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| ニオブ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 発音 | / n aɪ ˈ oʊ b i ə m / ( ny- OH -bee-əm ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 外観 | 灰色の金属色、酸化すると青みがかる | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 標準原子量 A r °(Nb) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 周期表におけるニオブ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 原子番号 ( Z ) | 41 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| グループ | グループ5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 期間 | 期間5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ブロック | dブロック | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電子配置 | [クロ] 4日4 5秒1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 殻あたりの電子数 | 2、8、18、12、1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 物理的特性 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| STPでの フェーズ | 固体 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融点 | 2750 K (2477 °C、4491 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 沸点 | 5017 K (4744 °C、8571 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 密度（20℃） | 8.582 g/cm3 [ 3] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融解熱 | 30kJ /モル | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 気化熱 | 689.9 kJ/モル | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| モル熱容量 | 24.60 J/(モル·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
蒸気圧
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| 原子特性 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 酸化状態 | −3、−1、0、+1、+2、+3、+4、+5（弱酸性の酸化物） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電気陰性度 | ポーリングスケール: 1.6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| イオン化エネルギー |
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| 原子半径 | 経験的: 午後146時 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 共有結合半径 | 164±6時 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| その他のプロパティ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 自然発生 | 原始的な | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 結晶構造 | 体心立方(bcc) ( cI2 ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 格子定数 |  | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱膨張 | 7.07 × 10 -6 /K (20 °C 時) [3] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱伝導率 | 53.7 W/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電気抵抗率 | 152 nΩ⋅m（0℃時） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 磁気秩序 | 常磁性 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ヤング率 | 105GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| せん断弾性係数 | 38GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 体積弾性率 | 170GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 音速の 細い棒 | 3480 m/s (20 °C時) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ポアソン比 | 0.40 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| モース硬度 | 6.0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ビッカース硬度 | 870～1320MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ブリネル硬度 | 735～2450MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| CAS番号 | 7440-03-1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 歴史 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ネーミング | ギリシャ神話のニオベにちなんで、タンタロス（タンタルム）の娘。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 発見 | チャールズ・ハッチェット（1801） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 最初の隔離 | クリスチャン・ヴィルヘルム・ブロムストランド(1864) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 明確な要素として認識されている | ハインリヒ・ローゼ（1844） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ニオブの同位体 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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ニオブは元素記号 Nb（旧称コロンビウム、Cb）で原子番号41である。淡い灰色で結晶質の延性 遷移金属である。純粋なニオブのモース硬度は純粋なチタンと同等であり[5] 、延性は鉄と同等である。ニオブは地球の大気中で非常にゆっくりと酸化するため、ニッケルの低アレルギー性の代替品としてジュエリーに使用されている。ニオブはパイロクロアやコロンバイトの鉱物中によく見られる。ニオブの名前はギリシャ神話のタンタルの名を冠したタンタロスの娘ニオベに由来する。この名前は、 2つの元素の物理的および化学的性質が非常に類似しており、区別が難しいことを反映している。[6]
イギリスの化学者チャールズ・ハッチェットは1801 年にタンタルに似た新しい元素を報告し、コロンビウムと名付けました。1809 年、イギリスの化学者ウィリアム・ハイド・ウォラストンは、タンタルとコロンビウムは同一であると誤って結論付けました。ドイツの化学者ハインリッヒ・ローズは1846 年にタンタル鉱石に 2 番目の元素が含まれていることを突き止め、ニオブと名付けました。1864 年と 1865 年に、一連の科学的発見により、ニオブとコロンビウムは同じ元素 (タンタルとは区別される) であることが明らかになり、1 世紀にわたって両方の名前が互換的に使用されました。ニオブは 1949 年に正式に元素名として採用されましたが、コロンビウムという名前は現在も米国の冶金学で使用されています。
ニオブが初めて商業的に使用されたのは、20 世紀初頭になってからでした。ニオブは、高強度低合金鋼に添加する重要な元素です。ブラジルは、ニオブとフェロニオブ (鉄とニオブを 60～70% 含む合金)の主要生産国です。ニオブは主に合金に使用され、ガスパイプラインに使用されるような特殊鋼に最も多く使用されています。これらの合金には最大でも 0.1% のニオブしか含まれていませんが、このわずかな割合のニオブが炭化物や窒化物を捕捉して鋼の強度を高めます。ニオブ含有超合金の温度安定性は、ジェットエンジンやロケットエンジンに使用する場合に重要です。
ニオブはさまざまな超伝導材料に使用されています。チタンとスズも含むこれらの合金は、 MRI スキャナーの超伝導磁石に広く使用されています。ニオブのその他の用途には、溶接、原子力産業、電子機器、光学、貨幣収集、宝石などがあります。最後の 2 つの用途では、低毒性と陽極酸化処理によって生じる虹彩が非常に望ましい特性です。ニオブは、技術上極めて重要な元素であると考えられています。
歴史
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ニオブは1801年にイギリスの化学者チャールズ・ハッチェットによって特定された。 [7] [8] [9]彼は1734年にジョン・ウィンスロップFRS（ジョン・ウィンスロップ・ザ・ヤンガーの孫）がアメリカのコネチカット州からイギリスに送った鉱物サンプルの中に新しい元素を発見し、アメリカの詩的な名前であるコロンビアにちなんで、その鉱物をコロンバイト、新しい元素をコロンビウムと名付けた。 [ 10 ] [11] [12]ハッチェットが発見したコロンビウムは、おそらく新しい元素とタンタルの混合物だった。[10]
その後、コロンビウム（ニオブ）と近縁のタンタルとの違いについてかなりの混乱があった[13] 。1809年、イギリスの化学者ウィリアム・ハイド・ウォラストンは、コロンビウムから得られる酸化物（密度5.918 g/cm 3 のコロンバイト）とタンタルから得られる酸化物（密度8 g/cm 3を超えるタンタルライト）を比較し、密度に大きな違いがあるにもかかわらず、2つの酸化物は同一であると結論付けた。そのため、彼はタンタルという名前をそのまま使用した。[13]この結論は、1846年にドイツの化学者ハインリッヒ・ローゼによって異議を唱えられた。ローゼは、タンタライトのサンプルには2つの異なる元素が含まれていると主張し、それらをタンタロスの子供たちにちなんでニオブ（ニオベから）とペロピウム（ペロプスから）と名付けた。[14] [15]この混乱は、タンタルとニオブの間に観察された違いがごくわずかであったことから生じた。主張された新しい元素であるペロピウム、イルメニウム、ジアンニウム[16]は、実際にはニオブまたはニオブとタンタルの混合物と同一であった。[17]
タンタルとニオブの違いは、1864年にクリスチャン・ヴィルヘルム・ブロムストランド[17]とアンリ・エティエンヌ・サント＝クレール・ドヴィル、そして1865年にいくつかの化合物の化学式を決定したルイ・J・トロースト[17] [18]によって明確に実証され、最終的には1866年にスイスの化学者ジャン・シャルル・ガリサール・ド・マリニャック[19]によって、2つの元素しかないことが証明されました。イルメニウムに関する論文は1871年まで発表され続けました。[20]
1864年、ド・マリニャックが初めてこの金属を製造し、水素雰囲気中で加熱して塩化ニオブを還元した。[21]ド・マリニャックは1866年までにタンタルを含まないニオブを大規模に生産できたが、ニオブが白熱電球のフィラメントに使われたのは20世紀初頭になってからで、これが最初の商業的用途となった。[18]この用途は、ニオブが融点の高いタングステンに置き換えられたことにより、すぐに廃れた。ニオブが鋼の強度を高めることは1920年代に初めて発見され、この用途が現在でもニオブの主な用途となっている。[18] 1961年、アメリカの物理学者ユージン・クンツラーとベル研究所の同僚は、ニオブ・スズが強い電流と磁場の存在下で超伝導を示し続けることを発見し、 [22]有用な高出力磁石や電力機械に必要な高電流と高磁場を支える最初の材料となりました。この発見により、20年後には、回転機械、粒子加速器、粒子検出器用の大型で強力な電磁石を作成するために、コイルに巻かれた長い多重撚りケーブルの製造が可能になりました。 [23] [24]
要素の命名
コロンビウム（記号 Cb）[25] は、 1801年にハッチェットがこの金属を発見した際に最初に付けた名前です。[8]この名前は、鉱石のタイプ標本がアメリカ合衆国（コロンビア）から来たことを反映しています。 [26]この名前はアメリカの雑誌では使用され続けました。アメリカ化学会が発表したコロンビウムをタイトルに使った最後の論文は1953年のものですが[27]、ヨーロッパではニオブが使われていました。この混乱を終わらせるために、1949年にアムステルダムで開催された第15回化学連合会議で、元素番号41にニオブという名前が選ばれました。 [28] 1年後、コロンビウムという名前が年代的に先行していたにもかかわらず、この名前は100年間の論争の末、国際純正応用化学連合（IUPAC）によって正式に採用されました。[28]これはある種の妥協でした。[28] IUPACは北米での慣習を尊重してウルムの代わりにタングステンを採用し、ヨーロッパでの慣習を尊重してコロンビウムの代わりにニオブを採用した。米国の化学協会や政府機関の多くはIUPACの正式名称を使用しているが、一部の冶金学者や金属協会は依然としてアメリカ本来の名称「コロンビウム」を使用している。[29] [30] [31] [32]
特徴
物理的な
ニオブは、周期表の第5族に属する、光沢のある灰色の延性のある常磁性 金属であり（表を参照）、最外殻の電子配置は第5族としては非典型的である。同様に、ルテニウム（44）、ロジウム（45）、パラジウム（46）の近傍でも非典型的配置が見られる。
絶対零度から融点までは体心立方結晶構造をとると考えられているが、3つの結晶軸に沿った熱膨張の高解像度測定により、立方構造と矛盾する異方性が明らかになった。 [33]そのため、この分野ではさらなる研究と発見が期待されている。
ニオブは極低温で超伝導体になる。大気圧下では、元素超伝導体の中で最も高い臨界温度である9.2 Kを持つ。[34]ニオブはあらゆる元素の中で最も大きな磁気浸透深さを持つ。[34]さらに、ニオブはバナジウムとテクネチウムとともに3つの元素II型超伝導体の1つである。超伝導特性はニオブ金属の純度に大きく依存する。[35]
非常に純粋な場合、それは比較的柔らかく延性がありますが、不純物があると硬くなります。[36]
この金属は熱中性子の捕獲断面積が低いため[37]、中性子透過構造が求められる原子力産業で使用されています。[38]
化学薬品
この金属は、室温で長時間空気にさらされると青みがかった色になります。[39]元素状態では融点が高い（2,468℃）にもかかわらず、他の耐火金属よりも密度が低いです。さらに、耐腐食性があり、超伝導特性を示し、誘電性 酸化物層を形成します。
ニオブは周期表のその前身であるジルコニウムよりもわずかに電気陽性度が低く、よりコンパクトであるが、ランタノイド収縮の結果として、より重いタンタル原子と実質的に同じ大きさである。[36]その結果、ニオブの化学的性質は、周期表でニオブのすぐ下に表示されるタンタルと非常によく似ている。[18]耐食性はタンタルほど優れていないが、ニオブは価格が安く入手しやすいため、化学工場の槽ライニングなど、要求の厳しくない用途には魅力的である。[36]
同位体
地殻中のニオブは、ほぼ完全に1つの安定同位体である93 Nbで構成されています。[ 40 ] 2003年までに、原子量が81から113の範囲で少なくとも32の放射性同位体が合成されました。最も安定しているのは半減期が3470万年の92 Nbです。92 Nbは、 94 Nbとともに、地球上のニオブの精製サンプルで検出されており、地球の地殻での宇宙線ミューオンの衝突に由来する可能性があります。 [41]最も安定性の低いニオブ同位体の1つは113 Nbで、推定半減期は30ミリ秒です。安定した93 Nbよりも軽い同位体はβ +崩壊する傾向があり、より重い同位体はいくつかの例外を除いてβ −崩壊する傾向があります。81 Nb、82 Nb、84 Nbはβ +遅延陽子放出崩壊経路を持ち、91 Nbは電子捕獲と陽電子放出によって崩壊し、92 Nbはβ +崩壊とβ −崩壊の両方によって崩壊する。[40]
少なくとも25の核異性体が記載されており、原子量は84から104の範囲です。この範囲内で異性体を持たないのは、 96 Nb、101 Nb、103 Nbのみです。ニオブの異性体の中で最も安定しているのは、半減期が16.13年の93m Nbです。最も不安定な異性体は、半減期が103 nsの84m Nbです。ニオブの異性体はすべて、異性体遷移またはベータ崩壊によって崩壊しますが、 92m1 Nbはマイナーな電子捕獲分岐を持っています。[40]
発生
ニオブは地殻中に33番目に多く存在する元素で、その濃度は20 ppmと推定されている。[42]地球上での豊富さはこれよりはるかに大きく、高密度のため地球の中心核に集中していると考える人もいる。 [30]ニオブは自然界には存在しない元素だが、鉱物中では他の元素と組み合わさって存在する。[36]ニオブを含む鉱物にはタンタルも含まれることが多い。例としては、コロンバイト（(Fe,Mn)Nb 2 O 6）やコロンバイトタンタライト（またはコルタン、(Fe,Mn)(Ta,Nb) 2 O 6 ）などがある。[43]コロンバイト-タンタライト鉱物（最も一般的な種はコロンバイト-（Fe）とタンタライト-（Fe）で、「-（Fe）」はレビンソン接尾辞で、マンガンなどの他の元素よりも鉄が優勢であることを示しています[44] [45] [46] [47] ）は、ペグマタイト貫入岩やアルカリ貫入岩に付随鉱物として最も一般的に見られます。カルシウム、ウラン、トリウム、希土類元素のニオブ酸塩はそれほど一般的ではありません。このようなニオブ酸塩の例としては、パイロクロア（(Na,Ca) 2 Nb 2 O 6 (OH,F)）（現在ではグループ名であり、比較的一般的な例としては、例えば、フッ化カルシウムパイロクロア[46] [47] [48] [49] [50]）やユークセナイト（正しくはユークセナイト-(Y) [46] [47] [51]）（(Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti) 2 O 6 ）がある。これらのニオブの大規模な鉱床は、カーボナタイト（炭酸塩-ケイ酸塩火成岩）に関連して発見されており、パイロクロアの成分としても発見されている。[52]
現在採掘されているパイロクロア鉱床のうち最大のものは3つで、ブラジルに2つ、カナダに1つあり、1950年代に発見され、現在でもニオブ鉱物精鉱の主要産出地となっている。[18]最大の鉱床はブラジルのミナスジェライス州アラシャにあるカーボナタイト 貫入岩内にあり、CBMM ( Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração ) が所有している。ブラジルのもう一つの鉱床はゴイアス州カタラオ近郊にあり、中国モリブデンが所有しており、これもカーボナタイト貫入岩内に含まれている。[53]これら2つの鉱山を合わせると、世界の供給量の約88%を生産している。[54]ブラジルにはまた、アマゾナス州サンガブリエルダカショエイラ近郊に大規模だが未開発の鉱床があり、ロライマ州などに小規模な鉱床がいくつかある。[54] [55]
ニオブの第3位の生産地は、カナダのケベック州シクーティミ近郊のサントノレにあるマグリス・リソーシズ社所有のカーボナタイトを主成分とするニオベック鉱山である。 [56]この鉱山は世界の供給量の7%から10%を生産している。[53] [54]
生産
他の鉱物から分離した後、タンタルTa 2 O 5とニオブNb 2 O 5の混合酸化物が得られる。処理の最初のステップは、酸化物とフッ化水素酸との反応である。[43]
- Ta 2 O 5 + 14 HF → 2 H 2 [TaF 7 ] + 5 H 2 O
- Nb 2 O 5 + 10 HF → 2 H 2 [NbOF 5 ] + 3 H 2 O
スイスの 化学者 マリニャックが開発した最初の工業規模の分離法は、ニオブとタンタルの複合フッ化物、オキシペンタフルオロニオブ酸二カリウム一水和物 ( K 2 [ NbOF 5 ]·H 2 O ) とヘプタフルオロタンタル酸二カリウム ( K 2 [TaF 7 ] ) の水に対する溶解度の差を利用したものである。より新しいプロセスでは、シクロヘキサノンなどの有機溶媒による水溶液からのフッ化物の液体抽出が使用されている。[43]ニオブとタンタルの複合フッ化物は、水で有機溶媒から別々に抽出され、フッ化カリウムを加えて沈殿させてフッ化カリウム錯体を生成するか、アンモニアで沈殿させて五酸化物とする。[57]
- H 2 [NbOF 5 ] + 2 KF → K 2 [NbOF 5 ]↓ + 2 HF
に続く：
- 2 H 2 [NbOF 5 ] + 10 NH 4 OH → Nb 2 O 5 ↓ + 10 NH 4 F + 7 H 2 O
金属ニオブへの還元にはいくつかの方法が用いられる。K 2 [ NbOF 5 ]と塩化ナトリウムの溶融混合物の電気分解が1つであり、もう1つはフッ化物をナトリウムで還元する方法である。この方法を用いると、比較的高純度のニオブを得ることができる。大規模生産では、Nb 2 O 5は水素または炭素で還元される。[57]アルミノテルミット反応では、酸化鉄と酸化ニオブの混合物がアルミニウムと反応する。
- 3 Nb 2 O 5 + Fe 2 O 3 + 12 Al → 6 Nb + 2 Fe + 6 Al 2 O 3
反応を促進するために、硝酸ナトリウムなどの酸化剤を少量加える。その結果、酸化アルミニウムと鉄とニオブの合金であるフェロニオブが作られ、鉄鋼生産に使用される。 [58] [59]フェロニオブには60〜70％のニオブが含まれる。[53]酸化鉄がない場合、ニオブはアルミノテルミット法で生成される。超伝導合金のグレードに達するには、さらに精製する必要がある。真空下での電子ビーム溶解は、ニオブの2大販売業者が使用する方法である。[60] [61]
2013年現在[アップデート]、ブラジルのCBMMは世界のニオブ生産量の85％を占めている。[62]米国地質調査所は、生産量が2005年の38,700トンから2006年には44,500トンに増加したと推定している。 [63] [64]世界の資源は440万トンと推定されている。[64] 1995年から2005年の10年間で、生産量は1995年の17,800トンから2倍以上に増加した。 [65] 2009年から2011年の間、生産量は年間63,000トンで安定していたが、[66] 2012年にはわずかに減少し、年間50,000トンにとどまった。[67]
より少ない量がマラウイのカニイカ鉱床 (カニイカ鉱山)で発見されています。
化合物
多くの点で、ニオブはタンタルやジルコニウムに似ています。ニオブは高温でほとんどの非金属と反応します。フッ素とは室温で、塩素とは150 °Cで、水素とは200 ° Cで、窒素とは400 °Cで反応し、多くの場合、格子間および非化学量論的な生成物を生成します。[36]この金属は空気中で200 ° Cで酸化を開始します。 [ 57]ニオブは、王水、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸などの酸による腐食に耐性があります。[36]ニオブは、高温の濃硫酸、フッ化水素酸、フッ化水素/硝酸の混合物によって侵されます。また、高温の飽和アルカリ金属水酸化物溶液によっても侵されます。
ニオブは+5から-1までのすべての正式な酸化状態を示すが、最も一般的な化合物は+5の状態のニオブを有する。[36]特徴的に、5+未満の酸化状態の化合物はNb-Nb結合を示す。水溶液中では、ニオブは+5の酸化状態のみを示す。また、加水分解を受けやすく、水和Nb酸化物の沈殿のため、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸の希薄溶液にはほとんど溶けない。 [60] Nb(V) は、可溶性ポリオキソニオブ酸塩種の形成により、アルカリ媒体にわずかに溶ける。[71] [72]
酸化物、ニオブ酸塩、硫化物
ニオブは、酸化状態が+5（Nb 2 O 5）、[73] +4（NbO 2）、およびより稀な酸化状態である+2（NbO ）の酸化物を形成する。[74]最も一般的なのは五酸化物であり、ほぼすべてのニオブ化合物および合金の前駆体である。[57] [75]ニオブ酸塩は、五酸化物を塩基性水酸化物溶液に溶解するか、アルカリ金属酸化物で溶融することによって生成される。例としては、ニオブ酸リチウム（LiNbO 3）およびニオブ酸ランタン（LaNbO 4）が挙げられる。ニオブ酸リチウムは、三角形に歪んだペロブスカイトのような構造であるのに対し、ニオブ酸ランタンは孤立したNbOを含む。 3−4 3−4
4 ...イオン。[57]層状の硫化ニオブ（NbS 2）も知られている。[36]
材料は、ニオブ(V )エトキシドを350℃以上で熱分解して生成されるニオブ(V )酸化物の薄膜で化学蒸着法または原子層堆積法でコーティングすることができる。 [76] [77]
ハロゲン化物
ニオブは+5および+4の酸化状態でハロゲン化物を形成し、また多様な半化学量論的化合物を形成する。[57] [60]五ハロゲン化物（NbX
5) は、八面体の Nb 中心を特徴としています。五フッ化ニオブ ( NbF 5 ) は白色の固体で、融点は 79.0 ° C です。五塩化ニオブ( NbCl 5 ) は黄色 (右の画像を参照) で、融点は 203.4 °C です。どちらも加水分解されて、NbOCl 3などの酸化物やオキシハロゲン化物になります。五塩化物は、ニオボセンジクロリド( (C
5H
5）
2塩化ニオブ
2）。[78]テトラハライド（NbX
4) は、Nb-Nb 結合を持つ暗色のポリマーです。たとえば、黒色の吸湿性ニオブ四フッ化ニオブ ( NbF 4 ) や茶色のニオブ四塩化ニオブ ( NbCl 4 ) などがあります。
ニオブのアニオン性ハロゲン化物化合物は、五ハロゲン化物のルイス酸性に一部起因してよく知られている。最も重要なのは[NbF 7 ] 2−で、鉱石からNbとTaを分離する際の中間体である。[43]この七フッ化物はタンタル化合物よりも容易にオキソ五フッ化物を形成する傾向がある。他のハロゲン化物錯体には八面体[ NbCl 6 ] −がある。
- Nb 2 Cl 10 + 2 Cl − → 2 [ NbCl 6 ] −
他の低原子番号金属と同様に、還元されたハロゲン化物クラスターイオンは多種多様であることが知られており、その代表例は[ Nb6Cl18 ] 4−である。[79]
窒化物と炭化物
ニオブの他の二元化合物には、低温で超伝導体となり、赤外線検出器に使用される窒化ニオブ（NbN）があります。 [80]主なニオブ炭化物はNbCで、非常に硬く、耐火性のセラミック材料であり、切削工具ビットに商業的に使用されています。
アプリケーション
2006年に採掘された44,500トンのニオブのうち、推定90%が高級構造用鋼に使用された。2番目に大きな用途は超合金である。[81]ニオブ合金の超伝導体と電子部品は、世界の生産量のごく一部を占めている。[81]
鉄鋼生産
ニオブは鋼の有効なマイクロアロイ元素であり、鋼中でニオブ炭化物とニオブ窒化物を形成します。[30]これらの化合物は結晶粒の微細化を改善し、再結晶と析出硬化を遅らせます。これらの効果により、靭性、強度、成形性、溶接性が向上します。[30]マイクロアロイドステンレス鋼では、ニオブ含有量はわずか（0.1%未満）ですが[82] 、現代の自動車の構造に広く使用されている高強度低合金鋼に重要な添加物です。 [30]ニオブは、耐摩耗性の高い機械部品やナイフにかなり大量に使用されることがあり、Crucible CPM S110Vステンレス鋼では3%にも達します。[83]
これらのニオブ合金はパイプライン建設にもよく使用されます。[84] [85]
超合金
ニオブは、ジェットエンジン部品、ガスタービン、ロケットサブアセンブリ、ターボチャージャーシステム、耐熱装置、燃焼装置などの用途で、ニッケル、コバルト、鉄ベースの超合金に最大6.5％の割合で使用されています[82]。ニオブは超合金の粒構造内に硬化γ''相を析出させます。[86]
超合金の一例としてはインコネル718があり、ニッケル約50% 、クロム約18.6%、鉄約18.5% 、ニオブ約5%、モリブデン約3.1% 、チタン約0.9% 、アルミニウム約0.4%で構成されています。[87] [88]
これらの超合金は、例えばジェミニ計画の先進的な機体システムに使用されました。別のニオブ合金[説明が必要]は、アポロサービスモジュールのノズルに使用されました。ニオブは400℃を超える温度で酸化されるため、これらの用途では合金が脆くなるのを防ぐために保護コーティングが必要です。[89]
ニオブ系合金
C-103合金は、1960年代初頭にワ・チャン社とボーイング社が共同で開発した。デュポン社、ユニオン・カーバイド社、ゼネラル・エレクトリック社、その他数社が、冷戦と宇宙開発競争の影響を受けて、同時にニオブ基合金を開発していた。この合金は、89%のニオブ、10%のハフニウム、1%のチタンで構成されており、アポロ月着陸船の降下エンジンなどの液体ロケット推進ノズルに使用されている。[89]
ニオブは酸素と反応するため、真空または不活性雰囲気で処理する必要があり、これにより製造コストと難易度が大幅に増加します。当時の新しいプロセスである真空アーク再溶解(VAR) と電子ビーム溶解(EBM) により、ニオブやその他の反応性の高い金属の開発が可能になりました。C-103 を生み出したプロジェクトは、ボタン状に溶解してシート状に巻くことができる「C シリーズ」( C はおそらくコロンビウムから生成)の実験的なニオブ合金が 256 種類も作られた 1959 年に始まりました。Wah Chang Corporation には、原子力グレードのジルコニウム合金から精製されたハフニウムの在庫があり、これを商業的に利用したいと考えていました。C シリーズ合金の 103 番目の実験的組成である Nb-10Hf-1Ti は、成形性と高温特性の最適な組み合わせを備えていました。 1961年、Wah Chang社はEBMとVARを用いて、インゴットからシートまでの最初の500ポンドのC-103ヒートを製造した。想定された用途には、タービンエンジンと液体金属熱交換器が含まれていた。その時代の競合ニオブ合金には、 Fansteel Metallurgical Corp.のFS85（Nb-10W-28Ta-1Zr） 、Wah ChangとBoeingのCb129Y（Nb-10W-10Hf-0.2Y）、Union CarbideのCb752（Nb-10W-2.5Zr）、Superior Tube Co.のNb1Zrなどがあった。[89]
スペースXがファルコン9ロケットの上段用に開発したマーリン真空エンジンシリーズのノズルはニオブ合金で作られている[説明が必要]。[90]
ニオブベースの超合金は極超音速ミサイルシステムの部品の製造に使用されます。[91]
超伝導磁石
ニオブゲルマニウム（Nb
3Ge）、ニオブスズ（Nb
3Sn）やニオブチタン 合金は、超伝導磁石用のタイプ II 超伝導線として使用されています。[92] [93]これらの超伝導磁石は、磁気共鳴画像診断装置や核磁気共鳴装置、粒子加速器で使用されています。[94]たとえば、大型ハドロン衝突型加速器では 600 トンの超伝導線が使用されており、国際熱核融合実験炉では推定 600 トンの Nb 3 Sn 線と 250 トンの NbTi 線が使用されています。[95] 1992 年だけでも、10 億ドル以上の臨床用磁気共鳴画像診断システムがニオブチタン線で構築されました。[23]
その他の超伝導体
自由電子レーザーFLASH（中止されたTESLA線形加速器プロジェクトの成果）とXFELで使用される超伝導無線周波数（SRF）空洞は、純粋なニオブから作られています。[96]フェルミ国立加速器研究所のクライオモジュールチームは、FLASHプロジェクトと同じSRF技術を使用して、純粋なニオブ製の1.3GHz 9セルSRF空洞を開発しました。この空洞は、国際線形衝突型加速器（ILC）の30キロメートル（19マイル）線形粒子加速器で使用されます。[97]同じ技術がSLAC国立加速器研究所のLCLS-IIとフェルミ国立加速器研究所のPIP-IIで使用されます。[98]
超伝導ニオブ 窒化物ボロメータは感度が高いため、THz周波数帯の電磁波の理想的な検出器となっている。これらの検出器はサブミリ波望遠鏡、南極望遠鏡、レシーバーラボ望遠鏡、APEXでテストされ、現在はハーシェル宇宙望遠鏡に搭載されたHIFI機器で使用されている。[99]
その他の用途
電子セラミックス
強誘電体であるニオブ酸リチウムは、携帯電話や光変調器、表面弾性波デバイスの製造に広く使用されています。これは、タンタル酸リチウムやチタン酸バリウムと同様に、 ABO 3構造の強誘電体に属します。[100]ニオブコンデンサはタンタルコンデンサの代替として利用可能ですが、[101]タンタルコンデンサが依然として主流です。ニオブは、より高い屈折率を得るためにガラスに添加され、より薄く軽い矯正メガネを可能にします。
低アレルギー性の用途：医薬品および宝飾品
ニオブおよび一部のニオブ合金は生理的に不活性で低アレルギー性である。このため、ニオブはペースメーカーなどの義肢やインプラント機器に使用されている。[102]水酸化ナトリウムで処理されたニオブは、骨結合を助ける多孔質層を形成する。[103]
チタン、タンタル、アルミニウムと同様に、ニオブは加熱して陽極酸化処理（「反応性金属陽極酸化」）することで、宝石用のさまざまな虹色を作り出すことができ、[104] [105]低アレルギー性の特性が非常に望ましい。[106]
貨幣学
ニオブは記念硬貨の貴金属として、銀や金とともに使われることが多い。例えば、オーストリアは2003年から銀ニオブユーロ硬貨のシリーズを製造している。これらの硬貨の色は、薄い陽極酸化層による光の回折によって生み出されている。 [107] 2012年には、青、緑、茶、紫、すみれ色、黄色など、硬貨の中央にさまざまな色を施した10種類の硬貨が販売されている。さらに2つの例として、2004年のオーストリアの25ユーロゼンメリングアルプス鉄道150周年記念硬貨[ 108]と2006年のオーストリアの25ユーロ欧州衛星ナビゲーション記念硬貨がある。[109]オーストリア造幣局は2004年からラトビア向けに同様のコインシリーズを製造し、[110] 2007年にも続いた。[111] 2011年、カナダ王立造幣局はハンターズムーンと名付けられた5ドルのスターリングシルバーとニオブのコインの製造を開始した。[112]このコインではニオブが選択的に酸化されており、2つのコインがまったく同じではないユニークな仕上がりになっている。
他の
高圧ナトリウムランプのアーク管シールはニオブで作られており、ジルコニウムが1%混入されることもあります。ニオブの熱膨張率は焼結 アルミナ アーク管セラミックと非常に似ており、手術灯内部に含まれる高温の液体ナトリウムやナトリウム蒸気による化学的侵食や還元に耐える半透明の材料です。 [113] [114] [115]
ニオブは、安定化ステンレス鋼のアーク溶接棒[116]や、一部の水タンクの陰極防食システムの陽極に使用され、その後通常はプラチナでメッキされます。 [117] [118]
ニオブはパーカー太陽探査機の太陽コロナ粒子受信モジュールの高電圧線の製造に使用されている。[119]
ニオブは、NTPイエローという商品名で販売されている、耐光性があり化学的に安定した無機黄色顔料の成分です。これはニオブ硫黄スズ亜鉛酸化物であり、高温焼成によって生成されるパイロクロアです。この顔料はピグメントイエロー227としても知られ、一般的にはPY 227またはPY227と記載されています。[120]
予防
| 危険 | |
|---|---|
| NFPA 704 (ファイアダイヤモンド) | |
ニオブの生物学的役割は知られていない。ニオブの粉塵は目や皮膚を刺激し、火災の危険性もあるが、ニオブ単体は生理的に不活性（したがって低アレルギー性）で無害である。ニオブはジュエリーによく使用され、一部の医療用インプラントへの使用もテストされている。[121] [122]
ニオブ酸塩と塩化ニオブという2つの水溶性化学物質への短期および長期の曝露がラットでテストされています。ニオブ五塩化物またはニオブ酸塩を1回注射されたラットの平均致死量（LD 50）は10～100 mg/kgです。[123] [124] [125]経口投与の場合、毒性はより低く、ラットの研究では7日後にLD 50 が940 mg/kgでした。 [123]
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