鈮

當於1801年考察在大英博物館的礦石時 ^[2]  ，Charles Hatchett被一個標籤為columbite（鈳鐵礦）的樣本激起了興趣。他推測其包含一種新的金屬，他是對的。他加熱一塊樣本與碳酸鉀，溶解產物到水中，添加了酸後獲得了沉澱物。然而，進一步的處理也沒能生產出元素本身，他命名其為columbium（鈳——鈮元素的舊譯），被人們已知多年。

其他人則對鈳持懷疑態度，尤其是在接下來的一年發現了鉭之後。這些金屬在大自然中一起出現，而且很難分離。在1844年德國化學家Heinrich Rose證明了鈳鐵礦包含了這兩種元素，他把columbium（鈳）命名為niobium（鈮）。“Columbium”（鈳，符號Cb）是哈契特對新元素所給的最早命名。這一名稱在美國一直有廣泛的使用，美國化學學會在1953年出版了最後一篇標題含有“鈳”的論文；“鈮”則在歐洲通用。1949年在阿姆斯特丹舉辦的化學聯合會第15屆會議最終決定以“鈮”作為第41號元素的正式命名。翌年，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）也採納了這一命名，結束了一個世紀來的命名分歧，儘管“鈳”的使用時間更早。這可算是一種妥協：IUPAC依北美的用法選擇“Tungsten”而非歐洲所用的“Wolfram”作為鎢的命名，並在鈮的命名上以歐洲的用法為先。具權威性的化學學會和政府機構都一般以IUPAC正式命名稱之，但美國地質調查局以及冶金業、金屬學會等組織至今仍使用舊名“鈳”。

當時，科學家未能有效地把鈳（鈮）和性質極為相似的鉭區分開來。1809年，英國化學家威廉·海德·沃拉斯頓（William Hyde Wollaston）對鈳和鉭的氧化物進行比較，得出兩者的密度分別為5.918g/cm³及超過16.6g/cm³。雖然密度值相差巨大，但他仍認為兩者是完全相同的物質。另一德國化學家海因裏希·羅澤（Heinrich Rose）在1846年駁斥這一結論，並稱原先的鉭鐵礦樣本中還存在着另外兩種元素。他以希臘神話中坦塔洛斯的女兒尼俄伯（Niobe，淚水女神）和兒子珀羅普斯（Pelops）把這兩種元素分別命名為“Niobium”（鈮）和“Pelopium”。鉭和鈮的差別細微，而因此得出的新“元素”Pelopium、Ilmenium和Dianium實際上都只是鈮或者鈮鉭混合物。

1864年，克利斯蒂安·威廉·布隆斯特蘭（Christian Wilhelm Blomstrand）、亨利·愛丁·聖克萊爾·德維爾和路易·約瑟夫·特羅斯特（Louis Joseph Troost）明確證明了鉭和鈮是兩種不同的化學元素，並確定了一些相關化合物的化學公式。瑞士化學家讓-夏爾·加利薩·德馬里尼亞（Jean Charles Galissard de Marignac）在1866年進一步證實除鉭和鈮以外別無其他元素。然而直到1871年還有科學家發表有關Ilmenium的文章。

1864年，德馬里尼亞在氫氣中對氯化鈮進行還原反應，首次製成鈮金屬。雖然他在1866年已能夠製備不含鉭的鈮金屬，但要直到20世紀初，鈮才開始有商業上的應用：電燈泡燈絲。鈮很快就被鎢淘汰了，因為鎢的熔點比鈮更高，更適合作燈絲材料。1920年代，人們發現鈮可以加強鋼材，這成為鈮一直以來的主要用途。貝爾實驗室的尤金·昆茲勒（Eugene Kunzler）等人發現，鈮錫在強電場、磁場環境下仍能保持超導性，這使鈮錫成為第一種能承受高電流和磁場的物質，可用於大功率磁鐵和電動機械。這一發現促使了20年後多股長電纜的生產。這種電纜在繞成線圈後可形成大型強電磁鐵，用在旋轉機械、粒子加速器和粒子探測器當中。

純淨的金屬樣本在1864年由Christian Blomstrand製取，他用氫氣加熱還原氯化鈮實現。

一種金屬元素。鈮能吸收氣體，用作除氣劑，也是一種良好的超導體。舊稱“鈳”。化學符號Nb，原子序數41，原子量92.90638，屬週期系ⅤB族。1801年英國查爾斯·哈切特（Charles·Hatchett）在研究倫敦大英博物館中收藏的鈮鐵礦中分離出一種新元素的氧化物，並命名該元素為columbium（中譯名鈳）。1802年瑞典A.G.厄克貝里在鉭鐵礦中發現另一種新元素tantalum。由於這兩種元素性質上非常相似，不少人認為它們是同一種元素。由於它與鉭非常相似，起初他竟搞混了。1844年德意志H.羅澤詳細研究了許多鈮鐵礦和鉭鐵礦，分離出兩種元素，才澄清了事實真相。最後查爾斯·哈切特用神話中的女神尼俄伯（Niobe）的名字命名了該元素。在歷史上，最初人們用鈮所在的鈮鐵礦的名字“columbium”來稱呼鈮。鈮在地殼中的含量為0.002%，鈮在地殼中的自然儲量為520萬噸，可開採儲量440萬噸，主要礦物有鈮鐵礦、燒綠石和黑稀金礦、褐釔鈮礦、鉭鐵礦、鈦鈮鈣鈰礦。

自然產生的鈮由一種穩定同位素組成：⁹³Nb。截至2003年，已合成的放射性同位素共有至少32種，原子量在81和113之間。其中最穩定的是⁹²Nb，半衰期有3470萬年；¹¹³Nb是最不穩定的同位素之一，其半衰期估計只有30毫秒。比⁹³Nb更輕的同位素一般進行β⁺衰變，比它重的則會進行β^-衰變。例外包括：⁸¹Nb、⁸²Nb和⁸⁴Nb會進行少量β緩髮質子發射，⁹¹Nb會進行電子捕獲和正電子發射，而⁹²Nb會同時進行正電子（β⁺）和電子（β^-）發射。

已知的核素共有25種，質量數介乎84至104。這個質量區間內的同位素中，只有⁹⁶Nb、¹⁰¹Nb和¹⁰³Nb不具有同核異構體。最穩定的鈮同核異構體是^93mNb，半衰期為16.13年；最不穩定的是^84mNb，半衰期為103納秒。除^92m1Nb進行少量電子捕獲之外，所有同核異構體的衰變方式都是同核異構體轉換或β衰變。

元素符號：Nb

元素英文名稱：niobium

元素類型：金屬元素

原子體積：10.87cm³/mol

元素在太陽中的含量:0.004(ppm)

元素在海水中的含量：0.0000009(ppm)

地殼中含量：20（ppm）

相對原子質量：92.90638

原子序數：41

所屬週期：5

所屬族數：VB

核外電子排布：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d⁴5s^{1 [3]} 

電子層排布：2，8，18，12，1 ^[3] 

晶體結構：晶胞為體心立方晶胞，每個晶胞含有2個金屬原子。

晶胞參數：a = 330.04 pm，b = 330.04 pm，c = 330.04 pm，α = 90°， β = 90°， γ = 90°

化合價：+5（主要），-3，-1，0，+1，+2，+3，+4

莫氏硬度：6

聲音在其中的傳播速率：3480（m/s）

電離能(kJ/mol)

M - M⁺ 664

M⁺ - M²⁺ 1382

M²⁺ - M³⁺ 2416

M³⁺ - M⁴⁺ 3695

M⁴⁺ - M⁵⁺ 4877

M⁵⁺ - M⁶⁺ 9899

M⁶⁺ - M⁷⁺ 12100

鈮是灰白色金屬，熔點2468℃，沸點4742℃，密度8.57g/cm³。鈮是一種帶光澤的灰色金屬，具有順磁性，高純度鈮金屬的延展性較高，但會隨雜質含量的增加而變硬。它的最外電子層排布和其他的5族元素非常不同。同樣的現象也出現在前後的釕（44）、銠（45）和鈀（46）元素上。

鈮在低温狀態下會呈現超導體性質。在標準大氣壓力下，鈮的超導臨界轉變温度

為9.25K，是所有具有超電導性質的金屬中最高的。 ^[5]  其磁穿透深度也是所有元素中最高的。鈮是三種單質第II類超導體之一，其他兩種分別為釩和鍀。鈮金屬的純度會大大影響其超導性質。

鈮對於熱中子的捕獲截面很低，因此在核工業上有相當的用處。

室温下鈮在空氣中穩定，在氧氣中紅熱時也不被完全氧化，高温下與硫、氮、碳直接化合，能與鈦、鋯、鉿、鎢形成合金。不與無機酸或鹼作用，也不溶於王水，但可溶於氫氟酸。

鈮金屬室温下在空氣中是極其穩定的，不與空氣作用。雖然它在單質狀態下的熔點較高（2468°C），但其密度卻比其他難熔金屬低。鈮還能抵禦各種侵蝕，並能形成介電氧化層。

鈮的電正性比位於其左邊的鋯元素低。其原子大小和位於其下方的鉭元素原子幾乎相同，這是鑭系收縮效應所造成的。這使得鈮的化學性質與鉭非常相近。雖然它的抗腐蝕性沒有鉭這麼高，但是它價格更低，也更為常見，所以在要求較低的情況下常用以代替鉭，例如作化工廠化學物槽內塗層物料。

金屬鈮可用電解熔融的七氟鈮酸鉀製取，也可用金屬鈉還原七氟鈮酸鉀或金屬鋁還原五氧化二鈮製取。純鈮在電子管中用於除去殘留氣體，鋼中摻鈮能提高鋼在高温時的抗氧化性，改善鋼的焊接性能。鈮還用於製造高温金屬陶瓷。

開採所得的礦石要經過分離過程，使五氧化二鉭（Ta₂O₅）和五氧化二鈮（Nb₂O₅）從其他礦物中脱離出來。加工過程的首個步驟是與氫氟酸反應：

Ta₂O₅+ 14 HF → 2 H₂[TaF₇] + 5 H₂O

Nb₂O₅+ 10 HF → 2 H₂[NbOF₅] + 3 H₂O

讓-夏爾·加利薩·德馬里尼亞發明了產業規模的分離方法，利用了鈮和鉭的氟化物配合物所擁有的水溶性差異。新的方法則使用類似環己酮的有機溶劑把氟化物從水溶液中萃取出來，再用水將鈮和鉭的配合物從有機溶劑中分別提取。加入氟化鉀能使鈮沉澱成氟化鉀配合物，而加入氨則可沉澱出五氧化二鈮：

H₂[NbOF₅] + 2 KF → K₂[NbOF₅]↓ + 2 HF

然後：

2 H₂[NbOF₅] + 10 NH₄OH → Nb₂O₅↓ + 10 NH₄F + 7 H₂O

從化合物到金屬態的還原方法有幾種。一是對K₂[NbOF₅]和氯化鈉的熔融混合物進行電解，二是用鈉對氟化鈮進行還原。這種方法所得出的鈮金屬具有較高的純度。在大規模生產中，則一般使用氫或碳對Nb₂O₅進行還原。另一種方法利用鋁熱反應，其中氧化鐵和氧化鈮與鋁反應：

3 Nb₂O₅+ Fe₂O₃+ 12 Al → 6 Nb + 2 Fe + 6 Al₂O₃

少量類似硝酸鈉的氧化添加劑可以加強以上反應。這樣會產生氧化鋁和鈮鐵合金，後者可用於鋼鐵生產。鈮鐵一般含有60%至70%的鈮。如不加入氧化鐵，鋁熱反應會產生鈮金屬，不過要經純化過程才可製成具超導性質的高純度鈮合金。世界最大的兩家鈮經銷商所用的方法是真空電子束熔鍊。

截至2013年，巴西冶金及礦業有限公司（葡萄牙語：Cia.Brasileira de Metalurgia & Mineração）控制了世界85%的鈮生產。美國地質調查局估計，鈮產量從2005年的38,700噸升至2006年的44,500噸。全球鈮資源存量估計有440萬噸。在1995至2005年間，產量從17,800噸上升至雙倍以上。2009年至2011年，產量維持在每年63,000噸的穩定狀態。

鈮在很多方面都與鉭及鋯十分相似。它會在室温下與氟反應，在200°C下與氯和氫反應，以及在400°C下與氮反應，產物一般都是間隙非整比化合物。鈮金屬在200°C下會在空氣中氧化，且能抵禦熔融鹼和各種酸的侵蝕，包括王水、氫氯酸、硫酸、硝酸和磷酸等。不過氫氟酸以及氫氟酸和硝酸的混合物則可以侵蝕鈮。

雖然鈮可以形成氧化態為+5至−1的各種化合物，但它最常見的還是處於+5氧化態。氧化態低於+5的鈮化合物中都含有鈮﹣鈮鍵。

鈮的氧化物可以有以下的氧化態：+5（Nb₂O₅）、+4（NbO₂）和+3（Nb₂O₃），另外較罕見的有+2態（NbO）。五氧化二鈮是最常見的鈮氧化物，鈮金屬及所有鈮化合物的製備都需從其開始。要製成鈮酸鹽，可將五氧化二鈮溶於鹼性氫氧化物溶液中，或熔化於鹼金屬氧化物中。鈮酸鋰（LiNbO₃）具有鈣鈦礦型偏三方晶系結構，而鈮酸鑭則含孤立的NbO₃⁻離子。其他已知化合物還包括硫化鈮（NbS₂），它會形成層狀結構。

利用化學氣相沉積法或原子層沉積法可以在物料表面加上五氧化二鈮薄層，兩種方法均用到乙醇鈮(V)在350°C以上會熱分解的原理。

鈮可以形成擁有+5和+4氧化態的鹵化物，以及各種亞化學計量化合物。五鹵化鈮（NbX₅）含有八面體型鈮中心原子。五氟化鈮（NbF₅）是一種白色固體，熔點為79.0°C，而五氯化鈮（NbCl₅則呈黃色，熔點為203.4°C。兩者均可經水解形成氧化物和滷氧化物，例如NbOCl₃。五氯化鈮也是一種具揮發性的試劑，可用於合成包括二氯二茂鈮（(C₅H₅)₂NbCl₂）在內的各種有機金屬化合物。鈮的四鹵化物（NbX₄）都是深色的聚合物，內含鈮﹣鈮鍵，如呈黑色、具吸濕性的四氟化鈮（NbF₄）和棕色的四氯化鈮（NbCl₄）。

鈮的鹵化物負離子也存在，這是因為鈮的五鹵化物都是路易斯酸。最重要的一種為[NbF₇]，它是鈮和鉭的礦物分離過程中的一箇中間化合物。它比對應的鉭化合物更易轉換為氧五氟化物。其他鹵化配合物還包括[NbCl₆]：

Nb₂Cl₁₀+ 2Cl→ 2 [NbCl₆]

鈮還會形成多種還原鹵化物原子簇，如[Nb₆Cl₁₈]。

氮化鈮（NbN）在低温下會變成超導體，被用在紅外線探測器中。最主要的碳化鈮是NbC，其硬度極高，是一種耐火的陶瓷材料，可用作切割工具刀頭材料。

根據估算，鈮在地球地殼中的丰度為20％，在所有元素中排列第33位。部分科學家認為，鈮在整個地球中的含量更高，但因密度高而主要聚集在地核中。鈮在自然界中不以純態出現，而是和其他元素結合形成礦物。這些礦物一般也含有鉭元素，例如即鈮鐵礦(Fe,Mn)(Nb,Ta)₂O₆）和鈳鉭鐵礦（(Fe,Mn)(Ta,Nb)₂O₆）。含鈮、鉭的礦物通常是偉晶岩和鹼性侵入岩中的副礦物。其他礦物還有鈣、鈾和釷以及稀土元素的鈮酸鹽，例如燒綠石（(Na,Ca)₂Nb₂O₆(OH,F)）和黑稀金礦（(Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)₂O₆）等。這

巴西和加拿大擁有最大的燒綠石礦藏。兩國在1950年代發現這些礦藏，至今仍是鈮精礦的最大產國。世界最大礦藏位於巴西米納斯吉拉斯州阿拉沙的一處碳酸鹽侵入岩地帶，屬於CBMM（巴西礦物冶金公司）；另一礦藏位於戈亞斯，屬於英美資源，同樣是碳酸鹽侵入岩。以上兩個礦場的產量佔世界總產量的75%。第三大礦場位於加拿大魁北克省薩格奈附近，產量佔世界7%。

人們很早以前就發現，當温度降低到接近絕對零度的時俟，有些物質的化學性質會發生突然的改變，變成一種幾乎沒有電阻的“超導體”。物質開始具有這種奇異的“超導”性能的温度叫臨界温度。不用説，各種物質的臨界温度是不一樣的。

要知道，超低温度是很不容易得到的，人們為此而付出了巨大的代價；越向絕對零度接近，需要付出的代價越大。所以我們對超導物質的要求，當然是臨界温度越高越好。

具有超導性能的元素不少，鈮是其中臨界温度最高的一種。而用鈮製造的合金，臨界温度高達絕對温度十八點五到二十一度，是目前最重要的超導材料。

人們曾經做過這樣一個實驗：把一個冷到超導狀態的金屬鈮環，通上電流然後再斷開電流，然後，把整套儀器封閉起來，保持低温。過了兩年半後，人們把儀器打開，發現鈮環裏的電流仍在流動，而且電流強弱跟剛通電時幾乎完全相同！

從這個實驗可以看出，超導材料幾乎不會損失電流。如果使用超導電纜輸電，因為它沒有電阻，電流通過時不會有能量損耗，所以輸電效率將大大提高。

有人設計了一種高速磁懸浮列車，它的車輪部位安裝有超導磁體，使整個列車可以浮起在軌道上約十釐米。這樣一來，列車和軌道之間就不會再有摩擦，減少了前進的阻力。一列乘載百人的磁懸浮列車，只需一百馬力的推動力，就能使速度達到每小時五百公里以上。

用一條長達二十公里的鈮錫帶，纏繞在直徑為一點五米的輪緣上，繞組能夠產生強烈而穩定的磁場，足以舉起一百二十二公斤的重物，並使它懸浮在磁場空間裏。如果把這種磁場用到熱核聚變反應中，把強大的熱核聚變反應控制起來，那就有可能給我們提供大量的幾乎是無窮無盡的廉價電力。

人們曾用鈮鈦超導材料製成了一台直流發電機。它的優點很多，比如説體積小，重量輕，成本低，與同樣大小的普通發電機相比，它發的電量要大一百倍。

世界上很大一部份鈮以純金屬態或以高純度鈮鐵和鈮鎳合金的形態，用於生產鎳、鉻和鐵基高温合金。這些合金可用於噴射引擎、燃氣渦輪發動機、火箭組件、渦輪增壓器和耐熱燃燒器材。鈮在高温合金的晶粒結構中會形成γ相態。這類合金一般含有最高6.5%的鈮。Inconel718合金是其中一種含鈮鎳基合金，各元素含量分別為：鎳50%、鉻18.6%、鐵18.5%、鈮5%、鉬3.1%、鈦0.9%以及鋁0.4%。應用包括作為高端機體材料，如曾用於雙子座計劃。

C-103是一種鈮合金，它含有89%的鈮、10%的鉿和1%的鈦，可用於液態火箭推進器噴管，例如阿波羅登月艙的主引擎。阿波羅服務艙則使用另一種鈮合金。由於鈮在400°C以上會開始氧化，所以為了防止它變得易碎，須在其表面塗上保護塗層。

鈮在外科醫療上也佔有重要地位，它不僅可以用來製造醫療器械，而且是很好的“生物適應性材料”，因為它有極好的抗蝕性，不會與人體裏的各種液體物質發生作用，並且幾乎完全不損傷生物的機體組織，對於任何殺菌方法都能適應，所以可以同有機組織長期結合而無害地留在人體裏。

在鋼的各種微合金化元素中，廢鈮是最有效的微合金化元素，鈮的作用如此之大，以至於鐵原子中含有豐富的鈮原子，就能達到改善鋼性能的目的。實際上鋼中加入0.001%—0.1%的鈮，就足以改變鋼的力學性能。例如：當加入0.1%的合金化元素時，提高鋼的屈服強度依次為：鈮118MPa；釩71.5MPa；鉬40MPa；錳17.6MPa；鈦為零。實際上鋼中只需加入0.03%—0.05%Nb，鋼的屈服強度便可提高30%以上。而鋼的成本每噸僅增1美元。例如：普通中碳鋼的屈服強度一般為250MPa，加入微量鈮可使強度提高到350—800MPa。

鈮作為微合金化元素加入鋼中並不改變鐵的結構，而是與鋼中的碳#氮#硫結合，改變鋼的顯微結構。鈮對鋼的強化作用主要是的是細晶強化和彌散強化，鈮能和鋼中的碳氮生成穩定的碳化物和碳氮化物。而且還可以使碳化物分散並形成具有細晶化的鋼。

鈮還可以通過誘導析出和控制冷卻速度，實現析出物彌散分佈。在較寬的範圍內調整鋼的韌性水平。因此，加入鈮不僅可以提高鋼的強度，還可以提高鋼的韌性、抗高温氧化性和耐蝕性!降低鋼脆性轉變温度，獲得好的焊接性能和成型性能

鈮酸鋰是一種電鐵性物質，在手提電話和光調變器中以及表面聲波設備的製造上有廣泛的應用。它的晶體結構屬於ABO₃型，與鉭酸鋰和鈦酸鋇相同。鈮可以代替鉭電容器中的鉭，降低成本，但鉭電容器仍較為優勝。

在錢幣上，鈮有時會與金和銀一起用在紀念幣上作貴重金屬。例如，奧地利自2003年起，生產了一系列銀鈮歐羅幣，其顏色是陽極化過程形成的氧化物表層衍射所產生的。2012年，共有十種中心顏色不同的錢幣，共包括藍、綠、棕、紫和黃。另外含有鈮的錢幣還有2004年的奧地利賽梅林鐵路150週年紀念幣，以及2006年歐洲衞星導航紀念幣。2011年，加拿大皇家造幣廠開始鑄造稱為“狩獵月”（Hunter's Moon）的5加元純銀和鈮幣。其中的鈮經過特殊的氧化過程，所以沒有兩件成品是完全一樣的。

鈮（或摻有1%鋯）是高壓鈉燈電弧管的密封材料，因為鈮的熱膨脹係數與經燒結的礬土弧光燈陶瓷材料非常相近。這種用於鈉燈的陶瓷可以抵禦化學侵蝕，也不會與燈內的高温鈉液體和氣體產生還原反應。鈮也被用在電弧焊條上，用來焊接某些穩定化不鏽鋼。一些大型水箱的陰極保護系統中以鈮作為陽極的材料，陽極一般再鍍上一層鉑。

鈮粉一般用粉未冶金法制取，外觀呈深灰色，供加工原料和生產電焊條等用。根據產品使用要求不同，鈮粉分為FNb-1、FNb-2和FNb-3三個牌號。FNb-1和FNb-2鈮粉應通過150um（100目）篩孔，FNb-3鈮粉應通過180um（80目）篩孔。

在金屬鈮中加入金屬鋯所組成的合金。鋯在鈮合金中主要以固溶體狀態存在，當存微量及碳或添加微量碳時，則有少量碳化物及氧化物彌散析出，所以鈮鋯使合金具有較高的強度和良好的塑性加工性能，抗氧性和抗鹼金屬腐蝕性能好。

用液-液萃取法制得的鈮的氧化物，呈白色或淺黃色粉未狀，供生產鈮粉、鈮條和陶瓷電容器等用。根據使用要求及化學成分不同，產品劃分為FNb2O5-1、FNb2O5-2、和FNb2O5-3三個牌號。 ^[1] 

鈮元素沒有已知的生物用途。鈮粉末會刺激眼部和皮膚，並有可能引發火災；但成塊鈮金屬則完全不影響生物體（低過敏性），因此是無害物質。鈮常見於首飾中，而一些醫學植入物也含有鈮。

某一些鈮化合物具有毒性，但一般人很難接觸到這些物質。鈮酸鹽和氯化鈮都可溶於水，科學家已在老鼠身上進行了實驗，觀察短期和長期接觸這些化合物所帶來的效果。對於老鼠，單次注入五氯化鈮或鈮酸鹽的半數致死量（LD₅₀）為10至100mg/kg之間。經口服的毒性較低，對於老鼠的LD₅₀值在七天後為940mg/kg。