Niób

Niób (niobium)
zirkónium ← niób → molybdén V ↑ Nb ↓ Ta 41 Periodická tabuľka 5. perióda, 5. skupina, blok d prechodné prvky, kovy
Vzhľad
sivý kov
Atómové vlastnosti
Atómová hmotnosť	92,90638 g·mol−1
Elektrónová konfigurácia	[Kr] 4d4 5s1
Atómový polomer	145 pm (vyp.: 198 pm)
Kovalentný polomer	137 pm
Kovový polomer	147 pm
Iónový polomer pre: Nb5+	69 pm
Chemické vlastnosti
Elektronegativita	1,6 (podľa Paulinga)
Ionizačná energia(e)	1: 652,1 kJ.mol−1 2: 1 380 kJ.mol−1 3: 2 416 kJ.mol−1
Oxidačné číslo(a)	II, III, IV, V
Št. potenciál (Nb3+/Nb)	−1,1 V
Fyzikálne vlastnosti (za norm. podmienok)
Skupenstvo	pevné
Hustota	8,57 kg·dm−3
Teplota topenia	2 750 K (2 476,85 °C)
Teplota varu	5 017 K (4 743,85 °C)
Sk. teplo topenia	689,9 kJ·mol−1
Sk. teplo varu	30 kJ·mol−1
Tepelná kapacita	24,60 J·mol−1·K−1
Tlak pary p(Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k pri T(K) 2 942 3 207 3 524 3 910 4 393 5 013
Iné
Kryštálová sústava	kubická priestorovo centrovaná
Magnetizmus	paramagnetický
Elektrický odpor	152 nΩ·m
Tep. vodivosť	53,7 W·m−1·K−1
Tep. rozťažnosť	7,3 µm·m−1·K−1
Rýchl. zvuku	3 480 m·s−1
Youngov modul	105 GPa
Pružnosť v šmyku	38 GPa
Objemová pružnosť	170 GPa
Poissonovo č.	0,40
Tvrdosť (Mohs)	6,0
Tvrdosť (Brinell)	736 MPa
Reg. číslo CAS	7440-03-1
Izotop(y) (vybrané)
Izotop Výskyt t1/2 Rr Er (MeV) Pr  91Nb synt. 6,8x102 r. ε 91Zr  92Nb synt. 10,15 d. ε γ - 0,934 92Zr  92Nb synt. 3,47x107 r. ε γ - 0,561 92Zr 93Nb 100 % stabilný s 52 neutrónmi  94Nb synt. 2,03x104 r. β- γ 0,471 0 702 94Mo  95Nb synt. 34,991 d. β- γ 0,159 0 765 95Mo
Commons ponúka multimediálny obsah na tému niób.
Chemický portál

Niób (lat. niobium) je chemický prvok v Periodickej tabuľke prvkov, ktorý má značku Nb a protónové číslo 41. Je to kujný kov sivej farby, chemicky veľmi podobný tantalu, spoločne s ktorým sa vyskytuje v prírode. Bol objavený anglickým chemikom Charlesom Hatchettom v roku 1801 a pomenovaný je podľa Nioby, dcéry kráľa Tantala.

Charles Hatchett objavil vo vzorke minerálu, zaslaného do Anglicka z Massachusetts ešte v roku 1734, nový prvok, ktorý pomenoval podľa Kolumbie columbium (a spolu s ním aj samotnú minerálnu vzorku ako columbit). Jeho objav sprevádzali pochybnosti už od začiatku - hlavným dôvodom bola chemická podobnosť nióbu s tantalom. William Wollaston v roku 1809 porovnával vlastnosti oxidov získaných z columbitu a tantalitu (minerálu z ktorého bol získaný tantal), no napriek odlišnej hustote ich považoval za chemicky identické, rovnako považoval za identické aj columbium a tantal.

V roku 1846 Nemec Heinrich Rose vyvrátil Wollastonove závery o zhode columbia a tantalu a prvky pomenoval podľa Tantalových detí Niobe a Pelopa - niób a pelopium. Neskoršie vedecké práce viedli k „objavu“ ďalších prvkov v spomínaných mineráloch - ilmeniu a dianiu.

Definitívu v rozdieloch medzi nióbom a tantalom (pelopiom) prieniesli práce švédskeho chémika a mineralóga Christiana Blomstranda a Francúza Henriho Sainte-Claire Devilla z roku 1864, ako aj práca švajčiarskeho profesora Jeana Galissard de Marignaca z roku 1966, ktorý dokázal, že v rudách tantalit a columbit sa nachádzajú len dva prvky. Napriek tomu sa však práce o ilmeniu vyskytovali až do roku 1871. Marignac taktiež pripravil aj čistý niób redukciou jeho chloridu vodíkom.

Názov columbium (značka Cb), originálne udelený Hatchettom, bol široko používaný v chemických vedeckých časopisoch a publikáciách v USA, kým v Európe sa používal názov niób. Toto dvojnázvie bolo odstránené až v roku 1949 na 15. chemickom kongrese v Amsterdame, keď bol pre 41. prvok periodickej sústavy prijatý názov niób a o rok neskôr bol prijatý aj IUPAC. Napriek tomu sa však v Spojených štátoch stále možno stretnúť s pomenovaním columbium (najmä v metalurgickom priemysle, alebo v geológii).

Niób je lesklý kov sivej farby, ktorý po dlhšom státí na vzduchu nadobúda modrastý odtieň. Má vysokú teplotu topenia 2 468 °C, ako aj teplotu varu 4 742 °C. Je to kujný a mäkký kov a v čistom stave je supravodivý (supravodivé vlastnosti rastú so zvyšovaním stupňa čistoty). Je schopný výrazného spevňovania a má vysokú medzu tečenia.

V prírode sa vyskytuje jediný stabilný izotop ⁹³Nb. Umelo bolo pripravených ďalších 32 izotopov s nukleónovými číslami od 81 do 113. Najstabilnejší z nich je ⁹²Nb, ktorého polčas rozpadu je 34,7 milióna rokov, najmenej stabilný je ¹¹³Nb s polčasom rozpadu 30 milisekúnd.

Niób je prechodný prvok, chemicky veľmi podobný tantalu (príčinou podobnosti je lantanoidová kontrakcia), ktorý sa nachádza v piatej skupine periodickej sústavy prvkov. Na valenčnej vrstve má päť elektrónov (5s¹ 4d⁴), v zlúčeninách sa vyskytuje v oxidačných stupňoch od -1 do +5, pričom +5 dominuje. Prevládajúcim typom väzby v zlúčeninách nióbu sú kovalentné väzby, iónový charakter sa zvyšuje s klesajúcim oxidačným číslom. Niób sa ľahko pasivuje, v kompaktnom stave je odolný voči korózii aj za tepla až do 400 °C. Je odolný voči pôsobeniu viacerých kyselín, pričom priamo naňho pôsobí len kyselina fluorovodíková. Je odolný proti niektorým roztaveným kovom (lítium, sodík, draslík).

Za normálnej teploty reaguje niób priamo iba s fluórom, za zvýšenej teploty aj s chlórom, vodíkom (200 °C) a dusíkom (400 °C), pričom vytvára zlúčeniny nestechmetrického zloženia. So vzdušným kyslíkom reaguje pri teplote nad 200 °C.

Z oxidov nióbu sú známe oxid niobičný (Nb₂O₅), oxid niobičitý (NbO₂), oxid niobitý (Nb₂O₃) a oxid niobnatý (NbO). Najbežnejší je oxid niobičný, ktorý je častou východiskovou látkou pre iné zlúčeniny nióbu. Oxid niobičitý vzniká redukciou oxidu niobičného vodíkom, horčík redukuje Nb₂O₅ až na oxid niobitý.

Nb₂O₅ + H₂ → 2 NbO₂ + H₂O

Nb₂O₅ + 2 Mg → Nb₂O₃ + 2 MgO

Oxid niobičný má kyselinotvorné vlastnosti. Jeho tavením s hydroxidom sodným vzniká niobičnan trisodný Nb₃NbO₄.

Halogenidy nióbu sú známe v oxidačných stupňoch +3 až +5, pričom najstabilnejšie sú opäť v oxidačnom stupni +5. V plynnom stave sú chlorid niobičný, fluorid niobičnýa bromid niobičný monoméry, v tuhom stave tvoria diméry Nb₂X₁₀. S vodou hydrolyzujú za vzniku oxid-trihalogenidov, prípadne dioxid-halogenidov:

NbCl₅ + H₂O → NbOCl₃ + 2 HCl

Halogenidy niobičité NbX₄ sa dajú pripraviť reakciou príslušného halogenidu niobičného (NbX₅) s nióbom pri zvšenej teplote:

4 NbCl₅ + Nb → 5 NbCl₄

Z ostatných zlúčenín nióbu stoja za zmienku aj nestechometrický karbid nióbu, ktorý je mimoriadne tvrdý, nitrid niobitý (NbN), používaný ako detektor infračerveného žiarenia, ako aj intermetalické zlúčeniny a zliatiny s germániom, cínom a titánom, používané ako supravodiče.

Niób sa v prírode nevyskytuje ako čistý kov, vždy iba v zlúčeninách. Medzi najznámejšie patri columbit (Mg,Fe,Mn)(Nb,Ta)₂O₆, tantalit (Fe,Mn)(Ta,Nb)₂O₆, pyrochlór (Ca,Na)₂(Nb₂O₆(OH,F) a euxenit (Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)₂O₆. Celkový odhad nióbu v zemskej kôre je 20 ppm, v celom zemskom telese je jeho obsah vyší (niób sa vyskytuje vďaka väčšej hustote aj v jadre).

Najväčším producentom nióbu je Brazília, potom Kanada. Ťažiteľné zásoby rúd nióbu má aj Nigéria, Rusko a Konžská demokratická republika. Ročná ťažba v roku 2005 bola 30 700 ton, celkové zásoby rúd nióbu sa podľa USGS odhadujú na 4 400 000 ton.

Hlavným problémom získavania nióbu je jeho oddelenie od tantalu, s ktorým sa vyskytuje vo väčšine zlúčenín. Prvý spôsob priemyselnej prípravy nióbu vynašiel už de Marignac a je založený na rozdielnej rozpustnosti komplexných draselných fluoridov oboch prvkov. Po odstránení prímesí z rudy vzniká zmes oxidov Nb₂O₅ a Ta₂O₅. Tie reagujú s kyselinou fluorovodíkovou za vzniku komplexných fluoridov:

Ta₂O₅ + 14 HF → 2 H₂[TaF₇] + 5 H₂O

Nb₂O₅ + 10 HF → 2 H₂[NbOF₅] + 3 H₂O

Zmenou oproti de Marignacovmu postupu je extrakcia medziproduktov organickým rozpúšťadlom (najčastejšie cyklohexanónom) a následné zrážanie vo vodnom prostredí fluoridom draselným za vzniku nerozpustného oxopentafluoroniobátu didraselného (K₂[NbOF₅]), prípadne amoniakom za vzniku oxidu niobičného.

H₂[NbOF₅] + 2 KF → K₂[NbOF₅]↓ + 2 HF

2 H₂[NbOF₅] + 10 NH₄OH → Nb₂O₅↓ + 10 NH₄F + 3 H₂O

Získaný oxid niobičný je redukovaný aluminotermickou reakciou s hliníkom a oxidom železitým podľa rovnice:

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

čím vzniká zliatina železa a nióbu (feroniób), používaný v hutníctve pri výrobe ocele. Technicky čistý niób sa získava redukciou oxidu niobičného uhlíkom alebo vodíkom, pre výrobu polovodičov, kde je potrebná vysoká čistota, sa používa elektrolýza taveniny K₂[NbOF₅] s prídavkom chloridu sodného.

Najviac nióbu (približne 90 % celkovej produkcie) sa spotrebuje v hutníctve a práškovej metalurgii. Používa sa na produkciu ocelí so špecifickými mechanickými vlastnosťami (nástrojové a zliatinové ocele), tepelne odolných žiarupevných zliatin s inými kovmi a spekaných materiálov. Tieto produkty sa uplatňujú v tepelných zariadeniach (napríklad dýzy reaktívnych motorov, plynové turbíny a pod.), kozmickom priemysle (zliatiny nióbu boli použité napr. v programoch Gemini a Apollo) a v jadrovom priemysle. Niób sa tiež používa ako lacnejšia náhrada za tantal v chemickom priemysle (na výrobu rôznych nádob a reaktorov).

Pri nízkych teplotách sa niób stáva supravodivým, pričom jeho kritická teplota je najvyššia spomedzi prírodných supravodičov (9,2 K). Zliatiny nióbu s cínom, príp. nióbu s titánom sa používajú ako vinutia v supravodivých magnetoch, generujúcich silné magnetické polia.

Z iných priemyselných odvetví sa dá spomenúť výroba mincí (hlavne pamätných), kde sa vyskytuje v zliatinách so zlatom a/alebo striebrom, výroba šperkov (body-piercing), v medicíne (RTG lampy).

Zo zlúčenín nióbu má využitie chlorid niobičný v organickej syntéze ako Lewisova kyselina, niobičnan lítny na výrobu zariadení produkujúcich akustické vlny, oxid niobičný pri výrobe skiel s vysokým indexom lomu a ako možná náhrada tantalu v kondenzátoroch a karbid nióbu ako mimoriadne tvrdý materiál na výrobu sekacích nástrojov.

Zliatiny nióbu s inými zriedkavými kovmi (napr. volfrámom, molybdénom, zirkónom, hafniom) sú veľmi pevné aj pri vysokej teplote. Preto sa z jeho zliatiny s volfrámom sa vyrábajú termočlánky na meranie teploty do 2000 °C.^[1]

• Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Niobium na anglickej Wikipédii.

1. ↑ FABINI, Ján; ŠTEPLOVÁ, Dagmar. Anorganická chémia pre stredné priemyselné školy nechemické. 2. vyd. Bratislava : Slovenské pedagogické nakladateľstvo, 1972. Kapitola 17, s. 274.

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému niób
• Wikislovník ponúka heslo niób

• GAŽO, J., a kol. Všeobecná a anorganická chémia. Bratislava : Alfa, 1981.
• MACEK, Karel; ZUNA, Petr; ZILVAR, Václav. Náuka o materiáli 3 pre 4. ročník SPŠ strojníckych. Bratislava : Alfa, 1989.