鈮

鈮

鈮(niobium)是一種化學元素。化學符號Nb,原子序數41,原子量92.90638,屬周期系ⅤB族。1801年英國C.哈切特從鈮鐵礦中分離出一種新元素的氧化物,並命名該元素為columbium(中譯名鈳)。鈮能吸收氣體,用作除氣劑,也是一種良好的超導體。鈮作為微合金化元素加入鋼中並不改變鐵的結構,而是與鋼中的碳#氮#硫結合,改變鋼的顯微結構。鈮酸鋰是一種電鐵性物質,在手提電話和光調變器中以及表面聲波設備的製造上有廣泛的套用。鈮可以代替鉭電容器中的鉭,降低成本,但鉭電容器仍較為優勝。

基本信息

元素命名

“Columbium”(鈳,符號Cb)是哈契特對新元素所給的最早命名。這一名稱在美國一直有廣泛的使用,美國化學學會在1953年出版了最後一篇標題含有“鈳”的論文;“鈮”則在歐洲通用。1949年在阿姆斯特丹舉辦的化學聯合會第15屆會議最終決定以“鈮”作為第41號元素的正式命名。翌年,國際純粹與套用化學聯合會(IUPAC)也採納了這一命名,結束了一個世紀來的命名分歧,儘管“鈳”的使用時間更早。這可算是一種妥協:IUPAC依北美的用法選擇“Tungsten”而非歐洲所用的“Wolfram”作為鎢的命名,並在鈮的命名上以歐洲的用法為先。具權威性的化學學會和政府機構都一般以IUPAC正式命名稱之,但美國地質調查局以及冶金業、金屬學會等組織至今仍使用舊名“鈳”。

相關資料

電子束熔煉的鈮錠電子束熔煉的鈮錠

元素符號:Nb

元素英文名稱:niobium

元素類型:金屬元素

原子體積:10.87 (立方厘米/摩爾)

元素在太陽中的含量: 0.004 (ppm)

元素在海水中的含量:0.0000009 (ppm)

地殼中含量:20(ppm)

相對原子質量:92.90638

原子序數:41

所屬周期:5

所屬族數:VB

電子層排布:2-8-18-11-2

晶體結構:晶胞為體心立方晶胞,每個晶胞含有2個金屬原子。

晶胞參數:a = 330.04 pm, b = 330.04 pm, c = 330.04 pm, α = 90°, β = 90°, γ = 90°

氧化態:Main Nb+5 ,Other Nb-3, Nb-1, Nb+1, Nb+2, Nb+3, Nb+4

莫氏硬度:6

聲音在其中的傳播速率:3480(m/S)

電離能 (kJ /mol)

M - M+ 664

M+ - M2+ 1382

M2+ - M3+ 2416

M3+ - M4+ 3695

M4+ - M5+ 4877

M5+ - M6+ 9899

M6+ - M7+ 12100

套用領域

超導套用

人們很早以前就發現,當溫度降低到接近絕對零度的時俟,有些物質的化學性質會發生突然的改變,變成一種幾乎沒有電阻的“超導體”。物質開始具有這種奇異的“超導”性能的溫度叫臨界溫度。不用說,各種物質的臨界溫度是不一樣的。

要知道,超低溫度是很不容易得到的,人們為此而付出了巨大的代價;越向絕對零度接近,需要付出的代價越大。所以我們對超導物質的要求,當然是臨界溫度越高越好。

具有超導性能的元素不少,鈮是其中臨界溫度最高的一種。而用鈮製造的合金,臨界溫度高達絕對溫度十八點五到二十一度,是目前最重要的超導材料。

人們曾經做過這樣一個實驗:把一個冷到超導狀態的金屬鈮環,通上電流然後再斷開電流,然後,把整套儀器封閉起來,保持低溫。過了兩年半後,人們把儀器打開,發現鈮環里的電流仍在流動,而且電流強弱跟剛通電時幾乎完全相同!

從這個實驗可以看出,超導材料幾乎不會損失電流。如果使用超導電纜輸電,因為它沒有電阻,電流通過時不會有能量損耗,所以輸電效率將大大提高。

有人設計了一種高速磁懸浮列車,它的車輪部位安裝有超導磁體,使整個列車可以浮起在軌道上約十厘米。這樣一來,列車和軌道之間就不會再有摩擦,減少了前進的阻力。一列乘載百人的磁懸浮列車,只消一百馬力的推動力,就能使速度達到每小時五百公里以上。

用一條長達二十公里的鈮錫帶,纏繞在直徑為一點五米的輪緣上,繞組能夠產生強烈而穩定的磁場,足以舉起一百二十二公斤的重物,並使它懸浮在磁場空間裡。如果把這種磁場用到熱核聚變反應中,把強大的熱核聚變反應控制起來,那就有可能給我們提供大量的幾乎是無窮無盡的廉價電力。

不久前,人們曾用鈮鈦超導材料製成了一台直流發電機。它的優點很多,比如說體積小,重量輕,成本低,與同樣大小的普通發電機相比,它發的電量要大一百倍。

高溫合金

世界上很大一部份鈮以純金屬態或以高純度鈮鐵和鈮鎳合金的形態,用於生產鎳、鉻和鐵基高溫合金。這些合金可用於噴射引擎、燃氣渦輪發動機、火箭組件、渦輪增壓器和耐熱燃燒器材。鈮在高溫合金的晶粒結構中會形成γ''相態。這類合金一般含有最高6.5%的鈮。Inconel 718合金是其中一種含鈮鎳基合金,各元素含量分別為:鎳50%、鉻18.6%、鐵18.5%、鈮5%、鉬3.1%、鈦0.9%以及鋁0.4%。套用包括作為高端機體材料,如曾用於雙子座計畫。

C-103是一種鈮合金,它含有89%的鈮、10%的鉿和1%的鈦,可用於液態火箭推進器噴管,例如阿波羅登月艙的主引擎。阿波羅服務艙則使用另一種鈮合金。由於鈮在400°C以上會開始氧化,所以為了防止它變得易碎,須在其表面塗上保護塗層。

鈮基合金

C-103合金是1960年代初由華昌公司和波音公司共同研發的鈮合金。由於冷戰和太空競賽的緣故,杜邦、美國聯合碳化物、通用電氣等多個美國公司都在同時研發鈮基合金。鈮和氧容易反應,所以生產過程需在真空或惰性氣體環境下進行,這大大增加了成本和難度。真空電弧重熔(VAR)和電子束熔煉(EBM)是當時最先進的生產過程,促使了各種鈮合金的發展。1959年起,研究項目在測試了“C系”(可能取了舊名鈳“Columbium”的首字母)中共256種鈮合金後,終於製得了C-103。這些合金都可熔化成顆粒狀或片狀。華昌當時擁有從核級鋯合金提煉而成的鉿元素,並希望發展它的商業套用。C系中擁有所謂103成份比例的Nb-10Hf-1Ti合金在可模鍛性和高溫屬性之間有著最佳的平衡,因此華昌於1961年利用VAR和EBM方法生產了首批500磅C-103合金,套用於渦輪引擎部件和液態金屬換熱器。同期的其他鈮合金還有:芬斯蒂爾冶金公司的FS85(Nb-10W-28Ta-1Zr)、華昌和波音的Cb129Y(Nb-10W-10Hf-0.2Y)、聯合碳化物的Cb752(Nb-10W-2.5Zr)及蘇必利爾管道公司的Nb1Zr。

醫療套用

鉭在外科醫療上也占有重要地位,它不僅可以用來製造醫療器械,而且是很好的“生物適應性材料”。

比如說吧,用鉭片可以彌補頭蓋骨的損傷,鉭絲可以用來縫合神經和肌腱,鉭條可以代替折斷了的骨頭和關節,鉭絲製成的鉭紗或鉭網,可以用來補償肌肉組織……

在醫院裡,還會有這樣的情況:用鉭條代替人體裡折斷了的骨頭之後,經過一段時間,肌肉居然會在鉭條上生長起來,就像在真正的骨頭上生長一樣。怪不得人們把鉭叫作“親生物金屬”哩。

為什麼鉭在外科手術中能有這樣奇特的作用呢?

關鍵還是因為它有極好的抗蝕性,不會與人體裡的各種液體物質發生作用,並且幾乎完全不損傷生物的機體組織,對於任何殺菌方法都能適應,所以可以同有機組織長期結合而無害地留在人體裡。

除了在外科手術中有這樣好的用途外,利用鈮、鉭的仆學穩定性,還可以用它們來製造電解電容器、整流器等等。

特別是鉭,約有一半以上用來生產大容量,小體積,高穩定性的固體電解電容器。全世界每年都要生產幾億隻。

鉭電解電容器沒有“辜負”人們的厚望,它具有很多其他材料比不上的優點。

它比跟它一般大小的其他電容器“兄弟”的電容量大五倍,而且非常可靠、耐震,工作溫度範圍大,使用壽命長,已經大量地用在電子計算機、雷達、飛彈、超音速飛機、自動控制裝置以及彩色電視、立體電視等的電子線路中。

鋼鐵套用

在鋼的各種微合金化元素中,廢鈮是最有效的微合金化元素,鈮的作用如此之大,以至於鐵原子中含有豐富的鈮原子,就能達到改善鋼性能的目的。實際上鋼中加入0.001%—0.1%的鈮,就足以改變鋼的力學性能。例如:當加入0.1%的合金化元素時,提高鋼的屈服強度依次為:鈮118MPa;釩71.5MPa;鉬40MPa;錳17.6MPa;鈦為零。實際上鋼中只需加入0.03%—0.05%Nb,鋼的屈服強度便可提高30%以上。而鋼的成本每噸僅增1美元。例如:普通中碳鋼的屈服強度一般為250MPa,加入微量鈮可使強度提高到350—800MPa。

鈮作為微合金化元素加入鋼中並不改變鐵的結構,而是與鋼中的碳#氮#硫結合,改變鋼的顯微結構。鈮對鋼的強化作用主要是的是細晶強化和彌散強化,鈮能和鋼中的碳氮生成穩定的碳化物和碳氮化物。而且還可以使碳化物分散並形成具有細晶化的鋼。

鈮還可以通過誘導析出和控制冷卻速度,實現析出物彌散分布。在較寬的範圍內調整鋼的韌性水平。因此,加入鈮不僅可以提高鋼的強度,還可以提高鋼的韌性、抗高溫氧化性和耐蝕性!降低鋼脆性轉變溫度,獲得好的焊接性能和成型性能

該成分被廣泛的套用到連續油管的管材材料中

電瓷

鈮酸鋰是一種電鐵性物質,在手提電話和光調變器中以及表面聲波設備的製造上有廣泛的套用。它的晶體結構屬於ABO3型,與鉭酸鋰和鈦酸鋇相同。鈮可以代替鉭電容器中的鉭,降低成本,但鉭電容器仍較為優勝。

錢幣

在錢幣上,鈮有時會與金和銀一起用在紀念幣上作貴重金屬。例如,奧地利自2003年起,生產了一系列銀鈮歐羅幣,其顏色是陽極化過程形成的氧化物表層衍射所產生的。2012年,共有十種中心顏色不同的錢幣,共包括藍、綠、棕、紫和黃。另外含有鈮的錢幣還有2004年的奧地利賽梅林鐵路150周年紀念幣,以及2006年歐洲衛星導航紀念幣。2011年,加拿大皇家造幣廠開始鑄造稱為“狩獵月”(Hunter's Moon)的5加元純銀和鈮幣。其中的鈮經過特殊的氧化過程,所以沒有兩件成品是完全一樣的。

其他

鈮(或摻有1%鋯)是高壓鈉燈電弧管的密封材料,因為鈮的熱膨脹係數與經燒結的礬土弧光燈陶瓷材料非常相近。這種用於鈉燈的陶瓷可以抵禦化學侵蝕,也不會與燈內的高溫鈉液體和氣體產生還原反應。鈮也被用在電弧焊條上,用來焊接某些穩定化不鏽鋼。一些大型水箱的陰極保護系統中以鈮作為陽極的材料,陽極一般再鍍上一層鉑。

網路新含義

鈮因為元素符號是Nb而可以表示“牛氣”的意思,對他人表示讚賞、崇拜時可用,與“銻”的含義相反。

化學元素周期表

族→123456789101112131415161718電子層0族電子數
周期↓I A0
11
H
氫
2
He
氦
K2
II AIII AIV AV AVI AVII A
23
Li
鋰
4
Be
鈹
5
B
硼
6
C
碳
7
N
氮
8
O
氧
9
F
氟
10
Ne
氖
L
K
8
2
311
Na
鈉
12
Mg
鎂
13
Al
鋁
14
Si
矽
15
P
磷
16
S
硫
17
Cl
氯
18
Ar
氬
M
L
K
8
8
2
III BIV BV BVI BVII BVIIII BII B
419
K
鉀
20
Ca
鈣
21
Sc
鈧
22
Ti
鈦
23
V
釩
24
Cr
鉻
25
Mn
錳
26
Fe
鐵
27
Co
鈷
28
Ni
鎳
29
Cu
銅
30
Zn
鋅
31
Ga
鎵
32
Ge
鍺
33
As
砷
34
Se
硒
35
Br
溴
36
Kr
氪
N
M
L
K
8
18
8
2
537
Rb
銣
38
Sr
鍶
39
Y
釔
40
Zr
鋯
41
Nb
鈮
42
Mo
鉬
43
Tc
鎝
44
Ru
釕
45
Rh
銠
46
Pd
鈀
47
Ag
銀
48
Cd
鎘
49
In
銦
50
Sn
錫
51
Sb
銻
52
Te
碲
53
I
碘
54
Xe
氙
O
N
M
L
K
8
18
18
8
2
655
Cs
銫
56
Ba
鋇
57-
71
鑭系
72
Hf
鉿
73
Ta
鉭
74
W
鎢
75
Re
錸
76
Os
鋨
77
Ir
銥
78
Pt
鉑
79
Au
金
80
Hg
汞
81
Tl
鉈
82
Pb
鉛
83
Bi
鉍
84
Po
釙
85
At
砹
86
Rn
氡
P
O
N
M
L
K
8
18
32
18
8
2
787
Fr
鍅
88
Ra
鐳
89-
103
錒
104
Rf
鑪
105
Db
106
Sg
107
Bh
108
Hs
109
Mt
110
Ds
鐽
111
Rg
錀
112
Uub
113
Uut
114
Uuq
115
Uup
116
Uuh
117
Uus
118
Uuo

鑭系元 素57
La
鑭
58
Ce
鈰
59
Pr
鐠
60
Nd
釹
61
Pm
鉕
62
Sm
釤
63
Eu
銪
64
Gd
釓
65
Tb
鋱
66
Dy
鏑
67
Ho
鈥
68
Er
鉺
69
Tm
銩
70
Yb
鐿
71
Lu
鑥
錒系元 素89
Ac
錒
90
Th
釷
91
Pa
鏷
92
U
鈾
93
Np
鎿
94
Pu
鈽
95
Am
鎇
96
Cm
鋦
97
Bk
錇
98
Cf
鐦
99
Es
鑀
100
Fm
鐨
101
Md
鍆
102
No
鍩
103
Lr
鐒

化學元素(二)

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