Niob [] (auch Niobium, nach Niobe, der Tochter des Tantalos) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Nb und der Ordnungszahl 41. Es zählt zu den Übergangsmetallen, im Periodensystem steht es in der 5. Periode sowie der 5. Nebengruppe (Gruppe 5) oder Vanadiumgruppe.
Im angelsächsischen Sprachraum wird noch vereinzelt von Metallurgen und Werkstoffanbietern die schon länger veraltete Bezeichnung Columbium und das Kurzzeichen Cb verwendet.
Das selten vorkommende Schwermetall ist von grauer Farbe und gut schmiedbar. Niob wird vor allem aus den niobreichen Vertretern der Pyrochlor-Obergruppe, den Mineralen der Columbit-Mischkristallreihe Columbit-(Mn) – Columbit-(Mn) und LoparitMineralienatlas:Loparit. gewonnen. Als Coltan (ein modernes, vorrangig in der Politik verwendetes Akronym aus Columbit – Tantalit) werden Niob-Tantal-Erze bezeichnet, die zu den vier Mischkristallreihen Columbit-(Fe) – Columbit-(Mn), Tantalit-(Mn) – Tantalit-(Fe), Columbit-(Mn) – Tantalit-(Mn) und Columbit-(Fe) – Tantalit-(Fe) zählen. Niob wird hauptsächlich in der Metallurgie verwendet, um Spezialstähle herzustellen und die Schweißbarkeit zu verbessern.
Geschichte mini|links|Heinrich Rose 1801 untersuchte Charles Hatchett ein unbekanntes dunkles Erz, das ursprünglich aus Massachusetts stammte und über Hans Sloane in das British Museum gelangt war. Bei verschiedenen chemischen Untersuchungen stellte er fest, dass in dem Erz ein bislang unbekanntes Element enthalten sein muss. Dieses nannte er Columbium, da das Erz ursprünglich aus Amerika stammte.Charles Hatchett: An analysis of a mineral substance from North America, containing a metal hitherto unknown. In: Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 1802, Band 92, S. 49–66 . Columbia war eine zu dieser Zeit häufig verwendete Bezeichnung für Amerika.Thomas J. Schlereth: Columbia, Columbus, and Columbianism. In: Journal of American History. 1992, Band 79, Nummer 3, S. 937-968, .
Anders Gustav Ekeberg fand 1802 in Yttererde ein Oxid, das sich in keiner Säure löste. Darum nannte er das enthaltene Metall nach der mythologischen Figur des Tantalos, der mitten in einem Teich stehend nicht trinken konnte, Tantal.Anders Gustav Ekeberg: Ueber ein neues Metall, Tantalum, welches zugleich mit der Yttererde in einigen schwedischen Fossilien entdeckt worden ist; nebst einigen Anmerkungen über die Eigenschaften der Yttererde, in Vergleichung mit der Beryllerde. In: Crells Annalen der Chemie. 1, 1803, S. 1–21 (). Die aus den beiden Erzen gewonnenen Oxide wurden 1809 von William Hyde Wollaston verglichen und für Oxide eines einzigen Elementes gehalten. Die gemessenen Unterschiede im spezifischen Gewicht der Oxide erklärte er durch unterschiedliche Oxidationszustände des Elementes.W. H. Wollaston: On the Identity of Columbium and Tantalum. In: Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 99, 1809, S. 246–252, doi:10.1098/rstl.1809.0017. Heinrich Rose untersuchte Tantalit-Erze genauer und vermutete, dass darin zwei weitere Elemente enthalten sind, die er nach den Kindern des Tantalos, Niobe und Pelops Niob und Pelopium nannte.Heinrich Rose: Ueber die Zusammensetzung der Tantalite und ein im Tantalite von Baiern enthaltenes neues Metall. In: Annalen der Physik. 139, 10, 1844, S. 317–341 ().Heinrich Rose: Ueber ein zweites im Tantalit (Columbit) von Baiern enthaltenes neues Metall. In: Annalen der Physik. 69, 1846, S. 115–141 (). Auch weitere Forscher verkündeten, weitere ähnliche Elemente gefunden zu haben, so Hans Rudolph Hermann das Ilmenium (benannt nach dem Ilmengebirge)R. Hermann: Untersuchungen russischer Mineralien. In: Journal für praktische Chemie. 1846, Band 38, Nummer 1, S. 91–123, . und NeptuniumR. Hermann: Fortgesetzte Untersuchungen über die Verbindungen der Metalle der Tantalgruppe, so wie über Neptunium, ein neues Metall. In: Journal für praktische Chemie. 1877, Band 15, S. 105–150 (online)., Franz von Kobell das Dianium (benannt nach Diana)Fr. v. Kobell: Ueber eine eigenthümliche Säure, Diansäure, in der Gruppe der Tantal‐ und Niob‐ verbindungen. In: Journal für praktische Chemie. 1860, Band 79, Nummer 1, S. 291–303 . Schließlich konnten 1864 Christian Wilhelm Blomstrand und 1866 Jean Charles Galissard de Marignac zeigen, dass es lediglich zwei Elemente, Niob und Tantal real gibt und dass alle weiteren postulierten Elemente Mischungen dieser beiden Elemente sind.Marignac, Blomstrand, H. St. Claire Deville, Linda Troost, R. Hermann: Tantalsäure, Niobsäure, (Ilmensäure) und Titansäure. In: Analytical and Bioanalytical Chemistry. 1866, Band 5, Nummer 1, S. 384–389, .Marco Fontani, Mariagrazia Costa, Mary Virginia Orna: The Lost Elements. Oxford University Press, 2015, ISBN 978-0-19-938334-4, S. 46–49.
In der folgenden Zeit wurden sowohl Niob als auch Columbium als Name für das Element verwendet, wobei in amerikanischen Veröffentlichungen Columbium vorherrschte, in europäischen Niob. Um die Verwirrungen, die durch die unterschiedlichen Namen entstanden, zu beenden, legte die IUPAC 1949 Niob als offiziellen Namen des Elementes fest.Paweł Miśkowiec: Name game: the naming history of the chemical elements: part 2—turbulent nineteenth century. In: Foundations of Chemistry. 2022, Band 25, Nummer 2, S. 215–234 .IUPAC: Comptes rendus de la 15eme Conference International de la Chimie, Amsterdam. 1949, S. 58 (online).
Marignac entwickelte 1866 ein Verfahren zur Trennung von Tantal und Niob, das auf der unterschiedlichen Löslichkeit der Salze K2NbOF5 und K2TaF7 in verdünnter Flusssäure beruht.Jean Charles Galissard de Marignac: Recherches sur les combinaisons du niobium. In: Annales de chimie et de physique. 1866, 4, S. 5–75 (). Damit gelang zwar die Herstellung reiner Tantalverbindungen, die Gewinnung von reinem Niob und insbesondere die Trennung des Niobs von Titan und Zinn blieb jedoch schwierig.Richard Kieffer, Horst Braun: Vanadin · Niob · Tantal: Die Metallurgie der reinen Metalle und ihrer Legierungen. Springer, 1963, ISBN 978-3-642-51098-4, S. 28–32. Dazu wurden verschiedene Verfahren entwickelt, etwa über die Siedepunkte der Tetrachloride oder deren Löslichkeit in Tetrachlorkohlenstoff.Harald Schäfer, Lisel Bayer, Christel Pietruck: Beiträge zur Chemie der Elemente Niob und Tantal. V. Über die Darstellung titan‐ und zinnfreier Niob‐ und Tantal‐Präparate. In: Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 1951, Band 266, Nummer 1-3, S. 140–150 .
Auch die Herstellung reinen Niobmetalls erwies sich als schwierig, da das Metall leicht Carbide bildet. Als erster erhielt Christian Wilhelm Blomstrand Niob in Form eines spiegelnden Überzugs durch Reduktion von Niob(V)-chlorid mit Wasserstoff in der Hitze.Christian Wilhelm Blomstrand: Ueber die Säuren der Tantalgruppe‐Mineralien. In: Journal für praktische Chemie. 1866, Band 97, Nummer 1, S. 37–50 . 1901 konnte Henri Moissan im von ihm erfundenen elektrischen Ofen durch Reduktion von Niob(V)-oxid mit Kohle größere Mengen Niob gewinnen, das aber 2,3 bis 3,4 % Kohlenstoff enthielt und darum sehr spröde war.Henri Moissan: Nouveau traitement de la niobite; préparation et propriétes de la fonte de niobium. In: Comptes Rendus. Band 133, 1901, S. 20-25 ). Ein so reines Niob, dass er die Duktilität des Metalls nachweisen konnte, stellte 1907 Werner von Bolton her. Er fand zwei Darstellungsmethoden: zum einen die elektrolytische Reduktion von Niob(IV)-oxid mit Wechselstrom im Vakuum, zum anderen effektiver eine aluminothermische Reduktion von Niob(V)-oxid, bei der eine Niob-Aluminium-Legierung entstand, die dann im Vakuum mit einem elektrischen Flammenbogen erhitzt wurde, so dass das Aluminium verdampfte.Werner Von Bolton: Das Niob, Seine Darstellung und seine Eigenschaften. In: Zeitschrift für Elektrochemie und angewandte physikalische Chemie. 1907, Band 13, Nummer 15, S. 145–149 .
Niob wurde lange Zeit nur in geringem Maß verwendet, erst ab den 1930ern wurde Ferroniob als Zusatz für Stähle und Niobcarbid für Hochgeschwindigkeits-Schneidwerkzeuge genutzt.John F. Papp: Niobium (Columbium) (Nb). In: United States Geological Survey: Metal Prices in the United States Through 2010. Scientific Investigations Report 2012–5188. Reston, Virginia, 2013 (online).
Vorkommen mini|links|Pyrochlor Niob ist auf der Erde ein seltenes Element, seine Häufigkeit in der kontinentalen Erdkruste beträgt etwa 8 ppm.Matthias G. Barth, William F. McDonough, Roberta L. Rudnick: Tracking the budget of Nb and Ta in the continental crust. In: Chemical Geology. Band 165, Nr. 3–4, 2000, S. 197-213, . Niob wird zu den refraktären, lithophilen, sowie den inkompatiblen Elementen (HFSE) gezählt. Dies bedeutet, dass Niob überwiegend oxidische Minerale bildet, sich vorwiegend in der oberen kontinentalen Erdkruste, weniger im Erdmantel befindet und in Magmaschmelzen sich stark in der Schmelze anreichert. Zudem ist das Element schlecht löslich und immobil und wird daher bei Verwitterung kaum aus dem Gestein gelöst. Der Niobgehalt von Meerwasser ist deshalb auch sehr gering.Carsten Münker: Niobium. In: William White (Hrsg.): Encyclopedia of Geochemistry. Springer, 2018, ISBN 978-3-319-39311-7, S. 983–985.
Um die Häufigkeit eines Elementes in der gesamten Erde (Kern und Hülle) zu betrachten, wird auf die Konzentration von Elementen in Chondriten zurückgegriffen. Beim Vergleich der Verhältnisse der sehr ähnlichen Niob und Tantal ist auffällig, dass dieses Verhältnis in Chondriten deutlich höher (etwa 19,9) ist als in der äußeren Silikathülle der Erde (etwa 14). Dies bedeutet, dass auf der Erde deutlich geringere Mengen Niob bekannt sind, als sie eigentlich haben sollte.Carsten Münker, Raúl, O. C. Fonseca, Toni Schulz: Silicate Earth’s missing niobium may have been sequestered into asteroidal cores. In: Nature Geoscience. Band 10, 2017, S. 822–826, . Eine Möglichkeit ist, dass sich dieses Niob im Erdkern befindet, was dadurch verursacht sein könnte, dass Niob unter den Bedingungen, wie sie bei der Entstehung der Erde herrschten, deutlich siderophiler (eisenliebend) gewesen sein könnte als Tantal und ein Teil des Niobs in den Kern abgesunken ist.J. Wade, B. J. Wood: The Earth's ‘missing’ niobium may be in the core. In: Nature. Band 409, 2001, S. 75–78, .Dongyang Huang, James Badro, Julien Siebert: The niobium and tantalum concentration in the mantle constrains the composition of Earth’s primordial magma ocean. In: PNAS. Band 117, Nr. 45, 2020, S. 27893-27898, . Andererseits wird diskutiert, dass es niobreiche Bereiche im oberen Erdmantel geben könnte, in denen das „fehlende“ Niob gespeichert ist.Yan Yang, Franz Neubauer, Zheng Liu, Guo-Chang Wang, Shu-Cheng Tan, Xiao-Hu He, Chen-Yue Liang: Enriched lithospheric mantle storage of the Earth's missing niobium: New insights from alkaline rocks with superchondritic Nb/Ta ratios. In: Geosystems and Geoenvironment. Band 3, Nr. 3, 2024, Artikel 100289, .
Nioberze finden sich als primäre Vorkommen in verschiedenen magmatischen Gesteinen, zum einen in Carbonatiten wie Ijolith, zum anderen in alkalischen bis peralkalischen Granitoiden und Syeniten. Durch Verwitterung anderer Elemente kann es in sekundären Lagerstätten wie Laterit zu einer deutlichen Anreicherung an Niob mit einem Faktor von 10 oder mehr bezogen auf die Ausgangsgesteine kommen. Wichtigstes Nioberz ist Pyrochlor Ca2Nb2O7, aus dem über 90 % allen Niobs gewonnen wird. Andere Erze wie Columbit (Coltan) spielen demgegenüber nur eine untergeordnete Rolle. Nioberze enthalten in der Regel das chemisch sehr ähnliche Tantal, jedoch ist die Mineralisation der beiden Elemente sehr unterschiedlich, so dass wirtschaftlich nutzbare Nioberze nicht unbedingt auch ausreichende Tantalmengen enthalten und umgekehrt.Roger H. Mitchell: Primary and secondary niobium mineral deposits associated with carbonatites. In: Ore Geology Reviews. Band 64, 2015, S. 626-641, .