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] 5s1 4d4
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. Le corps simple est un métal de transition gris, rare, mou et ductile.

Généralités, découverte du corps simple et de l'élément[modifier | modifier le code]

Le niobium, ce deuxième élément du groupe 5 et cinquième de la période 5 du bloc d appartient à la deuxième série des métaux de transition. Son cortège électronique est [Kr] 4d3 5s2 ou [Kr] 4d4 5s1 selon les auteurs. Il s'agit de l'élément monoisotopique 41, au sens qu'il n'existe qu'une seule variété isotopique naturelle stable.

La première esquisse de chimie du niobium a été découverte et publiée en 1801 par le minéralogiste et chimiste Charles Hatchett, après une méticuleuse étude chimique d'un lot de minéral orthorhombique columbite ou pentoxyde de diniobium, de formule Nb2O5 dont l'auteur de l'étude connaissait l'origine américaine illustrée par la mention "Columbia", dédicace au marin découvreur de l'Amérique, et le nom indien difficiliment localisable de ce dépôt originaire de la Nouvelle-Angleterre en 1753 dans les collections d'histoire naturelle du musée britannique.[7]. Les échantillons au beaux lustres noirâtres étudiées, en réalité à base de la ferro-columbite provenaient de la collection personnelle du gouverneur du Connecticut, John Winthrop (1606-1676). Ils avaient été prélevés sur le lieu-dit "Nautneague", aujourd'hui à Haddam, dans le Connecticut et gardé dans la collection minéralogique de la famille. Mais le petit-fils également nommé John Winthrop (1681–1747) les confie à Hans Sloane, naturaliste écossais et mécène du British Museum de Londres[8].

Le chimiste anglais qui travaille de façon précaire dans cette institution muséographique isole le corps simple et baptise cet élément « columbium » en latin ou « colombium » en français. Mais, la concurrence dans la chasse au éléments fait rage. En 1802, Anders Gustaf Ekeberg étudie un minéral voisin, la tantalite, et obtient l'oxyde de tantale. Il postule l'existence d'un nouvel élément, le tantale. Un débat houleux s'engage sur ces deux apports, ce qui pousse le chimiste Hatchett à montrer les différences entre oxyde de colombium et oxyde de tantale. L'apport perspicace de Hatchett, chercheur assez isolé, est jugé rapidement par certains contradicteurs erronés, une étude prudente postule apparemment une confusion avec le tantale découvert en 1802. Le débat se poursuit entre les chimistes de la Royal Society, jusqu'à ce que la qualité des oxydes soit vérifiée et établie en 1809 par Wollaston. Cet ancien médecin qui se consacre avec succès à la recherche depuis 1800, partant fallacieusement sur une démarche analogique de propriétés, conclut à l'identité des deux éléments sous-jacents, il rejette les travaux d'Hatchett d'autant plus que ce dernier scientifique, en proie au doute, avoue sincèrement qu'après vérification, ses préparations initiales ne peuvent pas être parfaitement purifiées du fait d'une véritable difficulté de séparation. Le prestige à la fois de Wollaston et de la chimie suédoise fait le reste, et assure en Europe une victoire fallacieuse.

Il faut signaler que les propriétés chimiques du niobium sont presque identiques à celles du tantale[9]. Berzélius aurait quelques temps noté Cb cet élément. Entre temps, Charles Hatchett avait changé de métier, l'ancien chimiste avait rejoint le métier de l'industrie mécanique des transports, à la fois plus lucratif et valorisant, en travaillant dans l'entreprise de charronnerie et de carrosserie de son frère John Hatchett.

En 1844, le minéralogiste et chimiste allemand et prussien Heinrich Rose juge le jugement de Wollaston trop catégorique[10]. Il reprend les travaux et affirme en 1845 avoir isolé un métal inconnu de la tantalite, minéral extrait en Bavière, il le nomme "das Pelopium". Mais les contestations et les difficultés s'accumulent sur ce premier résultat reconnu pourtant assez vite dans l'Europe savante, et finalement, après avoir prouvé qu'il s'agit d'un mixte, il isole en 1846 et le tantale, das tantalum déjà connu et le vieux "columbium" tant décrié et en réalité presque partout oublié, qu'il décide de renommer "das Niobium", pour ne pas ressusciter une stérile polémique. Le nouveau nom choisi dérive de Niobé, l'orgueilleuse fille de Tantale qui devint la pâle inspiratrice païenne des mères pleureuses. Ce choix est dû au fait que le tantale étaient fréquemment en mélange avec le niobium.

Mais l'antagonisme Ta/Cb, pour nombre de chimistes européens, avait été réglé par les analyses soi-disant pertinentes du chimiste Wollaston. Ainsi, la seconde partie du travail de Heinrich Rose demeure nettement moins connue, car nombre de chimistes européens ne conteste plus le prestige du chimiste anglais Wollaston. Ainsi, le chimiste français Henri Victor Regnault distingue encore, dans sa présentation des métaux ayant une "affinité faible avec l'oxygène à température ordinaire" de son ouvrage Éléments de Chimie, le tantale assimilé au colombium - selon la tradition de Wollaston - et le pelopium.

Ainsi, entre l'année 1844 et 1846, l'élément Cb a été redécouvert et dénommé niobium, mais apparemment la prime découverte est le plus souvent passée sous silence et la précédente nomenclature oubliée[11].

Il faut une réponse de la chimie suédoise aux travaux de Rose. Une préparation réalisée en 1866 par Christian Wilhelm Blomstrand (de) rappelle la difficulté de séparation, le produit obtenu, le niobium, est jugé par son auteur relativement impur, mais il reconnaît que l'opération de séparation est significative pour confirmer les derniers résultats de Rose, et disqualifier la position de Wollaston.

L'édition du Larousse de 1868 mentionne les travaux de Rose, et accepte le niobium en français.

Il faut attendre 1907 pour que le niobium pur soit obtenu facilement et garanti pur par le chimiste allemand Werner von Bolton (en). Mais dès 1905, ce métal avait trouvé un débouché pour les filaments d'ampoules électriques utilisé avant 1911 [12]. Il sert aussi déjà d'"élément renforçateur", en particulier dans les aciers spéciaux.

Les États-Unis, à l'instar des pays sous influence anglaise, ont longtemps utilisé le nom « colombium » (symbole Cb). Bien que « niobium » soit le nom officiel, on trouve encore « colombium » dans diverses publications[a]. En 1950, l'Union internationale de chimie pure et appliquée tranche en adoptant la dénomination niobium Nb, proposant une parenté chimique plus explicite entre Nb et Ta. Ce qui n'empêche la plupart des techniciens, industriels et savants américains, conservateurs, de garder la dénomination de columbium.

L'intérêt technique et industriel du niobium en ferait l'une des matières premières stratégiques et en particulier parmi les huit considérées comme indispensables en temps de guerre comme en temps de paix[b].

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.

Occurrences de l'élément, extraction minière et purification[modifier | modifier le code]

Le clarke s'élève entre 20 g et 24 g par tonne selon les estimations[15]. Il s'agit d'un élément assez moyennement abondant.

La Loparite-(Ce) est un minéral des pegmatites et syénites, ou autres roches à néphéline. Signalons la lueshite

Il se trouve plus qu'à l'état de traces dans la pérovskite.

Mais ce niobium est communément associé au tantale Ta, par exemple dans la samarskite et surtout dans les minéraux oxydes typiques des pegmatites granitiques, dits colombites (Fe,Mn)O.Nb2O5 ou colombo-tantalites (Fe,Mn)O.(Nb,Ta)2O5 ou les pyrochlores (Na,Ca)O.(Nb,Ta)2O5(F,OH). L'altération des pegmatites libèrent ces composés qui peuvent se concentrer dans des alluvions, des latérites ou des bauxites.

Parmi ces minerais, les plus exploités sont ceux à base de pyrochlore (Ca,Na)Nb2O6(OH,F), ils fournissent à l'industrie la majeure partie du niobium produit, car le coltan à base de colombite-tantalite convient à l'extraction du tantale, laissant tout de me comme sous-produit le niobium.

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. Mais il reste le bouclier orogène du Nouveau-Québec.

On trouve aussi du niobium dans le Nord-Kivu en République démocratique du Congo[16], mais aussi au Gabon, en Chine dans le Jiangxi et en Russie, par exemple dans l'oblast d'Irkoutsk ou de Mourmansk, en péninsule de Kola dans le massif du Lovozero.

Le 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[17].

Propriétés physiques et chimiques du corps simple métal, préparation et alliages[modifier | modifier le code]

Le niobium est un métal brillant gris, cristal de maille cubique centré. Il prend une couleur bleutée lorsqu'il est exposé à l'air à température ambiante pendant une longue période. Le métal est ductile. Le métal commence à s'oxyder à l'air au-dessus d'une température de 200 °C.

Mais il a des propriétés réfractaires car sa température de fusion en milieu protégé s'élève à 2 477 °C. Le thermocouple W-Nb permet pratiquement des mesures de températures jusqu'à 2 000 °C.

Préparations[modifier | modifier le code]

L'hydrure de calcium peut être employé comme réducteur ː

NbO2[18] + 2 CaH2Hydrure de calcium → Nb poudre métallique + 2 CaO chaux vive + 2 H2 gaz hydrogène

Alliages à base de Nb[modifier | modifier le code]

Dans les alliages où il est présent, une faible quantité de niobium permet d'accroître significativement la cohésion intergranulaire, renforçant les joints de grains. L'addition de niobium, même en quantité insignifiante, aux aciers nickel-chrome augmente leur résistance mécanique, et leur résistance à la corrosion.

Ainsi il est souvent présent à faible dose dans l'acier inox, l'acier maraging, le wootz,... le zircaloy

Chimie du Nb, corps composés[modifier | modifier le code]

Le nombre d'oxydation le plus connu est V.

Le Nb est un métal assez avide d'oxygène, c'est-à-dire oxophile.

Parmi les principaux composés, citons ː

oxyde de Nb V Nb2O5
ferrocolumbite
manganocolumbite
Qitianlingite (oxyde de tungstène, niobium et fer)
  • Niobates alcalins
Niobate de lithium
  • Chlorures de Nb
Chlorure de niobium(V) ou pentachlorure de Nb
  • Bromures de Nb
Bromure de niobium(V)
  • Nitrures de Nb
  • Carbures de Nb


composé intermédiaire de l'industrie métallurgique Ferroniobium et autres "ferroalliages".

Toxicologie, écotoxicologie[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. 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[19].

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[19]. 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)[19]. On ne comprend pas pourquoi il est aussi peu mobile dans le sol[19] 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.

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[20].

Les alliages contenant du niobium se retrouve en tuyauterie de haute résistance et dans les alliages de scellement. Des alliages contenant du Nb se retrouvent communément dans les avions à réaction et les tuyères.

Alliage d'acier[modifier | modifier le code]

Pour les aciers à hautes caractéristiques, l'adjonction bien précise de niobium, de titane[20] 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 :

Aimant supraconducteur[modifier | modifier le code]

On utilise de l'acier au niobium (jusqu'à environ 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[21].


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[13].
  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)[14].

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. C. Hatchett , Philosophical Transactions, Royal Society of London, 1802 (étude du minerai de Columbium).
  8. Fiche Ferro-columbite sur Mindat
  9. D'un point de vue minéralogique, la columbite ou niobite forme une série chimique continue avec la tantalite.
  10. Avec un jugement sûr de bon minéralogiste, il estime que la manière d'annoter les analogies n'est pas une démarche scientifique, mais d'essence philosophique et aristotélicienne. Cette démarche de pensée pousse à pourchasser toute tentative nominaliste et concrète, jugée vulgaire, en éliminant la prise de conscience de la diversité. Elle aboutit à des identifications de plus en plus abstraites.
  11. Il reviendra à la génération de Friedrich Konrad Beilstein de mettre de l'ordre dans la pléthore d'articles accumulées et dans le fatras de l'enseignement et des traditions de l'art chimique en relation avec la minéralogie, les techniques pratiques... en privilégiant une nomenclature atomique et des fiches précises et potentiellement renouvelables de connaissances des corps définis.
  12. Le tantale le remplacera dans les filaments d'ampoules en 1911.
  13. « Niobium », dans la série Periodic Table of Videos de l'université de Nottingham : http://www.periodicvideos.com/videos/067.htm.
  14. Christine Ockrent, comte de Marenches, Dans le secret des princes, éd. Stock, 1986, p; 193.
  15. Alain Foucault, opus cité.
  16. http://www.lepotentiel.com/afficher_article.php?id_article=104783&id_edition=7002
  17. http://actu.orange.fr/a-la-une/l-afghanistan-assis-sur-mille-milliards-de-dollars-de-minerais_567058.html
  18. oxyde de Nb(IV)
  19. a, b, c et d J. Réal, P. Santucci Fiche Radionucléide Niobium et environnement, IRSN, PDF, 11pages, 2002
  20. a et b (en) « Présentation du Niobium sur le site de Niocan Inc. », NIOCAN inc (consulté le 4 juillet 2009)
  21. Pour plus de détail, voir http://www.archaeometry.org/interaction.htm

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Alain Foucault, Jean-François Raoult, Fabrizio Cecca, Bernard Platevoet, Dictionnaire de Géologie - 8e édition, Français/Anglais, édition Dunod, 2014, 416 pages. Avec la simple entrée "niobium" p 238.
  • Paul Pascal, Nouveau traité de chimie minérale, Paris, Masson, (réimpr. 1966), 32 vol. :

    « 12. Vanadium, niobium, tantale, protactinium ; 20.1. Alliages métalliques ; 20.2. Alliages métalliques (suite) ; 20.3 Alliages métalliques (suite) »

    (notice BnF no FRBNF37229023)
  • Louis Perron, Le Niobium, Ressources naturelles Canada

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]


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8  119 120 *    
  * 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142  


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