最終更新：2025年12月16日

ニオブ (41)：CERNと現代の鋼の超伝導体

ニオブの発見の歴史

ニオブは1801年、イギリスの化学者チャールズ・ハチェット (1765-1847) によって発見され、アメリカにちなんでコロンビウムと名付けられました。1844年、ドイツの化学者ハインリヒ・ローゼ (1795-1864) は、タンタルを含む鉱物に第二の異なる元素が含まれていることを示し、ギリシャ神話のタンタロスの娘ニオベにちなんでニオブと命名しました。

命名をめぐる論争は、ニオブを支持するヨーロッパの化学者とコロンビウムを支持するアメリカの化学者の間で1世紀以上続きました。 1950年、IUPACは正式にニオブという名前を採用しました。純粋な金属ニオブの単離は1864年、クリスチャン・ヴィルヘルム・ブロムストランドによって達成されました。

構造と基本的な性質

ニオブ（記号Nb、原子番号41）は、周期表の5族に属する遷移金属です。その原子は41個の陽子、通常52個の中性子（唯一の安定同位体 \(\,^{93}\mathrm{Nb}\)）、および電子配置 [Kr] 4d⁴ 5s¹ の41個の電子を持ちます。

ニオブは光沢のある灰白色の金属で、わずかに青みがかった光沢があります。密度は8.57 g/cm³で、比較的柔らかく展性があります。すべての温度で体心立方構造（bcc）で結晶化します。ニオブの融点は2477 °C（2750 K）、沸点は4744 °C（5017 K）です。

ニオブの最も注目すべき性質は超伝導性です。ニオブは9.2 K（-263.95 °C）以下で超伝導になり、これはすべての純粋な金属元素の中で最も高い臨界温度です。この性質により、ニオブはほとんどの産業用超伝導応用の基本材料となっています。

ニオブの融点：2750 K（2477 °C）。
ニオブの沸点：5017 K（4744 °C）。
超伝導臨界温度：9.2 K（-263.95 °C）。

ニオブの同位体表

ニオブの同位体（基本的な物理的性質）
同位体 / 記号	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	崩壊 / 備考
ニオブ-93 — \(\,^{93}\mathrm{Nb}\,\)	41	52	92.906378 u	100 %	安定	ニオブの唯一の安定同位体。ニオブは単核種元素です。
ニオブ-92 — \(\,^{92}\mathrm{Nb}\,\)	41	51	91.907194 u	合成	≈ 3.47 × 10⁷ 年	放射性（電子捕獲）。宇宙化学で太陽系初期を年代測定するために使用される絶滅同位体。
ニオブ-94 — \(\,^{94}\mathrm{Nb}\,\)	41	53	93.907283 u	合成	≈ 2.03 × 10⁴ 年	放射性（β⁻）。宇宙線によって生成され、隕石の曝露年代測定に使用されます。
ニオブ-95 — \(\,^{95}\mathrm{Nb}\,\)	41	54	94.906835 u	合成	≈ 35.0 日	放射性（β⁻）。重要な核分裂生成物。研究でのトレーサーとして使用されます。

ニオブの電子配置と電子殻

N.B.：
電子殻：電子が原子核の周りにどのように配置されているか。

ニオブは5つの電子殻に41個の電子を持ちます。その完全な電子配置は：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d⁴ 5s¹、または簡略化すると：[Kr] 4d⁴ 5s¹。この配置はK(2) L(8) M(18) N(12) O(1)とも書けます。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1)：1s軌道に2個の電子を含みます。この内殻は完全で非常に安定しています。
L殻 (n=2)：2s² 2p⁶に8個の電子が分布しています。この殻も完全で、貴ガス配置（ネオン）を形成します。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d¹⁰に18個の電子が分布しています。この完全な殻は電子シールドに寄与します。
N殻 (n=4)：4s² 4p⁶ 4d⁴に12個の電子が分布しています。4個の4d電子は価電子です。
O殻 (n=5)：5s軌道に1個の電子を含みます。この電子も価電子です。

価電子と酸化状態

ニオブは5個の価電子を持ちます：4個の4d⁴電子と1個の5s¹電子。最も一般的で安定な酸化状態は+5で、ニオブはNb⁵⁺イオンを形成します。五酸化ニオブ（Nb₂O₅）が最も重要な化合物です。+4、+3、+2、+1の酸化状態は、より安定性の低い化合物に存在します。ニオブの電気陰性度（パウリングスケールで1.6）は中程度です。

化学的反応性

室温では、ニオブは薄い保護酸化物層（Nb₂O₅）のため、腐食に対して非常に耐性があります。200 °C以上で著しく酸化し、 400 °C以上の純酸素中で燃焼します：4Nb + 5O₂ → 2Nb₂O₅。

ニオブは高温でハロゲンと反応し、五ハロゲン化物を形成します：2Nb + 5X₂ → 2NbX₅。酸化物層のためほとんどの酸に耐性がありますが、フッ化水素酸には侵され、この保護層が溶解します。ニオブは水素を可逆的に吸収し、多くの金属、特に超伝導Nb-Ti合金と合金を形成します。

ニオブの産業および技術的応用

MRI、粒子加速器、核融合用の超伝導磁石（Nb-Ti合金およびNb₃Sn化合物）;
パイプライン、自動車、建設用のHSLA鋼の微量添加元素;
航空機タービンおよび発電所用のニッケル基超合金;
CERNのLHCの超伝導高周波共振キャビティ;
ジュエリーおよびボディピアス（低アレルギー性でアノダイズにより着色可能）;
電子機器用の高性能電解コンデンサ;
高温炉用るつぼおよび部品用の耐火材料;
核および航空宇宙用途の溶接合金;
医療用インプラントおよび整形外科用プロテーゼ（優れた生体適合性）;
化学合成および石油精製用の触媒;
量子コンピューティング（超伝導キュービット）の基礎研究。

超伝導と高エネルギー物理学

ニオブは超伝導技術の中心です。ニオブ-チタン合金（Nb-Ti、47% Ti）は世界で最も広く使用されている超伝導材料で、 10 K以下で超伝導になり、15テスラまでの磁場に耐えます。医療用MRI、NMR分光計、粒子加速器用に年間1000トン以上のNb-Tiが生産されています。

CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は、超伝導磁石に約1200トンのニオブを使用しています。1232個の双極磁石は、超流動ヘリウムによって1.9 Kに冷却され、8.3テスラの磁場を発生させて陽子ビームを誘導します。LHCのRF共振キャビティは、超高純度ニオブで作られ、2 Kに冷却され、驚異的なエネルギー効率で粒子を加速します。

より強い磁場（最大25-30テスラ）には、Nb₃Sn化合物が使用されますが、脆さと製造の複雑さがあります。その臨界温度18.3 Kは、従来の金属超伝導体の中で最も高いです。

鋼の冶金におけるニオブ

世界のニオブ生産量の約85%が鋼に使用されています。鋼に微量（0.01〜0.1%）のニオブを添加すると、機械的特性が劇的に向上します。ニオブは微細に分散した炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化し、強度を大幅に向上させながら、延性と溶接性を維持します。

ニオブを微量添加したHSLA鋼は、石油・ガス輸送パイプライン、自動車構造（軽量化と安全性向上）、建設に大量に使用されています。これらの応用は、年間数百万トンのニオブ鋼の生産を表しています。ニオブ安定化ステンレス鋼（347型および348型）は、化学および原子力産業での粒界腐食に耐性があります。

天体物理学および宇宙論における役割

ニオブは、主にII型超新星および中性子星の合体時に起こるrプロセス（急速中性子捕獲）によって星で合成されます。ニオブの宇宙存在量は極めて低く、水素の約7×10⁻¹¹倍であり、宇宙で最も希少な元素の一つです。

ニオブ-92は、非常に長い半減期（3470万年）を持つ放射性同位体で、太陽系形成時には存在しましたが、現在は完全に崩壊しています。一部の原始隕石で間接的に検出されています。初期の⁹²Nb/⁹³Nb比は、核合成と太陽系初期の固体形成の間の時間制約を提供します。

N.B.：
ニオブは地殻中に約0.0020%（20 ppm）の平均濃度で存在し、リチウムに匹敵します。主な鉱石はピロクロア（NaCaNb₂O₆F）で、55-65%のNb₂O₅を含みます。ブラジルは世界生産の85-90%を占め、主にアラシャー鉱山から年間15万トン以上のフェロニオブを生産しています。

金属ニオブは、フェロニオブ用のアルミノ熱還元、または超伝導応用用の高純度ニオブ用の五塩化物（NbCl₅）のマグネシウム熱還元によって生産されます。世界の総生産量は年間約10万トン（ニオブ含有量）です。フェロニオブの価格は1キログラムあたり40〜50ドル、高純度ニオブは200〜400ドルです。

ニオブは、鋼、航空宇宙、エネルギー産業への戦略的重要性と、ブラジルでの生産の地理的集中度の高さから、欧州連合およびアメリカ合衆国によって重要材料と見なされています。世界の需要は年間3〜5%の割合で着実に増加しています。