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Tantal, Niob und Coltan

Chemisches Laboratorium
Chemisches Laboratorium

Chemisches Laboratorium im 19. Jh;
Meyers Konversationslexikon 1905-1909

Public Domain

Geschichte von Tantal und Niob



Anders Gustav Ekeberg
Anders Gustav Ekeberg

Anders Gustav Ekeberg (1767-1830);
Entdecker von Tantal

PD
Charles Hatchett
Charles Hatchett

Charles Hatchett (1765-1847);
Entdecker von Niob

Archiv Peter Seroka
Heinrich Rose
Heinrich Rose

Heinrich Rose (1795 - 1864)

PD

Tantal

Das Element Tantal wurde 1802 vom schwedischen Chemiker Anders Gustav EKEBERG sowohl in einem Tantalit-Erz aus Kimito in Finnland als auch in Yttrotantalit aus Ytterby in Schweden gefunden. Er trennte ein sehr beständiges Oxid (Tantal(V)-oxid) ab, das sich in keiner Säure löste. Benannt ist es nach Tantalos, einer Figur aus der griechischen Mythologie. Diesen Namen wählte Ekeberg, um auf das Unvermögen, auch bei großer Menge an Säure nichts von dieser aufnehmen zu können, anzuspielen.

Etwas früher, im Jahr 1801, beschrieb der englische Chemiker Charles HATCHETT seine Analyse eines Minerals namens Columbit, benannt nach seinem Fundort in Nordamerika (zu dieser Zeit allgemein als Columbia bezeichnet). Das von ihm untersuchte Referenzmuster des Minerals hatte im Britischen Museum bereits seit 1753 gelegen. Er beschrieb das Mineral als "...einen schweren schwarzen Stein mit goldenen Streifen..." . Als Quelle des Minerals gab er Mr. Winthrop an, den ersten Gouverneur von Connecticut. Hattchet berichtete, dass das Mineral ein neues Element enthalte, welches er nach seiner Herkunft Columbium nannte und das Mineral dementsprechend als Columbit bezeichnete. (1)

Die aus den beiden Mineralen gewonnenen Oxide wurden 1809 von William Hyde WOLLASTON verglichen und für Oxide eines einzigen Elementes gehalten. Die gemessenen Unterschiede im spezifischen Gewicht der Oxide erklärte er durch unterschiedliche Oxidationszustände des Elementes. Diese Annahme hielt sich bis 1844.

Der deutsche Chemiker und Mineraloge Heinrich ROSE misstraute diesem Ergebnis und untersuchte die Minerale genauer. Im Jahre 1844 konnte er nachweisen, dass Niob- und Tantalsäure unterschiedliche Stoffe sind. Tantal war bereits bekannt, dem neuen ähnlichen Element gab er den Namen Niobium, nach Niobe, Tochter des Tantalus.

Rose hatte dabei keine Kenntnis von der Arbeit von Charles Hatchett aus dem Jahre 1801: dieser hatte angenommen, dass das Mineral Columbit aus einem einzigen unbekannten Element besteht, dem er den Namen Columbium gab. In Wirklichkeit enthält Columbit, neben anderen Elementen, die beiden Metalle Niob und Tantal. Ein weiteres unbekanntes Metall, das er in bayrischem Tantalit gefunden zu haben glaubte, und welches er Pelopium nannte, stellte sich später wiederum als Niob heraus. Nach der Entdeckung des neuen Elements wurde von verschiedenen Chemikern versucht, Tantal auch elementar darzustellen. Der erste, der elementares Tantal durch Reduktion von Kaliumheptafluorotantalat mit Kalium darstellte, war 1824 der schwedische Chemiker Jöns Jakob BERZELIUS (ein Schüler von Ekeberg). Allerdings bestand sein Metall wie das von Rose dargestellte Tantal nur zu 50 % aus Tantal.

William Hyde Wollaston
William Hyde Wollaston

William Hyde Wollaston (1766-1828)

Public Domain
Jöns Jakob Berzelius
Jöns Jakob Berzelius

1779 - 1848; Potrait von P.H. van den Heuvell 1836; Litho by F.J. Backer, Mitentdecker von Ce

Archiv: Peter Seroka (Collector)
Ferdinand Frederic Henri Moissan
Ferdinand Frederic Henri Moissan

Ferdinand Frederic Henri Moissan (1852 - 1907)

Public Domain
Werner von Bolton
Werner von Bolton

Werner von Bolton (1868-1912)

Unbekannter Autor

1866 gelang es sowohl dem schwedischen Chemiker BLOMSTRAND als auch dem Schweizer Chemiker MARIGNAC die Chemie der beiden Elemente zu bestimmen. Henri MOISSAN versuchte 1902, Tantal im elektrischen Ofen herzustellen, sein Produkt war jedoch durch den enthaltenen Kohlenstoff sehr hart und spröde.

Der erste, der reines, duktiles Tantal herstellen konnte, war Werner VON BOLTON im Jahr 1903. Er erreichte dies durch Reduktion der glühenden Oxide im Vakuum sowie durch Schmelzen von unreinem Tantalmetall im Vakuum und elektrischem Flammenbogen (Vakuum-Lichtbogenofen mit wassergekühlten Nickelelektroden).

Die erste Anwendung des neuen Elementes Tantal war als Glühfaden in Glühlampen. Der Grund für den Wechsel vom vorher verwendeten Osmium zu Tantal lag darin, dass Tantal leichter zu verarbeiten ist und eine höhere mögliche Nutztemperatur bis zu 2300 °C besitzt. Siemens brachte Boltons Glühfaden im Januar 1905 in ihrer Tantallampe auf den Markt. Bis 1914 wurden weltweit über 50 Millionen Stück nach dem Verfahren von Bolton und Feuerlein hergestellt.

Ab dem Jahre 1910 wurde die Tantallampe auf Grund der Arbeiten von William David Coolidge allmählich durch die heute noch übliche Glühlampe mit Wolframfaden ersetzt (höchster Schmelzpunkt und damit beste Lichtausbeute aller Metalle und damit ein dem Sonnenlicht näheres Lichtspektrum und eine höhere Lichtausbeute ermöglicht), wofür Siemens damals die Hersteller-Lizenz aus den USA erwarb.

Im Jahr 1922 wurde mit der Verwendung in Gleichrichtern und ein Jahr später in Radioröhren ein neuer Einsatzzweck für Tantal gefunden. (Quellen: wikipedia)


Niob

Die Geschichte des Elementes Niob verlief in den ersten Jahrzehnten seit seiner Entdeckung parallel mit der Geschichte von Tantal (siehe oben).

Niob wurde 1801 durch den englischen Chemiker Charles HATCHETT im Mineral Columbit beschrieben. Das Mineral stammte aus einem Flussbett in Massachusetts und wurde um 1743 nach England verschickt. Hatchett benannte das Element Columbit (nach Columbia, der Personifikation der Vereinigten Staaten (1)). Bis Mitte des 19. Jahrhunderts ging man davon aus, dass es sich bei Columbium und dem 1802 entdeckten Tantal um dasselbe Element handelt, da sie in Mineralen fast immer zusammen auftreten.

Erst 1844 zeigte der Berliner Professor Heinrich ROSE, dass Niob- und Tantalsäure unterschiedliche Stoffe sind. Nicht um die Arbeiten Hatchetts und dessen Namensgebung wissend, nannte er das wiederentdeckte Element aufgrund dessen Ähnlichkeit mit Tantal nach Niobe, der Tochter des Tantalus.

1864 gelang Christian Wilhelm BLOMSTRAND als Erstem die Herstellung von metallischem Niob, indem er metallisches Niob durch Reduktion von Nb-(V)-Chlorid mit Wasserstoff isolierte. ROSCOE erhielt eine bessere Ausbeute durch Reduktion des Trichlorids, welcher er entdeckt hatte. 1907 stellte Werner von Bolton durch Reduktion eines Heptafluoroniobats (K2NbOF5) mit Natrium sehr reines Niob dar.

Insgesamt dauerte es mehr als 100 Jahre von der Entdeckung bis zur Darstellung des zwar bekannten, aber nie isolierten Elementes. Nach ca. 100 Jahren Auseinandersetzung legte die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) 1950 Niob als offizielle Bezeichnung des Elements fest.

Christian Wilhelm Blomstrand
Christian Wilhelm Blomstrand

Christian Wilhelm Blomstrand (1826-1897) Hedning

Hedning


Anmerkungen

(1) Columbia ist ein historischer und poetischer Name für die Vereinigten Staaten von Amerika und gleichzeitig der Name der weiblichen Personifizierung des Landes, welcher erst um 1920 durch die Freiheitsstatue ersetzt wurde. Columbia hat viele Namen von Personen, Orte, Objekte, Institutionen und Unternehmen inspiriert; u.a. Columbia University, DC District of Columbia für den Regierungssitz Washingstons, Columbia River u.v.a.

Länder und Staaten mit lateinisierten Namen zu versehen, entsprach dem Zeitgeist des 18. Jh. und manche dieser Bezeichnungen sind bis heute erhalten geblieben. Beispiele dafür sind (neben Columbia): "Gallia" für Frankreich, "Helvetia" für die Schweiz, "Lusitania" für Portugal, "Caledonia" für Schottland, "Hibernia" für Irland, "Polonia" für Polen etc. etc.

Die in manchen Beschreibungen des Elementes Columbium (Niob) aufgestellte Behauptung, dass dieses Element aus dem Mineral Columbit stamme, welches im 18. Jh. im Land Kolumbien gefunden seit soll, ist schlichtweg falsch.

(2) Ungeachtet, dass die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) 1950 Niob als offizielle Bezeichnung des Elements festgelegt hat, wird der Terminus "Columbium" nach wie vor in den USA verwendet, auch die chemische Kurzbezeichnung "Cb".


Literatur

  • Berzelius, J.J., 1825; Flussspatsaure Tantalsäure und flusspatsaure Tantalsalze, Tantalum und verschiedene seiner Verbindungen. In: Annalen der Physik und Chemie : 4, S. 6-22
  • Bolton, W. von, 1905; Das Tantal, seine Darstellung und seine Eigenschaften, in: Z. f. Elektrochem., 1905, 11, S. 45–52 (Referat in: Angew. Chem., 18, S. 1451–1466
  • Ekeberg, A.G., 1803; Ueber ein neues Metall, Tantalum, welches zugleich mit der Yttererde in einigen schwedischen Fossilien entdeckt worden ist; nebst einigen Anmerkungen über die Eigenschaften der Yttererde, in Vergleichung mit der Beryllerde. In: Crells Annalen der Chemie. 1803, 1, S. 1-21
  • Hatchett, C., 1802; An Analysis of a Mineral Substance from North America, Containing a Metal Hitherto Unknown. In: Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 92, S. 49–66
  • Hoyt, A., 1886; The Name 'Columbia' , The New England Historical & Genealogical Register, July 1886, pp. 310-313.
  • Moissan, H., 1902; Sur la préparation du tantale au four electrique et sur ses propriétés. In: Comptes Rendus. 134, S. 211-215
  • Partington, J., 11972; A History of Chemistry, Vol. III, 705-706 J.Partington.
  • Proceedings of the Massachusetts Historical Society, Dec. 1885, pp. 159-165
  • Rose, H., 1844; Ueber die Zusammensetzung der Tantalite und ein im Tantalite von Baiern enthaltenes neues Metall. In: Annalen der Physik. 139, 10, S. 317–341
  • Sandweiss, M. A., 2012; John Gast, American Progress, 1872. Picturing U.S. History. The Graduate Center, CUNY.
  • Scribners, C., 1972; Dictionary of Scientific Biography, New York
  • Wollaston, W.H., 1809; On the Identity of Columbium and Tantalum. In: Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 99, S. 246–252
  • http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/mcs/2000/mcs2000.pdf


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