Niobio

Yo asi	AÑO	Período	Maryland	Ed	PD
Yo asi	AÑO	Período	Maryland	MeV	PD
91 Nb	{syn.}	680 a	ε	1,253	91 Zr
92 Nb	{syn.}	34.7 Mi	β - —-—- ε	0.356 —-—- 2.006	92 meses —-—- 92 Zr
93 Nb	100 %	estable con 52 neutrones
94 Nb	{syn.}	20 300 a	β - γ 702 y 871 keV	2.045	94 MB

Propiedades físicas corporales simples

Estado ordinario

sólido

Densidad

8,57 g · cm -3 ( 20 ° C )

Sistema de cristal

Centrado cúbico

Dureza

Color

Gris metalizado

Punto de fusión

2477 ° C

Punto de ebullición

4.744 ° C

Energía de fusión

26,4 kJ · mol -1

Energía de vaporización

696,6 kJ · mol -1

Volumen molar

14,02 × 10 -6 m 3 · mol -1

Presión de vapor

0,0755 Pa a 2467,85 ° C

Velocidad del sonido

3480 m · s -1 hasta 20 ° C

Calor masivo

265 J · kg -1 · K -1

Conductividad eléctrica

6,93 x 10 6 S · m -1

Conductividad térmica

53,7 W · m -1 · K -1

Solubilidad

suelo. en HF + HNO 3

Diverso

7440-03-1

231-113-5

Precauciones

SGH

Peligro H250 , P222 , P231 y P422 H250 : Se incendia espontáneamente en contacto con el aire
P222 : No permita el contacto con el aire.
P231 : Manipular bajo gas inerte.
P422 : Almacenar contenido en ...

Unidades de SI y STP a menos que se indique lo contrario.

El niobio es el elemento químico de número atómico 41, símbolo Nb. El cuerpo único es un metal de transición gris dúctil , relativamente blando y poco común .

General, descubrimiento del cuerpo simple y el elemento.

El niobio, el segundo elemento del grupo 5 y el quinto del período 5 del bloque d pertenece a la familia de los metales de transición . Su configuración electrónica es [Kr] 5s 1 4d 4 en orden de aumento del nivel de energía. Es el elemento monoisotópico 41, en el sentido de que sólo existe una variedad isotópica natural estable. Su electronegatividad ronda el 1,6.

Por su punto de fusión y su densidad moderada, el metal Nb es similar al molibdeno .

El grupo VB comprende respectivamente el vanadio V 23 , el niobio Nb 41 y el tantalio Ta 73 . Los puntos de fusión y ebullición de los cuerpos individuales de este grupo son altos, las entalpías de vaporización altas. El vanadio se diferencia significativamente del niobio y el tantalio, el primero tiene un radio atómico del orden de 0,122 nm mientras que los otros dos tienen un radio atómico similar, del orden de 0,134 nm , debido a la contracción del lantano . Así, los compuestos pentavalentes Nb (V) e incluso más Ta (V) son estables, como las “tierras ácidas” Nb 2 O 5o Ta 2 O 5, cuerpos ácido-base u óxidos anfóteros, entonces los compuestos pentavalentes de vanadio V (V) son marcadamente oxidantes. El metal vanadio V 0 es mucho más reactivo que el Nb 0 y especialmente el Ta 0 , que es relativamente inerte.

El niobio pertenece al grupo de los cinco metales refractarios en el sentido de que su punto de fusión es superior al del platino. Los otros cuatro cuerpos simples son tantalio Ta, tungsteno W, molibdeno Mo y renio Re.

El niobio y el tantalio a menudo se encuentran juntos en la naturaleza. Los dos cuerpos simples son difíciles de aislar y separar en su estado puro.

Un descubrimiento rebote XIX XX siglo

El primer boceto químico del niobio fue descubierto y publicado en 1801 por el mineralogista y químico Charles Hatchett , tras un minucioso estudio químico de un lote del mineral ortorrómbico columbita o pentóxido de niobio , de fórmula Nb 2 O 5 , del cual el autor de El estudio conoció el origen americano ilustrado por la mención "Columbia", dedicación al marinero descubridor de América , y el nombre indio difícil de localizar de este depósito originario de Nueva Inglaterra en 1753 en las colecciones de historia del Museo Británico. Las muestras estudiadas de brillo negruzco, en realidad hechas de ferrocolumbita , procedían de la colección personal del gobernador de Connecticut , John Winthrop (1606-1676). Habían sido sacados del lugar llamado "Nautneague", ahora en Haddam , Connecticut y guardados en la colección mineralógica familiar. Pero el nieto, también llamado John Winthrop (1681-1747), los confió a Hans Sloane , naturalista escocés y mecenas del Museo Británico de Londres.

El químico inglés, que trabaja precariamente en esta institución museográfica, caracteriza la singularidad del óxido y bautiza el elemento asociado "columbium" en latín o "colombium" en francés. Pero la competencia en la búsqueda de los elementos continúa. En 1802, Anders Gustaf Ekeberg estudió un mineral vecino, la tantalita , y obtuvo óxido de tantalio . También postula la existencia de un nuevo elemento, el tantalio . Se inicia un acalorado debate sobre estos dos aportes, que empuja al químico Hatchett a mostrar las diferencias entre óxido de colombio y óxido de tantalio. La perspicaz contribución de Hatchett, un investigador bastante aislado, fue rápidamente juzgada por algunos oponentes, un estudio cauteloso aparentemente postulaba una confusión con el tantalio descubierto en 1802. El debate continuó entre los químicos de la Royal Society , hasta que la calidad de los óxidos es verificado y establecido en 1809 por Wollaston . Este ex médico, que se ha dedicado con éxito a la investigación desde 1800, partiendo falazmente de un enfoque analógico de las propiedades, concluye que los dos elementos subyacentes son idénticos, rechaza el trabajo de Hatchett tanto más cuanto que este último científico, plagado de dudas, admite sinceramente que después de la verificación, sus preparativos iniciales no pueden purificarse perfectamente debido a una dificultad real de separación. El prestigio de la química sueca y de Wollaston hace el resto y asegura una falsa victoria en Europa.

Cabe señalar que las propiedades químicas del niobio son casi idénticas a las del tantalio . Berzelius habría observado este elemento Cb durante algún tiempo. Mientras tanto, Charles Hatchett había cambiado de trabajo, el ex químico se incorporó a la profesión de la industria del transporte mecánico, tanto más lucrativa como gratificante, trabajando en el negocio de carrocerías de vehículos y carrocería de su hermano John Hatchett.

En 1844, el mineralogista y químico alemán y prusiano Heinrich Rose consideró el juicio de Wollaston demasiado categórico. Reanudó el trabajo y en 1845 afirmó haber aislado un metal desconocido de la tantalita , un mineral extraído en Baviera , lo llamó “das Pelopium”. Pero las disputas y las dificultades se acumulan sobre este primer resultado, reconocido sin embargo con bastante rapidez en la Europa culta, y finalmente, después de haber demostrado que se trata de una mezcla, se aísla en 1846 y tantalio , das Tantalum, ya conocido, y el viejo “columbium”. tan condenado y en realidad olvidado en casi todas partes, que decidió cambiar el nombre de “das Niobium”, para no resucitar una polémica estéril. El nuevo nombre elegido deriva de Niobe , la orgullosa hija de Tántalo que se convirtió en la pálida inspiradora pagana de las madres que lloraban. Esta elección se debe al hecho de que el tantalio se mezclaba frecuentemente con niobio.

Pero el antagonismo Ta / Cb, para muchos químicos europeos, había sido zanjado por los análisis supuestamente relevantes del químico inglés Wollaston. Así, la segunda parte del trabajo de Heinrich Rose sigue siendo mucho menos conocida, porque muchos químicos europeos ya no disputan el prestigio del químico inglés Wollaston. Así, el químico francés Henri Victor Regnault aún distingue, en su presentación de metales de "débil afinidad con el oxígeno a temperatura ordinaria" en su obra Elementos de química , el tantalio asimilado al colombio -según la tradición de Wollaston- y el pelopio.

Así, entre el año 1844 y 1846 , el elemento Cb fue redescubierto y llamado niobio, pero aparentemente la prima de descubrimiento se pasa por alto con mayor frecuencia y se olvida la nomenclatura anterior.

Necesitamos una respuesta de la química sueca al trabajo de Rose. Una preparación realizada en 1866 por Christian Wilhelm Blomstrand (de) recuerda la dificultad de la separación. El producto obtenido, óxido de niobio, es juzgado por su autor como relativamente impuro, pero reconoce que la operación de separación es significativa para confirmar los últimos resultados de Rose y descalificar la posición de Wollaston. Continuó sus estudios desarrollando un proceso de reducción clásico adecuado para el laboratorio, reduciendo el cloruro de niobio calentándolo en una atmósfera barrida por gas hidrógeno, para obtener el niobio metálico.

La edición de 1868 del Larousse menciona las obras de Rose y acepta el "niobio" en francés.

No fue hasta 1907 que el químico alemán Werner von Bolton (en) obtuvo fácilmente el niobio puro y garantizó su buena pureza . Pero ya en 1905 este metal había encontrado una salida para los filamentos de las bombillas eléctricas utilizadas antes de 1911. También ya se utilizaba como “elemento de refuerzo”, en particular en aceros especiales. Sin embargo, fue especialmente durante el período de entreguerras cuando el cambio técnico se generalizó, primero reemplazó al tungsteno en los aceros para herramientas, luego se utilizó como aditivo antidesgarro y anticorrosión, en particular en los aceros inoxidables.

No fue hasta después de la guerra en 1946 para ver el nacimiento de una metalurgia industrial del niobio.

Los Estados Unidos , al igual que los países anglosajones, han utilizado durante mucho tiempo el nombre "colombium" (símbolo Cb), todavía es común en los nombres industriales. Aunque “niobio” es el nombre oficial, “colombio” todavía se encuentra en varias publicaciones. Recordemos que en 1950, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada decidió adoptar la denominación niobio Nb, proponiendo una relación química más explícita entre Nb y Ta. Esto no impide que la mayoría de los técnicos, industriales y científicos estadounidenses, conservadores, mantengan el nombre de columbium .

Léxico

El adjetivo niobico caracteriza ciertos compuestos de niobio, como el óxido anhidro ligeramente ácido, o el pentóxido de niobio, obtenido por la acción del oxígeno gaseoso sobre el niobio. Los iones correspondientes son niobatos.

La palabra niobita también se refiere al mineral columbita , más comúnmente un niobotantalato de hierro y manganeso.

¿Materia mineral crítica?

El interés técnico e industrial del niobio lo convertiría en una de las materias primas estratégicas y en particular entre las ocho consideradas tan indispensables en tiempo de guerra como en tiempo de paz.

El niobio tiene 33 isótopos conocidos, con números de masa que varían entre 81 y 113, y 24 isómeros nucleares . Entre estos isótopos, solo uno es estable , 93 Nb, y constituye todo el niobio presente de forma natural, lo que hace que el niobio sea un elemento monoisotópico y un elemento mononucleídico . Su masa atómica estándar es, por tanto, la masa isotópica de 93 Nb, o 92,906 38 (2) u .

Ocurrencias del elemento, minería y purificación.

El Clarke se estima que entre 18 g y 24 g por tonelada. Es un elemento bastante moderadamente abundante o relativamente raro, si tenemos en cuenta que los depósitos suelen ser, como los del tantalio, a baja concentración.

El Loparite- (Esto) es un mineral y pegmatita de sienita u otras rocas en nefelina . Señalemos el lueshite .

Ahora solo se encuentra en trazas de perovskita .

Pero este niobio se asocia comúnmente con tantalio, por ejemplo en samarskita , fergusonita , tantalita , itrio-tantalita . Pero los minerales de Nb son sobre todo aquellos minerales oxidados típicos de las pegmatitas graníticas, conocidas como colombitas (Fe, Mn) O. Nb 2 O 5, en realidad variedades de niobatos de hierro y manganeso (Fe, Mn). [Nótese bienO 3 ] 2o colombo-tantalitas (Fe, Mn). (Nb, Ta) 2 O 6o niobatos de calcio de estructura compleja, como piroclores (Na, Ca) O. (Nb, Ta) 2 O 5 (F, OH)o incluso themenites , de fórmula genérica (Y, Ca, Ce, U, Th). [(Nb, Ta, Ti)O 3 ] 2. La alteración de las pegmatitas libera estos compuestos que pueden concentrarse en aluviones, lateritas o bauxitas.

Entre estos minerales, los más explotados en la actualidad son los basados en pirocloro (Ca, Na) Nb 2 O 6 (OH, F), abastecen a la industria con la mayor parte del niobio producido, porque el coltán a base de Colombita-tantalita es apto para la minería. tantalio, dejando niobio como subproducto. A principios de la década de 1990, el sector de la tantalita y la columbita seguía siendo el más importante, con una producción anual de alrededor de 3,5 millones de toneladas.

El principal país productor de niobio es Brasil , que representa el 80% de la producción mundial, mientras que una sola mina ubicada en Saint-Honoré , Quebec , Canadá, representa el 15% de la producción mundial. Pero sigue siendo el escudo orogénico de Nouveau-Québec .

El niobio también se encuentra en Kivu del Norte en la República Democrática del Congo , pero también en Gabón , China en Jiangxi y Rusia , por ejemplo en el oblast de Irkutsk o Murmansk , en la península de Kola en el macizo de Lovozero . El niobio también se produce en Australia y Nigeria , India y Sudáfrica . También se extrae en Malawi y Gabón. También se puede extraer de la escoria de las minas de estaño en Malasia, donde se encuentra en estado de impurezas.

Madagascar se convierte en productor en 2008. Además, hay grandes cantidades de niobio en Afganistán, pero la debilidad de la infraestructura en este país hace que su explotación sea muy difícil.

Propiedades físicas y químicas del cuerpo metálico simple, preparaciones.

El niobio es un metal gris brillante, gris acero a gris blanco, con una red cristalina reticular cúbica centrada con parámetro a = 3.298 6 Å y grupo espacial isométrico Im3m. Su densidad es de alrededor de 8.57. Adquiere un color ligeramente azulado o mejor, un brillo azulado, a veces verde o amarillo, cuando se expone al aire a temperatura ambiente durante un tiempo prolongado. De hecho, está recubierto con una capa protectora anticorrosión fina y densa a base de óxido de niobio. Esta capa puede ser dura y refractaria, resistente a los productos químicos. Este metal bastante maleable es relativamente duro, 6 en la escala de Mohs . Su dureza Vickers es alrededor de 870 - 1,320 MPa dependiendo de las cualidades (presencia de impurezas). Se puede forjar.

El metal es blando y dúctil. El alargamiento a la rotura supera el 20% a temperatura ambiente. No es fácilmente deformable cuando está caliente, la fluencia es muy baja bajo el efecto del calor. Esta propiedad se explica por la naturaleza de los límites de grano , contribuye a su uso en aleaciones. Su calor específico es del orden de 0,265 J g −1 K −1 ).

La conductividad eléctrica es del 10% IACS, es decir, una décima parte de la del cobre puro. El metal paramagnético se superconductora a temperaturas inferiores a -253,15 ° C con dopantes, pero sólo temperaturas puros debajo -263,95 ° C . La conductividad térmica del orden de 52 W m −1 K −1 ) es similar a la del tantalio , pero menor que la del tungsteno .

El metal en masa es pasivo. Solo es verdaderamente reactivo en el estado finamente dividido. En polvo fino y fresco, el niobio puede encenderse espontáneamente. Se quema en el aire para dar anhídrido nióbico Nb 2 O 5.

El metal a granel puede ser reactivo por encima de una temperatura de 200 ° C , es decir, por ejemplo, se oxida rápidamente en el aire porque la capa de óxido ya no es protectora. Así, fuera de una atmósfera inerte, el metal trabajado con máquinas herramienta puede incendiarse. La metalurgia del niobio es muy compleja, como la del tantalio.

Pero este metal tiene una presión de vapor baja, tiene un módulo de elasticidad alto, desde 104 GPa a 20 ° C hasta 50 GPa a 1800 ° C , tiene alta estabilidad térmica debido a su bajo coeficiente de expansión térmica, por ejemplo de del orden de 7,1 × 10 -6 K -1 a 20 ° C . Estas son propiedades típicas de cuerpos refractarios, confirmado por su entorno protegido cantidades de temperatura de fusión a 2477 ° C .

El termopar W-Nb prácticamente permite mediciones de temperatura de hasta 2000 ° C .

El metal puede ser muy resistente a la corrosión por metales alcalinos a altas temperaturas.

El rango de líquido es importante. El extremo metal puro a 4744 ° C .

Desde un punto de vista químico, el niobio tiene una gran capacidad para unirse al gas hidrógeno . A temperatura ambiente, el niobio con una buena superficie específica puede unirse a 100 ml / g . En alrededor de 900 ° C. , la retención sigue siendo elevada, del orden de 4 ml / g . Forma hidruros de niobio no estequiométricos, similares a las aleaciones frágiles, del tipo NbH 0.86. La cantidad de hidrógeno absorbido, es decir, atrapado en la red de metal expandido, es función de los parámetros de temperatura y presión.

Para eliminar las trazas de hidrógeno del niobio metálico, se debe calentar al menos a 800 ° C al vacío.

También forma soluciones sólidas con carbono, oxígeno y nitrógeno a diferentes temperaturas. A altas temperaturas, el operador obtiene nitruros intersticiales de NbN. Los compuestos carbonosos del tipo NbC también son cuerpos con estructura intersticial, muy dura y refractaria, utilizados como herramienta de corte, mientras que los cuerpos compuestos NbC 2tienen un carácter iónico, reaccionan con el agua para liberar acetileno C 2 H 2.

El metal es insoluble en agua caliente. Es insoluble en bases débiles y en soluciones de amoniaco . Es devorado por la sosa cáustica y la potasa cáustica , incluso diluida.

Es insoluble a temperatura ambiente en ácidos fuertes, como el ácido clorhídrico , el ácido nítrico y el agua regia fría. Es atacado por el ácido sulfúrico concentrado, el ácido oxálico , el ácido fluorhídrico HF y el difluoro F 2. El niobio forma complejos con iones fluoruro. También es atacado por ácidos concentrados fuertes, calientes o en ebullición, con mayor rapidez a medida que se oxidan.

Es soluble en álcalis fundidos calientes, como la sosa cáustica fundida o la potasa fundida, dejando iones niobato. También es resistente a metales fundidos, como cuerpos simples plata Ag, bismuto Bi, cadmio Cd, cesio Cs, cobre Cu, galio Ga, mercurio Hg, potasio K, litio Li, magnesio Mg, sodio Na y plomo Pb. Su cristal La estructura se ve afectada por líquidos metálicos a base de aluminio Al, cobalto Co, estaño Sn, níquel Ni, zinc Zn y berilio Be.

Si reacciona fácilmente con flúor gaseoso a temperatura ambiente, reacciona por encima de 150 ° C con cuerpos halógenos simples cloro , bromo , yodo , como con azufre y fósforo , y con cuerpos compuestos, como vapor de agua.

El niobio es un material refractario químicamente sensible, especialmente a la oxidación y al oxígeno. A altas temperaturas de funcionamiento, puede reaccionar con los óxidos refractarios y grafitos de los hornos, o al menos reducir su resistencia a pesar del gas protector o enrarecido. También reacciona con los componentes basados en hexagonal de boro nitruro y nitruro de silicio .

Preparativos

El hidruro de calcio se puede utilizar como agente reductor:

NbO 2Óxido de Nb (IV) + 2 CaH 2Hidruro de calcio → No. de polvo metálico + 2 CaO cal viva + 2 H 2gas de hidrogeno

En la industria de la columbita, los minerales se concentran hasta un 70% en pentaóxidos de niobio y tantalio, estos concentrados se disuelven en diferentes disolventes, como ácido fluorhídrico y ácido sulfúrico, lo que permite separar luego los fluoruros de tantalio y niobio. A continuación, el fluoruro de niobio se oxida a pentóxido de niobio.

Luego, los concentrados de niobio se tratan en dos etapas, la segunda utilizando la alta afinidad del Nb por el oxígeno, lo que requiere el dominio de las técnicas de vacío:

Nb 2 O 5Nb (V) óxido + 7 C carbón activado, calentamiento por encima de 800 ° C → 2 NbC material muy duro + 5 CO gas monóxido de carbonoCarburo de niobio 5 NbC + 2 Nb 2 O 5Óxido de Nb (IV), calentamiento a 2000 ° C al vacío → 7 Nb 0 polvo metálico + 5 CO gas monóxido de carbono

El proceso de reducción también puede tomar como agente reductor hidrógeno junto o por separado con carbono.

El polvo de niobio metálico se sinteriza y se transforma en una barra o lingote de cientos de kg. El tratamiento térmico, por ejemplo recocido a 1700 ° C , debe realizarse en alto vacío, sin trazas de hidrógeno u oxígeno, nitrógeno o carbono, para eventualmente eliminar los últimos elementos intersticiales o superficiales, oxígeno y nitrógeno. La presencia de estos oligoelementos tiene efectos catastróficos sobre estas propiedades mecánicas y técnicas.

Existen otros procesos, el ferroniobio común, obtenido masivamente por tratamiento de pirocloro mediante aluminotermia o un proceso de arco eléctrico, puede ser clorado y nitrurado, hidrurado y luego nitrurado, luego el nitruro se oxida. El concentrado de pirocloro se puede atacar directa y químicamente. En todos los casos se obtiene el pentóxido de niobio relativamente purificado, que puede convertirse más rápidamente por reducción con la ayuda de metales específicos, mediante procesos aluminotérmicos , magnesiotermales o calciotermales. El niobio metálico es pulverulento, con forma de aguja o esponjoso. Para purificarlo, es necesario trabajar al vacío, la mayoría de las veces con un horno de bombardeo electrónico. Es necesario eliminar el aluminio o los metales alcalinotérreos, los elementos intersticiales no deseados en forma de gas. Son necesarios varios pasos de fusión de la zona para asegurar niveles aceptables de impurezas.

El niobio puede refinarse por electrólisis u obtenerse, muy raramente, por electrólisis de pentacloruro. El niobio ultra puro se puede obtener mediante la fusión de la zona del haz de electrones.

El material Nb se moldea fácilmente. Se vende en láminas, hilos, cintas o barras. Es preferible darle forma plegando, estampando, presionando o estampando, evitando los procesos de soldadura en frío o de corte, que son difíciles de implementar.

Las nanopartículas de niobio metálico pueden sintetizarse mediante sodiotermia o natriotermia, es decir una reducción por sodio metálico de pentóxido de niobio Nb 2 O 5, con el uso a 650 ° C de sales fundidas o cloruros diluidos como CaCl 2, KCl, NaCl y LiCl. Varios procesos que duran un promedio de seis horas utilizan alrededor de una quinta parte del exceso de sodio y aseguran una alta pureza del Nb nanométrico obtenido.

Aleaciones

En las aleaciones donde está presente, una pequeña cantidad de niobio aumenta significativamente la cohesión intergranular, fortaleciendo los límites de los granos. Sus aleaciones, por ejemplo con cromo y níquel , son muy fuertes y resistentes a altas temperaturas. El punto débil de este metal refractario sigue siendo la oxidación.

La adición de niobio, incluso en cantidades insignificantes, a los aceros al níquel-cromo aumenta su resistencia mecánica a temperaturas elevadas y su resistencia a la corrosión. El más espectacular es el aumento de la resistencia al desgarro. A contenidos más altos, da aceros ligeros con altas resistencias.

Así, es a menudo presente en dosis bajas en los aceros micro-aleación, acero inoxidable , acero martensítico envejecido , wootz , pero en proporciones más altas en superaleaciones de Cr y Ni, aleaciones de Nb.Hf utilizado en el módulo lunar de Apolo o boquillas de cohetes, aleaciones madre de niobio y níquel, aleaciones de NbSn, NbGe, la superaleación de niobio y titanio NbTi..., zircaloy ...

Aliado al estaño, aluminio, circonio o titanio, el niobio conserva sus propiedades de superconductividad a bajas temperaturas. Por lo tanto, las aleaciones de NbSn y NbTi se producen en forma de alambres y especialmente de bobinas eléctricas, para hacer potentes imanes, porque estos materiales son superconductores a muy bajas temperaturas.

Los polvos milimétricos de Ti y Nb, o incluso sus bandas o virutas, se mezclan, compactan y funden en un horno de bombardeo electrónico al vacío. Son necesarias varias pasadas en el horno para obtener superaleaciones Nb 0,515 a 0,54 Ti 0,46 a 0,485 de calidad.

Química del Nb, cuerpos compuestos

El número de oxidación más conocido y entre los más comunes es V. Pero el grado III también es común. También hay grados de oxidación IV, II, I y -I, -III cada vez más raros. Los compuestos de niobio con un alto grado de oxidación suelen ser incoloros. Los compuestos con grados de oxidación más bajos o negativos son muy coloridos.

El grupo VB o la familia del vanadio contienen metales que se reducen bastante a bajas temperaturas, pero están protegidos por capas protectoras de óxido, lo que dificulta o hace muy lentas las reacciones de oxidación en frío. Las reacciones con gases halógenos, como el cloro , el oxígeno o el azufre, requieren calentamiento. Las reacciones con carbono y nitrógeno, por otro lado, requieren altas temperaturas. Cabe señalar que no existe una "reducción convencional por carbono" propia del metal a alta temperatura, ya que generalmente se obtienen carburos.

El Nb es un metal bastante hambriento de oxígeno, es decir oxofílico . Óxido pentavalente Nb 2 O 5 es el más común y, sin embargo, es la materia prima industrial para fabricar carburo de niobio NbVS y niobio Nb Cuerpo de un solo metal.

El niobio Nb (V) es menos estable que el Ta, una simple mezcla de zinc metálico Zn 0 en un medio ácido, permite la reducción de Nb 5 plus a Nb 3 plus . Los haluros pentavalentes de vanadio y niobio se hidrolizan con bastante facilidad a oxihaluros y luego más lentamente a óxidos trivalentes hidratados. Esta es una separación crucial entre la química del tantalio y el niobio, ya que los haluros de Ta se hidrolizan muy difícilmente.

El niobio forma fácilmente complejos con iones fluoruro. Entonces

Nótese bienF 5fluoruro acuoso de Nb (V) + 2 KFfluoruro de potasio acuoso → K 2 NbF 7complejo de potasio de ion heptafluoruro de niobio

El niobio oxófilo también forma complejos con peróxido de hidrógeno, acetilcetona, ácido oxálico ...

Algunos de los compuestos principales incluyen:

Óxidos de Nb

óxido de niobio (II) NbO negro cúbico Dióxido de niobio ( pulg ) NbO 2 negro pentóxido de niobio (V) Nb 2 O 5 blanco anfótero ferrocolumbita manganocolumbita Qitianlingita (óxido de tungsteno, niobio y hierro)

Oxihaluros de niobio

Oxicloruro de niobio NbOCl 3

Niobatos alcalinos

Niobato de litio

Fluoruros de niobio
Cloruros de Nb

Nótese bienCl 2 Nótese bienCl 3 Nótese bienCl 4 Cloruro de niobio (V) o pentacloruro de Nb amarillo blanco

Bromuros de nb

Bromuro de niobio (V)

Yoduros de niobio
Hidruros de niobio

hidruros no estequiométricos

Nb seleniuro
Nitruro de niobio
Carburos de Nb

Nótese bienVS

Ferroniobio FeNb

Es un compuesto intermedio muy común en la industria metalúrgica, junto con otras “ferroaleaciones”. El 90% de la producción de niobio, en la década de los noventa, pasa por ferroniobio (que generalmente comprende entre 50 y 70% de Nb) utilizado en aceros y aleaciones con cromo , níquel y cobalto .

Detecciones

El niobio se detecta fácilmente mediante espectroscopía de emisión de rayos X, en dosis del orden del 0,01% en masa en una mezcla.

Toxicología, ecotoxicología

La mayoría de los niobatos con estructuras iónicas, como el cloruro de niobio o los niobatos , son altamente tóxicos y deben tratarse con cuidado, especialmente también cuando están presentes en los desechos. El polvo de niobio metálico causa irritación de los ojos y la piel. También aumenta el riesgo de incendio en el estado finamente dividido.

Por el contrario, el niobio elemental o Nb de un solo cuerpo es inerte y, a menudo, se usa en joyería para evitar ciertas alergias. El niobio no tiene ningún papel biológico conocido. Sus compuestos parecen ser raros en la naturaleza, pero muchos son altamente tóxicos o ecotóxicos .

En los mamíferos, el niobio inhalado se mantiene en los pulmones y finalmente queda atrapado de forma secundaria en los huesos. Puede interferir con el calcio en la función de los activadores de enzimas. A partir del umbral de 40 mg / m³, la inhalación de polvo de nitruro de niobio o pentóxido de niobio marca irreversiblemente los pulmones de los animales de laboratorio.

Se sabe poco sobre su cinética ambiental y metabolismo , y los datos radioecológicos relacionados con el niobio son raros, "o incluso ausentes" según el IRSN. El niobio generalmente no está presente ni es útil en los organismos vivos. Los musgos y líquenes pueden acumular trazas de Nb del orden de 0,45 ppm, y las plantas vivas cerca de las instalaciones industriales tienen niveles del orden de 1 ppm.

Su isótopo radiactivo Niobio 95 ( 95 Nb) suele coexistir con el circonio 95 ( 95 Zr) (cuando no se confunde con él) en el equilibrio radiactivo 95 Zr / 95 Nb. Estos dos isótopos no son químicamente comparables, pero se sabe que tienen comportamientos similares en suelos y plantas. Pocos estudios los han descrito, pero el IRSN los considera "particularmente poco reactivos y, por lo tanto, probablemente no muy móviles en el medio ambiente" , debido a una fuerte afinidad del niobio por las partículas del suelo y probablemente a la transferencia de raíces. Cero (adsorción en las raíces , pero sin pasaje y translocación en la planta). No entendemos por qué es tan poco móvil en el suelo y parece que no sabemos cuál puede ser su impacto en los organismos o la red trófica cuando es ingerido por animales "devoradores de tierra" (ejemplo: lombrices ) o cuando los animales que consumen las raíces vivas o los descomponedores (animales, hongos, bacterias) consumen la materia orgánica sobre la que se ha adsorbido.

Usos

Aproximadamente el 89% del consumo mundial de niobio en 2008 se destina a la fabricación de acero, mientras que el 9% se destina a la producción de superaleaciones y el 2% a superconductividad y aplicaciones médicas.

Las aleaciones que contienen niobio se encuentran en instalaciones que deben resistir la corrosión, en calderas resistentes a altas presiones, boquillas de superaleación, de alta resistencia tubos o tuberías , así como en las aleaciones de sellado y entre los materiales de construcción de cápsulas espaciales. Las aleaciones que contienen Nb se encuentran comúnmente en aviones a reacción y toberas de cohetes espaciales, turbinas de gas y motores de aviones a reacción.

Presencia en aceros

En cuanto al viaducto de Millau, el pliego de condiciones recomendaba un acero con 0,0025% de niobio para reducir el espesor de las estructuras de 4,6 a 4,2 m (más de 2.500 metros de longitud). Un material mecánicamente más eficiente explica los volúmenes y masas reducidos involucrados y, por lo tanto, menos resistencia al viento.

Para aceros de altas características, la adición muy precisa de niobio, titanio y aluminio genera un carácter calificado como dispersoide. Dicho acero dispersoide tiene una resistencia mejorada (límite elástico y resistencia a la tracción, alargamiento, estrechamiento, resistencias) porque la combinación Ti - Al - Nb promueve el refinamiento del grano. La adición del elemento dispersoide es muy baja pero requiere una gran precisión de dosificación, también se habla de aceros microaleados.

Esta resistencia justifica el uso de acero al niobio en aplicaciones:

la tubería (donde el niobio a veces se asocia con el circonio );
los cohetes y satélites al espacio (el Apolo 11 se fabricó con un 60% de acero niobio );
construcción de automóviles o carrocería;
en rejas anti-intrusión o anti-robo en viviendas o automóviles.

Aceleradores e imanes superconductores

El niobio puro se utiliza para la fabricación de cavidades resonantes de radiofrecuencia superconductoras, por ejemplo, en aceleradores de partículas.

Las aleaciones de niobio-circonio , niobio-estaño y niobio-titanio se utilizan en imanes superconductores para aceleradores, imagen médica de fusión (MRI). La aleación superconductora convencional con la temperatura crítica más alta es Nb 3 Ge con una temperatura crítica de 23 K ( -250 ° C ). Desafortunadamente, también es difícil de fabricar y se usa poco.

Metal de aportación para soldadura por arco

Las varillas de aporte para soldadura por arco son aleaciones de niobio, junto con circonio , molibdeno , vanadio , cromo o tungsteno , permiten soldar ciertos aceros inoxidables .

Ortopedía

Los huesos protésicos, que el cuerpo soporta bien, pueden ser una aleación de niobio y titanio. La profesión médica los utiliza para implantes o en clavijas y placas de reducción de fracturas.

Reactores nucleares

El niobio tiene una sección de captura de neutrones térmicos de baja efectividad, se utiliza en reactores nucleares como “desgasificador”, en particular como una aleación con circonio para el revestimiento del combustible debido a su pequeña sección de captura de neutrones.

En los reactores CANDU 600, se utiliza una aleación de Zr-Nb al 2,5% para fabricar los tubos de presión.

Pulvimetalurgia y materiales específicos

El carburo de niobio, así como el nitruro de niobio, permiten, mediante pulvimetalurgia, obtener herramientas de corte cerámicas muy duras. Estas combinaciones de niobio también están presentes en varios objetos refractarios moldeados.

El metal Nb se encuentra en la fabricación de bobinas eléctricas y termopares, pero también en aeronáutica.

Óptico

El pentavalente de óxido de niobio proporciona vidrios altamente refractivos.

Los filtros con ondas superficiales son niobato de litio básico .

Joyería y metal monetario

Su coloración por anodización es similar a la de otros metales refractarios como el titanio . Los procesos de anodización sobre un núcleo de niobio dejando óxidos en capas más o menos finas permiten obtener por efecto de interferencia todos los colores del espectro de luz visible, desde el rojo al azul o el violeta. Durante la electrólisis del agua con un ánodo de niobio, el niobio se oxida fácilmente en la superficie, formando una capa de cobertura de pentóxido de niobio más o menos espeso. Sin embargo, esta fina capa oxidada, que es a la vez transparente y muy refractiva, una vez iluminada, produce interferencia con la luz que ilumina. Dependiendo del grosor de la capa, es como si la superficie de metal oxidado de diversas formas reprodujera los colores brillantes del arco iris .

Se utiliza para fabricar crisoles refractarios para fabricar diamantes sintéticos policristalinos.

Las monedas y medallas conmemorativas están hechas con niobio. La Medalla Charles Hatchett premia a los científicos que contribuyen al desarrollo de la metalurgia del niobio.

Química

El óxido de niobio pentavalente es un catalizador, por ejemplo, para la síntesis de caucho . El niobio es un componente importante de los catalizadores de alto rendimiento para la producción de ácido acrílico .

Las nanopartículas de niobio de gran superficie específica se utilizan como catalizadores y electrocatalizadores. Permiten producir materiales superconductores de alta calidad. Se utilizan para pilas de combustible.

Economía

El costo del niobio se ha estimado desde 2010 en 40 dólares el kilogramo, mientras que en 1999 era de 6,6 dólares. Es crucial para la industria del acero y, como tal, es de interés para los principales estados productores de este material.

Purificado y empaquetado para joyería, en 2015 podría superar los 18 dólares por cien gramos.

A principios de la década de 1990, la producción mundial ascendía a 20.000 toneladas anuales. El Brasil ocurrió en 1990 el 90% de la producción mundial - En 2015, Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (en) Brasil controla el 80% de la producción mundial -, seguido por Canadá y Nigeria . En 2018 entrará en funcionamiento un depósito en Tanzania .

Notas y referencias

Notas

Los estadounidenses acordaron llamarlo "niobio" si los europeos acordaron llamar al elemento 74 " tungsteno " en lugar de usar el nombre alemán Wolfram .
Con germanio (electrónica avanzada), titanio (submarinos de caza, aleación extremadamente resistente), magnesio (explosivos), platino (contactos tan conductores como el oro para la aviación, circuitos con contactos rápidos), mercurio (química nuclear, instrumentos de medida), molibdeno ( acero) y cobalto (química nuclear).

Referencias

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SIGMA-ALDRICH
según la tabla periódica del sitio web del Laboratorio Nacional de Los Alamos . También encontramos [Kr] 4d 3 5s 2 o más a menudo [Kr] 4d 4 5s 1 según los autores.
C. Hatchett, Philosophical Transactions , Royal Society of London, 1802 (estudio del mineral de Columbium). Para otros historiadores de la ciencia, el nombre del mineral “columbita” vendría aún más prosaicamente del lugar de empaque de las muestras que sería Columbia, Connecticut. Charles Hatchett estaba al tanto del sitio de la colección amerindia en la hoja de descripción dolorosamente descifrada, pero estos informantes estadounidenses, despreciando las tradiciones campesinas, aunque conservadoras pero consideradas vulgares e inadecuadas para una investigación exhaustiva, recordaron la pérdida generalizada y a menudo irremediable de la toponimia amerindia durante de la Ilustración , habiendo impuesto las autoridades capas anglosajonas más adecuadas.
Hoja de ferrocolumbita en Mindat
Desde un punto de vista mineralógico, la columbita o niobita forma una serie química continua con la tantalita.
Con el sano juicio de un buen mineralogista, cree que la forma de anotar las analogías no es un proceso científico, sino esencialmente filosófico y aristotélico. Este proceso de pensamiento empuja a perseguir cualquier intento nominalista y concreto, considerado vulgar, eliminando la conciencia de la diversidad. Conduce a identificaciones cada vez más abstractas.
La mitología y el descubrimiento de la química del niobio de Enrico Samarelli , del artículo Niobé et le Niobium (Mitología y química) , Revue d'histoire de la pharmacy , Número 157, Volumen 46, Año 1958, páginas 287-290.
Corresponderá a la generación de Friedrich Konrad Beilstein poner orden en la plétora de artículos acumulados y en el revoltijo de enseñanzas y tradiciones del arte químico en relación a la mineralogía, técnicas prácticas, favoreciendo una nomenclatura atómica y archivos de conocimiento precisos y potencialmente renovables de cuerpos definidos.
Christian Wilhelm Blomstrand, Journal für praktische Chemie , volumen 97, 1866, p. 37
tantalio lo reemplazará en filamentos de bulbos en 1911.
“Niobium”, en la serie Tabla periódica de videos de la Universidad de Nottingham: http://www.periodicvideos.com/videos/067.htm .
Christine Ockrent , Conde de Marenches , En el secreto de los príncipes , ed. Stock, 1986, pág; 193.
Presentación del mineral en Mindat
Alain Foucault, opus citado.
niobio también se puede encontrar en tantalitas o tantalatos de hierro y manganeso.
http://www.lepotentiel.com/aposer_article.php?id_article=104783&id_edition=7002
http://actu.orange.fr/a-la-une/l-afghanistan-assis-sur-mille-milliards-de-dollars-de-minerais_567058.html
Este metal es tanto más suave cuanto más puro es.
El niobio ligeramente impuro se derrite a alrededor de 2.468 ° C
El gas hidrógeno está en posición intersticial porque la densidad del hidruro es menor que la del metal.
leer infra
Jean Steinmetz, Michel Vilasi, Bernard Roques, Oxidación y protección de aleaciones a base de niobio , artículo citado
Este razonamiento simplista ignora los defectos en la estructura cristalina. Por ejemplo, el V 2 O 5 Análogo químico incoloro o blanco del óxido de Nb (V), es rojo anaranjado en estado sólido.
Ficha de toxicología de Lenntech
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Bibliografía

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Ver también

enlaces externos

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Nació

N / A

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