Niob, Nb, Ordnungszahl 41

Allgemein

Niob [ˈnioːp] (nach Niobe, der Tochter des Tantalos) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Nb und der Ordnungszahl 41. Es zählt zu den Übergangsmetallen, 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 Tantalsäure unterschiedliche Stoffe sind. Nicht um die Arbeiten Hatchetts und dessen Namensgebung wissend, nannte er das wiederentdeckte Element aufgrund dessen Ähnlichkeit 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 · 10−3 %. Es kommt nicht gediegen vor. Auf Grund der ähnlichen 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.

Zunächst werden die Erze einem Gemisch von konzentrierter Schwefel- und Flusssäure bei 50–80 °C ausgesetzt. Dabei bilden sich die komplexen Fluoride [NbF7]2− und [TaF7]2−, die leicht löslich sind.

Durch Überführung in eine wässrige Phase und Zugabe von Kaliumfluorid können die Dikalium-Salze dieser Fluoride gebildet werden. Dabei ist nur das Tantalfluorid in Wasser schwer löslich und fällt aus. Das leicht lösliche Niobfluorid kann so vom Tantal getrennt werden. Heutzutage ist aber eine Trennung durch Extraktion mit Methylisobutylketon üblich. Eine dritte Möglichkeit 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 zunächst Niobpentoxid hergestellt. Dieses wird entweder mit Kohlenstoff zunächst zu Niobcarbid umgesetzt und dann mit weiterem Niobpentoxid bei 2000 °C im Vakuum zum Metall reduziert oder direkt aluminothermisch gewonnen. Der größte Teil des Niob für die Stahlindustrie wird so produziert, dabei wird noch Eisenoxid zugesetzt, um eine Eisen-Niob-Legierung (60 % Niob) zu erhalten. Werden Halogenide als Ausgangsstoff für die Reduktion eingesetzt, geschieht dies mit Natrium als Reduktionsmittel.

Eigenschaften

Niob ist ein grau glänzendes, duktiles Schwermetall. Bekannt sind die Oxidationsstufen −3, −1, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Wie beim Vanadium, das im Periodensystem über dem Niob steht, ist die Stufe +5 am beständigsten. 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 beständig. Die meisten Säuren greifen es bei Raumtemperatur daher nicht an. Nur Flusssäure vor allem im Gemisch mit Salpetersäure sowie heiße konzentrierte Schwefelsäure korrodieren metallisches Niob rasch. In heißen Alkalien ist Niob ebenfalls unbeständig, da sie die Passivschicht auflösen. Bei Temperaturen oberhalb von 200 °C beginnt es in Gegenwart von Sauerstoff zu oxidieren. Eine schweißtechnische Bearbeitung von Niob muss wegen seiner Unbeständigkeit an der Luft unter Schutzgasatmosphäre 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 cm³ Wasserstoff aufnehmen, was früher in der Vakuumröhrentechnik ausgenutzt wurde.

Verwendung

Niob wird als Legierungszusatz für rostfreie Stähle, Sonderedelstähle (z. B. Rohre für die Salzsäureproduktion) und Nichteisenlegierungen verwendet, da sich niob-legierte Werkstoffe durch eine erhöhte mechanische Festigkeit auszeichnen. Bereits in Konzentrationen von 0,01 bis 0,1 Massenprozent kann Niob in Kombination mit thermomechanischem Walzen die Festigkeit und Zähigkeit von Stahl wesentlich steigern. Erste Versuche zur Verwendung von Niob als Legierungselement (Ersatz von Wolfram) fanden 1925 in den USA statt. Solcherart veredelte Stähle werden häufig im Rohrleitungsbau (Pipeline construction) eingesetzt. Als starker Karbidbildner wird Niob auch in Schweißzusatzwerkstoffen zum Abbinden von Kohlenstoff zulegiert.

Als weitere Verwendungen sind anzuführen:

  • Anwendung in der Nukleartechnik wegen des niedrigen Einfangquerschnitts für thermische Neutronen.
  • Herstellung niobstabilisierter Schweißelektroden als Schweißzusatz für Edelstähle, Sonderedelstähle und Nickelbasislegierungen.
  • Wegen seiner bläulichen Farbe wird es für Piercingschmuck und zur Herstellung von Schmuckwaren genutzt.
  • Bei Münzen mit Niob (Bimetall-Münzen) kann die Farbe des Niob-Kerns durch physikalische Verfahren stark variieren (z. B. bei 25-Euro-Münzen aus Österreich).

  • Nennenswerte Mengen werden als Ferroniob und Nickelniob in der metallurgischen Industrie zur Herstellung von Superlegierungen (Nickel-, Cobalt- und Eisenbasislegierungen) eingesetzt. Hieraus werden statische Teile für stationäre und fliegende Gasturbinen, Raketenteile und hitzebeständige Komponenten für 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 Oberfläche der Niobanode aufgebracht und dient in diesem Kondensator als Dielektrikum. Niob-Elektrolytkondensatoren stehen im Wettbewerb mit den bekannteren Tantal-Elektrolytkondensatoren.
  • Werden die Glaskolben von Halogenglühlampen außen mit z. B. Niob bedampft, wird dadurch ein Teil der Wärmestrahlung der Wolframglühwendel zurück nach innen reflektiert. Dadurch kann bei niedrigerem Energieverbrauch eine höhere Betriebstemperatur und somit größere Lichtausbeute erzielt werden.
  • Als Katalysator (z. B. bei der Salzsäureproduktion und bei der Produktion von Alkoholen aus Butadien),
  • Als Kaliumniobat (chemische Verbindung aus Kalium, Niob und Sauerstoff), das als Einkristall in der Lasertechnik und für nichtlineare optische Systeme Verwendung findet und
  • Verwendung als Elektrodenmaterial für 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) gehören 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 Drähten aus Niob-Zinn und Niob-Titan eingesetzt. So werden für 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 entzündlich.

Eine physiologische Wirkungsweise des Niobs ist unbekannt.

Allgemein
Name, Symbol,Ordnungszahl Niob, Nb, 41
Serie Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block 5, 5, d
Aussehen grau metallisch
CAS-Nummer 7440-03-1
Massenanteil an derErdhülle 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 °C)
Mohshärte 6,0
Magnetismus paramagnetisch (\chi_{m} = 2,3 · 10−4)
Schmelzpunkt 2750 K (2477 °C)
Siedepunkt 5017 K (4744 °C)
Molares Volumen 10,83 · 10−6 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 −1,1 V (Nb2+ + 2 e → Nb)
Elektronegativität 1,6 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
91Nb {syn.} 680 a ε 1,253 91Zr
92Nb {syn.} 3,47 · 107 a ε 2,006 92Zr
β 0,356 92Mo
93Nb 100 % Stabil
93metaNb {syn.} 16,13 a IT 0,031 93Nb
94Nb {syn.} 20300 a β 2,045 94Mo
95Nb {syn.} 34,975 d β 0,926 95Mo
NMR-Eigenschaften
Spin γ in
rad·T−1·s−1
Er(1H) fL bei
B = 4,7 T
in MHz
93Nb 9/2 6,567 · 107 0,488 24,47
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung

02 – Leicht-/Hochentzündlich

Gefahr

H- und P-Sätze H: 250
EUH: keine EUH-Sätze
P: 222-​231-​422
GefahrstoffkennzeichnungPulver

Leichtentzündlich
Leicht-
entzündlich
(F)
R- und S-Sätze R: 11
S: 43

 

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