나이오븀

1846년 독일의 로제는 탄탈럼 산화물과 컬럼바이트에서 얻어진 산화물이 유사하지만 산에 대한 용해도가 다르다는 것을 확인하고, 이로부터 분리한 새로운 원소의 이름을 그리스 신화에 나오는 탄탈루스의 딸 '니오브'의 이름에서 따와 ‘Niobium’으로 명명했다. 일반적으로 나이오븀과 탄탈럼과 함께 들어 있는 광석을 먼저 각각의 산화물로 바꾸고, 다시 수용액으로 전환된 층에서 얻은 침전물로부터 생성된 나이오븀 산화물을 환원시켜 순수하게 분리한다. 하지만 높은 순도로 정제시키려면 진공에서 전자빔 용해 방법이 필요하다. ⁵⁰Nb으로만 존재하는 5족의 나이오븀은 -1~ +4의 산화 상태를 가지며, 공기와 즉시 반응하지 않지만, 장기간 노출 시 산화된다. 페로나이오븀은 자동차 차체 및 가스관에, 나이오븀 초 합금은 제트 및 로켓 엔진 그리고 핵 반응로에, 나이오븀-저마늄, 나이오븀-주석 등의 합금은 MRI용 초전도 자석과 입자 가속기의 부품으로 각각 쓰인다. 나이오븀 화합물은 적외선 검출기, 단단한 내화물의 첨가제, 고온 윤활제 등으로 사용된다.

나이오븀 결정()

목차

초기에 나이오븀은 컬럼바이트, 탄탈라이트, 이들의 혼합물 광석 콜탄(coltan, columbite-tantalite)에서 채굴되었으나, 요즘은 주로 오산화 나이오븀(Nb₂O₅)의 함량이 높은 파이로클로르(pyrochlore, (Na,Ca)₂Nb₂O₆(OH,F)) 광석에서 생산된다. 오산화 나이오븀과 철 산화물의 혼합물을 고온에서 알루미늄으로 환원시키는 테르밋 공정(aluminothermic process)을 이용하여 나이오븀 함량이 60~70%인 페로나이오븀(FeNb)을 얻는다.

탄탈럼과 함께 들어 있는 나이오븀을 분리하고 생산하는 과정은 복잡하지만, 일반적으로 채취한 광석을 가루로 분쇄하고, 부유 및 강한 자력으로 선광하여 농축시킨 후, 다른 광물을 제거하여 오산화 나이오븀과 오산화 탄탈럼(Ta₂O₅)을 얻는 것으로부터 시작한다. 이 혼합 산화물을 묽은 플루오린산과 반응시켜 물에 녹는 펜타플루오린화 옥시 나이오븀산(H₂NbOF₅) 수용액 층의 pH를 높이고, 이를 유기 용매로 추출한 층에 플루오린화 포타슘(KF)을 첨가하여 펜타플루오린화 옥시 포타슘 나이오븀(K₂NbOF₅) 침전물을 얻은 후, 암모니아 용액을 첨가하여 오산화 나이오븀으로 바꾼다. 이 산화물과 소듐, 탄소, 수소 또는 알루미늄의 환원 반응으로 나이오븀 금속을 얻을 수 있으나, 높은 순도로 정제시키려면 진공에서 전자 빔 용해 방법이 필요하다. 브라질이 주요 매장국이자 생산국이며, 캐나다에서도 생산된다.

미국에서 채광된 컬럼바이트(columbite, (Fe,Mn)(Nb,Ta)₂O₆) 광석에서 새로운 산화물을 발견한 영국의 헤체트(C. Hatchett)는 이를 한때 미국을 일컫는 ‘Columbia’에서 따와 ‘Columbium’으로 1801년에 명명했다. 다음해 스웨덴의 에셰베리(A. K. Ekelberg)는 탄탈라이트(tantalite, (Fe,Mn)Ta₂O₆) 광석으로부터 컬럼바이트에서 얻은 산화물과 유사한 성질을 가지나 산에 녹이기 어려운 탄탈럼 산화물을 발견하였다. 이 두 물질을 처음에는 같은 것으로 간주하였으나, 1846년에 독일의 로제(H. Rose)가 서로 다르다는 것임을 확인하였다. 컬럼바이트에서 얻은 새 원소의 이름을 그리스 신화에 나오는 탄탈루스(tantalus)의 딸 ‘niobe’와 금속을 나타내는 접미어를 합하여 ‘Niobium’으로 명명했으며, 원소 기호는 ‘Nb’이다. 탈탄럼보다 나이오븀이 많은 광석이 컬럼바이트이고, 같은 구조를 가지나 나이오븀에 비해 탄탈럼이 많은 광석이 탄탈라이트이다.

사실 로제도 탄탈라이트로부터 제대로 두 원소를 구별하지 못해, 처음에는 나이오븀, 탄탈루스의 아들 펠롭스(pelops)에서 온 ‘pelopium’, 일멘스키 산(ilmensky Mt.)에서 온 ‘Ilmenium’, 그리고 로마의 여신 다이아나(Diana)에서 온 ‘Dianium’을 각각 분리했다고 여겼다. 나이오븀을 제외한 나머지 물질이 탄탈럼과 나이오븀의 혼합물이라 밝혀진 것은 1864년 블룸스트랜드(C. W. Blomstrand), 드빌(H. E. Deville), 트루스트(L. J. Troost)와 1865년 드 마리낙(J. C. G. de Marignac)에 의해서였다.

5족에 속하며 지각에 0.002 % 있는 나이오븀은 단지 나이오븀-50으로만 존재하며, 질량수 81~113의 여러 방사성 동위원소가 알려져 있다. 밀도는 8.57 g/cm³, 녹는점은 2477 도, 끓는점은 4744도 이며, -1, +2, +3, +4의 산화 상태를 가지고 있다. 오산화 나이오븀, 리튬 나이오븀산 이온(LiNbO₃), 나이오븀산 이온(NbO₄^3-)처럼 +5 상태가 흔하다. 공기와는 반응하지 않지만, 장기간 노출 시 산화되며, 대부분의 산과는 반응하지 않지만, 높은 온도에서 강산, 산소, 질소, 염소와 반응한다.

나이오븀은 페로나이오븀 형태로 생산되며, 강하고 가벼우며 잘 부식되지 않는 고강도 저합금(high strength low alloy, HSLA)으로 자동차 차체 및 가스관 등에 쓰인다. 고순도 페로나이오븀과 니켈-나이오븀의 초합금(super alloy)은 제트 엔진, 로켓 엔진, 내열성 연소 장치, 핵 반응로, 항공기 기체, 화학 반응기 등에 사용된다. 높은 자성의 임계 온도를 가지고 있는 나이오븀-저마늄(Nb₃Ge), 나이오븀-주석(Nb₃Sn), 나이오븀-타이타늄(NbTi) 합금은 강력한 초전도 자석(superconducting magnet)을 만드는 전선 코일로써 MRI용 초전도 자석과 입자 가속기의 부품으로 쓰인다.¹⁾

나이오븀-타이타늄 초전도 케이블 단면()

질화 나이오븀(NbN)은 저온에서 초전도체 성질을 보여 적외선 검출기로, 탄화 나이오븀(NbC, Nb₂C)은 단단한 내화물로써 초경합금(cemented carbide)의 첨가제로, 규화 나이오븀(NbSi₂)은 초고온에 견디는 내화물로, 다이셀렌화 나이오븀(NbSe₂)은 1300 도의 고온에서도 분해되지 않는 고온 윤활제로 각각 사용된다. 나이오븀을 산화시켜 얻은 산화물 피막의 두께는 걸어준 전압에 따라 달라져 여러 가지 아름다운 색과 무늬를 형성하기에 장신구에도 쓰인다.

동물에게 필수 원소가 아니며. 사람은 하루에 0.6 밀리그램의 나이오븀을 섭취한다. 하지만 그 생물학적 역할은 알려져 있지 않으며, 독성은 거의 없다고 보고되었다. 식물과 해양 생물의 일부는 상당량의 나이오븀을 축적하고 있는 것으로 알려져 있다.

1. Retrieved on 2017-12-22.