一種化學元素,化學符號Nb,原子序數41,原子量92.90638,屬週期系ⅤB族。

  發現 1801年英國化學傢C.哈切特從當時陳列在大英博物館的一塊黑色礦石(鈮鐵礦)中分離出一種新元素的氧化物,稱為columbium(鈳)。一年後,瑞典化學傢A.G.厄克貝裏從瑞典的鉭鐵礦中發現元素鉭。由於鈳和鉭在性質上非常相似,不少研究者認為兩者是同一元素。1844年德意志化學傢H.羅澤對各種不不同的鈮鐵礦和鉭鐵礦進行瞭透徹的研究,分離出兩種不同的元素,才澄清事實真相,並仿照厄克貝裡用希臘神話中宙斯之子Tantalus之名命名鉭,用Tantalus的女兒Niobe的名字來命名這個與鉭伴生的元素。羅澤證實哈切特發現的“columbium”,實際上是鈮和鉭的混合氧化物。

  存在 鈮在地殼中的含量為0.002%。鈮常以鈮酸鹽的形式存在,主要礦石是鈮鐵礦。由於鈮、鉭的共生,在鈮鐵礦中常含有鉭,在鉭鐵礦中也含有鈮,兩種礦石統一表示為(Fe,Mn)(Nb,Ta)2O6,按兩者相對含量之多少來判定何者是鈮鐵礦,何者是鉭鐵礦。通常,在鈮鐵礦中鈮的含量為47%~78%。鈮有時常與稀土元素共存,有時也與鈾礦物共存,例如黑稀金礦(Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)2O6、復稀金礦(組成與黑稀金礦類同)、褐釔鈮礦Y(Nb,Ta)O4、鈮釔礦(Fe,Ca,UO2)3(Y,Ce)2(Ta,Nb)6O21等礦石中都含有鈮。天然存在一種鈮的穩定同位素鈮90。

  物理性質 鈮為灰白色金屬,磨光的表面呈白色光澤;熔點2468℃,沸點4742℃,密度8.57克/厘米3。純金屬鈮具有立方體心結構,在真空中加熱時強烈噴濺。

  化學性質 鈮的電子構型為(Kr)4d45s1,氧化態有+2、+3、+4、+5、-1。金屬鈮具有良好的抗蝕性。常溫下,不被水和無機酸堿侵蝕,也不與王水反應,但能緩慢溶於氫氟酸。加熱時,鈮與氫氟酸反應迅速,也能溶於熱濃硫酸和濃堿。鈮在空氣中穩定,加熱時表面失去光澤。在氧氣中加熱到紅熱也不會完全氧化。在氯氣流中,紅熱的鈮劇烈地燃燒,成為五氯化鈮。高溫下,鈮能與硫、氮、碳等元素直接化合,形成硫化物、氮化物和碳化物。

  化合物 常見的五價鈮的化合物有五氧化二鈮和五氯化鈮,它們的性質與非金屬化合物相似。其鹵化物和鹵氧化物有揮發性且易發生水解。五氯化鈮水解時生成水合五氧化二鈮,也稱鈮酸。鈮酸具有兩性,能溶於鹽酸和濃硫酸,也能溶於濃的堿溶液。在堿性溶液中,鈮酸根離子形成多陰離子[Nb6O19]8-;當溶液的酸度增加到pH=7時,會有水合氧化鈮沉淀。

  鈮也能形成一些低價的氧化物 NbO2、NbO和鹵化物NbX4NbX3NbX2(X為鹵素)。有些鈮低價鹵化物的組成還相當復雜,如Nb6F15、Nb6Cl14、Nb6I11。這些低價化合物都有金屬原子簇和非整比的特征。例如在低價鹵化物中存在以鹵素原子為橋的,具有Nb-Nb金屬鍵的,組成為[Nb3X8]、[Nb6X8]3+、[Nb6X12]n-(n=2、3)的金屬原子簇(見原子簇金屬化合物)。

  制法 處理鈮礦有酸法和堿法兩種:①酸法,用硫酸氫鉀與礦粉熔融,用水洗滌熔體,再用鹽酸瀝取以除去其中的鐵,然後將熔體用稀的氫氟酸處理,最後用含氟絡合鉀鹽分級結晶的方法對鈮、鉭進行分離。②堿法,用苛性堿與礦粉熔融,熔體用水瀝取以除去二氧化矽。母液用鹽酸處理,使鈮、鉭以鈮酸和鉭酸的形式沉淀,最後將沉淀溶入氫氟酸,並引入鉀離子,使鉭以七氟鉭酸鉀的形式結晶析出,鈮以五氟氧合鈮酸鉀K2NbOF5的形式留在溶液中。溶液中殘留的鉭,可通過將溶液煮沸後加入碳酸鉀的辦法,使它成為氟氧鉭酸鉀2K2TaF7·Ta2O5而沉淀。溶液中的鈮,可加過量氫氧化鈉使它沉淀為鈮酸鈉7Na26Nb2O5·3H2O,然後用鹽酸處理,將它轉化為鈮酸,最後制成鈮酸鉀4K23Nb2O5·16H2O,再進行重結晶提純。

  目前分級結晶分離鈮、鉭的方法已被液-液萃取法所代替。萃取時水相可用氫氟酸、氫氟酸-鹽酸或氫氟酸-硫酸體系;有機相用甲基異丁基酮。在氫氟酸濃度較低時,鉭首先被甲基異丁基酮萃取,然後加鹽酸或硫酸以增加水溶液的酸度,再用新鮮的甲基異丁基酮萃取其中的鈮。金屬鈮可先用五氧化二鈮制成鈮的碳化物 NbC,再將NbC和五氧化二鈮按化學計量配比,在1600~2500℃加熱制取,其反應為:

5NbC+Nb2O5─→7Nb+5CO

此法制得的粉末狀鈮,可先經燒結,再在真空或惰性氣氛下的電弧爐內熔化,制成金屬塊;也可用碘化法進一步精煉。

  金屬鈮還可用電解熔融的七氟鈮酸鉀或用金屬鈉還原七氟鈮酸鉀的方法制取;也可用金屬鋁、碳或碳化物還原純五氧化二鈮的方法制取。

  應用 純金屬鈮在電子管中用來去除殘留氣體。鈮鐵合金加在不銹鋼中可起固定碳的作用;鈮在合金鋼中能提高鋼在高溫時的抗氧化性,改善鋼的焊接性能和增強鋼的抗蠕變能力。鈮還用於制造高溫金屬陶瓷,含鈮金屬陶瓷可以用來制造高空火箭和噴氣發動機。