النيوبيوم خصائص العنصر واستخداماته

النيوبيوم عنصر انتقالي رقمه الذري 41 ووزنه الذري 92.91. وهو عنصر متعدد الاستخدامات يستخدم في صناعات اليوم. ويحظى العنصر بتقدير كبير لما يتميز به من نسبة أداء ووزن عالية ومقاومة عالية للتآكل وخصائص فائقة التوصيل فريدة من نوعها. ونظراً لهذه الجوانب التي يتميز بها النيوبيوم، يُستخدم العنصر في مجالات الخبرة الصعبة التي تتراوح بين تقنيات الطيران والسيارات والإلكترونيات والتكنولوجيا الحيوية.

التاريخ والاكتشافات

للنيوبيوم تاريخ مثير للاهتمام يعود إلى أوائل القرن التاسع عشر. في عام 1801، قام الكيميائي الإنجليزي تشارلز هاتشيت، وهو كيميائي إنجليزي، بتحديده وأطلق عليه مؤقتًا اسم الكولومبيوم تقديرًا لـ Ｃolumbite وكريستوفر كولومبوس. ولسنوات عديدة، ظل من غير الواضح أي عنصر هو بسبب خصائصه المشابهة جداً لعنصر التنتالوم، وهو فلز انتقالي أيضاً.

وقد تمكن هاينريش روز، الكيميائي الألماني، أخيرًا من عزله عن التنتالوم في عام 1864 وأكد أنه عنصر فريد من نوعه في عام 1864. وأخيراً، في عام 1950، اختار الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) إعادة تسميته إلى النيوبيوم بسبب أوجه التشابه المشتركة مع نيوبي، وهي آلهة الحداد في الأساطير اليونانية، مما يعكس تاريخه الحزين أيضاً.

الخواص الكيميائية

تتميز الخواص الكيميائية للنيوبيوم إلى حد كبير بقدرته على الوجود بسهولة في حالتي أكسدة: +ومع ذلك، في حالة الأكسدة +3 و+5، وهي الأكثر استقراراً وانتشاراً، يشكل النيوبيوم خامس أكسيد النيوبيوم.

ويستخدم خامس أكسيد خماسي النيوبيوم (Nb₂O₅) في العديد من التطبيقات في صناعة السيراميك والنظارات والمكثفات. عند مستوى الأكسدة +5، يتحد النيوبيوم بسهولة مع الأكسجين لإنتاج خامس أكسيد النيوبيوم الذي يشتهر بمقاومته للتآكل وقدرته على تحمل الظروف الكيميائية القاسية. وعلاوة على ذلك، فإن حقيقة أن النيوبيوم يتمتع بمقاومة منخفضة جداً للماء والأحماض/القلويات تضيف أيضاً إلى قوته عند تعرضه للظروف القاسية. ويتمتع النيوبيوم بمقاومة قوية لكل من الأحماض والقلويات؛ ولهذا السبب وُجد أنه يعمل بكفاءة حتى في درجات الحرارة التي تميل فيها المعادن الأخرى إلى الصدأ أو التحلل. كما أن مقاومته للأكسدة والتآكل في درجات الحرارة العالية تجعله شائعاً جداً في قطاع الطيران وصناعة الإلكترونيات.

الخصائص الفيزيائية

تزيد الخصائص الفيزيائية للنيوبيوم من قيمته كمادة صناعية. يتميز المعدن بالخصائص الرئيسية التالية:

• الرقم الذري: 41
• الوزن الذري: 92.91 جم/مول
• الكثافة: 8.57 جم/سم مكعب
• درجة الانصهار: 2477 درجة مئوية
• درجة الغليان: 4744 درجة مئوية
• الموصلية الكهربائية: عالية
• موصلية حرارية: معتدلة

تقنيات التحضير

تتطلب معالجة النيوبيوم من شكل خام إلى شكل معدني قابل للتشغيل خطوات مختلفة، بدءاً من مصدر النيوبيوم عادةً: إما من معادن البيروكلور أو الكولومبيت، وكلاهما يحتوي على تركيزات عالية من أكسيد النيوبيوم - وهو في الواقع المركب ذاته الذي نستخرجه في النهاية للحصول على النيوبيوم المعدني:

1. التعدين: يتم تحديد خامات النيوبيوم واستخراجها إما من خلال المناجم المكشوفة أو المناجم الجوفية.
2. التكسير والطحن: يتم استخراج المعدن ثم يتم سحق المعدن وطحنه إلى مسحوق ناعم.
3. النض الحمضي: هناك النض الحمضي لمسحوق الخام، حيث يتم إذابة مركز النيوبيوم وأكسيد الفلز باستخدام حمض الهيدروفلوريك.
4. الاستخلاص بالمذيبات والاختزال: يمكن فصل النيوبيوم عن عناصر مختلفة باستخدام الاستخلاص بالمذيبات، وأخيراً، يتم اختزال Nb2O5 بالهيدروجين أو الكربون للحصول على النيوبيوم المعدني النقي.

تطبيقات النيوبيوم

يتميز بمزيج من القوة العالية للمادة وخفة الوزن ونقطة الانصهار الكبيرة ومقاومة التآكل، وهي خصائص تجعله ثميناً في مجالات مختلفة. وعلى وجه التحديد، يمكن العثور على النيوبيوم في:

1. سبائك الصلب والمواد عالية القوة

يتمثل تطبيقه الأساسي في إنتاج الفولاذ عالي القوة ومنخفض السبائك. وتؤدي الكميات الصغيرة من النيوبيوم ( حوالي 0.01% إلى 0.1%) إلى تحسين قوة الشد وقابلية اللحام ومقاومة التآكل بشكل كبير. يُعد فولاذ النيوبيوم المتخصص مكونًا حيويًا في صناعات مثل السيارات والبناء، حيث تكون هناك حاجة إلى مواد قوية بدون وزن إضافي. يُستخدم فولاذ النيوبيوم في الأنابيب والحاويات المضغوطة وفي قطع غيار السيارات التي تتطلب قوة عالية.

2. فائق التوصيل

توفّر خاصية النيوبيوم المتمثلة في كونه موصل فائق التوصيل في درجات حرارة منخفضة جداً الأساس للتقنيات المبتكرة في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي ومسرعات الجسيمات. يستطيع النيوبيوم توصيل التيارات الكهربائية دون مقاومة عند درجات حرارة منخفضة جداً؛ وهذه الخاصية حيوية في خلق المجال المغناطيسي عالي الفعالية الموجود في معدات التصوير بالرنين المغناطيسي.

وبعبارات أبسط، سيكون من الدقة القول إنه عندما يتعلق الأمر بمثل هذه المعدات فائقة التوصيل، يختار المصنعون دائمًا NbTi وNb3Sn.

3. تطبيقات الفضاء وتطبيقات درجات الحرارة العالية

بفضل درجة انصهاره العالية جداً وخصائصه الفائقة المقاومة للحرارة، يؤدي النيوبيوم أداءً جيداً للغاية في أكثر التطبيقات تطلباً في صناعة الطيران. ويُستخدم في تصنيع شفرات التوربينات وفوهات الصواريخ ومختلف المكونات الأساسية للمحركات النفاثة والمركبات الفضائية.

4. الإلكترونيات والمكثفات

تضمن خصائص مقاومة النيوبيوم للحرارة ومقاومته للتآكل استخدامه في المكونات الإلكترونية، وتحديداً في المكثفات عالية الأداء. تضمن خصائص مكثفات النيوبيوم بيئة مستقرة في الإلكترونيات في ظل الظروف القاسية. ويُستخدم النيوبيوم أيضاً في الإلكترونيات ذات الأغشية الرقيقة في تصنيع أشباه الموصلات.

5. المجوهرات والديكور

إن لونه المعدني الجذاب وخصائصه غير الباهتة تجعل النيوبيوم جذاباً في المجوهرات وغيرها من أدوات الزينة. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تنتج عملية الأنودة مجموعة واسعة من الألوان، مما يجعلها جذابة من الناحية الجمالية. ونظراً لأنه لا يسبب الحساسية، يُستخدم النيوبيوم أيضاً في مجوهرات الجسم وغيرها من التطبيقات التلامسية.

قراءة ذات صلة: ما هي تطبيقات النيوبيوم

الخاتمة

النيوبيوم معدن متعدد الاستخدامات وثمين للغاية مع مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية، من تعزيز أداء سبائك الصلب إلى تمكين الموصلية الفائقة في التقنيات المتقدمة مثل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي. كما أن مزيجه الفريد من القوة ومقاومة درجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل يجعله لا غنى عنه في تطبيقات الفضاء والإلكترونيات والتطبيقات الطبية.

الأسئلة المتداولة

ما هي الاستخدامات الأساسية للنيوبيوم؟
يُستخدم النيوبيوم في المقام الأول في سبائك الصلب عالية القوة، والمغناطيس فائق التوصيل لأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي ومسرعات الجسيمات، ومكونات الطيران، والإلكترونيات، والمجوهرات.

كيف يُستخرج النيوبيوم؟
يُستخرج النيوبيوم من معادن مثل البيروكلور والكولومبيت من خلال مزيج من التعدين والسحق والنض الحمضي والاستخلاص بالمذيبات.

ما الذي يجعل النيوبيوم فريداً في سبائك الصلب؟
يحسّن النيوبيوم من قوة الشد وقابلية اللحام ومقاومة التآكل في الفولاذ، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات عالية الأداء في صناعات السيارات والبناء.

ما دور النيوبيوم في التوصيل الفائق؟
يُستخدم النيوبيوم في المغناطيسات فائقة التوصيل لأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي ومسرعات الجسيمات نظراً لقدرته على توصيل الكهرباء دون مقاومة في درجات حرارة منخفضة جداً.

هل يمكن العثور على النيوبيوم في شكله النقي؟
لا، يوجد النيوبيوم دائمًا في شكل مركب في المعادن ويجب أن يخضع لعمليات استخلاص واختزال للحصول على المعدن النقي.