NIOB

Symbol: Nb
Kategorie: Übergangsmetalle
Ordnungszahl: 41

Relative Atommasse: 92,90638
Schmelzpunkt: 2741 K
Siedepunkt: 5200 K
Dichte: 8,58 g cm-3
Elektronegativität: 1,2
Ionisierungsenergie: 6,88 eV
Konfiguration: [Kr] 4d4 5s
Oxidationszahlen: 5, 4, 3, 2, 1, -1
Atomradius: 142,9 pm
Ionenradius: 69 pm (+5); 74 pm (+4)

Der nachfolgende Artikel ist dem Lexikon der Chemie entnommen.

Niob, Symbol Nb, chem. Element aus der V. Nebengruppe des Periodensystems, der Vanadiumgruppe, Schwermetall, Reinelement, Z 41, Atommasse 92,9064, Wertigkeit vorherrschend V, daneben auch IV, III, II, D. 8,581 g cm-3, F. 2468 °C, Kp. 4930 °C, elektrische Leitfähigkeit 6,5 Sm/mm2, Standardelektrodenpotential (Nb/Nb3+) -1,099 V.

Eigenschaften
N. ist ein silberweißes, duktiles, in kubisch-raumzentriertem Gitter kristallisierendes Metall. Reines N. läßt sich gut schmieden, pressen und ziehen, während es bereits durch geringe Verunreinigungen an Kohlenstoff, Stickstoff oder Sauerstoff hart und spröde wird, so daß es dann nur noch bei Rotglut verformbar ist. Chemisch ist N. sehr beständig, da es infolge Passivierung durch eine an der Oberfläche sich ausbildende dichte, dünne Oxidschicht geschützt wird. So wird es durch die meisten Säuren, selbst durch Königswasser, nicht angegriffen. Flußsäure sowie heiße, konz. Schwefelsäure wirken dagegen lösend, geschmolzene Alkalien greifen N. unter Bildung von Alkaliniobaten an. Bei höherer Temperatur reagiert N. mit den meisten Nichtmetallen. Sauerstoff oxidiert N. bei Rotglut zu Niob(V)-oxid, während Chlor N. schon unterhalb 300 °C in Niob(V)-chlorid umwandelt. Stickstoff und Kohlenmonoxid reagieren mit N. oberhalb 400 °C unter Bildung von Niobnitriden, -carbiden und -oxiden. Auch Wasserstoff wird durch N. im Temperaturbereich von 350 bis 500 °C unter Bildung von Niobhydrid aufgenommen.

Analytisches
Zur Bestimmung von N. neben Tantal werden heute vor allem die Röntgenfluoreszenzspektroskopie sowie die Emissionsspektralanalyse herangezogen. Zur naßchem. Trennung beider nahe verwandter Elemente bedient man sich der Papierchromatographie oder der Ionenaustauschmethode. Die klassische Methode für Abtrennung und Nachweis von N. geht von der Fällung als Niob(V)-oxid-Hydrat aus; nach einer Alkalischmelze unter Verwendung von Kaliumcarbonat oder -hydroxid zu Kalium-Niobat reduziert man mit Zink oder Zinn zu blauen niederwertigen Niobderivaten, die mit Thiocyanat zu goldgelben Komplexen reagieren. Zur quantitativen Bestimmung wird N. als Oxidhydrat gefällt und zu Niob(V)-oxid verglüht.

Vorkommen
N. ist am Aufbau der Erdkruste mit 1,8·10-3 % beteiligt. Bedingt durch die nahe chem. Verwandtschaft sowie durch fast identische Atomradien (rNb5+ 134,2 pm, rTa5+ 134,3 pm) kommt N. stets mit Tantal vergesellschaftet vor. Neben Columbit (Fe, Mn) (Nb, TaO3)2 der nach dem jeweils überwiegenden Metall auch als Niobit oder Tantalit bezeichnet wird, ist ein wichtiges N. enthaltendes Mineral der in Carbonatiten vorkommende, häufig mit Apatit vergesellschaftete, je nach Fundstätte variierend zusammengesetzte Pyrochlor, der durch die allg. Formel (Ca, Na2)[Nb, Ta, TiO3]2(OH, F) beschrieben wird und in dem Calcium und Natrium durch andere Erdalkali-Ionen oder Seltenerdmetalle bzw. Uran und Thorium ersetzt sein können.

Gewinnung
Das klassische Verfahren zur Gewinnung von N. und damit auch zur Trennung von N. und Tantal ist das von Columbit ausgehende Marignac-Verfahren. Hierbei wird das Erz mit Flußsäure aufgeschlossen. Kalisalzzusatz zum Filtrat führt zur Auskristallisation von schwerlöslichem Kalium-heptafluorotantalat(V) K2[TaF7], das zur weiteren Reinigung umkristallisiert wird. Das im Filtrat verbleibende, leichter lösliche Kalium-oxofluoroniobat (V)K2[NbOF5] wird dann z.T. gemeinsam mit weiteren Begleitmetallen als Oxidhydrat gefällt, das direkt zu Ferroniob weiterverarbeitet werden kann.

Zur Gewinnung von N. aus pyrochlorhaltigen Carbonatiten werden diese zunächst durch Flotationsprozesse zu Pyrochlorkonzentraten aufbereitet, die bis zu 50 % Niob(V)-oxid enthalten können und entweder direkt zur Ferroniobgewinnung verwandt oder einem naßchem. Trennverfahren unterworfen werden. Hierzu schließt man die Pyrochlorkonzentrate mit Flußsäure auf und extrahiert die nach Filtration erhaltene flußsaure Lösung mit Methylethylketon. Niob- und Tantalfluorokomplexe werden dabei in die organische Phase übergeführt, aus der man durch Reextraktion mit Wasser nacheinander Niob- und tantalhaltige Fraktionen erhält, aus denen man N. als Niob(V)-oxid-Hydrat, Tantal als Kalium-hepta-fluorotantalat(V) ausscheidet. Zur reduktiven Gewinnung von N. setzt man vor allem durch Dehydratation des Oxidhydrates gewonnenes Niob(V)-oxid ein, das mit Kohle auf Temperaturen oberhalb 1500 °C im Vakuum erhitzt und über intermediär gebildetes, bei etwa 1700 °C Zersetzung erfahrendes Niobcarbid in N. übergeführt wird:
Nb2O5 + 7 C → 2 NbC + 5 CO; 5 NbC + Nb2O5
→ 7 Nb + 5 CO

Andere Verfahren gehen von Niob(V)-chlorid aus, wobei die Reduktion vorzugsweise mit Wasserstoff in der Gasphase, z.T. auch unter Plasmabedingungen durchgeführt wird. Hochreines N. entsteht auch bei der thermischen Zersetzung von Niob(V)-chlorid. Die Gewinnung kann schließlich auch auf elektrochem. Wege erfolgen, wobei man einen NbCl5-haltigen Chlorid-Fluorid-Elektrolyten einsetzt und die Elektrolyse bei 850 bis 900 °C unter Schutzgas durchführt.

Zur Raffination wird N. unter Nutzung seines außerordentlich hohen Siedepunktes stufenweise im Hochvakuum auf Sintertemperaturen um 2500 °C erhitzt, wobei Verunreinigungen abdampfen und N. mit einer Reinheit von 99,9 % erzielt wird. Auch Umschmelzverfahren im Elektronenstrahlofen sind zur Raffination geeignet. N. mit einer Reinheit von 99,99 % wird durch Anwendung des Zonenschmelzverfahrens erzeugt.

Verwendung
N. wird überwiegend in Form von Ferroniob und Ferroniobtantal als Zusatz für rostfreie Stähle und Sonderstähle verwendet. Als Legierungsbestandteil ist N. ferner für Nichteisenmetall-Legierungen z. B. zusammen mit Chrom, Nickel und Cobalt einsetzbar. Niobhaltige Hochtemperaturlegierungen mit außerordentlicher Verschleiß- und Korrosionsfestigkeit werden beim Flugzeug- und Raketenbau sowie für Gasturbinen eingesetzt. N. wird als Hüllenmaterial für Uranbrennstoffstäbe verwendet, da es einen geringen Neutroneneinfangsquerschnitt mit hoher Beständigkeit gegenüber den als Kühlmantel dienenden flüssigen Metallen, wie Kalium, Natrium, Lithium, Blei, Quecksilber, Bismut oder Zinn, verbindet. Wegen seiner ausgeprägten Gasaffinität dient N. in der Hochvakuumtechnik als Getter. Man setzt N. im Gleichrichterbau, in Kombination mit Wolfram für im Temperaturbereich bis 2000 °C einsetzbare Thermoelemente sowie als Legierungsbestandteil für Dauermagnete ein. N.-Zinn-Legierungen stellen interessante Supraleiter dar. So weist Nb3Sn2 eine Sprungtemperatur von 22 K auf, während N. selbst unterhalb 9,13 K Supraleitfähigkeit zeigt.

© Spektrum Akademischer Verlag



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