Ниобий и его характеристики
Общая характеристика ниобия
В земной коре ниобия содержится 0,002% (масс.). Этот элемент во многом сходен с ванадием. В свободном состоянии он представляет собой тугоплавкий металл, твердый, но не хрупкий, хорошо поддающийся механической обработке (рис. 1.. Плотность ниобия 8,57 г/см 3, температура плавления – 2500oС.
Ниобий устойчив во многих агрессивных средах. На него не действует соляная кислота и царская водка, так как на поверхности этого металла образуется тонкая, но очень прочная и химически стойкая оксидная пленка.
Рис. 1. Ниобий. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса ниобия
Поскольку в свободном состоянии ниобий существует в виде одноатомных молекул Nb, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 92,9063.
Изотопы ниобия
Известно, что в природе ниобий может находиться в виде единственного стабильного изотопа 93Nb. Массовое число равно 93, ядро атома содержит сорок один протон и пятьдесят два нейтрона.
Существуют искусственные нестабильные изотопы циркония с массовыми числами от 81-го до 113-ти, а также двадцать пять изомерных состояния ядер, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 92Nb с периодом полураспада равным 34,7 млн. лет.
Ионы ниобия
На внешнем энергетическом уровне атома ниобия имеется пять электронов, которые являются валентными:
1s22s22p63s23p63d104s24p64d35s2.
В результате химического взаимодействия ниобий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Nb0 -1e → Nb+;
Nb0 -2e → Nb2+;
Nb0 -3e → Nb3+;
Nb0 -4e → Nb4+;
Nb0 -5e → Nb5+.
Молекула и атом ниобия
В свободном состоянии ниобий существует в виде одноатомных молекул Nb. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу ниобия:
|
Энергия ионизации атома, эВ |
6,88 |
|
Относительная электроотрицательность |
1,6 |
|
Радиус атома, нм |
0,146 |
Сплавы ниобия
Ниобий – один из компонентов многих жаропрочных и коррозионностойких сплавов. Особенно большое значение имеют жаропрочные сплавы ниобия, которые применяются в производстве газовых турбин, реактивных двигателей, ракет.
Ниобий вводят также в нержавеющие стали. Он резко улучшает их механические свойства и сопротивляемость коррозии. Стали, содержащие от 1 до 4% ниобия, отличаются высокой жаропрочностью и используются как материал для изготовления котлов высокого давления.
Примеры решения задач
| Задание | Сколько электронов находится на внешнем уровне атома ниобия, иона ниобия (Nb5+)? |
| Ответ | Для того, чтобы определить, сколько электронов находится на внешнем электронном уровне указанных в задании атомов и ионов, запишем их полные электронные конфигурации (жирным шрифтом выделены внешние/валентные электроны):
41Nb1s22s22p63s23p63d104s24p64d45s1; 341Nb5+1s22s22p63s23p63d104s24p64do5so. На внешнем уровне атома ниобия находится 5 электронов; иона ниобия (Nb5+) – 0 электронов. |
| Задание | Укажите валентность и степень окисления ниобия в соединениях: Gd2Nb2O7 иPb(NbO3)2. |
| Ответ | Чтобы определить валентность ниобия в кислородсодержащих соединениях, нужно строго соблюдать следующую последовательность действий. Рассмотрим на примере Gd2Nb2O7. Определяем число атомов кислорода в молекуле. Оно равно 7 — ми. Вычисляем общее число единиц валентности для кислорода:
7×2 = 14. Вычисляем общее число единиц валентности для гадолиния: 2×3 = 6. Находим разность этих величин: 14-6 = 8. Определяем число атомов ниобия в соединении. Оно равно 2-м. Валентность ниобия равна IV (8/2 = 4). Чтобы найти степень окисления ниобия в этом же соединении примем её значение за х и учитываем тот факт, что заряд молекулы равен 0: 2×3 + 2×x +7×(-2) = 0 2×x = 8 x = +4. Степень окисления ниобия равна +4. Аналогичным образом определяем, что валентность и степень окисления ниобия в Pb(NbO3)2 равны IV и +1, соответственно. |
