Niob

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE MeV	ZP
⁹¹Nb	{syn.}	680 a	ε	1,253	⁹¹Zr
⁹²Nb	{syn.}	3,47 · 10⁶ a	ε	2,006	⁹²Zr
⁹²Nb	{syn.}	3,47 · 10⁶ a	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·s)	E	f_L bei B = 4,7 T in M Hz
⁹³Nb	9/2	6,539 · 10⁷	0,482	48,9

Sicherheitshinweise

Gefahrstoffkennzeichnung

Gefahrensymbole
F Leichtent- zündlich

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 Tantalus -, im engl. oft auch Columbium) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Nb und Ordnungszahl 41. Das selten vorkommende Schwermetall ist von grauer Farbe und gut schmiedbar. Niob kann aus dem Mineral Niobit gewonnen werden. Es wird hauptsächlich in der Metallurgie verwendet, um Spezialstähle herzustellen und die Schweißbarkeit zu verbessern.

[Bearbeiten] Geschichte

Niob wurde 1801 durch Charles Hatchett entdeckt. Hatchett fand Niob in Columbit-Erz, das um 1700 von John Winthrop, dem ersten Gouverneur von Connecticut, nach England verschickt wurde. Er gab dem Element die Bezeichnung Columbite. Bis Mitte des 19. Jahrhunderts war ungeklärt, ob es sich bei Niob und dem 1802 entdeckten Tantal um unterschiedliche Elemente handelt. Erst 1844 zeigte der Berliner Professor Heinrich Rose, dass Niob- und Tantalsäure unterschiedliche Stoffe sind.

Nicht um die Arbeiten Hatchetts wissend, gab Rose dem entdeckten Element den Namen Niob. 1864 gelang Christian Blomstrand die Herstellung von metallischem Niob durch Reduktion von Niobchlorid mit Wasserstoff in der Hitze. 1866 bestätigte Charles Marignac Tantal als eigenständiges Element.

Erst nach 100 Jahren kontroverser Auseinandersetzungen legte die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) 1950 Niob als offizielle Bezeichnung des 41. Elementes des Periodensystes der Elemente fest. Während sich dieser Sprachgebrauch im offiziellen Bereich weitgehend durchgesetzt hat, wird im angelsächsischen Sprachbereich von vielen Metallurgen, Werkstoffanbietern und im privaten Bereich immer noch die Bezeichnung Columbium und das Kurzzeichen Cb verwandt.

[Bearbeiten] Vorkommen

Niob ist ein seltenes Element mit einem Anteil an der Erdkruste von 1,8 · 10^-3 %.^[1]. 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 und 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. Brasilien und Kanada sind die Hauptproduzenten von niobhaltigen Mineralkonzentraten. Große Erzlager befinden sich auch in Nigeria, in der Demokratischen Republik Kongo und in Russland. Die Jahresproduktion lag 2006 bei fast 60.000 t^[2], 90 % davon wurde in Brasilien gefördert. IN den letzten Jahren ist die Produktion stark angestiegen.

[Bearbeiten] Gewinnung und Darstellung

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.

Zunächst werden die Erze zunächst 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 leichtlösliche Niobfluorid löst sich leicht und kann so vom Tantal getrennt werden. Heutzutage ist aber eine Trennung durch Extraktion mit Methylisobutylketon üblich.^[3] 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. Werden Halogenide als Ausgangsstoff für die Reduktion eingesetzt, geschieht dies mit Natrium als Reduktionsmittel.

[Bearbeiten] 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, welches im Periodensystem über dem Niob steht, ist die Stufe +5 am beständigsten. Das chemische Verhalten des Niobs ist fast identisch mit dem des Tantals, welches im Periodensystem direkt unter Niob steht.

Es überzieht sich nach längerer Lagerung an Luft mit einer bläulich schimmernden oxidischen Haut, die als Passivschicht (Schutzschicht) wirkt. Von den meisten Säuren wird es daher nicht angegriffen. Nur Flusssäure und heiße konzentrierte Schwefelsäure korrodieren metallisches Niob. In heißen Alkalien ist Niob ebenfalls unbeständig, da sie die Passivschicht auflösen. Bei Temperaturen oberhalb von 200 °C beginnt es in Gegenwart von Sauerstoff (durchgängig?) zu oxidieren. Eine mechanische Bearbeitung von Niob muss wegen seiner Unbeständigkeit an Luft auch bei Raumtemperatur unter Schutzgasatmosphäre erfolgen.

Bemerkenswert ist die hohe Sprungtemperatur des Niobs von 9,2 K, unterhalb derer es supraleitend ist.

[Bearbeiten] Verwendung

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

Niob wird als Legierungszusatz für rostfreie Stähle, Sonderedelstähle und Nichteisenlegierungen verwendet, da sich Niob-legierte Werkstoffe durch eine erhöhte mechanische Festigkeit auszeichnen. 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:

Ein niedriger Einfangquerschnitt für thermische Neutronen führt zur Anwendung in der Nukleartechnik.
Herstellung niobstabilisierter Schweißelektroden als Schweißzusatz für Edelstähle, Sonderedelstähle und Nickelbasislegierungen.
Wegen seiner bläulichen Farbe wird es für Körperschmuck und zur Herstellung von Schmuckwaren genutzt.
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.

Unterhalb von 9,3 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. Ihre Sprungtemperaturen dieser Legierungen liegen zwischen ; 18,05 K (Nb₃Sn) und 23,2 K (Nb₃Ge). Aus Niob gefertigte supraleitende Kavitäten werden in Teilchenbeschleunigern (u. a. XFEL und FLASH am DESY in Hamburg) eingesetzt. Zur Erzeugung hoher Magnetfelder bis ca. 20 T werden supraleitende Magnete mit Drähten aus Niob-Zinn und Niob-Titan eingesetzt.

[Bearbeiten] Sicherheitshinweise

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

Eine physiologische Funktion des Niobs ist unbekannt.

[Bearbeiten] Quellen

↑ dtv-Atlas Chemie, Band 1, dtv-Verlag (2000)
↑ Niob bei usgs.gov
↑ Chemie-Skript der Uni Hamburg (pdf), S.50

[Bearbeiten] Literatur

Hans Breuer: dtv-Atlas Chemie, Band 1, dtv-Verlag, 9. Auflage 2000 ISBN 3-423-03217-0
M. Binnewies: Allgemeine und Anorganische Chemie, Spektrum Verlag, 1.Auflage 2004 ISBN 3-8274-0208-5