Ниобий
В Периодической таблице химических элементов можно найти одну несправедливость, на которую модно нынче обращать внимание. Так получилось, что практически все названия элементов – существительные мужского рода, и лишь только пять – женского. Среднему роду досталось и того меньше – всего четыре элемента, ради интереса вы можете самостоятельно их отыскать.
Понятно, что это связано с тем, что слово «элемент» - мужского рода, поэтому и все названия элементов, пришедшие из латыни, логично с ним согласовать. Разнообразие родов осталось только для тех, которые и так были известны уже долгое время и имели своё название в русском языке.
Хотя немного обидно, что даже для немногочисленных элементов, названных в честь богинь и героинь древних мифов, химики не сделали исключение и не сохранили их «женских» корней, что имело бы под собой вполне логическое основания. Но что сделано, то сделано. Один из таких элементов, о котором сегодня пойдёт речь – ниобий.
Тонкая оксидная плёнка на поверхности анодированного ниобия придаёт ему радужные оттенки. Фото: MAURO CATEB/Flickr.com CC BY 2.0
Название своё ниобий получил в честь Ниобы, дочери того самого Тантала, которого древнегреческие боги обрекли на вечные муки в царстве Аида. У Ниобы жизнь тоже сложилась далеко не лучшим образом, впрочем, это уже отдельная и никак не связанная с химией история. Но как тогда Ниоба, отвергнутая жителями Олимпа, оказалась в Периодической таблице?
Всё дело в том, что ниобий очень похож по своим свойствам на другой химический элемент – тантал, который в свою очередь получил своё название за то, что химикам пришлось изрядно попотеть, выделяя этот элемент. Одно время смесь ниобия и тантала даже считали за один и тот же элемент, потом было предположение, что вместе с ними находится ещё пара других неизвестных элементов, которым дали рабочие названия в честь других потомков провинившегося перед богами царя. Однако со временем химики разобрались во всей этой минералогически-мифологической неразберихе, и теперь тантал законно занимает свою ячейку, а ниобий – свою.
Один из природных минералов ниобия – Колумбит, а сам ниобий долгое время назывался колумбий. Фото: Robert M. Lavinsky/Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0
Давайте закроем тёмные страницы древнегреческой мифологии, и откроем удивительные страницы книги науки, где ниобий можно найти на самом переднем крае исследований и технологий. Возьмём, к примеру, Большой адронный коллайдер или грандиозный проект термоядерного реактора ИТЭР. В обоих проектах, да и не только в них, необходимы мощные магнитные системы, с их помощью удерживаются пучки частиц в ускорителе или плазма в реакторе. Для создания очень мощных магнитных полей обычные материалы не годятся, поэтому используют свехпроводящие магниты из соединений ниобия с титаном или оловом, охлаждаемые жидким гелием.
Фрагмент участка ускорительной трубы Большого адронного коллайдера. Три пары металлических пластин – сверхпроводник из сплава ниобия и титана. Фото: µµ/Flickr.com CC BY-SA 2.0
На первый взгляд, что может быть сложного в изготовлении «проволоки» для магнита, пусть даже не из привычной меди, а из чего-нибудь экзотического, вроде ниобия? Однако в реальности это очень сложный технологический процесс. Хрупкие и тонкие сверхпроводящие нити на основе ниобия необходимо разместить в медной матрице, которая будет защищать их от механических повреждений, помогать поддерживать низкую температуру магнита, чтобы он не перешёл из сверхпроводящего состояние в обычное, поскольку это чревато серьёзными последствиями.
Всё дело в том огромном токе, который протекает по проводнику, находящемуся в состоянии сверхпроводимости и, как следствие, имеет нулевое сопротивление. Если вдруг состояние сверхпроводимости на каком-то из участков проводника разрушается, например, магнитное поле оказалось слишком большим или повысилась температура, то сверхпроводник очень быстро превращается в обычный проводник, с совсем не нулевым сопротивлением. В результате чего тот колоссальный ток, который тёк по сверхпроводнику, начинает очень быстро разогревать как ставший уже не сверхпроводящим материал, так и всё, что находится вокруг.
Центральный соленоид ИТЕР изготовлен из кабеля выполненного из сверхпроводящего сплава ниобия и олова, помещённого в защитную стальную рубашку. Ток в кабеле может достигать значения 46 кА. Фото: GA/Flickr.com CC BY 2.0
Ещё одна большая сфера использования ниобия также связана температурой, правда, в отличие от сверхпроводящих магнитов, здесь он находится по другую сторону баррикад – защищает металлы от перегрева. Ниобий входит в состав многих жаропрочных сплавов и к тому же обладает низкой плотностью, поэтому этот металл очень полюбился конструкторам летательных аппаратов на реактивной тяге. Например, сопла двигателей аппаратов из американской лунной программы Аполлон были изготовлены из сплавов ниобия.
Чистый ниобий, несмотря на жаростойкость, начинает окисляться при высоких температурах, поэтому либо используют его сплавы, либо покрывают ниобий дополнительными защитными слоями. Так что, слетав на Луну, ниобий продолжает помогать космическим аппаратам, на этот раз уже в составе двигателей ракет Falcon 9.
Сопло второй ступени Falcon 9, изготовленное из сплава ниобия до нанесения защитного слоя. Фото: Steve Jurvetson/Flickr.com CC BY 2.0
Монета 2014 года номиналом 25 евро – первая из всей серии ниобиевых монет Монетного дома Австрии, где на ниобиевом диске создано два цветовых оттенка. Посвящена теории эволюции Чарльза Дарвина. Фото: NobbiP/Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0
