Dwa pierwiastki o podobnych właściwościach i wspólnym występowaniu. Znalazły zastosowanie w stopach dla przemysłu zbrojeniowego, lotniczego, a także w przemyśle narzędziowym oraz elektronicznym (kondensatory i prostowniki).
Niob i tantal pochodzą głównie z dwóch minerałów z grupy tlenków – kolumbitu i tantalitu. Pierwszy z nich zawiera niob, który może być jednak częściowo zastępowany przez tantal. W przypadku tantalitu sytuacja jest odwrotna. Oba metale są w związku z tym pozyskiwane razem.
Cylinder wykonany z niobu. Fot. W. Oelen, Wikimedia Commons.
Niob i tantal zostały odkryte w początkach XIX wieku. Jednak dopiero w 1844, a potem w 1866 roku przekonująco wykazano, że są to dwa osobne pierwiastki.
W skorupie ziemskiej występują stosunkowo niewielkie ilości niobu i tantalu. Oba pierwiastki są częściej spotykane w płaszczu ziemskim. W efekcie pojawiają się one zwłaszcza w skałach magmowych głębinowych pochodzących z dużych głębokości – przede wszystkim w karbonatytach oraz sjenitach nefelinowych. Niekiedy oba pierwiastki znajdowane są również w pospolitych skałach głębinowych, charakteryzujących się dużymi rozmiarami kryształów, czyli w tak zwanych pegmatytach.
Duża odporność na wietrzenie kolumbitu i tantalitu powoduje, że po zniszczeniu skał macierzystych minerały te trafiają do skał osadowych okruchowych powstających z produktów niszczenia. W ten sposób powstają tak zwane złoża okruchowe. Są one eksploatowane w Australii, Brazylii oraz Namibii.
Tantalit z Brazylii. Fot. Kelly Nash, Wikimedia Commons, licencja CC 3.0.
Choć głównymi minerałami niobu i tantalu pozostają kolumbit oraz tantalit, pierwiastki te tworzą również szereg innych minerałów, głównie tlenków. Wśród nich najważniejszy jest pirochlor. Poza tym oba pierwiastki tworzą też domieszki w popularnych minerałach tytanu, zwłaszcza w rutylu i tytanicie. Nie pojawiają się natomiast w postaci pierwiastkowej.
Główne typy złóż
Niob i tantal pochodzą z:
- karbonatytów,
- sjenitów i granitoidów,
- pegmatytów.
Złoża karbonatytowe
Karbonatyty są nietypowymi skałami magmowymi głębinowymi. W odróżnieniu od innych skał zaliczonych do tej grupy są one w większości zbudowane z węglanów, w tym zwłaszcza z minerałów kalcytu i dolomitu. Większość karbonatytów powstała w okolicach dolin ryftowych, czyli miejsc, gdzie dochodzi do rozpadu kontynentów i tworzenia się nowych mórz i oceanów. Z reguły skały te nie są wzbogacone w niob ani tantal. Stopy skalne (magmy) dające początek karbonatytom tworzą się jednak przez przetopienie górnego płaszcza, stąd też w niektórych przypadkach mogą one mimo wszystko zawierać duże koncentracje obu pierwiastków.
Najbardziej znane złoża karbonatytowe znajdują się w Brazylii. Dzięki nim pozyskiwane jest większość światowej produkcji niobu i tantalu. Złoża znajdują się w obrębie skał magmowych skrajnie ubogich w dwutlenek krzemu (tak zwane skały ultramaficzne), pochodzących z okresu kredowego. Głównym minerałem zawierającym oba pierwiastki jest pirochlor. Inne, dużo mniejsze złoża karbonatytowe znane są z terytorium Kanady. Minerałami rudonośnymi są w nich pirochlor oraz kolumbit. Złoża te miejscami zawierają ponadto pierwiastki ziem rzadkich. W Europie złoża karbonatytowe znajdują się w Norwegii, Finlandii oraz na Półwyspie Kolskim w Rosji.
Kolumbit – minerał zawierający niob. Szerokość okazu: 6 cm. Fot. Kaethe17, Wikimedia Commons, licencja CC 4.0.
Złoża w sjenitach i granitoidach
Te złoża również tworzą się w środowisku ryftowym, choć znane są wyjątki od tej reguły (np. niektóre złoża rosyjskie). Niob i tantal współwystępują w nich z cyrkonem oraz itrem. Duże złoże tego typu znane jest w Brazylii (Pitinga); oba pierwiastki pojawiają się tam (razem z cyną) w granitoidach powstałych około 1800 milionów lat temu.
Złoża w granitoidach bogatych w glin istnieją również w Arabii Saudyjskiej, Chinach, Egipcie, Francji, Kanadzie, Malawi oraz Mozambiku. Niob i tantal występują także w ubogich w dwutlenek krzemu sjenitach nefelinowych. Złoża takie znane są z Grenlandii, Kanady, Mongolii oraz Rosji. Niemal wszystkie te złoża zawierają również inne cenne metale. Jedynie na Grenlandii niob i tantal stanowią główny surowiec.
Złoża pegmatytowe
Złoża znajdujące się w pegmatytach bogatych w glin były dawniej głównym źródłem tantalu. Pegmatyty – grubokrystaliczne skały magmowe głębinowe, powstające zwłaszcza w ostatnich etapach krystalizacji magmy głęboko pod powierzchnią Ziemi – często zawierają razem z niobem i tantalem inne cenne pierwiastki, zwłaszcza beryl, cynę, cez, lit oraz rubid.
Te odmiany pegmatytów, które bogate są w niob i tantal, zazwyczaj powstawały w pobliżu granitoidów tworzących się krótko po wielkich kolizjach kontynentów, którym towarzyszyło wypiętrzanie wysokich łańcuchów górskich. Takie wielkie złoża znane są między innymi z Australii. Tamtejsze pegmatyty zawierają również cynę oraz lit i krystalizowały w stosunkowo wysokich temperaturach (powyżej 700 st. C) oraz ciśnieniach kilku kilobarów. Obecnie eksploatowane są głównie złoża pegmatytowe znajdujące się na terenie Brazylii oraz krajów afrykańskich. W Afryce złoża te tworzyły się podczas tak zwanej orogenezy panafrykańskiej – wielkich ruchów górotwórczych, które miały miejsce około 800-600 milionów lat temu i doprowadziły do powstania kontynentu afrykańskiego. Pegmatyty bogate w niob i tantal znane są z Demokratycznej Republiki Konga, Etiopii, Mozambiku oraz Namibii.
Zastosowanie niobu i tantalu
Zdecydowana większość pozyskiwanego niobu jest wykorzystywana do produkcji stali i stopów, w tym stali kwasoodpornej oraz żaroodpornej. Stopy z cyną oraz glinem stanowią dobre nadprzewodniki. Niob w stopach zwiększa ich wytrzymałość, zmniejszając jednocześnie ciężar. Wszystkie te właściwości pozwalają na wykorzystanie stali i stopów z niobem do produkcji rurociągów i gazociągów, torów kolejowych, karoserii, a także narzędzi. Są one wykorzystywane również w przemyśle okrętowym.
Tantal wykorzystywano już w pierwszej połowie XX wieku, między innymi do produkcji żarników oraz szkieł optycznych. Jednak dopiero wprowadzenie do użytku tantalowych kondensatorów elektrolitycznych, stosowanych w komputerach i urządzeniach mobilnych, spowodowało szybki wzrost zapotrzebowania na ten pierwiastek. Jednocześnie rozpoczęto wykorzystywanie tantalu w przemyśle lotniczym, obronnym, a także w energetyce. Współcześnie dużym odbiorcą tantalu jest także przemysł samochodowy. Pierwiastek ten jest używany między innymi w zestawach GPS, a także w systemach hamulcowych. Inne zastosowania obejmują przemysł medyczny (defibrylatory). Stale rozszerza się lista urządzeń komputerowych wykorzystujących tantal (głowice drukarek atramentowych, dyski twarde).
Wzrost cen tantalu w początkach XXI wieku spowodował, że w kondensatorach częściej zaczęto stosować niob. Choć posiada on podobne właściwości, to jednak nie jest w stanie w pełni zastąpić tantalu, na przykład w przemyśle obronnym.
Zamiast tantalu mogą być stosowane inne pierwiastki, jednak w wielu przypadkach dokonano już tych zastąpień – dalsze nie zawsze będą już możliwe. Dotyczy to między innymi komponentów tantalowych wykorzystywanych w produkcji poduszek powietrznych – nie znamy innych surowców sprawdzających się w tym zastosowaniu.
Niob jest częściowo odzyskiwany ze stali i stopów, które go zawierają. Recykling tantalu obejmuje urządzenia elektroniczne.
Zasoby niobu i tantalu
Eksploatowane obecnie złoża obu pierwiastków nie są zagrożone wyczerpaniem w najbliższych latach, znane są także lokalizacje kolejnych. Problem może stanowić wzrost cen tantalu – takie zdarzenia miały już miejsce w przeszłości (na przykład podczas bańki internetowej w latach 2001-2002). Inne źródło zagrożeń wynika z uzależnienia od pojedynczych dostawców – zwłaszcza od Brazylii.
