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
2
He
K2
II AIII AIV AV AVI AVII A
23
Li
4
Be
5
B
6
C
7
N
8
O
9
F
10
Ne
L
K
8
2
311
Na
12
Mg
13
Al
14
Si
15
P
16
S
17
Cl
18
Ar
M
L
K
8
8
2
III BIV BV BVI BVII BVIIII BII B
419
K
20
Ca
21
Sc
22
Ti
23
V
24
Cr
25
Mn
26
Fe
27
Co
28
Ni
29
Cu
30
Zn
31
Ga
32
Ge
33
As
34
Se
35
Br
36
Kr
N
M
L
K
8
18
8
2
537
Rb
38
Sr
39
Y
40
Zr
41
Nb
42
Mo
43
Tc
44
Ru
45
Rh
46
Pd
47
Ag
48
Cd
49
In
50
Sn
51
Sb
52
Te
53
I
54
Xe
O
N
M
L
K
8
18
18
8
2
655
Cs
56
Ba
57-
71
72
Hf
73
Ta
74
W
75
Re
76
Os
77
Ir
78
Pt
79
Au
80
Hg
81
Tl
82
Pb
83
Bi
84
Po
85
At
86
Rn
P
O
N
M
L
K
8
18
32
18
8
2
787
Fr
88
Ra
89-
103
104
Rf
105
Db
106
Sg
107
Bh
108
Hs
109
Mt
110
Ds
111
Rg
112
Uub
113
Uut
114
Uuq
115
Uup
116
Uuh
117
Uus
118
Uuo

鑭系元 素57
La
58
Ce
59
Pr
60
Nd
61
Pm
62
Sm
63
Eu
64
Gd
65
Tb
66
Dy
67
Ho
68
Er
69
Tm
70
Yb
71
Lu
錒系元 素89
Ac
90
Th
91
Pa
92
U
93
Np
94
Pu
95
Am
96
Cm
97
Bk
98
Cf
99
Es
100
Fm
101
Md
102
No
103
Lr

化學元素(二)

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