ニオブとは何ですか?
ニオブ(記号Nb)は周期表の元素41で、5周期、5族の遷移金属です。 地球上のすべてのMRI磁石で電流を流す超伝導金属です。 室温では固体です。
構造
リング上の点の図ではありません — 占有されている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元素全体の中でどの位置にあるかを示しています。
出典:IUPAC 2021標準原子量・CRC化学・物理学ハンドブック・NIST。~が付いた値は測定値ではなく予測値です。
大きさ、実寸比
半径146 pmです。これは0.146 nmなので、約3.42百万個を横に並べると1ミリメートルになります。
熱範囲
ニオブは、2750 Kから5017 Kまでの2267 Kの範囲で液体です。
物語
地球上のすべてのMRI磁石で電流を流す超伝導金属です。
ニオブの発見の歴史は、科学的な対立、国際政治、そして100年以上続いた頑固な命名論争に彩られています。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世紀に入っても論争の的でした。
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年間研究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は私設の実験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、鉱物の産地をたたえ、アメリカの詩的な名称であるColumbiaにちなんで、新しい元素を「columbium」と名付けました。この発見により、Royal Societyは1801年、Hatchettに権威ある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見つけたのです。Roseは、これがHatchettが数十年前に発見した元素と同じものだと気づきました。
Roseは、ギリシャ神話のTantalusの娘Niobeにちなんで、元素の名前を「niobium」に変更しました。タンタル(Tantalusにちなんで命名)と非常に密接に関係する元素であるため、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年になってからでした。International Union of Pure and Applied Chemistry(IUPAC)が「niobium」を標準名として正式に採用したのです。ただし、アメリカの冶金学者は商業上の目的で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、ニオブとタンタルの分離に成功し、両者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繰り返し分別結晶化する作業が含まれており、並外れた忍耐と技術を必要としました。
初めて純粋なニオブ金属が製造されたのは1925年で、ドイツの化学者Werner von Boltonが電気アーク炉を使ってニオブ酸化物を還元しました。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年の歴史を経て、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1,000°Cを超える温度で構造的完全性を維持しながら作動します。Boeing 787 DreamlinerとAirbus A350は、軽量でありながら非常に強い機体に、ニオブとチタンの合金を大幅に利用しています。
NASAとSpaceXは、打ち上げ時に発生する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、再使用性の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ています。
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利用しています。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ています。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、従来の鋼材より30%強いニオブ強化鋼の梁が組み込まれています。
大陸を横断する石油・ガスパイプラインには、極端な圧力下で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のレーシングカーは、1,000°Cの温度に耐えながら、鋼製の代替品より40%軽いニオブ製排気システムを使用しています。FerrariやMcLarenのような高級車メーカーは、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。
消費者には見えにくいものですが、ニオブは数え切れないほどの日用品に含まれています。自動車のボディパネル、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する材料を減らせます。
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、ジュエリーデザイナーの間で人気があります。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、敏感肌の人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コインを発行しています。オーストリアのニオブコインは特に有名で、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。これらのコインは、世界中の収集家の間で高値で取引されています。
研究所では、高温実験のためにニオブ製るつぼや容器を使用します。ニオブはほとんどの酸に耐性があり、融点が2,477°Cと高いため、材料科学の研究や化学分析に欠かせません。
起源
地殻に20 mg/kg存在し、73%の元素より存在度が高い
ニオブは地球の地殻に意外なほど豊富に存在し、全元素の中で33番目に多く、平均濃度は20ppmです。しかし、純粋な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するため、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、世界の供給量の約85%を占めています。ミナスジェライス州にあるAraxá鉱山は世界最大のニオブ鉱床で、推定4億6,000万トンのニオブ含有鉱石を有しています。この1つの鉱山だけで、現在の消費率なら500年以上にわたって世界の需要を供給できます。
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、1億3,000万年前に古代の火山活動が地下深くに鉱物に富む鉱床を形成したときにできました。
二次的な資源には、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、恒星が最期に爆発する際に、質量の大きな恒星内の恒星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、高速中性子捕獲過程によってニオブを生成します。この宇宙由来のニオブは、その後何十億年もの間宇宙を移動し、新しい惑星系に取り込まれます。
鉄隕石の分析から、地球の核に似た濃度のニオブが明らかになっており、地球のニオブの蓄積は45億年前の初期の爆撃期に運び込まれたことが示唆されています。一部の希少な隕石には、地球上で自然には見られないニオブに富む状態が含まれています。
特に航空宇宙産業や鉄鋼業のスクラップからのリサイクルは、ますます重要なニオブ資源になっています。高度なリサイクル技術では、超合金廃棄物から95%のニオブを回収でき、採掘への依存を減らしながら、この貴重な資源を将来の世代のために保全できます。
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、純粋なニオブは優れた生体適合性を示し、通常の状況では健康上の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、ペースメーカーの電極、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、長期の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ときは、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。切断や溶接の際にニオブが明るい火花を生じることがあるため、適切な目の保護具を使用してください。
環境への影響は最小限: 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、生息地の破壊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。
ニオブ自体が環境に及ぼすリスクは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への圧力を減らし、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(記号Nb)は周期表の元素41で、5周期、5族の遷移金属です。 地球上のすべてのMRI磁石で電流を流す超伝導金属です。 室温では固体です。
[Kr] 4d⁴ 5s¹で、2, 8, 18, 12, 1という分布の電子殻が5個あります。ニオブの融点は2750 K(2476.9 °C)、沸点は5017 K(4743.9 °C)です。 そのため、最も融点の高い元素の一つに分類されます。ほとんどの金属が気化する温度でも固体のままです。
ニオブの標準原子量は92.906 uです。これは天然に存在する同位体の加重平均であるため、整数になることはほとんどありません。
ニオブの密度は8.57 g/cm³です。水は1.0 g/cm³なので、ニオブの塊は約8.6倍重いです。
ニオブのポーリング電気陰性度は1.6です。この尺度は、電子を最も引きつけにくいフランシウムの0.70から、最も引きつけやすいフッ素の3.98までです。 この中間の範囲の値では、強いイオン結合よりも共有結合を形成する傾向があります。
ニオブは1801年にCharles Hatchettによって発見されました。 tantalusの娘、Niobeにちなんで名付けられました。
地球の地殻におけるニオブの割合は約20 mg/kgで、珍しいものの希少ではありません。