Размещено на http://www.allbest.ru/

21

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсова робота

Характеристика ніобію та його сполук

Вступ

ніобій синтез окиснення

Мета: є закріплення та поглиблення знань, які я одержав на лекціях, лабораторних заняттях та під час самостійної роботи.

Завдання:

? знайти та зреферувати обрані літературні джерела;

? провести аналіз фундаментальної наукової літератури з обраної теми

? за знайденою методикою синтезу заданої сполуки провести всі необхідні розрахунки для заданої маси продукту;

? оформити курсову роботу згідно з чинними вимогами.

Ніобій є невід'ємним мікроелементом людського організму. Сорок перший елемент виявлений в крові, кістках, м'язах і печінці людини. Підраховано, що в середньому в організмі дорослої людини вагою 70 кілограм міститься до 1,5 мг ніобію.

На жаль, біологічна роль даного елемента вивчена досить слабо. Однак, відомо, що ніобій гіпоалергенний, тобто його можна безпечно використовувати для введення в тіло, так як він не викликатиме біологічного відторгнення організмом. Це цінна властивість використовує медицина - ніобієві нитки не викликають роздратування живої тканини і добре зрощуються з нею. Відновлювальна хірургія успішно використовує такі нитки для зшивання порваних сухожиль, кровоносних судин і навіть нервів. На відміну від інших медичних легованих сталей і імплантаційних сплавів ніобій представляє собою чистий хімічний елемент, який не можна розділити на окремі компоненти. Тобто при контакті з тканинами він не здатний виділяти окремі компоненти і тому не є алергеном.

Не тільки медицина використовує дану якість ніобію - останнім часом на ніобій великий попит як на матеріал для підшкірного бодіпірсингу. До того ж ніобій є реактивним металом і його можна в ході хімічного електролізу анодувати. При цьому на поверхні металу з'являється тонкий оксидний шар, який викликає появу інтерференційних кольорів і за рахунок особливостей попадання світла виникає при відображенні і ламанні враження переливання змінюються кольори забарвлення (подібний ефект можна спостерігати на плівці нафтового або бензинового плями на сирому асфальті). У шанувальників пірсингу подібна колірна гра користується популярністю, до того ж анодований шар повністю сумісний з тканинами організму, оскільки він являє собою оксид ніобію. Природно, що все вище сказане стосується тільки до чистого ніобію - прикраси для пірсингу з сплавів ніобію (або металу з домішками) можуть завдати шкоди організму людини.

Незважаючи на всі позитивні аспекти біологічного впливу сорок першого елемента на організм, деякі сполуки ніобію отруйні. Професійних отруєнь ніобієм не зафіксовано. Однак відносно висока захворюваність верхніх дихальних шляхів у робітників, що використовують комплексні сполуки ніобію, найімовірніше пов'язана з впливом HF що виділяється і фторніобатів. Основні експерименти по встановленню ступеня токсичності сполук сорок першого елемента, що проводяться на тваринах показали, що К₂NbF₇ і NbCl₅ різко дратують шкірні покриви і слизові очей кролика. Введений в шлунок ніобіт калію KNbO₃ викликає гостре отруєння з летальним результатом у білих мишей при дозуванні в 725-1140 мг / кг; пентафтороксоніобат калію K₂NbOF₅ - при дозі 130 мг / кг; хлориду ніобію (V) NbCl₅ - 829,6 мг / кг. Для лабораторних щурів ці дози дещо вищий. Введені з'єднання привели до зернистої і вакуольної дистрофії в канальцях нирок, некрозу печінки і епітелію стравоходу, дистрофічних змін у слизовій шлунка. Хронічні отруєння були викликані введенням в шлунок піддослідних тварин протягом чотирьох місяців NbCl₅ в дозі 100 мг / кг, що призвело до зміни складу крові і збою функцій печінки, незначних змін по ходу ШКТ. Введення пилу Nb₂O₅ в дозі 50 мг протягом 6-9 місяців викликало у лабораторних пацюків ущільнення між альвеолярної перегородки і емфізему легенів. У тих же лабораторних тварин щоденні заправки пилом нітриду ніобію NbN по 40 мг/м³ протягом трьох місяців привели до розвитку пневмосклерозу та вторинної емфіземи. До такого ж результату призвело введення в трахею щурів 50 мг NbN.

Відомо, що ніобій має високу корозійну стійкість, що обумовлює його застосування в хімічному машинобудуванні. Цікавим фактом є те, що при виготовленні замочної апаратури і трубопроводів солянокислотного виробництва, ніобій не тільки служить конструкційним матеріалом, але і грає при цьому роль каталізатора, даючи можливість отримати більш концентровану кислоту. До 1866 роки не було відомо жодного придатного для виробничих умов способу розділення танталу і ніобію.

У зв'язку з гострою нестачею срібла американські фінансисти пропонують для виготовлення металевих грошей використовувати замість нього ніобій, оскільки вартість ніобію приблизно відповідає вартості срібла. З 2003 року ніобій офіційно використовується при карбуванні колекційних монет. Першопрохідцем у використанні цього металу був Австрійський монетний двір Mьnze Цsterreich. Однією з особливостей ніобію є те, що при певній обробці металу можна отримати різне забарвлення поверхні. В результаті, Австрія випускає біметалеві монети з різним забарвленням, вже викарбовано сім тисяч подібних монет. Приклад Австрії виявився заразливий - в 2005 році в Сьєрра-Леоне випустили біметалічну монету, з використанням золота і фіолетового ніобію. Випуск присвячений Папі Римському Іоанну Павлу II. Крім цих країн біметалеві монети з використанням ніобію випустили: Монголія - 500 тугриків, срібний овал і вставка з сірого ніобію (2003 рік), Латвія - 1 лат, срібло, вставка з зеленого ніобію (2010 рік) і ряд інших стан. Бразильська компанія CBMM - найбільший виробник ніобію в світі, в даний час вона забезпечує 80% всього світового попиту на ніобій. Саме від дій компанії значною мірою залежить, чи буде світовий ринок відчувати дефіцит ніобію.

1. Загальна характеристика ніобію та його сполук

1.1 Історична довідка: відкриття ніобію, походження назви

Не всякий хімічний елемент може похвалитися своїм повторним відкриттям, а на частку сорок першого елемента періодичної системи це «щастя» перепало.

З завоюванням Америки до Європи стали потрапляти досі небачені багатства, екзотичні дивини, речі, що вимагають ретельного вивчення та роз'яснення. Так як підкорювачів нового континенту цікавили лише грабіж і нажива, то багато чого нове ігнорувалося, вважалося непотрібним, якщо не могло знайти свого застосування. Так, платину називали «поганим сріблом», вважаючи металом фальшивомонетників, і сотнями тонн топили в річках і морях. А зразки незвичайного мінералу чорного кольору з золотистими вкрапленнями були відвезені в якості сувенірів, осівши в приватних колекціях і музеях під всілякими назвами. Один з таких зразків провалявся на курній вітрині Британського музею в Лондоні півтора століття під табличкою, яка свідчила, що перед вами зразок «залізної руди».

Дивно, але знайшлася людина, яка зацікавилась курним експонатом і вирішила дізнатися справжню сутність каменю. Це був англійський хімік Чарльз Хатчет, який в 1801 році досліджував зразок незвичайного мінералу, виділив з нього оксид невідомого раніше елемента і дав йому назву - «Колумбій», тим самим, підкресливши заокеанське походження нового елемента (на честь Христофора Колумба і старовинного назви Америки) . Сам же незвичайний важкий чорний мінерал хімік назвав «колумбітом». Саме таким чином вперше був відкритий сорок першого елемент періодичної таблиці, отримавши своє перше ім'я. І якщо по початку Хатчет сумнівався в тому, що перед ним щось що раніше не вивчене і ототожнював колумбіт з сибірською хромовою рудою, то потім вчений виявив, що кислота (оксид), що утворюється з лужного сплаву мінералу, володіє абсолютно іншими властивостями, ніж хромова кислота. Однак отримати з оксиду метал Хатчету не вдалося.

Роком пізніше шведський хімік Андерс Густав Екеберг, досліджуючи колумбітову руду, виявлену на одному з фінських рудників, відкриває новий метал, названий їм танталом (Тантал). Окисел цього металу виявився надзвичайно стійким і не руйнувався навіть у надлишку кислоти (він ніби не міг насититися кислотою, подібно до того, як міфічний Тантал, покараний Зевсом, стоячи по горло у воді і мучачись спрагою, не міг задовольнити її). Мінерал, в якому був виявлений новий метал, назвали танталітом. З цього моменту і почалася плутанина - подібність сполук Колумбію і Танталу було таке велике, що протягом сорока років більшість хіміків вважало: тантал і колумбій - один і той же елемент. «Масла у вогонь» підлив авторитетний англійський учений Вільям Хайд Волластон, який першим отримав платину в чистому вигляді і відкрив паладій. У 1809 році він довів, що колумбій Хатчета і тантал Екеберга являють собою один і той же метал, так як їх оксиди дуже близькі за питомою вагою. Продовживши дослідження колумбіту, німецький хімік Ґ. Розе (1798-1873) у 1844 р. довів, що в цьому мінералі містяться два подібних елементи - Ніобій і Тантал; тобто елемент колумбій, відкритий у 1801 p. К. Хатчетом, є сумішшю цих двох елементів.

1.2 Характеристика елементу Ніобію

1.2.1 Електронна формула та електронно-графічні схеми валентного шару, можливі валентні стани та ступені окиснення Ніобію

Ніобій належить до d-елементів V групи. На валентних підрівнях атома цього елемента розміщено по п'ять електронів: електронна конфігурація валентних підрівнів атома в основному стані у Ніобію - 4d⁴5s¹ внаслідок "провалювання" електрона, що втім не впливає на значення ступеня окиснення. Найнижчий ступінь окиснення +2 виникає, коли атом віддає зовнішні валентні ns-електрони. Далі в ході послідовного віддавання (n-1 )d-електронів ступені окиснення зростають: +3, +4, +5. Найвищий ступінь окиснення +5 відповідає кількості ns- і (n-1)d-електронів.

1.2.2 Розповсюдженість Ніобію у природі

Вміст у земній корі 2,10-3 % за масою. У вільному вигляді ніобій не зустрічається. Зустрічається в природі зазвичай разом з танталом . Руди ніобію - зазвичай комплексні та бідні металом. Рудні концентрати містять Nb₂O₅ : пірохлорні - не менше 37 % , лопаритові - 8 % , колумбітові - 30-60%. Колумбіт зустрічається в вивержених пегматитах , лужних гранітах , іноді - в розсипних родовищах ( Нігерія ), його часто добувають як побічний продукт збагачення олов'яних концентратів . Пірохлор міститься в карбонатитах , лужних породах ( Канада ) , ніфелін - сіенітових пегматитах. Великі поклади лопариту маються на СНД. Тільки в лужних вивержених породах - нефелінових сиенитах та інших , зміст ніобію підвищений до 10-2 - 10-1 %. У цих породах і пов'язаних з ними пегматитах, карбонатитах, а також у гранітних пегматитах виявлено 23 мінерали ніобію і близько 130 інших мінералів, що містять підвищені кількості ніобію. Це в основному складні і прості оксиди . У мінералах Nb пов'язаний з рідкоземельними елементами з Та, Ti, Ca, Na, Th, Fe, Ba (тантало-ніобати, титанати та інші). З 6 промислових мінералів найбільш важливі пірохлор і колумбіт . Важливе значення мають і розсипи танталоніобатів. Загальні світові запаси ніобію (без СНД) оцінювалися в 18 млн.т , в промислових родовищах - близько 3,4 млн. т (з них 3,2 млн.т в Бразилії). У біосфері геохімія ніобію вивчена погано. Встановлено, що в районах лужних порід , збагачених ніобієм , він мігрує у вигляді сполук з органічними та іншими комплексами. Відомі мінерали ніобію, що утворюються при вивітрюванні лужних порід (Мурманов, Герасимівский та інших). У морській воді лише близько 1.10 -9 % ніобію за масою.

1.2.3 Ізотопи, масові частки природних ізотопів Ніобію

Елемент має один природний стабільний ізотоп ⁹³Nb, його маса становить 92,9063781 а.о.м. Один з цікавих ізотопів Ніобію є ¹⁰³Nb його період напіврозпаду становить всього 1,5 секунд, а його маса - 102,91914 а.о.м.

1.2.4 Радіуси атомів і іонів, потенціали іонізації, спорідненість до електрону, електронегативність Ніобію

Основні характеристики Ніобію подано у таблиці 1

Табл.1

1.2.5 Висновок про хімічний характер Ніобію та його сполук

Ніобій активно реагує з багатьма неметалами. З ним утворюють сполуки галогени, азот, водень, вуглець, сірка. При цьому ніобій може проявляти різні валентності - від двох до п'яти. Але головна валентність цього елемента 5+. П'ятивалентний ніобій може входити до складу солі і як катіон, і як один з елементів аніона, що свідчить про амфотерних характер елемента №41.

1.3 Характеристика простих речовин Ніобію

1.3.1 Фізичні властивості Ніобію

Ніобій - міцний і твердий метал, його межа міцності при 20 і 800 °С відповідно дорівнює 342 і 312 Мн/м²; відносне подовження при 20 і 800 °С відповідно 19,2 та 20,7 %. Твердість чистого ніобію по Брінеллю 450, технічного 750-1800 Мн/ м². До того ж, сорок перший елемент поєднує в собі відмінні пластичні характеристики: очищений ніобій добре піддається механічній обробці - легко обробляється тиском на холоді і зберігає задовільні механічні властивості при високих температурах. Чистий метал настільки пластичний, що може бути прокатаний в тонкий лист (до товщини 0,01 мм) у холодному стані без проміжного підпалу. Правда все це відноситься до очищеного металу, ніобій, що містить домішки деяких елементів (особливо небезпечні - водень, азот, вуглець і кисень) сильно погіршує пластичність. Однак наявність домішок підвищує твердість ніобію і його крихкість. В крихкий стан ніобій переходить при температурах від -100 до -200 °С. Ніобій один з ряду тугоплавких металів, його температура плавлення (t_пл) 2 500 °С, а температура кипіння (t кип) 4927 °С.

1.3.2 Способи одержання та застосування Ніобію

Руди ніобію - як правило, комплексні і збіднені Nb, хоча їх запаси набагато перевершують запаси руд Та. Рудні концентрати містять Nb₂О₅: пірохлорові - не менше 37%, лопаритові - 8%, колумбітові - 30-60%. Велику їх частину переробляють алюміно - або силікотермічним відновленням на фероніобій (40-60% Nb) й феротанталоніобій. Металевий ніобій отримують з рудних концентратів за складною технологією у три стадії:

1) розкриття концентрату,

2) розділення Nb і Та і отримання їх чистих хімічних сполук;

3) відновлення і рафінування металевого ніобію і його сплавів. Основні промислові методи виробництва ніобію і сплавів алюмінотермічний, натрієтермічний, карботермічний: з суміші Nb₂O₅ і сажі спочатку одержують при 1800 °С в атмосфері водню карбід, потім з суміші карбіду і оксид при 1800-1900 °С у вакуумі - метал; для отримання сплавів ніобію у цю суміш додають оксиди легуючих металів; за іншим варіантом ніобій відновлюють при високій температурі у вакуумі безпосередньо з Nb₂O₅ сажею. Натрієтермічним способом ніобій відновлюють натрієм з К₂NbF₇, алюмінотермічним - алюмінієм з Nb₂O₅. Компактний метал (сплав) виробляють методами порошкової металургії, спікаючи спресовані з порошків штабки у вакуумі при 2300 °С, або електронно-променевим і вакуумним дуговим плавленням; монокристали ніобію високої чистоти - безтигельним електронно-променевим зонним плавленням.

Металевий ніобій можна отримати відновленням його сполук, наприклад хлориду ніобію або фтор-ніобату калію, при високій температурі:

К₂ NbF₇ + 5Na > Nb + 2КF + 5NaF

Але перш ніж досягти цієї, по суті, останньої стадії виробництва, ніобієва руда проходить безліч етапів переробки. Перший з них - збагачення руди, отримання концентратів. Концентрат сплавляють з різними інгредієнтами: їдким натром або содою. Отриманий сплав вилуговують. Але розчиняється він не повністю. Нерозчинним осадом і є ніобій. Правда, він тут ще у складі гідроокису, не роздільний зі своїм аналогом за підгрупою - танталом - і не очищений від деяких домішок. До 1866 р. не було відомо жодного придатного для виробничих умов способу розділення танталу і ніобію. Перший метод розділення цих надзвичайно схожих елементів запропонував Жан Шарль Галіссар де Маріньяк. Метод базується на різній розчинності комплексних сполук цих металів і називається фторидним. Комплексний фторид танталу нерозчинний у воді, а аналогічна сполука ніобію розчинна.

Фторидний метод складний і не дозволяє повністю розділити ніобій і тантал. Тому в наші дні він майже не застосовується. На зміну йому прийшли методи виборчої екстракції, іонного обміну, ректифікації галогенідів та ін. Цими методами отримують оксид і хлорид п'ятивалентного ніобію. Після розділення ніобію і танталу йде основна операція - відновлення. П'ятиокис ніобію Nb₂O₅ відновлюють алюмінієм, натрієм, сажею або карбідом ніобію, отриманим при взаємодії Nb₂O₅ з вуглецем; пентахлорид ніобію відновлюють металевим натрієм або амальгамою натрію. Так отримують порошкоподібний ніобій, який потрібно потім перетворити на моноліт, зробити пластичним, компактним, придатним для обробки. Як і інші тугоплавкі метали, ніобій-моноліт отримують методами порошкової металургії, суть якої полягає у такому. З отриманого металевого порошку під великим тиском (1 т/см²) пресують так звані штабки прямокутної або квадратної форми. У вакуумі при 2300°С ці штабки спікають, сполучають у прутки, які плавлять у вакуумних дугових печах, причому прутки у цих печах виконують роль електрода. Такий процес називається плавкою з електродом, що витрачається. Багатокристалічний пластичний ніобій отримують методом безтигельного зонного електронно-променевого плавлення. Суть його в тому, що на порошкоподібний ніобій (операції пресування і спікання виключені) спрямовують могутній пучок електронів, який плавить порошок. Краплі металу стікають на ніобієвий злиток, який поступово росте і виводиться з робочої камери.

У металургії ніобій знайшов найбільш широке застосування, як у кольоровій металургії, так і у чорній. Сталь, легована ніобієм, має гарну корозійну стійкість. Хром теж підвищує корозійну стійкість сталі, і він набагато дешевший за ніобій, але в хромонікелевій сталі, як і у всякій іншій, завжди є вуглець. Але вуглець з'єднується з хромом, утворюючи карбід, який робить сталь крихкішою. Ніобій має більшу спорідненість до вуглецю, ніж хром. Тому при додаванні у сталь ніобію обов'язково утворюється карбід ніобію. Легована ніобієм сталь набуває високих антикорозійних властивостей і не втрачає своєї пластичності. Потрібний ефект досягається, коли до тонни сталі додано всього 200 г. металевого ніобію. А хромо-марганцевій сталі ніобій додає високої зносостійкості.

Ніобієм легують і багато кольорових металів. Так, алюміній, що легко розчиняється в лугах, не реагує з ними, якщо в нього додано всього 0,05% ніобію. А мідь, відому своєю м'якістю, і багато її сплавів ніобій немов загартовує. Він збільшує міцність таких металів, як титан, молібден, цирконій, і одночасно підвищує їх жаростійкість і жароміцність.

Зараз властивості і можливості ніобію гідно оцінені авіацією, машинобудуванням, радіотехнікою, хімічною промисловістю, ядерною енергетикою. Всі вони застосовують ніобій.

Унікальна властивість - відсутність помітної взаємодії ніобію з ураном при температурі до 1100°С і, крім того, хороша теплопровідність, невеликий ефективний переріз поглинання теплових нейтронів зробили ніобій серйозним конкурентом визнаних в атомній промисловості металів - алюмінію, берилію і цирконію. До того ж штучна (наведена) радіоактивність ніобію невелика. Тому з нього можна робити контейнери для зберігання радіоактивних відходів або установки щодо їх використання.

Хімічна промисловість споживає порівняно трохи ніобію, але це пояснюється тільки його дефіцитністю. З ніобій-утримуючих сплавів і рідше з листового ніобію іноді роблять апаратуру для виробництва високочистих кислот. Здатність ніобію впливати на швидкість деяких хімічних реакцій використовується, наприклад, при синтезі спирту з бутадієну. Споживачами елемента №41 стали також ракетна і космічна техніка. З ніобій утримуючих сплавів і чистого ніобію зроблені деякі деталі ракет і бортової апаратури штучних супутників землі.

Монокарбід ніобію NвС - пластична речовина з характерним рожевим блиском. Ця важлива сполука дуже легко утворюється при взаємодії металевого ніобію з вуглеводами. Поєднання доброї ковкості і високої термостійкості з приємними «зовнішніми даними» зробило монокарбід ніобію цінним матеріалом для виготовлення покриттів. Шар цієї речовини товщиною всього 0,5 мм надійно захищає від корозії при високих температурах багато матеріалів, зокрема графіт, який іншими покриттями фактично не захищений. NbС використовується і як конструкційний матеріал в ракетобудуванні і виробництві турбін.

Висока корозійна стійкість ніобію дозволила використовувати його в медицині. Ніобієві нитки не викликають подразнення живої тканини і добре зрощуються з нею. Відновна хірургія успішно використовує такі нитки для зшивання порваних сухожиль, кровоносних судин і навіть нервів.

Ніобій не тільки має комплекс потрібних техніці властивостей, але і має досить гарний вигляд. Цей білий блискучий метал ювелір намагалися використовувати для виготовлення корпусів ручного годинника. Сплави ніобію з вольфрамом або ренієм іноді замінюють благородні метали: золото, платину, іридій. Останнє особливо важливо, оскільки сплав ніобію з ренієм не тільки зовні схожий на металевий іридій, але майже так само стійкий проти зношування. Це дозволило деяким країнам обходитися без дорогого іридію у виробництві напайок для пер авторучок.

В кінці 20-х років минулого століття електро- і газозварювання підвищили якість виробів, прискорили і здешевили процеси їх збирання. Особливо перспективне зварювання при монтажі великих установок, що працюють в корозійно-активних середовищах або під великим тиском. Але тут з'ясувалося, що при зварюванні неіржавіючої сталі зварний шов має набагато меншу міцність, ніж сама сталь. Щоб поліпшити властивості шва, в нержавіючу сталь почали вводити різні домішки. Кращим з них виявився ніобій.

1.3.3 Хімічні властивості Ніобію

Ніобій особливо цінується за його стійкість до дії неорганічних і органічних речовин.Є різниця в хімічному поведінці порошкоподібного та кускового металу.Останній більш стійкий. Метали на нього не діють, навіть якщо нагріти їхдо високих температур. Рідкі лужні метали та їх сплави, вісмут, свинець,ртуть, олово можуть перебувати в контакті з ніобієм довго, не змінюючи йоговластивостей. З ним нічого не можуть вдіяти навіть такі сильні окиснювачі, як хлорне кислота, «царська горілка», не кажучи вже про азотної, сірчаної, соляної та всіх інших. Розчини лугів на ніобій теж не діють.Якщо ж взяти порошкоподібний ніобій, то він дещо більш активний.Наприклад, у розплавленому нітраті натрію він навіть запалюється, перетворюючись в оксид. Компактний ніобій починає окислюватися при нагріванні вище 200°С, а порошок покривається окисною плівкою вже при 150°С. При цьому проявляється одна з чудесних властивостей цього металу - він зберігає пластичність.У вигляді тирси при нагріванні вище 900°С він повністю згоряє до Nb₂O₅. Енергійно згорає в струмі хлору:2Nb + 5Cl₂ = 2NbCl₅ При нагріванні реагує з сіркою. З більшістю металів він сплавляється зпрацею. Виняток, мабуть, становлять лише два: залізо, з яких утворюютьсятверді розчини різного відносини, та алюміній, що має з'єднання з ніобіємAl₂Nb.Які ж якості ніобію допомагають йому чинити опір дії найсильнішихкислот-окисників? Виявляється, це відноситься не до властивостей металу, а до особливостям його оксидів. При зіткненні з окиснювачами на поверхніметалу виникає найтонший (тому він і непомітний), але дуже щільний шароксидів. Цей шар стає нездоланною перешкодою на шляху окиснювача до чистої металевої поверхні. Проникнути крізь нього можуть лише деякіхімічні реагенти, зокрема аніон фтору. Отже, по суті метал окислюється, але практично результатів окислення непомітно через присутності тонкої захисної плівки. Пасивність по відношенню до розведеної сірчаній кислоті використовують для створення випрямляча змінного струму. Влаштовановін просто: платинова і ніобієва пластинки занурені в 0,05 м розчинсірчаної кислоти. Ніобій в пасовановому стані може проводити струм, якщо є негативним електродом - катодом, тобто електрони можуть проходити крізь шар оксидів тільки з боку металу. З розчину шлях електронам закритий. Тому, коли через такий прилад пропускають змінний струм, то проходить тільки одна фаза, для якої платина - анод, а ніобій - катод.

1.3.4 Реакції Ніобію з простими речовинами

1.3.4.1 Реакції Ніобію з водою, кислотами і лугами

Як вже було сказано, елементарний ніобій є хімічно-псивним елементом. З водою не взаємодіє, він не змінюється навіть при дії таких сильних окиснювачів, як хлорна кислота, «царська горілка», не кажучи вже про азотну, сірчану, соляну і всі інші. Розчини лугів на ніобій теж не діють. Існують, проте, три реагенти, які можуть переводити металевий ніобій в хімічні сполуки. Одним з них є розплав гідроксиду якого-небудь лужного металу:

4Nb + 4NaОН + 5О₂ > 4NaNbО_З + 2Н₂О

Двома іншими є плавикова кислота (НF) або її суміш з азотною (НF + НNО).

3Та + 5HNО₃ + 21HF = 3H₂[TaF₇] + 5NO + 10Н₂О

1.3.4.2 Інші реакції

Ніобій енергійно згорає в струмі хлору

2Nb + 5Сl₂ > 2NbCl₅

Ніобій стійкий в розчинах лугів, але за наявності окисників реагує з ними, оскільки лужне середовище сприяє утворенню аніонних форм сполук, які характерні для високих ступенів окиснення цього елемента

4Nb+ 12КОН + 5О₂ (tє) > 4К₃NbО₄ + 6Н₂О,

а якщо замість кисню використати інший окисник, наприклад Na₂CО₃

2Nb + 5NaNО₃ + 3Na₂CО₃ = 2Na₃NbО₄ + 5NaNО₂ + 3CО₂

1.4 Характеристика найбільш важливих сполук Ніобію

1.4.1 Бінарні сполуки Ніобію

Порошок ніобію здатен ввібрати значні кількості водню, кисню, азоту й утворювати спочатку тверді розчини вкорінення. З підвищенням температури вміст неметалів зростає, впорядкованість сполук підвищується, їм за цих умов уже можна приписати певні формули. Так, окиснення ніобію відбувається через такі стадії:

Nb + О₂ > NbO > Nb₆О > Nb₂О > NbO > NbО₂ > Nb₂О₅

Оксид Ніобію(V) може взаємодіяти

Nb₂O₅ + 6КОН (t) = 2K₃NbО₄ + 3H₂О Nb₂O₅ + 3К₂О (t) = 2K₃NbО₄ , Nb₂O₅ + 3Na₂CО₃ (t) = 2Na₃NbО₄ + 3CO₂ ,

утворючи відповідно ортоніобати. Одержано також метаніобати і Me^ІNbО₃ та деякі інші солі. З галогенами утворює галогеніди

2NbВr₅ + 5F₂ = 2NbF₅ + 5Br₂

NbF₅ + 2HF = H₂[NbF₇]

1.4.2 Гідроксиди Ніобію та їх похідні (солі)

Так як ніобій практично не взаємодіє з іншими речовинами, тому гідроксидів він не утворює. А солі ніобію здебільшого являються похідними ніобієвих кислот. Ніобій не утворює простих солей типу сульфатів, нітратів і т.д. При взаємодії з гідросульфатом натрію NaHSО₄ або з оксидом азоту N₂О₄ з'являються речовини зі складним катіоном: Nb₂О₂(SО4)₃. Такий же катіон NbO³⁺ входить до складу деяких комплексних солей. Оксид Nb₂O₅ досить легко розчиняється у водному фтористоводневої кислоти. З таких розчинів можна виділити комплексну сіль K₂[NbOF₆]. На підставі розглянутих реакцій можна зробити висновок, що ніобій у своїйвищій ступені окислення може входити як до складу аніонів, так і до складукатіона.

2. Синтез NbCl ₅ - маса 10 г

2.1 Опис методики синтезу NbCl₅

У ретельно висушену ампулу вносять 2,7 г дрібнодисперсного Nb₂O₅ і 10 мл SOCl₂. Для отримання дрібнодисперсного оксиду сильно прогрітий оксид нагрівають з K₂S₂O₇ і спек обробляють водою. Отриманий гідрат оксиду сушать при температурі <400 ⁰С. SOCl₂ корисно попередньо перегнати над сіркою. Ампулу запаюють і нагрівають 3 години при 200 ⁰С, а потім дають ій повільно охолонути. Перед тим як відкрити, ампулу додатково охолоджують до -10 ⁰С і видаляють SO₂ шляхом нагрівання до кімнатної температури.

2.2 Розрахунки за методикою необхідної кількості реагентів для синтезу 10 г NbCl₅

Nb₂O₅ + 5 SOCl₂ = 2NbCl₅ + 5SO₂

265,8 594,9 540,4 320,3

265,8(Nb₂O₅ ) -------- 270,2(NbCl₅ ) х = 9,84

Х -------------------- 10

3.Огляд літератури з сучасних наукових досліджень хімії ніобію

Ніобій є рідкісним металом. Назви «рідкісні метали», «рідкісні елементи», «рідкоземельні елементи» не зовсім вдалі - їх вміст в земній корі в середньому порівняно або навіть вище, ніж зміст більшості широко використовуваних металів. Таких рідкісних металів, як скандій, церій, лантан, літій, ітрій, ніобій, галій, в земній корі міститься приблизно стільки ж, скільки хрому, цинку, нікелю, міді і свинцю, а стронцію, цирконію, рубідію - набагато більше. Рідкісні метали знаходяться на вершині піраміди поширеності хімічних елементів у поверхневому шарі земної кори. Довгий час не знаходили широкого застосування, вони сьогодні опинилися на вістрі передових технологій виробництва сучасних перспективних матеріалів. З їх застосуванням пов'язані нові галузі промисловості, науки і техніки: геліоенергетика, інфрачервона оптика, оптоелектроніка, лазери, комп'ютери і т. п. Низьколеговані сталі, до складу яких входить усього 0,03 - 0,07% ніобію дозволяють на 30 - 40% знизити масу металевих конструкцій мостів і багатоповерхових будинків, газо-і нафтопроводів, бурильного обладнання і т.п. При цьому термін служби конструкцій збільшується в 2 - 3 рази. Надпровідні матеріали на основі ніобію використовуються в поїздах на повітряній подушці, що розвивають швидкість 577 км / ч. У сучасному легковому автомобілі багато деталей виконані зі сплаву сталі з ніобієм, що дозволило зменшити масу автомобіля приблизно в 1,5 рази. Деякі фахівці переконані: рідкісні метали - майбутнє нової техніки.

Висновок

Отже Ніобій має ряд винятково цінних властивостей, які визначають області його застосування, в яких він часто є незамінним. Ніобій відрізняється високою температурою плавлення, пластичністю, здатністю легко піддаватися обробці тиском при кімнатній температурі, доброю зварюваністю, збереженням високих міцностей властивостей при підвищених температурах, високою корозійною стійкістю, здатністю утворювати сплави з іншими тугоплавкими металами. В даний час спостерігається безперервне зростання споживання ніобієвої продукції в різних галузях нової техніки, де ніобій знаходить застосування як в металевому вигляді, так і у вигляді сполук. Зараз властивості і можливості ніобію гідно оцінені авіацією, машинобудуванням, радіотехнікою, хімічною промисловістю, ядерною енергетикою. Всі вони застосовують ніобій. Проте застосування стримується труднощами його отримання й, найголовніше - високою вартістю очищення металу. З здешевленням виробництва буде розширюватися і сфера його використання. Отже з усього вищесказаного можна зробити висновок про те що Ніобій є важливим елементом у сучасному житті, і його подальше вивчення є надзвичайно необхідним.

Джерела інформації

1. Браун Т., Лемей Г.Ю., Химия в центре наук. М.: Мир. 2007.

2. Павлов Н.Н. Неорганическая химия. М.: Высшая школа. 2010.

3. Петров М.Н. Неорганическая химия. М.: Химия. 2009.

4. Николаев Л.А. Неорганическая химия. М.: Просвещение. 2009.

5. Г.Н. Фадеев. Пятая вертикаль - элементы V группы переодической системы Д.И. Менделеева. М.: Просвещение. 1985.

6. Конареев Б.Н. Любознательным о химии. Неорганическая химия. М.:Химия. 2010.

7. С.С. Олегин, Г.Н. Фадеев. Неорганическая химия. М.: Высшая школа. 2009.

8. Ю.М. Шилов, М.И. Тарасенко, Ю.И. Слушкович, П.М. Чукуров. Общая химия. М.: Медицина. 2008.

Размещено на Allbest.ru