Imangelsächsischen Sprachraum wird noch vereinzelt von Metallurgen und Werkstoffanbietern die schon länger veraltete BezeichnungColumbium und das KurzzeichenCb verwendet.
Das selten vorkommendeSchwermetall ist von grauer Farbe und gut schmiedbar. Niob wird vor allem aus den niobreichen Vertretern derPyrochlor-Obergruppe, den Mineralen derColumbit-Mischkristallreihe Columbit-(Mn) – Columbit-(Mn) undLoparit[10] gewonnen.AlsColtan (ein modernes, vorrangig in der Politik verwendetes Akronym ausColumbit – Tantalit) werden Niob-Tantal-Erze bezeichnet, die zu den vier MischkristallreihenColumbit-(Fe) – Columbit-(Mn),Tantalit-(Mn) – Tantalit-(Fe), Columbit-(Mn) – Tantalit-(Mn) und Columbit-(Fe) – Tantalit-(Fe) zählen. Niob wird hauptsächlich in derMetallurgie verwendet, um Spezialstähle herzustellen und dieSchweißbarkeit zu verbessern.
1801 untersuchteCharles Hatchett ein unbekanntes dunkles Erz, das ursprünglich ausMassachusetts stammte und überHans Sloane in dasBritish Museum gelangt war. Bei verschiedenen chemischen Untersuchungen stellte er fest, dass in dem Erz ein bislang unbekanntes Element enthalten sein muss. Dieses nannte erColumbium, da das Erz ursprünglich ausAmerika stammte.[11]Columbia war eine zu dieser Zeit häufig verwendete Bezeichnung für Amerika.[12]
Anders Gustav Ekeberg fand 1802 inYttererde ein Oxid, das sich in keiner Säure löste. Darum nannte er das enthaltene Metall nach der mythologischen Figur desTantalos, der mitten in einem Teich stehend nicht trinken konnte,Tantal.[13] Die aus den beiden Erzen gewonnenen Oxide wurden 1809 vonWilliam Hyde Wollaston verglichen und für Oxide eines einzigen Elementes gehalten. Die gemessenen Unterschiede im spezifischen Gewicht der Oxide erklärte er durch unterschiedliche Oxidationszustände des Elementes.[14]Heinrich Rose untersuchte Tantalit-Erze genauer und vermutete, dass darin zwei weitere Elemente enthalten sind, die er nach den Kindern des Tantalos,Niobe undPelopsNiob undPelopium nannte.[15][16] Auch weitere Forscher verkündeten, weitere ähnliche Elemente gefunden zu haben, soHans Rudolph Hermann dasIlmenium (benannt nach demIlmengebirge)[17] undNeptunium[18],Franz von Kobell dasDianium (benannt nachDiana)[19] Schließlich konnten 1864Christian Wilhelm Blomstrand und 1866Jean Charles Galissard de Marignac zeigen, dass es in lediglich zwei Elemente, Niob und Tantal real gibt und dass alle weiteren behaupteten Elemente Mischungen dieser beiden Elemente sind.[20][21]
In der folgenden Zeit wurden sowohl Niob als auch Columbium als Name für das Element verwendet, wobei in amerikanischen VeröffentlichungenColumbium vorherrschte, in europäischenNiob. Um die Verwirrungen, die durch die unterschiedlichen Namen entstanden, zu beenden, legte dieIUPAC 1949Niob als offiziellen Namen des Elementes fest.[22][23]
Marignac entwickelte 1866 ein Verfahren zur Trennung von Tantal und Niob, das auf der unterschiedlichen Löslichkeit der Salze K2NbOF5 und K2TaF7 in verdünnterFlusssäure beruht.[24] Damit gelang zwar die Herstellung reiner Tantalverbindungen, die Gewinnung von reinem Niob und insbesondere die Trennung des Niobs vonTitan undZinn blieb jedoch schwierig.[25] Dazu wurden verschiedene Verfahren entwickelt, etwa über die Siedepunkte der Tetrachloride oder deren Löslichkeit inTetrachlorkohlenstoff.[26]
Auch die Herstellung reinen Niobmetalls erwies sich als schwierig, da das Metall leichtCarbide bildet. Als erster erhielt Christian Wilhelm Blomstrand Niob in Form eines spiegelnden Überzugs durchReduktion vonNiob(V)-chlorid mitWasserstoff in der Hitze.[27] 1901 konnteHenri Moissan im von ihm erfundenen elektrischen Ofen durch Reduktion vonNiob(V)-oxid mit Kohle größere Mengen Niob gewinnen, das aber 2,3 bis 3,4 % Kohlenstoff enthielt und darum sehr spröde war.[28] Ein so reines Niob, dass er dieDuktilität des Metalls nachweisen konnte, stellte 1907Werner von Bolton her. Er fand zwei Darstellungsmethoden: zum einen dieelektrolytische Reduktion vonNiob(IV)-oxid mitWechselstrom im Vakuum, zum anderen effektiver einealuminothermische Reduktion von Niob(V)-oxid, bei der eine Niob-Aluminium-Legierung entstand, die dann im Vakuum mit einem elektrischen Flammenbogen erhitzt wurde, so dass das Aluminium verdampfte.[29]
Niob wurde lange Zeit nur in geringem Maß verwendet, erst ab den 1930ern wurde Ferroniob als Zusatz fürStähle undNiobcarbid für Hochgeschwindigkeits-Schneidwerkzeuge genutzt.[30]
Niob ist auf der Erde ein seltenes Element, seineHäufigkeit in derkontinentalen Erdkruste beträgt etwa 8 ppm.[31] Niob wird zu denrefraktären,lithophilen, sowie deninkompatiblen Elementen (HFSE) gezählt. Dies bedeutet, dass Niob überwiegend oxidische Minerale bildet, sich vorwiegend in der oberen kontinentalen Erdkruste, weniger imErdmantel befindet und inMagmaschmelzen sich stark in der Schmelze anreichert. Zudem ist das Element schlecht löslich und immobil und wird daher beiVerwitterung kaum aus dem Gestein gelöst. Der Niobgehalt vonMeerwasser ist deshalb auch sehr gering.[32]
Um die Häufigkeit eines Elementes in der gesamten Erde (Kern undHülle) zu betrachten, wird auf die Konzentration von Elementen inChondriten zurückgegriffen. Beim Vergleich der Verhältnisse der sehr ähnlichen Niob und Tantal ist auffällig, dass dieses Verhältnis in Chondriten deutlich höher (etwa 19,9) ist als in der äußeren Silikathülle der Erde (etwa 14). Dies bedeutet, dass auf der Erde deutlich geringere Mengen Niob bekannt sind, als sie eigentlich haben sollte.[33] Eine Möglichkeit ist, dass sich dieses Niob im Erdkern befindet, was dadurch verursacht sein könnte, dass Niob unter den Bedingungen, wie sie bei derEntstehung der Erde herrschten, deutlichsiderophiler (eisenliebend) gewesen sein könnte als Tantal und ein Teil des Niobs in den Kern abgesunken ist.[34][35] Andererseits wird diskutiert, dass es niobreiche Bereiche im oberen Erdmantel geben könnte, in denen das „fehlende“ Niob gespeichert ist.[36]
Nioberze finden sich als primäre Vorkommen in verschiedenenmagmatischen Gesteinen, zum einen inCarbonatiten wieIjolit, zum anderen inalkalischen bis peralkalischenGranitoiden undSyeniten. Durch Verwitterung anderer Elemente kann es in sekundären Lagerstätten wieLaterit zu einer deutlichen Anreicherung an Niob mit einem Faktor von 10 oder mehr bezogen auf die Ausgangsgesteine kommen. Wichtigstes Nioberz ist Pyrochlor Ca2Nb2O7, aus dem über 90 % allen Niobs gewonnen wird. Andere Erze wieColumbit (Coltan) spielen demgegenüber nur eine untergeordnete Rolle. Nioberze enthalten in der Regel das chemisch sehr ähnlicheTantal, jedoch ist dieMineralisation der beiden Elemente sehr unterschiedlich, so dass wirtschaftlich nutzbare Nioberze nicht unbedingt auch ausreichende Tantalmengen enthalten und umgekehrt.[37]
Die größten Niobvorkommen befinden sich inBrasilien. Das kommerziell wichtigste Erzvorkommen liegt inAraxá inMinas Gerais. Es handelt sich um ein Sekundärvorkommen mit Niobgehalten von bis zu 2,5 %. Die dort noch vorhandenen Reserven wurden 2021 auf 896 Millionen Tonnen mit einem durchschnittlichen Niobgehalt von 1,49 % geschätzt.[39] Weitere große brasilianische Lagerstätten liegen inTapira, ebenfalls in Minas Gerais,Catalão inGoiás undSeis Lagos inAmazonas. Über 90 % des weltweit produzierten Niobs stammen aus Araxá und Catalão.[37] Das weltweit größte bekannte Niobvorkommen in Seis Lagos[40] wird aktuell nicht ausgebeutet, da es in einem Gebiet liegt, das alsBiologisches Reservat (Morro Dos Seis Lagos) imPico-da-Neblina-Nationalpark geschützt ist.[41] Weitere, ähnliche Vorkommen außerhalb Brasiliens liegen inLueshe undBingo in derDemokratischen Republik Kongo,Mabounié in Gabun,Sukulu inUganda undMount Weld inAustralien.[37]
Niob-Kristalle, elektrolytisch hergestellt neben einemanodisierten Niob-Würfel (1 cm³)
Da Niob und Tantal immer zusammen vorkommen, werden Niob- und Tantalerze zunächst gemeinsam aufgeschlossen und anschließend durch fraktionierteKristallisation oder unterschiedlicheLöslichkeit inorganischenLösungsmitteln getrennt. Das erste industrielle Trennverfahren solcherart wurde 1866 von Charles Marignac entwickelt.
Zunächst werden die Erze einem Gemisch von konzentrierterSchwefel- undFlusssäure 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 vonKaliumfluorid können die Dikalium-Salze dieser Fluoride (z. B.Kaliumheptafluoroniobat) gebildet werden. Dabei ist nur dasTantalfluorid in Wasser schwer löslich und fällt aus. Das leicht löslicheNiobfluorid kann so vom Tantal getrennt werden. Heutzutage ist aber eine Trennung durch Extraktion mitMethylisobutylketon üblich. Eine dritte Möglichkeit der Trennung ist die durchfraktionierte Destillation derChloride NbCl5 und TaCl5. Diese sind durch Reaktion von Erzen,Koks undChlor bei hohen Temperaturen darstellbar.[44]
Aus dem abgetrennten Niobfluorid wird durch Reaktion mitSauerstoff zunächstNiobpentoxid hergestellt. Dieses wird entweder mitKohlenstoff zunächst zuNiobcarbid umgesetzt und dann mit weiterem Niobpentoxid bei 2000 °C imVakuum zumMetallreduziert oder direktaluminothermisch gewonnen. Der größte Teil des Niob für die Stahlindustrie wird so produziert, dabei wird noch Eisenoxid zugesetzt, um eine Eisen-Niob-Legierung (60 % Niob) zu erhalten. Werden Halogenide als Ausgangsstoff für die Reduktion eingesetzt, geschieht dies mitNatrium als Reduktionsmittel.
Die Jahresproduktion lag 2006 bei fast 60.000 t,[45] 90 % davon wurden in Brasilien gefördert. 2013 betrug die Gesamtmenge des produzierten Niobs 59.400 Tonnen; Hauptproduzenten waren Brasilien (53.100 t) und Kanada (5.260 t). DerUSGS gab als US-Importpreise für eine Eisen-Niob-Legierung (Ferroniobium mit einem Anteil von 65 % Niob) 37.781USD je Tonne im Jahre 2010 und 43.415 USD je Tonne für 2013 an.[46]
Die USA importierten 2020 7.170t, 2021 8.230 t, 2022 9.110 t 2023 10.100 t und 2024 8.900 t.[47]
Einige Nioberze wie z. B. Columbit-Tantalit (kurzColtan) wurden 2012 von der US-amerikanischen BörsenaufsichtSEC als so genanntesKonfliktmineral eingestuft,[49] 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.[50]
Niob ist ein grau glänzendes,duktiles Schwermetall. Bekannt sind dieOxidationsstufen −3, −1, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Wie beimVanadium, das im Periodensystem über dem Niob steht, ist die Stufe +5 am beständigsten. Das chemische Verhalten des Niobs ist fast identisch mit dem desTantals, 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. NurFlusssäure, vor allem im Gemisch mitSalpetersäure, sowie heiße konzentrierteSchwefelsäure 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 unterSchutzgasatmosphäre ablaufen.[1]
Der Zusatz vonWolfram undMolybdän zu Niob erhöht seine Hitzebeständigkeit,Aluminium seine Festigkeit.
Niob nimmt leicht Gase auf, so kann ein Gramm Niob bei Raumtemperatur 100 cm³Wasserstoff aufnehmen, was früher in derVakuumröhrentechnik ausgenutzt wurde.
SupraleitendeKavität aus hochreinem Niob für den Freie-Elektronen-LaserFLASH amDESY.
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 mitthermomechanischem Walzen dieFestigkeit undZähigkeit von Stahl wesentlich steigern.Erste Versuche zur Verwendung von Niob als Legierungselement (Ersatz vonWolfram) 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.
Wegen seiner bläulichen Farbe wird es fürPiercingschmuck 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. bei25-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 vonSuperlegierungen (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 inNiob-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 bekannterenTantal-Elektrolytkondensatoren.
Werden die Glaskolben vonHalogenglühlampen 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.
AlsKatalysator (z. B. bei der Salzsäureproduktion, bei derBiodiesel-Synthese[52] und bei der Produktion von Alkoholen aus Butadien).
AlsKaliumniobat (chemische Verbindung aus Kalium, Niob und Sauerstoff), das als Einkristall in der Lasertechnik und für nichtlineare optische Systeme Verwendung findet und
Supraleitung: Bei Temperaturen unterhalb von 9,5 K ist reines Niob einSupraleiter des Typs II. Nioblegierungen (mit N, O, Sn, AlGe, Ge) gehören neben den reinen Elementen Niob, Vanadium undTechnetium zu den Stoffen, die Typ-II-Supraleiter sind: DieSprungtemperaturen dieser Legierungen liegen zwischen 18,05 K (Niobzinn Nb3Sn) und 23,2 K (Niobgermanium Nb3Ge). Aus Niob gefertigte supraleitendeHohlraumresonatoren werden inTeilchenbeschleunigern (u. a.XFEL undFLASH amDESY in Hamburg) eingesetzt. – Zur Erzeugung hoherMagnetfelder bis etwa 20 Tesla werden supraleitende Magnetspulen mit Drähten aus Niob-Zinn oder Niob-Titan eingesetzt, z. B. im Fusions-VersuchsreaktorITER 600 t Niob-Zinn und 250 t Niob-Titan. Auch die supraleitenden Magnetspulen desLHC bestehen aus Nioblegierungen.
Niob wird aufgrund seinerBiokompatibilität zur Oberflächenbeschichtung von Implantaten verwendet.
Um derinterkristallinen 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.
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