Niob

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Niob, Nb, 41
Serie	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	5, 5, d
Aussehen	grau metallisch glänzend
CAS-Nummer	7440-03-1
Massenanteil an der Erdhülle	19 ppm
Atomar
Atommasse	92,90637(2) 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 (Χm = 2,3 · 10−4)
Schmelzpunkt	2750 K (2477 °C)
Siedepunkt	5017 K (4744 °C)
Molares Volumen	10,83 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme	694 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
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Pulver Gefahr
H- und P-Sätze	H: 250
	P: 222‐231‐422
	Leicht-; entzündlich
	(F)
R- und S-Sätze	R: 11
	S: 43
	Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. ; Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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 Erzen Columbit, Coltan (Columbit-Tantalit) und Loparit^[10] gewonnen werden. Es wird hauptsächlich in der Metallurgie verwendet, um Spezialstähle herzustellen und die Schweißbarkeit zu verbessern.

Geschichte

Niob wurde 1801 durch Charles Hatchett entdeckt. Er fand es in einer Probe von Columbit-Erz aus einem Flussbett in Massachusetts, das um 1743 nach England verschickt worden war. Hatchett benannte das Element Columbium (nach Columbia, der Personifikation der Vereinigten Staaten). 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.

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 Tantalos.

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 her.^[11]

Vorkommen

Columbit aus Madagaskar

Niob ist ein seltenes Element mit einem Anteil an der Erdkruste von 1,8 · 10⁻³ %.^[12] Es kommt nicht gediegen vor. Aufgrund 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). Etwa 85 - 90 % der Niob-Industrie verwendet Niob von Lagerstätten, die nicht mit dem Bergbau von Tantal-Erzen assoziiert sind.

Die wichtigsten erschlossenen Vorkommen von Pyrochlor liegen in Brasilien. Die Lagerstätten bei Araxá werden von der Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM) bewirtschaftet und sollen mit geschätzten Reserven von 460 mio t ausreichen, um den Weltbedarf an Niob für 500 Jahre zu decken. Eine weitere brasilianische Lagerstätte mit ca. 18 mio t Niob-Reserven wird von Mineração Catalão de Goias geführt, die vermutlich größten Vorkommen bei São Gabriel da Cachoeira sind aufgrund ihrer Lage im Nationalpark Pico da Neblina und indigenen Reservaten bislang nicht erschlossen. Die drittgrößte ausgebeutete Lagerstätte der Welt ist die vom Konzern Iamgold betriebene Niobec-Mine in Kanada. Die drei genannten Unternehmen produzieren Ferro-Niob mit einem nominalen Nb-Oxid-Gehalt von 60 % und decken gemeinsam etwa 85 % des Niob-Weltbedarfs. Weitere bedeutende, zum Teil wenig erschlossene Niob-Lagerstätten befinden sich im Lowosero-Massiv in Russland und in der Lueshe-Mine in der Provinz Nord-Kivu (Demokratische Republik Kongo).^[13]

Einige Nioberze wie Tantalit und Coltan, sowie deren Derivate wurden 2012 von der US-amerikanischen Börsenaufsicht SEC als so genanntes Konfliktmineral eingestuft,^[14] dessen Verwendung für Unternehmen gegenüber der SEC berichtspflichtig ist. Als Grund hierfür werden die Produktionsorte im Osten des Kongo angeführt, die von Rebellen kontrolliert werden und so im Verdacht stehen, bewaffnete Konflikte mitzufinanzieren.^[15]

Weitere meist seltene Minerale sind:

Euxenit [(Y, Ca, Ce, U, Th)(Nb, Ta, Ti)₂O₆]
Olmsteadit (KFe₂(Nb,Ta)[O|PO₄]₂ · H₂O)
Samarskit ((Y,Er)₄[(Nb,Ta)₂O₇]₃)

Gewinnung und Darstellung

Niob-Kristalle, elektrolytisch hergestellt

Da Niob und Tantal immer zusammen vorkommen, werden Niob- und Tantalerze zunächst gemeinsam aufgeschlossen und anschließend durch fraktionierte Kristallisation oder unterschiedliche Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln getrennt. Das erste industrielle Trennverfahren solcherart 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 (z. B. Kaliumheptafluoroniobat) 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.^[16]

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.

Die Jahresproduktion lag 2006 bei fast 60.000 t,^[17] 90 % davon wurden in Brasilien gefördert. 2013 betrug die Gesamtmenge des produzierten Niobs 59.400 Tonnen; Hauptproduzenten waren Brasilien (53.100 t) und Kanada (5.260 t). Der USGS gibt als US-Importpreise für eine Eisen-Niob-Legierung (Ferroniobium mit einem Anteil von 65 % Niob) 37.781 USD je Tonne im Jahre 2010 und 43.415 USD je Tonne für 2013 an.^[18]

Eigenschaften

Niob-Streifen

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.^[1]

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

Niob wird unterhalb von 9,26 K supraleitend und ist damit das supraleitende Element mit der höchsten Sprungtemperatur.^[19]

Niob nimmt leicht Gase auf, so kann ein Gramm Niob bei Raumtemperatur 100 cm³ Wasserstoff aufnehmen, was früher in der Vakuumröhrentechnik ausgenutzt wurde.

Verwendung

Supraleitende Kavität aus hochreinem Niob für den Freie-Elektronen-Laser FLASH am DESY.

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.

Die Münze Österreich prägt 25 Euro Bimetallmünzen mit einem Niobkern.

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).

Der schwarze Teil der Raketendüse besteht aus einer Niob-Titan-Legierung

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, bei der Biodiesel-Synthese^[20] 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-Hochdrucklampen
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 reinen Elementen Niob, Vanadium und Technetium zu den Stoffen, die Typ-II-Supraleiter sind: Die Sprungtemperaturen dieser Legierungen liegen zwischen 18,05 K (Niob-Zinn Nb₃Sn) und 23,2 K (Niob-Germanium Nb₃Ge). Aus Niob gefertigte supraleitende Hohlraumresonatoren werden in Teilchenbeschleunigern (u. a. XFEL und FLASH am DESY in Hamburg) eingesetzt. – Zur Erzeugung hoher Magnetfelder bis etwa 20 Tesla werden supraleitende Magnetspulen mit Drähten aus Niob-Zinn oder Niob-Titan eingesetzt, z. B. im Fusions-Versuchsreaktor ITER 600 t Niob-Zinn und 250 t Niob-Titan. Auch die supraleitenden Magnetspulen 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.^[21]^[22]

Einzelnachweise

↑ ^1,0 ^1,1 Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
↑ Die Werte der atomaren und physikalischen Eigenschaften (Infobox) sind aus www.webelements.com (Niob) entnommen.
↑ CIAAW, Standard Atomic Weights Revised 2013.
↑ N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage. 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 1260.
↑ Robert C. Weast (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990, ISBN 0-8493-0470-9, S. E-129 bis E-145. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
↑ ^6,0 ^6,1 Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
↑ ^7,0 ^7,1 Datenblatt Niobium bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 16. April 2011 (PDF).
↑ Seit dem 1. Dezember 2012 ist für Stoffe ausschließlich die GHS-Gefahrstoffkennzeichnung zulässig. Bis zum 1. Juni 2015 dürfen noch die R-Sätze dieses Stoffes für die Einstufung von Zubereitungen herangezogen werden, anschließend ist die EU-Gefahrstoffkennzeichnung von rein historischem Interesse.
↑ Eintrag zu Niob (Pulver) in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 4. April 2008 (JavaScript erforderlich)
↑ Mineralienatlas: Loparit-(Ce).
↑ A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1553.
↑ dtv-Atlas Chemie. Band 1, dtv-Verlag, 2000.
↑ Niob-Lagerstätten.
↑ SEC: Conflict Minerals - Final Rule. 2012, S. 34f, (PDF, 1,96 MB, engl.)
↑ SEC Adopts Rule for Disclosing Use of Conflict Minerals. (engl.), Zugriff am 3. September 2012.
↑ Joachim Eckert: Niobium and Niobium Compounds. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, 2000, doi:10.1002/14356007.a17_251.
↑ Niob bei usgs.gov (PDF-Datei; 61 kB).
↑ MINERAL COMMODITY SUMMARIES 2015. (PDF 2,3 MB, S. 110–111) USGS, abgerufen am 7. Oktober 2015 (english).
↑ Neil Ashcroft, David Mermin: Solid State Physics. Saunders College, 1976, ISBN 0-03-083993-9.
↑ C. A. Deshmane, J. B. Jasinski, P. Ratnasamy, M. A. Carreon: Synthesis and catalytic properties of mesoporous, bifunctional, gallium-niobium mixed oxides. In: Chem Commun (Camb). 46(34), 14. Sep 2010, S. 6347–6349. PMID 20714564.
↑ Thomas J. Haley, N. Komesu, K. Raymond: Pharmacology and toxicology of niobium chloride. In: Toxicology and Applied Pharmacology. 4, Nr. 3, 1962 S. 385–392, doi:10.1016/0041-008X(62)90048-0, PMID 13903824.
↑ Henry A. Schroeder, Marian Mitchener, Alexis P. Nason: Zirconium, Niobium, Antimony, Vanadium and Lead in Rats: Life term studies. In: Journal of Nutrition. 100, Nr. 1, 1970 S. 59–68, PMID 5412131.

Literatur

Hans Breuer: dtv-Atlas Chemie. 9. Auflage. Band 1, dtv-Verlag, 2000, ISBN 3-423-03217-0.
M. Binnewies: Allgemeine und Anorganische Chemie. 1. Auflage. Spektrum Verlag, 2004, ISBN 3-8274-0208-5.
Sergeij Venetzkij: Erzählungen über Metalle. 3., durchges. Auflage. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1988, ISBN 3-342-00324-3.
Rudolf Riedelbauch: Untersuchungen über metallisches Vanadin, Niob und Tantal. Dissertation. München 1907.
Charles Kittel: Einführung in die Festkörperphysik. 9. Auflage. Oldenbourg Verlag, 1991, ISBN 3-486-22018-7.
Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente - das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. Hirzel, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.