NGUYÊN TỐ NIOBI
A Giới thiệu chung:
Niobi hay columbi (phiên từ tên gọi của nguyên tố tại Hoa Kỳ) là tên gọi của một nguyên tố hóa học có ký hiệu Nb và số nguyên tử 41. Là một kim loại chuyển tiếp mềm, dễ uốn, màu xám và hiếm, niobi được tìm thấy trong pyrochlore và columbit. Nó được phát hiện lần đầu tiên trong khoáng vật thứ hai vừa đề cập và vì thế ban đầu được gọi là columbi; vì thế hiện nay khoáng vật đó còn được gọi là "niobit

41
zirconi ← niobi → molypden
V
↑
Nb
↓
Ta



Bảng đầy đủ




Một số đặc điểm của nguyên tố Niobi(Nb)

Nguyên tố
Số thứ tự nguyên tử
Năng lượng ion hóa,eV
Cấu hình electron nguyên tử
Bán kính nguyên tử A°


I1
I2
I3
I4
I5


Niobi
23
6.88
14.32
25.05
37.7
51.9
[Ar]3d44s1
1.46

 Sau đây là một số ứng dụng quan trọng:
Niobi là thành phần của một vài loại thép không gỉ và hợp kim của các kim loại phi sắt khác. Nó cũng là thành phần bổ sung rất quan trọng cho thép HSLA, được sử dụng rộng rãi làm thành phần cấu trúc cho các ô tô ngày nay. Các hợp kim này rất bền và thường được dùng làm các đường ống. Các ứng dụng khác có:
Kim loại này có tiết diện bắt nơtron thấp đối với các nơtron nhiệt và vì thế có ứng dụng trong công nghiệp hạt nhân.
Được dùng trong các que hàn hồ quang cho một số cấp ổn định của thép không gỉ.
Lượng thích hợp niobi trong dạng ferroniobi và niken niobi độ tinh khiết cao được sử dụng trong các siêu hợp kim gốc niken, coban, sắt trong các ứng dụng như chế tạo các bộ phận của động cơ phản lực, tên lửa và các thiết bị chịu nhiệt.
Niobi được lượng giá như là vật liệu thay thế cho tantali trong các tụ điện.
Do niobi và một số hợp kim của niobi là trơ về mặt sinh lý (và vì thế ít gây dị ứng), chúng được sử dụng trong ngành kim hoàn và trong các thiết bị y tế như máy điều hòa nhịp tim. Niobi được xử lý bằng hiđrôxít natri tạo ra các lớp xốp hỗ trợ cho kỹ thuật cấy ghép xương.[4]
Cùng với titan, tantali, nhôm, niobi cũng có thể được đốt nóng và anôt hóa bằng điện để tạo ra một mảng các màu sử dụng phương pháp gọi là anôt hóa kim loại phản ứng. Điều này làm cho nó trở nên hấp dẫn để sử dụng trong ngành kim hoàn.
Niobi cũng được bổ sung vào thủy tinh để thu được chiết suất cao hơn, một tính chất được sử dụng trong công nghiệp quang học để chế tạo các loại kính điều hòa mỏng hơn.
Năm 2005, Sierra Leone làm đồng tiền để tưởng nhớ Giáo hoàng John Paul II có chứa một đĩa vàng 24 cara (100%) được bọc bằng một vòng niobi màu tía.
Niobi trở thành chất siêu dẫn khi hạ nhiệt độ xuống dưới điểm sinh hàn. Ở áp suất thường, nhiệt độ tới hạn cao nhất của nó để có tính siêu dẫn là 9,3 K. Niobi có hiệu ứng Meissner lớn nhất trong số mọi nguyên tố đã biết. Ngoài ra, nó là một trong ba nguyên tố có tính siêu dẫn kiểu II (cùng vanadi và tecneti). Hợp kim niobi-thiếc và niobi-titan được sử dụng như là dây cuốn cho các nam châm siêu dẫn có khả năng tạo ra từ trường cực mạnh. Niobi cũng được sử dụng ở dạng tinh khiết để làm các cấu trúc gia tốc siêu dẫn cho các máy gia tốc hạt.
B Trạng thái đơn chất
1.Tính chất vật lý:
Niobi là kim loại có màu xám, có ánh lam khi bị phơi ngoài không khí ở nhiệt độ phòng. Tinh thể kim loại có mạng khối lập phương tâm khối. Có các thong số vật lý sau:
Nhiệt độ nóng chảy: 2470 °c
Nhiệt độ sôi: 44760 °c.
Nhiệt thăng hoa :724 °c
Tỉ khối: 8.57
Độ cứng: 6
Độ dẫn điện: 5
2.Tính chất hóa học:
Ở nhiệt độ thường Nb rất trơ về mặt hóa học. Nguyên nhân là do Nb có màng oxit mỏng và bền bảo vệ bề mặt kim loại.
a. Tác dụng với oxi ở nhiệt độ cao:
Nb + O2 → Nb2O5
b. Tác dụng với florua ở nhiệt độ cao:
Nb + O2 → NbF5
c. Tác dụng với HF và HNO3:
Nb + 5HNO3 + 21 HF → 3H2[ NbF7] + 5NO + 10H2O
d. Tác dụng với kiềm nóng chảy khi có mặt oxi:
4Nb + 12KOH + 5O2 → 4K3[NbO4] + 6H2O

3.Điều chế:
C Trạng thái hơp chất:
Các trạng thái oxi hóa của Nb là Nb+5, Nb+3
1.Hợp chất Nb+3:
Nb2O3 là chất bột màu xanh đen, nóng chảy ở 1775 °c không tan trong acid (trừ HF) và cường thủy.
Ở nhiệt độ cao Nb2O3 thường được điều chế bằng cách dùng H2 khử V2O5 và Nb2O5.
Nb2O5 + 2H2 → Nb2O3 + 2H2O
 Phức chất claste của Nb :
Một số halogen của Nb với số oxi hóa thấp có thành phần không hợp thức: NbF2.5, NbI2.33, NbCl2.67, NbBr2.67, NbI2.67. Nhiều halogen có cấu tạo claste (có nghĩa là nhóm cụm ). Claste là ion hay phân tử chứa những cụm gồm 2 hay hơn 2 nguyên tử kim loại liên kết với nhau.
Hợp chất clorua trước đây có công thức NbCl2 về sau biết đước công thức là NbCl2.33 hay Nb6Cl14. Hợp chất này tan trong nước và rượu, khi tac dụng với muối Ag+ chỉ có 1/7 số nguyên tử Cl được kết tủa tạo muối AgCl. Mặt khác nghiên cứu cấu trúc bằng tia Rơnghen cho thấy trong dung dịch rượu, hợp chất đó phân li tạo nên ion [ Nb6Cl12 ] +2 trơ về mặt động học. Hợp chất Nb6Cl14 bao gồm những ion [ Nb6Cl12 ] +2 liên kết với nhau qua những cầu là ion Cl- , còn 6 nguyên tử Nb liên kết tạo thành một bát diện điều, ngoài ra hai nguyên tử Nb còn liên kết với nhau qua cầu nguyên tử Cl.
2.Hợp chất Nb+4:
Niobi đioxit (NbO2) là chất bột màu xám.NbO2 rất khó nóng chảy và bền với nhiệt. Khi đun nóng trong không khí NbO2 sẽ bị oxi hóa thành Nb2O5.
Mặt khác NbO2 cũng rất trơ về mặt hóa học. Điển hình là nó không tác dụng với acid và base.
Niobi đioxit (NbO2) được tạo nên do khử Nb2O5 ở nhiệt độ 1200°c.
Nb2O5 + H2 → 2NbO2 + H2O
Tetrahalogenua NbX4:
Các NbX4 điều là chất rắn và có màu sắc khác nhau. Các NbX4 bền với nhiệt độ và thăng hoa ở 300°c. điều đặc biệt là dễ bị thủy phân:
NbCl4 + H2O = NbOCl2 + HCl
Khi tác dụng với nước NbX4 còn bị biến đổi số oxi hóa
4NbCl4 + 5H2O = 2NbCl3 + Nb2O5 + 10HCl
Niobi tetraclorua được diều chế bằng cách dùng Al khử NbCl5
3NbCl5 +Al = 3NbCl4 + AlCl3
3. Hợp chất Nb+5:
Niobi petaoxit (Nb2O5) là tinh thể khó nóng chảy, được cấu tạo bởi nhóm bát diện nối với qua cạnh và đỉnh chung. Tinh thể Nb2O5 có màu trắng.
Nb2O5 có nhiệt độ nóng chảy rất cao 1490°c
Niobi pentaoxit khá trơ về mặt hóa học, không tan trong nước, trong dung dịch axit và kiềm, chỉ tan trong kiềm nóng tạo thành niobat
Niobi pentaoxit bền với nhiệt. Ở nhiệt độ cao bị H2, C, kim loại khử oxit thấp hay kim loại.
Niobat của kim loại là những chất dạng tinh thể có thanh phần kiến trúc phức tạp. Những hợp chất đơn giản hơn là MnbO3, M3NbO4, M4NbO7 (trong đó M lf cation kim loại kiềm và NH4+). Đa số các niobat điều ở dạng polime. Ví dụ như: NaNbO3 kết tinh theo kiểu peropkit còn Fe(NbO3)2 có kiến trúc rutin.
Các niobat được điều chế khi nấu chảy pentaoxit (Nb2O5) trong kiềm và cacbonat kim loại kiềm
Nb2O5 + 3K2CO3 = 2K3NbO4 + 3CO2
Những niobat và tantalat được tạo nên ở thể chảy như vậy được coi là nhữg oxit hỗn hợp, trong khi một số niobat và tantalat tan được trong nước có chứa polianion riêng rẽ ví dụ như H2Nb6O196-, HNb6O167- .
Như vậy hexanniobat và tantalat cũng là những oxit hỗn hợp theo kiểu NaNbO3 hay Na4Nb2O7 điều được cấu tạo bởi các bát diện mà Nb là trung tâm của bát diện.Khi acid hóa dung dịch nước hay huyền phù trong nước của niobat sẽ thu được kết tủa ít tan trong nước, tan dễ trong HF và dung dịch kiềm. Đó là những hiđrat của pentaoxit Nb2O5.H2O, người ta thường gọi là axit niobic.
Peoxiniobat
Cũng như Ta và V, Nb là nhũng hợp chất peoxi. Ion tetrapeoniobat Nb(O2)43- không có màu
Peoxiniobat được tạo nên khi các hợp chất của Nb(V) tác dụng với H2O2.
Nb2O5 + 8H2O2 + 6KOH = 2K3Nb(O2) + 11H2O
Niobi pentahalogenua NbX5:
Ở điều kiện thường các pentahalogenua là chất rắn. Tinh thẻ của niobi halogenua có mạng lưới phân tử nên dễ nóng chảy và dễ tan trong nước và dung môi hữu cơ.Dưới đây là màu sắc, nhiệt độ sôi, nhiệt nóng chảy của niobi pentahalogenua.




Chất
NbF5
NbCl5
NbBr5
NbI5
Màu sắc
trắng
vàng
Da cam
nâu
Nđnc, °c
79
203
254

Nđs, °c
234
247
360


Niobi pentahalogenua rất hoạt động hoa học. Chúng có tinh chất giống như halogennanhiđrit, bị phân hủy dễ dàng tạo nên hyđrat của các pentaoxit và halogenhiđrit
2NbX5 + 5H2O = Nb2O5 + 10HX
Với các niobi oxitrihalogenua NbXO3, phản ứng thủy phân cũng xảy ra tương tự:
2NbOX 3 + 3H2O = Nb2O5 + 6H2O + 6HX
Niobi pentaflorua tác dụng với florua kim loai kiềm tạo nên những ion phức [NbF6 ], [NbF8 ]3- và [NbF6 ]
Ví dụ:
KF + NbF5 = K[NbF6 ]
2KF + NbF5 = K2 [NbF7 ]
Tương tự như vậy các niobi oxitrihalogen NbOX3, cũng tác dụng với halogen kim loại kiềm tạo anion phức [NbOCl4 ]2-, [NbOF6 ]3-
2KF + NbOF3 = K2 [NbOF5 ]
Niobi pentahalogen được tổng hợp trực tiếp từ các nguyên tố. Ngoài ra còn có một số phương pháp khác