Niobium

Niobium on alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Nb ja järjestysluku 41. Niobium on harvinainen, pehmeä, harmaa ja sitkeä siirtymämetalli. Nimi niobium on annettu kreikkalaisen tarukuningatar Nioben mukaan. Niobium tunnetaan  myös nimillä niobi ja kolumbium.

Niobium löydettiin jo 1800-luvun alussa, mutta kaupalliseen käyttöön se tuli vasta 1900-luvun alussa. Brasilia on johtava niobiumin tuottaja. Niobiumia käytetään lähinnä seosmetallina erikoisteräksissä, joita käytetään esimerkiksi kaasuputkissa. Vaikka seokset sisältävät niobiumia enintään 0,1 prosenttia, sillä on jo merkittävä vaikutus teräksen lujuuteen.

Hyvän lämmönkestävyytensä ansiosta niobiumia sisältäviä seoksia käytetään esimerkiksi suihkumoottoreissa ja rakettimoottoreissa. Niobiumia käytetään myös usein suprajohtavissa materiaaleissa. Muita sovelluksia niobiumille ovat muun muassa ydinvoimateollisuus, elektroniikka, optiikka ja koruteollisuus.

Historia  
Englantilainen kemisti Charles Hatchett löysi niobiumin vuonna 1801. Hän löysi uuden alkuaineen mineraalinäytteestä, joka oli lähetetty Englantiin Connecticutista jo 1600-luvulla. Hatchett nimesi uuden alkuaineen kolumbiumiksi. Hatchettin löytämä aine oli luultavasti sekoitus jo aiemmin löydettyä tantaalia ja uutta ainetta. 

Tästä syntyi sekaannus, sillä kolumbiumia (niobiumia) oli vaikea erottaa sitä suuresti muistuttavasta tantaalista. Vuonna 1809 englantilainen kemisti William Hyde Wollaston tutki aineita ja päätyi siihen, että kyseessä on sama aine, joten hän säilytti nimen tantaali. Vuonna 1846 saksalainen kemisti Heinrich Rose väitti, että tantaalinäytteessä oli kahta eri alkuainetta, joille hän antoi kreikkalaisen mytologian Tantaloksen tyttärien mukaan nimet niobium ja pelopium. Nämä hänen väittämänsä alkuaineet osoittautuivat myöhemmin kuitenkin niobiumin ja tantaalin seoksiksi. Sekaannukset johtuivat siitä, että erot tantaalin ja niobiumin välillä olivat niin pienet. Vuosina 1864–1866 kemistit Christian Wilhelm Blomstrand, Henri Étienne Sainte-Claire Deville, Louis J. Troost sekä Jean Charles Galissard de Marignac osoittivat yksiselitteisesti erot tantaalin ja niobiumin välillä.

Vaikka de Marignac kykeni tuottamaan niobiumia laajemmassa mittakaavassa jo vuonna 1866, niin vasta 1900-luvun alussa niobiumia alettiin käyttää kaupallisesti. Ensimmäisiä sovelluksia oli hehkulampun hehkulanka. Siihen sitä ei kuitenkaan käytetty kauan, sillä niobium korvattiin pian volframilla, koska sillä on korkeampi sulamispiste.

Vuonna 1920 tehtiin havainto, että niobium parantaa teräksen vahvuutta. Siitä lähtien se on ollut niobiumin pääkäyttökohde. Vuonna 1961 yhdysvaltalainen fyysikko Eugene Kunzler ja hänen työtoverinsa Bell Labsissa havaitsivat, että niobium-titaani-seokset ovat hyviä suprajohteita.  Siksi niobiumia alettiin käyttää erilaisissa sähkömagneettisissa sovelluksissa.

Amerikassa niobiumista käytettiin nimeä kolumbium aina 1940-luvun loppuun asti, kun taas Euroopassa käytettiin nimeä niobium. Vuonna 1949 kiista saatiin päätökseen Amsterdamissa kemianliiton konferenssissa.

Ominaisuudet  
Niobium on kiiltävä, harmaa, sitkeä, paramagneettinen metalli, joka kuuluu jaksollisen järjestelmän ryhmään 5. Metalli saa itselleen sinertävän sävyn joutuessaan kosketuksiin ilman kanssa huoneenlämmössä. Korkeasta sulamispisteestä huolimatta (2 468 °C) niobiumin tiheys on melko pieni verrattuna muihin tulenkestäviin metalleihin. 

Niobium on korroosionkestävä, ja sillä on hyvät suprajohtavuusominaisuudet. Nämä ominaisuudet, erityisesti suprajohtavuus, ovat voimakkaasti riippuvaisia aineen puhtaudesta. Yleisimmin käytetyt niobiumin suprajohtavat lejeeringit, kuten niobium-titaani, ovat erityisen tunnettuja siitä kuinka korkeaa magneettikenttää ne kestävät ennen kuin niiden suprajohtava tila lakoaa.

Kun niobium on hyvin puhdasta, se on melko pehmeää ja sitkeää, kun taas epäpuhtaudet tekevät siitä kovempaa. Koveneminen vaikeuttaa metallin käyttöä sovelluksissa, joissa esiintyy mekaanista stressiä ja värinää, kuten juuri suprajohtavissa magneeteissa. Niinpä niobiumin puhtaus asettaa tällaisissa sovelluksissa tiukempia kustannusrajoitteita kuin metallin saatavuus sinänsä.

Niobiumin kemialliset ominaisuudet ovat hyvin samanlaisia kuin tantaalilla, joka on suoraan alapuolella jaksollisessa järjestelmässä. Vaikka sen korroosionkestävyys ei ole niin erinomainen kuin tantaalilla, sitä käytetään kuitenkin yleisesti vastaaviin tarkoituksiin alhaisemman hintansa ja paremman saatavuutensa vuoksi.

Isotoopit  
Luonnossa esiintyvä niobium muodostuu yhdestä vakaasta isotoopista: 93Nb. Muita isotooppeja on valmistettu keinotekoisesti ja alkuaineelle tunnetaan yli 30 radioisotooppia, joiden massaluvut ovat välillä 81–115. Vakain näistä on 92Nb, jonka puoliintumisaika on 34,7 miljoonaa vuotta. Tämä vuonna 1938 löydetty isotooppi hajoaa β+-hajoamisella, kuten useimmat niobiumin isotoopit, jotka ovat vakaata 93Nb isotooppia keveämpiä. Vähiten vakaa on 114Nb, jonka arvioitu puoliintumisaika on vain noin 17 millisekuntia.

Kemia  
Niobium on monella tapaa samanlainen kuin muutkin ryhmän 5 alkuaineet. Korkeissa lämpötiloissa se reagoi kaikkien epämetallien kanssa. Fluorin kanssa se reagoi jo huoneenlämpötilassa, kloorin ja vedyn kanssa 200 °C:ssa ja typen kanssa 400 °C: ssa.

Esiintyminen  
Arvioiden mukaan niobium on 33:nneksi yleisin aine maankuoressa. Yleisyyden maassa pitäisi olla paljon suurempi, mutta "puuttuva" niobium voi sijaita maapallon ytimessä metallin suuren tiheyden vuoksi. 

Niobiumia ei esiinny luonnossa puhtaana, mutta sitä voi löytää eri mineraaleista. Mineraalit, jotka sisältävät niobiumia, sisältävät usein myös tantaalia, esimerkiksi kolumbiitti ((Fe,Mn)(Nb,Ta)2O6), kolumbiitti-tantaliitti ((Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6) ja pyrokloori ((Na,Ca)2Nb2O6(OH,F)).

Kaksi suurinta pyroklooriesiintymää löydettiin vuonna 1950 Brasiliassa ja Kanadassa, ja molemmat maat ovat yhä suurimpia niobiumin mineraalien tuottajia. Suurimmat esiintymät omistaa CBMM (Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração) ja Anglo American plc (tytäryhtiönsä Mineração Catalão kautta). Kaiken kaikkiaan nämä kaksi brasilialaista kaivosta tuottavat noin 75 % koko maailman tarjonnasta. Laajoja hyödyntämättömiä resursseja sijaitsee mm. Nigeriassa, Kongon demokraattisessa tasavallassa, Tansaniassa, Malawissa, Australiassa, Afganistanissa ja Venäjällä.

Tuotanto  
Brasilia tuottaa n. 90 % niobiumin maailman tuotannosta ja Kanada n. 5 %. United States Geological Survey arvioi, että niobiumin tuotanto kasvoi 38 700 tonnista 44 500 tonniin vuodesta 2005 vuoteen 2006. Maailmanlaajuisesti resursseja arvioidaan olevan noin 4 400 000 tonnia. Kymmenen vuoden aikana vuosina 1995–2005 vuosittainen tuotanto on yli kaksinkertaistunut.

Sovellukset  
On arvioitu, että vuonna 2006 tuotetusta 44 500 tonnista niobiumia 90 % päätyi korkealaatuisten rakenneterästen tuotantoon. Seuraavaksi suurin sovellus on suprajohteet ja elektroniset komponentit.

Teräksen tuotanto  
Kun teräkseen lisätään niobiumia, muodostuu niobiumkarbideja ja niobiumnitridejä teräksen rakenteeseen. Nämä yhdisteet parantavat teräksen sitkeyttä, lujuutta, muokattavuutta ja hitsattavuutta. Ruostumattomien terästen niobiumpitoisuus on alle 0,1 %. Niobiumpitoisia teräksiä käytetään mm. autoteollisuudessa ja kaasuputkien rakentamisessa.

Superseokset  
Superseoksia (superalloys) käytetään mm. suihkumoottorin osissa, kaasuturbiineissa ja rakettien alikokoonpanoissa. Seokset sisältävät enintään 6,5 % niobiumia. Yksi esimerkki nikkelipohjaisesta niobiumia sisältävistä superseoksista on Inconel 718, joka sisältää 50 % nikkeliä, 18,6 % kromia, 18,5 % rautaa, 5 % niobiumia 3,1 % molybdeeniä, 0,9 % titaania ja 0,4 % alumiinia. Tällaista superseosta on käytetty erilaisissa avaruuslaitteistoissa, kuten Gemini-projektissa. Myös Apollo-lennoilla on käytetty erilaisia niobiumpitoisia superseoksia.

Suprajohtavat magneetit  
Niobiumista tulee suprajohde, kun lämpötilaa madalletaan alle sen kriittisen lämpötilan (9,2 K) . Niobiumilla on kaikista puhtaista alkuaineista korkein kriittinen lämpötila ja magneettikentän tunkeutumissyvyys, sekä se on vanadiinin ja teknetiumin ohella yksi kolmesta alkuaineesta, jotka ovat tyypin II suprajohteita. Niobium-tina- ja niobium-titaani-seoksia käytetään suprajohtaviin magneetteihin, ja ne voivat tuottaa voimakkaita magneettikenttiä. Näitä suprajohtavia magneetteja käytetään magneettikuvausvälineissä sekä hiukkaskiihdyttimissä.

Numismatiikka  
Niobiumia voidaan käyttää juhlarahojen valmistamiseen usein yhdessä hopean tai kullan kanssa. Esimerkiksi Itävallassa on valmistettu sarja eurokolikoita hopea-niobiumseoksesta. Niobiumin ansiosta kolikon pintaan voidaan saada erilaisia värejä.

Muita käyttötarkoituksia  
Niobiumia ja niobiumseoksia käytetään myös joissain lääketieteellisissä laitteissa, kuten sydämentahdistimissa, sillä niobium on reagoimaton. Niobiumia käytetään myös koruissa. 

Niobium on arvioitu olevan halvempi vaihtoehto tantaalikondensaattoreille, mutta tantaalikondensaattorit ovat edelleen hallitsevia. Niobiumia voidaan lisätä myös lasiin, jotta saavutetaan korkeampi taitekerroin. Sitä voidaan siten siis käyttää silmälasien tekemiseen.

Lähteet

Aiheesta muualla 

 Periodictable: Technical data for Niobium 
 
 Webmineral: Mineral Species containing Niobium (Nb) 
 Mindat: The Mineralogy of Niobium 
 Mindat: Niobium 

Alkuaineet
Metallit