Willkommener zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
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Podcasts reihen wie Wissensreise durch die Uhrzeit oder
Wissensreise durch die Länder der Erde heute begeben wir uns
auf eine Reise zu einem Element, das die meisten Menschen
vermutlich noch nie bewusst wahrgenommen haben und.
Das aber in einigen der faszinierendsten Technologien
unserer Zeit eine Schlüsselrolle spielt.
Es steckt in den supraleitenden Magneten, die in
Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider am CERN
die Geheimnisse der Materie entschlüsseln.
Es findet sich in den Magnetresonanztomographen, die
in Krankenhäusern Leben retten, es macht moderne Stahlsorten
leichter und gleichzeitig fester und es trägt seit Jahrhunderten
einen Namen, der einer Figur aus der griechischen Mythologie
entstammt. Niob mit dem chemischen Symbol
NB und der Ordnungszahl 41 lass uns gemeinsam in die Welt dieses
faszinierenden Übergangsmetalls eintauchen, das wie kaum ein
anderes Element für die Brücke zwischen Grundlagenforschung und
Hochtechnologie steht. Niob steht im Periodensystem in
der fünften Periode und in der fünften Gruppe gemeinsam mit
Vanadium, Tantal und dem künstlich erzeugten Dupnium.
Diese Gruppe der Vanadiumgruppe vereint Elemente, die als
Übergangsmetalle bezeichnet werden und besondere chemische
und physikalische Eigenschaften aufweisen.
Mit der Ordnungszahl 41 besitzt ein niob Atom 41 Protonen im
Atomkern. Umgeben von 41 Elektronen in
komplex aufgebauten Schalen. Die Elektronenkonfiguration
lautet in der Kurzschreibweise Krypton plus 4 d hoch 4 und 5 s
hoch 1, was eine Besonderheit darstellt, denn entgegen der
einfachen Aufbauregel wird die 4 d Schale bevorzugt vor der
vollständigen Besetzung der 5 s Schale gefüllt.
Dieses Verhalten teilt Niob mit einigen anderen
Übergangsmetallen. Und es erklärt teilweise die
vielfältigen Oxidationsstufen, in denen das Element auftreten
kann. Die Atommasse von Niob beträgt
rund 92,906 atomare Masseneinheiten und in der Natur
kommt es nahezu ausschließlich als das stabile Isotop Niob 93
vor. Damit zählt Niob zu den
sogenannten monoisotopischen Elementen, von denen es im
Periodensystem nur etwa 2 Dutzend gibt.
Reines Niob ist ein silbrig graues, stark glänzendes Metall
mit einem leichten bläulichen Schimmer, der sich nach längerer
Lagerung an der Luft durch eine dünne Oxidschicht ergibt.
Es ist erstaunlich weich und duktil, lässt sich also gut
schmieden, Walzen und zu feinsten Drähten ziehen.
Trotz dieser mechanischen Geschmeidigkeit ist Niob
außerordentlich hitzebeständig, sein Schmelzpunkt liegt bei rund
2477 geht Grad Celsius. Sein Siedepunkt bei etwa 4744 g
Grad Celsius. Damit gehört Niob zur exklusiven
Gruppe der Hochschmelzenden Metalle, der sogenannten
Refraktärmetalle, zu der auch Wolfram, Tantal, Molybdän und
Rhenium zählen. Die Dichte beträgt rund 8,57
Gramm pro Kubikzentimeter, was Niob zu einem vergleichsweise
leichten Vertreter dieser Gruppe macht.
Tantal etwa, sein direkter Nachbar im Periodensystem, ist
mit 16,65 Gramm pro Kubikzentimeter fast doppelt so
schwer. Eine der bemerkenswertesten
Eigenschaften von Niob ist seine Korrosionsbeständigkeit, bei
Raumtemperatur bildet das Metall an Luft eine dünne, aber äußerst
stabile Oxidschicht aus Niopentoxid, die das darunter
liegende Material vor weiterer Oxidation schützt.
Diese Passivierung macht Niob gegenüber den meisten Säuren
widerstandsfähig. Einschließlich konzentrierter
Salzsäure, Schwefelsäure und Salpetersäure bei
Raumtemperatur. Lediglich heiße, konzentrierte
Säuren, Flusssäure und Mischungen aus Flusssäure und
Salpetersäure können das Metall angreifen, auch gegenüber
geschmolzenen Alkalien zeigt sich Niob empfindlich bei
höheren Temperaturen oberhalb von etwa 200 Grad Celsius
beginnt das Metall jedoch in trockener Luft zu oxidieren.
Weshalb es bei Hochtemperaturanwendungen unter
Schutzgas oder im Vakuum verarbeitet werden muss.
Doch die wohl spektakulärste Eigenschaft von Niob ist seine
Supraleitfähigkeit unterhalb einer kritischen Temperatur von
9,25 Kelvin, das entspricht etwa -263,9 Grad Celsius, verliert
reines Niob jeglichen elektrischen Widerstand, damit
besitzt es die höchste Sprungtemperatur.
Aller reinen elementaren Supraleiter.
Diese Eigenschaft, die im Jahr 1930 entdeckt wurde, hat
weitreichende technologische Konsequenzen, auf die wir später
noch ausführlich zurückkommen werden.
Werfen wir nun einen Blick auf die Geschichte der Entdeckung
dieses Elements, denn sie ist geprägt von Verwechslungen,
wissenschaftlichen Kontroversen und einer poetischen
Namensgebung. Die Geschichte beginnt im Jahr
1734, als der schwedische Gelehrte Jonas Jerne.
Ein eigenartiges schwarzes Mineral aus dem damals
englischen Massachusetts beschrieb erst 1801, jedoch
gelang dem britischen Chemiker Charles Hatchett am British
Museum in London ein wissenschaftlicher Durchbruch.
Er untersuchte ein Mineral namens Columbit, das
ursprünglich als Schenkung des ersten Gouverneurs von
Connecticut, John Windsrop, dem Jüngeren schon im 17.
Jahrhundert nach England gelangt war.
In diesem schwarzen, schweren Erz entdeckte Hatchett ein neues
Element, das er zu Ehren der Heimat des Minerals Columbium
nannte, abgeleitet von Columbia, dem damaligen poetischen Namen
für Amerika. Doch die Geschichte nahm eine
komplizierte Wendung im Jahr 1802 entdeckte der schwedische
Chemiker Anders Gustav Eckeberg ein weiteres Element, das er
Tantal nannte, in Anlehnung an den mythologischen König
Tantalos. Weil das Element auch in Säuren
so widerwillig reagierte, als könne es sich nicht satt
trinken. In den folgenden Jahrzehnten
herrschte große Verwirrung darüber, ob Kolumbium und Tantal
vielleicht ein und dasselbe Element seien, denn ihre
chemischen Eigenschaften ähnelten sich frappierend, erst
1844 brachte der deutsche Chemiker Heinrich Rose Klarheit.
Er untersuchte verschiedene Tantal Mineralien aus Bayern und
konnte zeigen, dass es sich um 2 verschiedene Elemente handelte.
Da er die enge Verwandtschaft zu Tantal erkannte, taufte er das
eine Element niobium nach Niobe, der Tochter des Tantalos in der
griechischen Mythologie. Diese poetische Verbindung passt
perfekt, denn so wie Niobe, die Tochter des Tantalos ist, steht
Niob im Periodensystem direkt über Tantal.
Die endgültige Beweisführung, dass Niob und Tantal tatsächlich
2 verschiedene Elemente darstellen, gelang dem Schweizer
Chemiker Jean Charles Gallisar de Marine Jacques im Jahr 1866
er entwickelte ein Trennverfahren auf Basis der
unterschiedlichen Löslichkeit der Fluoridkomplexe beider
Elemente in Flusssäure. Reines metallisches Niob wurde
erstmals 1864 vom schwedischen Chemiker.
Christian Wilhelm Blomstrand durch Reduktion von Niobchlorid
mit Wasserstoff in einer erhitzten Atmosphäre
dargestellt. Nun stellt sich die Frage nach
dem Namen, heißt das Element nun Niob oder Kolumbium?
Tatsächlich war diese Frage über mehr als ein Jahrhundert hinweg
umstritten. Während in Europa schnell der
Name Niob beziehungsweise Niobium üblich wurde, hielt sich
in den Vereinigten Staaten und in der angloamerikanischen
Metallurgie hartnäckig der ursprüngliche Name Kolumbium.
Erst 1949, also fast 150 Jahre nach der Erstentdeckung, einigte
sich die Internationale Union für reine und angewandte Chemie,
kurz Ayupaque, offiziell auf den Namen Niobium als verbindliche
Bezeichnung. In manchen amerikanischen
Veröffentlichungen, insbesondere im Bereich der Metalogie, taucht
das alte Synonym Kolumbium gelegentlich noch heute
aufwenden wir uns nun dem Vorkommen von Niob in der Natur
zu. Mit einem Anteil von etwa 20
Milligramm pro Kilogramm in der kontinentalen Erdkruste ist Niob
ein relativ seltenes Element, etwa so häufig wie Stickstoff
und deutlich seltener als beispielsweise Kupfer oder Zink.
In reiner Form kommt Niob in der Natur nicht vor, sondern stets
gebunden in Mineralien. Die wichtigsten Niob Minerale
sind Colombit und Pyrochlor. Colombit hat die chemische
Zusammensetzung, Eisen, Mangan, Niob, Tantaloxid und bildet eine
lückenlose Mischreihe mit dem Tantal Mineral Tantalit
Pyrochlor ist ein komplexes Calcium, Natrium, Niob Oxid.
Das oft auch seltene Erden Uran und Thorium in seinem
Kristallgitter beherbergt etwa 90% der weltweiten
Neoproduktion, stammen aus einem einzigen Land Brasilien.
Dort, in der Region um die Stadt Araxa im Bundesstaat Minas
Gerais, befindet sich die größte bekannte pyrochlor Lagerstätte
der Welt, sie wird von der Compagna Brasilera de Metalurgia
e Minerassao ausgebeutet. Einem Unternehmen, das den
globalen Niob Markt dominiert. Weitere bedeutende Vorkommen
finden sich in Kanada, insbesondere in der Provinz
Quebec sowie in geringerem Umfang in Russland, Nigeria,
Ruanda und der Demokratischen Republik Kongo.
In Europa sind die Vorkommen wirtschaftlich kaum bedeutsam,
weshalb die Europäische Union Niob als kritischen Rohstoff
einstuft, dessen Versorgungssicherheit
strategisch beobachtet werden muss.
Die Gewinnung von Niob aus Pyrochlor erfolgt in mehreren
Schritten. Zunächst wird das Erz
Aufkonzentriert, dann durch Alkalisches aufschließen oder
mittels Säurelaugung in lösliche Verbindungen überführt, in einem
zentralen Trennschritt werden Niob und Tantal voneinander
separiert, wobei das klassische Verfahren auf der
unterschiedlichen Löslichkeit ihrer Fluoridkomplexe in
organischen Lösungsmitteln beruht.
Heute kommen modernere Verfahren wie die Solventextraktion mit
Methylisobutylketon zum Einsatz. Aus dem gereinigten Niopentoxid
wird das Metall schließlich durch aluminothermische
Reduktion oder durch Elektronenstrahlschmelzen
gewonnen, für höchste Reinheitsanforderungen, etwa für
supraleitende Anwendungen, wird das Metall zusätzlich durch
Zonenschmelzen im Hochvakuum gereinigt, auch.
Ein Verfahren, bei dem eine schmale Zone des Metalls langsam
durch einen Stab geführt wird und Verunreinigungen mitnimmt.
Kommen wir nun zu den Anwendungen, denn hier offenbart
Niob seine wahre technologische Bedeutung, den mit Abstand
größten Verwendungszweck stellt die Stahlveredelung dar, bereits
geringe Zugaben von Niob in der Größenordnung von 0,01 bis 0,1
Gewichtsprozent verändern die Eigenschaften von Stahl
dramatisch. Niob bildet im Stahl feine
Karbid und Nitritausscheidungen, die das Kornwachstum während der
Wärmebehandlung hemmen und zu einem feinkörnigen Gefüge
führen. Diese sogenannten Mikrolegierten
oder hsla Stähle, was für High Strength Low Aloy steht,
vereinen hohe Festigkeit mit guter Schweißbarkeit und
Zähigkeit, sie kommen heute in Pipelines für Erdgas und Erdöl
zum Einsatz in. Im Karosseriebau moderner
Automobile, im Schiffsbau, im Brückenbau und in Hochhäusern.
Ein modernes Auto enthält zwischen 30 und 60 Gramm Niob,
das in den hochfesten Stahlblechen der Karosserie für
mehr Sicherheit bei gleichzeitig geringerem Gewicht und damit
niedrigerem Kraftstoffverbrauch sorgt.
Eine weitere bedeutende Anwendungsklasse sind
Superlegierungen, diese hochkomplexen metallischen
Werkstoffe auf Nickel oder Kobaltbasis.
Enthalten Niobe als wichtigen Legierungsbestandteil und finden
Verwendung in den Turbinenschaufeln moderner
Strahltriebwerke und stationärer Gasturbinen.
Hier müssen die Werkstoffe Temperaturen von über 1000 Grad
Celsius bei gleichzeitig hoher mechanischer Belastung
standhalten. Und Niob trägt durch die Bildung
verfestigender Phasen wie Gamma Doppelstrich entscheidend zur
Hochtemperaturfestigkeit bei. Die berühmte Inconel 718
Legierung, die in fast jedem modernen Düsentriebwerk
vorkommt, enthält etwa 5 gewichtsprozent Niob, doch nun
zur faszinierendsten Anwendung, die diesem Element auch unseren
heutigen Untertitel beschert. Die Supraleitung reines Niob,
wurde 1930. Von dem deutschen Physiker
Walter Meißner als Supraleiter identifiziert mit einer
kritischen Temperatur von 9,25 Kelvin, ist es zwar nicht
spektakulär hoch, aber unter den reinen Elementen einsame Spitze.
Noch interessanter werden bestimmte Niobe Verbindungen,
die intermetallische Verbindung Niob Titan mit etwa 47
Gewichtsprozent Titan ist heute der mit Abstand wichtigste
technische Supraleiter weltweit. Sie wird unterhalb von etwa 9,5
Kelvin Supraleitend und kann in Magnetfeldern von bis zu rund 14
Tesla noch supraleitende Eigenschaften aufrechterhalten.
Aus diesem Werkstoff bestehen die supraleitenden Drähte in den
meisten Magnetresonanztomographen, die
in Krankenhäusern weltweit zur medizinischen Bildgebung
eingesetzt werden. Ein typischer klinischer MRT mit
1,5 oder 3 Tesla Feldstärke enthält mehrere Kilometer Niobe
Titandraht, der auf etwa 4 Kelvin durch flüssiges Helium
gekühlt wird. Eine noch leistungsfähigere
Verbindung ist niop Zinn, genauer niop 13, eine
intermetallische Phase mit der a 15 Kristallstruktur.
Sie wird unterhalb von etwa 18,3 Kelvin Supraleitend und behält
ihre supraleitenden Eigenschaften bis zu
Magnetfeldern von rund 30. Tesla Niobe 13 kommt zum
Einsatz, wenn extrem hohe Magnetfelder benötigt werden,
etwa in der Kernspinresonanzspektroskopie
für die chemische Strukturaufklärung, in den
Beschleunigermagneten der nächsten Generation und ganz
besonders im internationalen Fusionsreaktor Iter.
Der derzeit im südfranzösischen Cadarache gebaut wird.
Die zentralen Solinoid und Thoroidalfeldmagnete von Iter
bestehen aus Nio, B 3 Zinn Drähten und werden Magnetfelder
von über 13 Tesla erzeugen, um das 100000000 Grad heiße Plasma
einzuschließen, in dem die Kernfusion ablaufen soll, auch
im Large Hadron Collider am CERN bei Genf, dem größten
Teilchenbeschleuniger der Welt, spielt Niob eine zentrale Rolle.
Die fast 1 700 supraleitenden Dipolmagnete, die die
Teilchenstrahlen auf ihrer 27 Kilometer langen Kreisbahn
führen, basieren auf Niob Titan Technologie.
Sie werden mit suprafluidem Helium auf 1,9 Kelvin gekühlt
und erzeugen Felder von 8,3 Tesla ohne Niob wäre die
Entdeckung des Higgs Bosons im Jahr 2012 eine der bedeutendsten
Errungenschaften der modernen Physik.
Schlichtweg nicht möglich gewesen.
Eine weitere hochinteressante Anwendung ist die Hochfrequenz
Supraleitung, reines Niob mit höchster Reinheit wird zur
Herstellung sogenannter SRF Resonatoren verwendet, das steht
für Super Conducting Radio Frequency.
Diese hohlen, präzise geformten Strukturen aus Polykristallinem
oder einkristallinem Niob. Werden in Linearbeschleunigern
eingesetzt, etwa im European X Ray Free Electron Laser, kurz
European XFEL in Hamburg Schenefeld und in Bruckhafen am
Long Island. In diesen Resonatoren werden
geladene Teilchen durch hochfrequente elektromagnetische
Wellen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit
beschleunigt. Und nur die nahezu verlustfreien
supraleitenden Eigenschaften des Niob ermöglichen die Erzeugung
der dafür notwendigen Feldstärken bei vertretbarem
Energieaufwand. Doch Niob hat noch weitere,
weniger bekannte Anwendungsbereiche in der
Numismatic wird das Metall für Sammlermünzen verwendet,
Österreich, Lettland und Luxemburg haben in den
vergangenen Jahren Münzen herausgegeben, die einen
farbigen Niob Einsatz besitzen. Diese Farbeffekte entstehen
durch Interferenz Effekte an einer dünnen und.
Elektrochemisch erzeugten Oxidschicht je nach Schichtdicke
ergeben sich blau, grün, gelb und violett.
Töne, ohne dass dabei Farbpigmente verwendet würden.
Die Farben sind ausschließlich Strukturbedingt und damit
dauerhaft beständig, in der Medizintechnik findet Niob
aufgrund seiner ausgezeichneten biokompatibilität Verwendung,
das Metall wird vom menschlichen Körper nicht abgestoßen und löst
keine allergischen Reaktionen aus.
Es kommt in Implantaten, Knochenschrauben,
Herzschrittmacher, Gehäusen und in der Dentaltechnik zum
Einsatz. Auch Piercings und hochwertiger
Schmuck werden gelegentlich aus Niob gefertigt.
In der chemischen Industrie dient Niob Pentoxid als
Katalysator, etwa bei der Herstellung optischer Gläser mit
hohem Brechungsindex. Lithiumniobat ist ein optisch
nicht linearer Kristall, der in der Lasertechnik, in
Elektrooptischen Modulatoren und in der frequenzverdoppelung
Anwendung findet. Auch in der Glaskeramik, in
piezoelektrischen Bauteilen und in die elektrischen
Kondensatoren spielt Niob eine wichtige Rolle.
Die chemischen Eigenschaften von Niob sind ebenfalls
bemerkenswert vielfältig, das Element kann in Oxidationsstufen
von -1 bis plus 5 Vorkommen, wobei die Stufe plus 5 bei
weitem die stabilste ist. Niobpentoxid mit der
Summenformel NB 2 o 5 ist die wichtigste binäre
Sauerstoffverbindung und. Und ein farbloses, in Wasser
unlösliches Pulver. Niopentachlorid NB CL 5 ist ein
gelber Feststoff, der bei der chemischen Industrie als
Ausgangsstoff für viele andere Niob Verbindungen dient.
In niedrigeren Oxidationsstufen bildet Niob oft
clusterverbindungen mit charakteristischen Octaedrischen
Metallatomanordnungen, ein Forschungsgebiet, das die Chemie
der Metallmetallbindungen aufklären half.
Werfen wir abschließend einen Blick auf einige wirtschaftliche
und strategische Aspekte. Der globale Niob Markt hatte im
Jahr 2024 ein Volumen von etwa 3 Milliarden US Dollar bei einer
Jahresproduktion von rund 80000 Tonnen Niob gerechnet als
Metalläquivalent die starke Konzentration der Förderung auf
Brasilien macht das Element geopolitisch sensibel.
Die Europäische Union, die Vereinigten Staaten und Japan
haben Niob in ihre Listen kritischer Rohstoffe aufgenommen
und arbeiten an Strategien zur Diversifizierung der
Lieferketten und zum Aufbau von Recyclingkapazitäten.
Letzteres ist allerdings schwierig, da Niob in Stählen
meist in so geringen Konzentrationen vorliegt, dass
eine wirtschaftliche Rückgewinnung kaum möglich ist.
Lediglich in Superlegierungen und in supraleitenden
Komponenten werden nennenswerte Recyclinganstrengungen
unternommen. Niob ist Toxikologisch
weitgehend unbedenklich. Das Metall selbst und seine
Oxide gelten als ungiftig und nicht karzinogen, was die breite
Verwendung in der Medizintechnik erst ermöglicht.
Lediglich bei einigen halogenid Verbindungen ist Vorsicht
geboten, da diese Hydrolyseempfindlich sind und
reizende Säuredämpfe freisetzen können.
In der Forschung wird Niob auch in jüngerer Zeit immer wieder
neu entdeckt. So untersuchen
Materialwissenschaftler innen weltweit Niob, Haltige
Hochentropielegierungen, in denen 5 oder mehr Elemente in
nahezu äquimolaren Verhältnissen kombiniert werden, um neue
Eigenschaftskombinationen zu erschließen.
In der Quantencomputerforschung dienen Niob basierte
Schaltkreise als Plattform für sogenannte Josephson Junctions,
die Grundbausteine vieler Supraleitender Qbits.
Unternehmen wie EBM, Google und Rigetti Computing setzen auf Nio
B in ihren Quantenprozessoren. Denn die Kombination aus hoher
Kohärenzzeit, technologischer Reife und kryogener
Verfügbarkeit ist nach wie vor unübertroffen.
Wenn wir all diese Aspekte zusammenfassen, dann zeigt sich
Niob als ein Element von stiller Größe.
Es steht nicht im Rampenlicht wie Gold oder Silber, es prägt
nicht das Alltagsleben so unmittelbar wie Eisen oder
Aluminium. Doch es ist auf seine Weise
unverzichtbar geworden für die fortschrittlichsten Technologien
unserer Zivilisation, vom mikrolegierten Stahl in der
Fahrzeugkarosserie über den supraleitenden Magneten im
Krankenhaus bis hin zum Kernfusionsexperiment, dass die
Energieversorgung der Zukunft revolutionieren könnte, zieht
sich eine Spur dieses unscheinbaren grauen Metalls.
Durch unsere moderne Welt. Vielen Dank, dass du dir Zeit
genommen hast für diese Folge der Wissensreise durch das
Periodensystem der Elemente bis zum nächsten Mal.
Wenn wir uns gemeinsam einem weiteren faszinierenden Element
auf unserer Reise durch die Welt der Atome zuwenden.