41 Nb Niob 92,906
Übergangsmetall d-Block Periode 5 Gruppe 5

Niob

Nb · Element 41 · Übergangsmetall

Ein supraleitendes Metall, das in jedem MRT-Magneten auf der Erde den Strom leitet.

Zustand bei 20°C fest
Atommasse 92,906 u
Elektronenkonfiguration[Kr] 4d⁴ 5s¹

Struktur

Das Niob-Atom

Kein Diagramm aus Punkten auf Ringen — eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um die Ansicht zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.

Orbitalwolke

Gemessene Werte

Eigenschaftsübersicht

Jeder Balken zeigt, wo Niob bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.

Physikalisch

Dichte 8,57 g/cm³ 53%
Schmelzpunkt 2750 K 95%
Siedepunkt 5017 K 94%
Spezifische Wärme 0,265 J/g·K
Wärmeleitfähigkeit 53,7 W/m·K 67%

Atomar

Atomradius 146 pm 39%
Kovalenzradius 164 pm
Van-der-Waals-Radius 207 pm

Elektronisch

Elektronegativität 1,6 49%
Ionisierungsenergie 652,2 kJ/mol 44%
Elektronenaffinität 85,9 kJ/mol 65%

Vorkommen

Häufigkeit in der Erdkruste 20 mg/kg 73%

Identität

SymbolNb
Ordnungszahl41
Atommasse92,9064 u
KategorieÜbergangsmetall
Blockd
Kristallstrukturkubisch-raumzentriert
Oxidationsstufen-3, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5
Entdeckt1801
Entdeckt vonCharles Hatchett

Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Werte mit ~ sind vorhergesagt und nicht gemessen.

Größe, maßstabsgetreu

Wie groß ist das Atom von Niob?

Radius 146 pm — das entspricht 0,146 nm; etwa 3,42 Millionen davon nebeneinander würden einen Millimeter überspannen.

Temperaturbereich

Fest, flüssig, gasförmig — und wann

Niob ist über einen Bereich von 2267 K flüssig, von 2750 K bis 5017 K.

Wo es steht

Position in der Tabelle

Niob befindet sich in Periode 5, Gruppe 5. Alle Elemente in Gruppe 5 besitzen die gleiche Anzahl an Außenelektronen und verhalten sich deshalb so ähnlich.

Andere Übergangsmetalle

Alle Übergangsmetalle

Die Geschichte

Was Niob ist und wie wir es gefunden haben

Ein supraleitendes Metall, das in jedem MRT-Magneten auf der Erde den Strom leitet.

Die Entdeckung von Niob

Die Geschichte zweier Namen

Die Entdeckung von Niob ist eine Geschichte wissenschaftlicher Rivalität, internationaler Politik und hartnäckiger Debatten über die Nomenklatur, die mehr als 100 Jahre andauerten. Das Element wurde tatsächlich zweimal von derselben Person entdeckt, und sein Name blieb bis weit ins 20. Jahrhundert umstritten.

Charles Hatchett: Die erste Entdeckung (1801)

Im Jahr 1801 untersuchte der britische Chemiker Charles Hatchett ein Mineralexemplar aus der Sammlung des British Museum. Das dunkle, dichte Mineral war 1734 aus Massachusetts geschickt worden und 67 Jahre lang ununtersucht geblieben. Hatchett bemerkte, dass das Mineral ein unbekanntes Oxid mit Eigenschaften enthielt, die sich von denen jedes bekannten Elements unterschieden.

In seinem privaten Labor löste Hatchett das Mineral in Säure und fällte ein weißes Oxid aus. Er nannte das neue Element „Columbium“, nach Columbia, einer poetischen Bezeichnung für Amerika, und ehrte damit den Ursprung des Minerals. Für seine Entdeckung verlieh die Royal Society Hatchett 1801 die angesehene Copley-Medaille.

Heinrich Rose und die Verwirrung (1844)

43 Jahre später machte der deutsche Chemiker Heinrich Rose bei der Untersuchung von Tantalitmineralien eine überraschende Entdeckung. Er stellte fest, dass das, was Wissenschaftler für reines Tantal hielten, tatsächlich ein zweites, sehr ähnliches Element enthielt. Rose erkannte, dass es sich um dasselbe Element handelte, das Hatchett Jahrzehnte zuvor entdeckt hatte.

Der Namensstreit

Rose benannte das Element nach Niobe, der Tochter des Tantalus in der griechischen Mythologie, in „Niob“ um – eine passende Wahl, da das Element eng mit Tantal verbunden war, das nach Tantalus benannt wurde. Dies löste einen erbitterten internationalen Namensstreit aus:

  • Amerikanische Wissenschaftler bestanden auf „Columbium“, um Hatchetts Priorität zu würdigen
  • Europäische Wissenschaftler bevorzugten „Niob“ und folgten Roses mythologischer Namensgebung
  • Der Streit dauerte 100 Jahre, wobei verschiedene Länder in Lehrbüchern und wissenschaftlichen Arbeiten unterschiedliche Namen verwendeten

Beilegung und Anerkennung

Der Namensstreit wurde erst 1949 beigelegt, als die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) offiziell „Niob“ als Standardnamen annahm. Amerikanische Metallurgen verwendeten „Columbium“ für kommerzielle Zwecke jedoch bis in die 1960er-Jahre weiter.

Der Beitrag von Jean Charles Galissard de Marignac

Der Schweizer Chemiker Marignac leistete 1866 entscheidende Beiträge, indem er Niob und Tantal erfolgreich trennte und bewies, dass es sich tatsächlich um verschiedene Elemente handelte. Seine sorgfältige Arbeit umfasste wiederholte fraktionierte Kristallisationen ihrer komplexen Fluoridsalze – ein Verfahren, das außergewöhnliche Geduld und Geschick erforderte.

Isolierung des reinen Metalls

Das erste reine Niob-Metall wurde erst 1925 hergestellt, als der deutsche Chemiker Werner von Bolton Nioboxid in einem Lichtbogenofen reduzierte. Das entstandene Metall war nur zu 99% rein, ermöglichte es Wissenschaftlern jedoch endlich, die tatsächlichen Eigenschaften von Niob zu untersuchen, nachdem sie 124 Jahre lang mit Verbindungen gearbeitet hatten.

Anwendungen

Wofür Niob verwendet wird

Revolution in der Luft- und Raumfahrttechnik

Niob bildet das Rückgrat der modernen Luft- und Raumfahrttechnologie und ermöglicht es Flugzeugen und Raumfahrzeugen, extremen Bedingungen standzuhalten. In Triebwerken arbeiten Niob-Superlegierungen bei Temperaturen von über 1.000°C und bewahren dabei ihre strukturelle Integrität. Die Boeing 787 Dreamliner und der Airbus A350 sind in hohem Maße auf Niob-Titan-Legierungen für ihre leichten und dennoch unglaublich stabilen Flugzeugzellen angewiesen.

Raketentriebwerkssysteme

NASA und SpaceX verwenden Düsen auf Niob-Basis in Raketentriebwerken, da diese den während des Starts erzeugten Temperaturen von 3.000°C standhalten. Die Haupttriebwerke des Space Shuttle enthielten mehr als 2 Tonnen Niob-Legierungen, während moderne Falcon-Heavy-Raketen für ihre Wiederverwendbarkeit Bauteile mit Niob-Verstärkung einsetzen.

Supraleitende Magnete

Drähte aus Niob-Titan (NbTi) und Niob-Zinn (Nb3Sn) gelten als Goldstandard für supraleitende Magnete. Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN enthält 1.200 Tonnen supraleitender Niob-Kabel und erzeugt Magnetfelder, die 100.000-mal stärker sind als das Magnetfeld der Erde.

Medizinische MRT-Technologie

Jedes MRT-Gerät ist auf supraleitende Niob-Magnete angewiesen, die mit flüssigem Helium auf -269°C gekühlt werden. Diese Magnete erzeugen die präzisen Magnetfelder, die für die Darstellung des menschlichen Körpers erforderlich sind, und machen lebensrettende Diagnosen möglich. Ein einzelner MRT-Scanner enthält ungefähr 1.700 Meter Niob-Draht.

Infrastruktur und Bauwesen

Niobhaltige hochfeste niedriglegierte Stähle (HSLA) werden weltweit in kritischer Infrastruktur eingesetzt. Bei der Renovierung der Sydney Harbour Bridge wurde Niob-Stahl verwendet, um das Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig die Festigkeit zu erhöhen. Moderne Wolkenkratzer wie der Burj Khalifa enthalten Stahlträger mit Niob-Zusatz, die 30% stärker sind als herkömmlicher Stahl.

Pipeline-Technologie

Transkontinentale Öl- und Gaspipelines verwenden Niob-Stahlrohre, die unter extremem Druck korrosions- und rissbeständig sind. Das Trans-Alaska-Pipeline-System enthält mehr als 1.000 Tonnen Niob-Stahl und arbeitet zuverlässig bei Temperaturen zwischen -40°C und +80°C.

Innovationen im Automobilbau

Rennwagen der Formel 1 verwenden Niob-Abgassysteme, die Temperaturen von 1.000°C standhalten und dabei 40% weniger wiegen als Stahlalternativen. Luxusautohersteller wie Ferrari und McLaren integrieren Niob-Bauteile in ihre Hochleistungsmotoren, um ein maximales Leistungsgewicht zu erreichen.

Alltägliche Stahlprodukte

Obwohl es für Verbraucher unsichtbar ist, kommt Niob in unzähligen Alltagsgegenständen vor. Die Karosserieteile Ihres Autos, Haushaltsgeräte und sogar der Stahlrahmen Ihres Smartphones enthalten wahrscheinlich Niob. Bereits die Zugabe von 0.03% Niob zu Stahl erhöht dessen Festigkeit um bis zu 30% und ermöglicht es Herstellern, weniger Material zu verwenden und gleichzeitig die Leistung zu verbessern.

Küchen- und Haushaltsgeräte

  • Kochgeschirr aus Edelstahl: Hochwertige Töpfe und Pfannen verwenden Niob-verstärkten Stahl für eine bessere Wärmeverteilung und längere Haltbarkeit
  • Kühlschränke und Waschmaschinen: Bauteile aus Niob-Stahl sind korrosionsbeständig und verlängern die Lebensdauer von Haushaltsgeräten
  • Besteck: Professionelle Kochmesser enthalten häufig Niob, damit die Schneide länger scharf bleibt

Schmuck und dekorative Kunst

Die einzigartige Eigenschaft von Niob, durch Anodisierung leuchtende Farben zu entwickeln, macht es bei Schmuckdesignern beliebt. Anders als viele Metalle ist Niob vollständig hypoallergen und daher ideal für Menschen mit empfindlicher Haut oder Metallallergien.

Künstlerische Anwendungen

  • Anodisierter Schmuck: Erzeugt Regenbogenfarben ohne Farbstoffe oder Beschichtungen
  • Schmuck für Körperpiercings: Biokompatibel und sicher für langfristiges Tragen
  • Skulpturale Kunst: Künstler erschaffen durch kontrollierte Oxidation farbverändernde Skulpturen

Sammlermünzen

Mehrere Länder geben Gedenkmünzen aus Niob heraus, die ihre Farbe verändern können. Die Niob-Münzen Österreichs sind besonders bekannt: Je nach Betrachtungswinkel wechselt die Farbe des Metalls in der Mitte von Silber zu Blau, Grün oder Gold. Bei Sammlern weltweit erzielen diese Münzen hohe Aufpreise.

Laborausrüstung

Forschungslabore verwenden Niob-Tiegel und -Behälter für Hochtemperaturexperimente. Die Beständigkeit von Niob gegenüber den meisten Säuren und sein hoher Schmelzpunkt (2,477°C) machen es für die Materialforschung und chemische Analyse äußerst wertvoll.

Woher es stammt

Natürliches Vorkommen

20 mg/kg der Erdkruste · häufiger als 73 % der Elemente

Globale Verteilung

Niob ist in der Erdkruste überraschend häufig und steht mit einer durchschnittlichen Konzentration von 20 Teilen pro Million an 33. Stelle unter allen Elementen. Es kommt jedoch nur selten als reines Metall vor, sondern bildet komplexe Mineralien, die ausgefeilte Gewinnungsverfahren erfordern.

Brasilien: Die Niob-Supermacht

Brasilien dominiert die weltweite Niob-Produktion und kontrolliert ungefähr 85% des globalen Angebots. Die Mine Araxá im Bundesstaat Minas Gerais ist das größte Niob-Vorkommen der Welt und enthält schätzungsweise 460 Millionen Tonnen niobhaltiges Erz. Diese einzelne Mine könnte bei den derzeitigen Verbrauchsraten mehr als 500 Jahre lang die weltweite Nachfrage decken.

Primäre Mineralquellen

Pyrochlor: Die wichtigste Quelle

Der größte Teil des kommerziellen Niobs stammt aus Pyrochlor [(Na,Ca)2Nb2O6(OH,F)], einem komplexen Oxidmineral, das in Karbonatitformationen vorkommt. Diese geologischen Strukturen bildeten sich vor 130 Millionen Jahren, als eine urzeitliche vulkanische Aktivität mineralreiche Lagerstätten tief unter der Erde entstehen ließ.

Columbit-Tantalit

Zu den sekundären Quellen gehören Columbit-Tantalit-Mineralien, in denen Niob und Tantal gemeinsam vorkommen. Diese Mineralien finden sich in Pegmatitformationen in Kanada, Australien und Teilen Afrikas. Die Demokratische Republik Kongo produziert bedeutende Mengen als Nebenprodukt des Tantalabbaus.

Kosmische Ursprünge

Niob entsteht durch stellare Nukleosynthese in massereichen Sternen während ihrer letzten explosiven Momente. Wenn Sterne mit der achtfachen Masse unserer Sonne das Ende ihres Lebens erreichen, erzeugen sie Niob durch Prozesse des schnellen Neutroneneinfangs. Dieses kosmische Niob reist anschließend Milliarden Jahre durch den Weltraum, bevor es in neue Planetensysteme eingebaut wird.

Hinweise aus Meteoriten

Die Analyse von Eisenmeteoriten zeigt Niob-Konzentrationen, die denen im Erdkern ähneln. Dies deutet darauf hin, dass der Niob-Bestand unseres Planeten während der frühen Bombardierungsphase vor 4.5 Milliarden Jahren eingetragen wurde. Einige seltene Meteoriten enthalten niobreiche Aggregatzustände, die auf der Erde nicht natürlich vorkommen.

Alternative Quellen

Recycling liefert eine zunehmend wichtige Niob-Quelle, insbesondere aus Schrott der Luft- und Raumfahrt sowie der Stahlindustrie. Moderne Recyclingverfahren können 95% des Niobs aus Superlegierungsabfällen zurückgewinnen, wodurch die Abhängigkeit vom Bergbau verringert und diese wertvolle Ressource für künftige Generationen bewahrt wird.

Handhabung

Sicherheit

Allgemeines Sicherheitsprofil

Niob gilt als eines der sichersten Metalle für den Kontakt mit Menschen und für die Umwelt. Anders als viele Übergangsmetalle weist reines Niob eine bemerkenswerte Biokompatibilität auf und birgt unter normalen Umständen nur minimale Gesundheitsrisiken.

Biokompatibilität

Medizinische Anwendungen: Niob ist so biokompatibel, dass es in medizinischen Implantaten, Schrittmacherelektroden und chirurgischen Instrumenten verwendet wird. Der menschliche Körper zeigt keine unerwünschten Reaktionen auf Niob, weshalb es sich ideal für langfristige Implantationen eignet.

Vorsichtsmaßnahmen bei der industriellen Handhabung

Risiken in Pulverform

  • Brandgefahr: Fein verteiltes Niob-Pulver kann sich an der Luft spontan entzünden und bei 400°C brennen
  • Atemschutz: Verwenden Sie beim Umgang mit Pulvern von NIOSH zugelassene Staubmasken, um das Einatmen zu verhindern
  • Statische Elektrizität: Erden Sie bei der Verarbeitung von Pulvern alle Geräte, um eine Entzündung durch statische Entladung zu verhindern

Arbeiten bei hohen Temperaturen

Schweißen und Bearbeitung: Sorgen Sie bei Arbeiten mit Niob bei hohen Temperaturen für ausreichende Belüftung, um das Einatmen von Oxiddämpfen zu verhindern. Verwenden Sie einen geeigneten Augenschutz, da Niob beim Schneiden oder Schweißen helle Funken erzeugen kann.

Umweltaspekte

Minimale Umweltbelastung: Niobverbindungen weisen eine geringe Toxizität für Wasserlebewesen auf und reichern sich nicht in Nahrungsketten an. Bergbaubetriebe sollten jedoch die üblichen Umweltstandards einhalten, um die Beeinträchtigung von Lebensräumen zu minimieren.

Bedeutung des Recyclings

Obwohl Niob selbst nur wenige Umweltrisiken birgt, verringert das Recycling niobhaltiger Materialien den Druck auf den Bergbau und schont diese wertvolle Ressource. Schrott aus der Luft- und Raumfahrt sowie der Stahlindustrie sollte für die Rückgewinnung von Niob ordnungsgemäß sortiert werden.

Notfallmaßnahmen

  • Hautkontakt: Mit Wasser und Seife waschen; Niob-Metall verursacht nur selten Hautreizungen
  • Augenkontakt: 15 Minuten lang mit sauberem Wasser spülen; bei anhaltender Reizung ärztliche Hilfe suchen
  • Einatmen: An die frische Luft bringen; Niob-Metallstaub ist im Allgemeinen ungiftig, vermeiden Sie jedoch längere Exposition
  • Brand: Trockenlöschmittel, CO2 oder Sand verwenden; bei Bränden von Niob-Pulver niemals Wasser verwenden

Schnelle Antworten

Niob: häufige Fragen

Was ist Niob?

Niob (Symbol Nb) ist Element 41 im Periodensystem, ein Übergangsmetall in der 5, Gruppe 5. Ein supraleitendes Metall, das in jedem MRT-Magneten auf der Erde den Strom leitet. Bei Raumtemperatur ist es fest.

Wie lautet die Elektronenkonfiguration von Niob?

Die Elektronenkonfiguration von Niob im Grundzustand ist [Kr] 4d⁴ 5s¹; sie ergibt 5 besetzte Elektronenschalen mit der Verteilung 2, 8, 18, 12, 1.

Wie hoch sind der Schmelz- und der Siedepunkt von Niob?

Niob schmilzt bei 2750 K (2476.9 °C) und siedet bei 5017 K (4743.9 °C). Damit gehört es zu den feuerfestesten Elementen — es bleibt bei Temperaturen fest, bei denen die meisten Metalle verdampfen.

Wie hoch ist die Atommasse von Niob?

Die Standardatommasse von Niob beträgt 92.906 u. Dabei handelt es sich um einen gewichteten Mittelwert seiner natürlich vorkommenden Isotope, weshalb sie nur selten eine ganze Zahl ist.

Wie hoch ist die Dichte von Niob?

Niob hat eine Dichte von 8.57 g/cm³. Wasser hat eine Dichte von 1.0 g/cm³, daher ist ein Block aus Niob ungefähr 8.6× schwerer.

Wie hoch ist die Elektronegativität von Niob?

Niob hat eine Elektronegativität von 1.6 nach Pauling. Die Skala reicht von 0,70 (Francium, das Elektronen am wenigsten stark anzieht) bis 3,98 (Fluor, das stärkste). Werte in diesem mittleren Bereich führen eher zur Bildung kovalenter als stark ionischer Bindungen.

Wer entdeckte Niob und wann?

Niob wurde 1801 von Charles Hatchett entdeckt. Es ist nach niobe, Tochter des Tantalus benannt.

Wie häufig kommt Niob auf der Erde vor?

Niob macht Über 20 mg/kg der Erdkruste aus — nicht häufig, aber auch nicht selten.