Pentoxyde de niobium

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Pentoxyde de niobium
Image illustrative de l'article Pentoxyde de niobium
Couche blanche fracturée en paillette de pentoxyde de niobium se détachant d'un fil métallique de niobium
Identification
Nom UICPA Oxyde de niobium (V)
Synonymes

Pentoxyde de niobium
Pentoxyde de diniobium
Anhydride niobique

No CAS 1313-96-8
PubChem 123105
SMILES
Apparence poudre cristalline, solide blanc
Propriétés chimiques
Formule brute Nb2O5  [Isomères]Nb2O5
Masse molaire[1] 265,8098 ± 0,0015 g/mol
Nb 69,9 %, O 30,1 %,
Propriétés physiques
fusion 1 512 °C
Solubilité insoluble dans l'eau, soluble dans l'acide fluohydrique HF, les alcalis fondus
Masse volumique 4,6 g·cm-3 ou 4,47 g·cm-3
Précautions
SGH[3]
SGH07 : Toxique, irritant, sensibilisant, narcotiqueSGH08 : Sensibilisant, mutagène, cancérogène, reprotoxiqueSGH09 : Danger pour le milieu aquatique
Danger
H302, H332, H335, H341, H361d, H372, H411,
Directive 67/548/EEC
Toxique
T
Dangereux pour l’environnement
N


Transport
-
   2862   
Classification du CIRC
Groupe 2B : Peut-être cancérogène pour l'homme[2]
Composés apparentés
Autres composés

Ta2O5


Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Le pentoxyde de niobium est le composé minéral oxyde de niobium de formule Nb2O5.

Propriétés physiques et chimiques[modifier | modifier le code]

Ce corps Nb2O5 en principe de structure macromoléculaire est un solide incolore et inodore blanc, insoluble dans l'eau et ininflammable, très peu réactif, souvent sous forme de poudre. Rappelons que cet oxyde amphotère stable, légèrement acide, constitue la fine couche d'oxydation du corps simple niobium, ce métal étant lentement oxydé dans l'air :

2 Nb solide + 5/2 O2 gaz → Nb2O5 solide couvrant avec

Il s'agit du principal composé de la chimie du niobium, au carrefour d'un grand nombre de produit, en particulier dans le champ des alliages et d'autres matériaux spécifiques englobant des condensateurs, le niobate de lithium, et les verres optiques[4].

Structures cristallines[modifier | modifier le code]

Structure cristalline monoclinique de B-Nb205 (niobium en gris, oxygène en rouge)

Il présente divers polymorphismes, dont la géométrie est fondée en grande partie sur la coordination octaédrique des atomes de niobium[5],[6]. Les variétés polymorphes sont identifiées avec des préfixes spécifiques.

La variété la plus fréquente est monoclinique[7] :

  • En dessous de 750 °C, elle se nomme B-Nb2O5. L'ajustement des polyèdres de coordination correspond à une structure rutile de groupe d'espace B2/b avec, comme paramètres de maille, a = 1273 pm, b = 556 pm, c = 488 pm, γ = 105°05'. La structure est celle du pentoxyde d'antimoine, avec une couche écran d'oxygène à agencement presque hexagonale. L'indice de réfraction avoisine 2,3 pour des longueur d'ondes lumineuse de 500 nm[8]. Le corps qui cristallise en petites tablettes, feuillets ou paillettes est transparent entre 350 et 7000 nm[9].
  • Au-dessus de 750 °C, la forme la plus stable est H-Nb2O5[10]. Le groupe de symétrie est P2 (no 3) avec, comme paramètres de maille, a = 2116 pm, b = 382,2 pm, c = 1935 pm, β = 119° 50' et Z (nombre d'unité par maille) = 14[11]. Cette structure est complexe, avec une maille cristalline unitaire contenant donc 28 atomes de niobium et 70 oxygène, avec 27 atomes de niobium en position octaédrique et un dernier en position tétraédrique[11].

Il est possible de préparer par hydrolyse, soit à partir d'une solution de pentachlorure de niobium, soit de Nb2O5 dissous dans HF, divers corps hydratés solides, Nb2O5. n H2O, non caractérisés d'un point de vue de la structure, qui se nomme l'acide niobique (autrefois appelé acide columbique par Charles Hatchett)[12].

Préparation et production[modifier | modifier le code]

Nb2O5 est préparé par hydrolyse de niobates de métaux alcalins, mais aussi par l'action de corps basiques ou bases sur divers "alkoxides" et de fluorures de niobium. Ces procédés permettent d'obtenir facilement des oxydes hydratés, qui, après calcination, donne l'oxyde recherché.

D'autres voies de préparation[modifier | modifier le code]

Étant donné que Nb2O5 est le composé et pivot fondamental de la chimie du niobium, il existe de multiples méthodes d'obtention, tantôt simple et pratique, tantôt sophistiquée ou complexes. L'oxydation du dioxyde de niobium NbO2 dans l'air explique la variété polymorphe  L-Nb2O5[13]. Du Nb2O5 pratiquement pur, si on ôte l'oxychlorure résiduel, peut être préparé par hydrolyse de NbCl5[14]:

2 NbCl5 poudre solide + 5 H2O eau en excès → Nb2O5 précipité solide + 10 HCl aqueux
Une représentation de l'éthoxyde de niobium (V)

Une méthode originale de synthèse par voie sol-gel passe par l'hydrolyse déjà mentionnée de divers corps alkoxides de niobium, par exemple le pentaéthoxyde de niobium, en présence d'acide acétique, elle est suivie par la calcination des gels pour produire la forme polymorphe, T-Nb2O5[15].

Des particules nanométriques de pentoxyde de niobium ont été synthétisées par réduction par LiH du pentachlorure de niobium NbCl5, suivie d'une nécessaire oxydation par voie aérienne pour obtenir des microstructures de niobates.

Réactions[modifier | modifier le code]

Nb2O5 est attaqué par HF, il est facilement soluble dans ce solvant. Il se dissout aussi à chaud dans les hydroxydes alcalins fondus[16].

Réduction en corps simple métal Nb[modifier | modifier le code]

La réduction du pentoxyde Nb2O5 est un passage obligé de la production industrielle de niobium métal. Dans les années 1980, environ 15 000 tonnes de Nb2O5 ont été employées annuellement pour l'obtention du métal[17]. La méthode principale est la réduction par aluminothermie de cet oxyde, soit une réaction exothermique avec le corps simple aluminium:

3 Nb2O5 + 10 Al → 6 Nb + 5 Al2O3

Une autre voie connue, mais de moins en moins empruntée, passe par la réduction par le charbon, elle constitue la première de deux étapes du vieux procédé Balke[18],[19] :

Nb2O5 solide chauffé entre 800 et 900 °C + 7 C solide pulvérulent → 2 NbC solide + 5 CO gaz
5 NbC solide dur + Nb2O5 → 7 Nb métal + 5 CO gaz (chauffé sous vide à 1800 °C)

Préparation d'halogénures de Nb[modifier | modifier le code]

De multiples méthodes sont connues pour transformer Nb2O5 en halogénures. Mais il s'agit de réactions incomplètes qui laissent des oxyhalogénures.

Au laboratoire, la réaction peut être effectuée avec le chlorure de thionyle[20]:

Nb2O5 poudre solide blanche + 5 SOCl2 liquide → 2 NbCl5 poudre solide jaune + 5 SO2 gaz

Nb2O5 réagit avec CCl4 pour donner l' oxychlorure de niobium NbOCl3.

Formation de niobates[modifier | modifier le code]

Le traitement de Nb2O5 avec de la soude caustique NaOH initialement aqueuse chauffée à 200 °C laisse le corps cristallin niobate de sodium, alors que la réaction avec KOH peut donner les ions hexaniobates solubles en milieu aqueux écrits selon la terminologie de Lindqvist, Nb6O198-[21]. Les niobates de lithium comme LiNbO3 et Li3NbO4 peut être préparé par réaction du carbonate de lithium avec notre oxyde Nb2O5[22].

Obtention d'oxydes de niobium à degrés d'oxydations plus faibles[modifier | modifier le code]

À haute température la réduction du pentoxyde de Nb par le gaz hydrogène H2 donne le corps noir NbO2:

Nb2O5 + H2 → 2 NbO2 + H2O

Le mono-oxide de Nb s'obtient à partir d'une réaction stœchiométrique à l'aide d'un four à arc[23]:

Nb2O5 + 3Nb → 5 NbO

De couleur bordeaux ou brun marron, l'oxyde de niobium(III), l'un des premiers oxydes supraconducteurs connus, peut être préparé de nouveau par respect des mêmes proportions ou "comproportionation"[24] :

Li3NbO4 + 2 NbO → 3 Li NbO2

Utilisations[modifier | modifier le code]

Le pentoxyde de niobium est utilisé massivement pour la production de niobium métal ou d'alliages, mais des applications spécialisées existent pour le niobate de lithium et pour des composés niobés destinés à fabriquer verres réfringents et filtres optiques.

Liens externes[modifier | modifier le code]

  • Base d'information sur le niobium et  données de recherche
  • Des films minces de Nb2O5 forment les couches diélectriques dans les condensateurs à électrolyte solide et ces couches spécifiques peuvent être déposées par électrolyse sur des corps à base de monoxyde de niobium frittés .Katsuhiro Yoshida, Noriko Kuge (NEC Corporation), Sintered bodies based on niobium suboxide, brevet US 6215652, 2001.

Références[modifier | modifier le code]

  1. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  2. IARC Working Group on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans, « Evaluations Globales de la Cancérogénicité pour l'Homme, Groupe 2B : Peut-être cancérogènes pour l'homme », sur http://monographs.iarc.fr, CIRC, (consulté le 22 août 2009)
  3. Numéro index 023-001-00-8 dans le tableau 3.1 de l'annexe VI du règlement CE N° 1272/2008 (16 décembre 2008)
  4. Francois Cardarelli (2008) Materials Handbook Springer London (ISBN 978-1-84628-668-1)
  5. C. Nico, « Sintered NbO powders for electronic device applications », The Journal of Physical Chemistry C, vol. 115, no 11,‎ , p. 4879–4886 (DOI 10.1021/jp110672u)
  6. Wells A.F. (1984) Structural Inorganic Chemistry 5th edition Oxford Science Publications. (ISBN 0-19-855370-6)
  7. Von Roger Blachnik, Jean D'Ans, Ellen Lax, Claudia Synowietz, Taschenbuch für Chemiker und Physiker, Band 3 : Elemente, anorganische Verbindungen und Materialien, Minerale; Springer Verlag, 1998; (ISBN 3-540-60035-3).
  8. Evaporation Materials
  9. Catalogue Merck, fiche produit 106868.
  10. Georg Brauer, Handbuch der präparativen anorganischen, Chemie. 3., umgearb. Auflage. Band III. Enke, Stuttgart 1981, (ISBN 3-432-87823-0), en particulier page 1465
  11. a et b B. M. Gatehouse and A. D. Wadsley, The crystal structure of the high temperature form of niobium pentoxide, Acta Crystallogr., 1964, vol. 17, pp. 1545-1554.DOI:10.1107/S0365110X6400384X.
  12. D.A. Bayot and M.M. Devillers, Precursors routes for the preparation of Nb based multimetallic oxides in Progress in Solid State Chemistry Research, Arte M. Newman, Ronald W. Buckley, (2007), Nova Publishers, (ISBN 1-60021-313-8)
  13. Electrical properties of NbO2 and Nb2O5 at elevated temperature in air and flowing argon, G. C. Vezzoli Phys.
  14. Process for the manufacture of niobium pentoxide or tantalum pentoxide, Kern, Therwil, Jacob, Hooper (CIBA Switzerland), US Patent number: 3133788, (1964)
  15. Sol-gel route to niobium pentoxide, P Griesmar, G Papin, C Sanchez, J Livage - Chem.
  16. (en) Norman N. Greenwood et Alan Earnshaw, Chemistry of the Elements, Butterworth-Heinemann, (ISBN 0080379419)
  17. Joachim Eckert, Hermann C. Starck "Niobium and Niobium Compounds" Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005, Wiley-VCH, Weinheim. DOI:10.1002/14356007.a17_251
  18. Alan E. Comyns (1999) Encyclopedic Dictionary of Named Processes in Chemical Technology CRC Press, (ISBN 0-8493-1205-1)
  19. U.S. Environmental Protection Agency, Development Document for Effluent Limitations, Guidelines and Standards for the Nonferrous Metals Manufacturing Point Source Category, Volume VIII, Office of Water Regulations and Standards, May 1989
  20. D. Brown "Niobium(V) Chloride and Hexachloroniobates(V)" Inorganic Syntheses, 1957 Volume 9, pp. 88–92.DOI:10.1002/9780470132401.ch24
  21. Studies on the hydrothermal synthesis of niobium oxides, I.C. M. S. Santos, L. H. Loureiro, M. F. P. Silva and Ana M. V. Cavaleiro, Polyhedron, 21, 20, (2002), 2009-2015, DOI:10.1016/S0277-5387(02)01136-1
  22. US Patent 5482001 - Process for producing lithium niobate single crystal, 1996, Katoono T., Tominaga H.
  23. T. B. Reed, E. R. Pollard "Niobium Monoxide" Inorganic Syntheses, 1995 Volume 30, pp. 108–110, 2007. DOI:10.1002/9780470132616.ch22
  24. Margret J. Geselbracht, Angelica M. Stacy, "Lithium Niobium Oxide: LiNbo2 and Superconducting LiXNbO2" Inorganic Syntheses 1995, Volume 30, Pages: 222–226.DOI:10.1002/9780470132616.ch42