Пентаоксид ниобия
| |
| Имена | |
|---|---|
| Название ИЮПАК
Оксид ниобия(V)
| |
| Другие имена
Пентаоксид ниобия
| |
| Идентификаторы | |
3D model ( JSmol )
|
|
| Информационная карта ECHA | 100.013.831 |
ПабХим CID
|
|
| НЕКОТОРЫЙ | |
Панель управления CompTox ( EPA )
|
|
| Характеристики | |
| № 2 О 5 | |
| Молярная масса | 265.81 g/mol |
| Появление | белое ортогональное твердое тело |
| Плотность | 4,60 г/см 3 |
| Температура плавления | 1512 ° C (2754 ° F; 1785 К) |
| нерастворимый | |
| Растворимость | растворим в HF |
| -10·10 −6 см 3 /моль [1] | |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).
| |
Пятиокись ниобия неорганическое соединение формулы 2 Nb — O 5 . Бесцветное, нерастворимое и практически нереакционноспособное твердое вещество, оно является наиболее распространенным предшественником других соединений и материалов, содержащих ниобий. Он преимущественно используется при легировании, а также в других специализированных применениях в конденсаторах , оптических стеклах и производстве ниобата лития . [2]
Структура
[ редактировать ]Он имеет множество полиморфных форм, все они основаны в основном на октаэдрически координированных атомах ниобия. [3] [4] Полиморфы идентифицируются различными префиксами. [3] [4] Чаще всего встречается моноклинная форма H- Nb 2 O 5 , имеющая сложную структуру с элементарной ячейкой, содержащей 28 атомов ниобия и 70 атомов кислорода, где 27 атомов ниобия координированы октаэдрически и один тетраэдрически. [5] Существует неохарактеризованный твердый гидрат, Nb 2 O 5 · n H 2 O , так называемая ниобиевая кислота (ранее называвшаяся колумбовой кислотой ), которую можно получить гидролизом основного раствора пентахлорида ниобия или Nb 2 O 5, растворенного в HF. [6]
Расплавленный пентаоксид ниобия имеет более низкие средние координационные числа, чем кристаллические формы, а его структура состоит в основном из полиэдров NbO 5 и NbO 6 . [7]
Производство
[ редактировать ]Гидролиз
[ редактировать ]Nb 2 O 5 получают гидролизом ниобатов, алкоксидов или фторидов щелочных металлов с использованием основания. Такие, казалось бы, простые процедуры позволяют получить гидратированные оксиды, которые затем можно обжечь . Чистый Nb 2 O 5 можно получить также гидролизом NbCl 5 : [8]
- 2 NbCl 5 + 5 H 2 O → Nb 2 O 5 + 10 HCl
методе производства золь-гель Сообщалось о методом гидролиза алкоксидов ниобия в присутствии уксусной кислоты с последующим прокаливанием гелей для получения ромбической формы. [3] Т-Nb 2 О 5 . [9]
Окисление
[ редактировать ]Учитывая, что Nb 2 O 5 является наиболее распространенным и надежным соединением ниобия, существует множество методов его образования, как практических, так и эзотерических. Например, оксид возникает при окислении металлического ниобия на воздухе. [10] Окисление диоксида ниобия NbO 2 на воздухе образует полиморфную модификацию L-Nb 2 O 5 . [11]
Наноразмерные частицы пентоксида ниобия были синтезированы восстановлением LiH NbCl 5 с последующим воздушным окислением в рамках синтеза наноструктурированных ниобатов. [ нужна ссылка ]
Реакции
[ редактировать ]Nb 2 O 5 подвергается воздействию HF и растворяется в плавленой щелочи. [6] [10]
Восстановление до металла
[ редактировать ]Конверсия Nb 2 O 5 является основным направлением промышленного производства металлического ниобия. около 15 000 000 кг Nb 2 O 5 . В 1980-е годы на восстановление до металла ежегодно расходовалось [12] Основным методом является восстановление этого оксида алюминием :
- 3 Nb 2 O 5 + 10 Al → 6 Nb + 5 Al 2 O 3
Альтернативный, но менее практикуемый путь включает карботермическое восстановление, которое протекает через восстановление углеродом и составляет основу двухстадийного процесса Бальке: [13] [14]
- Nb 2 O 5 + 7 C → 2 NbC + 5 CO (нагрев в вакууме при 1800 °С)
- 5 NbC + Nb 2 O 5 → 7 Nb + 5 CO
Преобразование в галогениды
[ редактировать ]Известно множество методов конверсии Nb 2 O 5 в галогениды. Основная проблема заключается в неполной реакции образования оксигалогенидов. В лаборатории конверсию можно осуществить с помощью тионилхлорида: [15]
- Nb2O5 O5 5SOCl2 + → 2NbCl5 5SO2 +
Nb 2 O 5 реагирует с CCl 4 с образованием оксихлорида ниобия NbOCl 3 .
Превращение в ниобаты
[ редактировать ]Обработка Nb 2 O 5 водным раствором NaOH при 200 °C может дать кристаллический ниобат натрия NaNbO 3 , тогда как реакция с КОН может привести к растворимым гексаниобатам типа Линдквиста, Nb.
6 Ох 8−
19 . [16] Ниобаты лития, такие как LiNbO 3 и Li 3 NbO 4 , могут быть получены реакцией карбоната лития и Nb 2 O 5 . [17] [18]
Преобразование в восстановленные оксиды ниобия
[ редактировать ]Высокотемпературное восстановление с помощью H 2 дает NbO 2 : [10]
- Nb 2 O 5 + H 2 → 2 NbO 2 + H 2 O
Моноксид ниобия получается в результате диспропорционирования в дуговой печи: [19]
- Nb 2 O 5 + 3Nb → 5 NbO
Оксид ниобия (III) бордового цвета, один из первых сверхпроводящих оксидов, можно снова получить путем сопропорционирования: [18]
- Li 3 NbO 4 + 2 NbO → 3 LiNbO 2
Использование
[ редактировать ]Пятиокись ниобия используется в основном в производстве металлического ниобия. [12] но существуют специализированные применения в производстве оптических стекол и ниобата лития . [2]
Тонкие пленки Nb 2 O 5 образуют диэлектрические слои в ниобиевых электролитических конденсаторах .
Nb 2 O 5 рассматривались для использования в качестве анода в литий-ионных батареях, поскольку их упорядоченная кристаллическая структура обеспечивает скорость зарядки 225 мАч г. −1 и 200 мА г −1 за 400 циклов при кулоновском КПД 99,93%. [20]
Внешние ссылки
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Справочник по химии и физике, 102-е издание» . ЦРК Пресс .
- ^ Jump up to: а б Франсуа Кардарелли (2008) Справочник материалов Springer London ISBN 978-1-84628-668-1
- ^ Jump up to: а б с К. Нико; и др. (2011). «Спеченные порошки NbO для применения в электронных устройствах». Журнал физической химии C. 115 (11): 4879–4886. дои : 10.1021/jp110672u .
- ^ Jump up to: а б Уэллс А. Ф. (1984) Структурная неорганическая химия, 5-е издание Oxford Science Publications ISBN 0-19-855370-6
- ^ Гейтхаус, БМ; Уодсли, AD (1 декабря 1964 г.). «Кристаллическая структура высокотемпературной формы пятиокиси ниобия». Акта Кристаллографика . 17 (12). Международный союз кристаллографии (IUCr): 1545–1554 гг. дои : 10.1107/s0365110x6400384x . ISSN 0365-110X .
- ^ Jump up to: а б Д.А. Байо и М.М. Девиллерс, Пути прекурсоров для получения мультиметаллических оксидов на основе Nb в ходе исследований в области химии твердого тела, Арте М. Ньюман, Рональд В. Бакли, (2007), Nova Publishers, ISBN 1-60021-313-8
- ^ Олдерман, О.Л.Г. Бенмор, К.Дж. Нойфейнд, Дж.К.Койе, Э.Мермет, Ален Мартинес, В. Тамалонис, А. Вебер, JKR (2018). «Аморфная тантала и ее связь с расплавленным состоянием» . Материалы физического обзора . 2 (4): 043602. Бибкод : 2018PhRvM...2d3602A . doi : 10.1103/PhysRevMaterials.2.043602 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Процесс производства пятиокиси ниобия или пятиокиси тантала, Керн, Тервиль, Джейкоб, Хупер (CIBA Швейцария), номер патента США: 3133788, (1964).
- ^ Грисмар, П.; Папен, Г.; Санчес, К.; Ливаж, Дж. (1991). «Золь-гель путь к пентаоксиду ниобия». Химия материалов . 3 (2). Американское химическое общество (ACS): 335–339. дои : 10.1021/cm00014a026 . ISSN 0897-4756 .
- ^ Jump up to: а б с Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8 .
- ^ Веццоли, GC (1 октября 1982 г.). «Электрические свойства NbO2 и Nb2O5 при повышенной температуре на воздухе и в токе аргона». Физический обзор B . 26 (7). Американское физическое общество (APS): 3954–3957. Бибкод : 1982PhRvB..26.3954V . дои : 10.1103/physrevb.26.3954 . ISSN 0163-1829 .
- ^ Jump up to: а б Альбрехт, Свен; Сайморек, Кристиан; Эккерт, Иоахим (2011), Энциклопедия промышленной химии Ульмана: Ниобий и соединения ниобия , Вайнхайм: Wiley-VCH, doi : 10.1002/14356007.a17_251.pub2
- ^ Алан Э. Коминс (1999) Энциклопедический словарь названных процессов в химической технологии CRC Press, ISBN 0-8493-1205-1
- ^ Агентство по охране окружающей среды США, Документ о разработке ограничений на выбросы, руководящие принципы и стандарты для категории точечных источников производства цветных металлов, том VIII, Управление правил и стандартов водных ресурсов, май 1989 г.
- ^ Браун, Д. (1967). «Хлорид ниобия (V) и гексахлорониобаты (V)». Неорганические синтезы . Неорганические синтезы. Том. 9. С. 88–92. дои : 10.1002/9780470132401.ch24 . ISBN 9780470132401 .
- ^ Сантос, ICMS; Лоурейро, Л.Х.; Сильва, MFP; Кавалейро, Ана М.В. (2002). «Исследования по гидротермальному синтезу оксидов ниобия». Многогранник . 21 (20). Эльзевир Б.В.: 2009–2015 гг. дои : 10.1016/s0277-5387(02)01136-1 . ISSN 0277-5387 .
- ^ Патент США 5482001 - Процесс производства монокристалла ниобата лития, 1996, Катуно Т., Томинага Х.,
- ^ Jump up to: а б Гезельбрахт, Маргрет Дж.; Стейси, Анжелика М.; Россейнский, Мэтью (5 января 2007 г.). «Оксид лития-ниобия: LiNbO 2 и сверхпроводящий Li x NbO 2 ». Неорганические синтезы . Том. 30. Хобокен, Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons, Inc., стр. 222–226. дои : 10.1002/9780470132616.ch42 . ISBN 9780470132616 . ISSN 1934-4716 .
- ^ Рид, ТБ; Поллард, скорая помощь; Лонни, Луизиана; Ломан, Р.Э.; Хониг, Дж. М. (5 января 2007 г.). «Монооксид ниобия». Неорганические синтезы . Том. 30. Хобокен, Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons, Inc., стр. 108–110. дои : 10.1002/9780470132616.ch22 . ISBN 9780470132616 . ISSN 1934-4716 .
- ^ Лаварс, Ник (9 сентября 2022 г.). «Электрод аккумулятора трансформируется во время использования для более быстрой зарядки» . Новый Атлас . Проверено 10 сентября 2022 г.