铌

（Niobium），一种过渡金属元素，其化学符号为Nb，原子序数为41，是灰白色金属，呈体心立方结构，单质铌性质稳定，自然界中铌最常见的氧化数为+5，氧化数为+4的卤化物也很重要，+3、+2氧化数的阳离子的含氧酸盐尚不存在。铌是一种高密度、高熔点、高硬度的金属材料，具有延展性、耐腐蚀磨损、超导性、单极导电性等特点。能够同卤素、其他非金属元素（C、N、O等）、氢氟酸反应。

由于铌所具备的一系列优良特性，将铌作为高性能金属材料被应用于钢铁行业、超导材料行业、电子行业、航空航天行业以及医疗等众多领域当中。

发现历史

由于铌和这两种元素性质极为相似，这两种元素在矿物中总是共生在一起的，并且它们的矿物组成一般都极为复杂。导致它们的矿石很不容易分解，给提取工作造成很大困难，所以铌和钽的发现较晚，在一个很长的时期，化学家们将铌和钽当成是同一元素。

早在十七世纪，美国康涅狄格州的第一任州长文斯洛普(Winthrop,J，1606-1676)曾在该州新英格兰地方的一个泉边的花岗石中，找到过一块黝黑的铌铁矿石。后来，他的孙子把这块矿石送给了英国的斯隆爵上(Sir Sloane H1660--1753大英博物馆创办人)，斯隆就把它存到英国博物馆。

1801年，年轻的化学家哈契特(Hatchelt,C，1765-1847)曾将这块铌铁矿石的成分分离开来，1801年11月26日他在伦敦皇家自然知识促进学会发表了一篇论文《分析北美洲矿物得到的新元素》，并命名新元素为“钶”（Columbium）。“钶”（Cb）也被用于代表铌元素近一百年。

1844年，德国分析化学家享·罗塞(Rose，H，1795-1864)仔细考察了美国和巴伐利亚州(Bavaria)波登马伊斯(Bodenmais)地方产的钶矿和钽矿。他宣布从中分离出了两种由性质相似的新元素所形成的酸。他认为新元素之一就是钽，对另一种新元素，他命名为“Niobium”(铌)。由于“锭”(Nb)和“钶”(Cb)俩名字同代表一种元素，随意在1949 年《国际纯粹和应用化学联合会》正式决定采用“Nb”的名称和符号来代表铌元素。

分布情况

铌在地壳中的含量很低,相对于多数其他矿产来说,铌矿产资源量在全球的绝对数量不多,但相对目前的使用量而言,钽铌矿产资源储量相对充足。

由于铌、钽是同族元素并且性质相似，所以在矿物中属于共生关系，它们的矿物通式以(Fe,Mn)(Nb,Ta)2O6表示，若铌含量多，则称为铌铁矿，反之称为钽铁矿。钽铌矿物主要存在于火成岩中,目前探明的具有经济意义的铌钽资源分布相对集中，可用于工业生产的矿物有：铌铁矿、细晶石、锡锰钽矿、烧绿石、铌铁矿、黑稀金矿等。

铌矿资源在全球分布较为广泛，但已探明的铌矿储量分布集中，在2020年的统计结果显示：全球铌矿资源总量已超过1300万t ，铌矿主要分布于巴西和加拿大，仅巴西的资源储量就占到全世界的85%，其余分布在美国、澳大利亚、俄罗斯、肯尼亚、埃塞俄比亚、尼日利亚等国家。巴西和加拿大占据的资源优势，使得全世界铌金属总产出的98%来自这两国，其他地区只占2%。

中国铌矿主要分布在15个省区，内蒙古自治区占72.1%、湖北占24%，合计占 96.1%，其次为广东、江西、陕西、四川等。中国铌矿区主要有：新疆富蕴县矿区、南平市矿区、广东泰美矿区、竹山县矿区、江西宜春矿区、内蒙古白云鄂博矿区等。

理化性质

物理性质

铌呈立方晶系结构，灰白色金属，质地较硬，具有延展性。铌具有高熔点(2477℃)，高沸点(4744℃)，高硬度(莫氏硬为度6)、密度大(8.57g/cm3)、有耐腐蚀性、超导性、耐磨损、单极导电性和在高温下强度高等特性。

化学性质

游离的金属铌单质化学性质非常稳定，常温情况下不会与空气、水、酸、碱等物质发生反应。铌易溶于HNO3和HF的混合酸溶液中，但是不会溶于其他酸中。铌可在浓热碱溶液中发生反应。

与卤素单质反应

将块状或粉末状的金属Nb与Cl2加热到300~350℃，会生成黄色的NbCl5。

与氧气等反应

在空气加热至高温可被氧化成+5价的氧化物。

制备方法

电脱氧法

以CaCI2-NaCI低熔共溶成分为熔盐电解质，烧结后的Nb2O5片为阴极，石墨为阳极。电化学过程是在真空和Ar气的保护下进行。在800℃下，纯NaCI和纯CaCI2的理论分解电压 分别为3.23和333 V，而Nb氧化物的最高分解电压为1.62 V．因此，工作电压在阴极Nb2O5，与CaCI2-NaCI熔盐的分解电压之间进行选择，确定工作电压后电解脱氧获得金属铌。

碳还原法

真空碳还原法是比较常用的制取铌金属的主要方法之一。在真空还原炉内由于C对O的亲和力强于Nb，所以工业上采用Nb2O5作为原料还原和获得金属铌和其他铌氧化物。

该方法的优点是：还原效率高、成本低、环境影响小，在工业上有直接碳还原法和间接碳还原法两类制取铌金属：

直接碳还原法

在真空碳管炉内，选用Nb2O5为原材料，与墨粉直接混合反应生成铌，直接碳还原法生产出来的Nb呈海绵状，表面积较大，纯度较高，适宜于生产电容器级的Nb粉。

间接碳还原法

间接碳还原法的特点为设备生产能力大，工艺稳定，反应生产出的Nb条致密规矩，适合用于加工Nb条（锭）。

铝热还原法

在工业铌铁生产上基本采用的方法为氧化铌铝热还原法，将含Nb2O5矿石粉碎后通过粘合剂制成球状备用，再将铝粉、铁矿粉、造渣剂和补热剂混合均匀，之后将两反应物置于反应炉中还原生成铌。

在该工艺中，用来还原铌铁合金的主要热量来自于反应自身的放热，在热量不足时视情况加入补热剂，该工艺具有流程短、效率高、操作简单、产品质量稳定等特点，其主要反应为：

氢还原法

在900~1000℃的充满氩环境下，以氢气做还原剂，选择易蒸发卤化物（NbCl5）为原料，选择一定流量比的氢气和气，将原料还原为超细微粉末：

应用领域

钢铁工业

世界上约 85%~90% 的铌以铌铁形式用于钢铁生产。 铌是某些硬质钢的组成元素，特别适宜制造耐高温钢。在钢中加入0.03%-0.05%的铌即可使钢的屈服强度提高 30% 以上。铌还能通过诱导析出和控制冷却速度,实现析出物弥散分布,在较宽的范围内调整钢的韧性水平。 因此,钢中 加入铌不仅可以提高钢的强度,还可以提高钢的韧性、抗高温氧化性和耐蚀性,降低钢脆性转变温度,使钢具有良好的焊接性能和成型性能。

加入铌的高强度低合金钢拥有超高的强度和韧性，同时能够抗硫化腐蚀作用，被用于建造输油（气）管道、建筑钢材等；钢中加入铌提高高温抗氧化性能用以铸造不锈钢材和耐热钢材；在钢中加入0.02%的铌和钛用以生产无间隙钢来制造汽车；微铌碳钢可加工成铸件、锻件、卷材、板材、盘条、管材、带材、棒材和型材等。

超导材料工业

铌的某些化合物和合金具有较高的超导转变温度，因而被广泛用于制造各种工业超导体，如超导发电机、加速器大功率磁体、超导磁储能器、核磁共振成像设备等。

基于铌超导隧道结的亚毫米波直接检测器，可以达到宽频带响应，有的高灵敏度，能够满足大规模阵列的需求，对于亚毫米波段射的电天文研究等领域有着出色的应用。超导体材料中：铌 - 钛和铌 - 锡被广泛应用于医学诊断的磁振图像仪和用于谱线(分析)的核磁共振仪。

电子工业

铌以及铌的低价氧化物NbO被用于制作电容器，特别是NbO电容器的性能要优于以纯铌为电容器，NbO电容器以高性能、高可靠性、低成本等特点在电容器领域有着重要位置。

铌酸锂和铌酸钾等化合物单晶是新型光电子学和电子学用晶体、具有良好的压电、热电和光学性质，被广泛应用到红外线、激光技术和电子工业中。此外，铌的熔点高，发射电子能力强，并具有吸气能力，可用于制作电子管及其它电真空器件。

航空航天工业

航空航天工业是高纯铌的主要应用领域。由于铌合金是难熔金属中密度最小的材料，并且在1100~1650℃下有着很高的强度且焊接性能优良，它的室温塑性好，可以用来能制成各类形状复杂的部件。因此铌合金被广泛用于制造航空发动机的零部件、燃气轮机的叶片。在高超音速飞机、航天飞行器、卫星、导弹和超音速低空火箭上可作为优选的热防护材料和结构材料。

在美国几乎所有喷气式战斗机的发动机的热部件都采用铌合金。

医疗领域

铌具有良好的抗生理腐蚀性和生物相容性,不会与人体里的各种液体物质发生作用,并且几乎不会损伤生物的机体 组织,对于任何杀菌方法都能适应,因而常被用于制造接骨板、颅骨板骨螺钉、种植牙根、外科手术用具等。。

原子能工业

铌的热导率高,熔点高,耐腐蚀性好,并且中子俘获截面低,是一种非常适合原子能反应堆的材料。 主要用途包括: 核燃料的包套材料、核燃料的合金、核反应堆中换热器的结构材料。

化学工业

铌是优质的耐酸和耐液态金属腐蚀材料,可用于制作蒸煮器、加热器和冷却器等。 此外,铌酸也是一 种重要的催化剂。

铸造行业

铌也被应用到铸造行业,其主要作用是形成坚硬的碳化物(对耐磨有益)和改变石墨片的形貌和 尺寸,因而常被用于制造汽车的汽缸盖、气环和制动片等。 此外,铌有时会与金和银一起用在纪念币上。

光学行业

铌有助于增加镜片透光性能，因而也被应用到光学行业镜片的制造中。铌酸钾钠基陶瓷有着优异的透明性能，且充放电速度快、温度适应范围广，可被用来作为透明储能介质材料。

铌也可应用到照明行业,如铌与1%锆的合金可用于制作高效高强钠蒸气街灯的精密支架，使这些小部件具有高的热强性、优良的成形性和耐钠蒸气腐蚀的性能。

安全事宜

毒理

急性毒性

铌对动物的毒性主要是引起肝、肾脏损伤。铌酸盐会破坏机体正常代谢过程。

对大鼠饲以0.1~1ppm的铌酸盐会导致：肝脏损害、肝细胞空泡变、细胞浆颗粒变粗；大鼠经口给予30mg/kg的铌酸盐会导致：肾功能异常，同时给予维生素c可缓解毒性；若静脉注射30mg/kg的铌酸钾会导致：严重的中毒性肾病、肾小管上皮损伤。

对猫静脉注射2mg/kg的五价铌盐会导致：血压降低、心电图出现QRS波及t波，心室纤颤，传导阻滞；注射5mg/kg计量则导致心源性休克及呼吸麻痹。

NbCl5对皮肤黏膜有着明显的刺激作用，会使皮肤灼伤、产生红斑、水中、皮肤穿透性溃疡等症状。同时对眼的结膜及角膜也可发生刺激性炎症。

慢性毒性

用NbCl5长期饲喂的动物，会引起血液改变、免疫细胞增高以及凝血障碍。

动物长期吸入NbN粉尘，会大量积累于肺部并在数月后导致肺尘病。同时出现肺泡间隔增厚、血管组织以及周围支气管有明显的胶原蛋白纤维增生和支气管上皮脱落等症状。

健康危害

研究发现，多种癌症患者的头发中的铌含量要显著低于正常人，病情越重铌含量越低，所以人体长期缺铌可能是患癌症的原因之一。

预防

在开采钽铌矿时，矿产中常会富集和等放射性元素，所以开采时要注意采取防护措施，以及防尘措施。

制备铌的场所要消除铌粉尘和烟雾，佩戴防尘面具，也要防止反应时化学毒品如氢氧化钾、苯等的危害。

参考资料

Niobium | Nb - PubChem.PubChem.2023-03-03

Niobium: thermochemistry and thermodynamics.WebElements.2023-03-03