Niób

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.
História.
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).
Vlastnosti.
Fyzikálne vlastnosti.
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.
Izotopy.
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.
Chemické vlastnosti.
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).
Zlúčeniny.
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.
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:
Halogenidy niobičité NbX4 sa dajú pripraviť reakciou príslušného halogenidu niobičného (NbX5) s nióbom pri zvšenej teplote:
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.
Výskyt v prírode.
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.
Priemyselná výroba.
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:
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.
Získaný oxid niobičný je redukovaný aluminotermickou reakciou s hliníkom a oxidom železitým podľa rovnice:
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.
Použitie.
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.