41 Nb ニオブ 92.906
遷移金属 d-block Period 5 Group 5

ニオブ

Nb · Element 41 · Vanadium group

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

20°Cでの状態 固体
原子量 92.906 u
ELECTRON CONFIGURATION [Kr] 4d⁴ 5s¹

構造

ニオブ原子

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。

軌道雲

測定値

性質一覧

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。

物理的

密度 8.57 g/cm³ 53%
融点 2750 K 95%
沸点 5017 K 94%
比熱 0.265 J/g·K
熱伝導率 53.7 W/m·K 67%

原子

原子半径 146 pm 38%
共有結合半径 164 pm
ファンデルワールス半径 207 pm

電子

電気陰性度 1.6 49%
イオン化エネルギー 652.2 kJ/mol 43%
電子親和力 85.9 kJ/mol 65%

存在

地殻中の存在度 20 mg/kg 73%

同定

元素記号Nb
原子番号41
原子量92.9064 u
分類遷移金属
ブロックd
結晶構造体心立方構造
酸化数-3, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5
発見年1801
発見者Charles Hatchett

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

How big is a ニオブ atom?

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

熱範囲

Solid, liquid, gas — and when

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

位置

表での位置

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

OTHER 遷移金属

All 遷移金属

物語

ニオブとは何か、そしてどのように発見されたか

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

The discovery of ニオブ

2つの名前の物語

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。

Charles Hatchett:最初の発見(1801年)

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。

Heinrich Roseと混乱(1844年)

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。

命名論争

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。

  • アメリカの科学者は、Hatchettの先取権を称えて「columbium」を主張しました
  • ヨーロッパの科学者は、Roseの神話に基づく命名法に従い「niobium」を支持しました
  • 論争は100年間続き、教科書や科学論文では国によって異なる名前が使われました

解決と承認

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。

Jean Charles Galissard de Marignacの貢献

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。

純金属の単離

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

ニオブの用途

航空宇宙工学の革新

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。

ロケット推進システム

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。

超伝導磁石

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。

医療用MRI技術

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。

インフラと建設

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。

パイプライン技術

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。

自動車技術の革新

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。

身近な鉄鋼製品

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。

キッチン用品と家庭用電化製品

  • ステンレス製調理器具: 高級な鍋やフライパンには、熱分布と耐久性を高めるニオブ強化鋼が使われています
  • 冷蔵庫と洗濯機: ニオブ鋼製部品は腐食に強く、家電製品の寿命を延ばします
  • カトラリー: プロの料理人向け包丁には、優れた切れ味の持続性を得るためニオブが含まれていることがあります

宝飾品と装飾芸術

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。

芸術的用途

  • 陽極酸化宝飾品: 染料やコーティングなしで虹色を生み出します
  • ボディピアス用宝飾品: 生体適合性があり、長期間の装着にも安全です
  • 彫刻芸術: 芸術家は制御された酸化によって色が変化する彫刻を制作します

収集用硬貨

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。

実験室設備

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

天然での存在

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

世界的な分布

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:ニオブ大国

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。

主な鉱物資源

パイロクロア:主要資源

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。

コルンブ石・タンタル石

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。

宇宙起源

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。

隕石による証拠

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。

代替資源

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

安全性

一般的な安全性

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。

生体適合性

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。

産業上の取り扱いに関する注意

粉末形態の危険性

  • 火災の危険: 微細なニオブ粉末は空気中で自然発火し、400°Cで燃焼することがあります
  • 呼吸用保護具: 粉末を扱う際は、吸入を防ぐためNIOSH認定の防じんマスクを使用してください
  • 静電気: 静電放電による着火を防ぐため、粉末を処理する際はすべての設備を接地してください

高温作業

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。

環境上の考慮事項

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。

リサイクルの重要性

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。

緊急時の手順

  • 皮膚に付着した場合: 石けんと水で洗ってください。ニオブ金属が皮膚刺激を引き起こすことはまれです
  • 眼に入った場合: 15分間きれいな水で洗い流してください。刺激が続く場合は医師の診察を受けてください
  • 吸入した場合: 新鮮な空気の場所へ移動してください。ニオブ金属粉じんは一般に無毒ですが、長時間の曝露は避けてください
  • 火災: 乾燥粉末消火剤、CO2、または砂を使用してください。ニオブ粉末の火災に水を決して使用しないでください

簡単な回答

ニオブ:よくある質問

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.

What is the electron configuration of ニオブ?

ニオブ'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 ニオブ?

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.

What is the atomic mass of ニオブ?

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.

How dense is ニオブ?

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.

What is the electronegativity of ニオブ?

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.

Who discovered ニオブ, and when?

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

How common is ニオブ on Earth?

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