Niob

Eigenschaften ⓘ
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Niob, Nb, 41
Elementkategorie	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	5, 5, d
Aussehen	grau metallisch glänzend
CAS-Nummer	7440-03-1
EG-Nummer	231-113-5
ECHA-InfoCard	100.028.284
Massenanteil an der Erdhülle	19 ppm (34. Häufigkeit)
Atomar
Atommasse	92,90637(1) u
Atomradius (berechnet)	145 (164) pm
Kovalenter Radius	137 pm
Elektronenkonfiguration	[[[Krypton\|Kr]]] 4d4 5s1
1. Ionisierungsenergie	6.75885(4) eV ≈ 652.13 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	14.32 eV ≈ 1382 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	25.04 eV ≈ 2416 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie	37.611(22) eV ≈ 3629 kJ/mol
5. Ionisierungsenergie	50.5728(25) eV ≈ 4880 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−1
Verdampfungsenthalpie	694 kJ/mol
Schmelzenthalpie	26,8 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit	3480 m·s−1 bei 293,15 K
Elektrische Leitfähigkeit	6,58 · 106 A·V−1·m−1
Wärmeleitfähigkeit	54 W·m−1·K−1
Chemisch
Oxidationszustände	2, 4, 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: 228
	P: 210
	Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. ; Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Niob [ˈnioːp] (auch Niobium, 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 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. ⓘ

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. ⓘ

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, benannte er das wiederentdeckte Element aufgrund dessen Ähnlichkeit mit Tantal nach Niobe, der Tochter des Tantalos. ⓘ

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. ⓘ

Erst nach 100 Jahren Auseinandersetzung legte die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) 1950 Niob als offizielle Bezeichnung des Elements fest. ⓘ

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. ⓘ

Die brasilianische CBMM kontrolliert 85 % 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
	160	230	290	230	200	200	200	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?
	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
	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
	?	50	50	13	52	25	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?
	?	?	5	34	130	34	29	?	?	4	10	29	30	20	?	?	?	?	?
	35	30	30	190	170	40	35	?	?	?	?	?	?	?	?	29	104	122	181	150
	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. ⓘ

Niob-Kristalle, elektrolytisch hergestellt ⓘ

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. ⓘ

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. ⓘ

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. ⓘ

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

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. ⓘ

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. ⓘ

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. ⓘ

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. ⓘ

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.
In Aluminiumlegierungen dient es der Herstellung von leichten aber steifen Bauteilen und Fahrzeugen, beispielsweise Felgen bei Fahrrädern.
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 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 (Niobzinn Nb₃Sn) und 23,2 K (Niobgermanium 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.
Niob wird aufgrund seiner Biokompatibilität zur Oberflächenbeschichtung von Implantaten verwendet.
Um der interkristallinen Korrosion entgegenzuwirken, wird Niob als Legierungselement in Cr-Stählen verwendet. Dazu sollte es mindestens in zwölffacher Konzentration gegenüber Kohlenstoff vorliegen. Niob bildet schneller Karbide als Chrom. Daher kommt es nicht zur Entstehung chromreicher Karbide, welche bedeuten würden, dass woanders im Gefüge chromverarmte Bereiche entstehen. ⓘ

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. ⓘ

Oxide, Niobate und Sulfide

Niob bildet Oxide in den Oxidationsstufen +5 (Nb₂O₅), +4 (NbO₂) und in 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 einsame 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 Pentahalide () 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, das zur Herstellung von metallorganischen Verbindungen wie Niobocendichlorid () verwendet wird. Die Tetrahalogenide () 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. ⓘ

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

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 Niob hergestellt. 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 linearen Teilchenbeschleuniger des Internationalen Linearbeschleunigers zum Einsatz kommen. Die gleiche Technologie wird in LCLS-II am SLAC National Accelerator Laboratory und in 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. ⓘ

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

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. ⓘ