Niob
Niob (im engl. oft auch Columbium) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Nb und Ordnungszahl 41.
| Allgemein | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Name, Symbol, Ordnungszahl | Niob, Nb, 41 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Serie | Übergangsmetalle | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gruppe, Periode, Block | 5, 5 , d | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dichte, Mohshärte | 8570 kg/m3, 6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Aussehen | grau metallisch | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomar | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomgewicht | 92.90638 amu | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomradius (berechnet) | 145 (198) pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kovalenter Radius | 137 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| van der Waals-Radius | k.A. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronenkonfiguration | [Kr]4d4 5s1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| e- 's pro Energieniveau | 2, 8, 18, 12, 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Oxidationszustände (Oxid) | 5, 3 (leicht sauer) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kristallstruktur | kubisch raumzentriert | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Physikalisch | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Aggregatzustand (Magnetismus) | fest (__) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzpunkt | 2750 K (2477°C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Siedepunkt | 5017 K (4744°C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Molares Volumen | 10.83 ×10-3 m3/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Verdampfungswärme | 696.6 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzwärme | 26.4 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dampfdruck | 0.0755 Pa bei 2741 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schallgeschwindigkeit | 3480 m/s bei 293.15 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Verschiedenes | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronegativität | 1.6 (Pauling-Skala) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Spezifische Wärmekapazität | 265 J/(kg*K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektrische Leitfähigkeit | 6.93 106/m Ohm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Wärmeleitfähigkeit | 53.7 W/(m*K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 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 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 6. Ionisierungsenergie | 9847 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 7. Ionisierungsenergie | 12100 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Stabilste Isotope | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| SI-Einheiten und Standardbedingungen werden benutzt, sofern nicht anders angegeben. |
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Das selten vorkommene Schwermetall hat eine graue Fabe und ist gut schmiedbar. Natürlich kommt Niob in dem Mineral Niobit vor. Seine Hauptverwendung findet es in der Metallurgie zur Herstellung von Spezialstählen und zur Verbesserung der Schweißbarkeit.
Der Entdeckung des Elementes in dem Mineral Columbit, heute Niobit genannt, verdankt es seinen Namen.
Bemerkenswerte Eigenschaften
Niob ist ein grau glänzendes, duktiles Schwermetall. 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.
Das chemische Verhalten des Niobs ist fast identisch dem des Tantals, das im Periodischen System direkt über Niob steht.
Eine Mechanische Bearbeitung von Niob muß wegen seiner Unbeständigkeit an Luft auch bei Raumtemperatur unter Schutzgasatmosphäre erfolgen. Bei Temperaturen oberhalb von 200°C beginnt (durchgängig?) es zu oxidieren.
Bekannt sind die Oxidationsstufen -3, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Wie beim kleineren Bruder Vanadium ist die Stufe +5 am beständigsten.
Anwendungen
Niob hat eine Anzahl von Anwendungen gefunden: Legierungszusatz für rostfreie Stähle, Sonderedelstähle und Nichteisenlegierungen. Nioblegierte Werkstoffe zeichnen sich durch eine erhöhte mechanische Festigkeit aus. Sie werden daher häufig im Rohrleitungungsbau (Pipeline construction) eingesetzt. Als starker Karbidbildner wird Niob auch in Schweißzusatzwerkstoffen zur Abbindung von Kohlenstoff zulegiert.
Andere Anwendungen:
- Eine niedriger Einfangquerschnit für thermische Neutronen führt zu Anwendungen in der Nukleartechnik.
- Herstellung niobstabilisierter Schweißelektroden als Schweißzusatz für Edelstähle, Sonderedelstähle und Nickelbasislegierungen.
- Wegen seiner bläulichen Farbe wird es für Körperschmuck Body Piercing 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, Raketenteilen und hitzebeständige Komponenten für den Ofenbau hergestellt.
- Niob wurde als Ersatz des teureren Tantals in der Kondensator-Herstellung erprobt. (Text Nb als Dielektrikum nachtragen)
Unterhalb von 9,3K ist Niob supraleitend. Es gehört neben Vanadium und Technetium zu den 3 Elementen der Type II Supraleiter. Darunter sind Metalle zu verstehen, die auch in starken Magnetfeldern ihre Supraleitfähigkeit nicht verlieren. Zur Erzeugung extrem starker Magnetfelder werden supraleitende Magnete mit Drähten aus Niob-Zinn und Niob-Titan eingesetzt.
Geschichte
Niob (Griechische Mythologie : Niobe?, Tochter des Tantalus) wurde 1801 durch Charles Hatchett entdeckt. Hatchett fand Niob in Columbiterz, 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, das es sich bei Niob und dem 1802 entdeckten Tantal um unterschiedliche Elemente handelt. Erst 1846 zeigte Heinrich Rose, das Niob- und Tantalsäuren unterschiedliche Stoffe sind.
Nicht wissend von den Arbeiten Hatchetts 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 PSE 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
Als freies Element ist Niob unbekannt. Natürlich kommt es nur in gebundener Form vor:
- Niobit (Fe, Mn)(Nb, Ta)2)O6])
- Niobit-Tantalit [(Fe, Mn)(Ta, Nb)2)O6]
- Pyrochlor (NaCaNb2O6F), and
- Euxenit [(Y, Ca, Ce, U, Th)(Nb, Ta, Ti)2O6].
Niob und Tantal kommen fast immer verschwistert vor. Bekannte Niobvorkommen enthalten carbonatites? (Kohlenstoff-Silikat-Gestein) und Pyrochlor. Brasilien und Kannada sind die Hauptproduzenten von niobhaltigen Mineralkonzentraten. Große Erzlager befinden sich auch in Nigeria, Democratic Republic of Congo (Deutsche Bezeichnung?) und in Russland.
Vorsichtsmaßnahmen
Niobhaltige Verbindungen sind schwer wahrzunehmen. Viele sind hochtoxisch und sollten mit großer Umsicht gehandthabt werden. Metallischer Niobstaub irritiert Augen und Haut. Er ist zudem leicht endzündlich. Eine physiologische Funktion ist unbekannt.