41. Niob (Nb) - Das Superleiter-Metall

0:00 Willkommener zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und lernen. Wenn dir der Podcast gefällt, bewerte ihn bitte, das hilft uns, weitere Folgen zu produzieren. Kennst du schon unsere anderen 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.

0:30 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

1:13 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.

1:34 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.

2:02 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.

2:34 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

3:28 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.

3:55 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.

4:26 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.

4:54 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.

5:24 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.

5:48 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

6:32 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.

7:10 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.

7:37 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.

8:11 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.

8:56 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.

9:23 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.

10:08 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.

10:46 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.

11:11 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

11:59 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.

12:22 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

13:11 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.

13:58 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.

14:31 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.

15:00 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.

15:27 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.

15:56 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

16:51 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.

17:15 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.

17:44 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.

18:22 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.

18:59 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.

19:37 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.

20:00 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.

20:21 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.

20:51 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.

21:19 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.

21:54 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.