鈮(ni)(Niobium),化學符號Nb,原子序數為41,是(shi)一種(zhong)過渡金(jin)屬元素。鈮(ni)單質是(shi)一種(zhong)帶光(guang)澤的(de)灰色金(jin)屬。高純度鈮(ni)金(jin)屬的(de)延展性較高,但會隨雜質含量的(de)增加而變硬。鈮(ni)對于熱(re)中(zhong)子的(de)捕(bu)獲截面很低(di),因(yin)此在核工業上(shang)有相當的(de)用處。
當于1801年(nian)考察在大英博物(wu)館的(de)礦石時,Charles Hatchett被(bei)(bei)一個標簽為columbite(鈳鐵礦)的(de)樣(yang)本(ben)激起了興趣。他推測其(qi)包(bao)含一種(zhong)新的(de)金屬(shu),他是對(dui)的(de)。他加熱一塊樣(yang)本(ben)與碳酸鉀(jia),溶解產(chan)物(wu)到水(shui)中(zhong),添(tian)加了酸后(hou)獲得了沉淀物(wu)。然而,進一步(bu)的(de)處(chu)理(li)也沒能生產(chan)出元(yuan)素本(ben)身,他命名(ming)其(qi)為columbium(鈳——鈮元(yuan)素的(de)舊譯),被(bei)(bei)人們已知(zhi)多年(nian)。
其(qi)(qi)他人則(ze)對(dui)鈳(ke)(ke)持懷疑態度,尤其(qi)(qi)是在(zai)(zai)接(jie)下來的一(yi)年(nian)發現(xian)了(le)鉭之后。這些(xie)金(jin)屬(shu)在(zai)(zai)大自然中一(yi)起出(chu)現(xian),而且很難分離。在(zai)(zai)1844年(nian)德國化(hua)(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)家(jia)Heinrich Rose證明了(le)鈳(ke)(ke)鐵礦(kuang)包含(han)了(le)這兩種(zhong)元素,他把columbium(鈳(ke)(ke))命(ming)(ming)(ming)名(ming)(ming)為niobium(鈮(ni))。“Columbium”(鈳(ke)(ke),符號Cb)是哈契特對(dui)新元素所給的最早(zao)(zao)命(ming)(ming)(ming)名(ming)(ming)。這一(yi)名(ming)(ming)稱(cheng)在(zai)(zai)美(mei)國一(yi)直有(you)廣泛的使用,美(mei)國化(hua)(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)學(xue)(xue)(xue)會在(zai)(zai)1953年(nian)出(chu)版了(le)最后一(yi)篇標(biao)題含(han)有(you)“鈳(ke)(ke)”的論(lun)文;“鈮(ni)”則(ze)在(zai)(zai)歐(ou)洲(zhou)通用。1949年(nian)在(zai)(zai)阿姆斯(si)特丹(dan)舉辦的化(hua)(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)聯合會第15屆會議最終決(jue)定以(yi)“鈮(ni)”作(zuo)(zuo)為第41號元素的正式命(ming)(ming)(ming)名(ming)(ming)。翌(yi)年(nian),國際純(chun)粹與應用化(hua)(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)聯合會(IUPAC)也采納了(le)這一(yi)命(ming)(ming)(ming)名(ming)(ming),結束了(le)一(yi)個(ge)世(shi)紀來的命(ming)(ming)(ming)名(ming)(ming)分歧,盡管(guan)“鈳(ke)(ke)”的使用時(shi)間更早(zao)(zao)。這可算是一(yi)種(zhong)妥協:IUPAC依北美(mei)的用法(fa)選擇“Tungsten”而非(fei)歐(ou)洲(zhou)所用的“Wolfram”作(zuo)(zuo)為鎢的命(ming)(ming)(ming)名(ming)(ming),并在(zai)(zai)鈮(ni)的命(ming)(ming)(ming)名(ming)(ming)上以(yi)歐(ou)洲(zhou)的用法(fa)為先。具權威性(xing)的化(hua)(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)學(xue)(xue)(xue)會和政府機構都一(yi)般以(yi)IUPAC正式命(ming)(ming)(ming)名(ming)(ming)稱(cheng)之,但美(mei)國地質調查(cha)局以(yi)及冶金(jin)業(ye)、金(jin)屬(shu)學(xue)(xue)(xue)會等組織至今(jin)仍使用舊名(ming)(ming)“鈳(ke)(ke)”。
當時,科學家未能有(you)效(xiao)地把鈳(ke)(鈮(ni))和(he)性質極(ji)為(wei)相(xiang)(xiang)似的(de)鉭(tan)區分開來。1809年(nian),英(ying)國化(hua)學家威廉·海德·沃拉(la)斯頓(dun)(William Hyde Wollaston)對鈳(ke)和(he)鉭(tan)的(de)氧(yang)化(hua)物進行比較,得(de)(de)出(chu)兩者的(de)密度分別(bie)為(wei)5.918g/cm3及超過16.6g/cm3。雖然(ran)密度值相(xiang)(xiang)差巨大(da),但他仍(reng)認為(wei)兩者是(shi)完(wan)全相(xiang)(xiang)同的(de)物質。另一(yi)德國化(hua)學家海因(yin)里希·羅(luo)澤(Heinrich Rose)在1846年(nian)駁斥這一(yi)結(jie)論(lun),并稱原先(xian)的(de)鉭(tan)鐵礦樣本中還存在著另外兩種元素。他以希臘神話中坦(tan)塔洛斯的(de)女兒(er)(er)尼俄(e)伯(Niobe,淚水女神)和(he)兒(er)(er)子(zi)珀羅(luo)普(pu)斯(Pelops)把這兩種元素分別(bie)命名為(wei)“Niobium”(鈮(ni))和(he)“Pelopium”。鉭(tan)和(he)鈮(ni)的(de)差別(bie)細微,而因(yin)此得(de)(de)出(chu)的(de)新(xin)“元素”Pelopium、Ilmenium和(he)Dianium實(shi)際上都只是(shi)鈮(ni)或者鈮(ni)鉭(tan)混合物。
1864年(nian),克(ke)利斯(si)蒂安·威廉·布隆斯(si)特(te)蘭(Christian Wilhelm Blomstrand)、亨利·愛(ai)丁·圣克(ke)萊爾(er)·德維爾(er)和路易·約(yue)瑟夫·特(te)羅(luo)斯(si)特(te)(Louis Joseph Troost)明確證明了鉭和鈮是兩種不同的化(hua)學(xue)元素(su),并(bing)確定了一些相關(guan)化(hua)合(he)物的化(hua)學(xue)公(gong)式(shi)。瑞士化(hua)學(xue)家讓-夏爾(er)·加利薩(sa)·德馬里尼亞(Jean Charles Galissard de Marignac)在1866年(nian)進(jin)一步(bu)證實除(chu)鉭和鈮以外別無其他元素(su)。然而直到1871年(nian)還有科學(xue)家發表有關(guan)Ilmenium的文章。
1864年(nian),德馬(ma)里尼亞在(zai)氫(qing)氣中對氯(lv)化鈮(ni)(ni)(ni)進行(xing)還原(yuan)反應(ying),首次制成(cheng)鈮(ni)(ni)(ni)金屬。雖(sui)然他在(zai)1866年(nian)已能夠制備不(bu)含鉭的鈮(ni)(ni)(ni)金屬,但要直到20世紀(ji)初,鈮(ni)(ni)(ni)才開始有商業上的應(ying)用(yong)(yong)(yong):電燈(deng)(deng)泡燈(deng)(deng)絲。鈮(ni)(ni)(ni)很快就被鎢(wu)淘汰了(le),因為(wei)鎢(wu)的熔點比鈮(ni)(ni)(ni)更高,更適(shi)合作燈(deng)(deng)絲材料。1920年(nian)代,人們發(fa)現鈮(ni)(ni)(ni)可(ke)以加(jia)強鋼材,這成(cheng)為(wei)鈮(ni)(ni)(ni)一(yi)直以來的主要用(yong)(yong)(yong)途。貝爾實驗室的尤金·昆茲勒(Eugene Kunzler)等(deng)人發(fa)現,鈮(ni)(ni)(ni)錫(xi)在(zai)強電場、磁場環境下仍能保(bao)持超導性,這使鈮(ni)(ni)(ni)錫(xi)成(cheng)為(wei)第一(yi)種能承受(shou)高電流和磁場的物(wu)質,可(ke)用(yong)(yong)(yong)于大(da)功率(lv)磁鐵和電動(dong)機(ji)械。這一(yi)發(fa)現促(cu)使了(le)20年(nian)后(hou)多股長(chang)電纜的生產。這種電纜在(zai)繞成(cheng)線圈后(hou)可(ke)形成(cheng)大(da)型強電磁鐵,用(yong)(yong)(yong)在(zai)旋轉機(ji)械、粒子(zi)加(jia)速(su)器和粒子(zi)探測器當(dang)中。
純凈的金屬樣本在1864年由(you)Christian Blomstrand制取,他用氫氣加熱(re)還原氯(lv)化鈮實現。
一(yi)種(zhong)(zhong)金(jin)屬元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)。鈮(ni)(ni)能(neng)吸(xi)收氣(qi)體,用作除氣(qi)劑(ji),也是一(yi)種(zhong)(zhong)良(liang)好的超導體。舊稱(cheng)“鈳”。化學(xue)符(fu)號(hao)Nb,原子(zi)序數(shu)41,原子(zi)量(liang)92.90638,屬周期系(xi)ⅤB族。1801年(nian)英國查爾(er)斯(si)·哈切特(te)(Charles·Hatchett)在研(yan)究倫敦大(da)英博物館中(zhong)(zhong)收藏的鈮(ni)(ni)鐵(tie)礦(kuang)(kuang)(kuang)中(zhong)(zhong)分(fen)離出一(yi)種(zhong)(zhong)新元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)的氧化物,并命(ming)名(ming)該元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)為(wei)columbium(中(zhong)(zhong)譯名(ming)鈳)。1802年(nian)瑞典A.G.厄克(ke)貝里在鉭(tan)(tan)鐵(tie)礦(kuang)(kuang)(kuang)中(zhong)(zhong)發現另(ling)一(yi)種(zhong)(zhong)新元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)tantalum。由于(yu)這兩種(zhong)(zhong)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)性質上非常(chang)(chang)相(xiang)似,不少(shao)人(ren)認為(wei)它們(men)是同一(yi)種(zhong)(zhong)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)。由于(yu)它與(yu)鉭(tan)(tan)非常(chang)(chang)相(xiang)似,起初他竟搞混了(le)。1844年(nian)德意志H.羅澤詳(xiang)細研(yan)究了(le)許多(duo)鈮(ni)(ni)鐵(tie)礦(kuang)(kuang)(kuang)和(he)鉭(tan)(tan)鐵(tie)礦(kuang)(kuang)(kuang),分(fen)離出兩種(zhong)(zhong)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su),才澄清(qing)了(le)事實真相(xiang)。最(zui)后查爾(er)斯(si)·哈切特(te)用神(shen)(shen)話(hua)中(zhong)(zhong)的女(nv)神(shen)(shen)尼俄伯(Niobe)的名(ming)字命(ming)名(ming)了(le)該元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)。在歷史上,最(zui)初人(ren)們(men)用鈮(ni)(ni)所(suo)在的鈮(ni)(ni)鐵(tie)礦(kuang)(kuang)(kuang)的名(ming)字“columbium”來(lai)稱(cheng)呼鈮(ni)(ni)。鈮(ni)(ni)在地殼中(zhong)(zhong)的含量(liang)為(wei)0.002%,鈮(ni)(ni)在地殼中(zhong)(zhong)的自(zi)然儲量(liang)為(wei)520萬噸,可開采儲量(liang)440萬噸,主要礦(kuang)(kuang)(kuang)物有(you)鈮(ni)(ni)鐵(tie)礦(kuang)(kuang)(kuang)、燒(shao)綠(lv)石和(he)黑(hei)稀金(jin)礦(kuang)(kuang)(kuang)、褐釔鈮(ni)(ni)礦(kuang)(kuang)(kuang)、鉭(tan)(tan)鐵(tie)礦(kuang)(kuang)(kuang)、鈦(tai)鈮(ni)(ni)鈣鈰(shi)礦(kuang)(kuang)(kuang)。
自然產生的(de)鈮(ni)由一種穩(wen)定同(tong)位素組成:93Nb。截至2003年,已合成的(de)放射(she)(she)性同(tong)位素共有至少(shao)32種,原子(zi)量在81和(he)(he)113之間(jian)。其中最穩(wen)定的(de)是(shi)92Nb,半衰(shuai)(shuai)(shuai)期有3470萬(wan)年;113Nb是(shi)最不穩(wen)定的(de)同(tong)位素之一,其半衰(shuai)(shuai)(shuai)期估計只有30毫秒。比93Nb更輕(qing)的(de)同(tong)位素一般進(jin)行(xing)(xing)(xing)β+衰(shuai)(shuai)(shuai)變,比它重的(de)則會(hui)(hui)進(jin)行(xing)(xing)(xing)β-衰(shuai)(shuai)(shuai)變。例外包括:81Nb、82Nb和(he)(he)84Nb會(hui)(hui)進(jin)行(xing)(xing)(xing)少(shao)量β緩發(fa)(fa)質(zhi)子(zi)發(fa)(fa)射(she)(she),91Nb會(hui)(hui)進(jin)行(xing)(xing)(xing)電子(zi)捕獲(huo)和(he)(he)正電子(zi)發(fa)(fa)射(she)(she),而92Nb會(hui)(hui)同(tong)時進(jin)行(xing)(xing)(xing)正電子(zi)(β+)和(he)(he)電子(zi)(β-)發(fa)(fa)射(she)(she)。
已知的(de)核(he)素共有(you)(you)25種,質量數介乎84至104。這(zhe)個質量區間內的(de)同(tong)(tong)位素中,只有(you)(you)96Nb、101Nb和103Nb不具有(you)(you)同(tong)(tong)核(he)異(yi)(yi)構(gou)(gou)體。最穩定(ding)的(de)鈮(ni)同(tong)(tong)核(he)異(yi)(yi)構(gou)(gou)體是93mNb,半衰(shuai)期(qi)為(wei)16.13年;最不穩定(ding)的(de)是84mNb,半衰(shuai)期(qi)為(wei)103納(na)秒(miao)。除92m1Nb進行少量電子捕獲之外,所有(you)(you)同(tong)(tong)核(he)異(yi)(yi)構(gou)(gou)體的(de)衰(shuai)變方(fang)式都是同(tong)(tong)核(he)異(yi)(yi)構(gou)(gou)體轉換或β衰(shuai)變。
元素符號:Nb
元素英文名稱(cheng):niobium
元素類型:金屬元素
原(yuan)子體積:10.87cm3/mol
元素在太陽(yang)中的含量:0.004(ppm)
元素(su)在海水(shui)中的含量:0.0000009(ppm)
地殼(ke)中含量:20(ppm)
相對原子質(zhi)量(liang):92.90638
原子序數:41
所屬周期:5
所屬族數:VB
核外電子排布:1s22s22p63s23p63d104s24p64d45s1
電子層(ceng)排(pai)布:2,8,18,12,1
晶(jing)(jing)體結構:晶(jing)(jing)胞(bao)為體心立(li)方晶(jing)(jing)胞(bao),每個晶(jing)(jing)胞(bao)含有2個金屬原子。
晶胞參數(shu):a=330.04pm,b=330.04pm,c=330.04pm,α=90°,β=90°,γ=90°
化合價:+5(主(zhu)要),-3,-1,0,+1,+2,+3,+4
莫氏硬度:6
聲音(yin)在其(qi)中(zhong)的傳播速(su)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
鈮(ni)(ni)是(shi)灰白色金屬(shu)(shu),熔點(dian)2468℃,沸點(dian)4742℃,密度8.57g/cm3。鈮(ni)(ni)是(shi)一種(zhong)帶光澤的灰色金屬(shu)(shu),具有(you)順磁(ci)性,高純度鈮(ni)(ni)金屬(shu)(shu)的延展性較(jiao)高,但會隨雜質含(han)量的增加而(er)變(bian)硬。它的最(zui)外電子層排布和(he)其他的5族元(yuan)素(su)非常(chang)不同(tong)。同(tong)樣的現(xian)象也出(chu)現(xian)在(zai)前后(hou)的釕(44)、銠(45)和(he)鈀(46)元(yuan)素(su)上。
鈮
Z 元素 每層(ceng)電子數
23 釩(fan) 2, 8, 11, 2
41 鈮(ni) 2, 8, 18, 12, 1
73 鉭(tan) 2, 8, 18, 32, 11, 2
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