Niob

Niob, ₄₁Nb ⓘ

Niobium
Aussprache	/naɪˈoʊbiəm/ (ny-OH-bee-əm)
Erscheinungsbild	grau-metallisch, bläulich bei Oxidation
Standard-Atomgewicht Ar°(Nb)	92.90637±0.00001 92,906±0,001 (verkürzt)
Niobium im Periodensystem
Wasserstoff Helium Lithium Beryllium Bor Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor Neon Natrium Magnesium Aluminium Silizium Phosphor Schwefel Chlor Argon Kalium Kalzium Scandium Titan Vanadium Chrom Mangan Eisen Kobalt Nickel Kupfer Zink Gallium Germanium Arsen Selen Brom Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirkonium Niobium Molybdän Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silber Cadmium Indium Zinn Antimon Tellur Jod Xenon Cäsium Barium Lanthan Cer Praseodym Neodym Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platin Gold Quecksilber (Element) Thallium Blei Wismut Polonium Astat Radon Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uran Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson V ↑ Nb ↓ Ta Zirkonium ← Niob → Molybdän
Ordnungszahl (Z)	41
Gruppe	Gruppe 5
Periode	Periode 5
Block	d-Block
Elektronen-Konfiguration	[[[Krypton|Kr]]] 4d4 5s1
Elektronen pro Schale	2, 8, 18, 12, 1
Physikalische Eigenschaften
Phase bei STP	fest
Schmelzpunkt	2750 K (2477 °C, 4491 °F)
Siedepunkt	5017 K (4744 °C, 8571 °F)
Dichte (nahe r.t.)	8,57 g/cm3
Schmelzwärme	30 kJ/mol
Verdampfungswärme	689,9 kJ/mol
Molare Wärmekapazität	24,60 J/(mol-K)
Verdampfungsdruck P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k bei T (K) 2942 3207 3524 3910 4393 5013
Atomare Eigenschaften
Oxidationsstufen	-3, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5 (ein leicht saures Oxid)
Elektronegativität	Pauling-Skala: 1.6
Ionisierungsenergien	1.: 652,1 kJ/mol 2.: 1380 kJ/mol 3.: 2416 kJ/mol
Atomradius	empirisch: 146 pm
Kovalenter Radius	164±6 pm
Spektrallinien von Niobium
Sonstige Eigenschaften
Natürliches Vorkommen	primordial
Kristallstruktur	kubisch-raumzentriert (bcc)
Schallgeschwindigkeit dünner Stab	3480 m/s (bei 20 °C)
Thermische Ausdehnung	7,3 µm/(m⋅K)
Wärmeleitfähigkeit	53,7 W/(m⋅K)
Elektrischer Widerstand	152 nΩ⋅m (bei 0 °C)
Magnetische Ordnung	paramagnetisch
Elastizitätsmodul	105 GPa
Schermodul	38 GPa
Elastizitätsmodul	170 GPa
Poissonzahl	0.40
Mohs-Härte	6.0
Vickers-Härte	870-1320 MPa
Brinell-Härte	735-2450 MPa
CAS-Nummer	7440-03-1
Geschichte
Namensgebung	nach Niobe in der griechischen Mythologie, Tochter des Tantalus (Tantal)
Entdeckung	Charles Hatchett (1801)
Erste Isolierung	Christian Wilhelm Blomstrand (1864)
Anerkannt als eigenständiges Element durch	Heinrich Rose (1844)
Hauptisotope von Niobium
Isotop Häufigkeit Halbwertszeit (t1/2) Zerfallsart Produkt 90Nb syn 15 h β+ 90Zr 91Nb syn 680 y ε 91Zr 91mNb syn 61 d IT 91Nb 92Nb Spur 3.47×107 y ε 92Zr γ – 92m1Nb syn 10 d ε 92Zr γ – 93Nb 100% stabil 93mNb syn 16 y IT 93Nb 94Nb Spur 20.3×103 y β− 94Mo γ – 95Nb syn 35 d β− 95Mo γ – 95mNb syn 4 d IT 95Nb 96Nb syn 24 h β− 96Mo

Niob oder Kolumbium ist ein chemisches Element mit dem chemischen Symbol Nb (früher Cb) und der Ordnungszahl 41. Niob ist ein hellgraues, kristallines und duktiles Übergangsmetall. Reines Niobium hat eine ähnliche Mohshärte wie reines Titan und eine ähnliche Duktilität wie Eisen. Niob oxidiert in der Erdatmosphäre nur sehr langsam, weshalb es in Schmuckstücken als hypoallergene Alternative zu Nickel verwendet wird. Niob kommt häufig in den Mineralien Pyrochlor und Kolumbit vor, daher der frühere Name "Kolumbarium". Sein Name stammt aus der griechischen Mythologie: Niobe, Tochter von Tantalus, dem Namensgeber von Tantal. Der Name spiegelt die große Ähnlichkeit der beiden Elemente in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften wider, die eine Unterscheidung schwierig macht. ⓘ

Der englische Chemiker Charles Hatchett entdeckte 1801 ein neues, dem Tantal ähnliches Element und nannte es Columbium. Im Jahr 1809 kam der englische Chemiker William Hyde Wollaston fälschlicherweise zu dem Schluss, dass Tantal und Columbium identisch seien. Der deutsche Chemiker Heinrich Rose stellte 1846 fest, dass Tantalerze ein zweites Element enthalten, das er Niob nannte. In den Jahren 1864 und 1865 wurde durch eine Reihe von wissenschaftlichen Erkenntnissen klargestellt, dass es sich bei Niob und Columbium um dasselbe Element handelt (im Unterschied zu Tantal), und ein Jahrhundert lang wurden beide Bezeichnungen austauschbar verwendet. Niob wurde 1949 offiziell als Name für das Element angenommen, aber der Name Columbium wird in der Metallurgie in den Vereinigten Staaten weiterhin verwendet. ⓘ

Erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde Niob erstmals kommerziell genutzt. Niob ist ein wichtiger Zusatzstoff für hochfeste niedrig legierte Stähle. Brasilien ist der führende Produzent von Niob und Ferroniob, einer Legierung aus 60-70 % Niob und Eisen. Niob wird vor allem in Legierungen verwendet, der größte Teil davon in Spezialstahl, wie er in Gaspipelines verwendet wird. Obwohl diese Legierungen höchstens 0,1 % enthalten, erhöht der geringe Anteil an Niob die Festigkeit des Stahls, indem er Karbide und Nitride abspült. Die Temperaturbeständigkeit von niobhaltigen Superlegierungen ist wichtig für die Verwendung in Düsen- und Raketentriebwerken. ⓘ

Niob wird in verschiedenen supraleitenden Materialien verwendet. Diese Legierungen, die auch Titan und Zinn enthalten, werden häufig in den supraleitenden Magneten von Kernspintomographen verwendet. Weitere Anwendungen von Niob sind Schweißen, Nuklearindustrie, Elektronik, Optik, Numismatik und Schmuck. Bei den beiden letztgenannten Anwendungen sind die geringe Toxizität und das durch Anodisierung erzeugte Schillern sehr erwünschte Eigenschaften. Niob gilt als ein technologiekritisches Element. ⓘ

Im angelsächsischen Sprachraum wird noch vereinzelt von Metallurgen und Werkstoffanbietern die schon länger veraltete Bezeichnung Columbium und das Kurzzeichen Cb verwendet. ⓘ

Das selten vorkommende Schwermetall ist von grauer Farbe und gut schmiedbar. Niob wird vor allem aus den niobreichen Vertretern der Pyrochlor-Obergruppe, den Mineralen der Columbit-Mischkristallreihe Columbit-(Mn) – Columbit-(Mn) und Loparit gewonnen. Als Coltan (ein modernes, vorrangig in der Politik verwendetes Akronym aus Columbit – Tantalit) werden Niob-Tantal-Erze bezeichnet, die zu den vier Mischkristallreihen Columbit-(Fe) – Columbit-(Mn), Tantalit-(Mn) – Tantalit-(Fe), Columbit-(Mn) – Tantalit-(Mn) und Columbit-(Fe) – Tantalit-(Fe) zählen. Niob wird hauptsächlich in der Metallurgie verwendet, um Spezialstähle herzustellen und die Schweißbarkeit zu verbessern. ⓘ

Geschichte

Der englische Chemiker Charles Hatchett identifizierte das Element Columbium 1801 in einem Mineral, das in Connecticut, USA, entdeckt wurde. ⓘ

Bild einer hellenistischen Skulptur, die Niobe darstellt, von Giorgio Sommer ⓘ

Niobium wurde 1801 von dem englischen Chemiker Charles Hatchett identifiziert. Er fand das neue Element in einer Mineralprobe, die 1734 von John Winthrop F.R.S. (Enkel von John Winthrop dem Jüngeren) aus Connecticut, USA, nach England geschickt worden war, und benannte das Mineral Kolumbit und das neue Element Kolumbium nach Columbia, dem poetischen Namen für die Vereinigten Staaten. Bei dem von Hatchett entdeckten Kolumbium handelte es sich wahrscheinlich um eine Mischung aus dem neuen Element und Tantal. ⓘ

In der Folgezeit herrschte große Verwirrung über den Unterschied zwischen Kolumbium (Niob) und dem eng verwandten Tantal. Im Jahr 1809 verglich der englische Chemiker William Hyde Wollaston die Oxide von Columbium-Columbit mit einer Dichte von 5,918 g/cm³ und Tantal-Tantalit mit einer Dichte von über 8 g/cm³ und kam zu dem Schluss, dass die beiden Oxide trotz des erheblichen Dichteunterschieds identisch waren; daher behielt er den Namen Tantal bei. Diese Schlussfolgerung wurde 1846 von dem deutschen Chemiker Heinrich Rose bestritten, der argumentierte, dass die Tantalitprobe zwei verschiedene Elemente enthielt, und sie nach den Kindern des Tantalus benannte: Niob (von Niobe) und Pelopium (von Pelops). Diese Verwechslung ergab sich aus den minimalen Unterschieden zwischen Tantal und Niobium. Die behaupteten neuen Elemente Pelopium, Ilmenium und Dianium waren in Wirklichkeit identisch mit Niob oder Mischungen aus Niob und Tantal. ⓘ

Die Unterschiede zwischen Tantal und Niob wurden 1864 von Christian Wilhelm Blomstrand und Henri Étienne Sainte-Claire Deville sowie 1865 von Louis J. Troost, der die Formeln einiger Verbindungen bestimmte, und schließlich 1866 von dem Schweizer Chemiker Jean Charles Galissard de Marignac eindeutig nachgewiesen, die alle bewiesen, dass es nur zwei Elemente gab. Bis 1871 erschienen immer wieder Artikel über Ilmenium. ⓘ

De Marignac war der erste, der das Metall 1864 herstellte, als er Niobchlorid durch Erhitzen in einer Wasserstoffatmosphäre reduzierte. Obwohl de Marignac 1866 in der Lage war, tantalfreies Niob in größerem Umfang herzustellen, wurde Niob erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts in Glühbirnen verwendet, der ersten kommerziellen Anwendung. Diese Verwendung wurde durch den Ersatz von Niob durch Wolfram, das einen höheren Schmelzpunkt hat, schnell obsolet. Dass Niob die Festigkeit von Stahl verbessert, wurde erstmals in den 1920er Jahren entdeckt, und diese Anwendung ist nach wie vor der wichtigste Einsatzbereich. 1961 entdeckten der amerikanische Physiker Eugene Kunzler und seine Mitarbeiter in den Bell Labs, dass Niob-Zinn in Gegenwart starker elektrischer Ströme und magnetischer Felder weiterhin supraleitend ist, was es zum ersten Material macht, das die hohen Ströme und Felder verträgt, die für nützliche Hochleistungsmagnete und elektrische Maschinen erforderlich sind. Diese Entdeckung ermöglichte - zwei Jahrzehnte später - die Herstellung von langen, mehrsträngigen Kabeln, die zu Spulen gewickelt wurden, um große, leistungsstarke Elektromagnete für rotierende Maschinen, Teilchenbeschleuniger und Teilchendetektoren zu schaffen. ⓘ

Benennung des Elements

Columbium (Symbol "Cb") war der ursprüngliche Name, den Hatchett nach seiner Entdeckung des Metalls im Jahr 1801 vergab. Der Name spiegelte wider, dass das Typusexemplar des Erzes aus Amerika (Kolumbien) stammte. Dieser Name blieb in amerikanischen Fachzeitschriften in Gebrauch - die letzte von der American Chemical Society veröffentlichte Arbeit mit Columbium im Titel stammt aus dem Jahr 1953 -, während in Europa die Bezeichnung Niob verwendet wurde. Um diese Verwirrung zu beenden, wurde auf der 15. Konferenz der Union of Chemistry in Amsterdam 1949 der Name Niob für das Element 41 gewählt. Ein Jahr später wurde dieser Name von der Internationalen Union für reine und angewandte Chemie (IUPAC) nach 100 Jahren Kontroverse offiziell angenommen, obwohl der Name Columbium chronologisch gesehen Vorrang hatte. Dabei handelte es sich um eine Art Kompromiss; die IUPAC akzeptierte Wolfram anstelle von Wolfram, um dem nordamerikanischen Sprachgebrauch Rechnung zu tragen, und Niob anstelle von Columbium, um dem europäischen Sprachgebrauch Rechnung zu tragen. Während viele chemische Gesellschaften und Regierungsorganisationen in den USA in der Regel die offizielle IUPAC-Bezeichnung verwenden, benutzen einige Metallurgen und Metallgesellschaften immer noch die ursprüngliche amerikanische Bezeichnung "Columbium". ⓘ

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Niob ist ein glänzendes, graues, duktiles, paramagnetisches Metall der Gruppe 5 des Periodensystems (siehe Tabelle) mit einer für die Gruppe 5 untypischen Elektronenkonfiguration in den äußersten Schalen (dies ist in der Nachbarschaft von Ruthenium (44), Rhodium (45) und Palladium (46) zu beobachten). ⓘ

Z	Element	Anzahl der Elektronen/Schale ⓘ
23	Vanadium	2, 8, 11, 2
41	Niob	2, 8, 18, 12, 1
73	Tantal	2, 8, 18, 32, 11, 2
105	Dubnium	2, 8, 18, 32, 32, 11, 2

Obwohl man annimmt, dass es vom absoluten Nullpunkt bis zum Schmelzpunkt eine kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur aufweist, zeigen hochauflösende Messungen der thermischen Ausdehnung entlang der drei kristallographischen Achsen Anisotropien, die nicht mit einer kubischen Struktur vereinbar sind. Daher sind weitere Forschungen und Entdeckungen in diesem Bereich zu erwarten. ⓘ

Niob wird bei kryogenen Temperaturen zum Supraleiter. Bei Atmosphärendruck hat es mit 9,2 K die höchste kritische Temperatur der elementaren Supraleiter. Niob hat die größte magnetische Eindringtiefe aller Elemente. Außerdem ist es zusammen mit Vanadium und Technetium einer der drei elementaren Supraleiter vom Typ II. Die supraleitenden Eigenschaften hängen stark von der Reinheit des Niobmetalls ab. ⓘ

In sehr reinem Zustand ist es vergleichsweise weich und dehnbar, aber Verunreinigungen machen es härter. ⓘ

Das Metall hat einen geringen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen; daher wird es in der Nuklearindustrie verwendet, wo neutronentransparente Strukturen gewünscht sind. ⓘ

Chemisch

Das Metall nimmt eine bläuliche Färbung an, wenn es längere Zeit bei Raumtemperatur der Luft ausgesetzt ist. Trotz seines hohen Schmelzpunkts in elementarer Form (2.468 °C) hat es eine geringere Dichte als andere hochschmelzende Metalle. Außerdem ist es korrosionsbeständig, weist Supraleitungseigenschaften auf und bildet dielektrische Oxidschichten. ⓘ

Niob ist etwas weniger elektropositiv und kompakter als sein Vorgänger im Periodensystem, das Zirkonium, während es aufgrund der Lanthanidenkontraktion praktisch die gleiche Größe wie die schwereren Tantalatome aufweist. Infolgedessen sind die chemischen Eigenschaften von Niob denen von Tantal sehr ähnlich, das im Periodensystem direkt unter Niob steht. Seine Korrosionsbeständigkeit ist zwar nicht so hervorragend wie die von Tantal, aber der niedrigere Preis und die größere Verfügbarkeit machen Niob für weniger anspruchsvolle Anwendungen, wie z. B. die Auskleidung von Behältern in Chemieanlagen, attraktiv. ⓘ

Isotope

Das Niob in der Erdkruste besteht aus einem stabilen Isotop, ⁹³Nb. Bis 2003 wurden mindestens 32 Radioisotope mit einer Atommasse von 81 bis 113 synthetisiert. Das stabilste unter ihnen ist ⁹²Nb mit einer Halbwertszeit von 34,7 Millionen Jahren. Eines der am wenigsten stabilen ist ¹¹³Nb mit einer geschätzten Halbwertszeit von 30 Millisekunden. Isotope, die leichter als das stabile ⁹³Nb sind, neigen dazu, durch β⁺-Zerfall zu zerfallen, und diejenigen, die schwerer sind, neigen dazu, durch β--Zerfall zu zerfallen, mit einigen Ausnahmen. ⁸¹Nb, ⁸²Nb und ⁸⁴Nb haben geringfügige β⁺-verzögerte Protonenemissions-Zerfallswege, ⁹¹Nb zerfällt durch Elektroneneinfang und Positronenemission, und ⁹²Nb zerfällt sowohl durch β⁺- als auch durch β--Zerfall. ⓘ

Es wurden mindestens 25 Kernisomere beschrieben, deren Atommasse von 84 bis 104 reicht. Innerhalb dieses Bereichs gibt es nur bei ⁹⁶Nb, ¹⁰¹Nb und ¹⁰³Nb keine Isomere. Das stabilste Isomer von Niob ist ^93mNb mit einer Halbwertszeit von 16,13 Jahren. Das am wenigsten stabile Isomer ist ^84mNb mit einer Halbwertszeit von 103 ns. Alle Niob-Isomere zerfallen durch isomeren Übergang oder Betazerfall, mit Ausnahme von ^92m1Nb, das einen kleinen Elektroneneinfangzweig hat. ⓘ

Vorkommen

Columbit aus Madagaskar ⓘ

Niob ist ein seltenes Element mit einem Anteil an der Erdkruste von 1,8·10⁻³ %. Es kommt nicht gediegen vor. Aufgrund der ähnlichen Ionenradien kommen Niob und Tantal immer verschwistert vor. Die wichtigsten Niob-Minerale sind Vertreter der Columbit-Tantalit-Mischkristallreihen mit der allgemeinen Formel (Fe,Mn)(Nb,Ta)₂O₆, die je nach Dominanz von Niob oder Tantal als Columbit (Mischkristallreihe Columbit-(Fe) – Columbit-(Mn)) oder Tantalit (Mischkristallreihe Tantalit-(Fe) – Tantalit-(Mn)) bezeichnet werden, sowie Vertreter der Pyrochlorgruppe innerhalb der Pyrochlor-Obergruppe. Etwa 85–90 % der Niob-Industrie verwendet Niob aus Lagerstätten, aus denen keine Tantal-Erze gewonnen werden. ⓘ

Die wichtigsten erschlossenen Vorkommen von Pyrochlor befinden sich 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. Tonnen ausreichen, um den Weltbedarf an Niob für die nächsten 500 Jahre zu decken. Eine weitere brasilianische Lagerstätte mit Reserven von ca. 18 Mio. Tonnen Niob wird von der 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 Nb₂O₅-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 Lagerstätte Lueshe in der Provinz Nord-Kivu, (Demokratische Republik Kongo). ⓘ

Einige Nioberze wie z. B. Columbit-Tantalit (Coltan) wurden 2012 von der US-amerikanischen Börsenaufsicht SEC als so genanntes Konfliktmineral eingestuft, 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. ⓘ

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) ⓘ

Die weltweiten Abbaumengen tabellarisch dargestellt: ⓘ

Land	2019	2020	Reserven ⓘ
	(in Tonnen Nb2O5)
Brasilien	127.220	85.572	16.000.000
Burundi	5	5	n.bek
Volksrepublik China	20	30	n.bek
Kanada	6.800	6.400	1.600.000
Demokratische Republik Kongo	433	565	n.bek
Äthiopien	14	11	n.bek
Mosambik	11	17	n.bek
Nigeria	170	80	n.bek
Russland	659	617	n.bek
Ruanda	205	260	n.bek
Uganda	2	52	n.bek
Vereinigte Staaten			170.000
Gesamt	135.539	93.509	n.bek.

Der drittgrößte Produzent von Niob ist die Karbonatitmine Niobec in Saint-Honoré in der Nähe von Chicoutimi, Quebec, Kanada, die sich im Besitz von Magris Resources befindet. Sie produziert zwischen 7 % und 10 % des Weltangebots. ⓘ

Produktion

Niobproduzenten in den Jahren 2006 bis 2015 ⓘ

Nach der Abtrennung von den anderen Mineralien erhält man die Mischoxide von Tantal Ta₂O₅ und Niob Nb₂O₅. Der erste Schritt bei der Verarbeitung ist die Reaktion der Oxide mit Flusssäure:

Ta₂O₅ + 14 HF → 2 H₂[TaF₇] + 5 H₂O

Nb₂O₅ + 10 HF → 2 H₂[NbOF₅] + 3 H₂O ⓘ

Die erste großtechnische Trennung, die von dem Schweizer Chemiker de Marignac entwickelt wurde, nutzt die unterschiedliche Löslichkeit der komplexen Niob- und Tantalfluoride Dikaliumoxypentafluoroniobat-Monohydrat (K₂[NbOF₅]-H₂O) und Dikaliumheptafluorotantalat (K₂[TaF₇]) in Wasser. Neuere Verfahren nutzen die Flüssigextraktion der Fluoride aus wässriger Lösung mit organischen Lösungsmitteln wie Cyclohexanon. Die komplexen Niob- und Tantalfluoride werden getrennt vom organischen Lösungsmittel mit Wasser extrahiert und entweder durch Zugabe von Kaliumfluorid ausgefällt, um einen Kaliumfluoridkomplex zu erzeugen, oder mit Ammoniak als Pentoxid ausgefällt:

H₂[NbOF₅] + 2 KF → K₂[NbOF₅]↓ + 2 HF ⓘ

Gefolgt von:

2 H₂[NbOF₅] + 10 NH₄OH → Nb₂O₅↓ + 10 NH₄F + 7 H₂O ⓘ

Für die Reduktion zu metallischem Niob gibt es mehrere Methoden. Eine davon ist die Elektrolyse einer geschmolzenen Mischung aus K₂[NbOF₅] und Natriumchlorid; die andere ist die Reduktion des Fluorids mit Natrium. Mit dieser Methode kann ein relativ hochreines Niobium gewonnen werden. Bei der großtechnischen Herstellung wird Nb₂O₅ mit Wasserstoff oder Kohlenstoff reduziert. Bei der aluminothermischen Reaktion wird ein Gemisch aus Eisenoxid und Nioboxid mit Aluminium umgesetzt:

3 Nb₂O₅ + Fe₂O₃ + 12 Al → 6 Nb + 2 Fe + 6 Al₂O_{3 ⓘ}

Zur Verstärkung der Reaktion werden kleine Mengen von Oxidationsmitteln wie Natriumnitrat zugesetzt. Das Ergebnis ist Aluminiumoxid und Ferroniobium, eine Legierung aus Eisen und Niob, die in der Stahlherstellung verwendet wird. Ferroniobium enthält zwischen 60 und 70 % Niobium. Ohne Eisenoxid wird das aluminothermische Verfahren zur Herstellung von Niob verwendet. Um die Qualität für supraleitende Legierungen zu erreichen, ist eine weitere Aufbereitung erforderlich. Das Elektronenstrahlschmelzen unter Vakuum ist die Methode, die von den beiden größten Nioblieferanten angewandt wird. ⓘ

Im Jahr 2013 kontrollierte CBMM aus Brasilien 85 Prozent der weltweiten Niobproduktion. Der United States Geological Survey schätzt, dass die Produktion von 38.700 Tonnen im Jahr 2005 auf 44.500 Tonnen im Jahr 2006 gestiegen ist. Die weltweiten Ressourcen werden auf 4,4 Millionen Tonnen geschätzt. Während des Zehnjahreszeitraums zwischen 1995 und 2005 hat sich die Produktion mehr als verdoppelt, ausgehend von 17 800 Tonnen im Jahr 1995. Zwischen 2009 und 2011 lag die Produktion stabil bei 63.000 Tonnen pro Jahr, mit einem leichten Rückgang im Jahr 2012 auf nur noch 50.000 Tonnen pro Jahr. ⓘ

Minenproduktion (t) (USGS-Schätzung) ⓘ

Land	2000	2001	2002	2003	2004	2005	2006	2007	2008	2009	2010	2011	2012	2013	2014	2015	2016	2017	2018	2019
Australien	160	230	290	230	200	200	200	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?
Brasilien	30,000	22,000	26,000	29,000	29,900	35,000	40,000	57,300	58,000	58,000	58,000	58,000	63,000	53,100	53,000	58,000	57,000	60,700	59,000	88,900
Kanada	2,290	3,200	3,410	3,280	3,400	3,310	4,167	3,020	4,380	4,330	4,420	4,630	5,000	5,260	5,000	5,750	6,100	6,980	7,700	6,800
Kongo D.R.	?	50	50	13	52	25	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?
Mosambik	?	?	5	34	130	34	29	?	?	4	10	29	30	20	?	?	?	?	?
Nigeria	35	30	30	190	170	40	35	?	?	?	?	?	?	?	?	29	104	122	181	150
Ruanda	28	120	76	22	63	63	80	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?
Welt	32,600	25,600	29,900	32,800	34,000	38,700	44,500	60,400	62,900	62,900	62,900	63,000	50,100	59,400	59,000	64,300	63,900	69,100	68,200	97,000

Geringere Mengen werden in der Kanyika-Lagerstätte in Malawi (Kanyika-Mine) gefunden. ⓘ

Verbindungen

Niob ähnelt in vielerlei Hinsicht Tantal und Zirkonium. Es reagiert bei hohen Temperaturen mit den meisten Nichtmetallen, bei Raumtemperatur mit Fluor, bei 150 °C mit Chlor, bei 200 °C mit Wasserstoff und bei 400 °C mit Stickstoff, wobei die Produkte häufig interstitiell und nicht stöchiometrisch sind. Das Metall beginnt an der Luft bei 200 °C zu oxidieren. Es ist resistent gegen Korrosion durch geschmolzene Alkalien und Säuren, einschließlich Königswasser, Salz-, Schwefel-, Salpeter- und Phosphorsäure. Niob wird von Flusssäure und Flusssäure/Salpetersäure-Gemischen angegriffen. ⓘ

Obwohl Niob alle formalen Oxidationsstufen von +5 bis -1 aufweist, haben die häufigsten Verbindungen Niob in der Stufe +5. Charakteristisch für Verbindungen in Oxidationsstufen kleiner als 5+ ist die Nb-Nb-Bindung. In wässrigen Lösungen liegt Niob nur in der Oxidationsstufe +5 vor. Es ist außerdem leicht hydrolyseanfällig und in verdünnten Lösungen von Salz-, Schwefel-, Salpeter- und Phosphorsäure aufgrund der Ausfällung von wasserhaltigem Nb-Oxid kaum löslich. Nb(V) ist auch in alkalischen Medien aufgrund der Bildung von löslichen Polyoxoniobat-Spezies schwer löslich. ⓘ

Oxide, Niobate und Sulfide

Niob bildet Oxide in den Oxidationsstufen +5 (Nb₂O₅), +4 (NbO₂) und der selteneren Oxidationsstufe +2 (NbO). Am häufigsten ist das Pentoxid, Vorläufer fast aller Niob-Verbindungen und -Legierungen. Niobate werden durch Auflösen des Pentoxids in basischen Hydroxidlösungen oder durch Schmelzen in Alkalimetalloxiden hergestellt. Beispiele sind Lithiumniobat (LiNbO₃) und Lanthanniobat (LaNbO₄). Beim Lithiumniobat handelt es sich um eine trigonal verzerrte perowskitartige Struktur, während das Lanthanniobat einzelne NbO3-
₄-Ionen enthält. Bekannt ist auch das geschichtete Niobiumsulfid (NbS₂). ⓘ

Die Werkstoffe können mit einer dünnen Schicht aus Niob(V)-Oxid beschichtet werden, die durch chemische Gasphasenabscheidung oder Atomlagenabscheidung durch thermische Zersetzung von Niob(V)-Ethoxid bei Temperaturen über 350 °C hergestellt wird. ⓘ

Halogenide

Eine sehr reine Probe von Niobpentachlorid ⓘ

Kugel-Stab-Modell von Niobpentachlorid, das als Dimer vorliegt ⓘ

Niob bildet Halogenide in den Oxidationsstufen +5 und +4 sowie verschiedene substöchiometrische Verbindungen. Die Pentahalogenide (NbX
₅) weisen oktaedrische Nb-Zentren auf. Niobpentafluorid (NbF₅) ist ein weißer Feststoff mit einem Schmelzpunkt von 79,0 °C und Niobpentachlorid (NbCl₅) ist gelb (siehe Bild links) und hat einen Schmelzpunkt von 203,4 °C. Beide werden hydrolysiert und ergeben Oxide und Oxyhalogenide wie NbOCl₃. Das Pentachlorid ist ein vielseitiges Reagenz zur Herstellung von metallorganischen Verbindungen wie Niobocendichlorid ((C
₅H
₅)
₂NbCl
₂). Die Tetrahalogenide (NbX
₄) sind dunkel gefärbte Polymere mit Nb-Nb-Bindungen, z. B. das schwarze, hygroskopische Niobtetrafluorid (NbF₄) und das braune Niobtetrachlorid (NbCl₄). ⓘ

Anionische Halogenidverbindungen von Niob sind gut bekannt, was zum Teil auf die Lewis-Säure der Pentahalide zurückzuführen ist. Die wichtigste ist [NbF₇]2-, ein Zwischenprodukt bei der Abtrennung von Nb und Ta aus den Erzen. Dieses Heptafluorid neigt dazu, das Oxopentafluorid leichter zu bilden als die Tantalverbindung. Andere Halogenidkomplexe sind oktaedrische [NbCl₆]-:

Nb₂Cl₁₀ + 2 Cl- → 2 [NbCl₆]- ⓘ

Wie bei anderen Metallen mit niedriger Ordnungszahl ist eine Vielzahl von reduzierten Halogenid-Cluster-Ionen bekannt, das beste Beispiel ist [Nb₆Cl₁₈]4-. ⓘ

Nitride und Carbide

Zu den weiteren binären Verbindungen von Niob gehört Niobnitrid (NbN), das bei niedrigen Temperaturen supraleitend wird und in Infrarotdetektoren verwendet wird. Das wichtigste Niobkarbid ist NbC, ein extrem hartes, feuerfestes, keramisches Material, das kommerziell in Schneidwerkzeugen verwendet wird. ⓘ

Anwendungen

Eine Niobfolie ⓘ

Von den 44 500 Tonnen Niob, die 2006 abgebaut wurden, wurden schätzungsweise 90 % in hochwertigem Baustahl verwendet. Die zweitwichtigste Anwendung sind Superlegierungen. Supraleiter aus Nioblegierungen und elektronische Bauteile machen nur einen sehr geringen Teil der Weltproduktion aus. ⓘ

Stahlproduktion

Niob ist ein wirksames Mikrolegierungselement für Stahl, in dem es Niobkarbid und Niobnitrid bildet. Diese Verbindungen verbessern die Kornfeinung und verzögern die Rekristallisation und Ausscheidungshärtung. Diese Effekte erhöhen wiederum die Zähigkeit, Festigkeit, Verformbarkeit und Schweißbarkeit. Bei mikrolegierten nichtrostenden Stählen ist der Niobgehalt ein kleiner (weniger als 0,1 %), aber wichtiger Zusatz zu hochfesten, niedrig legierten Stählen, die in der Struktur moderner Automobile weit verbreitet sind. Bei hochverschleißfesten Maschinenteilen und Messern wird Niob mitunter in wesentlich höheren Mengen verwendet, bis zu 3 % im rostfreien Stahl Crucible CPM S110V. ⓘ

Die gleichen Niob-Legierungen werden häufig im Rohrleitungsbau verwendet. ⓘ

Superlegierungen

Apollo 15 CSM in der Mondumlaufbahn mit der dunklen Raketendüse aus einer Niob-Titan-Legierung ⓘ

Niob wird in Superlegierungen auf Nickel-, Kobalt- und Eisenbasis in Anteilen von bis zu 6,5 % für Anwendungen wie Düsentriebwerkskomponenten, Gasturbinen, Raketenbaugruppen, Turbolader-Systeme, Hitzebeständigkeit und Verbrennungsanlagen verwendet. Niob scheidet eine härtende γ-Phase im Korngefüge der Superlegierung aus. ⓘ

Ein Beispiel für eine Superlegierung ist Inconel 718, das aus etwa 50% Nickel, 18,6% Chrom, 18,5% Eisen, 5% Niob, 3,1% Molybdän, 0,9% Titan und 0,4% Aluminium besteht. Diese Superlegierungen wurden z. B. in fortschrittlichen Luftrahmensystemen für das Gemini-Programm verwendet. Eine weitere Niob-Legierung wurde für die Düse des Apollo-Service-Moduls verwendet. Da Niob bei Temperaturen über 400 °C oxidiert wird, ist für diese Anwendungen eine Schutzschicht erforderlich, um zu verhindern, dass die Legierung spröde wird. ⓘ

Legierungen auf Niobbasis

Die Legierung C-103 wurde in den frühen 1960er Jahren gemeinsam von der Wah Chang Corporation und Boeing Co. DuPont, Union Carbide Corp., General Electric Co. und mehrere andere Unternehmen entwickelten zur gleichen Zeit Legierungen auf Nb-Basis, vor allem aufgrund des Kalten Krieges und des Weltraumwettlaufs. Es besteht zu 89 % aus Niob, zu 10 % aus Hafnium und zu 1 % aus Titan und wird für Triebwerksdüsen von Flüssigkeitsraketen verwendet, z. B. für das Haupttriebwerk der Apollo-Mondlandefähren. ⓘ

Merlin-Vakuumdüse aus einer Niobiumlegierung ⓘ

Die Düse der Merlin-Vakuum-Triebwerksserie, die SpaceX für die Oberstufe seiner Falcon 9-Rakete entwickelt hat, besteht aus einer Nioblegierung. ⓘ

Da Niob mit Sauerstoff reagiert, muss es im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre verarbeitet werden, was die Kosten und den Schwierigkeitsgrad der Produktion erheblich erhöht. Das Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzen (VAR) und das Elektronenstrahlschmelzen (EBM), damals neuartige Verfahren, ermöglichten die Entwicklung von Niob und anderen reaktiven Metallen. Das Projekt, aus dem C-103 hervorging, begann 1959 mit 256 experimentellen Nioblegierungen der "C-Serie" (C kommt möglicherweise von Columbium), die als Knöpfe geschmolzen und zu Blechen gewalzt werden konnten. Die Wah Chang Corporation verfügte über einen Bestand an Hafnium, das aus Zirkoniumlegierungen in Nuklearqualität gewonnen wurde und das sie kommerziell nutzen wollte. Die 103. Versuchszusammensetzung der C-Serien-Legierungen, Nb-10Hf-1Ti, wies die beste Kombination aus Verformbarkeit und Hochtemperatureigenschaften auf. Wah Chang stellte 1961 die ersten 500 Pfund C-103 her, indem er den Barren mit EBM und VAR zu Blechen verarbeitete. Zu den vorgesehenen Anwendungen gehörten Turbinenmotoren und Flüssigmetall-Wärmetauscher. Zu den konkurrierenden Nioblegierungen aus dieser Zeit gehörten FS85 (Nb-10W-28Ta-1Zr) von Fansteel Metallurgical Corp., Cb129Y (Nb-10W-10Hf-0,2Y) von Wah Chang und Boeing, Cb752 (Nb-10W-2,5Zr) von Union Carbide und Nb1Zr von Superior Tube Co. ⓘ

Supraleitende Magnete

Ein klinischer 3-Tesla-Magnetresonanztomograph unter Verwendung einer supraleitenden Nioblegierung ⓘ

Niob-Germanium (Nb
₃Ge), Niob-Zinn (Nb
₃Sn) sowie die Niob-Titan-Legierungen werden als Typ-II-Supraleiterdraht für supraleitende Magnete verwendet. Diese supraleitenden Magnete werden in Magnetresonanztomographen und Kernspinresonanzgeräten sowie in Teilchenbeschleunigern eingesetzt. Der Large Hadron Collider beispielsweise verwendet 600 Tonnen supraleitende Litzen, während der Internationale Thermonukleare Versuchsreaktor schätzungsweise 600 Tonnen Nb₃Sn-Litzen und 250 Tonnen NbTi-Litzen verwendet. Allein 1992 wurden klinische Magnetresonanztomographen im Wert von mehr als 1 Milliarde US-Dollar mit Niob-Titan-Draht gebaut. ⓘ

Andere Supraleiter

Ein 9-zelliger supraleitender 1,3-GHz-Hochfrequenz-Resonator aus Niob ist bei Fermilab zu sehen. ⓘ

Die supraleitenden Hochfrequenzkavitäten (SRF), die in den Freie-Elektronen-Lasern FLASH (Ergebnis des eingestellten TESLA-Linearbeschleunigerprojekts) und XFEL verwendet werden, sind aus reinem Niobium gefertigt. Ein Kryomodulteam am Fermilab nutzte dieselbe SRF-Technologie aus dem FLASH-Projekt, um 1,3-GHz-SRF-Resonatoren mit neun Zellen aus reinem Niobium zu entwickeln. Die Kavitäten werden im 30 Kilometer langen linearen Teilchenbeschleuniger des Internationalen Linearbeschleunigers zum Einsatz kommen. Die gleiche Technologie wird auch im LCLS-II am SLAC National Accelerator Laboratory und im PIP-II am Fermilab zum Einsatz kommen. ⓘ

Die hohe Empfindlichkeit von supraleitenden Niobnitrid-Bolometern macht sie zu einem idealen Detektor für elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzband. Diese Detektoren wurden am Submillimeter-Teleskop, am Südpol-Teleskop, am Receiver-Lab-Teleskop und am APEX getestet und werden nun im HIFI-Instrument an Bord des Herschel-Weltraumobservatoriums eingesetzt. ⓘ

Andere Verwendungen

Elektrokeramik

Lithiumniobat ist ein Ferroelektrikum und wird in großem Umfang in Mobiltelefonen und optischen Modulatoren sowie bei der Herstellung von akustischen Oberflächenwellengeräten verwendet. Es gehört zu den Ferroelektrika mit ABO₃-Struktur wie Lithiumtantalat und Bariumtitanat. Niobkondensatoren sind als Alternative zu Tantalkondensatoren erhältlich, aber Tantalkondensatoren überwiegen immer noch. Niob wird dem Glas zugesetzt, um einen höheren Brechungsindex zu erhalten, wodurch dünnere und leichtere Korrektionsgläser möglich werden. ⓘ

Hypoallergene Anwendungen: Medizin und Schmuck

Niob und einige Niob-Legierungen sind physiologisch inert und hypoallergen. Aus diesem Grund wird Niob in der Prothetik und in Implantaten, wie z. B. Herzschrittmachern, verwendet. Mit Natriumhydroxid behandeltes Niob bildet eine poröse Schicht, die die Osseointegration fördert. ⓘ

Wie Titan, Tantal und Aluminium kann Niob erhitzt und eloxiert werden ("reaktive Metallanodisierung"), um eine breite Palette an schillernden Farben für Schmuck herzustellen, wobei seine hypoallergene Eigenschaft sehr erwünscht ist. ⓘ

Numismatik

Niob wird als Edelmetall in Gedenkmünzen verwendet, oft zusammen mit Silber oder Gold. So hat Österreich beispielsweise ab 2003 eine Serie von silbernen Niob-Euromünzen hergestellt, deren Farbe durch die Beugung des Lichts an einer dünnen anodisierten Oxidschicht entsteht. Im Jahr 2012 sind zehn Münzen erhältlich, die eine breite Palette von Farben in der Mitte der Münze zeigen: blau, grün, braun, lila, violett oder gelb. Zwei weitere Beispiele sind die österreichische 25-Euro-Gedenkmünze "150 Jahre Semmering-Alpenbahn" von 2004 und die österreichische 25-Euro-Gedenkmünze "Europäische Satellitennavigation" von 2006. Die österreichische Münze hat für Lettland ab 2004 eine ähnliche Münzserie hergestellt, der 2007 eine weitere folgte. Im Jahr 2011 begann die Royal Canadian Mint mit der Produktion einer 5-Dollar-Münze aus Sterlingsilber und Niob mit dem Namen Hunter's Moon, bei der das Niob selektiv oxidiert wurde, wodurch eine einzigartige Oberfläche entsteht, bei der keine zwei Münzen exakt gleich sind. ⓘ

Eine 150 Jahre Semmering-Alpenbahn-Münze aus Niob und Silber ⓘ

Andere

Die Brennerdichtungen von Natriumdampf-Hochdrucklampen bestehen aus Niob, das manchmal mit 1 % Zirkonium legiert ist. Niob hat einen sehr ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und passt zur gesinterten Aluminiumoxid-Brennerkeramik, einem lichtdurchlässigen Material, das dem chemischen Angriff oder der Reduktion durch das heiße flüssige Natrium und den Natriumdampf in der Lampe widersteht. ⓘ

Niob wird in Lichtbogenschweißdrähten für einige stabilisierte Edelstahlsorten und in Anoden für kathodische Schutzsysteme an einigen Wassertanks verwendet, die dann in der Regel mit Platin beschichtet werden. ⓘ

Niob ist ein wichtiger Bestandteil von leistungsstarken heterogenen Katalysatoren für die Herstellung von Acrylsäure durch selektive Oxidation von Propan. ⓘ

Niob wird für die Herstellung des Hochspannungsdrahtes des Rezeptormoduls für solare Koronateilchen der Parker Solar Probe verwendet. ⓘ

Vorsichtsmaßnahmen

Niob ⓘ

Gefahren
NFPA 704 (Feuerdiamant)	0 0 0

Niobium hat keine bekannte biologische Funktion. Während Niobstaub Augen und Haut reizt und eine potenzielle Brandgefahr darstellt, ist elementares Niob in größerem Umfang physiologisch inert (und daher hypoallergen) und harmlos. Es wird häufig in Schmuckstücken verwendet und wurde für die Verwendung in einigen medizinischen Implantaten getestet. ⓘ

Die meisten Menschen kommen nur selten mit niobhaltigen Verbindungen in Berührung, einige sind jedoch giftig. Die kurz- und langfristige Exposition gegenüber Niobaten und Niobchlorid, zwei wasserlöslichen Chemikalien, wurde an Ratten getestet. Bei Ratten, die mit einer einzigen Injektion von Niobpentachlorid oder Niobaten behandelt wurden, lag die mittlere tödliche Dosis (LD₅₀) zwischen 10 und 100 mg/kg. Bei oraler Verabreichung ist die Toxizität geringer; eine Studie mit Ratten ergab nach sieben Tagen eine LD₅₀ von 940 mg/kg. ⓘ

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. ⓘ