铌_niobium_铌金属

铌（ni），英文名是niobium，是一种化学元素。化学符号Nb，原子序数41，原子量92.90638，属周期系ⅤB族。1801年英国C.哈切特从铌铁矿中分离出一种新元素的氧化物，并命名该元素为columbium（中译名钶）。铌是灰白色金属，熔点2468℃，沸点4742℃，密度8.57克/立方厘米。铌是一种带光泽的灰色金属，具有顺磁性，属于元素周期表上的5族。高纯度铌金属的延展性较高，但会随杂质含量的增加而变硬。铌对于热中子的捕获截面很低，因此在核工业上有相当的用处。

铌的发现

1801年考察在大英博物馆的矿石时，Charles Hatchett被一个标签为columbite（钶铁矿）的样本激起了兴趣。他推测其包含一种新的金属，他是对的。他加热一块样本与碳酸钾，溶解产物到水中，添加了酸后获得了沉淀物。然而，进一步的处理也没能生产出元素本身，他命名其为columbium（钶——铌元素的旧译），被人们已知多年。

1864年，克利斯蒂安·威廉·布隆斯特兰（Christian Wilhelm Blomstrand）、亨利·爱丁·圣克莱尔·德维尔和路易·约瑟夫·特罗斯特（Louis Joseph Troost）明确证明了钽和铌是两种不同的化学元素，并确定了一些相关化合物的化学公式。瑞士化学家让-夏尔·加利萨·德马里尼亚（Jean Charles Galissard de Marignac）在1866年进一步证实除钽和铌以外别无其他元素。然而直到1871年还有科学家发表有关Ilmenium的文章。

1864年，德马里尼亚在氢气中对氯化铌进行还原反应，首次制成铌金属。虽然他在1866年已能够制备不含钽的铌金属，但要直到20世纪初，铌才开始有商业上的应用：电灯泡灯丝。铌很快就被钨淘汰了，因为钨的熔点比铌更高，更适合作灯丝材料。1920年代，人们发现铌可以加强钢材，这成为铌一直以来的主要用途。贝尔实验室的尤金·昆兹勒（Eugene Kunzler）等人发现，铌锡在强电场、磁场环境下仍能保持超导性，这使铌锡成为第一种能承受高电流和磁场的物质，可用于大功率磁铁和电动机械。这一发现促使了20年后多股长电缆的生产。这种电缆在绕成线圈后可形成大型强电磁铁，用在旋转机械、粒子加速器和粒子探测器当中。

铌的制取

纯净的金属样本在1864年由Christian Blomstrand制取，他用氢气加热还原氯化铌实现。

金属铌可用电解熔融的七氟铌酸钾制取，也可用金属钠还原七氟铌酸钾或金属铝还原五氧化二铌制取。纯铌在电子管中用于除去残留气体，钢中掺铌能提高钢在高温时的抗氧化性，改善钢的焊接性能。铌还用于制造高温金属陶瓷。

开采所得的矿石要经过分离过程，使五氧化二钽（Ta2O5）和五氧化二铌（Nb2O5）从其他矿物中脱离出来。加工过程的首个步骤是与氢氟酸反应：

Ta2O5+ 14 HF → 2 H2[TaF7] + 5 H2O

Nb2O5+ 10 HF → 2 H2[NbOF5] + 3 H2O 

让-夏尔·加利萨·德马里尼亚发明了产业规模的分离方法，利用了铌和钽的氟化物配合物所拥有的水溶性差异。新的方法则使用类似环己酮的有机溶剂把氟化物从水溶液中萃取出来，再用水将铌和钽的配合物从有机溶剂中分别提取。加入氟化钾能使铌沉淀成氟化钾配合物，而加入氨则可沉淀出五氧化二铌：H2[NbOF5] + 2 KF → K2[NbOF5]↓ + 2 HF

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

从化合物到金属态的还原方法有几种。一是对K2[NbOF5]和氯化钠的熔融混合物进行电解，二是用钠对氟化铌进行还原。这种方法所得出的铌金属具有较高的纯度。在大规模生产中，则一般使用氢或碳对Nb2O5进行还原。另一种方法利用铝热反应，其中氧化铁和氧化铌与铝反应：3 Nb2O5+ Fe2O3+ 12 Al → 6 Nb + 2 Fe + 6 Al2O3

少量类似硝酸钠的氧化添加剂可以加强以上反应。这样会产生氧化铝和铌铁合金，后者可用于钢铁生产。铌铁一般含有60%至70%的铌。如不加入氧化铁，铝热反应会产生铌金属，不过要经纯化过程才可制成具超导性质的高纯度铌合金。世界最大的两家铌经销商所用的方法是真空电子束熔炼。

截至2013年，巴西冶金及矿业有限公司（葡萄牙语：Cia. Brasileira de Metalurgia & Mineração）控制了世界85%的铌生产。美国地质调查局估计，铌产量从2005年的38,700吨升至2006年的44,500吨。全球铌资源存量估计有440万吨。在1995至2005年间，产量从17,800吨上升至双倍以上。2009年至2011年，产量维持在每年63,000吨的稳定状态。

铌的分布

根据估算，铌在地球地壳中的丰度为百万分之20，在所有元素中排列第33位。部份科学家认为，铌在整个地球中的含量更高，但因密度高而主要聚集在地核中。铌在自然界中不以纯态出现，而是和其他元素结合形成矿物。这些矿物一般也含有钽元素，例如钶铁矿（即铌铁矿，(Fe,Mn)(Nb,Ta)2O6）和钶钽铁矿（(Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6）。含铌、钽的矿物通常是伟晶岩和碱性侵入岩中的副矿物。其他矿物还有钙、铀和钍以及稀土元素的铌酸盐，例如烧绿石（(Na,Ca)2Nb2O6(OH,F)）和黑稀金矿（(Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)2O6）等。这些大型铌矿藏出现在碳酸盐岩（一种碳酸盐、硅酸盐火成岩）附近，亦是烧绿石的组成成份。

巴西和加拿大拥有最大的烧绿石矿藏。两国在1950年代发现这些矿藏，至今仍是铌精矿的最大产国。世界最大矿藏位于巴西米纳斯吉拉斯州阿拉沙的一处碳酸盐侵入岩地带，属于CBMM（巴西矿物冶金公司）；另一矿藏位于戈亚斯，属于英美资源，同样是碳酸盐侵入岩。以上两个矿场的产量占世界总产量的75%。第三大矿场位于加拿大魁北克省萨格奈附近，产量占世界7%。