Niobium

Niobium
Zirconium ← Niobium → Molybdène V     41 Nb                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               ↑ Nb ↓ Ta Tableau complet • Tableau étendu
Informations générales
Nom, symbole, numéro	Niobium, Nb, 41
Série chimique	métaux de transition
Groupe, période, bloc	5, 5, d
Masse volumique	8,57 g·cm-3 (20 °C)[1]
Dureté	6
Couleur	Gris métallique
No CAS	7440-03-1
No EINECS	231-113-5
Propriétés atomiques
Masse atomique	92,90637 ± 0,00002 u[1]
Rayon atomique (calc)	145 pm (198 pm)
Rayon de covalence	164 ± 6 pm [2]
Configuration électronique	[Kr] 4d4 5s1
Électrons par niveau d’énergie	2, 8, 18, 12, 1
État(s) d’oxydation	5, 3
Oxyde	Acide faible
Structure cristalline	Cubique centré
Propriétés physiques
État ordinaire	solide
Point de fusion	2 477 °C [1]
Point d’ébullition	4 744 °C [1]
Énergie de fusion	26,4 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation	696,6 kJ·mol-1
Volume molaire	14,02×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur	0,0755 Pa à 2 467,85 °C
Vitesse du son	3 480 m·s-1 à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling)	1,6
Chaleur massique	265 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique	6,93×106 S·m-1
Conductivité thermique	53,7 W·m-1·K-1
Solubilité	sol. dans HF + HNO3 [3]
Énergies d’ionisation[4]
1re : 6,75885 eV	2e : 14,0 eV
3e : 25,04 eV	4e : 38,3 eV
5e : 50,55 eV	6e : 102,057 eV
7e : 125 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD MeV 91Nb {syn.} 680 a ε 1,253 91Zr 92Nb {syn.} 34,7 Ma β- —-—- ε 0,356 —-—- 2,006 92Mo —-—- 92Zr 93Nb 100 % stable avec 52 neutrons 94Nb {syn.} 20 300 a β- 2,045 94Mo
Précautions
Directive 67/548/EEC[5]
État pulvérulent : F Symboles : F : Facilement inflammable Phrases R : R11 : Facilement inflammable. Phrases S : S43 : En cas d’incendie, utiliser … (moyens d’extinction à préciser par le fabricant. Si l’eau augmente les risques, ajouter : « Ne jamais utiliser d’eau »). Phrases R : 11, Phrases S : 43,
SGH[6]
DangerH250, P222, P231, P422, H250 : S'enflamme spontanément au contact de l'air P222 : Ne pas laisser au contact de l’air. P231 : Manipuler sous gaz inerte. P422 : Stocker le contenu sous …
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.
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Le niobium est un élément chimique, de symbole Nb et de numéro atomique 41. C'est un métal de transition gris, rare, mou et ductile.

Caractéristiques

Le niobium est un métal brillant gris, ductile qui prend une couleur bleutée lorsqu'il est exposé à l'air à température ambiante pendant une longue période. Les propriétés chimiques du niobium sont presque identiques à celles du tantale. Le métal commence à s'oxyder à l'air au-dessus d'une température de 200 °C. Le minerai pyrochlore (Ca,Na)Nb₂O₆(OH,F) fournit la majeure partie du niobium produit.

Isotopes

Le niobium possède 33 isotopes connus, de nombre de masse variant entre 81 et 113, et 24 isomères nucléaires. Parmi ces isotopes, un seul est stable, ⁹³Nb, et constitue l'intégralité du niobium naturellement présent, faisant du niobium un élément monoisotopique ainsi qu'un élément mononucléidique. Sa masse atomique standard est donc la masse isotopique de ⁹³Nb, soit 92,90638(2) u.

Histoire

Le nom dérive de Niobé, la fille de Tantale. Ce choix est dû au fait que le tantale découvert antérieurement s'est avéré par la suite être un mélange avec le niobium.

Le niobium a été découvert en 1801 par Charles Hatchett sous forme d'oxyde Nb₂O₅. Il l'avait baptisé « colombium ». En 1866, du niobium (relativement impur) a été préparé par Christian Wilhelm Blomstrand puis le niobium pur par Werner von Bolton en 1907.

Les États-Unis ont longtemps utilisé le nom « colombium » (symbole Cb), du district de Columbia où le minéral a été découvert. Bien que « niobium » soit le nom officiel, on trouve encore « colombium » dans diverses publications.

Provenance

Le principal pays producteur de niobium est le Brésil, à 80 % de la production mondiale, tandis qu'une seule mine située à Saint-Honoré, au Québec, Canada, compte pour 15 % de la production mondiale. On trouve aussi du niobium dans le Nord-Kivu en République démocratique du Congo^[7] et au Gabon. Madagascar devient producteur en 2008. Par ailleurs, il existe de grandes quantités de niobium en Afghanistan mais la faiblesse des infrastructures dans ce pays rend son exploitation très difficile^[8].

Utilisations

Environ 89 % de la consommation mondiale du niobium se retrouve dans la fabrication de l'acier tandis que 9 % va à la production de superalliages et 2 % aux applications de super-conductivité et aux applications médicales^[9].

Alliage d'acier

Pour les aciers à hautes caractéristiques, l'adjonction bien précise de niobium, de titane^[9] et d'aluminium génère un caractère qualifié de dispersoïde. Un tel acier à dispersoïdes a une résistance améliorée (limite d'élasticité et limite de rupture, allongement, striction, résiliences) car la combinaison Ti - Al - Nb favorise l'affinement des grains. L'addition d'élément dispersoïde est très faible mais nécessite une grande précision de dosage, on parle aussi d'aciers micro-alliés.

Cette résistance justifie l'utilisation d'acier au niobium dans les applications :

• les pipelines (où le niobium est parfois associé au zirconium)
• les fusées et les satellites envoyés dans l'espace (Apollo 11 était fait à 60 % en acier au niobium^{[réf. nécessaire]}).
• la construction automobile, dans les barres anti-intrusion

Les qualités du niobium en font l'une des huit matières premières stratégiques considérées comme indispensables en temps de guerre comme en temps de paix^[10].

Aimant supraconducteur

On utilise de l'acier au niobium (60 % de niobium) et des alliages de niobium, zirconium ou étain dans des aimants supraconducteurs. L'alliage supraconducteur le plus utilisé est le Nb₃Ge dont la température critique est 23K (−250 °C).

Métal d'apport pour le soudage à l'arc

On utilise des alliages de niobium, avec le zirconium, le molybdène, le vanadium, le chrome ou le tungstène comme métal d'apport pour souder à l'arc certains aciers inoxydables.

Orthopédie

Le corps supporte bien un alliage de niobium et de titane que l'on utilise pour des implants ou dans les broches et plaques de réduction des fractures.

Cristaux de niobium et cube de niobium anodisé, bleu de 1cm³

Niobium

Réacteurs nucléaires

Il est utilisé en alliage avec le zirconium pour les enveloppes de barre de combustible du fait de sa faible section de capture des neutrons.

Filtres à onde de surface

Utilisent le niobate de lithium.

Joaillerie

Sa coloration par anodisation est similaire à celle des autres métaux réfractaires tel que le titane^[11].

Toxicologie, écotoxicologie

Le niobium n'a pas de rôle biologique connu. Ses composés semblent rares dans la nature, mais beaucoup sont hautement toxiques ou écotoxiques.

Sa cinétique environnementale et son métabolisme sont mal connus, et les données radioécologiques relatives au niobium sont rares, « voire absentes » selon l'IRSN^[12].

Son isotope radioactif Niobium 95 (⁹⁵Nb) coexiste habituellement avec le zirconium 95 (⁹⁵Zr) (quand il n'est pas confondu avec lui) dans l’équilibre radioactif ⁹⁵Zr/⁹⁵Nb^[12]. Ces deux isotopes ne sont pas chimiquement comparables mais sont réputés avoir des comportements proches dans les sols et végétaux. Peu de travaux les ont décrit, mais ils sont considérés comme « particulièrement peu réactifs et donc probablement peu mobiles dans l’environnement » par l'IRSN, en raison d'une forte affinité du niobium pour les particules du sol et un transfert racinaire probablement nul (adsorption sur les racines, mais sans passage et translocation dans la plante)^[12]. On ne comprend pas pourquoi il est aussi peu mobile dans le sol^[12] et il semble qu'on ignore quels peuvent être ses impacts dans les organismes ou le réseau trophique quand il est ingéré par les animaux "mangeurs de terre" (ex : vers de terre) ou quand des animaux consommant les racines vivantes ou des décomposeurs (animaux, champignons, bactéries) consomment la matière organique sur laquelle il a été adsorbé.

Précautions

La plupart des composés niobés ioniques, comme le chlorure de niobium ou les niobates, sont hautement toxiques et doivent être traités avec attention, en particulier aussi quand ils sont présents dans les déchets. La poussière métallique de niobium provoque une irritation oculaire et dermique. Elle accroît aussi les risques d'incendie.

À l'inverse, le niobium élémentaire est inerte et souvent utilisé en bijouterie pour éviter certaines allergies.

Notes et références

Sources

• Louis Perron, Le Niobium, Ressources naturelles Canada

Voir aussi

Articles connexes

• Métaux réfractaires

Liens externes

• BRGM Panorama 2010 du marché du niobium, décembre 2011

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