41 Nb نيوبيوم 92.906
فلز انتقالي d-block Period 5 Group 5

نيوبيوم

Nb · Element 41 · Vanadium group

A superconducting metal that carries the current in every MRI magnet on Earth.

الحالة عند 20°C صلب
الكتلة الذرية 92.906 u
ELECTRON CONFIGURATION [Kr] 4d⁴ 5s¹
40Zr All 118 42Mo

البنية

ذرة نيوبيوم

ليست رسماً تخطيطياً لنقاط على حلقات — بل عينة مونت كارلو لكثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل مستوى فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير اللونان الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين للدالة الموجية، وهو ما يجعل الترابط ممكناً.

سحابة المدارات

القيم المقيسة

ورقة الخصائص

يوضح كل شريط موضع نيوبيوم بين العناصر الـ118 جميعها بالنسبة إلى تلك الخاصية.

فيزيائية

الكثافة 8.57 g/cm³ 53%
نقطة الانصهار 2750 K 95%
نقطة الغليان 5017 K 94%
الحرارة النوعية 0.265 J/g·K
التوصيل الحراري 53.7 W/m·K 67%

ذرية

نصف القطر الذري 146 pm 38%
نصف القطر التساهمي 164 pm
نصف قطر فان دير فالس 207 pm

إلكترونية

السالبية الكهربائية 1.6 49%
طاقة التأين 652.2 kJ/mol 43%
الألفة الإلكترونية 85.9 kJ/mol 65%

الوفرة

الوفرة في القشرة 20 mg/kg 73%

الهوية

الرمزNb
العدد الذري41
الكتلة الذرية92.9064 u
الفئةفلز انتقالي
المستوى الفرعيd
البنية البلوريةمكعب مركزي الجسم
حالات الأكسدة-3, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5
الاكتشاف1801
اكتشفهCharles Hatchett

المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.

الحجم، وفق مقياس

How big is a نيوبيوم atom?

Radius 146 pm — that is 0.146 nm, so about 3425 million of them side by side would span a millimetre.

النطاق الحراري

Solid, liquid, gas — and when

نيوبيوم is liquid over a 2267 K window, from 2750 K to 5017 K.

موضعه

موضعه في الجدول

نيوبيوم sits in period 5, group 5. Everything in group 5 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER الفلزات الانتقالية

21Sc 22Ti 23V 24Cr 25Mn 26Fe 27Co 28Ni 29Cu 30Zn 39Y 40Zr 42Mo 43Tc 44Ru 45Rh
All الفلزات الانتقالية

القصة

ما هو نيوبيوم، وكيف اكتشفناه

A superconducting metal that carries the current in every MRI magnet on Earth.

The discovery of نيوبيوم

حكاية اسمين

تُعد قصة اكتشاف نيوبيوم قصة منافسة علمية وسياسة دولية وجدال عنيد حول التسمية استمر أكثر من 100 عام. فقد اكتشف الشخص نفسه العنصر فعلياً مرتين، وظل اسمه موضع خلاف حتى القرن 20.

Charles Hatchett: الاكتشاف الأول (1801)

في عام 1801، كان الكيميائي البريطاني Charles Hatchett يفحص عينة معدنية في مجموعة المتحف البريطاني. وكان المعدن الداكن الكثيف قد أُرسل من Massachusetts عام 1734، وظل من دون دراسة 67 عاماً. ولاحظ Hatchett أن المعدن يحتوي على أكسيد مجهول ذي خصائص تختلف عن أي عنصر معروف.

عمل Hatchett في مختبره الخاص، فأذاب المعدن في حمض ورسّب أكسيداً أبيض. وسمّى العنصر الجديد "columbium" نسبة إلى Columbia، وهو اسم شعري لأمريكا، تكريماً لأصل المعدن. ومنحت الجمعية الملكية Hatchett ميدالية Copley المرموقة عام 1801 تقديراً لاكتشافه.

Heinrich Rose والالتباس (1844)

بعد 43 عاماً، توصل الكيميائي الألماني Heinrich Rose إلى اكتشاف مذهل أثناء دراسته لمعادن التانتاليت. فقد وجد أن ما اعتقد العلماء أنه تانتالوم نقي يحتوي فعلياً على عنصر ثانٍ شديد الشبه به. وأدرك Rose أن هذا هو العنصر نفسه الذي اكتشفه Hatchett قبل عقود.

جدل التسمية

اختار Rose إعادة تسمية العنصر "niobium" نسبة إلى Niobe، ابنة Tantalus في الأساطير اليونانية، وكان ذلك اختياراً مناسباً لأن العنصر كان مرتبطاً ارتباطاً وثيقاً بالتانتالوم، الذي سُمّي نسبة إلى Tantalus. وأدى ذلك إلى نزاع دولي مرير حول التسمية:

  • أصر العلماء الأمريكيون على اسم "columbium" تكريماً لأولوية Hatchett
  • فضّل العلماء الأوروبيون اسم "niobium" اتباعاً لأسلوب Rose في التسمية الأسطورية
  • استمر النزاع 100 عام، إذ استخدمت دول مختلفة أسماء مختلفة في الكتب المدرسية والأبحاث العلمية

الحل والاعتراف

لم يُحسم جدل التسمية حتى عام 1949، عندما اعتمد الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) رسمياً اسم "niobium" باعتباره الاسم القياسي. ومع ذلك، واصل علماء المعادن الأمريكيون استخدام اسم "columbium" لأغراض تجارية حتى ستينيات القرن 20.

إسهام Jean Charles Galissard de Marignac

قدّم الكيميائي السويسري Marignac إسهامات حاسمة عام 1866، إذ نجح في فصل نيوبيوم وتانتالوم، وأثبت أنهما عنصران متميزان بالفعل. وشمل عمله الدقيق إجراء تبلور تجزيئي متكرر لأملاح الفلوريد المعقدة الخاصة بهما، وهي عملية تتطلب صبراً ومهارة استثنائيين.

عزل الفلز النقي

لم يُنتج فلز نيوبيوم النقي لأول مرة حتى عام 1925، عندما استخدم الكيميائي الألماني Werner von Bolton فرن قوس كهربائي لاختزال أكسيد نيوبيوم. ولم يكن الفلز الناتج نقياً إلا بنسبة 99%، لكنه أتاح للعلماء أخيراً دراسة الخصائص الحقيقية لنيوبيوم بعد 124 عاماً من العمل مع مركباته.

الاستخدامات

فيما يُستخدم نيوبيوم

ثورة هندسة الطيران والفضاء

يُعد نيوبيوم العمود الفقري لتقنيات الطيران والفضاء الحديثة، إذ يتيح للطائرات والمركبات الفضائية تحمّل الظروف القاسية. في المحركات النفاثة، تعمل السبائك الفائقة من نيوبيوم عند درجات حرارة تتجاوز 1,000°C مع الحفاظ على سلامة بنيتها. وتعتمد طائرتا Boeing 787 Dreamliner وAirbus A350 بدرجة كبيرة على سبائك التيتانيوم-نيوبيوم لهياكلهما الخفيفة والقوية للغاية.

أنظمة دفع الصواريخ

تستخدم NASA وSpaceX فوهات قائمة على نيوبيوم في محركات الصواريخ لأنها تستطيع تحمّل درجات حرارة تبلغ 3,000°C أثناء الإطلاق. احتوت المحركات الرئيسية لمكوك الفضاء على أكثر من 2 طن من سبائك نيوبيوم، بينما تستخدم صواريخ Falcon Heavy الحديثة مكونات معززة بنيوبيوم لإتاحة إعادة الاستخدام.

المغناطيسات فائقة التوصيل

تُعد أسلاك التيتانيوم-نيوبيوم (NbTi) والقصدير-نيوبيوم (Nb3Sn) المعيار الذهبي للمغناطيسات فائقة التوصيل. ويحتوي مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في CERN على 1,200 طن من الكابلات فائقة التوصيل المصنوعة من نيوبيوم، فتنتج مجالات مغناطيسية أقوى 100,000 مرة من المجال المغناطيسي للأرض.

تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي الطبي

تعتمد كل آلة MRI على مغناطيسات فائقة التوصيل من نيوبيوم تُبرّد إلى -269°C باستخدام الهيليوم السائل. وتولّد هذه المغناطيسات المجالات المغناطيسية الدقيقة اللازمة لتصوير جسم الإنسان، مما يجعل التشخيصات المنقذة للحياة ممكنة. ويحتوي جهاز MRI واحد تقريباً على 1,700 متر من أسلاك نيوبيوم.

البنية التحتية والإنشاءات

تُستخدم أنواع الفولاذ منخفض السبائك وعالي المقاومة (HSLA) المحتوية على نيوبيوم في البنية التحتية الحيوية حول العالم. واستخدم تجديد جسر ميناء Sydney فولاذ نيوبيوم لتقليل الوزن مع زيادة القوة. كما تدمج ناطحات السحاب الحديثة مثل برج خليفة عوارض فولاذية محسّنة بنيوبيوم، وهي أقوى بنسبة 30% من الفولاذ التقليدي.

تقنية خطوط الأنابيب

تستخدم خطوط أنابيب النفط والغاز العابرة للقارات أنابيب فولاذية من نيوبيوم تقاوم التآكل والتشقق تحت الضغط الشديد. ويحتوي نظام خطوط أنابيب Trans-Alaska على أكثر من 1,000 طن من فولاذ نيوبيوم، ويعمل بموثوقية في درجات حرارة تتراوح من -40°C إلى +80°C.

الابتكار في صناعة السيارات

تستخدم سيارات سباق Formula 1 أنظمة عادم من نيوبيوم تتحمل درجات حرارة تبلغ 1,000°C مع وزن أقل بنسبة 40% من البدائل الفولاذية. ويدمج مصنعو السيارات الفاخرة مثل Ferrari وMcLaren مكونات نيوبيوم في محركاتهم عالية الأداء لتحقيق أقصى نسبة بين القدرة والوزن.

منتجات فولاذية للاستخدام اليومي

رغم عدم ملاحظته من جانب المستهلكين، يوجد نيوبيوم في عدد لا يُحصى من الأدوات اليومية. فمن المرجح أن تحتوي ألواح هيكل سيارتك والأجهزة المنزلية وحتى الإطار الفولاذي لهاتفك الذكي على نيوبيوم. وتؤدي إضافة 0.03% فقط من نيوبيوم إلى الفولاذ إلى زيادة قوته بنسبة تصل إلى 30%، مما يتيح للمصنعين استخدام كمية أقل من المواد مع تحسين الأداء.

أجهزة المطبخ والأجهزة المنزلية

  • أواني الطهي المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ: تستخدم القدور والمقالي عالية الجودة فولاذاً محسّناً بنيوبيوم لتوزيع الحرارة بصورة أفضل وزيادة المتانة
  • الثلاجات وغسالات الملابس: تقاوم مكونات فولاذ نيوبيوم التآكل وتطيل عمر الأجهزة
  • أدوات المائدة: غالباً ما تحتوي سكاكين الطهاة المحترفين على نيوبيوم للحفاظ على حدة الشفرة بدرجة فائقة

المجوهرات والفنون الزخرفية

تجعل خاصية نيوبيوم الفريدة في تكوين ألوان زاهية من خلال الأنودة هذا الفلز شائعاً بين مصممي المجوهرات. وعلى خلاف كثير من الفلزات، فإن نيوبيوم مضاد للحساسية تماماً، مما يجعله مثالياً للأشخاص ذوي البشرة الحساسة أو الذين يعانون من حساسية الفلزات.

التطبيقات الفنية

  • المجوهرات المؤكسدة: تنتج ألوان قوس قزح من دون أصباغ أو طلاءات
  • مجوهرات ثقب الجسم: متوافقة حيوياً وآمنة للاستخدام الطويل الأمد
  • الفن النحتي: ينشئ الفنانون منحوتات متغيرة اللون من خلال الأكسدة المضبوطة

العملات القابلة للاقتناء

تصدر عدة دول عملات تذكارية مصنوعة من نيوبيوم، وتتميز بخصائص تغيّر اللون. وتشتهر عملات نيوبيوم النمساوية خصوصاً، إذ يتغير لون مركز الفلز من الفضي إلى الأزرق أو الأخضر أو الذهبي تبعاً لزاوية النظر. وتحظى هذه العملات بأسعار مرتفعة بين هواة جمع العملات في أنحاء العالم.

معدات المختبر

تستخدم مختبرات الأبحاث بوتقات نيوبيوم وحاوياته لإجراء التجارب ذات درجات الحرارة العالية. وتجعل مقاومة نيوبيوم لمعظم الأحماض وامتلاكه نقطة انصهار مرتفعة (2,477°C) منه مادة لا غنى عنها في أبحاث علم المواد والتحليل الكيميائي.

مصدره

وجوده الطبيعي

20 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 73% of elements

التوزيع العالمي

يوجد نيوبيوم بوفرة مدهشة في القشرة الأرضية، إذ يحتل المرتبة 33 بين جميع العناصر بمتوسط تركيز يبلغ 20 جزءاً في المليون. لكنه نادراً ما يوجد على هيئة فلز نقي، بل يكون عادةً جزءاً من معادن معقدة تتطلب تقنيات استخراج متقدمة.

البرازيل: قوة نيوبيوم العظمى

تهيمن البرازيل على إنتاج نيوبيوم عالمياً، إذ تسيطر على نحو 85% من الإمدادات العالمية. ويُعد منجم Araxá في ولاية Minas Gerais أكبر رواسب نيوبيوم في العالم، إذ يحتوي على ما يقدّر بـ 460 مليون طن من الخام الحامل لنيوبيوم. ويمكن لهذا المنجم وحده تلبية الطلب العالمي لأكثر من 500 عام وفق معدلات الاستهلاك الحالية.

المصادر المعدنية الرئيسية

البيروكلور: المصدر الرئيسي

يأتي معظم نيوبيوم التجاري من البيروكلور [(Na,Ca)2Nb2O6(OH,F)]، وهو معدن أكسيدي معقد يوجد في تكوينات الكربوناتيت. وقد تشكلت هذه البنى الجيولوجية قبل 130 مليون سنة عندما أنشأ النشاط البركاني القديم رواسب غنية بالمعادن في أعماق الأرض.

الكولومبيت-التانتاليت

تشمل المصادر الثانوية معادن الكولومبيت-التانتاليت، حيث يوجد نيوبيوم وتانتالوم معاً. وتوجد هذه المعادن في تكوينات البيغماتيت في أنحاء Canada وAustralia وأجزاء من Africa. وتنتج جمهورية الكونغو الديمقراطية كميات كبيرة منها كمنتج ثانوي لتعدين التانتالوم.

الأصول الكونية

يتكوّن نيوبيوم من خلال التخليق النووي النجمي في النجوم الضخمة أثناء لحظاتها الانفجارية الأخيرة. فعندما تصل النجوم التي تزيد كتلتها على كتلة شمسنا 8 مرات إلى نهاية حياتها، تُنشئ نيوبيوم من خلال عمليات الالتقاط السريع للنيوترونات. ثم ينتقل هذا النيوبيوم الكوني عبر الفضاء مليارات السنين قبل أن يندمج في أنظمة كوكبية جديدة.

أدلة النيازك

يكشف تحليل النيازك الحديدية عن تركيزات من نيوبيوم مماثلة لتلك الموجودة في لب الأرض، مما يشير إلى أن مخزون كوكبنا من نيوبيوم وصل أثناء فترة القصف المبكر قبل 4.5 مليار سنة. وتحتوي بعض النيازك النادرة على حالات غنية بنيوبيوم لا توجد طبيعياً على الأرض.

المصادر البديلة

توفر إعادة التدوير مصدراً متزايد الأهمية لنيوبيوم، ولا سيما من مخلفات صناعات الطيران والفضاء والفولاذ. ويمكن لتقنيات إعادة التدوير المتقدمة استرداد 95% من نيوبيوم من مخلفات السبائك الفائقة، مما يقلل الاعتماد على التعدين ويحافظ على هذا المورد القيّم للأجيال القادمة.

التعامل

السلامة

ملف السلامة العام

يُعد نيوبيوم واحداً من أكثر الفلزات أماناً عند ملامسة الإنسان والتعرض البيئي له. وعلى خلاف كثير من الفلزات الانتقالية، يتميز نيوبيوم النقي بتوافق حيوي ملحوظ ولا يشكل مخاطر صحية تُذكر في الظروف العادية.

التوافق الحيوي

التطبيقات الطبية: يتمتع نيوبيوم بتوافق حيوي كبير إلى درجة استخدامه في الغرسات الطبية وأقطاب أجهزة تنظيم ضربات القلب والأدوات الجراحية. ولا يُظهر جسم الإنسان أي تفاعلات ضارة تجاه نيوبيوم، مما يجعله مثالياً للزرع الطويل الأمد.

احتياطات المناولة الصناعية

مخاطر الشكل المسحوق

  • خطر الحريق: يمكن لمسحوق نيوبيوم الناعم والمجزأ أن يشتعل تلقائياً في الهواء، ويحترق عند 400°C
  • الحماية التنفسية: استخدم أقنعة غبار معتمدة من NIOSH عند مناولة المساحيق لمنع الاستنشاق
  • الكهرباء الساكنة: وصّل جميع المعدات بالأرضي عند معالجة المساحيق لمنع اشتعال التفريغ الساكن

العمليات ذات درجات الحرارة العالية

اللحام والتصنيع: عند العمل مع نيوبيوم في درجات حرارة عالية، تأكد من وجود تهوية كافية لمنع استنشاق أبخرة الأكاسيد. استخدم حماية مناسبة للعينين، إذ يمكن أن ينتج نيوبيوم شرارات ساطعة أثناء القطع أو اللحام.

الاعتبارات البيئية

أثر بيئي محدود: تُظهر مركبات نيوبيوم سمية منخفضة للحياة المائية ولا تتراكم حيوياً في السلاسل الغذائية. ومع ذلك، ينبغي أن تتبع عمليات التعدين البروتوكولات البيئية المعتمدة لتقليل اضطراب المواطن الطبيعية.

أهمية إعادة التدوير

رغم أن نيوبيوم نفسه لا يسبب إلا مخاطر بيئية قليلة، فإن إعادة تدوير المواد المحتوية على نيوبيوم تقلل ضغط التعدين وتحافظ على هذا المورد القيّم. وينبغي فرز مخلفات صناعات الطيران والفضاء والفولاذ بصورة صحيحة لاسترداد نيوبيوم.

إجراءات الطوارئ

  • ملامسة الجلد: اغسل بالماء والصابون؛ فنادراً ما يسبب فلز نيوبيوم تهيج الجلد
  • ملامسة العينين: اغسل بالماء النظيف لمدة 15 دقيقة؛ واطلب العناية الطبية إذا استمر التهيج
  • الاستنشاق: انتقل إلى هواء نقي؛ فغبار فلز نيوبيوم غير سام عموماً، لكن تجنب التعرض المطول
  • الحريق: استخدم مادة كيميائية جافة أو CO2 أو الرمل؛ ولا تستخدم الماء أبداً في حرائق مسحوق نيوبيوم

إجابات سريعة

نيوبيوم: أسئلة شائعة

What is نيوبيوم?

نيوبيوم (symbol Nb) is element 41 on the periodic table, a فلز انتقالي in period 5, group 5. A superconducting metal that carries the current in every MRI magnet on Earth. At room temperature it is a solid.

What is the electron configuration of نيوبيوم?

نيوبيوم's ground-state electron configuration is [Kr] 4d⁴ 5s¹, giving 5 occupied shells holding 2, 8, 18, 12, 1 electrons respectively.

What are the melting and boiling points of نيوبيوم?

نيوبيوم melts at 2750 K (2476.9 °C) and boils at 5017 K (4743.9 °C). That puts it among the most refractory elements — it stays solid at temperatures that vaporise most metals.

What is the atomic mass of نيوبيوم?

The standard atomic weight of نيوبيوم is 92.906 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is نيوبيوم?

نيوبيوم has a density of 8.57 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of نيوبيوم is about 8.6× heavier.

What is the electronegativity of نيوبيوم?

نيوبيوم has a Pauling electronegativity of 1.6. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.

Who discovered نيوبيوم, and when?

نيوبيوم was discovered in 1801 by Charles Hatchett. It is named after niobe, daughter of Tantalus.

How common is نيوبيوم on Earth?

نيوبيوم makes up about 20 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.

→ السابق Zr Zirconium Element 40 · Transition metal التالي ← Mo Molybdenum Element 42 · Transition metal