41 Nb Niobium     Voorkomen Naam Wingebieden Ontdekking Bereiding vroeger Bereiding nu Toepassingen en toelichting Verdere toepassingen

VOORKOMEN 

2,0.10^-3 % van de aardkost (tot 16 km diepte) bestaat uit niobium; het is het 33^e element in rangorde van voorkomen.

De belangrijkste mineralen zijn:

Ook veel tantaalhoudende mineralen bevatten niobium, bijvoorbeeld stibiotantaliet  (SbTaO₄)  en tantaliet (Fe⁺²Ta₂O₆). 

NAAM

De naam is afgeleid van Niobe, de dochter van Tantalus (zie ook 73 - Tantaal). Deze naam werd gegeven omdat het eerder ontdekte tantaal achteraf uit twee elemen­ten bleek te bestaan. De naam niobium werd echter lange tijd niet algemeen gebruikt. In de Verenigde Staten van Ame­rika werd - met instemming van IUPAC, dat pas in 1950 niobium (Nb) als officiële naam vastlegde - lange tijd de naam columbi­um gebruikt (sym­bool: Cb), de naam die door de ontdekker van dit element was voorgesteld. Colum­bia is de naam van het district waar het mineraal werd gevonden en is tevens een benaming voor Amerika; deze naam is afkomstig van Columbus, de ontdekker van Amerika. 

Alhoewel niobium de officiële naam is, komt in diverse publicaties columbi­um nog steeds voor.

WINGEBIEDEN

De belangrijkste wingebieden liggen in Brazilië, Canada, Democratische Republiek Congo, Rusland, Australië, Maleisië, Thailand, Oe­ganda, Nigeria en Noorwegen. Pyrochloor levert 98 % van de grondstof voor de bereiding van niobium.

ONTDEKKING

Niobium werd in 1801 door C. Hatchett ontdekt in een mineraal afkomstig uit Massachusetts, dat zich al geruime tijd in het British Museum in Londen bevond en columbiet genoemd werd. Het element noemde hij columbium. Hatchett slaagde er in het oxide van niobium te isoleren. De bereiding van het metaal liet nog 85 jaar op zich wach­ten.

W. H. Wollaston concludeerde - naar later bleek - ten onrechte, dat het door A. Ekeberg ontdekte tantaal en columbium hetzelfde waren, waardoor de ontdekking en de naam niet werden geaccepteerd. Dit was voor Hatchett aanleiding terug te treden als hoogleraar. 

Het gevolg was dat beide elementen lange tijd werden verwisseld. In 1844 bevestigde onderzoek van H. Rose het gelijk van Hatchett. Hij stelde als naam voor het element echter niobium voor.

BEREIDING VROEGER

(Vrij onzuiver) niobium werd in 1866 door C.W. Blom­strand bereid door reductie van niobium(V)chloride met waterstof. In 1907 werd door W. von Bolton zuiver niobium bereid door reductie van kaliumfluorniobi­aat (K₂NbOF₅) met natrium.

BEREIDING NU

Niobium wordt verkregen als bijproduct bij de berei­ding van tantaal of tin. Ertsen die tantaal en niobium bevatten worden, na een aantal fysische bewerkingen, gesmolten met natrium- of kaliumhydroxide. Na verhitten ontstaat het penta­oxide van niobium en tantaal. Hieraan wordt een mengsel van waterstof- en kaliumfluoride toegevoegd, waarbij heptafluo­rotantalaat resp. -nio­baat (TaF₇^2- ; NbF₇^2-) ontstaat. Deze tantaal- en niobium­verbin­dingen worden gescheiden door middel van vloeistofextractie of gefracti­oneerde kristallisa­tie. Vervolgens wordt opnieuw het pentaoxide ge­vormd, dat tenslotte wordt geredu­ceerd met aluminium of natrium:

     

     3 Nb₂O₅  +  10 Al   →   6 Nb  +   5  Al₂O₃

 

In een ander proces worden de chloriden van niobium en tantaal met behulp van chloor uit het niobium- en tantaal­houdende materiaal verkregen. Na scheiding door destilla­tie worden deze chloriden omgezet in het oxide en worden ze bij 600 - 650 °C gereduceerd met waterstof. 

Zuiver niobium wordt verkregen door elektrolyse van com­plexe niobiumhalo­geenver­bindingen.

De wereldproductie bedraagt ongeveer 17.000 ton per jaar.

TOEPASSINGEN EN TOELICHTING

Snijgereedschap, pijpleiding

Niobium, toegevoegd aan staal, bevordert de sterkte en hardheid van het metaal. Het is geschikt voor allerlei toepassingen, waarbij hoge eisen gesteld worden aan hard­heid en voortdurende belasting van het materiaal (ook bij zeer hoge temperatuur en extreme kou). Onder andere snijge­reed­schap, pijpleidingen en onderdelen voor straal- en raketmotoren worden van deze legering gemaakt. De legering werd ook gebruikt in het Geminiproject, één van de ruimtevaart­program­ma's die werden opgezet om mensen op de maan te laten landen.

Voor pijpleidingen wordt niobiumstaal gebruikt. Voor hoogwaardige pijpleidingen wordt gebruik gemaakt van een legering van niobium en zirkonium. 

Supermagneet

Niobiumstaal en legeringen van niobium met zirkonium of tin worden vanwege de zeer goede magnetische eigenschappen ge­bruikt in supergeleiden­de magneten die worden toegepast in proefprojecten voor de opwekking van stroom met behulp van supergeleiding. De enige legering die momenteel in supergeleiders op industriële schaal gebruikt wordt, is Nb₃Ge, met een kritische temperatuur van 23° K.

Legeringen van niobium worden ook gebruikt in medische apparatuur voor N(uclear) M(agnetic) R(esonance) -afbeeldingen. Met deze methode is het mogelijk onderscheid te maken tussen weefsels die dezelfde doorschijnendheid hebben voor röntgenstraling en daardoor niet met behulp van de gewone scanner in beeld gebracht kunnen worden.  

 

Booglasstaaf

Legeringen van niobium met de in het periodiek systeem omringende elemen­ten: zirkonium, molybdeen, vanadium, chroom of wolfraam, zijn zeer hard, corrosiebestendig en bestand tegen zeer hoge temperatu­ren. Ze worden gebruikt als lasstaaf bij het booglassen. 

 

Implantaten 

Het lichaam verdraagt een legering van niobium en titaan goed. Het vertoont vrijwel geen verschijnselen van metaalallergie of afstoting. Het materiaal is bijzonder sterk en zeer corrosiebestendig. Het wordt daarom gebruikt voor diverse implantaten, bijvoorbeeld een breukpen: een verbindende plaat tussen twee stukken bot.  

VERDERE TOEPASSINGEN

Toepassingen als niet-ontleedbare stof (element) of als legering:

constructiemateriaal voor o.a. auto’s, hoogspanningsmasten, boorplatforms en bruggen (ferroniobium of niobiumstaal)

constructiemateriaal in de lucht- en ruimtevaart (Ti,Nb)

gasturbines (Fe,Cu,Ni,Nb)

nucleaire industrie: kernreactor, omhulsel van splijtstofstaven (Zr,Nb)

supergeleiding (Nb₃Sn en NbTi)

verbrandingskamer van straal- en raketmotoren (Nb,Hf,W,­Zr,Mo; W,Mo verhogen de sterk­te/hardheid bij lagere tempe­raturen, V,Hf bij hoge temperaturen. Een veel gebruikte legering bestaat uit 79 % niobium, 15 % wolfraam, 5 % molybdeen en 1 % zirkonium).

Toepassingen als ontleedbare stof (verbinding):

boor-, snij- en slijpgereedschap	NbC
condensatoren	Pb3MgNbO9
elektrodemateriaal	NbS2
glas met hoge brekingsindex voor optica, kopieerapparatuur en brillenglazen	Nb2O5
halfgeleiders	NbTi
	Nb3Sn
harden van metaal	NbB2
holografie	LiNbO3