ניוביום הוא יסוד כימי עם מספר אטומי 41 וסמל כימי Nb (לשעבר קולומביום, Cb). זוהי מתכת מעבר אפור בהיר, גבישי, רקיע. ניוביום טהור דומה לטיטניום טהור במונחים של קשיות Mohs והוא רקיע לברזל. ניוביום משמש בתכשיטים כתחליף היפואלרגני לניקל, שכן הוא מתחמצן לאט יחסית באטמוספרה של כדור הארץ. השם הישן "קולומביום" מגיע מהנוכחות התכופה של ניוביום במינרלים פירוכלור וקולומבייט. ניובה, בתו של טנטלוס ומקור שמו של הטנטלום, מקורה במיתולוגיה היוונית. השם מתייחס לכמה קשה להבחין בין שני היסודות בשל הדמיון הפיזי והכימי הקיצוני ביניהם.
קולומביום הוא יסוד חדש שהתגלה על ידי הכימאי האנגלי צ'ארלס האצ'ט בשנת 1801 והוא דומה לטנטלום. המדען הבריטי ויליאם הייד וולסטון טען בטעות בשנת 1809 שניתן להשתמש בטנטלום ובקולומביום לסירוגין. הכימאי הגרמני היינריך רוז גילה את נוכחותו של היסוד השני, ניוביום, בעפרות טנטלום ב-1846. גילויים מדעיים שהתגלו ב-1864 וב-1865 הבהירו שניוביום וקולומביום הם אותו יסוד (בניגוד לטנטלום), ובמשך מאה שנה שימשו שני השמות כמילים נרדפות. למרות שהשם קולומביום עדיין בשימוש במטלורגיה האמריקאית כיום, הניוביום אומץ רשמית כשם היסוד בשנת 1949.
ניוביום לא היה בשימוש מסחרי לראשונה עד תחילת המאה ה-20. חשוב מאוד להוסיף ניוביום לפלדות מסגסוגת נמוכה בחוזק גבוה. פרוניוביום, סגסוגת של ניוביום ו-60 עד 70 אחוז ניוביום וברזל, מיוצרת בעיקר בברזיל. רוב הניוביום משמש בסגסוגות, בעיקר בפלדות מיוחדות המשמשות במוצרים כמו צינורות גז. למרות תכולת הניוביום המקסימלית של 0,1%, סגסוגות אלו מגדילות את חוזק הפלדה על ידי הסרת קרביד וניטריד. סגסוגות-על המכילות ניוביום חייבות להיות עמידות בפני טמפרטורה כדי לשמש במנועי סילון ורקטות.
חומרים מוליכים רבים מכילים ניוביום. סגסוגות אלו, המכילות גם טיטניום ופח, משמשות לעתים קרובות במגנטים מוליכים-על של סורקי MRI. ניוביום משמש גם בריתוך, תעשיית הגרעין, אלקטרוניקה, אופטיקה, תכשיטים, נומיסמטיקה ותחומים נוספים. הרעילות הנמוכה וקשתית המיוצרים על ידי אנודיזציה הן תכונות רצויות ביותר בשני היישומים האחרונים. ניוביום מוכר כמרכיב חשוב מאוד בטכנולוגיה.
היסטוריה של היסוד ניוביום
הכימאי הבריטי צ'ארלס האצ'ט זיהה לראשונה את הניוביום בשנת 1801. בשנת 1734, ג'ון וינטרופ FRS, נכדו של ג'ון וינטרופ הצעיר, שלח דגימת מינרלים ממדינת קונטיקט בארצות הברית לאנגליה. מדגם זה הכילה אלמנט חדש שהתגלה על ידו. הוא קרא למינרל קולומביט וליסוד החדש קולומביום על שם שמה הפיוטי של המדינה, קולומביה.
גילוי הקולומביום של האצ'ט היה ככל הנראה שילוב של טנטלום והיסוד שזה עתה נמצא.
מאוחר יותר הייתה הרבה אי הבנה לגבי ההבחנה בין קולומביום (ניוביום) וטנטלום, שהיא מאוד דומה. מופק מקולומביום ובעל צפיפות של 5,918 גרם/ס"מ3 מופק מקולומביט וטנטלום בצפיפות של 8 גרם/ס"מ3טנטליט, שנמצא למעלה, הושווה בשנת 1809 על ידי הכימאי האנגלי ויליאם הייד וולסטון. הוא מצא שלמרות הצפיפויות השונות באופן משמעותי של שתי התחמוצות, הן היו זהות, ומכאן נשמר השם טנטלום.
הכימאי הגרמני היינריך רוז חלק על מסקנה זו ב-1846 וטען כי דגימת הטנטליט מכילה שני יסודות שונים, שאותם כינה ניוביום (מ-Niobe) ו-pelopium (מ-Pelops), על שם צאצאיו של טנטלוס. ההבדלים הקטנים שנצפו בין טנטלום לניוביום גרמו לשגיאה זו. למעשה, מה שנקרא היסודות החדשים פלופיום, אילניום ודיאניום הם צורות שונות של טנטלום או ניוביום, בהתאמה.
כריסטיאן וילהלם בלומסטרנד והנרי אטיין סנט-קלייר דוויל הוכיחו ב-1864 שיש רק שני יסודות בטנטלום ובניוביום. בשנת 1865, לואי ג'יי טרוסט קבע את הנוסחאות של כמה תרכובות. לבסוף, הכימאי השוויצרי ז'אן שארל גאליסארד דה מריניאק הוכיח זאת ב-1866. מאמרים על אילמניום המשיכו להופיע עד 1871.
שימוש באלמנט ניוביום
ניוביום כלוריד הופחת על ידי חימום בסביבת מימן על ידי De Marignac בשנת 1864 והיה ההכנה הראשונה של מתכת זו. למרות שדה מריניאק הצליח לסנתז ניוביום נטול טנטלום בקנה מידה גדול יותר בשנת 1866, ניוביום שימש לראשונה באופן מסחרי בחוטי מנורת ליבון בתחילת המאה ה-20.
הניוביום הוחלף במהירות בטונגסטן, בעל נקודת התכה גבוהה יותר, ושימוש זה התיישן. יכולתו של ניוביום לחזק פלדה זוהתה לראשונה בשנות העשרים של המאה הקודמת, ושימוש זה הוא עד היום השימוש העיקרי בו. התגלית שפח ניוביום שומר על מוליכות העל שלו בנוכחות זרמים חשמליים חזקים ושדות מגנטיים נעשתה ב-1920 על ידי הפיזיקאי האמריקאי יוג'ין קונצלר ועמיתיו במעבדות בל. זה הפך את פח הניוביום לחומר הראשון שתומך בזרמים ובשדות הגבוהים הנדרשים למגנטים שימושיים בעלי הספק גבוה ומכונות חשמליות. עשרים שנה לאחר גילוי זה, ניתן היה לייצר חוטים תקולים ארוכים המעוותים לסלילים, המאפשרים יצירת אלקטרומגנטים עצומים וחזקים עבור מכונות מסתובב, מאיצי חלקיקים וגלאי חלקיקים.
מאפיינים פיזיים של יסוד ניוביום
ניוביום, מתכת מקבוצה 5 של הטבלה המחזורית, היא מתכת מבריקה, אפורה, רקיעה, פרמגנטית (ראה תרשים) עם תצורת אלקטרונים יוצאת דופן במעטפת החיצונית שלה. רותניום, רודיום ופלדיום נמצאים בקרבת מקום ומציגים מבנים חריגים דומים.
מאמינים שיש לו מבנה גביש מעוקב במרכז הגוף מאפס מוחלט ועד לנקודת ההיתוך שלו, אך מדידות ברזולוציה גבוהה של התפשטות תרמית לאורך שלושת הצירים הגבישיים מראות אניזוטרופיות שאינן תואמות למבנה מעוקב. כתוצאה מכך, צפויים מחקרים ומחקרים נוספים בתחום זה.
טמפרטורות קריוגניות גורמות לניוביום להפוך למוליך-על. הטמפרטורה הקריטית שלו של 9,2 K בלחץ אטמוספרי הופכת אותו לקריטי ביותר מבין מוליכים-על יסודיים. מכל היסודות, לניוביום יש את החדירה המגנטית העמוקה ביותר. יחד עם ונדיום וטכנציום, הוא אחד משלושת המוליכים הראשיים מסוג II. לטוהר מתכת הניוביום יש השפעה משמעותית על איכויות המוליכות העל שלה.
הוא רך וגמיש למדי כשהוא טהור למדי, אך זיהומים גורמים לו להיות קשה יותר.
מכיוון שלמתכת יש חתך עצבי תרמי נמוך, היא משמשת בתעשיית הגרעין ליצירת מבנים שקופים נויטרונים.
מבנה כימי של יסוד ניוביום
כאשר המתכת נשארת באוויר בטמפרטורת החדר למשך זמן רב, היא מקבלת צבע כחלחל. הצורה הבסיסית של מתכת זו היא בעלת נקודת התכה גבוהה (2,468 מעלות צלזיוס), אך היא פחות צפופה ממתכות עקשניות אחרות. הוא גם יוצר שכבות תחמוצת דיאלקטריות, מראה על מוליכות ועמיד בפני קורוזיה.
עקב הצטמקות הלנתניד, הניוביום כמעט שווה בגודלו לאטומי הטנטלום הכבדים יותר, בעוד שקודמו בטבלה המחזורית, זירקוניום, מעט פחות אלקטרופוזיטיבי ויותר קומפקטי. כתוצאה מכך, הניוביום דומה מאוד מבחינה כימית לטנטלום, שנמצא ממש מתחת לניוביום בטבלה המחזורית. למרות שניוביום אינו מצטיין בעמידות בפני קורוזיה כמו טנטלום, הוא אטרקטיבי עבור יישומים פחות תובעניים כגון ציפוי דוודים במפעלים כימיים בשל מחיר נמוך יותר וזמינות גבוהה יותר.
מקור: ויקיפדיה
Günceleme: 29/04/2023 16:20