Де ви прописані? - Без ексцесів. - Заінтриговані сусіди. - Посилка з берегів Колумбії. - 150 років потому. - Два відкриття. - "Учинити йому новий допит..." - В честь богині печалі. - "Колумбисты" примиряються з долею. - Водою не розіллєш. - Шкурка варта вичинки. - Немає лиха без добра. - Визнання. - Важливі справи. - Виручає порожнеча. - Мороз не страшний. - Помилка призводить до відкриття. - Без всякого опору. - Рекорд доводиться поступитися. - Як впіймати двох зайців? - Суперник цирконію. - У боротьбі з газом. - Відповідальний медичний працівник. - Валютні операції. - Пророцтво збувається.
До середини минулого століття було відкрито вже кілька десятків хімічних елементів. Але, на жаль, вони не мали тоді ні власного кутка, ні постійної прописки. І лише в 1869 році, коли Дмитро Іванович Менделєєв побудував багатоповерхову будівлю своєї Періодичної системи, всі відкриті до того часу елементи знайшли, нарешті, притулок.
При розподілі житлової площі заслуги майбутніх мешканців перед наукою і технікою, а також стаж роботи до уваги не приймалися. Враховувалися тільки особисті якості (в першу чергу атомна маса), нахили, схожість з найближчими сусідами. Велику роль при цьому відігравали і зв'язку (зрозуміло, хімічні). Щоб уникнути можливих негараздів мешканців з різними характерами та поглядами на життя розміщували якомога далі один від одного.
У п'ятому під'їзді (тобто у п'ятій групі) на п'ятому поверсі (точніше, у п'ятому періоді) в квартирі №41 мешканець оселився з красивим ім'ям - Ніобій. Хто він такий? Звідки родом?
...У середині XVII століття в басейні річки Колумбії (Північна Америка) був знайдений важкий чорний мінерал з золотистими прожилками слюди. Разом з іншими каменями, зібраними в різних частинах Нового Світла, цей мінерал (названий згодом колумбитом) був відправлений до Англії в Британський музей. Без малого 150 років пролежав камінь під склом на стенді музею, перебуваючи у списку експонатів зразком залізної руди. Але ось в 1801 році відомий вже у той час хімік Чарльз Хатчет зацікавився цим красивим мінералом. Аналіз показав, що в камені дійсно містилися залізо, марганець, кисень, але поряд з ними був і якийсь незнайомий елемент, що утворює речовину з властивостями кислотного оксиду. Новий елемент Хатчет назвав колумбием.
Через рік шведський вчений Андрія Густав Экеберг в деяких скандинавських мінералах знайшов ще один новий елемент, названий ним на честь міфологічного героя танталом. Назва, мабуть, символізувало ті труднощі ("муки Тантала"), які зазнавали хіміки, намагаючись розчинити оксид нового елемента в кислотах. Властивості танталу і колумбія виявилися абсолютно ідентичними, і багато вчених, у тому числі знаменитий Єні Якоб Берцеліус, вирішили, що мають справу не з двома різними елементами, а з одним і тим же - танталом.
Надалі Берцеліус засумнівався в правильності такої точки зору. У листі до свого учня німецькому хіміку Фрідріху Велеру він писав: "Посилаю тобі назад твій X, який я запитував, як міг, але від якого я отримав ухильні відповіді. "Ти титан?" - запитував я. Він відповідав: "Велер ж тобі сказав, що я не титан". Я також встановив це. "Ти цирконій?" - "Ні, - відповідав він. - Я розчиняюся в соді, чого не робить цирконовая земля". - "Ти олово?" - "Я утримую олово, але дуже мало" - "Ти тантал?" - "Я з ним споріднений, - відповідав він. - Але я поступово розчиняється в їдкому калі і осаждаюсь з нього жовто-коричневим". - "Ну що ж ти за диявольська річ?" - запитав я. Тоді мені здалося, що він відповів: "Мені не дали імені". Між іншим, я не цілком впевнений, чи я це чув, тому що він був праворуч від мене, а я дуже погано чую на праве вухо. Так як твій слух краще мого, то я тобі шлю цього шибеника тому, щоб учинити йому новий допит..."
Але і Велеру не вдалося розібратися у взаєминах елементів, відкритих Хатчетом і Экебергом. Лише в 1844 році німецький хімік Генріх Розі після многотрудний пошуків, на які пішло півтора десятка років, зумів довести, що мінерал колумбіт містить два різних елемента - тантал і Колумбії, якому Розі дав нове ім'я - "ніобій" (з давньогрецької міфології богиня печалі і страждань Ніоба - дочка Тантала). Однак у деяких країнах (США, Англії) довго зберігалася первісна назва елемента - Колумбії, і лише в 1950 році Міжнародний союз чистої та прикладної хімії вирішив покінчити з цією різноголоссям і запропонував хімікам всього світу іменувати цей елемент ніобієм.
Перший час американські і англійські хіміки намагалися домогтися скасування цього рішення, яке здавалося їм несправедливим, але вирок був остаточним і оскарженню не підлягав. Довелося "колумбистам" примиритися з цим ударом долі, а в хімічній літературі США і Англії з'явився новий символ "Nb".
Спільне проживання ніобію і танталу в природі, обумовлене надзвичайних їх хімічною подібністю, довгий час гальмувало розвиток промисловості цих металів. Лише в 1866 році швейцарський хімік Жан Шарль Галиссар де Мариньяк зумів розробити перший промисловий спосіб поділу хімічних близнюків. Він скористався різною розчинністю деяких сполук цих металів: комплексний фторид танталу не розчиняється у воді, аналогічне з'єднання ніобію досить добре розчинно у ній. В удосконаленому вигляді спосіб Мариньяка застосовували до недавнього часу, однак, зараз на зміну йому прийшли нові, більш ефективні способи - виборча екстракція, іонний обмін, ректифікація галогенідів.
Наприкінці XIX століття французький хімік Анрі Муассан отримав чистий ніобій електротермічним шляхом, відновлюючи оксид ніобію вуглецем в електропечі.
В наші дні виробництво металевого ніобію являє собою складний багатостадійний процес. Спочатку ніобієву руду збагачують. Отриманий концентрат сплавляють з різними плавнями (їдким натром, гідросульфітом або содою), потім витравлюють, в результаті чого випадає нерозчинний осад гідроксиду ніобію і танталу. Потім близнюків розлучають, і ніобій виявляється у вигляді оксиду або хлориду. Відновленням цих сполук при високій температурі вдається отримати порошкоподібний ніобій, який потрібно перетворити в компактний метал, придатний для обробки.
Це досягається наступним чином. З порошку під великим тиском пресують так звані штабики (заготовки) прямокутного або квадратного перетину. Штабики спекают в вакуумі в кілька етапів, причому на заключній стадії температура досягає 2350°С. надалі ніобій надходить в дугову вакуумну піч, де і завершується весь цикл перетворення ніобієвої руди на метал.
Кілька років тому промисловість освоїла электроннолучевую плавку ніобію, що виключає такі трудомісткі проміжні операції, як пресування і спікання. При цьому способі на порошкоподібний ніобій направляють потужний потік електронів. Порошок починає плавитися, і краплі металу падають на ниобиевый злиток, який по мірі проплавлення порошку росте і поступово виводиться з робочої камери.
Як бачите, ніобій проходить довгий шлях, перш ніж руда стає металом. І все ж шкурка варта вичинки: сьогодні ніобій дуже потрібен промисловості. А починав він свою трудову діяльність у... відвалах.
Як це ні парадоксально, але в ті часи його вважали лише шкідливою домішкою до олова і при видобутку цього металу величезні кількості ніобію викидали на смітник. Та ж врахувати спіткала його і тоді, коли промисловий світ зацікавився танталом, а до ниобию ще залишався байдужим: при переробці танталових руд ниобиевая порожня порода йшла у відвал. Але немає лиха без добра, і згодом, коли ніобій був гідно оцінений людиною, ці відходи виробництва перетворилися на багатющі "родовища" ниобиевых руд.
Після того, як в 1907 році німецькому хіміку Вернеру фон Больтону вдалося отримати цей метал в компактному вигляді, ніобій, подібно багатьом іншим своїм тугоплавким побратимам, спробував свої сили у виробництві електроламп в якості матеріалу для ниток розжарювання. Але, як відомо, прижився тут тільки вольфрам, а всім іншим довелося шукати удачі на іншому терені.
До 1925 року відносяться перші спроби використовувати ніобій як легуючого елемента: у США були проведені дослідження по заміні їм вольфраму, що міститься в швидкорізальної сталі. Ці досліди виявилися невдалими, але важливо було інше: ніобій потрапив у поле зору металургів.
У 1930 році загальний світовий запас виробів з ніобію (листів, дроту та ін) становив всього... 10 кілограмів . Але невдовзі прийшло визнання, а разом з ним різко зросло і виробництво цього металу. Ніобій зумів довести, що він з повним правом може бути названий "вітаміном" стали. Присадка його до хромистої стали покращувала її пластичність, збільшувала корозійну стійкість. Було встановлено, що введення в нержавіючу сталь ніобію (до 1%) запобігає виділення карбідів хрому по межах зерен і, отже, усуває межкристаллитную корозію. Добавка його до конструкційних сталям значно підвищує опір удару при знижених температурах; сталь набуває здатність легко витримувати змінні навантаження, що має велике значення, наприклад, в авіабудуванні.
Важливу роль судилося відіграти ниобию у зварювальному справі. До тих пір, поки зварюванні піддавали лише звичайні сталі, ніяких труднощів цей процес не уявляв. Але коли зварювальникам довелося мати справу зі спеціальними легованими сталями складного хімічного складу, наприклад з нержавіючої, виявилося, що зварний шов втрачає багато цінні властивості, якими володіє зварюваний метал. Як поліпшити якість шва? Пробували змінити конструкцію зварювального апарату - не допомогло. Змінювали склад електродів - безуспішно. Намагалися вести зварювання в атмосфері інертних газів - ніякого ефекту. Ось тут-то на допомогу прийшов ніобій. Сталь, в яку був введений цей елемент, можна було зварювати, не турбуючись про якість шва: він ні в чому не поступався сусідніх шарів металу, що не піддавався зварюванні.
До останнього часу великі труднощі виникали при необхідності отримати міцне з'єднання тугоплавких металів, наприклад ніобію з молібденом. Виручила... порожнеча. Виявилося, що у вакуумі температура плавлення багатьох речовин значно нижче, ніж в звичайних умовах. Вчені не сповільнили скористатися цією обставиною, щоб подолати бар'єр несумісності": зварювання тугоплавких металів у вакуумі дала відмінні результати.
Як легирующий елемент ніобій широко відомий у кольоровій металургії. Так, алюміній, легко розчиняється в лугах, не реагує з ними, якщо в неї ввести всього 0,05% ніобію. Мідь і її сплави при добавці цього елемента набувають твердість, титан, молібден і цирконій стають більш міцними і жаростійкі. При низьких температурах багато сплави та сталі тендітні, як скло. Виявилося, що ніобій в змозі позбавити їх від цього недоліку. Невелика добавка ніобію дозволяє металу зберігати свою міцність навіть при восьмидесятиградусных морозах. Ця якість особливо важливо для деталей реактивних літаків, що літають на великих висотах.
Сам ніобій охоче вступає в союз з іншими елементами. Коли одна з американських фірм випустила партію нібито надчистого ніобію, замовники були дуже здивовані, що він не плавиться при 2500°С, хоча температура плавлення чистого ніобію трохи нижче. Лабораторний аналіз допоміг встановити, що в цьому "сверхчистом" ніобії містились невеликі кількості цирконію. Так несподівано був відкритий сверхжаростойкий ніобій-цирконієвий сплав.
Ряд цінних якостей надають ниобию і добавки інших металів. Вольфрам і молібден підвищують теплостійкість металевого ніобію, алюміній робить його міцніше, мідь значно покращує його електропровідність. Чистий ніобій проводить електричний струм майже в десять разів гірше, ніж мідь. Сплав ж ніобію з 20% міді володіє високою електропровідністю і при цьому він вдвічі міцніше і твердіше чистої міді. У союзі з танталом ніобій здатний протистояти сірчаної і соляної кислот навіть при 100°С.
Ніобій - незамінна складова частина сплавів для робочих лопаток турбін реактивних двигунів, де метал повинен зберігати свою міцність при високих температурах. З ниобийсодержащих сплавів і чистого ніобію виготовлені деякі деталі надзвукових літаків, космічних ракет, штучних супутників Землі.
Ще зовсім недавно явищем надпровідності цікавилися тільки фізики. Зараз надпровідність вже переступила межі лабораторій і починає вторгатися в техніку, де для її практичного застосування відкриваються широкі перспективи. У чому ж сутність цього явища?
Більше 70 років тому було виявлено, що при дуже низьких температурах в деяких металах, сплавах і хімічних сполуках струм починає протікати без всяких втрат - опір зникає. Але для цього метал потрібно охолодити майже до абсолютного нуля, тобто до -273°С. Дуже високою (якщо тільки тут доречний цей термін), а отже, порівняно легко досяжною температурою переходу в надпровідний стан (18К, або -265°С) характеризується станнид ніобію - з'єднання ніобію з оловом. Виготовлені з нього надпровідні магнітні котушки створюють колосальні магнітні поля: магніт розміром трохи більше звичайної консервної банки, в якому обмоткою служить стрічка з такого з'єднання, здатний створити поле напруженістю в 100 тисяч ерстед (для порівняння зазначимо, що напруженість магнітного поля Землі становить усього кілька ерстед).
Довгий час станнид ніобію вважався рекордсменом по температурного порогу надпровідності, але в 1974 році він змушений був поступитися цей титул іншому представнику сімейства ніобію - його германиду, тобто з'єднанню з германієм. Тепер рекордна критична температура, нижче якої спостерігається ефект надпровідності, становить приблизно 23 До (або -250°С). В експериментах, проведених американськими вченими, через квадратний сантиметр плівки з германида ніобію вдавалося передати струм в мільйон ампер. Це означає, що для постачання електроенергією середнього за величиною міста достатньо буде двох невеликих, завтовшки з олівець, надпровідних трубок.
Ніобій широко використовують у техніці та в чистому вигляді. Виключно висока корозійна стійкість цього металу зумовила його застосування в хімічному машинобудуванні. Цікаво, що при виготовленні апаратури і трубопроводів солянокислотного виробництва ніобій не тільки служить конструкційним матеріалом, але і відіграє при цьому роль каталізатора, даючи можливість отримати більш концентровану кислоту. Каталітичні здібності ніобію використовують і в інших процесах, наприклад, при синтезі спирту з бутадієну.
Вельми почесна і служба ніобію в атомних реакторах, де він працює пліч-о-пліч з цирконієм, часом цілком успішно конкуруючи з ним. Подібно цирконію, ніобій має нейтронної прозорістю (тобто здатність пропускати нейтрони) і поряд з цим дуже високою температурою плавлення, значною жаростійкістю, стійким опором хімічних впливів, відмінними механічними властивостями. Крім того, ніобій майже не взаємодіє з розплавленими лужними металами. Рідкі натрій і калій, що застосовуються в якості теплоносіїв в ядерних реакторах деяких типів, можуть вільно циркулювати по ниобиевым трубах, не завдаючи їм шкоди. Для ніобію характерна невисока штучна (наведена) радіоактивність, тому з нього можна робити контейнери для зберігання радіоактивних відходів або установки щодо їх використання.
Слід згадати ще про один цікавий властивості цього металу: він відмінний газопоглинач. Так, при звичайній температурі в 1 грамі ніобію може бути розчинено більше 100 кубічних сантиметрів водню; навіть при 500°С розчинність водню в ніобії становить близько 75 кубічних сантиметрів на грам. Це властивість металу використовують у виробництві високовакуумних електронних ламп. При відкачуванні ламп у них все ж залишається деяка кількість газів, що заважають роботі. Ніобій, нанесений на деталі ламп, як губка, поглинає ці гази, забезпечуючи тим самим вельми високий вакуум. Деталі електронних ламп, виготовлені з ніобію, більш економічні, ніж танталові або вольфрамові, і служать набагато довше. Так, термін служби потужних генераторних ламп з ниобиевым катодом досягає 10 тисяч годин.
Як і тантал, ніобій абсолютно не викликає подразнення тканин людського тіла, зростається з ним і залишається інертним навіть після тривалого впливу рідкого середовища організму. Завдяки цим властивостям ніобій звернув на себе увагу хірургів і тепер з повним правом може вважати себе відповідальним медичним працівником.
В останній час подейкують, що ніобій вирішив всерйоз зайнятися... валютними операціями. Справа в тому, що у зв'язку з браком срібла американські фінансисти припускають для виготовлення металевих грошей використовувати замість нього ніобій, оскільки вартість ніобію приблизно відповідає вартості срібла.
Якщо простежити за різними літературними джерелами за даними про вміст ніобію у земній корі, то виявиться, що протягом останніх кількох десятків років воно постійно... зростає. Зрозуміло, фактичні запаси цього металу на нашій планеті залишаються практично постійними, а ось кількість розвіданих родовищ його весь час збільшується. В останні роки нові значні поклади ниобиевых руд виявлені в Африці. Найбільший постачальник концентратів ніобію на світовий ринок - Нігерія, де розташовані величезні скупчення колумбита.
У нашій країні справжньою коморою корисних копалин по праву вважається Кольський півострів. Століттями землі цього краю були безплідними і некорисними, хоча ще в 1763 році Ломоносов М. В. пророкував: "З багатьох доказів укладаю, що і в північних земних надрах докладно і багато царює натура і береги Білого моря повинні бути не мізерні мінералами". За роки Радянської влади тут відкрито безліч важливих родовищ, знайдені десятки цінних мінералів, в тому числі попарить, що містить до 8% ніобію. Цікаво, що цей мінерал, знайдений чудовим дослідником Кольського півострова академіком А.Є. Ферсманом в Хібінах, ні в яких інших місцях земної кулі не зустрічається.
...Ось ви і познайомилися з мешканцем квартири №41, на дверях якого висить табличка з написом "Ніобій".
