ニオブ (Nb)

発見の経緯

発見: 1801 · Charles Hatchett

ニオブはイングランドの化学者チャールズ・ハチェットにより、1801年に発見された。ハチェットは、1734年にジョン・ウィンスロップがイングランドにアメリカ合衆国のコネチカット州から送ったサンプルの鉱物から新元素を発見し、アメリカ合衆国の詩的な名前であるコロンビアにちなみ、この鉱物をコルンブ石、新しい元素をコロンビウムと名付けた。ハチェットが発見したコロンビウムは、おそらく新元素とタンタルの混合物であったと思われる。その後、コロンビウムと、それによく似たタンタルの違いについて、かなりの混乱があった。1809年にイングランドの化学者ウイリアム・ウォラストンはコロンビウムの酸化物であるコルンブ石の密度（5.918 g/cm3）と、タンタルの酸化物であるタンタル石の密度（8 g/cm3以上）を比較し、密度がかなり違うにもかかわらずこの2つの酸化物は同じものであると結論付け、タンタルの方の名前を採用した。この結論に対し、1846年にドイツの化学者ハインリヒ・ローゼは異論を唱え、タンタル石にはさらに2つの異なる元素が含まれていると主張して、タンタロスの子供にちなんで、ニオベーからニオブ、ペロプスからペロピウムと名付けた。こうした混乱は、タンタルとニオブの間の観測された差異が非常に小さいことから生じていた。新しい元素だとされたペロピウム、イルメニウム、ダイアニウムといったものは、実際にはニオブか、またはニオブとタンタルの混合物であった。タンタルとニオブの差異は、1864年にクリスチャン・ヴィルヘルム・ブロムストラントやアンリ・サント＝クレール・ドビーユらがはっきりと示し、1864年にはルイ・ジョゼフ・トローストがいくつかの化合物の構造式を決定し、最終的にスイスの化学者ジャン・マリニャックが1866年に、含まれている元素は2種類だけであることを証明した。しかしイルメニウムという元素に関する記事は1871年まで残っている。マリニャックは1864年に、水素雰囲気中でニオブの塩化物を熱して還元することにより初めてニオブの金属形態を得た。マリニャックは1866年にはタンタルを含まないニオブを大

用途と応用

ニオブが商業的に初めて利用されたのは20世紀初めになってからであった。ニオブおよび、ニオブと鉄の合金（60-70パーセントがニオブ）であるフェロニオブの最大生産国はブラジルである。ニオブは主に合金として用いられ、ガスのパイプラインなどに用いられる特殊合金が最大の用途である。こうした合金は最大でも0.1パーセント程度のニオブを含有するだけであるが、このわずかなニオブにより鋼鉄の強度を増大させる。ニオブを含む超合金の温度安定性の高さから、ジェットエンジンやロケットエンジンといった用途が重要である。ニオブは様々な超伝導材料に用いられる。こうした超伝導合金は、チタンやスズも含むものが、核磁気共鳴画像法 (MRI) の超伝導電磁石に広く用いられている。ニオブのその他の用途として、溶接、原子力産業、電子、光学、貨幣、宝飾といったものがある。貨幣と宝飾の用途では、毒性が低いことと、陽極酸化処理により虹色を呈することが、非常に望ましい特性として利用されている。2006年に生産されたニオブ44,500トンのうち、推定で90パーセントは高級構造用鋼鉄の生産に用いられた。2番目の用途は超合金の生産である。ニオブ合金による超伝導体や電気部品などでのニオブ消費は、世界のニオブ総生産量のほんのわずかな部分を占めるに過ぎない。ニオブは鋼鉄にマイクロアロイ（少量を添加して性質改善を行う）を行う上で有用な材料であり、鋼材内では炭化ニオブや窒化ニオブを形成する。こうした化合物は細粒化を改善し、再結晶化と析出硬化を遅らせる。こうした効果により、硬度・強度・成形性・溶接性などを改善する。マイクロアロイを実施したステンレス鋼に含まれるニオブは少ないが（0.1パーセント以下）、現代の自動車に構造上広く用いられている高張力鋼にとって重要な添加剤である。同様のニオブ合金は、パイプラインの建設にも用いられる。多くのニオブがニッケル、コバルト、鉄をベースとした超合金に用いられており、その含有比率は6.5パーセントにも達する。ジェットエンジン部品、ガスタービン、ロケット部品、ターボチャージャー装置、耐熱部品、燃焼設備などに

同位体

地球の地殻に含まれるニオブの安定同位体は、93Nbのみである。2003年までに、少なくとも32の放射性同位体が合成されており、その原子量は81から113に及ぶ。放射性同位体の中で最も安定なものは92Nbで、その半減期は3470万年に達する。不安定な同位体としては113Nbがあり、その推定半減期は30ミリ秒である。安定同位体の93Nbより軽い同位体は陽電子放出で崩壊する傾向にあり、安定同位体より重い同位体はベータ崩壊をする傾向にあるが、81Nb、82Nb、84Nbは遅延陽子放出の崩壊系列を持ち、91Nbは電子捕獲と陽電子放出し、92Nbは陽電子放出とベータ崩壊の両方の崩壊をするという例外がある。少なくとも25種類の核異性体が確認されており、その原子量は84から104に及ぶ。この範囲で、96Nb、101Nb、103Nbは核異性体を持たない。ニオブの核異性体の中で最も安定なものは93mNbで、半減期16.13年を持つ。最も不安定な核異性体は84mNbで、半減期103ナノ秒を持つ。ニオブの核異性体は全て核異性体転移またはベータ崩壊で崩壊するが、例外として92m1Nbは電子捕獲という系列を持つ。