41 Nb نيوبيوم 92.906
فلز انتقالي المستوى الفرعي d الدورة 5 المجموعة 5

نيوبيوم

Nb · العنصر 41 · فلز انتقالي

فلز فائق التوصيل يحمل التيار في كل مغناطيس للتصوير بالرنين المغناطيسي على الأرض.

الحالة عند 20°C صلب
الكتلة الذرية 92.906 u
التوزيع الإلكتروني[Kr] 4d⁴ 5s¹
40Zr كل العناصر الـ118 42Mo

البنية

ذرة نيوبيوم

ليس مخططًا لنقاط على حلقات — بل عينة مونتِ كارلو من كثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل غلاف فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين لدالة الموجة، وهذا ما يجعل الترابط ممكنًا.

سحابة المدار

القيم المقاسة

ورقة الخصائص

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

الفيزيائية

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

الذرية

نصف القطر الذري 146 pm 39%
نصف القطر التساهمي 164 pm
نصف قطر فان دير فالس 207 pm

الإلكترونية

الكهروسلبية 1.6 49%
طاقة التأين 652.2 kJ/mol 44%
الألفة الإلكترونية 85.9 kJ/mol 65%

الوجود

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
سنة الاكتشاف1801
اكتشفهCharles Hatchett

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

الحجم، وفق المقياس

ما حجم ذرة نيوبيوم؟

نصف القطر 146 pm — أي 0.146 nm، ولذلك فإن نحو 3.42 مليون ذرة منها متجاورة ستغطي ملليمترًا واحدًا.

المدى الحراري

صلب، سائل، غاز — ومتى

يكون نيوبيوم سائلًا ضمن مجال 2267 K، من 2750 K إلى 5017 K.

موضعه

موضعه في الجدول

تقع نيوبيوم في الدورة 5، والمجموعة 5. تشترك جميع العناصر في المجموعة 5 في العدد نفسه من الإلكترونات الخارجية، ولذلك تتصرف بطريقة متشابهة جدًا.

عناصر الفلزات الانتقالية الأخرى

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

القصة

ماهيّة نيوبيوم وكيف اكتشفناه

فلز فائق التوصيل يحمل التيار في كل مغناطيس للتصوير بالرنين المغناطيسي على الأرض.

اكتشاف نيوبيوم

حكاية اسمين

تُعد قصة اكتشاف نيوبيوم حكاية تنافس علمي وسياسة دولية وجدال عنيد حول التسمية استمر أكثر من 100 عام. وقد اكتشف الشخص نفسه العنصر مرتين فعلياً، وظل اسمه موضع خلاف حتى وقت متقدم من 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 دون دراسة لمدة 67 عاماً. ولاحظ Hatchett أن المعدن يحتوي على أكسيد مجهول ذي خصائص تختلف عن خصائص أي عنصر معروف.

وفي مختبره الخاص، أذاب Hatchett المعدن في حمض ورسّب أكسيداً أبيض. وسمّى العنصر الجديد "columbium" نسبةً إلى Columbia، وهو اسم شعري لأمريكا، تكريماً لمصدر المعدن. ومن أجل اكتشافه، منحت الجمعية الملكية Hatchett ميدالية Copley المرموقة عام 1801.

Heinrich Rose والالتباس (1844)

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

جدل التسمية

اختار Rose إعادة تسمية العنصر "niobium" نسبةً إلى Niobe، ابنة Tantalus في الأساطير اليونانية، وهو اختيار مناسب لأن العنصر كان مرتبطاً ارتباطاً وثيقاً بالتانتالوم، الذي سُمّي نسبةً إلى Tantalus. وأدى ذلك إلى نزاع دولي حاد حول التسمية:

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

الحسم والاعتراف

لم يُحسم جدل التسمية حتى عام 1949، عندما اعتمد الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) رسمياً اسم "niobium" بوصفه 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 مهمة عام 1866 عندما نجح في فصل نيوبيوم وتانتالوم، مثبتاً أنهما عنصران متميزان بالفعل. وشمل عمله الدقيق إعادة التبلور التجزيئي المتكررة لأملاح الفلوريد المعقدة الخاصة بهما، وهي عملية تتطلب صبراً ومهارة استثنائيين.

عزل الفلز النقي

لم يُنتج فلز نيوبيوم نقي للمرة الأولى حتى عام 1925، عندما استخدم الكيميائي الألماني Werner von Bolton فرن قوس كهربائياً لاختزال أكسيد نيوبيوم. وكان الفلز الناتج نقياً بنسبة 99% فقط، لكنه أتاح للعلماء أخيراً دراسة الخصائص الحقيقية لنيوبيوم بعد 124 عاماً من العمل مع مركباته.

الاستخدامات

استخدامات نيوبيوم

ثورة هندسة الطيران والفضاء

يُعدّ نيوبيوم العمود الفقري لتقنيات الطيران والفضاء الحديثة، إذ يمكّن الطائرات والمركبات الفضائية من تحمّل الظروف القاسية. في المحركات النفاثة، تعمل السبائك الفائقة المصنوعة 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 تتحمل درجات الحرارة البالغة 3,000°C الناتجة أثناء الإطلاق. احتوت المحركات الرئيسية لمكوك الفضاء على أكثر من 2 طن من سبائك نيوبيوم، بينما تستخدم صواريخ Falcon Heavy الحديثة مكونات مقواة 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 كابلات نيوبيوم فائقة التوصيل، مولداً مجالات مغناطيسية أقوى 100,000 مرة من المجال المغناطيسي للأرض.

تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي الطبية

تعتمد كل آلة تصوير بالرنين المغناطيسي 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 تصوير بالرنين المغناطيسي واحد على نحو 1,700 متر من أسلاك نيوبيوم.

البنية التحتية والتشييد

تُستخدم أنواع الفولاذ منخفض السبائك وعالي المقاومة (HSLA) التي تحتوي على نيوبيوم في البنية التحتية الحيوية حول العالم. واستُخدم فولاذ نيوبيوم في تجديد جسر ميناء Sydney لتقليل الوزن مع زيادة المقاومة. وتضم 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 خط أنابيب Trans-Alaska على أكثر من 1,000 طن من فولاذ نيوبيوم، ويعمل بشكل موثوق في درجات حرارة تتراوح من -40°C إلى +80°C.

الابتكار في صناعة السيارات

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

منتجات فولاذية للاستخدام اليومي

رغم أن المستهلكين لا يرونه، يوجد نيوبيوم في عدد لا يحصى من الأدوات اليومية. فمن المحتمل أن تحتوي ألواح هيكل سيارتك، والأجهزة المنزلية، وحتى الإطار الفولاذي لهاتفك الذكي على نيوبيوم. تؤدي إضافة 0.03% فقط من نيوبيوم إلى الفولاذ إلى زيادة مقاومته بنسبة تصل إلى 30%، مما يسمح للمصنعين باستخدام مواد أقل مع تحسين الأداء.

أجهزة المطبخ والمنزل

  • 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 للاحتفاظ بحافة القطع لفترة أطول

المجوهرات والفنون الزخرفية

تجعل خاصية نيوبيوم الفريدة، المتمثلة في إنتاج ألوان زاهية من خلال التأيين المصعد، منه مادة شائعة بين مصممي المجوهرات. وعلى خلاف كثير من الفلزات، لا يسبب نيوبيوم الحساسية مطلقاً، مما يجعله مثالياً للأشخاص ذوي البشرة الحساسة أو المصابين بحساسية تجاه الفلزات.

التطبيقات الفنية

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

العملات القابلة للاقتناء

تُصدر عدة بلدان عملات تذكارية مصنوعة من نيوبيوم، وتتميز بخاصية 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 جامعي العملات حول العالم.

معدات المختبر

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

مصدره

الوجود الطبيعي

20 mg/kg من القشرة الأرضية · أوفر من 73% من العناصر

التوزيع العالمي

يوجد نيوبيوم بوفرة مفاجئة في القشرة الأرضية، إذ يحتل المرتبة 33 بين جميع العناصر بمتوسط تركيز يبلغ 20 جزءاً في المليون. لكنه نادراً ما يوجد في صورة فلز نقي، بل يكوّن معادن معقدة تتطلب تقنيات استخلاص متقدمة.

البرازيل: القوة العظمى لنيوبيوم

تهيمن البرازيل على إنتاج نيوبيوم عالمياً، إذ تسيطر على نحو 85% من الإمداد العالمي. ويُعد منجم Araxá في ولاية Minas Gerais أكبر رواسب نيوبيوم في العالم، إذ يحتوي على ما يقدّر بـ 460 مليون طن من الخام الحاوي على نيوبيوم. 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. 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 بوصفها ناتجاً ثانوياً لتعدين التانتالوم.

الأصول الكونية

يتكوّن نيوبيوم من خلال التخليق النووي النجمي في النجوم الضخمة أثناء لحظاتها الانفجارية الأخيرة. وعندما تصل النجوم التي تزيد كتلتها على كتلة شمسنا بثماني مرات إلى نهاية حياتها، فإنها تنشئ نيوبيوم من خلال عمليات الالتقاط السريع للنيوترونات. ثم ينتقل هذا النيوبيوم الكوني عبر الفضاء مليارات السنين قبل أن يدخل في تكوين 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 خلال 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 الموجود في مخلفات السبائك الفائقة، مما يقلل الاعتماد على التعدين ويحافظ على هذا المورد القيّم للأجيال القادمة.

التعامل

السلامة

ملف السلامة العام

يُعد نيوبيوم أحد أكثر الفلزات أماناً عند ملامسة الإنسان والتعرض البيئي له. وعلى خلاف كثير من الفلزات الانتقالية، يتمتع نيوبيوم النقي بتوافق حيوي ملحوظ ولا يشكل مخاطر صحية كبيرة 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 سلبية تجاه نيوبيوم، مما يجعله مثالياً للغرس طويل الأمد.

احتياطات التعامل الصناعي

مخاطر الصورة المسحوقة

  • خطر الحريق: يمكن لمسحوق نيوبيوم الناعم المجزأ أن يشتعل تلقائياً في الهواء، ويحترق عند 400°C
  • الحماية التنفسية: استخدم أقنعة غبار معتمدة من NIOSH عند التعامل مع المساحيق لمنع استنشاقها
  • الكهرباء الساكنة: صِل جميع المعدات بالأرضي عند معالجة المساحيق لمنع اشتعالها بسبب التفريغ الساكن

العمليات ذات درجات الحرارة العالية

اللحام والتصنيع: عند العمل بنيوبيوم في درجات حرارة عالية، احرص على توفير تهوية كافية لمنع استنشاق أبخرة الأكاسيد. واستخدم حماية مناسبة للعينين، إذ يمكن لنيوبيوم أن ينتج شرارات ساطعة أثناء القطع أو اللحام.

الاعتبارات البيئية

تأثير بيئي ضئيل: تُظهر مركبات نيوبيوم سمية منخفضة تجاه الحياة المائية ولا تتراكم حيوياً في السلاسل الغذائية. ومع ذلك، ينبغي أن تتبع عمليات التعدين البروتوكولات البيئية القياسية لتقليل اضطراب الموائل.

أهمية إعادة التدوير

رغم أن نيوبيوم نفسه لا يشكل إلا مخاطر بيئية قليلة، فإن إعادة تدوير المواد المحتوية على نيوبيوم تقلل الضغط على 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؛ فعادةً ما يكون غبار فلز نيوبيوم غير سام، لكن تجنب التعرض المطول
  • الحريق: استخدم مادة كيميائية جافة أو CO2 أو الرمل؛ ولا تستخدم الماء مطلقاً في حرائق مسحوق نيوبيوم

إجابات سريعة

أسئلة شائعة عن نيوبيوم

ما هو نيوبيوم؟

نيوبيوم (رمزه Nb) هو العنصر 41 في الجدول الدوري، وينتمي إلى فلز انتقالي في الدورة 5 والمجموعة 5. فلز فائق التوصيل يحمل التيار في كل مغناطيس للتصوير بالرنين المغناطيسي على الأرض. في درجة حرارة الغرفة، يكون صلباً.

ما التوزيع الإلكتروني لـ نيوبيوم؟

التوزيع الإلكتروني للحالة الأرضية لـنيوبيوم هو [Kr] 4d⁴ 5s¹، ويشغل 5 مستويات من مستويات الطاقة بتوزيع 2, 8, 18, 12, 1.

ما نقطتا انصهار وغليان نيوبيوم؟

ينصهر نيوبيوم عند 2750 K (2476.9 °C) ويغلي عند 5017 K (4743.9 °C). وهذا يضعه بين أكثر العناصر مقاومة للحرارة — إذ يظل صلبًا عند درجات حرارة تُبخّر معظم الفلزات.

ما الكتلة الذرية لـ نيوبيوم؟

تبلغ الكتلة الذرية القياسية لـ نيوبيوم ‏92.906 u. وهذا متوسط موزون لنظائره الموجودة طبيعياً، ولذلك نادراً ما يكون عدداً صحيحاً.

ما كثافة نيوبيوم؟

تبلغ كثافة نيوبيوم مقدار 8.57 g/cm³. تبلغ كثافة الماء 1.0 g/cm³، لذا تكون كتلة من نيوبيوم أثقل بنحو 8.6×.

ما الكهروسلبية لـ نيوبيوم؟

تبلغ كهروسلبية نيوبيوم وفق مقياس باولنغ 1.6. ويتراوح المقياس من 0.70 (الفرانسيوم، الأقل ميلاً إلى جذب الإلكترونات) إلى 3.98 (الفلور، الأكثر ميلاً). تميل القيم ضمن هذا النطاق المتوسط إلى تكوين روابط تساهمية بدلًا من الروابط الأيونية القوية.

من اكتشف نيوبيوم ومتى؟

اكتُشف نيوبيوم في 1801 على يد Charles Hatchett. سُمّي على اسم نيوبه، ابنة تانتالوس.

ما مدى وفرة نيوبيوم على الأرض؟

يشكّل نيوبيوم حوالي 20 mg/kg من قشرة الأرض — وهو غير شائع، لكنه ليس نادرًا.

→ السابق Zr زركونيوم العنصر 40 · فلز انتقالي التالي ← Mo موليبدنوم العنصر 42 · فلز انتقالي