Ниобий - удивительный металл, широко используемый в передовых отраслях промышленности. Его соединения с кислородом - оксиды ниобия - проявляют ценные свойства, позволяющие создавать материалы будущего.
Что такое оксиды ниобия
Оксиды ниобия - это неорганические соединения этого металла с кислородом. Они представляют собой тугоплавкие кристаллические порошки белого цвета, не растворимые в воде.
Основные разновидности оксидов ниобия:
- Монооксид NbO
- Диоксид NbO2
- Пентаоксид Nb2O5
Получают эти вещества путем окисления металлического ниобия или гидролиза его хлоридов и фторидов. Оксиды ниобия обладают высокой термической и химической стабильностью.
Кристаллические модификации оксидов ниобия
У оксидов ниобия существует несколько кристаллических модификаций с различными свойствами.
Моноксид ниобия NbO
Это серые кристаллы со структурой типа NaCl. Моноксид ниобия имеет область гомогенности NbO0,982-NbO1,008, температуру плавления 1945°С, плотность 7,26 г/см3. Это полупроводник, который при температуре ниже 1,5К переходит в сверхпроводящее состояние.
Диоксид ниобия NbO2
Этот оксид имеет несколько кристаллических модификаций:
- Низкотемпературная α-форма с искаженной структурой рутила
- Высокотемпературная β-форма с неискаженной структурой
- Метастабильная β-форма, получаемая химическими методами
α-NbO2 превращается в β-NbO2 с металлической проводимостью при температуре 797°С.
Пентаоксид ниобия Nb2O5
Для пятиокиси ниобия описано более 10 кристаллических модификаций, из которых при нормальном давлении стабильна только р-форма. Остальные модификации Nb2O5 можно получить химическими методами и они превращаются в р-форму при нагревании до 1000-1100°С.
На рисунке приведена фазовая диаграмма системы Nb-O с точками плавления основных оксидов ниобия:
В таблице представлены основные кристаллические модификации оксидов ниобия и их свойства:
| Оксид ниобия | Кристаллическая структура | Температура плавления, °C |
| NbO | Типа NaCl | 1945 |
| α-NbO2 | Искаженная рутила | 1917 |
| β-NbO2 | Неискаженная рутила | 1912 |
| р-Nb2O5 | Блоки октаэдров ниобия | 1510 |
Применение оксидов ниобия
Благодаря своим уникальным свойствам оксиды ниобия находят широкое применение в различных областях.
Металлургия и машиностроение
Оксиды ниобия используются в производстве жаропрочных ниобиевых сплавов, а также композиционных материалов на металлической основе. Благодаря высокой температуре плавления оксидов, они позволяют упрочнять сплавы и придавать им нужные свойства.
Кроме того, соединения ниобия применяются в литейном производстве в качестве компонента формовочных смесей. Они обеспечивают легкое извлечение отливок из форм.
Химическая промышленность
В химической промышленности оксиды ниобия используются для получения металлического ниобия путем восстановления. Например, водород восстанавливает пентаоксид ниобия Nb2O5 до более низких оксидов вплоть до металла.
Помимо этого, соединения ниобия применяются в синтезе других веществ. Оксиды вступают в реакции с хлоридами, фторидами и другими веществами с образованием хлоридов, оксихлоридов ниобия и пр.
Производство огнеупоров
Благодаря высокой термостойкости оксиды ниобия широко используются в производстве жаропрочных огнеупорных изделий. Их добавляют в состав огнеупорных бетонов, кирпичей, масс для футеровки печей и агрегатов.
Помимо этого, пентаоксид ниобия входит в состав специальной жаростойкой керамики, которая может длительно эксплуатироваться при температурах свыше 1000°С.
Применение в оптике и электронике
Уникальные оптические свойства оксидов ниобия используются в производстве специальных оптических стекол и линз. Оксиды повышают показатель преломления стекла, делают его прозрачным в инфракрасном диапазоне.
Кроме того, некоторые оксиды ниобия являются перспективным материалом для изготовления тонкопленочных элементов в электронике. Их используют для создания конденсаторов, терморезисторов, пьезоэлементов и других устройств.
Ядерная энергетика
В ядерной энергетике нашли применение радиоактивные изотопы оксидов ниобия. Например, оксид ниобия-93 используется в нейтронных источниках для управления ядерным реактором.
Помимо этого, некоторые соединения ниобия перспективны в качестве материала для оболочек твэлов - тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.
Прочие области применения
Оксиды ниобия также находят применение как компоненты керамических пигментов, в производстве абразивных материалов, ювелирных украшений, монет и других изделий.
