3.6.2 Хімічні властивості ніобію

                За хімічними властивостями ніобій близький до танталу.  Обидва вони надзвичайно стійкі (тантал більш стійкий, ніж ніобій) на холоді і при невеликому нагріванні до дії багатьох агресивних середовищ. Компактний ніобій помітно окиснюється на повітрі тільки вище 200°С. На ніобій діють: хлор вище 200°С, водень при 250°С (інтенсивно при 360°С), азот при 400°С. Практично не діють на ніобій очищені від домішок кисню рідкі Nа, Kо і їх сплави, Li, Ві, Рb, Нg, Sn, застосовувані як рідкометалеві теплоносії в атомних реакторах.

                Елементарний ніобій - надзвичайно тугоплавкий (2468°С) і висококиплячий (4927°С) метал, дуже стійкий у багатьох агресивних середовищах. Усі кислоти, за винятком плавикової, не діють на нього. Кислоти-окиснювачі «пасивують» ніобій, покриваючи його захисною окисною плівкою (К 205). Але при високих температурах хімічна активність ніобію підвищується. Якщо при 150-200°С окиснюється лише невеликий поверхневий шар металу, то при 900-1200°С товщина окисної плівки значно збільшується.

                Ніобій активно реагує з багатьма неметалами. З ним утворюють сполуки галогену, азоту, водню, вуглецю, сірки. При цьому ніобій може проявляти різні валентності - від двох до п'яти. Але головна валентність цього елемента 5+. П'ятивалентний ніобій може входити до складу солі і як катіон, і як один з елементів аніона, що свідчить про амфотерний характер елемента N41.

                Солі ніобієвих кислот називають ніобатами. Їх отримують у результаті обмінних реакцій після сплаву п'ятиокису ніобію з содою:

                  Nb2O5 + 3Na2CO3 > 2Na3NbO4 + 3CO2.       (3.76)

                Досить добре вивчені солі декількох ніобієвих кислот, в першу чергу метаніобієвої НNbO3, а також диніобати і  пентаніобати   (К4Nb2О7, K7Nb5О16). А солі, в яких елемент N41 виступає як катіон, як правило, отримують прямою взаємодією простих речовин, наприклад,

                           2Nb + 5С12 >2NbСl5.                             (3.77)

                Яскраво забарвлені голчасті кристали пентагалогенідів ніобію (NbС1 - жовтого кольору, NbВr5 – пурпурно-червоного) легко розчиняються в органічних розчинниках - хлороформі, ефірі, спирті. Але при розчиненні у воді ці   сполуки повністю розкладаються, гідролізуються з утворенням ніобатів:

                       NbCl5 + 4Н2O > 5НСl + Н3NbО4.              (3.78)

                Гідролізу можна запобігти, якщо у водний розчин додати яку-небудь сильну кислоту. У таких розчинах пентагалогеніди ніобію розчиняються, не гідролізуючись.

                Ніобій утворює подвійні солі і комплексні сполуки, найлегше – фтористі. Фторніобати - так називаються ці подвійні солі. Вони виходять, якщо у розчин ніобієвої і плавикової кислот додати фторид якого-небудь металу.

                Склад комплексної сполуки залежить від співвідношення реагуючих в розчині компонентів. Рентгенометричний аналіз однієї з цих сполук показав будову, що відповідає формулі К2NbF7. Можуть утворитися і оксосполуки ніобію, наприклад, оксофторніобат калію К2NbOF5nН2O.

                Ніобій особливо цінується за його стійкість до дії неорганічних і органічних речовин.

                Є різниця в хімічній поведінці порошкоподібного і кускового металу. Останній стійкіший. Метали на нього не діють, навіть якщо нагрівати їх до високих температур. Рідкі лужні метали і їх сплави – вісмут, свинець, ртуть, олово можуть знаходитися у контакті з ніобієм довго, не змінюючи його властивостей. Він не змінюється навіть при дії таких сильних окиснювачів, як хлорна кислота, «царська горілка», не кажучи вже про азотну, сірчану, соляну і всі інші. Розчини лугів на ніобій теж   не діють.

                Існують, проте, три реагенти, які можуть переводити металевий ніобій в хімічні сполуки. Одним з них є розплав гідроксиду якого-небудь лужного металу:

              4Nb + 4NaОН + 5О2 > 4NaNbОЗ + 2Н2О.         (3.79)

                Двома  іншими  є  плавикова  кислота  (НF)  або  її  суміш з азотною (НF + НNО). При цьому утворюються фторидні комплекси, склад яких у значній мірі залежить від умов проведення реакції. Елемент у будь-якому випадку входить до складу аніона типу [NbOF5]2 або [Nb(ОН)2F5]2-.

                Якщо ж узяти порошкоподібний ніобій, то він дещо активніший. Наприклад, у розплавленому нітраті натрію він навіть западав, перетворюючись на оксид. Компактний ніобій починає окиснюватися при нагріванні вище 200°С, а порошок покривається окисною плівкою вже при 150°С. При цьому виявляється одна з чудових властивостей цього металу – він зберігає пластичність.

                У вигляді тирси при нагріванні вище 900°С ніобій повністю згорає до Nb2O5. Енергійно згорає в струмі хлору

                          2Nb + 5Сl2 → 2NbCl5.                            (3.80)

                При нагріванні реагує із сіркою. З більшістю металів   він  ледь сплавляється. Виняток, мабуть, становлять лише два:  залізо, з яким утворюються тверді розчини різного відношення, та алюміній, що має з ніобієм сполуку Al2Nb.

                При зіткненні з окиснювачами на поверхні металу виникає найтонший (тому він і непомітний), але дуже щільний шар оксидів. Цей шар стає непереборною перешкодою на шляху окиснювача до чистої металевої поверхні. Проникнути крізь нього можуть тільки деякі хімічні реагенти, зокрема аніон фтору.

                Отже, по суті, метал окиснюється, але практично результатів окиснення непомітно через наявність тонкої захисної плівки. Пасивність по відношенню до розбавленої сірчаної кислоти використовують для створення випрямляча змінного струму. Влаштований він просто: платинова і ніобієва пластинки занурені в розчин сірчаної кислоти. Ніобій в пасивуючому, стані, може проводити струм, якщо є негативним електродом – катодом, тобто електрони можуть проходити крізь шар оксидів тільки з боку металу. З розчину шлях електронам закритий. Тому коли через такий прилад пропускають змінний струм, то проходить лише одна фаза, для якої платина – анод, а ніобій – катод.