Niobium: Element Eigenschaften und Verwendungen

Niob ist ein Übergangselement mit der Ordnungszahl 41 und einer Atommasse von 92,91. Es ist ein vielseitiges Element, das in der heutigen Industrie zu finden ist. Das Element wird wegen seines guten Verhältnisses zwischen Leistung und Gewicht, seiner hohen Korrosionsbeständigkeit und seiner einzigartigen supraleitenden Eigenschaften geschätzt. Aufgrund dieser Aspekte von Niob wird das Element in anspruchsvollen Fachgebieten eingesetzt, die von der Luftfahrt- und Automobiltechnik bis hin zur Elektronik und Biotechnologie reichen.

Geschichte und Entdeckungen

Niob hat eine sehr interessante Geschichte, die bis in die frühen 1800er Jahre zurückreicht. Jahrhunderts zurückreicht. 1801 identifizierte Charles Hatchett, ein englischer Chemiker, das Niob und nannte es vorübergehend Columbium in Anlehnung an Kolumbit und Christoph Kolumbus. Viele Jahre lang blieb unklar, um welches Element es sich handelte, da es dem Tantal, das ebenfalls ein Übergangsmetall ist, sehr ähnlich ist.

Heinrich Rose, einem deutschen Chemiker, gelang es schließlich 1864, es von Tantal zu isolieren, und 1864 bestätigte er, dass es ein eigenständiges Element ist. Schließlich entschied sich die IUPAC 1950 für die Umbenennung in Niobium, da es Ähnlichkeiten mit Niobe, der Göttin der Trauer in der griechischen Mythologie, aufweist, was auch seine eher traurige Geschichte widerspiegelt.

Chemische Eigenschaften

Die chemischen Eigenschaften von Niob sind weitgehend durch seine Fähigkeit gekennzeichnet, in zwei Oxidationsstufen zu existieren: +3 und +5. In der Oxidationsstufe +5, die am stabilsten und am weitesten verbreitet ist, bildet Niob jedoch Niobpentoxid.

Niobpentoxid (Nb₂O₅) hat zahlreiche Anwendungen bei der Herstellung von Keramiken, Gläsern und Kondensatoren. Bei einer Oxidationsstufe von +5 verbindet sich Niob leicht mit Sauerstoff zu Niobpentoxid, das für seine Korrosionsbeständigkeit und seine Fähigkeit, rauen chemischen Bedingungen zu widerstehen, bekannt ist. Die Tatsache, dass Niob eine sehr geringe Wasser- und Säure-/Laugenbeständigkeit aufweist, trägt ebenfalls zu seiner Stärke bei, wenn es rauen Bedingungen ausgesetzt ist. Niob ist sowohl gegen Säuren als auch gegen Laugen sehr widerstandsfähig, weshalb es selbst bei Temperaturen, bei denen andere Metalle rosten oder sich zersetzen würden, noch gut funktioniert. Aufgrund der hohen Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen ist es in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Elektronikindustrie sehr beliebt.

Physikalische Eigenschaften

Die physikalischen Eigenschaften von Niob erhöhen seinen Wert als industrielles Material noch weiter. Das Metall weist die folgenden Hauptmerkmale auf:

• Ordnungszahl: 41
• Atommasse: 92,91 g/mol
• Dichte: 8,57 g/cm³
• Schmelzpunkt: 2477°C
• Siedepunkt: 4744°C
• Elektrische Leitfähigkeit: Hoch
• Thermische Leitfähigkeit: Mäßig

Aufbereitungstechniken

Die Aufbereitung von Niob von einer Erzform zu einer verarbeitbaren Metallform erfordert verschiedene Schritte, beginnend damit, woher Niob üblicherweise stammt: entweder aus dem Pyrochlor- oder dem Columbit-Mineral, die beide hohe Konzentrationen an Nioboxid aufweisen - eigentlich genau die Verbindung, die wir schließlich extrahieren, um das Metall Niob zu erhalten:

1. Bergbau: Nioberze werden entweder im Tagebau oder im Untertagebau aufgespürt und abgebaut.
2. Zerkleinern und Mahlen: Das Mineral wird abgebaut und anschließend zerkleinert und zu einem feinen Pulver gemahlen.
3. Saure Auslaugung: Das Erzpulver wird mit Säure ausgelaugt, wobei das Konzentrat aus Niob und Metalloxid mit Hilfe von Flusssäure aufgelöst wird.
4. Lösungsmittelextraktion und Reduktion: Niob kann durch Lösungsmittelextraktion von verschiedenen Elementen getrennt werden, und schließlich wird Nb2O5 mit Wasserstoff oder Kohlenstoff reduziert, um reines Metallniob zu erhalten.

Anwendungen von Niobium

Niob weist eine Kombination aus hoher Festigkeit, Leichtigkeit, einem hohen Schmelzpunkt und Korrosionsbeständigkeit auf, Eigenschaften, die es in verschiedenen Bereichen wertvoll machen. Niob findet sich insbesondere in folgenden Bereichen:

1. Stahllegierungen und hochfeste Werkstoffe

Seine Hauptanwendung ist die Herstellung von hochfestem, niedrig legiertem Stahl. Geringe Mengen an Niob (etwa 0,01 % bis 0,1 %) führen zu einer stark verbesserten Zugfestigkeit, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit. Niob-Spezialstahl ist ein wichtiger Bestandteil in Branchen wie der Automobilindustrie und dem Bauwesen, wo robuste Materialien ohne zusätzliches Gewicht benötigt werden. Niobstahl wird in Rohren, Druckbehältern und in Automobilteilen verwendet, die eine hohe Festigkeit erfordern.

2. Supraleitend

Die Eigenschaft von Niob, bei sehr niedrigen Temperaturen supraleitend zu sein, bildet die Grundlage für innovative Technologien in MRT-Geräten und Teilchenbeschleunigern. Niob kann elektrische Ströme bei sehr niedrigen Temperaturen widerstandslos leiten; diese Eigenschaft ist für die Erzeugung des hochwirksamen Magnetfelds in MRT-Geräten unerlässlich.

Einfacher ausgedrückt: Wenn es um solche supraleitenden Geräte geht, entscheiden sich die Hersteller immer fürNbTi undNb3Sn.

3. Luft- und Raumfahrt und Hochtemperaturanwendungen

Mit seinem sehr hohen Schmelzpunkt und seinen hervorragenden hitzebeständigen Eigenschaften eignet sich Niob hervorragend für die anspruchsvollsten Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Es wird für die Herstellung von Turbinenschaufeln, Raketendüsen und verschiedenen wichtigen Komponenten von Düsentriebwerken und Raumfahrzeugen verwendet.

4. Elektronik und Kondensatoren

Die Hitzebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Niob gewährleisten seine Verwendung in elektronischen Bauteilen, insbesondere in Hochleistungskondensatoren. Die Eigenschaften von Niobkondensatoren gewährleisten eine stabile Umgebung in der Elektronik unter extremen Bedingungen. Niob kommt auch in der Dünnschichtelektronik bei der Herstellung von Halbleitern zum Einsatz.

5. Schmuck und Dekoration

Seine attraktive metallische Farbe und seine nicht anlaufenden Eigenschaften machen Niob für Schmuck und andere dekorative Artikel attraktiv. Darüber hinaus kann durch Eloxieren eine breite Palette von Farben erzeugt werden, was es ästhetisch attraktiv macht. Da es hypoallergen ist, wird Niob auch für Körperschmuck und andere Kontaktanwendungen verwendet.

Lesen Sie weiter: Was sind die Anwendungen von Niobium?

Fazit

Niob ist ein äußerst vielseitiges und wertvolles Metall mit einer breiten Palette industrieller Anwendungen, die von der Verbesserung der Leistung von Stahllegierungen bis hin zur Ermöglichung der Supraleitung in modernen Technologien wie MRT-Geräten reichen. Seine einzigartige Kombination aus Festigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit macht es in der Luft- und Raumfahrt, in der Elektronik und in medizinischen Anwendungen unverzichtbar.

Häufig gestellte Fragen

Wofür wird Niob hauptsächlich verwendet?
Niob wird vor allem in hochfesten Stahllegierungen, supraleitenden Magneten für MRT-Geräte und Teilchenbeschleuniger, Luft- und Raumfahrtkomponenten, Elektronik und Schmuck verwendet.

Wie wird Niobium gewonnen?
Niob wird aus Mineralien wie Pyrochlor und Kolumbit durch eine Kombination aus Abbau, Zerkleinerung, Säurelaugung und Lösungsmittelextraktion gewonnen.

Was macht Niob in Stahllegierungen einzigartig?
Niob verbessert die Zugfestigkeit, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit von Stahl und eignet sich daher ideal für Hochleistungsanwendungen in der Automobil- und Bauindustrie.

Welche Rolle spielt Niob in der Supraleitfähigkeit?
Niob wird in supraleitenden Magneten für MRT-Geräte und Teilchenbeschleuniger verwendet, da es bei sehr niedrigen Temperaturen Elektrizität ohne Widerstand leitet.

Kann man Niob in seiner reinen Form finden?
Nein, Niob kommt immer in Form von Verbindungen in Mineralien vor und muss extrahiert und reduziert werden, um das reine Metall zu erhalten.