五氧化鈮

五氧化二鈮是無機化合物，化學式為Nb₂O₅。它是一種無色不溶性固體，非常不活潑。受熱時變成黃色。它是所有鈮材料的主要前身，主要套用是合金，但其他專業套用包括電容器，鈮酸鋰和光學玻璃。

基本介紹

• 中文名：五氧化鈮
• 外文名：Niobium pentoxide
• 密度：4.3～5.2 g/cm3
• 顏色：白色
• 摩爾質量：265.81g/mol
• 溶解性：溶於HF

五氧化鈮理化性質

五氧化二鈮（Nb₂O₅）是一種很細的白色結晶粉末，加熱到380~435℃，便由無定型轉變為晶體。400~500℃時，因晶格中出現氧缺陷變為嫩黃色（和氧化鋅顏色相近）。因製備方法和熱處理方式不同，其密度可為4.3～5.2 g/cm³。有關Nb₂O₅的結晶學數據和熱力學數據、鈮的各種氧化物之間的轉變關係參見右表。

Nb₂O₅在170℃下水中摩爾濃度為6.8×10^-3mol/L。Nb₂O₅中的Nb-O鍵的鍵能較大（385kJ/mol），低溫時參與化學反應的能力較弱，隨溫度升高反應能力增強，Nb₂O₅在1350℃時仍十分穩定，但在真空加熱到1150℃是開始分解。

五氧化鈮的反應

Nb₂O₅受到HF的侵蝕，溶解於鹼熔液中。

與金屬反應

Nb₂O₅的轉化是工業生產鈮金屬的主要途徑。在20世紀80年代，約15000000公斤的Nb₂O₅被還原到金屬每年消費。製法主要是還原該氧化物與鋁：

• 3Nb₂O₅+10Al→6Nb+5Al₂O₃

一種可以替代的反應但實踐不行的路線涉及碳熱還原：

• Nb₂O₅+7C→2NbC + 5CO（1800℃真空下加熱）
• 5NbC+Nb₂O₅→7Nb+5CO

轉化為鹵化物

已知許多將Nb₂O₅轉化成鹵化物的方法。主要的問題是不完全的反應產生鹵氧化物。在實驗室中，轉化可以用亞硫醯氯進行：

• Nb₂O₅+ 5SOCl₂→2NbCl₅+5SO₂

轉換為鈮酸鹽

處理過的的Nb₂O₅與含水的NaOH在200℃下可以得到結晶鈮酸鈉，NaNbO₃與KOH反應可產生Nb₆O₁₉^8-。

轉化為還原的鈮氧化物

用H₂高溫還原得到NbO₂：

• Nb₂O₅+H₂→2NbO₂+H₂O

一氧化鈮由使用電弧爐的反應產生

• Nb₂O₅+3Nb→5NbO

五氧化鈮晶體

Nb₂O₅有多種變體，其晶體結構與製備方法有關。在各種溫度下Nb₂O₅存在三種同素異晶體：低溫T（γ）-型（低於900℃時）、中溫M（β）-型（900～1100℃）和高溫H（α）-型（高於1100℃時）。下圖1所示了各種變體以及它們之間的關係。下圖2所示為Nb₂O₅的各種異晶的相對穩定性。從中可以看出，在300~700℃間最為穩定的是β晶型，在730~1000℃間為H晶型，其他的晶型均為熱力學不穩定體。實際上，Nb₂O₅的系列同素異晶並非“真正的”異晶，而是屬於同一化學式Nb_6n-2O_16n-6。（n=1，2，3）的氧化物家族。

五氧化鈮晶體

五氧化鈮的製取

鈮是親氧元素，很容易得到它們的氧化物，因此製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。但能工業規模生產的方法主要有兩種：以氫氟酸萃取工藝的反萃取液為原料製取和氯化冶金產出的五氯化物為原料製取。此外，鈮還可以草酸鈮為原料製取氧化鈮和醇鹽法製取氧化鈮。

由反萃取液製取五氧化二鈮

用液一液萃取分離鉭、鈮過程中的鈮液來製取五氧化二鈮的方法為：在鈮液中，鈮以H₂NbF₇和H₂NbOF₅的形式存在，並含有一定量的HF和H₂SO₄，當用氨中和至pH值為8~9時，即形成難溶於水的白色氫氧化鈮，後經洗滌、烘乾、煅燒，獲得氧化鈮。影響氧化鈮質量的主要因素有：沉澱劑用量、鈮液溫度、洗滌條件和煅燒條件。

由氯化物製取五氧化二鈮

原料五氯化鈮來自精礦氯化工藝的精餾產物。製取方法有：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溶解後在90~100℃下進行水解，採用熱水水解可以避免形成氧化物膠體，有利於過濾，同時水溶液水解具有一定分離雜質的純化作用。濾餅再用2%HCl+NH₄Cl混合液洗滌，最後得到高純度的產品。水溶液水解法的缺點在於氫氧化物過濾困難，勞動強度大，水解、過濾、乾燥、煅燒等占用大量設備。

水蒸氣水解法有氣-固相反應水解和氣-氣相反應水解兩種方法。前者為低溫氣-固相反應，後者為高溫氣-氣相反應。方法多用於製備特純級氧化物產品。

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，但沉澱物容易生成難過濾的膠體。

醇鹽法製取高純五氧化鈮

先將五氯化鈮磨細，在帶攪拌和流水套的反應器中邊攪拌邊將氯化物連續地加入無水乙醇的反應器中，反應器通水冷卻保持反應溫度40~50℃，反應固液比為1：（0.9~1.1），所得含有乙醇鈮的乙醇溶液經過陳化、沉降分離後，在160~300℃下蒸發濃縮，蒸發時產生的含有過量乙醇的尾氣通過洗滌系統回收，蒸發濃縮產物（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，最後得到粒度分布均勻、化學活性大的納米級高純氧化鈮產品。另外，也可以用水解法製取高純氧化物。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品。