然它在单质状态下的熔点较高（2468°C），但其密度却比其他难熔金属低。铌还能抵御各种侵蚀，并能形成介电氧化层。

铌的电正性比位于其左边的锆元素低。其原子大小和位于其下方的钽元素原子几乎相同，这是镧系收缩效应所造成的。这使得铌的化学性质与钽非常相近。虽然它的抗腐蚀性没有钽这么高，但是它价格更低，也更为常见，所以在要求较低的情况下常用以代替钽，例如作化工厂化学物槽内涂层物料。

制取

金属铌可用电解熔融的七氟铌酸钾制取，也可用金属钠还原七氟铌酸钾或金属铝还原五氧化二铌制取。纯铌在电子管中用于除去残留气体，钢中掺铌能提高钢在高温时的抗氧化性，改善钢的焊接性能。铌还用于制造高温金属陶瓷。

开采所得的矿石要经过分离过程，使五氧化二钽（Ta2O5）和五氧化二铌（Nb2O5）从其他矿物中脱离出来。加工过程的首个步骤是与氢氟酸反应：

Ta2O5+ 14 HF → 2 H2[TaF7] + 5 H2O

Nb2O5+ 10 HF → 2 H2[NbOF5] + 3 H2O

让-夏尔·加利萨·德马里尼亚发明了产业规模的分离方法，利用了铌和钽的氟化物配合物所拥有的水溶性差异。新的方法则使用类似环己酮的有机溶剂把氟化物从水溶液中萃取出来，再用水将铌和钽的配合物从有机溶剂中分别提取。加入氟化钾能使铌沉淀成氟化钾配合物，而加入氨则可沉淀出五氧化二铌：

H2[NbOF5] + 2 KF → K2[NbOF5]↓ + 2 HF

然后：

2 H2[NbOF5] + 10 NH4OH → Nb2O5↓ + 10 NH4F + 7 H2O

从化合物到金属态的还原方法有几种。一是对K2[NbOF5]和氯化钠的熔融混合物进行电解，二是用钠对氟化铌进行还原。这种方法所得出的铌金属具有较高的纯度。在大规模生产中，则一般使用氢或碳对Nb2O5进行还原。另一种方法利用铝热反应，其中氧化铁和氧化铌与铝反应：

3 Nb2O5+ Fe2O3+ 12 Al → 6 Nb + 2 Fe + 6 Al2O3

少量类似硝酸钠的氧化添加剂可以加强以上反应。这样会产生氧化铝和铌铁合金，后者可用于钢铁生产。铌铁一般含有60%至70%的铌。如不加入氧化铁，铝热反应会产生铌金属，不过要经纯化过程才可制成具超导性质的高纯度铌合金。世界最大的两家铌经销商所用的方法是真空电子束熔炼。

截至2013年，巴西冶金及矿业有限公司（葡萄牙语：Cia.Brasileira de Metalurgia & Mineração）控制了世界85%的铌生产。美国地质调查局估计，铌产量从2005年的38,700吨升至2006年的44,500吨。全球铌资源存量估计有440万吨。在1995至2005年间，产量从17,800吨上升至双倍以上。2009年至2011年，产量维持在每年63,000吨的稳定状态。

化合物

铌在很多方面都与钽及锆十分相似。它会在室温下与氟反应，在200°C下与氯和氢反应，以及在400°C下与氮反应，产物一般都是间隙非整比化合物。铌金属在200°C下会在空气中氧化，且能抵御熔融碱和各种酸的侵蚀，包括王水、氢氯酸、硫酸、硝酸和磷酸等。不过氢氟酸以及氢氟酸和硝酸的混合物则可以侵蚀铌。

虽然铌可以形成氧化态为+5至−1的各种化合物，但它最常见的还是处于+5氧化态。氧化态低于+5的铌化合物中都含有铌﹣铌键。

氧化物及硫化物

铌的氧化物可以有以下的氧化态：+5（Nb2O5）、+4（NbO2）和+3（Nb2O3），另外较罕见的有+2态（NbO）。五氧化二铌是最常见的铌氧化物，铌金属及所有铌化合物的制备都需从其开始。要制成铌酸盐，可将五氧化二铌溶于碱性氢氧化物溶液中，或熔化于碱金属氧化物中。铌酸锂（LiNbO3）具有钙钛矿型偏三方晶系结构，而铌酸镧则含孤立的NbO3−离子。其他已知化合物还包括硫化铌（NbS2），它会形成层状结构。

利用化学气相沉积法或原子层沉积法可以在物料表面加上五氧化二铌薄层，两种方法均用到乙醇铌(V)在350°C以上会热分解的原理。

卤化物

铌可以形成拥有+5和+4氧化态的卤化物，以及各种亚化学计量化合物。五卤化铌（NbX5）含有八面体型铌中心原子。五氟化铌（NbF5）是一种白色固体，熔点为79.0°C，而五氯化铌（NbCl5则呈黄色，熔点为203.4°C。两者均可经水解形成氧化物和卤氧化物，例如NbOCl3。五氯化铌也是一种具挥发性的试剂，可用于合成包括二氯二茂铌（(C5H5)2NbCl2）在内的各种有机金属化合物。铌的四卤化物（NbX4）都是深色的聚合物，内含铌﹣铌键，如呈黑色、具吸湿性的四氟化铌（NbF4）和棕色的四氯化铌（NbCl4）。

铌的卤化物负离子也存在，这是因为铌的五卤化物都是路易斯酸。最重要的一种为[NbF7]，它是铌和钽的矿物分离过程中的一个中间化合物。它比对应的钽化合物更易转换为氧五氟化物。其他卤化配合物还包括[NbCl6]：

Nb2Cl10+ 2Cl→ 2 [NbCl6]

铌还会形成多种还原卤化物原子簇，如[Nb6Cl18]。

氮化物及碳化物

氮化铌（NbN）在低温下会变成超导体，被用在红外线探测器中。最主要的碳化铌是NbC，其硬度极高，是一种耐火的陶瓷材料，可用作切割工具刀头材料。

分布

根据估算，铌在地球地壳中的丰度为20％，在所有元素中排列第33位。部分科学家认为，铌在整个地球中的含量更高，但因密度高而主要聚集在地核中。铌在自然界中不以纯态出现，而是和其他元素结合形成矿物。这些矿物一般也含有钽元素，例如即铌铁矿(Fe,Mn)(Nb,Ta)2O6）和钶钽铁矿（(Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6）。含铌、钽的矿物通常是伟晶岩和碱性侵入岩中的副矿物。其他矿物还有钙、铀和钍以及稀土元素的铌酸盐，例如烧绿石（(Na,Ca)2Nb2O6(OH,F)）和黑稀金矿（(Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)2O6）等。

巴西和加拿大拥有最大的烧绿石矿藏。两国在1950年代发现这些矿藏，至今仍是铌精矿的最大产国。世界最大矿藏位于巴西米纳斯吉拉斯州阿拉沙的一处碳酸盐侵入岩地带，属于CBMM（巴西矿物冶金公司）；另一矿藏位于戈亚斯，属于英美资源，同样是碳酸盐侵入岩。以上两个矿场的产量占世界总产量的75%。第三大矿场位于加拿大魁北克省萨格奈附近，产量占世界7%。

应用

超导应用

人们很早以前就发现，当温度降低到接近绝对零度的时俟，有些物质的化学性质会发生突然的改变，变成一种几乎没有电阻的“超导体”。物质开始具有这种奇异的“超导”性能的温度叫临界温度。不用说，各种物质的临界温度是不一样的。

要知道，超低温度是很不容易得到的，人们为此而付出了巨大的代价；越向绝对零度接近，需要付出的代价越大。所以我们对超导物质的要求，当然是临界温度越高越好。

具有超导性能的元素不少，铌是其中临界温度最高的一种。而用铌制造的合金，临界温度高达绝对温度十八点五到二十一度，是目前最重要的超导材料。

人们曾经做过这样一个实验：把一个冷到超导状态的金属铌环，通上电流然后再断开电流，然后，把整套仪器封闭起来，保持低温。过了两年半后，人们把仪器打开，发现铌环里的电流仍在流动，而且电流强弱跟刚通电时几乎完全相同！

从这个实验可以看出，超导材料几乎不会损失电流。如果使用超导电缆输电，因为它没有电阻，电流通过时不会有能量损耗，所以输电效率将大大提高。

有人设计了一种高速磁悬浮列车，它的车轮部位安装有超导磁体，使整个列车可以浮起在轨道上约十厘米。这样一来，列车和轨道之间就不会再有摩擦，减少了前进的阻力。一列乘载百人的磁悬浮列车，只需一百马力的推动力，就能使速度达到每小时五百公里以上。

用一条长达二十公里的铌锡带，缠绕在直径为一点五米的轮缘上，绕组能够产生强烈而稳定的磁场，足以举起一百二十二公斤的重物，并使它悬浮在磁场空间里。如果把这种磁场用到热核聚变反应中，把强大的热核聚变反应控制起来，那就有可能给我们提供大量的几乎是无穷无尽的廉价电力。

人们曾用铌钛超导材料制成了一台直流发电机。它的优点很多，比如说体积小，重量轻，成本低，与同样大小的普通发电机相比，它发的电量要大一百倍。

高温合金

世界上很大一部份铌以纯金属态或以高纯度铌铁和铌镍合金的形态，用于生产镍、铬和铁基高温合金。这些合金可用于喷射引擎、燃气涡轮发动机、火箭组件、涡轮增压器和耐热燃烧器材。铌在高温合金的晶粒结构中会形成γ相态。这类合金一般含有最高6.5%的铌。Inconel718合金是其中一种含铌镍基合金，各元素含量分别为：镍50%、铬18.6%、铁18.5%、铌5%、钼3.1%、钛0.9%以及铝0.4%。应用包括作为高端机体材料，如曾用于双子座计划。

铌基合金

C-103是一种铌合金，它含有89%的铌、10%的铪和1%的钛，可用于液态火箭推进器喷管，例如阿波罗登月舱的主引擎。阿波罗服务舱则使用另一种铌合金。由于铌在400°C以上会开始氧化，所以为了防止它变得易碎，须在其表面涂上保护涂层。

医疗应用

铌在外科医疗上也占有重要地位，它不仅可以用来制造医疗器械，而且是很好的“生物适应性材料”，因为它有极好的抗蚀性，不会与人体里的各种液体物质发生作用，并且几乎完全不损伤生物的机体组织，对于任何杀菌方法都能适应，所以可以同有机组织长期结合而无害地留在人体里。

钢铁应用

在钢的各种微合金化元素中，废铌是最有效的微合金化元素，铌的作用如此之大，以至于铁原子中含有丰富的铌原子，就能达到改善钢性能的目的。实际上钢中加入0.001%—0.1%的铌，就足以改变钢的力学性能。例如：当加入0.1%的合金化元素时，提高钢的屈服强度依次为：铌118MPa；钒71.5MPa；钼40MPa；锰17.6MPa；钛为零。实际上钢中只需加入0.03%—0.05%Nb，钢的屈服强度便可提高30%以上。而钢的成本每吨仅增1美元。例如：普通中碳钢的屈服强度一般为250MPa，加入微量铌可使强度提高到350—800MPa。

铌作为微合金化元素加入钢中并不改变铁的结构，而是与钢中的碳#氮#硫结合，改变钢的显微结构。铌对钢的强化作用主要是的是细晶强化和弥散强化，铌能和钢中的碳氮生成稳定的碳化物和碳氮化物。而且还可以使碳化物分散并形成具有细晶化的钢。

铌还可以通过诱导析出和控制冷却速度，实现析出物弥散分布。在较宽的范围内调整钢的韧性水平。因此，加入铌不仅可以提高钢的强度，还可以提高钢的韧性、抗高温氧化性和耐蚀性!降低钢脆性转变温度，获得好的焊接性能和成型性能

电瓷

铌酸锂是一种电铁性物质，在手提电话和光调变器中以及表面声波设备的制造上有广泛的应用。它的晶体结构属于ABO3型，与钽酸锂和钛酸钡相同。铌可以代替钽电容器中的钽，降低成本，但钽电容器仍较为优胜。

钱币

在钱币上，铌有时会与金和银一起用在纪念币上作贵重金属。例如，奥地利自2003年起，生产了一系列银铌欧罗币，其颜色是阳极化过程形成的氧化物表层衍射所产生的。2012年，共有十种中心颜色不同的钱币，共包括蓝、绿、棕、紫和黄。另外含有铌的钱币还有2004年的奥地利赛梅林铁路150周年纪念币，以及2006年欧洲卫星导航纪念币。2011年，加拿大皇家造币厂开始铸造称为“狩猎月”（Hunter's Moon）的5加元纯银和铌币。其中的铌经过特殊的氧化过程，所以没有两件成品是完全一样的。

其他

铌（或掺有1%锆）是高压钠灯电弧管的密封材料，因为铌的热膨胀系数与经烧结的矾土弧光灯陶瓷材料非常相近。这种用于钠灯的陶瓷可以抵御化学侵蚀，也不会与灯内的高温钠液体和气体产生还原反应。铌也被用在电弧焊条上，用来焊接某些稳定化不锈钢。一些大型水箱的阴极保护系统中以铌作为阳极的材料，阳极一般再镀上一层铂。