What is ニオブ?
ニオブ (symbol Nb) is element 41 on the periodic table, a 遷移金属 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.
構造
環の上の点を示す図ではありません。占有された各副殻の実際の確率密度|ψ|²をモンテカルロ法でサンプリングしたものです。ドラッグして回転できます。青と紫は波動関数の反対の符号を示しており、それによって結合が可能になります。
測定値
各バーは、その性質についてニオブが118元素の中でどこに位置するかを示しています。
出典:IUPAC 2021標準原子量 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST。~が付いた値は、測定値ではなく予測値です。
縮尺どおりの大きさ
Radius 146 pm — that is 0.146 nm, so about 3425 million of them side by side would span a millimetre.
熱範囲
ニオブ is liquid over a 2267 K window, from 2750 K to 5017 K.
物語
A superconducting metal that carries the current in every MRI magnet on Earth.
ニオブの発見史は、科学的 rivalry、国際政治、そして100年以上続いた頑固な命名論争の物語です。この元素は実際には同じ人物によって2度発見され、その名前は20世紀に入っても議論の的となりました。
1801年、英国の化学者Charles Hatchettは、British Museumの収蔵品にある鉱物標本を調べていました。その暗く密度の高い鉱物は1734年にマサチューセッツから送られ、67年間調査されないまま保管されていました。Hatchettは、その鉱物に既知の元素とは異なる性質を持つ未知の酸化物が含まれていることに気づきました。
Hatchettは私設研究室で鉱物を酸に溶かし、白色の酸化物を沈殿させました。彼は新元素を、アメリカを詩的に表す名前であるColumbiaにちなみ「columbium」と名付け、鉱物の起源を称えました。この発見により、Royal Societyは1801年にHatchettへ名誉あるCopley Medalを授与しました。
43年後、ドイツの化学者Heinrich Roseは、タンタル石鉱物を研究中に驚くべき発見をしました。科学者たちが純粋なタンタルだと考えていたものに、非常によく似た別の元素が含まれていることを発見したのです。Roseは、これが数十年前にHatchettが発見した元素と同じものだと気づきました。
Roseは、ギリシャ神話でTantalusの娘であるNiobeにちなみ、元素名を「niobium」と改めました。この元素がタンタル(Tantalusにちなむ)と非常に密接に関係していたため、ふさわしい選択でした。これにより、激しい国際的な命名論争が起こりました。
命名論争が解決したのは1949年で、International Union of Pure and Applied Chemistry(IUPAC)が「niobium」を標準名として正式に採用しました。しかし、アメリカの冶金学者は商業目的で1960年代まで「columbium」を使い続けました。
スイスの化学者Marignacは、1866年にニオブとタンタルを分離することに成功し、それらが実際に異なる元素であることを証明する重要な貢献をしました。彼の綿密な研究には、複雑なフッ化物塩を何度も分別結晶化する作業が含まれており、並外れた忍耐力と技術を必要としました。
純粋なニオブ金属が初めて製造されたのは1925年で、ドイツの化学者Werner von Boltonが電気アーク炉を使って酸化ニオブを還元しました。得られた金属の純度は99%にすぎませんでしたが、化合物を扱ってきた124年の後、科学者たちはついにニオブ本来の性質を研究できるようになりました。
用途
ニオブは現代の航空宇宙技術の基盤であり、航空機や宇宙船が極限環境に耐えられるようにしています。ジェットエンジンでは、ニオブ超合金が構造の完全性を維持しながら、1,000°Cを超える温度で作動します。Boeing 787 DreamlinerとAirbus A350は、軽量でありながら非常に強い機体を実現するため、ニオブ・チタン合金に大きく依存しています。
NASAとSpaceXは、打ち上げ中に発生する3,000°Cの温度に耐えられるため、ロケットエンジンにニオブ製ノズルを使用しています。Space Shuttleの主エンジンには2トンを超えるニオブ合金が含まれており、現代のFalcon Heavyロケットでは、再使用性を高めるためにニオブ強化部品が使われています。
ニオブ・チタン(NbTi)線とニオブ・スズ(Nb3Sn)線は、超伝導磁石の標準材料です。CERNのLarge Hadron Collider(LHC)には1,200トンのニオブ超伝導ケーブルが使われており、地球の磁場の100,000倍の磁場を生み出します。
すべてのMRI装置は、液体ヘリウムで-269°Cまで冷却されたニオブ超伝導磁石を使用しています。これらの磁石は人体を画像化するために必要な精密な磁場を発生させ、命を救う診断を可能にします。1台のMRIスキャナーには、約1,700メートルのニオブ線が使われています。
ニオブを含む高強度低合金(HSLA)鋼は、世界中の重要なインフラに使用されています。Sydney Harbour Bridgeの改修では、強度を高めながら重量を減らすためにニオブ鋼が使われました。Burj Khalifaのような現代の超高層建築物には、従来の鋼鉄より30%強い、ニオブ強化鋼の梁が採用されています。
大陸横断の石油・ガスパイプラインでは、極端な圧力下でも腐食や亀裂に耐えるニオブ鋼管が使われています。Trans-Alaska Pipeline Systemには1,000トンを超えるニオブ鋼が使用されており、-40°Cから+80°Cまでの温度範囲で安定して稼働しています。
Formula 1のレーシングカーでは、鋼鉄製の代替品より40%軽量でありながら1,000°Cの温度に耐えるニオブ製排気システムが使われています。FerrariやMcLarenなどの高級車メーカーは、出力重量比を最大化するため、高性能エンジンにニオブ部品を組み込んでいます。
消費者の目には見えませんが、ニオブは数え切れないほどの日用品に含まれています。車のボディパネル、家電製品、さらにはスマートフォンの鋼鉄製フレームにも、ニオブが含まれている可能性があります。鋼鉄にわずか0.03%のニオブを加えるだけで強度が最大30%向上し、メーカーは性能を高めながら使用材料を減らせます。
ニオブは陽極酸化によって鮮やかな色を生み出す独特の性質があるため、宝飾品のデザイナーに人気があります。多くの金属とは異なり、ニオブは完全に低アレルギー性であり、敏感肌や金属アレルギーのある人に適しています。
いくつかの国では、色が変化する性質を持つニオブ製の記念硬貨が発行されています。オーストリアのニオブ硬貨は特に有名で、見る角度によって金属の中心部が銀色から青、緑、または金色に変化します。これらの硬貨は、世界中の収集家の間で高い価格で取引されています。
研究室では、高温実験のためにニオブ製るつぼや容器を使用します。ニオブは多くの酸に対して耐性があり、融点が高い(2,477°C)ため、材料科学の研究や化学分析に非常に役立ちます。
由来
20 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 73% of elements
ニオブは地球の地殻に意外なほど豊富に存在し、すべての元素の中で33番目に多く、平均濃度は20 ppmです。しかし、純金属として存在することはまれで、代わりに複雑な鉱物を形成しているため、高度な抽出技術が必要です。
ブラジルは世界のニオブ生産を支配しており、世界供給量の約85%を占めています。ミナスジェライス州のAraxá鉱山は世界最大のニオブ鉱床で、ニオブを含む鉱石を推定4億6,000万トン埋蔵しています。この1つの鉱山だけで、現在の消費率で500年以上にわたり世界の需要を供給できる可能性があります。
商業用ニオブの大部分は、カーボナタイト層に見られる複雑な酸化鉱物、パイロクロア [(Na,Ca)2Nb2O6(OH,F)] から得られます。これらの地質構造は、古代の火山活動によって地下深くに鉱物に富む鉱床が形成された1億3,000万年前にできました。
二次資源には、ニオブとタンタルが共存するコルンブ石・タンタル石鉱物があります。これらの鉱物は、カナダ、オーストラリア、アフリカの一部に広がるペグマタイト層で見つかります。コンゴ民主共和国では、タンタル採掘の副産物として相当量が生産されています。
ニオブは、質量の大きな恒星が最期に爆発する際、恒星内元素合成によって形成されます。太陽の8倍以上の質量を持つ恒星が寿命を迎えると、急速な中性子捕獲過程によってニオブを作り出します。この宇宙由来のニオブは、その後数十億年にわたって宇宙を移動し、新たな惑星系に取り込まれます。
鉄隕石の分析から、ニオブ濃度が地球の核と類似していることが分かり、地球のニオブ総量は45億年前の初期の隕石衝突期に運び込まれた可能性が示されています。まれな隕石の中には、地球上では自然に見つからないニオブに富む状態を含むものもあります。
リサイクルは、特に航空宇宙産業や鉄鋼産業のスクラップから、ますます重要なニオブ資源を供給しています。高度なリサイクル技術では、超合金廃棄物からニオブの95%を回収でき、採掘への依存を減らしながら、将来の世代のためにこの貴重な資源を保全できます。
取り扱い
ニオブは、人との接触や環境への曝露に対して最も安全な金属の1つと考えられています。多くの遷移金属とは異なり、純ニオブは優れた生体適合性を示し、通常の状況では健康リスクがほとんどありません。
医療用途: ニオブは非常に生体適合性が高いため、医療用インプラント、ペースメーカー電極、手術器具に使用されています。人体はニオブに対して有害反応を示さないため、長期的な埋め込みに適しています。
溶接と加工: 高温でニオブを扱う際は、酸化物ヒュームの吸入を防ぐため、十分な換気を確保してください。ニオブは切断や溶接の際に明るい火花を発生させることがあるため、適切な保護眼鏡を使用してください。
環境への影響は小さい: ニオブ化合物は水生生物への毒性が低く、食物連鎖で生物濃縮しません。ただし、生息地への影響を最小限に抑えるため、採掘事業では標準的な環境保全手順に従う必要があります。
ニオブ自体は環境リスクがほとんどありませんが、ニオブ含有材料をリサイクルすることで採掘の負担を減らし、この貴重な資源を保全できます。航空宇宙産業や鉄鋼産業のスクラップは、ニオブ回収のために適切に分別してください。
簡単な回答
ニオブ (symbol Nb) is element 41 on the periodic table, a 遷移金属 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.
[Kr] 4d⁴ 5s¹, giving 5 occupied shells holding 2, 8, 18, 12, 1 electrons respectively.ニオブ 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.
The standard atomic weight of ニオブ is 92.906 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
ニオブ has a density of 8.57 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of ニオブ is about 8.6× heavier.
ニオブ 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.
ニオブ was discovered in 1801 by Charles Hatchett. It is named after niobe, daughter of Tantalus.
ニオブ makes up about 20 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.