Niobium

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Niobium
Niobium crystals and 1cm3 cube.jpg
Niobium cristallisé et cube anodisé.
ZirconiumNiobiumMolybdène
V
  Structure cristalline cubique à corps centré
 
41
Nb
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
   
                                           
Nb
Ta
Tableau completTableau 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-
γ 702 et 871 keV
2,045 94Mo
Précautions
SGH[5]
SGH02 : Inflammable
Danger
H250, P222, P231, P422,
Directive 67/548/EEC[6]
État pulvérulent :
Facilement inflammable
F



Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le niobium est l'élément chimique de numéro atomique 41, de symbole Nb. C'est un métal de transition gris, rare, mou et ductile.

Caractéristiques[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Isotopes du niobium.

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[modifier | modifier le code]

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 en mélange avec le niobium.

Le niobium a été découvert en 1801 par Charles Hatchett sous forme d'oxyde Nb2O5. Il l'avait baptisé « colombium ». Sa qualité de corps pur est établie en 1809 par Wollaston. En 1866, du niobium (relativement impur) a été préparé par Christian Wilhelm Blomstrand (en) puis le niobium pur par Werner von Bolton (en) 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[a].

Provenance[modifier | modifier le code]

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[8] 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[9].

Utilisations[modifier | modifier le code]

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[10].

Alliage d'acier[modifier | modifier le code]

Pour les aciers à hautes caractéristiques, l'adjonction bien précise de niobium, de titane[10] 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 qualités du niobium en font l'une des huit matières premières stratégiques considérées comme indispensables en temps de guerre comme en temps de paix[b].

Aimant supraconducteur[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

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.

Niobium

Réacteurs nucléaires[modifier | modifier le code]

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.

Dans les réacteurs CANDU 600, un alliage Zr-Nb 2,5% est utilisé pour fabriquer les tubes de pression.

Filtres à onde de surface[modifier | modifier le code]

Utilisent le niobate de lithium.

Joaillerie[modifier | modifier le code]


Sa coloration par anodisation est similaire à celle des autres métaux réfractaires tel que le titane[12].

Toxicologie, écotoxicologie[modifier | modifier le code]

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[13].

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[13]. 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)[13]. On ne comprend pas pourquoi il est aussi peu mobile dans le sol[13] 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[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Les Américains ont accepté de l'appeler « niobium » si les Européens acceptaient d'appeler l'élément 74 « tungstène » plutôt que d'utiliser le nom allemand Wolfram[7].
  2. Avec le germanium (électronique avancée), le titane (sous-marins de chasse, alliage extrêmement résistant), le magnésium (explosifs), le platine (contacts aussi conducteurs que l'or pour l'aviation, circuits avec contacts rapides), le mercure (chimie nucléaire, instruments de mesure), le molybdène (acier) et le cobalt (chimie nucléaire)[11].

Références[modifier | modifier le code]

  1. a, b, c et d (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, , 90e éd., 2804 p., Relié (ISBN 978-1-420-09084-0)
  2. (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, « Covalent radii revisited », Dalton Transactions,‎ , p. 2832 - 2838 (DOI 10.1039/b801115j)
  3. (en) Metals handbook, vol. 10 : Materials characterization, ASM International, , 1310 p. (ISBN 0-87170-007-7), p. 344
  4. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, TF-CRC, , 87e éd. (ISBN 0849304873), p. 10-202
  5. SIGMA-ALDRICH
  6. Entrée de « Niobium, Powder » dans la base de données de produits chimiques GESTIS de la IFA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand, anglais) (JavaScript nécessaire)
  7. « Niobium », dans la série Periodic Table of Videos de l'université de Nottingham : http://www.periodicvideos.com/videos/067.htm.
  8. http://www.lepotentiel.com/afficher_article.php?id_article=104783&id_edition=7002
  9. http://actu.orange.fr/a-la-une/l-afghanistan-assis-sur-mille-milliards-de-dollars-de-minerais_567058.html
  10. a et b (en) « Présentation du Niobium sur le site de Niocan Inc. », NIOCAN inc (consulté le 4 juillet 2009)
  11. Christine Ockrent, comte de Marenches, Dans le secret des princes, éd. Stock, 1986, p; 193.
  12. Pour plus de détail, voir http://www.archaeometry.org/interaction.htm
  13. a, b, c et d J. Réal, P. Santucci Fiche Radionucléide Niobium et environnement, IRSN, PDF, 11pages, 2002

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Sources[modifier | modifier le code]

  • Louis Perron, Le Niobium, Ressources naturelles Canada

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]


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