Niob

Eigenschaften
[Kr] 5s14d4 41 Nb Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Niob, Nb, 41
Serie	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	5, 5, d
Aussehen	grau metallisch
Massenanteil an der Erdhülle	1,8 · 10-3 %
Atomar
Atommasse	92,90638 u
Atomradius (berechnet)	145 (198) pm
Kovalenter Radius	137 pm
Van-der-Waals-Radius	pm
Elektronenkonfiguration	[Kr] 5s14d4
Elektronen pro Energieniveau	2, 8, 18, 12, 1
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
Modifikationen
Kristallstruktur	kubisch raumzentriert
Dichte	8,57 g/cm3
Mohshärte	6
Magnetismus
Schmelzpunkt	2750 K (2477 °C)
Siedepunkt	5017 K (4744 °C)
Molares Volumen	10,83 · 10-6 m3/mol
Verdampfungswärme	696,6 kJ/mol
Schmelzwärme	30,5 kJ/mol
Dampfdruck	0,0755 Pa bei 2741 K
Schallgeschwindigkeit	3480 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität	265 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit	6,93 · 106 S/m
Wärmeleitfähigkeit	53,7 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände	3, 5
Oxide (Basizität)	(leicht sauer)
Normalpotential	-1,099 V (Nb3+ + 3e- → Nb)
Elektronegativität	1,6 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP 91Nb {syn.} 680 a ε 1,253 91Zr 92Nb {syn.} 3,47 · 106 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 E fL bei B = 4,7 T in MHz 93Nb 9/2 6,539 · 107 0,482 48,9
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung
F Leichtent- zündlich
R- und S-Sätze	R: 11[1]
	S: 43[1]
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) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Nb und Ordnungszahl 41. Im nordamerikanischen Raum findet auch heute noch die schon länger veraltete Bezeichnung Columbium, Symbol Cb, des Öfteren Verwendung. Das selten vorkommende Schwermetall ist von grauer Farbe und gut schmiedbar. Niob kann aus den Mineralen Niobit und Loparit^[2] gewonnen werden. Es wird hauptsächlich in der Metallurgie verwendet, um Spezialstähle herzustellen und die Schweißbarkeit zu verbessern.

Weiteres empfehlenswertes Fachwissen

Leitfaden zu den grundlegenden Laborkenntnissen

Richtiges Wägen mit Laborwaagen: Die Wägefibel

Sicherer Wägebereich zur Sicherstellung genauer Resultate

Geschichte

Niob wurde 1801 durch Charles Hatchett entdeckt. Hatchett fand Niob in Columbit-Erz (Erstfund in einem Flussbett in Kolumbien), 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 (Niob- und Tantal treten in den Mineralen fast immer zusammen auf, siehe Columbit) 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 Periodensystems 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.

Vorkommen

Niob ist ein seltenes Element mit einem Anteil an der Erdkruste von 1,8 · 10^-3 %.^[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. 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^[4], 90 % davon wurde in Brasilien gefördert. In den letzten Jahren ist die Produktion stark angestiegen.

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. 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 leichtlösliche Niobfluorid löst sich leicht und kann so vom Tantal getrennt werden. Heutzutage ist aber eine Trennung durch Extraktion mit Methylisobutylketon üblich.^[5] 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.

Am Ende des 19. Jahrhunderts gelang es erstmals dem Chemiker Henri Moissan auf elektrochemischen Wege, Nioboxid mit Kohlenstoff zu reinem Niob zu reduzieren.

Eigenschaften

  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.

Ein Zusatz von Wolfram und Molybdän zu Niob erhöht dessen Hitzebeständigkeit, Aluminium dessen Festigkeit.

Bemerkenswert sind die hohe Sprungtemperatur des Niobs von 9,2 K, unterhalb derer 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. 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:

• 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 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 25Euro-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.
• 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

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.

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.

Quellen

1. ↑ ^{a b} BGIA-Gestis Stoffdatenbank
2. ↑ http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Loparit
3. ↑ dtv-Atlas Chemie, Band 1, dtv-Verlag (2000)
4. ↑ Niob bei usgs.gov
5. ↑ Chemie-Skript der Uni Hamburg (pdf), S.50

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
• Sergeij Venetzkij: Erzählungen über Metalle, Dt. V. Grundstoffind., 3. durchges. Aufl. (1988) ISBN 3-342-00324-3