Prix, occurrence, extraction et utilisation du niobium

Le niobium [ˈnioːp] (après Niobe, la fille du tantale) est un élément chimique avec le symbole d'élément Nb et le numéro atomique 41. C'est l'un des métaux de transition, dans le tableau périodique, il est dans la 5ème période et le 5ème sous-groupe (groupe 5) ou groupe vanadium.

Aujourd'hui encore, de nombreux métallurgistes, fournisseurs de matériaux et particuliers utilisent la désignation obsolète depuis longtemps dans la région anglo-saxonne. columbium et l'abréviation Cb utilise.

Le métal lourd rarement présent est de couleur grise et facilement malléable. Le niobium peut être extrait des minéraux colombite, coltan (colombite-tantalite) et loparite. Il est principalement utilisé en métallurgie pour fabriquer des aciers spéciaux et améliorer la soudabilité.

Le niobium a été découvert par Charles Hatchett en 1801. Il l'a trouvé dans du minerai de colombite (trouvé pour la première fois dans le lit d'une rivière en Colombie), qui a été envoyé en Angleterre par John Winthrop vers 1700. Hatchett a nommé l'élément columbium. Jusqu'au milieu du XIXe siècle, on supposait que le colombium et le tantale, découverts en 19, étaient le même élément, car ils se trouvent presque toujours ensemble dans les minéraux (paragenèse).

Ce n'est qu'en 1844 que le professeur berlinois Heinrich Rose a montré que le niobium et l'acide tantalique sont des substances différentes. Ne connaissant pas le travail de Hatchett et sa dénomination, il a nommé l'élément redécouvert en raison de sa similitude avec le tantale après Niobe, la fille de Tantale.

Ce n'est qu'après 100 ans de débats que l'Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA) a mis en avant en 1950 niobium comme nom officiel de l'élément.

En 1864, Christian Wilhelm Blomstrand a réussi à produire du niobium métallique en réduisant le chlorure de niobium avec de l'hydrogène à la chaleur. En 1866, Charles Marignac a confirmé le tantale comme un élément distinct.

En 1907, Werner von Bolton a produit du niobium très pur en réduisant un heptafluoroniobate avec du sodium.

Occurrence 

Le niobium est un élément rare avec une part de 1,8 · 10 dans la croûte terrestre^-3 %. Cela ne semble pas digne. En raison des rayons ioniques similaires, le niobium et le tantale sont toujours des frères et sœurs. Les minéraux les plus importants sont la colombite (Fe, Mn) (Nb, Ta)₂O₆, également connue sous le nom de niobite ou de tantalite selon la teneur en niobium ou tantale, ainsi que pyrochlore (NaCaNb₂O₆F).

Les autres minéraux les plus rares sont:

• Euxénite [(Y, Ca, Ce, U, Th) (Nb, Ta, Ti)₂O₆].
• Olmsteadit (KFe₂(Nb, Ta) [O | PO₄]₂ · H₂O) et
• Samarskit ((Y, He)₄[(Nb, Ta)₂O₇]₃)

Les gisements de niobium dans les carbonatites, où le pyrochlore s'est accumulé dans les sols altérés, présentent un intérêt économique. La production annuelle en 2006 était de près de 60.000 90 t, dont XNUMX% étaient extraits au Brésil. Ces dernières années, la production a considérablement augmenté. Le Brésil et le Canada sont les principaux producteurs de concentrés minéraux contenant du niobium. De grands gisements de minerai sont également situés au Nigéria, en République démocratique du Congo et en Russie.

Extraction et présentation 

Puisque le niobium et le tantale se produisent toujours ensemble, les minerais de niobium et de tantale sont d'abord digérés ensemble, puis séparés par cristallisation fractionnée ou solubilité différente dans des solvants organiques. Le premier procédé de séparation industrielle de ce type a été développé par Galissard de Marignac en 1866.

Tout d'abord, les minerais sont exposés à un mélange d'acide sulfurique et fluorhydrique concentré à 50–80 ° C. Les fluorures complexes [NbF₇]^2- et [TaF₇]^2-qui sont facilement solubles.

Les sels dipotassiques de ces fluorures peuvent être formés en les convertissant en phase aqueuse et en ajoutant du fluorure de potassium. Seul le fluorure de tantale est peu soluble dans l'eau et précipite. Le fluorure de niobium facilement soluble peut ainsi être séparé du tantale. De nos jours, cependant, la séparation par extraction avec de la méthylisobutylcétone est courante. Une troisième possibilité de séparation est par distillation fractionnée des chlorures NbCl₅ et TaCl₅. Ceux-ci peuvent être produits par réaction de minerais, de coke et de chlore à des températures élevées.

Le pentoxyde de niobium est d'abord produit à partir du fluorure de niobium séparé par réaction avec l'oxygène. Celui-ci est soit d'abord converti en carbure de niobium avec du carbone, puis réduit en métal avec davantage de pentoxyde de niobium à 2000 ° C sous vide, soit obtenu directement par aluminothermie. La majeure partie du niobium pour l'industrie sidérurgique est produite de cette manière, de l'oxyde de fer étant ajouté pour obtenir un alliage fer-niobium (60% de niobium). Si des halogénures sont utilisés comme matière de départ pour la réduction, cela se fait avec du sodium comme agent réducteur.

Propriétés

Le niobium est un métal lourd ductile avec un éclat gris. Les états d'oxydation -3, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5 sont connus. Comme pour le vanadium, qui est supérieur au niobium dans le tableau périodique, le niveau +5 est le plus cohérent. Le comportement chimique du niobium est presque identique à celui du tantale, qui est directement sous le niobium dans le tableau périodique.

Du fait de la formation d'une couche passive (couche protectrice), le niobium est très résistant à l'air. La plupart des acides ne l'attaquent donc pas à température ambiante. Seul l'acide fluorhydrique, en particulier lorsqu'il est mélangé avec de l'acide nitrique et de l'acide sulfurique concentré chaud, corrode rapidement le niobium métallique. Le niobium est également instable dans les alcalis chauds, car ils dissolvent la couche passive. À des températures supérieures à 200 ° C, il commence à s'oxyder en présence d'oxygène. Le soudage du niobium doit avoir lieu dans une atmosphère de gaz protecteur en raison de son instabilité dans l'air.

L'ajout de tungstène et de molybdène au niobium augmente sa résistance à la chaleur et l'aluminium augmente sa résistance.

La température de transition élevée du niobium de 9,25 K, en dessous de laquelle il est supraconducteur, et sa capacité à absorber facilement les gaz sont remarquables. Un gramme de niobium peut absorber 100 cm³ d'hydrogène à température ambiante, qui était auparavant utilisé dans la technologie des tubes à vide.

Utiliser 

Le niobium est utilisé comme additif d'alliage pour les aciers inoxydables, les aciers inoxydables spéciaux (par exemple les tuyaux pour la production d'acide chlorhydrique) et les alliages non ferreux, car les matériaux alliés au niobium se caractérisent par une résistance mécanique accrue. Même à des concentrations de 0,01 à 0,1% en masse, le niobium associé au laminage thermomécanique peut augmenter considérablement la résistance et la ténacité de l'acier. Les premières tentatives d'utilisation du niobium comme élément d'alliage (remplacement du tungstène) ont eu lieu aux États-Unis en 1925. Les aciers affinés de cette manière sont souvent utilisés dans la construction de pipelines. En tant que formateur de carbure fort, le niobium est également ajouté aux consommables de soudage pour lier le carbone.

Les autres utilisations comprennent:

• Application en technologie nucléaire en raison de la faible section efficace de capture des neutrons thermiques.
• Fabrication d'électrodes de soudage stabilisées au niobium comme charge de soudage pour les aciers inoxydables, les aciers inoxydables spéciaux et les alliages à base de nickel.
• En raison de sa couleur bleuâtre, il est utilisé pour le perçage des bijoux et la fabrication de bijoux.
• Dans le cas des pièces en niobium (pièces bimétalliques), la couleur du noyau en niobium peut varier considérablement en raison de processus physiques (par exemple, pièces de 25 euros d'Autriche).

• Des quantités importantes sont utilisées comme ferroniobes et niobes de nickel dans l'industrie métallurgique pour la production de superalliages (nickel, cobalt et alliages à base de fer). Des pièces statiques pour turbines à gaz fixes et volantes, des pièces de fusée et des composants résistants à la chaleur pour la construction de fours sont fabriquées à partir de cela.
• Le niobium est utilisé comme matériau d'anode dans les condensateurs électrolytiques au niobium. Un oxyde de niobium, l'oxyde de niobium (V), a une rigidité diélectrique élevée. Il est appliqué à la surface de l'anode en niobium dans un processus dit de formation et sert de diélectrique dans ce condensateur. Les condensateurs électrolytiques au niobium sont en concurrence avec les condensateurs électrolytiques au tantale les plus populaires.
• Les ampoules en verre des ampoules halogènes sont-elles à l'extérieur avec z. B. niobium, une partie du rayonnement thermique du filament de tungstène est réfléchie vers l'intérieur. En conséquence, une température de fonctionnement plus élevée et donc une plus grande efficacité lumineuse peuvent être obtenues avec une consommation d'énergie inférieure.
• En tant que catalyseur (par exemple dans la production d'acide chlorhydrique et dans la production d'alcools à partir de butadiène),
• En tant que niobate de potassium (composé chimique de potassium, de niobium et d'oxygène), qui est utilisé comme monocristal dans la technologie laser et pour les systèmes optiques non linéaires
• Utilisation comme matériau d'électrode pour les lampes à vapeur de sodium haute pression
• Supraconductivité: à des températures inférieures à 9,5 K, le niobium pur est un supraconducteur de type II. Les alliages de niobium (avec N, O, Sn, AlGe, Ge) appartiennent aux trois éléments purs niobium, vanadium et technétium ainsi qu'aux substances de type II -Les supraconducteurs sont: Les températures de transition de ces alliages sont comprises entre 18,05 K (niobium étain, Nb₃Sn) et 23,2 K (niobium germanium, Nb₃Ge). Les résonateurs à cavité supraconductrice fabriqués à partir de niobium sont utilisés dans les accélérateurs de particules (dont XFEL et FLASH à DESY à Hambourg). Pour générer des champs magnétiques élevés allant jusqu'à environ 20 Tesla, des aimants supraconducteurs avec des fils en niobium-étain et niobium-titane sont utilisés. Par exemple, 600 t de niobium-étain et 250 t de niobium-titane sont utilisées pour le réacteur expérimental de fusion ITER. Les aimants supraconducteurs du LHC sont également constitués d'alliages de niobium.

Sicherheitshinweise

Bien que le niobium soit considéré comme non toxique, la poussière métallique de niobium irrite les yeux et la peau. La poussière de niobium est hautement inflammable.

Un mode d'action physiologique du niobium est inconnu.

Général
Nom, symbole, numéro atomique	Niobium, Nb, 41
La Gamme	Les métaux de transition
Groupe, période, bloc	5, 5, j
Apparence	gris métallisé
numéro CAS	7440-03-1
Fraction de masse de la coquille de terre	19 ppm
nucléaire
masse atomique	92,90638 unités
Rayon atomique (calculé)	145 (164) après-midi
Rayon covalent	137 pm
configuration électronique	[Kr] 4d4 5s1
1. ionisation	652,1 kJ / mol
2. ionisation	1380 kJ / mol
3. ionisation	2416 kJ / mol
4. ionisation	3700 kJ / mol
5. ionisation	4877 kJ / mol
physiquement
L'état physique	fest
la structure cristalline	cubique centré sur le corps
densité	8,57 g / cm3 (20 ° C)
dureté Mohs	6,0
magnétisme	paramagnétique ( = 2,3 10-4)
point de fusion	2750 K (2477 ° C)
point d'ébullition	5017 K (4744 ° C)
Volume molaire	10,83 · 10-6 m3/ mol
Chaleur de vaporisation	690 kJ / mol
la chaleur de fusion	26,8 kJ / mol
vitesse du son	3480 m / s à 293,15 K
Conductivité électrique	6,58 · 106 A / (V · m)
conductivité thermique	54 W / (m K)
Chimique
états d'oxydation	2, 5
potentiel normal	−1,1 V (Nb2+ + 2 e- → Nb)
électronégativité	1,6 (échelle de Pauling)
isotope
isotope NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 91Nb {Syn.} 680 un ε 1,253 91Zr 92Nb {Syn.} 3,47 · 107 a ε 2,006 92Zr β- 0,356 92Mo 93Nb 100 % stable 93metaNb {Syn.} 16,13 un IT 0,031 93Nb 94Nb {Syn.} 20300 un β- 2,045 94Mo 95Nb {Syn.} 34,975 j β- 0,926 95Mo
propriétés RMN
Spin γ dans rad * T-1· s-1 Er(1H) fL à W = 4,7 T en MHz 93Nb 9/2 6,567 · 107 0,488 24,47
Sicherheitshinweise
étiquetage SGH substances dangereuses Danger Phrases H et P H: 250 EUH: pas de taux EUH P: 222-231-422 Informations dangereusesPoudre léger inflammable (F) Phrases R et S R: 11 S: 43

Prix ​​du niobium

Prix ​​du niobium -> prix des métaux stratégiques