Niobij

Niobij (latinski: ', ranije kolumbij) jeste hemijski element sa simbolom Nb (ranije Cb) i atomskim brojem 41. To je mehki prelazni metal, koji se često nalazi u mineralu pirohloru, najvažnijim komercijalnim izvorom niobija i kolumbitu. Ime je dobio po Tantalovoj kćerki Niobi, ličnosti iz grčke mitologije, zbog svoje sličnosti elementu tantalu.^[7]

Niobij,  ₄₁Nb

Niobij u periodnom sistemu
↓                                                                     ↓                                                             →                                                             →
Hemijski element, Simbol, Atomski broj	Niobij, Nb, 41
Serija	Prelazni metali
Grupa, Perioda, Blok	5, 5, d
Izgled	sivi metal
Zastupljenost	1,9 · 10−3[1] %
Atomske osobine
Atomska masa	92,90637(2)[2][3] u
Atomski radijus (izračunat)	145 (164) pm
Kovalentni radijus	137 pm
Van der Waalsov radijus	pm
Elektronska konfiguracija	[Kr] 5s14d4
Broj elektrona u energetskom nivou	2, 8, 18, 12, 1
1. energija ionizacije	652,1 kJ/mol
2. energija ionizacije	1380 kJ/mol
3. energija ionizacije	2416 kJ/mol
4. energija ionizacije	3700 kJ/mol
5. energija ionizacije	4877 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje	čvrsto
Mohsova skala tvrdoće	6
Kristalna struktura	kubna prostorno centrirana
Gustoća	8570[4] kg/m3 pri 293,15 K
Magnetizam	paramagnetičan (${\displaystyle \chi _{m}}$ = 2,3 · 10−4)[5]
Tačka topljenja	2750 K (2477 °C)
Tačka ključanja	5017[6] K (4744 °C)
Molarni volumen	10,83 · 10−6 m3/mol
Toplota isparavanja	694[6] kJ/mol
Toplota topljenja	26,8 kJ/mol
Pritisak pare	0,0755 Pa pri 2741 K
Brzina zvuka	3480 m/s pri 293,15 K
Specifična toplota	265 J/(kg · K)
Specifična električna provodljivost	6,58 · 106 S/m
Toplotna provodljivost	54 W/(m · K)
Hemijske osobine
Oksidacioni broj	2, 5
Elektrodni potencijal	−1,1 V (Nb3+ + 3e− → Nb)
Elektronegativnost	1,6 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR 91Nb sin 680 god ε 1,253 92Zr 92Nb sin 3,47 · 107 god ε 2,006 92Zr β- 0,356 92Mo 93Nb 100 % Stabilan 94Nb sin 20300 god β- 2,045 94Mo 95Nb sin 34,975 d β- 0,926 95Mo
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja F Lahko zapaljivo
Obavještenja o riziku i sigurnosti	R: 11 S: 43
Ako je moguće i u upotrebi, koriste se osnovne SI jedinice. Ako nije drugačije označeno, svi podaci dobijeni su mjerenjima u normalnim uvjetima.

Fizičke i hemijske osobine niobija su dosta slične kao i osobine elementa tantala, pa je relativno teško razlikovati ova dva metala. Engleski hemičar Charles Hatchett objavio je otkriće novog elementa sličnog tantalu 1801. i dao mu ime kolumbij. Njegov sunarodnjak, hemičar William Hyde Wollaston pogrešno je zaključio da su tantal i kolumbij jednaki. Međutim, Nijemac Heinrich Rose je 1846. zapazio da rude tantala sadrže neki drugi element kojem je dao ime niobij. Nekoliko naučnih otkrića tokom 1864. i 1865. pokazala su da su niobij i ranije pronađeni kolumbij isti element (i da se razlikuje od tantala), a gotovo cijeli vijek ta dva naziva su se koristila uporedo. Tek 1949. zvanično je usvojen naziv niobij, ali je naziv kolumbij i dalje ostao u korištenju u metalurgiji, naročito u SAD.

Sve do početka 20. vijeka niobij se nije mnogo komercijalno koristio. Brazil je vodeći proizvođač niobija i feroniobija, legure niobija i željeza sa udjelom niobija od 60% do 70%. Niobij se uglavnom upotrebljava u legurama, najveći dio u posebnim čelicima koji se koriste za pravljenje gasovoda. Iako te legure sadrže najviše 0,1% ovog elementa, tako malehni udio niobija povećava čvrstoću čelika. Temperaturna stabilnost superlegura sa niobijem važna je zbog njihove primjene u raketnim i mlaznim motorima. Ovaj metal se koristi u raznim superprovodnim materijalima. Takve superprovodne legure, koje još naprimjer sadrže titanij i kalaj, široko se upotrebljavaju kao superprovodni magneti u MRI skenerima. Druge aplikacije niobija uključuju zavarivanje, nuklearnu industriju, elektroniku, optiku, numizmatiku i nakit. U posljednje dvije aplikacije do posebnog izražaja dolazi njegova slaba otrovnost i sposobnost obojenja pri anodizaciji.

Historija

Niobij je 1801. otkrio Charles Hatchett. Otkrio ga je u uzorku rude kolumbita porijeklom iz riječnog korita u Massachusettsu, koji je u Englesku poslan oko 1743. godine. Hatchett je element nazvao kolumbij (prema Columbiji, personifikaciji Sjedinjenih Američkih Država). Do sredine 19. vijeka, pretpostavljalo se da se kod kolumbija i tantala (otkrivenog 1802.) radi o istom elementu, jer su se oni u mineralima gotovo uvijek javljali zajedno (u paragenezi).

Tek 1844. berlinski profesor Heinrich Rose dokazao je da su niobijeva i tantalova kiselina različite supstance. Neznajući za radove Hatchetts niti njegovo davanje imena kolumbiju, on je "ponovno" otkriveni element nazvao po kćerki mitološkog Tantala, Niobi, zbog sličnosti tog elementa sa tantalom.

Gotovo 100 godina trajala je polemika i diskusija o imenu ovog elementa, sve dok Međunarodna unija za čistu i primijenjenu hemiju (IUPAC) nije 1950. odlučila da se kao zvanično ime ovog elementa uzme niobij. Godine 1864. Christian Wilhelm Blomstrand je uspio dobiti metalni niobij pomoću redukcije niobij-hlorida sa vodikom pri visokoj temperaturi. Godine 1866. Charles Marignac potvrdio je da je tantal zaseban element. Werner von Bolton je 1907. dobio veoma čisti elementarni niobij redukcijom heptrafluoroniobata sa natrijem.^[8]

Osobine

Fizičke

Niobij je sjajni, sivi, duktilni, paramagnetični metal u 5. grupi periodnog sistema, iako ima netipičnu konfiguraciju svoje krajnje vanjske elektronske ljuske u odnosu na ostale članove te grupe. (Slično se može uočiti i u njegovom "komšiluku" kod rutenija (44), rodija (45) i paladija (46).)

Z	Element	Br. elektrona po ljusci
23	vanadij	2, 8, 11, 2
41	niobij	2, 8, 18, 12, 1
73	tantal	2, 8, 18, 32, 11, 2
105	dubnij	2, 8, 18, 32, 32, 11, 2 (pretpostavka)

Iako postoji mišljenje da on ima prostorno-centriranu kubičnu kristalnu strukturu u rasponu od T = 0 K do svoje tačke topljenja, mjerenja toplotnog širenja visoke rezolucije duž tri kristalografske ose otkrila su anizotrope koji nisu u skladu sa kubičnom strukturom.^[9] Stoga se za niobij mora razmatrati nova kristalna struktura.

Pri kriogenim temperaturama, ovaj metal postaje superprovodnik. Pri atmosferskom pritisku, on ima najvišu kritičnu temperaturu od svih elementarnih superprovodnika: 9,2 K.^[10] Niobij ima i najveću dubinu magnetnog prodiranja (penetracije) od svih elemenata.^[10] Osim toga, on je i jedan od tri elementarna superprovodnika tipa II, zajedno sa vanadijem i tehnecijem. Superprovodničke osobine dosta zavise od čistoće metalnog niobija.^[11] Kada je veoma čist, relativno je mehak i duktilan, dok ga nečistoće čine snažnijim.^[12]

Metal ima i vrlo malehan poprečni presjek hvatanja termalnih neutrona,^[13] pa se zbog toga koristi u nuklearnoj industriji.^[14]

Hemijske

Pločice od niobija

Kada se na duži period izloži zraku pri sobnoj temperaturi, metal poprima plavkaste nijanse.^[5] I pored visoke tačke topljenja u elementarnom obliku (2477 °C), niobij ima relativno nisku gustoću u odnosu na druge vatrostalne metale. Također, on je otporan na koroziju, pokazuje superprovodničke osobine i gradi dielektrične slojeve oksida.

Niobij je neznatno manje elektropozitivan i nešto kompaktniji od njegovog prethodnika u periodnom sistemu, cirkonija, dok je praktično isti po veličini u usporedbi sa težim atomima tantala, što se objašnjava kontrakcijom lantanoida.^[12] Kao rezultat toga, hemijske osobine ovog elementa su izuzetno slične tantalovim, koji se nalazi direktno ispod niobija u periodnom sistemu elemenata.^[15] Iako njegova otpornost na koroziju nije tako velika poput tantalove, niska cijena i lakša dostupnost niobija čine ga poželjnijim u manje zahtjevne svrhe i aplikacije poput oblaganja u hemijskim tvornicama.^[12]

Izotopi

Prirodni niobij sastoji se iz samo jednog stabilnog izotopa, ⁹³Nb.^[16] Do 2003. bila su poznata i sintetizirana najmanje 32 radioaktivna izotopa, sa atomskim masama u rasponu od 81 do 113. Među njima najstabilniji je izotop ⁹²Nb čije vrijeme poluraspada iznosi 34,7 miliona godina. Jedan od najnestabilnijih izotopa je ¹¹³Nb sa procijenjenim vremenom poluraspada od 30 milisekundi. Izotopi lakši od stabilnog ⁹³Nb imaju tendenciju da se raspadaju β⁺ raspadom, dok oni teži se pretežno raspadaju β⁻ raspadom, uz određene izuzetke. Izotopi ⁸¹Nb, ⁸²Nb i ⁸⁴Nb imaju sporedne puteve β⁺ raspada naknadnom emisijom protona, ⁹¹Nb se raspada zahvatom elektrona i emisijom pozitrona, dok se ⁹²Nb raspada i β⁺ i β⁻ raspadom.^[16]

Otkriveno je i opisano najmanje 25 nuklearnih izomera čije se atomske mase kreću u rasponu od 84 do 104. Unutar tog raspona samo ⁹⁶Nb, ¹⁰¹Nb i ¹⁰³Nb nemaju izomere. Najstabilniji među izomerima niobija je ^93mNb sa vremenom poluraspada od 16,13 godina. Najmanje stabilan izomer je ^84mNb koji ima vrijeme poluraspada od 103 ns. Svi izomeri niobija se raspadaju izomerskom tranzicijom ili beta raspadom osim ^92m1Nb koji ima sporedni lanac raspada elektronskim zahvatom.^[16]

Rasprostranjenost

Procjenjuje se da je niobij 34. hemijski element po rasprostranjenosti u Zemljinoj kori, uz procijenjeni prosječni udio od 19^[1] do 20 ppm.^[17] Međutim, postoje mišljenja da je njegova rasprostranjenost na Zemlji daleko veća, te da se nedostajući niobij možda nalazi u Zemljinom jezgru zbog njegove velike gustoće.^[18] Elementarni niobij se ne nalazi u prirodi, nego se može pronaći u mineralima u kombinaciji sa drugim elementima.^[12] Minerali koji sadrže niobij često sadrže i tantal. Neki od primjera su kolumbit (ferokolumbit; (Fe,Mn)(Nb,Ta)₂O₆) i kolumbit-tantalit (ili koltan; (Fe,Mn)(Ta,Nb)₂O₆).^[19] Niobij-tantalitni minerali se najčešće nalaze u obliku pratećih minerala u pegmatitnim intruzijama kao i u alkalnim intruzivnim stijenama. Manje zastupljeni su niobati kalcija, uranija, torija i rijetkih zemnih elemenata. Primjeri takvih niobata su pirohlor ((Na,Ca)₂Nb₂O₆(OH,F)) i euksenit ((Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)₂O₆). Takvi veliki depoziti niobija su pronađeni u prisustvu karbonatita (karbonatno-silikatnih vulkanskih stijena) te kao sastojak pirohlora.^[20]

Dva najveća depozita pirohlora pronađena su u Brazilu i Kanadi 1950tih, a obje države su i danas najveći proizvođači koncentrata minerala niobija.^[15] Najveći depoziti nalaze se unutar karbonatitnih intruzija u Araxá, brazilska država Minas Gerais čiji je vlasnik kompanija CBMM (Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração). Drugi depoziti nalaze se u državi Goiás a njihov vlasnik je kompanija Anglo American plc (preko svoje podružnice Mineração Catalão).^[21] Sveukupno ova dva brazilska rudnika proizvode oko 75% ukupne svjetske proizvodnje. Treći najveći proizvođač niobija je rudnik Niobec kod Saint-Honoréa, u blizini Chicoutimi, Québec, također zasnovan na karbonatitu. Njegov vlasnik je korporacija Iamgold, a njihova proizvodnja iznosi oko 7% ukupne svjetske ponude.^[21] Svjetske rezerve niobija se procjenjuju na oko 2,7 miliona tona, od čega na Brazil otpada 2,6 miliona tona.^[22]

Dobijanje

Proizvođači niobija od 2006 do 2015.

Nakon odvajanja od drugih minerala, dobija se smjesa oksida tantala Ta₂O₅ i niobija Nb₂O₅. Prvi korak u preradi jeste reakcija tih oksida sa fluorovodičnom kiselinom:^[19]

Ta₂O₅ + 14 HF → 2 H₂[TaF₇] + 5 H₂O

Nb₂O₅ + 10 HF → 2 H₂[NbOF₅] + 3 H₂O

Prvu metodu za izdvajanje niobija u industrijskom obimu razvio je Jean Charles Galissard de Marignac, iskorištavajući različite stepene rastvorljivosti kompleksa niobijevih i tantalovih fluorida, dikalij oksipentafluoroniobat-monohidrata (K₂[NbOF₅]·H₂O) i dikalij heptafluorotantalata (K₂[TaF₇]) u vodi. Noviji procesi koriste tečnu ekstrakciju fluorida iz vodenog rastvora pomoću organskih rastvarača poput cikloheksanona.^[19] Kompleksi niobijevi i tantalovi fluoridi se izdvajaju odvojeno od organskih rastvarača sa vodom te se, ili talože dodavanjem kalij-fluorida da bi se dobili kompleksi kalij-fluorida, ili se istalože pomoću amonijaka kao pentoksidi:^[8]

H₂[NbOF₅] + 2 KF → K₂[NbOF₅]↓ + 2 HF

Slijedi reakcija:

2 H₂[NbOF₅] + 10 NH₄OH → Nb₂O₅↓ + 10 NH₄F + 7 H₂O

Koristi se nekoliko metoda za redukciju do metalnog niobija. Elektroliza istopljene smjese K₂[NbOF₅] i natrij-hlorida je jedna od njih. Druga je redukcija fluorida sa natrijem. Pomoću ove metode može se dobiti niobij relativno visoke čistoće. U industrijskoj proizvodnji većeg obima koristi se redukcija Nb₂O₅ sa vodikom ili ugljikom.^[8] Taj proces uključuje aluminotermičku reakcija smjese željezo-oksida i niobij-oksida koji reagiraju sa aluminijem:

3 Nb₂O₅ + Fe₂O₃ + 12 Al → 6 Nb + 2 Fe + 6 Al₂O₃

Da bi se ubrzala reakcija, dodaje se malehna količina sredstva za oksidaciju poput natrij-nitrata. Kao proizvod dobijaju se aluminij-oksid i feroniobij, legura željeza i niobija koja se upotrebljava u proizvodnji čelika.^[23][24] Feroniobij sadrži između 60% i 70% niobija.^[21] Bez dodavanja željezo-oksida, za proizvodnju niobija koristi se aluminotermička reakcija. Da bi se dostigao stepen legure potreban za superprovodnike neophodna je dalja prerada i prečišćavanje. Dva najveća proizvođača niobija koriste metodu topljenja pomoću električnog luka u vakuumskom okruženju.^[25][26]

Upotreba

Reference

1. Harry H. Binder (1999). Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag. ISBN 3-7776-0736-3.
2. IUPAC, Standard Atomic Weights Revised v2 Arhivirano 8. 1. 2016. na Wayback Machine.
3. CIAAW, Standard Atomic Weights Revised 2013.
4. N. N. Greenwood, A. Earnshaw (1988). Chemie der Elemente (1 izd.). str. 1260. ISBN 3-527-26169-9.
5. Robert C. Weast, ured. (1990). CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton: CRC (Chemical Rubber Publishing Company). str. E-129 do E-145. ISBN 0-8493-0470-9., u navedenoj literaturi, vrijednosti su navedene u g/mol.
6. Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. u: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, str. 328–337, doi:10.1021/je1011086
7. Knapp, Brian. Francium to Polonium. Atlantic Europe Publishing Company, 2002, str. 40.
8. Holleman, Arnold F.; Wiberg, Egon; Wiberg, Nils (1985). "Niob". Lehrbuch der Anorganischen Chemie (jezik: njemački) (91–100 izd.). Walter de Gruyter. str. 1075–1079. ISBN 3-11-007511-3.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
9. Bollinger R. K.; White B. D.; Neumeier J. J. (2011). "Observation of a Martensitic Structural Distortion in V, Nb, and Ta". Physical Review Letters. American Physical Society. 107 (7): 075503. Bibcode:2011PhRvL.107g5503B. doi:10.1103/PhysRevLett.107.075503.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
10. M. Peiniger; Piel, H. (1985). "A Superconducting Nb₃Sn Coated Multicell Accelerating Cavity". Nuclear Science. 32 (5): 3610–3612. Bibcode:1985ITNS...32.3610P. doi:10.1109/TNS.1985.4334443.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
11. Hernane R. Salles Moura; Louremjo de Moura, Louremjo (2007). "Melting And Purification Of Niobium". AIP Conference Proceedings. American Institute of Physics (927): 165–178. ISSN 0094-243X. Arhivirano s originala, 3. 6. 2016. Pristupljeno 13. 9. 2020.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
12. Nowak, Izabela; Ziolek, Maria (1999). "Niobium Compounds: Preparation, Characterization, and Application in Heterogeneous Catalysis". Chemical Reviews. 99 (12): 3603–3624. doi:10.1021/cr9800208. PMID 11849031.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
13. Jahnke, L. P.; Frank, R. G.; Redden, T. K. (1960). "Columbium Alloys Today". Metal Progr. 77 (6): 69–74. OSTI 4183692.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
14. A. V. Nikulina (2003). "Zirconium-Niobium Alloys for Core Elements of Pressurized Water Reactors". Metal Science and Heat Treatment. 45 (7–8): 287–292. doi:10.1023/A:1027388503837.
15. C. K. Gupta; Suri, A. K. (1994). Extractive Metallurgy of Niobium. CRC Press. str. 1–16. ISBN 0-8493-6071-4.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
16. Audi Georges; Bersillon O.; Blachot J.; Wapstra A.H. (2003). "The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties". Nuclear Physics A. Atomic Mass Data Center. 729: 3–128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
17. Emsley John (2001). Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements, pogl. Niobium. Oxford, Engleska: Oxford University Press. str. 283–286. ISBN 0-19-850340-7.
18. Zh. Patel; Khul'ka K. (2001). "Niobium for Steelmaking". Metallurgist. 45 (11–12): 477–480. doi:10.1023/A:1014897029026.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
19. Soisson, Donald J.; McLafferty, J. J.; Pierret, James A. (1961). "Staff-Industry Collaborative Report: Tantalum and Niobium". Industrial and Engineering Chemistry. 53 (11): 861–868. doi:10.1021/ie50623a016.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
20. Gregory R. Lumpkin; Ewing, Rodney C. (1995). "Geochemical alteration of pyrochlore group minerals: Pyrochlore subgroup" (PDF). American Mineralogist. 80: 732–743.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
21. J Kouptsidis; Peters, F.; Proch, D.; Singer, W. "Niob für TESLA" (PDF) (jezik: njemački). Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY. Arhivirano s originala (PDF), 17. 12. 2008. Pristupljeno 15. 5. 2016.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
22. Mineral Commodity Summaries, 2009 godina, str.113
23. Tither, Geoffrey (2001). Minerals, Metals and Materials Society, Metals and Materials Society Minerals (ured.). "Progress in Niobium Markets and Technology 1981–2001" (PDF). Niobium Science & Technology: Proceedings of the International Symposium Niobium 2001 (Orlando, Florida, SAD). Niobium 2001 Ltd, 2002. ISBN 978-0-9712068-0-9. Arhivirano s originala 26. 3. 2009. Pristupljeno 16. 5. 2016.CS1 održavanje: više imena: editors list (link) CS1 održavanje: bot: nepoznat status originalnog URL-a (link)
24. Claude Dufresne; Goyette, Ghislain (2001). Minerals, Metals and Materials Society, Metals and Materials Society Minerals (ured.). "The Production of Ferroniobium at the Niobec mine 1981–2001" (PDF). Niobium Science & Technology: Proceedings of the International Symposium Niobium 2001 (Orlando, Florida, USA). Niobium 2001 Ltd, 2002. ISBN 978-0-9712068-0-9. Arhivirano s originala 26. 3. 2009. Pristupljeno 16. 5. 2016.CS1 održavanje: više imena: authors list (link) CS1 održavanje: bot: nepoznat status originalnog URL-a (link)
25. Anatoly Agulyansky (2004). The Chemistry of Tantalum and Niobium Fluoride Compounds. Elsevier. str. 1–11. ISBN 978-0-444-51604-6.
26. Alok Choudhury; Hengsberger, Eckart (1992). "Electron Beam Melting and Refining of Metals and Alloys". The Iron and Steel Institute of Japan International. 32 (5): 673–681. doi:10.2355/isijinternational.32.673.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)

Vanjski linkovi

• Niobij na stranici Periodic videos