铌:化學元素-中文百科頻道

發現曆史

當于1801年考察在大英博物館的礦石時，Charles Hatchett被一個标簽為columbite（钶鐵礦）的樣本激起了興趣。他推測其包含一種新的金屬，他是對的。他加熱一塊樣本與碳酸鉀，溶解産物到水中，添加了酸後獲得了沉澱物。然而，進一步的處理也沒能生産出元素本身，他命名其為columbium（钶——铌元素的舊譯），被人們已知多年。

其他人則對钶持懷疑态度，尤其是在接下來的一年發現了钽之後。這些金屬在大自然中一起出現，而且很難分離。在1844年德國化學家Heinrich Rose證明了钶鐵礦包含了這兩種元素，他把columbium（钶）命名為niobium（铌）。“Columbium”（钶，符号Cb）是哈契特對新元素所給的最早命名。這一名稱在美國一直有廣泛的使用，美國化學學會在1953年出版了最後一篇标題含有“钶”的論文；“铌”則在歐洲通用。1949年在阿姆斯特丹舉辦的化學聯合會第15屆會議最終決定以“铌”作為第41号元素的正式命名。翌年，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）也采納了這一命名，結束了一個世紀來的命名分歧，盡管“钶”的使用時間更早。這可算是一種妥協：IUPAC依北美的用法選擇“Tungsten”而非歐洲所用的“Wolfram”作為鎢的命名，并在铌的命名上以歐洲的用法為先。具權威性的化學學會和政府機構都一般以IUPAC正式命名稱之，但美國地質調查局以及冶金業、金屬學會等組織至今仍使用舊名“钶”。

當時，科學家未能有效地把钶（铌）和性質極為相似的钽區分開來。1809年，英國化學家威廉·海德·沃拉斯頓（William Hyde Wollaston）對钶和钽的氧化物進行比較，得出兩者的密度分别為5.918g/cm3及超過16.6g/cm3。雖然密度值相差巨大，但他仍認為兩者是完全相同的物質。另一德國化學家海因裡希·羅澤（Heinrich Rose）在1846年駁斥這一結論，并稱原先的钽鐵礦樣本中還存在着另外兩種元素。他以希臘神話中坦塔洛斯的女兒尼俄伯（Niobe，淚水女神）和兒子珀羅普斯（Pelops）把這兩種元素分别命名為“Niobium”（铌）和“Pelopium”。钽和铌的差别細微，而因此得出的新“元素”Pelopium、Ilmenium和Dianium實際上都隻是铌或者铌钽混合物。

1864年，克利斯蒂安·威廉·布隆斯特蘭（Christian Wilhelm Blomstrand）、亨利·愛丁·聖克萊爾·德維爾和路易·約瑟夫·特羅斯特（Louis Joseph Troost）明确證明了钽和铌是兩種不同的化學元素，并确定了一些相關化合物的化學公式。瑞士化學家讓-夏爾·加利薩·德馬裡尼亞（Jean Charles Galissard de Marignac）在1866年進一步證實除钽和铌以外别無其他元素。然而直到1871年還有科學家發表有關Ilmenium的文章。

1864年，德馬裡尼亞在氫氣中對氯化铌進行還原反應，首次制成铌金屬。雖然他在1866年已能夠制備不含钽的铌金屬，但要直到20世紀初，铌才開始有商業上的應用：電燈泡燈絲。铌很快就被鎢淘汰了，因為鎢的熔點比铌更高，更适合作燈絲材料。1920年代，人們發現铌可以加強鋼材，這成為铌一直以來的主要用途。貝爾實驗室的尤金·昆茲勒（Eugene Kunzler）等人發現，铌錫在強電場、磁場環境下仍能保持超導性，這使铌錫成為第一種能承受高電流和磁場的物質，可用于大功率磁鐵和電動機械。這一發現促使了20年後多股長電纜的生産。這種電纜在繞成線圈後可形成大型強電磁鐵，用在旋轉機械、粒子加速器和粒子探測器當中。

純淨的金屬樣本在1864年由Christian Blomstrand制取，他用氫氣加熱還原氯化铌實現。

元素簡介

元素信息

一種金屬元素。铌能吸收氣體，用作除氣劑，也是一種良好的超導體。舊稱“钶”。化學符号Nb，原子序數41，原子量92.90638，屬周期系ⅤB族。1801年英國查爾斯·哈切特（Charles·Hatchett）在研究倫敦大英博物館中收藏的铌鐵礦中分離出一種新元素的氧化物，并命名該元素為columbium（中譯名钶）。1802年瑞典A.G.厄克貝裡在钽鐵礦中發現另一種新元素 tantalum。由于這兩種元素性質上非常相似，不少人認為它們是同一種元素。由于它與钽非常相似，起初他竟搞混了。1844年德意志H.羅澤詳細研究了許多铌鐵礦和钽鐵礦，分離出兩種元素，才澄清了事實真相。最後查爾斯·哈切特用神話中的女神尼俄伯（Niobe）的名字命名了該元素。在曆史上，最初人們用铌所在的铌鐵礦的名字“columbium”來稱呼铌。铌在地殼中的含量為0.002%，铌在地殼中的自然儲量為520萬噸，可開采儲量440萬噸，主要礦物有铌鐵礦、燒綠石和黑稀金礦、褐钇铌礦、钽鐵礦、钛铌鈣铈礦。

元素命名

“Columbium”（钶，符号Cb）是哈契特對新元素所給的最早命名。這一名稱在美國一直有廣泛的使用，美國化學學會在1953年出版了最後一篇标題含有“钶”的論文；“铌”則在歐洲通用。1949年在阿姆斯特丹舉辦的化學聯合會第15屆會議最終決定以“铌”作為第41号元素的正式命名。翌年，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）也采納了這一命名，結束了一個世紀來的命名分歧，盡管“钶”的使用時間更早。這可算是一種妥協：IUPAC依北美的用法選擇“Tungsten”而非歐洲所用的“Wolfram”作為鎢的命名，并在铌的命名上以歐洲的用法為先。具權威性的化學學會和政府機構都一般以IUPAC正式命名稱之，但美國地質調查局以及冶金業、金屬學會等組織至今仍使用舊名“钶”。

同位素

自然産生的铌由一種穩定同位素組成：93Nb。截至2003年，已合成的放射性同位素共有至少32種，原子量在81和113之間。其中最穩定的是92Nb，半衰期有3470萬年；113Nb是最不穩定的同位素之一，其半衰期估計隻有30毫秒。比93Nb更輕的同位素一般進行β+衰變，比它重的則會進行β-衰變。例外包括：81Nb、82Nb和84Nb會進行少量β緩發質子發射，91Nb會進行電子捕獲和正電子發射，而92Nb會同時進行正電子（β+）和電子（β-）發射。

已知的核素共有25種，質量數介乎84至104。這個質量區間内的同位素中，隻有96Nb、101Nb和103Nb不具有同核異構體。最穩定的铌同核異構體是93mNb，半衰期為16.13年；最不穩定的是84mNb，半衰期為103納秒。除92m1Nb進行少量電子捕獲之外，所有同核異構體的衰變方式都是同核異構體轉換或β衰變。

理化性質

物理性質

铌是灰白色金屬，熔點2468℃，沸點4742℃，密度8.57g/cm3。铌是一種帶光澤的灰色金屬，具有順磁性，高純度铌金屬的延展性較高，但會随雜質含量的增加而變硬。它的最外電子層排布和其他的5族元素非常不同。同樣的現象也出現在前後的钌（44）、铑（45）和钯（46）元素上。

元素

每層電子數

釩

2，8，11，2

铌

2，8，18，12，1

钽

2，8，18，32，11，2

105

2，8，18，32，32，11，2（預測）

铌在低溫狀态下會呈現超導體性質。在标準大氣壓力下，它的臨界溫度為9.2K，是所有單質超導體中最高的。其磁穿透深度也是所有元素中最高的。铌是三種單質第II類超導體之一，其他兩種分别為釩和锝。铌金屬的純度會大大影響其超導性質。

铌對于熱中子的捕獲截面很低，因此在核工業上有相當的用處。

化學性質

室溫下铌在空氣中穩定，在氧氣中紅熱時也不被完全氧化，高溫下與硫、氮、碳直接化合，能與钛、锆、铪、鎢形成合金。不與無機酸或堿作用，也不溶于王水，但可溶于氫氟酸。

铌金屬室溫下在空氣中是極其穩定的，不與空氣作用。雖然它在單質狀态下的熔點較高（2468°C），但其密度卻比其他難熔金屬低。铌還能抵禦各種侵蝕，并能形成介電氧化層。

铌的電正性比位于其左邊的锆元素低。其原子大小和位于其下方的钽元素原子幾乎相同，這是镧系收縮效應所造成的。這使得铌的化學性質與钽非常相近。雖然它的抗腐蝕性沒有钽這麼高，但是它價格更低，也更為常見，所以在要求較低的情況下常用以代替钽，例如作化工廠化學物槽内塗層物料。

制取

金屬铌可用電解熔融的七氟铌酸鉀制取，也可用金屬鈉還原七氟铌酸鉀或金屬鋁還原五氧化二铌制取。純铌在電子管中用于除去殘留氣體，鋼中摻铌能提高鋼在高溫時的抗氧化性，改善鋼的焊接性能。铌還用于制造高溫金屬陶瓷。

開采所得的礦石要經過分離過程，使五氧化二钽（Ta2O5）和五氧化二铌（Nb2O5）從其他礦物中脫離出來。加工過程的首個步驟是與氫氟酸反應：

Ta2O5+ 14 HF → 2 H2[TaF7] + 5 H2O

Nb2O5+ 10 HF → 2 H2[NbOF5] + 3 H2O

讓-夏爾·加利薩·德馬裡尼亞發明了産業規模的分離方法，利用了铌和钽的氟化物配合物所擁有的水溶性差異。新的方法則使用類似環己酮的有機溶劑把氟化物從水溶液中萃取出來，再用水将铌和钽的配合物從有機溶劑中分别提取。加入氟化鉀能使铌沉澱成氟化鉀配合物，而加入氨則可沉澱出五氧化二铌：

H2[NbOF5] + 2 KF → K2[NbOF5]↓ + 2 HF

然後：

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

從化合物到金屬态的還原方法有幾種。一是對K2[NbOF5]和氯化鈉的熔融混合物進行電解，二是用鈉對氟化铌進行還原。這種方法所得出的铌金屬具有較高的純度。在大規模生産中，則一般使用氫或碳對Nb2O5進行還原。另一種方法利用鋁熱反應，其中氧化鐵和氧化铌與鋁反應：

3 Nb2O5+ Fe2O3+ 12 Al → 6 Nb + 2 Fe + 6 Al2O3

少量類似硝酸鈉的氧化添加劑可以加強以上反應。這樣會産生氧化鋁和铌鐵合金，後者可用于鋼鐵生産。铌鐵一般含有60%至70%的铌。如不加入氧化鐵，鋁熱反應會産生铌金屬，不過要經純化過程才可制成具超導性質的高純度铌合金。世界最大的兩家铌經銷商所用的方法是真空電子束熔煉。

截至2013年，巴西冶金及礦業有限公司（葡萄牙語：Cia. Brasileira de Metalurgia & Mineração）控制了世界85%的铌生産。美國地質調查局估計，铌産量從2005年的38,700噸升至2006年的44,500噸。全球铌資源存量估計有440萬噸。在1995至2005年間，産量從17,800噸上升至雙倍以上。2009年至2011年，産量維持在每年63,000噸的穩定狀态。

化合物

铌在很多方面都與钽及锆十分相似。它會在室溫下與氟反應，在200°C下與氯和氫反應，以及在400°C下與氮反應，産物一般都是間隙非整比化合物。铌金屬在200°C下會在空氣中氧化，且能抵禦熔融堿和各種酸的侵蝕，包括王水、氫氯酸、硫酸、硝酸和磷酸等。不過氫氟酸以及氫氟酸和硝酸的混合物則可以侵蝕铌。

雖然铌可以形成氧化态為+5至−1的各種化合物，但它最常見的還是處于+5氧化态。氧化态低于+5的铌化合物中都含有铌﹣铌鍵。

氧化物及硫化物

铌的氧化物可以有以下的氧化态：+5（Nb2O5）、+4（NbO2）和+3（Nb2O3），另外較罕見的有+2态（NbO）。五氧化二铌是最常見的铌氧化物，铌金屬及所有铌化合物的制備都需從其開始。要制成铌酸鹽，可将五氧化二铌溶于堿性氫氧化物溶液中，或熔化于堿金屬氧化物中。铌酸锂（LiNbO3）具有鈣钛礦型偏三方晶系結構，而铌酸镧則含孤立的NbO3−離子。其他已知化合物還包括硫化铌（NbS2），它會形成層狀結構。

利用化學氣相沉積法或原子層沉積法可以在物料表面加上五氧化二铌薄層，兩種方法均用到乙醇铌(V)在350°C以上會熱分解的原理。

鹵化物

铌可以形成擁有+5和+4氧化态的鹵化物，以及各種亞化學計量化合物。五鹵化铌（NbX5）含有八面體型铌中心原子。五氟化铌（NbF5）是一種白色固體，熔點為79.0°C，而五氯化铌（NbCl5則呈黃色，熔點為203.4°C。兩者均可經水解形成氧化物和鹵氧化物，例如NbOCl3。五氯化铌也是一種具揮發性的試劑，可用于合成包括二氯二茂铌（(C5H5)2NbCl2）在内的各種有機金屬化合物。铌的四鹵化物（NbX4）都是深色的聚合物，内含铌﹣铌鍵，如呈黑色、具吸濕性的四氟化铌（NbF4）和棕色的四氯化铌（NbCl4）。

铌的鹵化物負離子也存在，這是因為铌的五鹵化物都是路易斯酸。最重要的一種為[NbF7]，它是铌和钽的礦物分離過程中的一個中間化合物。它比對應的钽化合物更易轉換為氧五氟化物。其他鹵化配合物還包括[NbCl6]：

Nb2Cl10+ 2Cl→ 2 [NbCl6]

铌還會形成多種還原鹵化物原子簇，如[Nb6Cl18]。

氮化物及碳化物

氮化铌（NbN）在低溫下會變成超導體，被用在紅外線探測器中。最主要的碳化铌是NbC，其硬度極高，是一種耐火的陶瓷材料，可用作切割工具刀頭材料。

分布

根據估算，铌在地球地殼中的豐度為20％，在所有元素中排列第33位。部分科學家認為，铌在整個地球中的含量更高，但因密度高而主要聚集在地核中。铌在自然界中不以純态出現，而是和其他元素結合形成礦物。這些礦物一般也含有钽元素，例如即铌鐵礦(Fe,Mn)(Nb,Ta)2O6）和钶钽鐵礦（(Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6）。含铌、钽的礦物通常是偉晶岩和堿性侵入岩中的副礦物。其他礦物還有鈣、鈾和钍以及稀土元素的铌酸鹽，例如燒綠石（(Na,Ca)2Nb2O6(OH,F)）和黑稀金礦（(Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)2O6）等。

巴西和加拿大擁有最大的燒綠石礦藏。兩國在1950年代發現這些礦藏，至今仍是铌精礦的最大産國。世界最大礦藏位于巴西米納斯吉拉斯州阿拉沙的一處碳酸鹽侵入岩地帶，屬于CBMM（巴西礦物冶金公司）；另一礦藏位于戈亞斯，屬于英美資源，同樣是碳酸鹽侵入岩。以上兩個礦場的産量占世界總産量的75%。第三大礦場位于加拿大魁北克省薩格奈附近，産量占世界7%。

應用領域

超導應用

人們很早以前就發現，當溫度降低到接近絕對零度的時俟，有些物質的化學性質會發生突然的改變，變成一種幾乎沒有電阻的“超導體”。物質開始具有這種奇異的“超導”性能的溫度叫臨界溫度。不用說，各種物質的臨界溫度是不一樣的。

要知道，超低溫度是很不容易得到的，人們為此而付出了巨大的代價；越向絕對零度接近，需要付出的代價越大。所以我們對超導物質的要求，當然是臨界溫度越高越好。

具有超導性能的元素不少，铌是其中臨界溫度最高的一種。而用铌制造的合金，臨界溫度高達絕對溫度十八點五到二十一度，是目前最重要的超導材料。

人們曾經做過這樣一個實驗：把一個冷到超導狀态的金屬铌環，通上電流然後再斷開電流，然後，把整套儀器封閉起來，保持低溫。過了兩年半後，人們把儀器打開，發現铌環裡的電流仍在流動，而且電流強弱跟剛通電時幾乎完全相同！

從這個實驗可以看出，超導材料幾乎不會損失電流。如果使用超導電纜輸電，因為它沒有電阻，電流通過時不會有能量損耗，所以輸電效率将大大提高。

有人設計了一種高速磁懸浮列車，它的車輪部位安裝有超導磁體，使整個列車可以浮起在軌道上約十厘米。這樣一來，列車和軌道之間就不會再有摩擦，減少了前進的阻力。一列乘載百人的磁懸浮列車，隻消一百馬力的推動力，就能使速度達到每小時五百公裡以上。

用一條長達二十公裡的铌錫帶，纏繞在直徑為一點五米的輪緣上，繞組能夠産生強烈而穩定的磁場，足以舉起一百二十二公斤的重物，并使它懸浮在磁場空間裡。如果把這種磁場用到熱核聚變反應中，把強大的熱核聚變反應控制起來，那就有可能給我們提供大量的幾乎是無窮無盡的廉價電力。

不久前，人們曾用铌钛超導材料制成了一台直流發電機。它的優點很多，比如說體積小，重量輕，成本低，與同樣大小的普通發電機相比，它發的電量要大一百倍。

高溫合金

世界上很大一部份铌以純金屬态或以高純度铌鐵和铌鎳合金的形态，用于生産鎳、鉻和鐵基高溫合金。這些合金可用于噴射引擎、燃氣渦輪發動機、火箭組件、渦輪增壓器和耐熱燃燒器材。铌在高溫合金的晶粒結構中會形成γ''相态。這類合金一般含有最高6.5%的铌。Inconel 718合金是其中一種含铌鎳基合金，各元素含量分别為：鎳50%、鉻18.6%、鐵18.5%、铌5%、钼3.1%、钛0.9%以及鋁0.4%。應用包括作為高端機體材料，如曾用于雙子座計劃。

C-103是一種铌合金，它含有89%的铌、10%的铪和1%的钛，可用于液态火箭推進器噴管，例如阿波羅登月艙的主引擎。阿波羅服務艙則使用另一種铌合金。由于铌在400°C以上會開始氧化，所以為了防止它變得易碎，須在其表面塗上保護塗層。

铌基合金

C-103合金是1960年代初由華昌公司和波音公司共同研發的铌合金。由于冷戰和太空競賽的緣故，杜邦、美國聯合碳化物、通用電氣等多個美國公司都在同時研發铌基合金。铌和氧容易反應，所以生産過程需在真空或惰性氣體環境下進行，這大大增加了成本和難度。真空電弧重熔（VAR）和電子束熔煉（EBM）是當時最先進的生産過程，促使了各種铌合金的發展。1959年起，研究項目在測試了“C系”（可能取了舊名钶“Columbium”的首字母）中共256種铌合金後，終于制得了C-103。這些合金都可熔化成顆粒狀或片狀。華昌當時擁有從核級锆合金提煉而成的铪元素，并希望發展它的商業應用。C系中擁有所謂103成份比例的Nb-10Hf-1Ti合金在可模鍛性和高溫屬性之間有着最佳的平衡，因此華昌于1961年利用VAR和EBM方法生産了首批500磅C-103合金，應用于渦輪引擎部件和液态金屬換熱器。同期的其他铌合金還有：芬斯蒂爾冶金公司的FS85（Nb-10W-28Ta-1Zr）、華昌和波音的Cb129Y（Nb-10W-10Hf-0.2Y）、聯合碳化物的Cb752（Nb-10W-2.5Zr）及蘇必利爾管道公司的Nb1Zr。

醫療應用

铌在外科醫療上也占有重要地位，它不僅可以用來制造醫療器械，而且是很好的“生物适應性材料”，因為它有極好的抗蝕性，不會與人體裡的各種液體物質發生作用，并且幾乎完全不損傷生物的機體組織，對于任何殺菌方法都能适應，所以可以同有機組織長期結合而無害地留在人體裡。

在醫院裡，還會有這樣的情況：用铌條代替人體裡折斷了的骨頭之後，經過一段時間，肌肉居然會在铌條上生長起來，就像在真正的骨頭上生長一樣。怪不得人們把铌叫作“親生物金屬”。

鋼鐵應用

在鋼的各種微合金化元素中，廢铌是最有效的微合金化元素，铌的作用如此之大，以至于鐵原子中含有豐富的铌原子，就能達到改善鋼性能的目的。實際上鋼中加入0.001%—0.1%的铌，就足以改變鋼的力學性能。例如：當加入0.1%的合金化元素時，提高鋼的屈服強度依次為：铌118MPa;釩71.5MPa;钼40MPa;錳17.6MPa;钛為零。實際上鋼中隻需加入0.03%—0.05%Nb，鋼的屈服強度便可提高30%以上。而鋼的成本每噸僅增1美元。例如：普通中碳鋼的屈服強度一般為250MPa，加入微量铌可使強度提高到350—800MPa。

铌作為微合金化元素加入鋼中并不改變鐵的結構，而是與鋼中的碳#氮#硫結合，改變鋼的顯微結構。铌對鋼的強化作用主要是的是細晶強化和彌散強化，铌能和鋼中的碳氮生成穩定的碳化物和碳氮化物。而且還可以使碳化物分散并形成具有細晶化的鋼。

铌還可以通過誘導析出和控制冷卻速度，實現析出物彌散分布。在較寬的範圍内調整鋼的韌性水平。因此，加入铌不僅可以提高鋼的強度，還可以提高鋼的韌性、抗高溫氧化性和耐蝕性!降低鋼脆性轉變溫度，獲得好的焊接性能和成型性能

該成分被廣泛的應用到連續油管的管材材料中

電瓷

铌酸锂是一種電鐵性物質，在手提電話和光調變器中以及表面聲波設備的制造上有廣泛的應用。它的晶體結構屬于ABO3型，與钽酸锂和钛酸鋇相同。铌可以代替钽電容器中的钽，降低成本，但钽電容器仍較為優勝。

錢币

在錢币上，铌有時會與金和銀一起用在紀念币上作貴重金屬。例如，奧地利自2003年起，生産了一系列銀铌歐羅币，其顔色是陽極化過程形成的氧化物表層衍射所産生的。2012年，共有十種中心顔色不同的錢币，共包括藍、綠、棕、紫和黃。另外含有铌的錢币還有2004年的奧地利賽梅林鐵路150周年紀念币，以及2006年歐洲衛星導航紀念币。2011年，加拿大皇家造币廠開始鑄造稱為“狩獵月”（Hunter's Moon）的5加元純銀和铌币。其中的铌經過特殊的氧化過程，所以沒有兩件成品是完全一樣的。

其他

铌（或摻有1%锆）是高壓鈉燈電弧管的密封材料，因為铌的熱膨脹系數與經燒結的礬土弧光燈陶瓷材料非常相近。這種用于鈉燈的陶瓷可以抵禦化學侵蝕，也不會與燈内的高溫鈉液體和氣體産生還原反應。铌也被用在電弧焊條上，用來焊接某些穩定化不鏽鋼。一些大型水箱的陰極保護系統中以铌作為陽極的材料，陽極一般再鍍上一層鉑。

危害性

铌元素沒有已知的生物用途。铌粉末會刺激眼部和皮膚，并有可能引發火災；但成塊铌金屬則完全不影響生物體（低過敏性），因此是無害物質。铌常見于首飾中，而一些醫學植入物也含有铌。

某一些铌化合物具有毒性，但一般人很難接觸到這些物質。铌酸鹽和氯化铌都可溶于水，科學家已在老鼠身上進行了實驗，觀察短期和長期接觸這些化合物所帶來的效果。對于老鼠，單次注入五氯化铌或铌酸鹽的半數緻死量（LD50）為10至100mg/kg之間。經口服的毒性較低，對于老鼠的LD50值在七天後為940mg/kg。