ნიობიუმი

ნიობიუმი ქიმიური ელემენტია (სიმბოლო Nb) ატომური ნომერით 41. იგი მიეკუთვნება იშვიათ, გარდამავალ მეტალებს. ნიობიუმი ნაცრისფერი, რბილი მეტალია. იგი გვხვდება მინერალ პიროქლორში, რომელიც წარმოადგენს ნიობიუმის და კოლუმბიტის ძირითად კომერციულ წყაროს.

ჩარლზ ჰეტჩეტი - კოლუმბიუმის (ნიობიუმის) აღმომჩენი

ნიობიუმის ფიზიკური და ქიმიური თვისებები მსგავსია ელემენტ ტანტალისა და ამდენად ერთმანეთისგან ძნელად გასარჩევია. ინგლისელმა ქიმიკოსმა კ. ჰათჩეთმა 1801 წელს პირველად აღნიშნა ტანტალის მსგავსი ქიმიური ელემენტის არსებობა და მას უწოდა კოლუმბიუმი. 1809 წელს ინგლისელმა ქიმიკოსმა უ. ვოლასტონმა შეცდომით დაასკვნა, რომ ტანტალი და კოლუმბიუმი იდენტურებია. 1846 წ გერმანელმა მეცნიერმა ჰ.როუზმა განსაზღვრა, რომ ტანტალის საბადო შეიცავდა მეორე (სხვა) ელემენტს, რომელსაც მან უწოდა ნიობიუმი. შემდგომმა მეცნიერულმა კვლევებმა უჩვენა, რომ ნიობიუმი და კოლუმბიუმი წარმოადგენდა ერთსა და იმავე ელემენტს (ტანტალისგან განსხვავებულს) და მთელი საუკუნის განმავლობაში ორივე სახელი გამოიყენებოდა მონაცვლეობით. ელემენტის სახელი ნიობიუმი ოფიციალურად დადგინდა 1949 წელს. ნიობიუმს, მე- XX საუკუნის დასაწყისამდე, იყენებდნენ კომერციული მიზნებით. ნიობიუმის და ფერიონოუმის (ნიობიუმისა და რკინის შენადნობი) წარმოებაში მსოფლიოში ბრაზილია ლიდერობს. ელემენტის ძალიან მცირე რაოდენობით შერევაც კი ფოლადს აძლევს მდგრადობას. ნიობიუმის შემცველი ზეშენადნობების ტემპერატურული მდგრადობა საშუალებას იძლევა გამოვიყენოთ იგი სარაკეტო ძრავებში. ნიობიუმი აგრეთვე გამოიყენება ტიტანისა და კალას შემცველ სხვადასხვა ზეგამტარ მასალებში, რომლებიც ფართოდ გამოიყენებიან ბირთვულ მაგნიტურ რეზონანსული  სკანირების ზეგამტარ მაგნიტებში. ნიობიუმი ასევე გამოიყენება ბირთვულ ინდუსტრიაში, ელექტრონიკაში, ოპტიკაში, ნუმიზმატიკასა და ძვირფასეულობის წარმოებაში.

ნიობის ელინური სკულპტურა (ჯიორჯიო სომერი)

ფიზიკური თვისებები

ნიობიუმი მბრწყინავი, რუხი ფერის დრეკადი პარამაგნიტური მეტალია, რომელიც პერიოდული სისტემის მეხუთე ჯგუფში მდებარეობს. მას ახასიათებს მაღალი სიმაგრე და ჭედადობა. ჰაერზე მდგრადია. გარე ელექტრონულ შრეზე დანარჩენ წევრებთან შედარებით გააჩნია ელექტრონების არატიპიური კონფიგურაცია.

ნიობიუმი კრიოგენულ ტემპერატურაზე ხდება ზეგამტარი. მას ატმოსფერულ წნევაზე გააჩნია ელემენტური სუპერგამტარობის უმაღლესი კრიტიკული ტემპერატურა - 9.2K. ნიობიუმს, სხვა ელემენტებთან შედარებით, უდიდესი მაგნიტური შეღწევადობა გააჩნია. ნიობიუმის ზეგამტარობა ძლიერ არის დამოკიდებული ამ მეტალის სისუფთავეზე. სუფთა მდგომარეობაში იგი შედარებით რბილი და დრეკადია, მაგრამ მინარევების დროს უფრო მაგრდება.

ქიმიური თვისებები

მეტალი ნიობიუმი ოთახის ტემპერატურაზე, ჰაერზე გარკვეული პერიოდით დაყოვნებისას მოლურჯო შეფერვას ღებულობს. მიუხედავად იმისა, რომ ელემენტურ ფორმაში მას გააჩნია მაღალი ლღობის ტემპერატურა (2468 °C), ახასიათებს დაბალი სიმკვრივე სხვა ძნელადლღობად მეტალებთან შედარებით. იგი წარმოადგენს კოროზიამედეგ მეტალს, რომელიც ამჟღავნებს ზეგამტარობის უნარს და წარმოქმნის ოქსიდის ფენებს.

ნიობიუმის ელექტროუარყოფითობა ნაკლებია, ვიდრე პერიოდულ სისტემაში მის წინ მდგომი ცირკონიუმისა, მაშინ როცა იგი ზომაში ვირტუალურად იდენტურია უფრო მძიმე ტანტალისა. ამიტომაც, ნიობიუმის ქიმიური თვისებები ძალიან ემსგავსება ტანტალისას, რომელიც პერიოდულ სისტემაში განლაგებულია ნიობიუმის ქვემოთ. მიუხედავად იმისა, რომ მისი კოროზიული მედეგობა არ არის ისეთივე გამოკვეთილი, როგორიც ტიტანის, მაგრამ დაბალი ფასისა და ადვილად ხელმისაწვდომობის გამო, ნიობიუმი ხდება უფრო მისაღები მასალა დანადგარების მოსაპირკეთებლად.

იზოტოპები

ბუნებაში ნიობიუმი გვხვდება ერთადერთი სტაბილური იზოტოპის ⁹³Nb-ის სახით. 2003 წელს სინთეზირებულ იქნა 32-მდე რადიოიზოტოპი, რომელთა ატომური მასები 81-დან 113–მდე მერყეობს. მათგან ყველაზე სტაბილურია ⁹²Nb (ნახევარდაშლის პერიოდით 34.7 მილიონი წელი). ყველაზე ნაკლებ სტაბილურია ¹¹³Nb (ნახევარდაშლის პერიოდი – 30 მილიწამი).

აღწერილია 25 ბირთვული იზომერი, ატომური მასით 84–დან 104–მდე. ამ რიგში იზომერი არ აქვს მხოლოდ ⁹⁶Nb, ¹⁰¹Nb და ¹⁰³Nb–ს. ნიობიუმის იზომერიდან ყველაზე მდგრადია ⁹³მეტაNb (ნახევარდაშლის პერიოდი 103 ნანოწამი). გარდა ⁹²მეტაNb–ისა, ნიობიუმის ყველა იზომერი იშლება იზომეტრიული გარდაქმნით ან ბეტა-დაშლით.

გავრცელება

ნიობიუმი 33-ე ელემენტს წარმოადგენს დედამიწაზე გავრცელების მიხედვით. ბუნებაში თავისუფალი ელემენტი არ არის ნაპოვნი, მაგრამ იგი გვხვდება მინერალებში. მინერალებში ნიობიუმი და ტანტალი თითქმის ყოველთვის ერთად არიან. ასეთია მაგალითად, კოლუმბიტი ((Fe,Mn)(Nb,Ta)₂O₆ და კოლუმბიტ–ტანტალიტი (ან კოლტანი (FeMn)(TaNb)₂O₆. ნაკლებ გავრცელებულია კალციუმის, თორიუმის და იშვიათ მიწათა ელემენტების ნიობატები და იშვიათმიწათა ელემენტების სახით, როგორიცაა, პიროქლორი ((Na,Ca)₂Nb₂O₆-(OH,F)).

პიროქლორის ორი უდიდესი დეპოზიტი 1950წ იქნა აღმოჩენილი ბრაზილიაში და კანადაში, ორივე ეს ქვეყანა დღემდე რჩება ნიობიუმის მინერალების კონცენტრატების მთავარ მწარმოებლად. ბრაზილიაში ნიობიუმს აწარმოებს ორი კორპორაცია. ნიობიუმზე მსოფლიო მოთხოვნაა 77%. ნიობიუმის მესამე უდიდესი მწარმოებელია „Lamgold Corporation Ltd” კანადაში, რომელიც აწარმოებს ნიობიუმის მსოფლიო მოთხოვნის 7%–ს.

დაუმუშავებელი რესურსები განლაგებულია ნიგერიაში, კონგოს დემოკრატიულ რესპუბლიკაში, ტანზანიაში, მალაიზიაში, ავსტრალიაში, რუსეთში და კოლუმბიაში.

ნიობიუმის წარმოება

წარმოება

ნიობიუმის (Nb₂O₅) და ტანტალის (Ta₂O₅) ოქსიდების ნარევი გამოყოფილია სხვადასხვა მინერალისგან. პროცესში პირველი რეაქცია, რომელიც ხორციელდება ოქსიდებზე, ესაა მათი ურთიერთქმედება ფთორწყალბადმჟავასთან:

Ta₂O₅ + 14 HF → 2 H₂[TaF₇] + 5 H₂O

Nb₂O₅ + 10 HF → 2 H₂[NbOF₅] + 3 H₂O

დაყოფის მეთოდი, რომელიც განავითარა დე მარინგნიმ, ეყრდნობა ნიობიუმისა და ტანტალის კომპლექსური ფთორიდების- დიკალიუმოქსიპენტაფთორნიობატმონოჰიდრიტის (K₂[NbOF₅]·H₂O) და დიკალიუმჰეპტაფთორტანტალის (K₂[TaF₇])–ის წყალში განსხვავებულ ხსნადობას. პროცესში იყენებენ ფთორიდების ექსტრაქციას წყალხსნარებიდან, ციკლოჰექსანონის მსგავსი ორგანული გამხსნელებით. ნიობიუმის და ტანტალის ფთორიდების კომპლექსს ექსტრაგირებენ ცალ-ცალკე ორგანული გამხსნელებიდან წყლით და ლექავენ კალიუმის ფთორიდის დამატებით. ამ დროს წარმოიქმნება კალიუმფთორიდის კომპლექსი, ან ლექავენ ამიაკით პენტოქსიდის სახით:

H₂[NbOF₅] + 2 KF → K₂[NbOF₅]↓ + 2 HF

2 H₂[NbOF₅] + 10 NH₄OH → Nb₂O₅↓ + 10 NH₄F + 7 H₂O

მეტალური ნიობიუმის აღსადგენად გამოიყენება სხვადასხვა მეთოდი. ერთ-ერთია, გალღობილი K₂[NbOF₅]–ისა და ნატრიუმის ქლორიდის ნარევის ელექტროლიზი. ასევე იყენებენ ფთორიდების ნატრიუმით აღდგენის რეაქციას. ამ დროს მიიღება, მაღალი რეაქციისუნარიანი, სუფთა ნიობიუმი. ფართოდ იყენებენ, აგრეთვე Nb₂O₅-ის წყალბადით ან ნახშირბადით აღდგენის რეაქციას. პროცესში იყენებენ ალუმინოთერმიას - რკინის და ნიობიუმის ოქსიდების ურთიერთქმედებას ალუმინთან

3 Nb₂O₅ + Fe₂O₃ + 12 Al → 6 Nb + 2 Fe + 6 Al₂O₃

ნაერთები

ნიობიუმს ახასიათებს -1-დან +5-მდე დაჟანგულობის ხარისხი. ყველაზე მეტად გავრცელებულია ნაერთები, სადაც იგი ამჟღავნებს +5 დაჟანგულობის ხარისხს.

ნიობიუმი ბევრი რამით ემსგავსება ტანტალს და ცირკონიუმს. იგი ურთიერთქმედებს არამეტალების უმეტესობასთან მაღალ ტემპერატურაზე.

ნიობიუმი ფთორთან რეაქციაში შედის ოთახის ტემპერატურაზე, აზოტთან - 400 °C-ზე,  ხოლო ჰაერზე ჟანგვას იწყებს 200 °C-ზე.

ნიობიუმი მდგრადია ტუტეებისა და მჟავების, ასევე სამეფო წყლის, ქლორწყალბადმჟავას, გოგირდმჟავას, აზოტ და ფთორმჟავების მოქმედების მიმართ, თუმცა ურთიერთქმედებს ფთორწყალბადმჟავასთან და ფთორწყალბადმჟავა/აზოტმჟავას ნარევთან.

ნიობიუმი წარმოქმნის ოქსიდებს დაჟანგულობის რიცხვით: +5 (Nb₂O₅), +4 (NbO₂), და +3 (Nb₂O₃). იშვიათად გვხვდება დაჟანგულობის რიცხვი +2 (NbO). გვხვდება აგრეთვე პენტოქსიდი, რომელიც წარმოადგენს ნიობიუმის თითქმის ყველა ნაერთისა და შენადნობის პრეკურსორს.

ნიობატები მიიღება პენტოქსიდების გახსნით ფუძეებში ან ტუტე მეტალების ოქსიდებთან შელღობით, მაგალითად, ლითიუმის ნიობატი (LiNbO₃) და ლანთანიუმ ნიობატი (LaNbO₄). ლითიუმის ნიობატს აქვს გამრუდებული ტრიგონალური სტრუქტურა, მაშინ როცა ლანთან ნიობატი შეიცავს NbO₄³⁻ იონს. აგრეთვე ცნობილია ნიობიუმის სულფიდი (NbS₂)

ნიობიუმის პენტაქლორიდის (ყვითელი) კრისტალები. თეთრი კრისტალები მიუთითებს ნაწილობრივ ჰიდროლიზს.

 

მთვარის ორბიტის Apollo 15 CSM თანამგზავრი დამზადებულია ნიობიუმ-ტიტანის შენადნობით

 

3 ტესლა სიმძლავრის სამედიცინო მაგნიტური რეზონანსის აპარატში გამოყენებულია ნიობიუმის ზეგამტარი შენადნობი

ნიობიუმი წარმოქმნის ჰალოგენიდებს დაჟანგულობის ხარისხით +5 და +4. ჰენტაჰალოგენიდები (NbX₅) წარმოადგენენ ოქტაედრს, რომლის ცენტრშიც არის ნიობიუმი. ნიობიუმ პენტაფთორიდი (NbF₅) წარმოადგენს თეთრ, მყარ ნივთიერებას, ლღობის ტემპერატურით 79.0 °C, ნიობიუმ პენტაქლორიდი (NbCl₅) კი არის ყვითელი ფერის ნივთიერება ლღობის ტემპერატურით 203.4°C. ორივე ნივთიერება განიცდის ჰიდროლიზს და იძლევა ოქსიდებს და ოქსიდჰალოგენებს, როგორიცაა მაგალითად NbOCl₃. პენტაქლორიდი გამოიყენება ძირითადად ორგანომეტალური ნაერთების მისაღებად, როგორიცაა ((C₅H₅)₂NbCl₂). ტეტრაჰალოგენიდი (NbX₄) მუქი ფერის პოლიმერია Nb-Nb ბმით, მაგალითად, შავი ჰიგროსკოპული ნიობიუმტეტრაქლორიდი (NbF₄) და ყავისფერი ნიობიუმტეტრაქლორიდი (NbCl₄). კარგადაა ცნობილი ნიობიუმის ანიონური ჰალოგენიდები. მათ შორისაა პენტაჰალოგენიდები.

მნიშვნელოვანია [NbF₇]^2-, რომელიც შუალედური პროდუქტია საბადოებიდან Nb და Ta გამოყოფის დროს. ეს ჰეპტაფთორიდი წარმოქმნის ოქსოპენტაქლორიდს უფრო ადვილად, ვიდრე ტანტალის ნაერთები.

სხვა ჰალოგენიდკომპლექსები მოიცავენ ოქტაედრს [NbCl₆]^-:

Nb₂Cl₁₀ + 2 Cl^- → 2 [NbCl₆]^-

ნიობიუმის ბინარულ ნაერთს წარმოადგენს აგრეთვე ნიობიუმის ნიტრიდი (NbN), რომელიც დაბალ ტემპერატურაზე ხდება ზეგამტარი და გამოიყენება ინფრაწითელი სხივების დეტექტორად. ნიობიუმის კარბიდი NbC წარმოადგენს მაგარ, ცეცხლგამძლე კერამიკულ მასალას, რომელიც გამოიყენება სტომატოლოგიაში.

გამოყენება

2006 წელს 44.500 ტონა ნიობიუმი  იქნა წარმოებული, რომლის 90% გამოყენებული იქნა მაღალი ხარისხის ფოლადის წარმოებაში.

ნიობიუმი ასევე გამოიყენება თვითმფრინავმშენებლობაში საჭირო ნიობიუმიანი და ქრომ–ნიკელიანი (უჟანგავი) ფოლადის წარმოებაში. მისი კარბიდი (NbC) ტანტალის ან ვოლფრამის კარბიდთან ერთად, გამოყენებას პოულობს სალი, მჭრელი შენადნობების დასამზადებლად.

ნიკელის ბაზაზე მიღებულია ნიობიუმშემცველი სუპერშენადნობი სინკონელ-718, რომელიც შეიცავს 50% ნიკელს, 18.6% ქრომს, 18.5% რკინას, 5% ნიობიუმს, 3.1% მოლიბდენს, 0.9% ტიტანს და 0.4% ალუმინს. იგი გამოიყენება საჰაერო სისტემაში.

შენადნობი რომელიც გამოიყენება სარაკეტო სისტემაში, მაგალითად, “Apollo” მოდულში C103, შეიცავს 89% ნიობიუმს, 10% ჰაფნიუმს და 1% ტიტანს.

ლითიუმის ნიობატი, რომელიც ფეროელექტრულია, ინტენსიურად გამოიყენება მობილურ ტელეფონებსა და ოპტიკურ მოდულატორებში.

ნიობიუმი ემატება მინას და ანიჭებს მას მაღალ რეფრაქციულ ინდექსს, რის შედეგადაც შესაძლებელი ხდება მისი გამოყენება ოპტიკურ ინდუსტრიაში.

ნიობიუმი და ზოგიერთი მისი შენადნობი ფიზიოლოგიურად ინერტულია და ამდენად ჰიპოალერგიულია. ამის გამო ნიობიუმი გამოიყენება არაერთ სამედიცინო დანადგარებში და სამკაულების წარმოებაში.

ნიობიუმი ხშირად ვერცხლთან და ოქროსთან ერთად გამოიყენება მემორიალურ მონეტებში, როგორც ძვირფასი მეტალი. მაგალითად, ავსტრია, 2003 წ-დან აწარმოებს ვერცხლი–ნიობიუმის ევრო მონეტების სერიას. ამ მონეტებში ფერი იქმნება ანოდიზირების შედეგად წარმოქმნილი თხელი ოქსიდის ფენის სინათლის დიფრაქციით.

ბიოლოგიური როლი

არ არის ცნობილი ნიობიუმის ბიოლოგიური როლი, მაგრამ მისი მტვერი იწვევს თვალების და კანის გაღიზიანებას და პოტენციურად საშიშია. ნიობიუმის ზოგიერთი ნაერთი ტოქსიკურია და მასთან მუშაობისას საჭიროა სიფრთხილის გამოჩენა. ნიობატები და ნიობიუმ ქლორიდი, რომლებიც წყალში ხსნადი ნაერთებია, გამოსცადეს ვირთხებზე. ნაჩვენები იქნა, რომ ლეტალური დოზაა (LD₅₀) 10-დან 100 მგ/კგ.

მასალა მომზადებულია www.wikipedia.com -ის მიხედვით