Важный элемент – ниобий

XIV Региональный конкурс молодых исследователей «Ступень в науку»

Секция: География

Тема: Важный элемент – ниобий

Автор работы:

Руднев Константин Сергеевич

Место выполнения работы:

ГБОУ РФМЛИ, 3 класс

Научный руководитель:

Дударова Наталья Валерьевна,

учитель начальных классов

Владикавказ, 2017-2018

Введение

Актуальность выбранной мною темы. Современная технология немыслима без таких редких и редкоземельных металлов, как тантал, ниобий, скандий, лантан, церий, иттрий, иттербий, европий, самарий, празеодим, гольмий, гадолиний и других. Они широко применяются при производстве различных материалов, необходимых для скоростного транспорта, автомобиле- и самолётостроения, высотного строительства, электроники и оптоэлектроники, современной энергетики (рис. 1). Например, в самолёте пятого поколения используется примерно полторы тонны этих металлов. Легирование1 сталей ниобием сильно повышает их устойчивость к износу и коррозии. Детали из легированных ниобием сталей примерно в три раза меньше весят при тех же конструкционных характеристиках и в пять раз дольше служат. Легированные ниобием рельсы имеют коэффициент термического расширения в четыре раза меньше, чем традиционные. То есть можно делать рельсы длиннее и получать меньше стыков.

Уровень применения редкоземельных металлов является показателем развития ведущих отраслей экономики, и сегодня в России их использование растёт.

На данный момент наша страна зависит от импорта редкоземельных металлов из Китая, на долю которого приходится 97% от их мирового производства. Но в 2010 году Китай резко повысил цену на них. И это стратегический вопрос.

Объект исследования – редкоземельный металл ниобий.

Предмет исследования – наличие месторождений редкоземельных металлов в нашей стране.

Цель работы – выяснить, есть ли в России месторождения ниобия, по запасам не уступающие зарубежным.

Задачи:

Изучить научную литературу.

Узнать, что такое полезные ископаемые.

Выяснить, какие металлы относят к редкоземельным.

Описать химический элемент ниобий.

Собрать информацию у сотрудников Северо-Кавказского горно-металлургического института, у своего дедушки.

Проанализировать полученную информацию и сделать выводы.

Методы исследовательской работы. Для начала мы изучим и проанализируем научную литературу, затем проведём опросы и собеседования, обобщим полученную информацию.

Теоретическая значимость моей исследовательской работы заключается в том, что в ней будет непосредственно доказано, что в нашей стране есть колоссальные запасы редкоземельных металлов, без которых невозможно движение вперёд в наше высокотехнологичное время.

Практическая значимость моей исследовательской работы состоит в том, что её можно будет использовать в школьном курсе географии или для проведения занимательных уроков.

Подготовка к исследованию.

Что такое полезные ископаемые?

Полезные ископаемые – это клад нашей Земли.

Полезные ископаемые – это природные богатства, которые люди добывают из глубины земли и её поверхности и используют.

Виды полезных ископаемых: нефть, природный газ, уголь, кварц, гранит, руды металлов, вода пресная и минеральная…

Каждое полезное ископаемое обладает какими-либо свойствами. Полезные ископаемые бывают жидкими, твёрдыми, газообразными, очень твёрдыми, лёгкими, тяжёлыми, горючими.

Отличаются между собой по цвету, плотности и твёрдости, а также по своей способности отражать свет, проводить тепло и электричество и, конечно по их применению в народном хозяйстве.

Полезные ископаемые находятся в земной коре в виде скоплений различного характера (жил, штоков, пластов, гнёзд, россыпей и пр.). Скопления полезных ископаемых образуют месторождения, а при больших площадях распространения – районы, провинции и бассейны.

Область науки и технологии, посвященная добыче полезных ископаемых, именуется горным делом.

По назначению выделяют следующие виды полезных ископаемых (рис. 2):

Горючие полезные ископаемые: нефть, природный газ, горючие сланцы, торф, уголь;

Руды: руды чёрных, цветных и благородных металлов;

Гидроминеральные: подземные минеральные и пресные воды;

Нерудные полезные ископаемые: строительные материалы (известняк, песок, глина и др.) и строительные камни (гранит, туф) и пр.;

Камнесамоцветное сырьё: яшма, родонит, агат, оникс, халцедон, чароит, нефрит и др. и драгоценные камни (алмаз, изумруд, рубин, сапфир);

Горно-химическое сырьё: апатит, фосфаты, минеральные соли, барит, бораты и др.

Последние три группы могут рассматриваться совместно как нерудные (неметаллические) полезные ископаемые.

По происхождению все полезные ископаемые делятся на магматические, осадочные и метаморфические.

В их размещении по территории Земли отслеживаются определённые закономерности. В складчатых областях обычно залегают магматические полезные ископаемые. Это связано с тем, что руды образовались в основном из магмы и выделяющихся из неё горячих водных растворов. Магма поднимается из недр по разломам и застывает в толще горных пород на различной глубине. Магматические полезные ископаемые могут образовываться и из излившейся магмы – лавы, которая быстро остывает. Обычно внедрение магмы происходит в период активных тектонических движений, поэтому рудные полезные ископаемые связаны со складчатыми областями.

Осадочные полезные ископаемые наиболее характерны для платформ, так как там располагается платформенный чехол. Преимущественно это нерудные полезные ископаемые и горючие, ведущую роль среди которых играют газ, нефть, уголь, горючие сланцы. Они образовались из накопившихся в прибрежных частях мелководных морей и в озёрно-болотных условиях суши остатков растений и животных.

Металл, о котором моя работа, относится к рудным полезным ископаемым, к группе редкоземельных металлов.

1.2. Редкоземельные металлы

Редкоземельные металлы – это сравнительно небольшая группа элементов, которая насчитывает всего 17 представителей.

К этой группе относятся: Скандий (Sc), Иттрий (Y), Лантан (La), Церий (Ce), Празеодим (Pr), Неодим (Nd), Прометий (Pm), Самарий (Sm), Европий (Eu), Гадолиний (Gd), Тербий (Tb), Диспрозий (Dy), Гольмий (Ho), Эрбий (Er), Томит (Tm), Иттербий (Yb), Лютеций (Lu).

Все они металлы серебристо-белого цвета (рис. 3). При этом – все имеют сходные химические свойства.

В природе все редкоземельные металлы существуют только в виде оксидов (рис. 4). Ранее оксиды носили название «терра», что значит «земля». Поэтому, когда из оксидов сразу не удалось получить чистые металлы, их стали называть «редкая земля», то есть «редкоземельные». Этим учёные старались подчеркнуть их малочисленность в природе. Они тогда не знали, что большинство редкоземельных металлов чрезвычайно распространено в земной коре.

Данная группа веществ была открыта сравнительно недавно. Само их открытие до сих пор покрыто завесами тайны. Впервые образцы были обнаружены в 1794 году. В то время химик из Финляндии Юхан Гадолин исследовал образцы руды недалеко от местечка под названием Иттербю. Здесь он обнаружил неизвестную «жидкую землю», которую затем назвал в честь места нахождения – иттрий. Спустя некоторое время полученный образцы ещё раз исследовал Мартин Клапорт, который выделил дополнительное вещество, названное в честь планеты Церера церием.

Параллельно с Гадолином ещё два шведских химика также занимались изучением редкоземельных металлов. Их открытия перекликались и пересекались. В то время так и не удалось получить ни одного металла в чистом виде, все они представляли собой сложные оксиды.

Наш, Дмитрий Иванович Менделеев, создавая свой труд «Основы химии», признавал наличие только 6 редкоземельных металлов: иттрия, лантана, церия, эрбия, тербия и дидима, как тогда называли элементы празеодим и неодим. Причём, даже существование тербия было им проставлено под вопросом. Уже к концу XIX века ситуация с редкоземельными элементами прояснилась, и им было отведено место в Периодической системе элементов между барием и танталом.

А к 1907 году было обнаружено уже 14 таких элементов. Само же название «редкоземельные металлы» было выведено в конце XVIII века.

Представители данной группы имеют схожие химические и физические свойства. Например, при нагревании эти элементы взаимодействуют с кислородом, образовывая стойкие, нерастворимые в воде оксиды. Кстати, при горении металлов в атмосферном кислороде наблюдается выделение значительного количества тепла. Именно для этой группы характерна пирофорность – свойство искриться в воздухе.

В большинстве случаев редкоземельные металлы встречаются совместно. В одном образце содержится сразу несколько представителей группы. На сегодняшний день известно более 250 минералов, в составе которых имеются редкоземельные элементы. К основным минералам можно отнести монацит, паризит, ксентим, ортит. Наиболее распространённым веществом в земной коре считается церий. А вот тулия и лютеция в природе содержится наименьшее количество.

Данные элементы используются в совершенно различных отраслях. Например, их широко применяют в стекольной промышленности. Во-первых, они повышают светопрозрачность стекла. Во-вторых, эти металлы используются для производства стекла специального назначения – стекла, поглощающего ультрафиолетовые лучи или пропускающего инфракрасное излучение. С помощью редкоземельных веществ производят жаростойкие стёкла. В нефтепереработке эти элементы выступают в роли катализаторов. Их используют также в химической промышленности для производства высококачественных красок, лаков и пигментов.

Месторождения редкоземельных металлов есть в России, Китае, Индии, Бразилии, Северной Америке, Австралии, на дне Тихого океана… (рис. 5) В 2011 году на дне Тихого океана, недалеко от Гавайских островов, Французской Полинезии и Таити было обнаружено ещё одно место обширных залежей редкоземельных металлов.

1.3. Ниобий.

Ниобий. Химический элемент, символ Nb (лат. Niobium, старое название колумбий, Cb). Имеет порядковый номер 41, атомный вес 92 906; плотность 8, 60г/см3; температуру плавления 2470°С; температуру кипения 4840°С (рис.6).

Ниобий – металл серо-стального цвета (рис. 7). Чистый металл пластичен и может быть прокатан в тонкий лист (до толщины 0.01мм) в холодном состоянии без промежуточного отжига.

Можно отметить такие свойства ниобия как высокая температура плавления и кипения, более низкая работа электронов по сравнению с другими тугоплавкими металлами – вольфрамом и молибденом. Последнее свойство используется для применения ниобия в электровакуумной технике. Ниобий также имеет высокую температуру перехода в состояние сверхпроводимости. При обычной температуре ниобий устойчив на воздухе. Начало окисления наблюдается при нагревании металла до 200-300оС.

Характерное свойство ниобия – способность поглощать газы – водород, азот и кислород. Небольшие примеси этих элементов сильно влияют на механические и электрические свойства металла.

Из ниобиевых листов изготовляют «горячую арматуру» (т.е. нагреваемые детали) – детали электронных ламп, особенно мощных генераторных ламп, выпрямителей тока. Ниобий применяют для изготовления электролитических конденсаторов и выпрямителей тока (рис. 8). Кроме чистого металла для тех же целей применяют танталониобиевые сплавы. Ниобиевые элементы конденсаторов изготовляют из тонкой фольги или пористых пластинок, спрессованных из металлических порошков.

Ниобий устойчив против действия агрессивных кислот (соляной, серной, азотной, фосфорной и органических кислот) любой концентрации. Коррозионная стойкость ниобия в кислотах и других средах, в сочетании с высокой теплопроводностью и пластичностью делают его ценным конструкционным материалом для аппаратуры в химических и металлургических производствах. Ниобий обладает сочетанием свойств, подходящих для использования в атомной энергетике: слабо взаимодействует с ураном.

Существуют жаропрочные сплавы на основе ниобия в качестве конструкционного материала для деталей реактивных двигателей и ракет (изготовление турбинных лопаток, передних кромок крыльев, носовых концов самолётов и ракет, обшивки ракет). Ниобий и сплавы на его основе можно использовать при очень высоких температурах (рис. 9).

Высокая коррозионная стойкость позволила использовать его в медицине. Успешно используют ниобиевые нити для сшивания порванных сухожилий, кровеносных сосудов и даже нервов.

Проведение исследования.

Опрос сотрудников СК ГМИ.

В нашем городе есть Северо-Кавказский горно-металлургический институт, который является одним из старейших технических вузов на Северном Кавказе (рис. 10). Он был создан 26 августа 1931 года, то есть ему 86 лет! В 1941-1942 годах институт произвёл выпуск 102 инженеров-металлургов, горных инженеров и инженеров-обогатителей. Более 100 преподавателей, сотрудников и студентов в 1941-1943 годах воевали на фронтах Великой Отечественной войны, из них 17 девушек.

В настоящее время СК ГМИ (ГТУ) – это: более 5000 студентов, обучающихся по 21 направлению на 12 факультетах: горно-геологическом, металлургическом, электромеханическом, архитектурно-строительном, электронной техники, экономическом, юридическом, пищевых производств, информационных технологий, довузовской подготовки, заочном, повышения квалификации и переподготовки специалистов. В институте 46 кафедр, где трудится высококвалифицированный научно-педагогический коллектив, в составе которого 76 заслуженных работников России и РСО-Алания.

В вузе регулярно проводятся научные студенческие конференции, олимпиады, различные мероприятия, куда приглашают учеников моей школы (рис. 11). Институт неоднократно удостаивался высоких наград.

За время своего существования институт подготовил большое количество высококвалифицированных специалистов, один из них – мой дедушка.

В 2003 году институт был переименован в Северо-Кавказский горно-металлургический институт (Государственный Технологический Университет).

Поскольку я хочу стать геологом, то в институте бываю довольно часто. Особенно в музее, которым заведует замечательный преподаватель и человек – Фидарова Нелли Георгиевна, и на кафедре прикладной геологии во главе с Дарчиевой Анфисой Ефимовной. Они очень помогли в подготовке моей работы. Нелли Георгиевна и Анфиса Ефимовна – энтузиасты, которые очень любят свою работу. Кроме них, на горно-геологическом факультете работают и другие замечательные люди: Полквой Александр Петрович, Галушкина Евгения и др.

Поговорив с сотрудниками Северо-Кавказского горно-металлургического института (рис. 12), кафедры прикладной геологии, я узнал, что и Россия очень богата редкоземельными металлами. Месторождения находятся в основном на севере и северо-востоке нашей страны, на Дальнем Востоке, в Якутии.

Россия обладает колоссальной минеральной базой редких элементов, которая сосредоточена в северных и восточных регионах страны. Маймеча-Котуйская, Восточно-Саянская, Сете-Дабанская, Уджинская и Кольская провинции составляют колоссальную сырьевую базу железа, фосфора и редких элементов.

На Северном Кавказе редкоземельные металлы тоже есть, правда, в небольших количествах. Они сосредоточены в Кабардино-Балкарской Республике, Тырныаузкое месторождение.

Беседа с дедушкой.

После опроса преподавателей СК ГМИ я решил пообщаться с дедушкой. Он – геолог, специалист по руде (рис. 13). Он работал на Чукотке, в Кабардино-Балкарии, на Колыме, а сейчас – в Москве, руководитель проекта. Мой дедушка в числе первооткрывателей Майского полиметаллического месторождения на Чукотке, имеет медаль «За заслуги в разведке недр». Он очень много знает, интересно рассказывает. Кроме того выяснилось, что как раз сейчас он занимается редкоземельными металлами.

После беседы с дедушкой я узнал, что и у нас в стране есть выдающееся, уникальное Томторское месторождение этих металлов. «Томтор» – по-якутски бугор. В его руде 18 наименований металлов. Чтобы было понятно качество этого месторождения, его можно сравнить с месторождением Араша в Бразилии, которое сейчас считается самым хорошим в мире по ниобию. Там на тонну руды содержится 23 килограмма ниобия, и, помимо ниобия, там мало чего другого есть. На Томторе, на участке Буранный, на тонну содержится 63 килограмма ниобия и плюс к нему, там ещё 95 килограммов других редкоземельных элементов. Таких месторождений нигде и ни у кого больше нет.

Томторское месторождение.

Месторождение было открыто в 1959 году, находится на северо-западе Республики Саха (Якутия) на 71-м градусе северной широты и является крупнейшим месторождением в мире среди редкоземельных гигантов (рис. 14). При этом концентрация и количество ниобия и тербия на Томторском месторождении превосходят все мировые аналоги.

Массив Томтор расположен среди девственных красот лесотундровой полосы Якутии (рис. 15, 16). Климат здесь характеризуется долгой полярной зимой (с сентября по январь вообще без солнечного света) и нестабильно жарким летом (июнь – август).

Площадь месторождения составляет 250 квадратных километров, а его запасы оцениваются в 154 миллиона тонн руды. Россия сможет составить достойную конкуренцию Китаю и другим производителям редкоземельных металлов. Запасы редких элементов в пределах только одного Буранного участка могут обеспечить потребности России и мира на сотни лет.

В мире такие объекты исключительно редки, поэтому Томтор по праву стоит в одном ряду с месторождениями-гигантами, такими, как Виттватерсранд (золотоносный конгломерат) в ЮАР или Сухой Лог (золото) в России, Чукикамата (медь) в Чили, Норильская группа (медь, никель, платиноиды). Среди редкометалльных объектов Томтор лидирует, опередив месторождения ниобия (Араша, Бразилия) и редких земель (Маунтин-Пасс, США; Баюнь-Обо, Китай).

В настоящее время по сравнению с 2000 г. цены на редкие элементы заметно выросли (на значительную часть продукции – в несколько раз) и после некоторого снижения имеют тенденцию к стабилизации. Стоимость товарной продукции одной тонне томторской руды колебалась в пределах от 2 до 5 тыс. долл., достигнув 8,5 тыс. долл. 5, а после редкоземельного «бума», вызванного внезапным дефицитом вследствие прекращения китайского экспорта на мировой рынок редких элементов, она варьирует от 10 до 20 тыс. долл., в зависимости от чистоты получаемых товарных продуктов.

Приведённые материалы дают основание утверждать, что уникальному Томторскому месторождению в ближайшем будущем альтернативы нет. Предприятие, которое начнёт его разработку, может рассчитывать не только на многолетнее прибыльное производство, но и в течение ближайшего десятилетия гарантированно может стать монополистов монополистом на рынке редких элементов как минимум СНГ.

Разработка этого месторождения как нельзя, кстати, подходит для программы интенсификации и инновационного развития народного хозяйства России. Необходимость отработки Томтора очевидна ещё и потому, что в непосредственной близости от него разведаны и успешно отрабатываются алмазные россыпи, месторождения углеводородов, углей и стройматериалов; улучшит экономическую ситуацию в Республике Саха-Якутия; будут созданы новые рабочие места.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выводы. Особенности Томтора:

Месторождение содержит фосфатные руды и редкоземельное сырьё, не имеющее аналогов в мире по качеству и чрезвычайно востребованное современной промышленностью: ниобий, скандий, иттрий и т.д.

Пирохлор-монацит-крандалитовые руды Томторского месторождения являются весьма сложным объектом для механического обогащения. Предпринятые ранее попытки механического обогащения различных сортов руды этого месторождения не увенчались успехом. Поэтому для них была разработана новая гидрометаллургическая схема обогащения.

Отсутствует транспортная инфраструктура (ближайшая станция железной дороги находится в 700 км от месторождения в городе Мирный), что делало разработку месторождения невыгодной.

Строительство коммуникаций по традиционным технологиям затруднено и очень дорого, так как вечная мерзлота существенно затрудняет их строительство и эксплуатацию.

Температура достигает значений ниже 70 градусов по Цельсию.

Освоение Томторского месторождения позволит извлечь огромную прибыль от реализации дефицитного сырья.

Ниобий широко применяется в металлургии, ракетостроении, авиационной и космической технике, радиотехнике, электронике, атомной энергетике. Потребность в ниобии быстро растёт – до 15% в год.

Освоение одного только Буранного участка позволит в кратчайшие сроки воссоздать утраченное после развала СССР редкометальное производство и исключить зависимость страны от импорта редких элементов и прочно занять достойное место на мировом рынке. Разработка месторождения как нельзя, кстати, вписывается в программу инновационного развития экономики страны.

Приложения

Рис.1. Радиолокационная станция «Ниобий».

Полезные ископаемые

Жидкие:

вода, нефть

Твёрдые:

уголь

Газообразные:

природный газ

Очень твёрдые:

гранит, алмаз

Лёгкие:

природный газ

Тяжёлые:

нефть, железная руда

Горючие:

нефть, природный газ, горючий сланец

Рис.2. Схема. Полезные ископаемые

Рис. 3. Редкоземельные металлы.

Рис.4. Оксиды редкоземельных элементов. По часовой стрелке от центрального первого: празеодим, церий, лантан, неодим, самарий, гадолиний

Рис. 5. Карта распространения редкоземельных металлов на территории России.

Рис. 6. Химический элемент Ниобий.

Р
ис. 7. Ниобий

Рис. 8. Конденсаторы ниобиевые.

Рис. 9. Сплавы на основе ниобия.

Рис. 10. Первый выпуск СК ГМИ.

Рис. 11. Я на конференции с участием иностранных студентов в СК ГМИ.

Рис. 12. Я в музее СК ГМИ

Рис. 13. Дедушка на работе.

Рис.14. Месторасположение Томтора на карте.

Рис. 15. Пейзаж Анабарского кристаллического массива.

Рис.16. Породы, возраст которых превышает три миллиарда лет.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Жабин А.А. Жизнь минералов. – М.: Советская Россия, 1976. – 224 с.

Похименко Н.П., Толстов А.В. Перспективы освоения Томторского месторождения комплексных ниобий-редкоземельных руд. – М.: Геоинформмарк, 2013. – 213с.

Ферсман А.Е. Занимательная минералогия. – М.: Левша, 1959. – 260 с.

Энциклопедия для детей. Т.4. Геология. – М.: Аванта+, 2006. – 624с.

Кравченко С.М., Беляков А.Ю., Кубышев А.И., Толстов А.В. Скандиево-редкоземельно-иттриево-ниобиевые руды – новый тип редкометалльного сырья// Геология рудных месторождений. – 1990. – Т.32, №11, с. 105-109.

Лапин А.В. Новые уникальные месторождения редких металлов в корах выветривания карбонатитов// Разведка и охрана недр. – 1993. - №3. с. 7-11.

Мелентьев Г., Самонов А. Кому и зачем нужен Томтор// Химия и бизнес. – 2009. - №№2, 3, 6.

Толстов А.В. Массив Томтор – крупнейший из «редких»// Наука и техника в Якутии. – 2011. - №2 (21). с. 16-23.

Толстов А.В. Проблемы освоения Томторского месторождения// Материалы XII Международного совещания по геологии россыпей и кор выветривания «Природные техногенные россыпи и месторождения кор выветривания». – М., 2000. – с.353-355.

Интернет. Режим доступа: http://www.catalogmineralov.ru/mineral/pyrochlore.html