Gewichtige Zwillinge: Niob und Tantal

Die Elemente Niob und Tantal sind in den Schlüsselbranchen unseres Zeitalters nicht mehr  wegzudenkende Metalle und Rohstoffe. Sie sind sich wegen der Stellung im Periodensystem der Elemente in der 5.  Nebengruppe mit 5 Außenelektronen und fast gleichem Atomradius äußerst ähnlich. Sie kommen selten in der Natur vor, aber nie als freie Metalle.

Vor allem Niob ist ein sehr begehrtes Metall, welches 8-mal teurer ist als Kupfer und im Schatten von Gold und Aluminium immer wichtiger wird. Durch die Ähnlichkeit kommen beide meist zusammen in der Natur vor, und zwar vor allem im Mineral Columbit (aus Pegmatiten). Vorkommen von Tantal liegen in Ruanda, der Demokratischen Republik Kongo, Australien und Brasilien.

Tantalit-(Fe), Assuncao Mine, Satao, Portugal. BH: 4cm, Foto: Diether GRÄF.

Einige Tantalerze werden als „Konfliktmineralien“ erschwert gehandelt. Sie tragen die politisch gefärbte Bezeichnung „Coltan“, weil deren Produktionsorte im Osten des Kongos liegen und deren Erlöse die Kriege dort finanzieren.

Allerdings stammt ein Teil des Tantal-Angebotes aus Schlacken, die bei der Verhüttung von Zinnerzen anfallen. Vor einiger Zeit wurden die Schlacken unter dem Marktplatz von Georgetown (frühere Schlackenkippe der Zinn-Schmelze) auf der Insel Penang (Malaysia) an China verkauft und mit dessen Erlös das neue Sport-Stadion gut finanziert.

Niob wird gerne aus Mineralien der Pyrochlor-Gruppe (aus Carbonatiten) gewonnen, in denen es ohne Ta vorkommt, weil hier die mühsame Trennung vom Ta entfällt.

Die wichtigsten erschlossenen Vorkommen befinden sich in Brasilien (Araxa und Catalão di Goias), ersteres eine unerschöpfliche Reserve. Diese beiden Minen erzeugen 85% des Nb-Weltbedarfs.

Koppit (Pyrochlor), Schelingen, Kaiserstuhl. Kristall: 1,6 mm, Foto: Bernd GASSMANN.

Auch in Deutschland wurden schon Niob-Erze gefördert, und zwar bei Schelingen am Kaiserstuhl. Dort steht ein Nb-haltiger Carbonatit an, der schon 1918, wieder Mitte der 30er Jahre und dann ab 1947 versuchsweise abgebaut wurde. Hier wurden Koppit-reiche Partien gewonnen (Pyrochlor-Gruppe), die in Salpetersäure gelöst wurden und Koppit zurück blieb. 0,4 – 1,4% des Carbonatits bestand aus Koppit. Dieser enthält 54,2% Nb2O5. Das Verfahren war mangelhaft und die Grube konnte nie profitabel arbeiten. Daher wurde sie 1952 geschlossen.

Nb-Ta-Erze gehören zu 4 Mischkristallreihen: Columbit-(Fe) – Columbit-(Mn), Tantalit-(Mn) – Tantalit-(Fe), Columbit-(Mn) – Tantalit-Mn) und Columbit-(Mn) – Tantalit-(Fe). Andere Nb-Ta- Mineralien sind Euxenit, Ixiolith, Tapiolith und Samarskit. Die Jahres-produktion von Tantal beträgt 1400 t, die von Niob etwa 100.000 t.

Der Preis für Niob lag am 12.6.2019, je nach Spezifikation, zwischen 59,- und 350,- Euro pro Kilogramm, der für Tantal zwischen 210,- und 490,- Euro pro Kilogramm.

Entdeckung

1802 entdeckte der Schwede Ekeberg das Element Tantal im Tantalpentoxid, welches er aus finnischem Columbit gewonnen hatte. Man sah bis Mitte des 19.Jhd. Niob und Tantal als ein und dasselbe Element an. Erst Rose 1846 und de Marignac 1866 erbrachten den Nachweis, dass es 2 verschiedene Elemente waren. 1864 gelang die Herstellung von elementarem Niob durch Reduktion von Nb-Chlorid mit Wasserstoff und es dauerte noch bis 1903, bis von Bolton die Herstellung von elementarem Tantal durch Reduktion von Kaliumheptafluorotantalat mit Natrium gelang.

Gewinnung

Niob und Tantal sind unedle Metalle. Sie reagieren mit Nichtmetallen bei hohen Temperaturen. Bei Raumtemperatur allerdings erfolgt eine Passivierung durch Ausbildung einer Oxid-Schutzschicht, was eine große Beständigkeit bedeutet, d.h. die meisten Säuren greifen hier nicht an.

Hat man ein Nb/Ta-Erz, so kann man es mit einem Gemisch aus Schwefelsäure und Flusssäure heiß auflösen. Nach Verdünnung bzw. Auflösung in Wasser bilden sich die Kalisalze. Dabei ist das Ta-Fluorit in Wasser schwer löslich und fällt aus. Niobfluorit kann so durch Wasser abgetrennt werden. Die heutige Methode der Trennung erfolgt durch Extraktion und unterschiedliche Löslichkeit von Fluor-Salzen in Wasser und bestimmten organischen Lösungsmitteln.

Die Gewinnung reiner Metalle ist nicht so einfach möglich: Beim Tantal wird das Kaliumheptafluorotantalit mit Natrium zum Metall reduziert.

Beim abgetrennten Niobfluorit wird dieses über eine Oxidation und anschließende Umsetzung mit Kohlenstoff in Niobcarbid umgewandelt, welches dann mit weiterem Niob-Oxid im Vakuum bei 2000 Grad zum Metall reduziert wird. Man kann auch aluminothermisch das Oxid reduzieren.

Da der Großteil des Niobs an die Stahlindustrie geht, kann man Eisenoxid zusetzen, um eine Niob-Eisen Legierung (Ferroniob) zu erhalten.

Eigenschaften und Verwendung

Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren, Foto: Diether GRÄF

Tantal besitzt mit ca. 3000 Grad nach Wolfram, Kohlenstoff und Rhenium den höchsten Schmelzpunkt. Daher wurde es zeitweise für Glühwendeln bei Lampen verwendet. Das abgeleitete Tantalcarbid hat gar den höchsten Schmelzpunkt aller Substanzen. Verwendung: Schutzschichten für Triebwerke, Schneidwerkzeuge. Der größte Teil wird für sehr kleine Kondensatoren mit hoher Kapazität verwendet (ca. 60%). Diese sind unersetzlich in der Mikroelektronik, z.B. bei Mobiltelefonen und im Automobilbau. Die Wirkung beruht auf einer stabilen Ta-Oxidschicht auf der Oberfläche dieser dünnen Ta-Folien. Da Tantal nicht giftig ist und nicht mit Körpergewebe reagiert, wird es für medizinische Instrumente eingesetzt (Knochennägel, Prothesen, Klammern und Kieferschrauben).

In der chemischen Industrie ist eine Ta-Beschichtung, wegen der großen Beständigkeit, zur Auskleidung von Reaktoren, Pumpen etc. von größtem Nutzen. Dazu kommen Laborgeräte, Spinndüsen und Kathoden von Elektronenröhren (Getterwirkung durch gute Gasaufnahme).

Li-Niobat Einkristall (gezüchtet) für diverse elektro-optische Zwecke. BB:6cm, Foto: Fa. Chengdu Dongjun Laser Co.,Ltd . China.

Speziallegierungen für Raketen, Turbinen und Triebwerke enthalten Tantal, welches die Festigkeit der Materialien bei hoher Wärmebeständigkeit garantiert.

Infolge der Passivierung ist Niob an der Luft sehr beständig, so dass eine Korrosions-Schutz-Verwendung wie beim Ta in Reaktoren, Rohren und Behälterbau erfolgt. Dabei genügt Nb als Legierungszusatz (rostfreier Stahl). Sie zeichnen sich durch erhöhte mechanische Festigkeit aus. Die Zähigkeit von Stahl lässt sich durch kleinste Mengen Nb steigern. Beim Aluminium wirken sich Nb-Zusätze bei der Festigkeit aus (z.B. Felgen). Niob ist ein starker Carbid-Bildner und kann deswegen in Schweißzusätzen zum Abbinden von Kohlenstoff zulegieren. Ferro- und Nickel-Niob sind begehrte Zusatzstoffe für Speziallegierungen bei hitzebeständigen Ofenbauteilen, sowie fliegenden Gasturbinen und Raketenteilen.

Ähnlich wie Ta-Elektrolyt-Kondensatoren werden Nb-Kondensatoren eingesetzt.

Die Glaskolben von Halogenglühlampen werden außen mit Nb bedampft, wodurch die Wärmestrahlung nach innen zurück reflektiert wird und ein niedriger Energiebedarf und größere Lichtausbeute erreicht wird.

Diether GRÄF

Quellen:

• Richard Kieffer  (1998). Vanadin, Niob. Einzeldarstellungen. Bd.18. Verlag: Springer ISBN: 364251099X.
• Gocht, Werner (Hrsg.) (2012). Handbuch der Metallmärkte. Erzvorkommen, Metallgewinnung, Metallverwendung Preisbildung Handelsregelungen. Springer Verlag. S.406ff.
• Steen, H. (1998). Zur Geologie und Geschichte der Koppitgrube in Schelingen im Kaiserstuhl. Erzgräber, Jg.12, Nr.2,  S.69-77.
• https://www.chemie.de/lexikon/Tantal.html
• https://de.wikipedia.org/wiki/Tantal
• https://www.welt.de/wirtschaft/article155505579/Warum-die-ganze-Welt-dieses-Wunder-Metall-jagt.html
• https://www.chemie.de/lexikon/Niob.html
• https://de.wikipedia.org/wiki/Niob