[科普中国]-五氧化铌

五氧化二铌是无机化合物，化学式为Nb2O5。它是一种无色不溶性固体，非常不活泼。受热时变成黄色。它是所有铌材料的主要前身，主要应用是合金，但其他专业应用包括电容器，铌酸锂和光学玻璃。1

五氧化铌理化性质五氧化二铌（Nb2O5）是一种很细的白色结晶粉末，加热到380~435℃，便由无定型转变为晶体。400~500℃时，因晶格中出现氧缺陷变为嫩黄色（和氧化锌颜色相近）。因制备方法和热处理方式不同，其密度可为4.3～5.2 g/cm3。有关Nb2O5的结晶学数据和热力学数据、铌的各种氧化物之间的转变关系参见右表。

Nb2O5在170℃下水中摩尔浓度为6.8×10-3mol/L。Nb2O5中的Nb-O键的键能较大（385kJ/mol），低温时参与化学反应的能力较弱，随温度升高反应能力增强，Nb2O5在1350℃时仍十分稳定，但在真空加热到1150℃是开始分解。2

五氧化铌的反应Nb2O5受到HF的侵蚀，溶解于碱熔液中。

与金属反应Nb2O5的转化是工业生产铌金属的主要途径。在20世纪80年代，约15000000公斤的Nb2O5被还原到金属每年消费。制法主要是还原该氧化物与铝：

3Nb2O5+10Al→6Nb+5Al2O3

一种可以替代的反应但实践不行的路线涉及碳热还原：

Nb2O5+7C→2NbC + 5CO（1800℃真空下加热）

5NbC+Nb2O5→7Nb+5CO

转化为卤化物已知许多将Nb2O5转化成卤化物的方法。主要的问题是不完全的反应产生卤氧化物。在实验室中，转化可以用亚硫酰氯进行：

Nb2O5+ 5SOCl2→2NbCl5+5SO2

转换为铌酸盐处理过的的Nb2O5与含水的NaOH在200℃下可以得到结晶铌酸钠，NaNbO3与反应KOH可产生Nb6O198-。

转化为还原的铌氧化物用H2高温还原得到NbO2：

Nb2O5+H2→2NbO2+H2O

一氧化铌由使用电弧炉的反应产生

Nb2O5+3Nb→5NbO

五氧化铌晶体Nb2O5有多种变体，其晶体结构与制备方法有关。在各种温度下Nb2O5存在三种同素异晶体：低温T（γ）-型（低于900℃时）、中温M（β）-型（900～1100℃）和高温H（α）-型（高于1100℃时）。下图1所示了各种变体以及它们之间的关系。下图2所示为Nb2O5的各种异晶的相对稳定性。从中可以看出，在300~700℃间最为稳定的是β晶型，在730~1000℃间为H晶型，其他的晶型均为热力学不稳定体。实际上，Nb2O5的系列同素异晶并非“真正的”异晶，而是属于同一化学式Nb6n-2O16n-6。（n=1，2，3）的氧化物家族。2

五氧化铌的制取铌是亲氧元素，很容易得到它们的氧化物，因此制取氧化铌的方法很多，如可以用在空气中加热使金属氧化、碳化物氧化、氮化物氧化、使各种化合物水解等。但能工业规模生产的方法主要有两种：以氢氟酸萃取工艺的反萃取液为原料制取和氯化冶金产出的五氯化物为原料制取。此外，铌还可以草酸铌为原料制取氧化铌和醇盐法制取氧化铌。

由反萃取液制取五氧化二铌用液一液萃取分离钽、铌过程中的铌液来制取五氧化二铌的方法为：在铌液中，铌以H2NbF7和H2NbOF5的形式存在，并含有一定量的HF和H2SO4，当用氨中和至pH值为8~9时，即形成难溶于水的白色氢氧化铌，后经洗涤、烘干、煅烧，获得氧化铌。影响氧化铌质量的主要因素有：沉淀剂用量、铌液温度、洗涤条件和煅烧条件。

由氯化物制取五氧化二铌原料五氯化铌来自精矿氯化工艺的精馏产物。制取方法有：水溶液水解法、水蒸气水解法、与氧或含氧气体反应法、氨水中和法和醇盐法。

水溶液水解法是将氯化物按固液比为1：13溶解后在90~100℃下进行水解，采用热水水解可以避免形成氧化物胶体，有利于过滤，同时水溶液水解具有一定分离杂质的纯化作用。滤饼再用2%HCl+NH4Cl混合液洗涤，最后得到高纯度的产品。水溶液水解法的缺点在于氢氧化物过滤困难，劳动强度大，水解、过滤、干燥、煅烧等占用大量设备。

水蒸气水解法有气-固相反应水解和气-气相反应水解两种方法。前者为低温气-固相反应，后者为高温气-气相反应。方法多用于制备特纯级氧化物产品。

氨水中和法用1mol/L以上的氨水中和五氯化铌，可以得到含水量较少的水合氧化铌，但沉淀物容易生成难过滤的胶体。

醇盐法制取高纯五氧化铌先将五氯化铌磨细，在带搅拌和流水套的反应器中边搅拌边将氯化物连续地加入无水乙醇的反应器中，反应器通水冷却保持反应温度40~50℃，反应固液比为1：（0.9~1.1），所得含有乙醇铌的乙醇溶液经过陈化、沉降分离后，在160~300℃下蒸发浓缩，蒸发时产生的含有过量乙醇的尾气通过洗涤系统回收，蒸发浓缩产物（含五氧化物90%~95%）在温度850~900℃下通入空气或氧气时进行热分解，最后得到粒度分布均匀、化学活性大的纳米级高纯氧化铌产品。另外，也可以用水解法制取高纯氧化物。为防止氧化物凝聚，可在室温下边搅拌边进行水解，该法可获得活性好的超细氧化铌产品。3

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学