Niob

český názevNiob
latinský názevNiobium
anglický názevNiobium
chemická značkaNb
protonové číslo41
relativní atomová hmotnost92,90638
perioda5
skupinaV.B
zařazenípřechodné kovy
rok objevu1801
objevitelC. Hatchett
teplota tání [°C]2468
teplota varu [°C]4742
hustota [g cm-3]8,57
elektronegativita1,6
oxidační stavyII, III, IV, V
elektronová konfigurace[Kr]4d4 5s1
atomový poloměr [pm]198
kovalentní poloměr [pm]137
specifické teplo [J g-1K-1]0,26
slučovací teplo [kJ mol-1]26,4
tepelná vodivost [W m-1 K-1]54
elektrická vodivost [S m-1]6,7.106
1. ionizační potenciál [eV]6,7589
2. ionizační potenciál [eV]14,32
3. ionizační potenciál [eV]25,04
tvrdost podle Mohse6
tvrdost podle Vickerse [MPa]1320
tvrdost podle Brinella [MPa]736
modul pružnosti ve smyku [GPa]38
modul pružnosti v tahu [GPa]105
bod supravodivosti [K]9,25
skupenství za norm. podmíneks

Chemické vlastnosti a reakce

Chemický prvek niob je šedý, středně tvrdý kov. Niob nereaguje s alkalickými hydroxidy ani s minerálními kyselinami. Reaguje pouze pomalu s kyselinou flourovodíkovou, produktem reakce niobu s HF je komplexní kyselina heptafluoroniobičná a vodík:

2Nb + 14HF → 2H2[NbF7] + 5H2

Reakce niobu se směsí koncentrovaných kyselin flurovodíkové a dusičné probíhá za vzniku komplexní kyseliny hexafluoroniobičné:

3Nb + 18HF + 5HNO3 → 3H[NbF6] + 5NO + 10H2O

Práškový niob reaguje s roztoky alkalických hydroxidů:

2Nb + 2NaOH + 4H2O → 2(NaNb)O3 + 5H2

Za teplot nad 500°C reaguje s taveninami alkalických hydroxidů za vzniku alkalických niobičnanů:

4Nb + 12NaOH + 5O2 → 4Na3NbO4 + 6H2O

Korozi vzdušným kyslíkem podléhá teprve při teplotě nad 500°C. Za normální teploty se přímo slučuje pouze s fluorem, za vyšších teplot reaguje s chlorem, sírou a selenem. Ve sloučeninách vystupuje niob nejčastěji jako pětimocný. Sloučeniny niobu v dalších oxidačních stavech nejsou příliš rozšířené, obvykle se jedná pouze o chloridy a oxidy.

Ze všech známých prvků má niob nejvyšší bod supravodivosti - 9,25 K, niob je supravodič II. typu. Jemně rozptýlený práškový niob je explozivní a pyroforní.

V elementární formě niob poprvé připravil švédský chemik a mineralog Christian Wilhelm Blomstrand v roce 1864 redukcí chloridu vodíkem.

Výskyt niobu v přírodě

V přírodě se niob nalézá v různých nerostech, vždy současně s tantalem, v malé míře doprovází některé cínové rudy. Průměrný obsah niobu v zemské kůře je 17 ppm.

Přírodní niob je ze 100 % tvořen stabilním izotopem 93Nb, uměle bylo připraveno dalších 27 nestabilních izotopů s hmotnostními čísly 88 až 110.

Nejdůležitějšími minerály niobu jsou tantalit (Mg,Fe)(Ta,Nb)2O6, kolumbit Fe2+Nb2O6 a fergusonit (Ce,La,Nd,Y)NbO4, ale rozhodující význam pro průmyslovou těžbu má dnes brazilský pyrochlor (Ca,Na)2Nb2O6(OH,F). Nejvyšší obsah niobu (56,69 % Nb) má lueshit (natroniobit) NaNbO3. Celkem bylo popsáno více než 200 nerostů s obsahem niobu.

Těžba a zásoby

Největším světovým producentem niobu je Brazílie, v roce 2012 zde bylo vytěženo 63 kt čistého kovu, druhým největším producentem niobu je Kanada s roční produkcí 5 kt, ostatní státy světa produkují dohromady pouhých 600 t niobu ročně. Celosvětové zásoby niobu se odhadují na 3 Mt, z toho na Brazílii připadá 2,9 Mt.

Zásoby niobu v ČR dosahují hodnoty 3800 t, největší množství niobu na našem území se nalézá v uranonosných pískovcích Strážského bloku české křídové pánve, niob se nachází společně s molybdenem v lokalitě Hůrky u Rakovníka, získatelné množství se také nalézá v koncentrátech wolframových a cínových rud z ložiska Cínovec-jih.

Výroba niobu

Průmyslová výroba niobu z tantalitu se provádí společně s výrobou tantalu. Na rudný koncentrát se působí horkou směsí kyseliny fluorovodíkové a sírové, niob a tantal přecházejí do roztoku jako komplexní fluoridy H2[NbOF5] a H2[TaF7] . Separace obou kovů se provádí frakční krystalizací (de Marignacův proces) nebo častěji selektivní extrakcí cyklohexanolem nebo metylizobutylketonem. Z rozpouštědel se ve vodném prostředí niob vysráží přídavkem fluoridu draselného jako nerozpustný oxopentafluoroniobát draselný K2[NbOF5].

Stále větší význam dnes získává o mnoho jednodušší výroba niobu z pyrochloru, při které není nutná složitá separace tantalu. Po rozpuštění v kyselině fluorovodíkové se z roztoku niob vyloučí působením vodného roztoku amoniaku jako nerozpustný oxid niobičný. Pyrochlor se také zpracovává Krollovou metodou, tj. chlorací, při které niob přechází na chlorid niobičný s jeho následnou redukcí pomocí hořčíku. V minulosti se menší množství niobu získávalo také ze strusky po výrobě cínu z některých druhů asijských cínových rud.

Čistý kovový niob se získává tavnou elektrolýzou směsi K2[NbOF5] a NaCl, redukcí oxidu niobičného sodíkem nebo redukcí chloridu niobičného hořčíkem:

Nb2O5 + 10Na → 2Nb + 5Na2O
2NbCl5 + 5Mg → 2Nb + 5MgCl2

Mezi další způsoby výroby kovového niobu patří redukce oxidu niobičného uhlíkem, která se provádí při teplotě 1600-1800°C v indukční nebo odporové elektrické peci. Pracuje se za vysokého vakua. Vstupní surovinou jsou pelety vyrobené slisováním stechiometrického množství oxidu niobičného a sazí. Jako pojivo se používá obvykle cukr nebo kafr. Nejprve probíhá reakce:

Nb2O5 + 7C → 2NbC + 5CO

Po vychlazení se pelety s obsahem karbidu rozemelou na prášek, po smísení s dalším podílem oxidu se opět peletují. Ve vysokofrekvenční elektrické peci při teplotě 2100°C a ve vakuu probíhá reakce:

Nb2O5 + 5NbC → 7Nb + 5CO

Práškový niob se vyrábí redukcí oxidu niobičného kovovým hořčíkem, redukcí heptafluoroniobičnanu draselného K2NbF7 sodíkem, technický niob pro legování ocelí (feroniobium) se vyrábí aluminotermickou redukcí směsi oxidu niobičného a oxidu železitého:

Nb2O5 + 5Mg → 2Nb + 5MgO
K2NbF7 + 5Na → Nb + 5NaF + 2KF
3Nb2O5 + Fe2O3 + 12Al → 6Nb + 2Fe + 6Al2O3

Praktické využití

Niob je důležitou feritotvornou přísadou do legovaných ocelí, díky své afinitě k uhlíku zabraňuje vzniku karbidů chromu v oceli a tím omezuje tvorbu mezikrystalické koroze. Niobové nerezavějící oceli s 0,5 - 1 % Nb jsou žáruvzdorné a korozivzdorné a zhotovují se z nich lopatky plynových turbín a proudových motorů. Z ocelí s obsahem 1 až 4 % Nb se vyrábí tvrdé břity obráběcích nástrojů. Niob je hlavní složkou slitin po výrobu kardiostimulátorů, kostních implantátů, nebo kontejnerů na radioaktivní odpad a pro výrobu chladících potrubí po jaderné reaktory chlazené kapalným sodíkem nebo draslíkem. Mezi nejexotičtější aplikace niobu patří jeho využití ke konstrukci supravodivé komory urychlovače částic v Thomas Jefferson National Accelerator Facility, který slouží ke studiu struktury kvarků.

Niob a jeho sloučeniny nachází uplatnění zejména ve sklářství. V malém množství se ve formě oxidu niobičného Nb2O5 přidává ke sklovině při výrobě některých druhů optického skla. Fluorid niobičný NbF5 slouží jako katalyzátor rozkladu kovových hydridů, využívaných k usklaňování vodíku, velice tvrdý karbid niobu NbC se používá k výrobě řezných nástrojů. Nitrid niobitý NbN slouží k výrobě detektorů fotonů a infračerveného záření. Některé slitiny a sloučeniny niobu se používají k výrobě supravodivých materiálů. Mezi supravodiče patří např. slitiny niobu s titanem nebo zirkoniem. Ze sloučenin mají supravodivé vlastnosti např. Nb3Sn, Nb3Al a Nb3Ge.

Ve starší anglické literatuře se pro niob používal název columbium a chemická značka Cb. Název niob byl IUPAC definitivně shválen až v roce 1950.

Zdroje

zirkonium ← niob → molybden

TOPlist