铌是一种原子序数为41的金属元素,位于元素周期表的VB组。铌的化合价包括2、3、4和5价,并且没有稳定的同位素。自然界中共有49种铌的同位素,范围从Nb-81到Nb-113。除铌-93稳定并构成了地壳中所有元素的自然存在外,其他同位素都是放射性的人工制造体。铌是一种柔软的灰银金属,与刚切割的钢相似。它通常与其他相关金属一起存在于矿物中。在室温下,铌不会变色或氧化,但在高温(高于200°C)下容易被氧气和卤素(第17组元素)氧化。当铌与锡和其他合金结合时,在9.25开尔文温度下显示出超导性。
发现历史铌是由哈勃切特在1801年首次发现的,当时他在研究康涅狄格州约翰·温思罗普(John Winthrop the Younger)送交英国的矿石时发现了这种元素。1864年,布隆斯特兰德通过氢气氛围中加热氯化物的方法首次制备了铌。经过100年的争论后,在1950年国际纯粹与应用化学联合会正式采用了铌这一名称,并被大多数化学学会和政府组织使用。然而,一些冶金学家和商业生产商仍称之为“铌”。
来源铌是地壳中第33个最丰富的元素之一,被认为是稀有元素。它不以游离形式存在于自然界中,主要分布在几种矿物中,如铌铁矿(或钴铝矿)、铌铁矿-钽铁矿、烧绿石和苏木等。大量铌存在于加拿大、巴西、刚果金沙萨、卢旺达及澳大利亚等地的烧绿石成分中。从钽中分离出金属,并可采用多种方法制备。
应用铌在黑色金属和有色金属中扮演着重要角色,作为合金添加剂或与其他金属结合时,能提升合金的机械强度、电导率和延展性,并增强其耐腐蚀性能。铌及其几种合金表现出超导性特性。铌可用于制造高强度低合金碳钢和微合金钢,用于石油和天然气管道、桥梁、建筑物、混凝土棒及汽车;还添加到镍基和钴基高温合金中,是锆、钛和钨合金的组成部分。此外,在电子推进装置、电极催化以及真空管和高压钠蒸气灯等方面也有应用。
制备从矿物提炼铌的方法多种多样,具体方法取决于矿石性质及最终用途需求。常见的步骤包括预浓缩、破碎或打开矿石、纯化铌化合物、还原为金属并精炼等。在从铌钽矿中提取铌时,最关键的步骤是从钽中分离出来,因为两者化学性质极为相似。烧绿石中的铌铁可以通过热还原法生产,其中铝粉用作还原剂。该过程是将烧绿石置于耐火材料衬里的钢或电炉反应器中进行。从矿石中提取铌的另一重要步骤是将其从钽及杂质金属中分离出来,这可通过溶剂萃取、离子交换、分级结晶等多种方法实现。
毒性铌在常温下不具反应活性,但其物理形态(如粉尘、粉末和蒸汽)吸入或摄入均具有致癌风险。
制备工艺由于传统制备铌的流程长、能耗高且对环境有害,使得其成本高昂且供应量有限。因此,近年来研究热点集中在开发短流程、低成本且环保的铌生产工艺,其中熔盐电脱氧法(FFC)备受关注。
化学性质