Niob, Nb, Ordnungszahl 41

Allgemein

Niob¬†[ňąnioňźp] (nach¬†Niobe, der Tochter des¬†Tantalos) ist ein¬†chemisches Element¬†mit dem¬†Elementsymbol¬†Nb und der¬†Ordnungszahl¬†41. Es z√§hlt zu den¬†√úbergangsmetallen, im¬†Periodensystem¬†steht es in der 5.¬†Periode¬†sowie der 5.Nebengruppe¬†(Gruppe 5) oder¬†Vanadiumgruppe.

Im angelsächsischen Sprachraum wird auch heute noch von vielen Metallurgen, Werkstoffanbietern und im privaten Umgang die schon länger veraltete Bezeichnung Columbium und das Kurzzeichen Cb verwendet.

Das selten vorkommende Schwermetall ist von grauer Farbe und gut schmiedbar. Niob kann aus den Mineralen Columbit, Coltan (Columbit-Tantalit) und Loparit gewonnen werden. Es wird hauptsächlich in der Metallurgie verwendet, um Spezialstähle herzustellen und die Schweißbarkeit zu verbessern.

Niob wurde 1801 durch Charles Hatchett entdeckt. Er fand es in Columbit-Erz (Erstfund in einem Flussbett in Kolumbien), das um 1700 von John Winthrop nach England verschickt worden war. Hatchett gab dem Element die Bezeichnung Columbium. Bis Mitte des 19. Jahrhunderts ging man davon aus, dass es sich bei Columbium und dem 1802 entdeckten Tantal um dasselbe Element handelt, da sie in Mineralen fast immer zusammen auftreten (Paragenese).

Erst 1844 zeigte der Berliner Professor¬†Heinrich Rose, dass Niob- und Tantals√§ure unterschiedliche Stoffe sind. Nicht um die Arbeiten Hatchetts und dessen Namensgebung wissend, nannte er das wiederentdeckte Element aufgrund dessen √Ąhnlichkeit mit Tantal nach¬†Niobe, der Tochter des¬†Tantalus.

Erst nach 100 Jahren Auseinandersetzung legte die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) 1950 Niob als offizielle Bezeichnung des Elements fest.

1864 gelang Christian Wilhelm Blomstrand die Herstellung von metallischem Niob durch Reduktion von Niobchlorid mit Wasserstoff in der Hitze. 1866 bestätigte Charles Marignac Tantal als eigenständiges Element.

1907 stellte Werner von Bolton durch Reduktion eines Heptafluoroniobats mit Natrium sehr reines Niob dar.

Vorkommen 

Niob ist ein seltenes Element mit einem Anteil an der¬†Erdkruste¬†von 1,8 ¬∑ 10‚ąí3¬†%. Es kommt nicht¬†gediegen¬†vor. Auf Grund der √§hnlichen Ionenradien kommen Niob und Tantal immer verschwistert vor. Die wichtigsten¬†Minerale¬†sind¬†Columbit¬†(Fe,¬†Mn)(Nb,¬†Ta)2O6, das je nach Gehalt an Niob oder Tantal auch als Niobit oder Tantalit bezeichnet wird, sowie¬†Pyrochlor¬†(NaCaNb2O6F).

Weitere meist seltene Minerale sind:

  • Euxenit¬†[(Y, Ca, Ce, U, Th)(Nb, Ta, Ti)2O6].
  • Olmsteadit¬†(KFe2(Nb,Ta)[O|PO4]2¬†¬∑¬†H2O) und
  • Samarskit¬†((Y,Er)4[(Nb,Ta)2O7]3)

Von wirtschaftlichem Interesse sind Niobvorkommen in Karbonatiten, in deren Verwitterungsböden sich Pyrochlor angereichert hat. Die Jahresproduktion lag 2006 bei fast 60.000 t, 90 % davon wurden in Brasilien gefördert. In den letzten Jahren ist die Produktion stark angestiegen. Brasilien und Kanada sind die Hauptproduzenten von niobhaltigen Mineralkonzentraten. Große Erzlager befinden sich auch in Nigeria, in der Demokratischen Republik Kongo und in Russland.

Gewinnung und Darstellung 

Da Niob und Tantal immer zusammen vorkommen, werden Niob- und Tantalerze zunächst gemeinsam aufgeschlossen und anschließend durch fraktionierte Kristallisation oder unterschiedlicheLöslichkeit in organischen Lösungsmitteln getrennt. Das erste solche industrielle Trennverfahren wurde 1866 von Galissard de Marignac entwickelt.

Zun√§chst werden die Erze einem Gemisch von konzentrierter¬†Schwefel-¬†und¬†Flusss√§ure¬†bei 50‚Äď80¬†¬įC ausgesetzt. Dabei bilden sich die komplexen Fluoride [NbF7]2‚ąí¬†und [TaF7]2‚ąí, die leicht l√∂slich sind.

Durch √úberf√ľhrung in eine w√§ssrige Phase und Zugabe von Kaliumfluorid k√∂nnen die Dikalium-Salze dieser Fluoride gebildet werden. Dabei ist nur das Tantalfluorid in Wasser schwer l√∂slich und f√§llt aus. Das leicht l√∂sliche Niobfluorid kann so vom Tantal getrennt werden. Heutzutage ist aber eine Trennung durch Extraktion mit¬†Methylisobutylketon¬†√ľblich. Eine dritte M√∂glichkeit der Trennung ist die durch¬†fraktionierte Destillation¬†der¬†Chloride¬†NbCl5¬†und TaCl5. Diese sind durch Reaktion von Erzen,¬†Koks¬†und¬†Chlor¬†bei hohen Temperaturen darstellbar.

Aus dem abgetrennten Niobfluorid wird durch Reaktion mit¬†Sauerstoff¬†zun√§chst¬†Niobpentoxid¬†hergestellt. Dieses wird entweder mit¬†Kohlenstoff¬†zun√§chst zu Niobcarbid umgesetzt und dann mit weiterem Niobpentoxid bei 2000¬†¬įC im¬†Vakuum¬†zum¬†Metall¬†reduziert¬†oder direkt¬†aluminothermisch¬†gewonnen. Der gr√∂√üte Teil des Niob f√ľr die Stahlindustrie wird so produziert, dabei wird noch Eisenoxid zugesetzt, um eine Eisen-Niob-Legierung (60¬†% Niob) zu erhalten. Werden Halogenide als Ausgangsstoff f√ľr die Reduktion eingesetzt, geschieht dies mit¬†Natrium¬†als Reduktionsmittel.

Eigenschaften

Niob ist ein grau gl√§nzendes,¬†duktiles¬†Schwermetall. Bekannt sind die¬†Oxidationsstufen¬†‚ąí3, ‚ąí1, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Wie beim¬†Vanadium, das im Periodensystem √ľber dem Niob steht, ist die Stufe +5 am best√§ndigsten. Das chemische Verhalten des Niobs ist fast identisch mit dem des¬†Tantals, das im Periodensystem direkt unter Niob steht.

Infolge der Ausbildung einer Passivschicht (Schutzschicht) ist Niob an der Luft sehr best√§ndig. Die meisten S√§uren greifen es bei Raumtemperatur daher nicht an. Nur¬†Flusss√§ure¬†vor allem im Gemisch mit¬†Salpeters√§ure¬†sowie hei√üe konzentrierte¬†Schwefels√§ure¬†korrodieren metallisches Niob rasch. In hei√üen Alkalien ist Niob ebenfalls unbest√§ndig, da sie die Passivschicht aufl√∂sen. Bei Temperaturen oberhalb von 200¬†¬įC beginnt es in Gegenwart von Sauerstoff zu oxidieren. Eine schwei√ütechnische Bearbeitung von Niob muss wegen seiner Unbest√§ndigkeit an der Luft unter¬†Schutzgasatmosph√§re¬†ablaufen.

Der Zusatz von Wolfram und Molybdän zu Niob erhöht seine Hitzebeständigkeit, Aluminium seine Festigkeit.

Bemerkenswert sind die hohe¬†Sprungtemperatur¬†des Niobs von 9,25¬†K, unterhalb der es¬†supraleitend¬†ist, sowie seine Eigenschaft, leicht Gase aufzunehmen. So kann bei Raumtemperatur ein Gramm Niob 100¬†cm¬≥¬†Wasserstoff¬†aufnehmen, was fr√ľher in der¬†Vakuumr√∂hrentechnik¬†ausgenutzt wurde.

Verwendung 

Niob wird als Legierungszusatz f√ľr rostfreie St√§hle, Sonderedelst√§hle (z. B. Rohre f√ľr die Salzs√§ureproduktion) und Nichteisenlegierungen verwendet, da sich niob-legierte Werkstoffe durch eine erh√∂hte mechanische Festigkeit auszeichnen. Bereits in Konzentrationen von 0,01 bis 0,1 Massenprozent kann Niob in Kombination mit¬†thermomechanischem Walzen¬†die¬†Festigkeit¬†und¬†Z√§higkeit¬†von Stahl wesentlich steigern. Erste Versuche zur Verwendung von Niob als Legierungselement (Ersatz von¬†Wolfram) fanden 1925 in den USA statt. Solcherart veredelte St√§hle werden h√§ufig im Rohrleitungsbau (Pipeline construction) eingesetzt. Als starker Karbidbildner wird Niob auch in Schwei√üzusatzwerkstoffen zum Abbinden von Kohlenstoff zulegiert.

Als weitere Verwendungen sind anzuf√ľhren:

  • Anwendung in der Nukleartechnik wegen des niedrigen¬†Einfangquerschnitts¬†f√ľr¬†thermische Neutronen.
  • Herstellung niobstabilisierter Schwei√üelektroden als Schwei√üzusatz f√ľr¬†Edelst√§hle, Sonderedelst√§hle und¬†Nickelbasislegierungen.
  • Wegen seiner bl√§ulichen Farbe wird es f√ľr¬†Piercingschmuck¬†und zur Herstellung von Schmuckwaren genutzt.
  • Bei¬†M√ľnzen¬†mit Niob (Bimetall-M√ľnzen) kann die Farbe des Niob-Kerns durch physikalische Verfahren stark variieren (z.¬†B. bei¬†25-Euro-M√ľnzen¬†aus √Ėsterreich).

  • Nennenswerte Mengen werden als Ferroniob und Nickelniob in der metallurgischen Industrie zur Herstellung von¬†Superlegierungen¬†(Nickel-, Cobalt- und Eisenbasislegierungen) eingesetzt. Hieraus werden statische Teile f√ľr station√§re und fliegende Gasturbinen, Raketenteile und hitzebest√§ndige Komponenten f√ľr den Ofenbau hergestellt.
  • Niob wird als Anodenmaterial in¬†Niob-Elektrolytkondensatoren¬†eingesetzt. Ein Oxid des Niobs, Niob(V)-oxid, besitzt eine hohe Spannungsfestigkeit. Es wird in einem sog. Formierverfahren auf der Oberfl√§che der Niobanode aufgebracht und dient in diesem Kondensator als Dielektrikum. Niob-Elektrolytkondensatoren stehen im Wettbewerb mit den bekannteren¬†Tantal-Elektrolytkondensatoren.
  • Werden die Glaskolben von¬†Halogengl√ľhlampen¬†au√üen mit z.¬†B. Niob bedampft, wird dadurch ein Teil der W√§rmestrahlung der Wolframgl√ľhwendel zur√ľck nach innen reflektiert. Dadurch kann bei niedrigerem Energieverbrauch eine h√∂here Betriebstemperatur und somit gr√∂√üere Lichtausbeute erzielt werden.
  • Als Katalysator (z.¬†B. bei der Salzs√§ureproduktion und bei der Produktion von Alkoholen aus Butadien),
  • Als¬†Kaliumniobat¬†(chemische Verbindung aus Kalium, Niob und Sauerstoff), das als Einkristall in der Lasertechnik und f√ľr nichtlineare optische Systeme Verwendung findet und
  • Verwendung als Elektrodenmaterial f√ľr¬†Natriumdampf-Hochdrucklampe
  • Supraleitung: Bei Temperaturen unterhalb von 9,5¬†K ist reines Niob ein¬†Supraleiter¬†des Typs II. Nioblegierungen (mit N, O, Sn, AlGe, Ge) geh√∂ren neben den drei Reinelementen Niob, Vanadium und¬†Technetium¬†zu den Stoffen, die Typ-II-Supraleiter sind: Die¬†Sprungtemperaturen¬†dieser Legierungen liegen zwischen 18,05¬†K (Niobzinn, Nb3Sn) und 23,2¬†K (Niobgermanium, Nb3Ge). Aus Niob gefertigte supraleitende¬†Hohlraumresonatoren¬†werden inTeilchenbeschleunigern¬†(u.¬†a.¬†XFEL¬†und FLASH am DESY in Hamburg) eingesetzt. Zur Erzeugung hoher¬†Magnetfelder¬†bis etwa 20 Tesla werden dabei supraleitende Magnete mit Dr√§hten aus Niob-Zinn und Niob-Titan eingesetzt. So werden f√ľr den experimentellen¬†Fusionsreaktor¬†ITER¬†600 t Niob-Zinn und 250 t Niob-Titan eingesetzt. Auch die supraleitenden Magnete des¬†LHC¬†bestehen aus Nioblegierungen.

Sicherheitshinweise

Niob gilt zwar als nicht toxisch, jedoch irritiert metallischer Niobstaub Augen und Haut. Niobstaub ist leicht entz√ľndlich.

Eine physiologische Wirkungsweise des Niobs ist unbekannt.

Allgemein
Name, Symbol,Ordnungszahl Niob, Nb, 41
Serie √úbergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block 5, 5, d
Aussehen grau metallisch
CAS-Nummer 7440-03-1
Massenanteil an derErdh√ľlle 19¬†ppm
Atomar
Atommasse 92,90638 u
Atomradius (berechnet) 145 (164) pm
Kovalenter Radius 137 pm
Elektronenkonfiguration [Kr] 4d4 5s1
1. Ionisierungsenergie 652,1 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie 1380 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie 2416 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie 3700 kJ/mol
5. Ionisierungsenergie 4877 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur kubisch raumzentriert
Dichte 8,57 g/cm3¬†(20¬†¬įC)
Mohshärte 6,0
Magnetismus paramagnetisch¬†(\chi_{m}¬†= 2,3 ¬∑ 10‚ąí4)
Schmelzpunkt 2750¬†K¬†(2477 ¬įC)
Siedepunkt 5017¬†K¬†(4744 ¬įC)
Molares Volumen 10,83 ¬∑ 10‚ąí6¬†m3/mol
Verdampfungswärme 690 kJ/mol
Schmelzwärme 26,8 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit 3480 m/s bei 293,15 K
Elektrische Leitfähigkeit 6,58 · 106 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit 54 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände 2, 5
Normalpotential ‚ąí1,1¬†V¬†(Nb2+¬†+ 2 e‚ąí¬†‚Üí Nb)
Elektronegativität 1,6 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
91Nb {syn.} 680¬†a őĶ 1,253 91Zr
92Nb {syn.} 3,47 ¬∑ 107¬†a őĶ 2,006 92Zr
ő≤‚ąí 0,356 92Mo
93Nb 100 % Stabil
93metaNb {syn.} 16,13 a IT 0,031 93Nb
94Nb {syn.} 20300¬†a ő≤‚ąí 2,045 94Mo
95Nb {syn.} 34,975¬†d ő≤‚ąí 0,926 95Mo
NMR-Eigenschaften
Spin ő≥¬†in
rad¬∑T‚ąí1¬∑s‚ąí1
Er(1H) fL bei
B = 4,7 T
in MHz
93Nb 9/2 6,567 · 107 0,488 24,47
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung

02 ‚Äď Leicht-/Hochentz√ľndlich

Gefahr

H- und P-Sätze H: 250
EUH: keine EUH-Sätze
P:¬†222-‚Äč231-‚Äč422
GefahrstoffkennzeichnungPulver

Leichtentz√ľndlich
Leicht-
entz√ľndlich
(F)
R- und S-Sätze R: 11
S: 43

 

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