Niobi: cái tên mất hơn một thế kỷ mới ngã ngũ

Columbium hay niobium: ai đặt tên gì, năm nào

Năm 1801, Charles Hatchett phân tích một mẫu khoáng vật trong Bảo tàng Anh, gửi từ Connecticut sang từ thế kỷ trước. Ông tìm ra trong đó một nguyên tố mới, và đặt tên là columbium theo Columbia, tên gọi văn chương của nước Mỹ thời đó.

Mẫu khoáng đó thật ra là niobi lẫn tantan, mà kỹ thuật thời Hatchett chưa tách nổi. Năm 1802, Anders Ekeberg tìm ra tantan trong một khoáng vật khác. Rồi năm 1809, William Hyde Wollaston đem so oxit của hai khoáng và thấy khối lượng riêng chênh nhau rõ ràng. Nhưng ông vẫn kết luận hai khoáng chứa chung một nguyên tố, và giữ tên tantalum.

Chữ columbium biến mất khỏi giới khoa học 35 năm. Năm 1844, Heinrich Rose chứng minh trong mẫu tantalit có tới hai nguyên tố khác nhau. Ông đặt tên chúng theo hai người con của Tantalus trong thần thoại Hy Lạp: niobi theo Niobe, và pelopium theo Pelops. Pelopium về sau chỉ là hỗn hợp tantan với niobi.

Còn niobi của Rose thì đúng là columbium của Hatchett, một nguyên tố mang hai tên. Châu Âu quen gọi niobium, Mỹ vẫn gọi columbium. Bài báo cuối cùng của Hội Hoá học Mỹ còn in chữ columbium trên tiêu đề năm 1953.

Năm 1949, một hội nghị hoá học ở Amsterdam đề xuất chọn niobium, và năm 1950 IUPAC thông qua. Thực ra đây là một vụ đổi chác: IUPAC lấy chữ tungsten theo cách gọi Bắc Mỹ, bù lại lấy niobium theo cách gọi châu Âu. Tiêu chuẩn thép ASTM A572, bản còn hiệu lực năm 2018, vẫn đặt tên chính thức một loại thép là "High-Strength Low-Alloy Columbium-Vanadium Structural Steel".

Vì sao niobi và tantan khó tách

Tantan nằm ngay dưới niobi trong bảng tuần hoàn, cách đúng một chu kỳ, và nặng gần gấp đôi. Theo lẽ thường thì nguyên tử tantan phải to hơn vì có thêm một lớp electron. Nhưng giữa hai hàng đó là cả dãy lantan, và dãy này kéo lớp vỏ electron của tantan co lại. Kết quả là hai nguyên tử gần bằng nhau về kích thước.

Kích thước gần bằng nhau kéo theo tính chất hoá học cũng gần như nhau. Niobi và tantan vì thế luôn nằm chung một khoáng vật, và phản ứng hoá học thông thường không phân biệt nổi chúng. Phải tới năm 1866 nhà hoá học Thuỵ Sĩ Marignac mới tách được chúng ở quy mô lớn. Ông cho quặng phản ứng với axit flohydric, loại axit ăn mòn được cả thuỷ tinh.

Hai muối sinh ra tan trong nước ở mức hơi khác nhau, và ông lợi dụng chênh lệch đó để tách. Ở đâu không cần khả năng chống ăn mòn tốt nhất của tantan, người ta dùng niobi, vì niobi rẻ hơn và sẵn hơn nhiều.

Vô địch siêu dẫn trong các nguyên tố nguyên chất

Làm lạnh niobi xuống dưới 9,2 kelvin, gần sát độ không tuyệt đối, thì kim loại này siêu dẫn. Dòng điện chạy qua không hao một chút nào. Ở áp suất thường, không nguyên tố nguyên chất nào siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn thế.

Niobi cũng là một trong 3 nguyên tố siêu dẫn loại II, cùng vanadi và tecneti. Loại II vẫn giữ được siêu dẫn trong từ trường mạnh hơn hẳn loại I.

Máy gia tốc hạt dùng những khoang rỗng bằng kim loại để đẩy chùm hạt chạy nhanh dần, gọi là khoang cộng hưởng. Vỏ khoang được dập từ tấm niobi dày một tới ba milimet rồi hàn lại, ngâm trong bể heli lỏng. Đây là một trong số ít ứng dụng siêu dẫn dùng niobi nguyên chất chứ không phải hợp kim.

Nam châm siêu dẫn thì dùng hợp kim của niobi, và có hai lựa chọn. Niobi-titan siêu dẫn dưới 10 kelvin, chịu được từ trường tới chừng 15 tesla (tesla là đơn vị đo từ trường). Niobi-thiếc hơn ở cả hai mặt, 18,3 kelvin và 30 tesla. Nhưng vật liệu siêu dẫn bán nhiều nhất thế giới lại là niobi-titan.

Niobi-titan là hợp kim dẻo, kéo được thành sợi dài để quấn cuộn, và rẻ. Niobi-thiếc thì hai kim loại khoá cứng vào nhau thành tinh thể giòn, kéo thành dây rất khó và rất đắt. Nên hầu hết máy chụp cộng hưởng từ (MRI) trong bệnh viện chạy bằng nam châm niobi-titan. Năm 2014, riêng máy MRI đã chiếm khoảng 80% tổng giá trị thị trường của mọi thứ dùng siêu dẫn.

Máy gia tốc LHC ở CERN cũng vậy. Nam châm ở đó chứa khoảng 1.200 tấn cáp, trong đó 470 tấn là niobi-titan, còn lại là đồng. Cáp chạy ở 1,9 kelvin để giữ từ trường tới 8,3 tesla.

Phần lớn niobi đi vào thép

Máy gia tốc và máy MRI dùng niobi theo cách ấn tượng nhất. Nhưng tính theo khối lượng thì thép mới là nơi tiêu thụ nhiều niobi nhất thế giới.

Thêm chưa tới 0,1% niobi vào thép là đủ. Lượng nhỏ đó tạo ra những hạt niobi cacbua và niobi nitrua li ti nằm xen trong cấu trúc. Chúng chặn không cho các hạt tinh thể trong thép lớn lên lúc nung.

Hạt tinh thể càng nhỏ thì thép càng chắc và càng dễ hàn, mà không phải đổ thêm nguyên tố hợp kim đắt tiền nào khác. Loại thép này nằm trong đường ống dẫn dầu khí và khung gầm ô tô.

Năm 2006, khoảng 90% niobi đào trên thế giới đi vào thép cường độ cao. Số liệu tiêu thụ ở Mỹ năm 2024 cho thấy thép chiếm 77%, còn siêu hợp kim (hợp kim chịu nhiệt cho động cơ phản lực) chiếm 21%.

Brazil bán gần hết niobi cho thế giới

Theo USGS, năm 2024 Brazil sản xuất chừng 100.000 trong tổng 110.000 tấn niobi của cả thế giới, khoảng 92%. Canada đứng thứ hai với chừng 7%. Về trữ lượng đã biết thì Brazil nắm hơn 94%. Mỹ không đào niobi từ năm 1959 và nhập khẩu toàn bộ.

Niobi đổi màu dùng làm trang sức

Cơ thể người gần như không phản ứng với niobi. Niobi vì vậy được dùng làm khuyên xỏ, trang sức cho người dị ứng niken, và một số đồ cấy vào người, kể cả máy tạo nhịp tim.

Cho dòng điện chạy qua niobi trong dung dịch axit, bề mặt sẽ mọc một lớp oxit mỏng. Cách làm này gọi là anot hoá. Lớp oxit ấy làm ánh sáng giao thoa thành màu, dày mỏng khác nhau cho màu khác nhau. Váng dầu trên mặt nước và bong bóng xà phòng lên màu theo đúng kiểu đó.

Nước Áo đúc một loạt đồng xu euro bằng bạc ghép niobi anot hoá từ năm 2003. Xoay đồng xu là thấy lớp niobi đổi màu theo góc nhìn.

5 điều cần nhớ về niobi

1. 1 Nguyên tố này mang hai tên gọi suốt hơn một thế kỷ: columbium ở Mỹ, niobium ở châu Âu, tới 1950 IUPAC mới chốt.
2. 2 Niobi và tantan giống nhau tới mức các nhà hoá học tưởng là một nguyên tố suốt 35 năm.
3. 3 Ở áp suất thường, niobi có nhiệt độ tới hạn siêu dẫn cao nhất trong các nguyên tố nguyên chất, 9,2 kelvin.
4. 4 Hợp kim niobi-titan kém hơn niobi-thiếc về mọi chỉ số kỹ thuật, nhưng thắng vì dẻo, rẻ và kéo được thành sợi dài.
5. 5 Brazil chiếm khoảng 92% sản lượng niobi thế giới và hơn 94% trữ lượng đã biết.

Khối lượng nguyên tử theo CIAAW/IUPAC 2021, các giá trị còn lại theo PubChem (NCBI/NIH). Sản lượng, trữ lượng và phân bổ tiêu thụ ở Mỹ theo USGS, Mineral Commodity Summaries tháng 1/2025. Khối lượng cáp trong nam châm LHC theo Lucio Rossi, Superconductor Science and Technology 2010. Chuyện Hatchett, Wollaston, Rose và cuộc tranh cãi tên gọi, thông số hai hợp kim siêu dẫn, cơ chế thép vi hợp kim, chuyện niobi anot hoá, thông số siêu dẫn của niobi nguyên chất, khoang cộng hưởng, thị phần máy MRI, và cơ chế co lantan giữa niobi với tantan đều theo Wikipedia, đọc bản wikitext gốc. Năm Rose công bố lấy theo trích dẫn bài báo gốc là 1844, dù phần văn xuôi của mấy trang nguồn ghi khác. Đối chiếu lần cuối 12/09/2026.