Niobijum
Niobijum (Nb, lat. niobium) metal je VB grupe, prelaznih metala sa atomskim brojem 41.[2] Ime je dobio po ličnosti iz grčke mitologije — Niobe, Tantalove ćerke.[3] Nobijumov mineral je kolumbit (Fe,Mn)Nb2O6.[4] Zastupljen je u Zemljinoj kori u količini od 20 ppm (engl. parts per million).
 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Opšta svojstva | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ime, simbol | niobijum, Nb | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Izgled | sivo metalan, plavkast kada se oksidira | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| U periodnome sistemu | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomski broj (Z) | 41 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Grupa, perioda | grupa 5, perioda 5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Blok | d-blok | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kategorija | prelazni metal | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Rel. at. masa (Ar) | 92,90637(2)[1] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| El. konfiguracija | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
po ljuskama | 2, 8, 18, 12, 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Fizička svojstva | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Tačka topljenja | 2750 K (2477 °C, 4491 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Tačka ključanja | 5017 K (4744 °C, 8571 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gustina pri s.t. | 8,57 g/cm3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Toplota fuzije | 30 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Toplota isparavanja | 689,9 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Mol. topl. kapacitet | 24,60 J/(mol·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Napon pare
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomska svojstva | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronegativnost | 1,6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Energije jonizacije | 1: 652,1 kJ/mol 2: 1380 kJ/mol 3: 2416 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomski radijus | 146 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kovalentni radijus | 164±6 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ostalo | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kristalna struktura | unutrašnjecentr. kubična (BCC) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Brzina zvuka tanak štap | 3480 m/s (na 20 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Topl. širenje | 7,3 µm/(m·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Topl. vodljivost | 53,7 W/(m·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektrootpornost | 152 nΩ·m (na 0 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Magnetni raspored | paramagnetičan | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Jangov modul | 105 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Modul smicanja | 38 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Modul stišljivosti | 170 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Poasonov koeficijent | 0,40 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Mosova tvrdoća | 6,0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Vikersova tvrdoća | 870–1320 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Brinelova tvrdoća | 735–2450 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| CAS broj | 7440-03-1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Istorija | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Imenovanje | po Niobi u grčkoj mitologiji, ćerki Tantala (tantal) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Otkriće | Čarls Hačet (1801) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Prva izolacija | Kristijan Vilhelm Blumstrand (1864) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Prepoznat kao zasebni emement | Hajnrih Roze (1844) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Glavni izotopi | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Fizičke i hemijske osobine niobijuma su dosta slične kao i osobine elementa tantala, te je relativno teško razlikovati ova dva metala. Engleski hemičar Čarls Hačet objavio je otkriće novog elementa sličnog tantalu 1801. i dao mu ime kolumbijum. Njegov sunarodnjak, hemičar Vilijam Hajd Volaston pogrešno je zaključio da su tantal i kolumbijum jednaki. Međutim, Nemac Hajnrih Roze je 1846. zapazio da rude tantala sadrže neki drugi element kojem je dao ime niobijum. Nekoliko naučnih otkrića tokom 1864. i 1865. pokazala su da su niobijum i ranije pronađeni kolumbijum isti element (i da se razlikuje od tantala), a gotovo celi vek ta dva naziva su se koristila uporedo. Tek 1949. zvanično je usvojen naziv niobijum, ali je naziv kolumbijum i dalje ostao u korištenju u metalurgiji, naročito u SAD.
Sve do početka 20. veka niobijum se nije mnogo komercijalno koristio. Brazil je vodeći proizvođač niobijuma i feroniobijuma, legure niobijuma i željeza sa udelom niobijuma od 60% do 70%. Niobijum se uglavnom upotrebljava u legurama, najveći deo u posebnim čelicima koji se koriste za pravljenje gasovoda. Iako te legure sadrže najviše 0,1% ovog elementa, tako mali udeo niobijuma povećava čvrstoću čelika. Temperaturna stabilnost superlegura sa niobijumom važna je zbog njihove primene u raketnim i mlaznim motorima. Ovaj metal se koristi u raznim superprovodnim materijalima. Takve superprovodne legure, koje još na primer sadrže titanijum i kalaj, široko se upotrebljavaju kao superprovodni magneti u MRI skenerima. Druge aplikacije niobijuma uključuju zavarivanje, nuklearnu industriju, elektroniku, optiku, numizmatiku i nakit. U poslednje dve aplikacije do posebnog izražaja dolazi njegova slaba otrovnost i sposobnost obojenja pri anodizaciji.
Istorija
urediNiobijum je 1801. otkrio Čarls Hačet. Otkrio ga je u uzorku rude kolumbita poreklom iz rečnog korita u Masačusetsu, koji je u Englesku poslat oko 1743. godine. Hačet je element nazvao kolumbijum (prema Kolumbiji, personifikaciji Sjedinjenih Američkih Država). Do sredine 19. veka, pretpostavljalo se da se kod kolumbijuma i tantala (otkrivenog 1802) radi o istom elementu, jer su se oni u mineralima gotovo uvek javljali zajedno (u paragenezi).
Tek 1844. berlinski profesor Hajnrih Roze dokazao je da su niobijumova i tantalova kiselina različite supstance. Ne znajući za radove Hačeta niti njegovo davanje imena kolumbijumu, on je „ponovno” otkriveni element nazvao po ćerki mitološkog Tantala, Niobi, zbog sličnosti tog elementa sa tantalom.
Gotovo 100 godina trajala je polemika i diskusija o imenu ovog elementa, sve dok Međunarodna unija za čistu i primijenjenu hemiju (IUPAC) nije 1950. odlučila da se kao zvanično ime ovog elementa uzme niobijum. Godine 1864. Kristijan Vilhelm Blumstrand je uspeo da dobije metalni niobijum pomoću redukcije niobijum-hlorida sa vodonikom pri visokoj temperaturi. Godine 1866. Čarls Marinjak potvrdio je da je tantal zaseban element. Vernere fon Bolton je 1907. dobio veoma čisti elementarni niobijum redukcijom heptrafluoroniobata sa natrijumom.[5]
Osobine
urediFizičke
urediNiobijum je sjajni, sivi, duktilni, paramagnetični metal u 5. grupi periodnog sistema, iako ima netipičnu konfiguraciju svoje krajnje spoljne elektronske ljuske u odnosu na ostale članove te grupe. (Slično se može uočiti i u njegovom „komšiluku” kod rutenijuma (44), rodijuma (45) i paladijuma (46).)
| Z | Element | Br. elektrona po ljusci |
|---|---|---|
| 23 | vanadijum | 2, 8, 11, 2 |
| 41 | niobijum | 2, 8, 18, 12, 1 |
| 73 | tantal | 2, 8, 18, 32, 11, 2 |
| 105 | dubnijum | 2, 8, 18, 32, 32, 11, 2 (pretpostavka) |
Iako postoji mišljenje da on ima prostorno-centriranu kubičnu kristalnu strukturu u rasponu od T = 0 K do svoje tačke topljenja, merenja toplotnog širenja visoke rezolucije duž tri kristalografske ose otkrila su anizotrope koji nisu u skladu sa kubnom strukturom.[6] Stoga se za niobijum mora razmatrati nova kristalna struktura.
Pri kriogenim temperaturama, ovaj metal postaje superprovodnik. Pri atmosferskom pritisku, on ima najvišu kritičnu temperaturu od svih elementarnih superprovodnika: 9,2 K.[7] Niobijum ima i najveću dubinu magnetnog prodiranja (penetracije) od svih elemenata.[7] Osim toga, on je i jedan od tri elementarna superprovodnika tipa II, zajedno sa vanadijumom i tehnecijumom. Superprovodničke osobine dosta zavise od čistoće metalnog niobijuma.[8] Kada je veoma čist, relativno je mek i duktilan, dok ga nečistoće čine snažnijim.[9]
Metal ima i vrlo mali poprečni presek hvatanja termalnih neutrona,[10] pa se zbog toga koristi u nuklearnoj industriji.[11]
Hemijske
uredi
Kada se na duži period izloži vazduhu pri sobnoj temperaturi, metal poprima plavkaste nijanse.[12] I pored visoke tačke topljenja u elementarnom obliku (2477 °C), niobijum ima relativno nisku gustinu u odnosu na druge vatrostalne metale. Takođe, on je otporan na koroziju, pokazuje superprovodničke osobine i gradi dielektrične slojeve oksida.
Niobijum je neznatno manje elektropozitivan i nešto kompaktniji od njegovog prethodnika u periodnom sistemu, cirkonijuma, dok je praktično isti po veličini u poređenju sa težim atomima tantala, što se objašnjava kontrakcijom lantanoida.[9] Kao rezultat toga, hemijske osobine ovog elementa su izuzetno slične tantalovim, koji se nalazi direktno ispod niobijuma u periodnom sistemu elemenata.[13] Iako njegova otpornost na koroziju nije tako velika poput tantalove, niska cena i lakša dostupnost niobijuma čine ga poželjnijim u manje zahtevne svrhe i aplikacije poput oblaganja u hemijskim fabrikama.[9]
Izotopi
urediPrirodni niobijum sastoji se iz samo jednog stabilnog izotopa, 93Nb.[14] Do 2003. bila su poznata i sintetizovana najmanje 32 radioaktivna izotopa, sa atomskim masama u rasponu od 81 do 113. Među njima najstabilniji je izotop 92Nb čije vreme poluraspada iznosi 34,7 miliona godina. Jedan od najnestabilnijih izotopa je 113Nb sa procenjenim vremenom poluraspada od 30 milisekundi. Izotopi lakši od stabilnog 93Nb imaju tendenciju da se raspadaju β+ raspadom, dok oni teži se pretežno raspadaju β− raspadom, uz određene izuzetke. Izotopi 81Nb, 82Nb i 84Nb imaju sporedne puteve β<sup>+</sup> raspada naknadnom emisijom protona, 91Nb se raspada zahvatom elektrona i emisijom pozitrona, dok se 92Nb raspada β+ i β− raspadom.[14]
Otkriveno je i opisano najmanje 25 nuklearnih izomera čije se atomske mase kreću u rasponu od 84 do 104. Unutar tog raspona samo 96Nb, 101Nb i 103Nb nemaju izomere. Najstabilniji među izomerima niobijuma je 93mNb sa vremenom poluraspada od 16,13 godina. Najmanje stabilan izomer je 84mNb koji ima vreme poluraspada od 103 ns. Svi izomeri niobijuma se raspadaju izomerskom tranzicijom ili beta raspadom osim 92m1Nb koji ima sporedni lanac raspada elektronskim zahvatom.[14]
Reference
uredi- ^ Meija, J.; et al. (2016). „Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265—291. doi:10.1515/pac-2015-0305.
- ^ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. izd.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6.
- ^ Knapp, Brian. Francium to Polonium. Atlantic Europe Publishing Company, 2002, str. 40.
- ^ Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga.
- ^ Holleman, Arnold F.; Wiberg, Egon; Wiberg, Nils (1985). „Niob”. Lehrbuch der Anorganischen Chemie (na jeziku: nemački) (91–100 izd.). Walter de Gruyter. str. 1075—1079. ISBN 3-11-007511-3.
- ^ Bollinger R. K.; White B. D.; Neumeier J. J. (2011). „Observation of a Martensitic Structural Distortion in V, Nb, and Ta”. Physical Review Letters. American Physical Society. 107 (7): 075503. Bibcode:2011PhRvL.107g5503B. doi:10.1103/PhysRevLett.107.075503.
- ^ a b M. Peiniger; Piel, H. (1985). „A Superconducting Nb3Sn Coated Multicell Accelerating Cavity”. Nuclear Science. 32 (5): 3610—3612. Bibcode:1985ITNS...32.3610P. doi:10.1109/TNS.1985.4334443.
- ^ Hernane R. Salles Moura; Louremjo de Moura, Louremjo (2007). „Melting And Purification Of Niobium”. AIP Conference Proceedings. American Institute of Physics (927): 165—178. ISSN 0094-243X. Arhivirano iz originala 3. 6. 2016. g. Pristupljeno 13. 9. 2020.
- ^ a b v Nowak, Izabela; Ziolek, Maria (1999). „Niobium Compounds: Preparation, Characterization, and Application in Heterogeneous Catalysis”. Chemical Reviews. 99 (12): 3603—3624. PMID 11849031. doi:10.1021/cr9800208.
- ^ Jahnke, L. P.; Frank, R. G.; Redden, T. K. (1960). „Columbium Alloys Today”. Metal Progr. 77 (6): 69—74. OSTI 4183692.
- ^ A. V. Nikulina (2003). „Zirconium-Niobium Alloys for Core Elements of Pressurized Water Reactors”. Metal Science and Heat Treatment. 45 (7–8): 287—292. doi:10.1023/A:1027388503837.
- ^ Robert C. Weast, ur. (1990). CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton: CRC (Chemical Rubber Publishing Company). str. E—129 do E—145. ISBN 0-8493-0470-9., u navedenoj literaturi, vrijednosti su navedene u g/mol.
- ^ C. K. Gupta; Suri, A. K. (1994). Extractive Metallurgy of Niobium. CRC Press. str. 1—16. ISBN 0-8493-6071-4.
- ^ a b v Audi Georges; Bersillon O.; Blachot J.; Wapstra A.H. (2003). „The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties”. Nuclear Physics A. Atomic Mass Data Center. 729: 3—128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
Spoljašnje veze
uredi
- Los Alamos National Laboratory – Niobium
- Tantalum-Niobium International Study Center
- Niobium for particle accelerators eg ILC. 2005
- „Columbium”. Encyclopædia Britannica (na jeziku: engleski) (11 izd.). 1911.
Gilman, D. C.; Thurston, H. T.; Colby, F. M., ur. (1905). „Columbium”. New International Encyclopedia (I izd.). New York: Dodd, Mead.- Niobium at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)