五氧化鈮理化性質(zhì)
五氧化二鈮(NbO)是一種很細的白色結(jié)晶粉末,加熱到380~435℃,便由無定型轉(zhuǎn)變?yōu)榫w。400~500℃時,因晶格中出現(xiàn)氧缺陷變?yōu)槟埸S色(和氧化鋅顏色相近)。因制備方法和熱處理方式不同,其密度可為4.3~5.2 g/cm 。有關(guān)NbO的結(jié)晶學(xué)數(shù)據(jù)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)、鈮的各種氧化物之間的轉(zhuǎn)變關(guān)系參見右表。
NbO在170℃下水中摩爾濃度為6.8×10 mol/L。NbO中的Nb-O鍵的鍵能較大(385kJ/mol),低溫時參與化學(xué)反應(yīng)的能力較弱,隨溫度升高反應(yīng)能力增強,NbO在1350℃時仍十分穩(wěn)定,但在真空加熱到1150℃是開始分解。
五氧化鈮的反應(yīng)
NbO受到HF的侵蝕,溶解于堿熔液中。
與金屬反應(yīng)NbO的轉(zhuǎn)化是工業(yè)生產(chǎn)鈮金屬的主要途徑。在20世紀(jì)80年代,約15000000公斤的NbO被還原到金屬每年消費。制法主要是還原該氧化物與鋁:
3NbO+10Al→6Nb+5AlO
一種可以替代的反應(yīng)但實踐不行的路線涉及碳熱還原:
NbO+7C→2NbC + 5CO(1800℃真空下加熱)
5NbC+NbO→7Nb+5CO
轉(zhuǎn)化為鹵化物已知許多將NbO轉(zhuǎn)化成鹵化物的方法。主要的問題是不完全的反應(yīng)產(chǎn)生鹵氧化物。在實驗室中,轉(zhuǎn)化可以用亞硫酰氯進行:
NbO+ 5SOCl→2NbCl+5SO
轉(zhuǎn)換為鈮酸鹽處理過的的NbO與含水的NaOH在200℃下可以得到結(jié)晶鈮酸鈉,NaNbO與KOH反應(yīng)可產(chǎn)生NbO 。
轉(zhuǎn)化為還原的鈮氧化物用H高溫還原得到NbO:
NbO+H→2NbO+HO
一氧化鈮由使用電弧爐的反應(yīng)產(chǎn)生
NbO+3Nb→5NbO
五氧化鈮晶體
NbO有多種變體,其晶體結(jié)構(gòu)與制備方法有關(guān)。在各種溫度下NbO存在三種同素異晶體:低溫T(γ)-型(低于900℃時)、中溫M(β)-型(900~1100℃)和高溫H(α)-型(高于1100℃時)。下圖1所示了各種變體以及它們之間的關(guān)系。下圖2所示為NbO的各種異晶的相對穩(wěn)定性。從中可以看出,在300~700℃間最為穩(wěn)定的是β晶型,在730~1000℃間為H晶型,其他的晶型均為熱力學(xué)不穩(wěn)定體。實際上,NbO的系列同素異晶并非“真正的”異晶,而是屬于同一化學(xué)式NbO。(n=1,2,3)的氧化物家族。
五氧化鈮晶體
五氧化鈮的制取
鈮是親氧元素,很容易得到它們的氧化物,因此制取氧化鈮的方法很多,如可以用在空氣中加熱使金屬氧化、碳化物氧化、氮化物氧化、使各種化合物水解等。但能工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的方法主要有兩種:以氫氟酸萃取工藝的反萃取液為原料制取和氯化冶金產(chǎn)出的五氯化物為原料制取。此外,鈮還可以草酸鈮為原料制取氧化鈮和醇鹽法制取氧化鈮。
由反萃取液制取五氧化二鈮用液一液萃取分離鉭、鈮過程中的鈮液來制取五氧化二鈮的方法為:在鈮液中,鈮以HNbF和HNbOF的形式存在,并含有一定量的HF和HSO,當(dāng)用氨中和至pH值為8~9時,即形成難溶于水的白色氫氧化鈮,后經(jīng)洗滌、烘干、煅燒,獲得氧化鈮。影響氧化鈮質(zhì)量的主要因素有:沉淀劑用量、鈮液溫度、洗滌條件和煅燒條件。
由氯化物制取五氧化二鈮原料五氯化鈮來自精礦氯化工藝的精餾產(chǎn)物。制取方法有:水溶液水解法、水蒸氣水解法、與氧或含氧氣體反應(yīng)法、氨水中和法和醇鹽法。
水溶液水解法是將氯化物按固液比為1:13溶解后在90~100℃下進行水解,采用熱水水解可以避免形成氧化物膠體,有利于過濾,同時水溶液水解具有一定分離雜質(zhì)的純化作用。濾餅再用2%HCl+NHCl混合液洗滌,最后得到高純度的產(chǎn)品。水溶液水解法的缺點在于氫氧化物過濾困難,勞動強度大,水解、過濾、干燥、煅燒等占用大量設(shè)備。
水蒸氣水解法有氣-固相反應(yīng)水解和氣-氣相反應(yīng)水解兩種方法。前者為低溫氣-固相反應(yīng),后者為高溫氣-氣相反應(yīng)。方法多用于制備特純級氧化物產(chǎn)品。
氨水中和法用1mol/L以上的氨水中和五氯化鈮,可以得到含水量較少的水合氧化鈮,但沉淀物容易生成難過濾的膠體。
醇鹽法制取高純五氧化鈮先將五氯化鈮磨細,在帶攪拌和流水套的反應(yīng)器中邊攪拌邊將氯化物連續(xù)地加入無水乙醇的反應(yīng)器中,反應(yīng)器通水冷卻保持反應(yīng)溫度40~50℃,反應(yīng)固液比為1:(0.9~1.1),所得含有乙醇鈮的乙醇溶液經(jīng)過陳化、沉降分離后,在160~300℃下蒸發(fā)濃縮,蒸發(fā)時產(chǎn)生的含有過量乙醇的尾氣通過洗滌系統(tǒng)回收,蒸發(fā)濃縮產(chǎn)物(含五氧化物90%~95%)在溫度850~900℃下通入空氣或氧氣時進行熱分解,最后得到粒度分布均勻、化學(xué)活性大的納米級高純氧化鈮產(chǎn)品。另外,也可以用水解法制取高純氧化物。為防止氧化物凝聚,可在室溫下邊攪拌邊進行水解,該法可獲得活性好的超細氧化鈮產(chǎn)品。