【试剂课堂】【元素周期表】-铌

一种金属元素。铌能吸收气体，用作除气剂，也是一种良好的超导体。旧称“钶”。
化学符号Nb，原子序数41，原子量92.90638，属周期系ⅤB族。1801年英国查尔斯·哈切特
（Charles·Hatchett）在研究伦敦大英博物馆中收藏的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）。1802年瑞典A.G.厄克贝里在钽铁矿中发现另
一种新元素 tantalum。由于这两种元素性质上非常相似，不少人认为它们是同一种元素。
由于它与钽非常相似，起初他竟搞混了。1844年德意志H.罗泽详细研究了许多铌铁矿和钽
铁矿，分离出两种元素，才澄清了事实真相。最后查尔斯·哈切特用神话中的女神尼俄伯
（Niobe）的名字命名了该元素。在历史上，最初人们用铌所在的铌铁矿的名字“columbium”
来称呼铌，现在偶尔还会见到这个名字。铌[1]在地壳中的含量为0.002％，主要矿物有铌铁矿
〔（Fe，Mn）（Nb，Ta）2Ob〕、烧绿石〔（Ca，Na）2（Nb，Ta，Ti）2O6（OH，F）〕和黑稀
金矿、褐钇铌矿、钽铁矿、钛铌钙铈矿。
　　铌是灰白色金属，熔点2468℃，沸点4742℃，密度8.57克／立方厘米。室温下铌在空气中
稳定，在氧气中红热时也不被完全氧化，高温下与硫、氮 、碳直接化合 ，能与钛 、锆、铪、
钨形成合金。不与无机酸或碱作用，也不溶于王水，但可溶于氢氟酸。铌的氧化态为－1、＋ 2、
＋3、＋4和＋5，其中以＋5价化合物最稳定。

元素相关资料
　　
　　元素符号：Nb
　　元素英文名称：niobium
　　元素类型：金属元素
　　原子体积:10.87 (立方厘米/摩尔)
　　元素在太阳中的含量: 0.004 (ppm)
　　元素在海水中的含量:0.0000009 (ppm)
　　地壳中含量：20（ppm）
　　相对原子质量：92.90638
　　原子序数：41
　　所属周期：5
　　所属族数：VB
　　电子层排布：2-8-18-12-1
　　晶体结构：晶胞为体心立方晶胞，每个晶胞含有2个金属原子。
　　晶胞参数：a = 330.04 pm， b = 330.04 pm， c = 330.04 pm， α = 90°， β = 90°， γ = 90°
　　氧化态：Main Nb+5 ，Other Nb-3, Nb-1, Nb+1, Nb+2, Nb+3, Nb+4
　　莫氏硬度：6
　　声音在其中的传播速率：3480（m/S）
　　电离能 (kJ /mol)
　　M - M+ 664
　　M+ - M2+ 1382
　　M2+ - M3+ 2416
　　M3+ - M4+ 3695
　　M4+ - M5+ 4877
　　M5+ - M6+ 9899
　　M6+ - M7+ 12100

铌的制取
　　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。

铌和钽
　　
把它们放到一起来介绍是有道理的，因为它们在元素周期表里是同族，物理、化学性质很相似，而且常
常“形影不离”，在自然界伴生在一起，真称得上是一对惟妙惟肖的“孪生兄弟”。事实上，当人们在十九
世纪初首次发现铌和钽的时候，还以为它们是同一种元素呢。以后大约过了四十二年，人们用化学方法第一
次把它们分开，这才弄清楚它们原来是两种不同的金属。铌、钽和钨、钼一样都是稀有高熔点金属，它们的
性质和用途也有不少相似之处。
　　既然被称为稀有高熔点金属，铌、钽最主要的特点当然是耐热。它们的熔点分别高达摄氏二千四百多度
和将近三千度，不要说一般的火势烧不化它们，就是炼钢炉里烈焰翻腾的火海也奈何它们不得。难怪在一些
高温高热的郡门里，特别是制造一千六百度以上的真空加热炉，钽金属是十分适合的材料。

一种金属的优良性能往往可以“移植”到另一种金属里。现在的情况也是这样，用铌作合金元素添加到
钢里，能使钢的高温强度增加，加工性能改善。铌、钽与钨、钼、钒、镍、钴等一系列金属合作，得到的
“热强合金”，可以用作超音速喷气式飞机和火箭、导弹等的结构材料。目前科学家们在研制新型的高温结
构材料时，已开始把注意力转向铌、钽；许多高温、高强度合金都有这一对孪生兄弟参加。
　　铌、钽本身很顽强，它们的碳化物更有能耐，这个特点与钨、钼也毫无二致。用铌和钽的碳化物作基体
制成的硬质合金，有很高的强度和抗压、耐磨、耐蚀本领。在所有的硬质化合物中，碳化钽的硬度是最高的。
用碳化袒硬质合金制成的刀具，能抗得住三千八百度以下的高温，硬度可以与金刚石匹敌，使用寿命比碳化
钨更长。

铌的超导应用
　　
　　具有超导性能的元素不少，铌是其中临界温度最高的一种。而用铌制造的合金，临界温度高达绝对温
度18.5～21K，是目前最重要的超导材料。人们曾经做过这样一个实验：把一个冷到超导状态的金属铌环，
通上电流然后再断开电流，然后，把整套仪器封闭起来，保持低温。过了两年半后，人们把仪器打开，发
现铌环里的电流仍在流动，而且电流强弱跟刚通电时几乎完全相同！从这个实验可以看出，超导材料几乎
不会损失电流。如果使用超导电缆输电，因为它没有电阻，电流通过时不会有能量损耗，所以输电效率将
大大提高。
　　有人设计了一种高速磁悬浮列车，它的车轮部位安装有超导磁体，使整个列车可以浮起在轨道上约十
厘米。这样一来，列车和轨道之间就不会再有摩擦，减少了前进的阻力。一列乘载百人的磁悬浮列车，
只消一百马力的推动力，就能使速度达到每小时五百公里以上。
　　
用一条长达二十公里的铌锡带，缠绕在直径为一点五米的轮缘上，绕组能够产生强烈而稳定的磁场，
足以举起一百二十二公斤的重物，并使它悬浮在磁场空间里。如果把这种磁场用到热核聚变反应中，把
强大的热核聚变反应控制起来，那就有可能给我们提供大量的几乎是无穷无尽的廉价电力。不久前，人
们曾用铌钛超导材料制成了一台直流发电机。它的优点很多，比如说体积小，重量轻，成本低，与同样
大小的普通发电机相比，它发的电量要大一百倍。

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铌添加在钢中，有耐高温和耐腐蚀作用。