Nióbio - Niobium

Nióbio,  41 Nb
Uma massa de cristais brilhantes cinza com facetamento hexagonal
Nióbio
Pronúncia / N b i ə m / ( NY- OH -bee-əm )
Aparência cinza metálico, azulado quando oxidado
Peso atômico padrão A r, std (Nb) 92,906 37 (1)
Nióbio na tabela periódica
Hidrogênio Hélio
Lítio Berílio Boro Carbono Azoto Oxigênio Flúor Néon
Sódio Magnésio Alumínio Silício Fósforo Enxofre Cloro Argônio
Potássio Cálcio Escândio Titânio Vanádio Cromo Manganês Ferro Cobalto Níquel Cobre Zinco Gálio Germânio Arsênico Selênio Bromo Krypton
Rubídio Estrôncio Ítrio Zircônio Nióbio Molibdênio Tecnécio Rutênio Ródio Paládio Prata Cádmio Índio Lata Antimônio Telúrio Iodo Xenon
Césio Bário Lantânio Cério Praseodímio Neodímio Promécio Samário Europium Gadolínio Térbio Disprósio Holmium Erbium Túlio Itérbio Lutécio Háfnio Tântalo Tungstênio Rênio Ósmio Iridium Platina Ouro Mercúrio (elemento) Tálio Liderar Bismuto Polônio Astatine Radon
Francium Rádio Actínio Tório Protactínio Urânio Neptúnio Plutônio Americium Curium Berquélio Californium Einsteinium Fermium Mendelévio Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seabórgio Bohrium Hassium Meitnerium Darmstádio Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
V

Nb

Ta
zircônionióbiomolibdênio
Número atômico ( Z ) 41
Grupo grupo 5
Período período 5
Bloquear   bloco d
Configuração de elétron [ Kr ] 4d 4 5s 1
Elétrons por camada 2, 8, 18, 12, 1
Propriedades físicas
Fase em  STP sólido
Ponto de fusão 2750  K (2477 ° C, 4491 ° F)
Ponto de ebulição 5017 K (4744 ° C, 8571 ° F)
Densidade (próximo à  rt ) 8,57 g / cm 3
Calor de fusão 30  kJ / mol
Calor da vaporização 689,9 kJ / mol
Capacidade de calor molar 24,60 J / (mol · K)
Pressão de vapor
P  (Pa) 1 10 100 1 mil 10 k 100 k
em  T  (K) 2942 3207 3524 3910 4393 5013
Propriedades atômicas
Estados de oxidação −3, −1, 0, +1, +2, +3, +4, +5 (um óxido levemente ácido )
Eletro-negatividade Escala de Pauling: 1,6
Energias de ionização
Raio atômico empírico: 146  pm
Raio covalente 164 ± 18h
Linhas de cores em uma faixa espectral
Linhas espectrais de nióbio
Outras propriedades
Ocorrência natural primordial
Estrutura de cristal cúbica centrada no corpo (bcc)
Estrutura de cristal centrado no corpo cúbico para nióbio
Velocidade do som haste fina 3480 m / s (a 20 ° C)
Expansão térmica 7,3 µm / (m⋅K)
Condutividade térmica 53,7 W / (m⋅K)
Resistividade elétrica 152 nΩ⋅m (a 0 ° C)
Ordenação magnética paramagnético
Módulo de Young 105 GPa
Módulo de cisalhamento 38 GPa
Módulo de massa 170 GPa
Coeficiente de Poisson 0,40
Dureza de Mohs 6,0
Dureza Vickers 870–1320 MPa
Dureza Brinell 735–2450 MPa
Número CAS 7440-03-1
História
Nomeação depois de Niobe na mitologia grega, filha de Tântalo ( tântalo )
Descoberta Charles Hatchett (1801)
Primeiro isolamento Christian Wilhelm Blomstrand (1864)
Reconhecido como um elemento distinto por Heinrich Rose (1844)
Isótopos principais de nióbio
Isótopo Abundância Meia-vida ( t 1/2 ) Modo de decaimento produtos
90 Nb syn 15 h β + 90 Zr
91 Nb syn 680 anos ε 91 Zr
91 m Nb syn 61 d ISTO 91 Nb
92 Nb vestígio 3,47 × 10 7  y ε 92 Zr
γ -
92m1 Nb syn 10 d ε 92 Zr
γ -
93 Nb 100% estábulo
93m Nb syn 16 anos ISTO 93 Nb
94 Nb vestígio 20,3 × 10 3  y β - 94 Mo
γ -
95 Nb syn 35 d β - 95 Mo
γ -
95m Nb syn 4 d ISTO 95 Nb
96 Nb syn 24 h β - 96 Mo
Categoria Categoria: Nióbio
| referências

Nióbio , também conhecido como columbium , é um elemento químico com o símbolo Nb (anteriormente Cb) e número atômico 41. Nióbio é um metal de transição cinza claro, cristalino e dúctil . O nióbio puro tem uma classificação de dureza de Mohs semelhante à do titânio puro e tem ductilidade semelhante à do ferro . O nióbio se oxida na atmosfera terrestre muito lentamente, daí sua aplicação em joias como alternativa hipoalergênica ao níquel . O nióbio é freqüentemente encontrado nos minerais pirocloro e columbita , daí o nome anterior de "columbio". Seu nome vem da mitologia grega , especificamente Niobe , que era filha de Tântalo , o homônimo do tântalo . O nome reflete a grande semelhança entre os dois elementos em suas propriedades físicas e químicas, tornando-os difíceis de distinguir.

O químico inglês Charles Hatchett relatou um novo elemento semelhante ao tântalo em 1801 e chamou-o de columbium. Em 1809, o químico inglês William Hyde Wollaston concluiu erroneamente que o tântalo e o columbio eram idênticos. O químico alemão Heinrich Rose determinou em 1846 que os minérios de tântalo contêm um segundo elemento, que ele chamou de nióbio. Em 1864 e 1865, uma série de descobertas científicas esclareceu que nióbio e columbio eram o mesmo elemento (diferentemente de tântalo), e por um século os dois nomes foram usados ​​indistintamente. Nióbio foi oficialmente adotado como o nome do elemento em 1949, mas o nome columbium continua sendo usado atualmente na metalurgia nos Estados Unidos.

Foi só no início do século 20 que o nióbio foi usado comercialmente pela primeira vez. O Brasil é o principal produtor de nióbio e ferronióbio , uma liga de 60-70% de nióbio com ferro. O nióbio é usado principalmente em ligas, a maior parte em aços especiais , como os usados ​​em gasodutos . Embora essas ligas contenham no máximo 0,1%, a pequena porcentagem de nióbio aumenta a resistência do aço. A estabilidade de temperatura de superligas contendo nióbio é importante para seu uso em motores a jato e foguetes .

Nióbio é usado em vários materiais supercondutores . Essas ligas supercondutoras , também contendo titânio e estanho , são amplamente utilizadas nos ímãs supercondutores de scanners de ressonância magnética . Outras aplicações do nióbio incluem soldagem, indústrias nucleares, eletrônicos, ótica, numismática e joias. Nas duas últimas aplicações, a baixa toxicidade e iridescência produzidas pela anodização são propriedades altamente desejadas. Nióbio é considerado um elemento de tecnologia crítica .

História

Pintura oval em preto e branco de um homem com gola e gravata proeminentes
Charles Hatchett identificou o elemento columbium dentro de um mineral descoberto em Connecticut, EUA.
Imagem em preto e branco de uma escultura de marmor de uma mulher se curvando com uma criança aninhada em seu colo
Imagem de uma escultura helenística representando Niobe, de Giorgio Sommer

O nióbio foi identificado pelo químico inglês Charles Hatchett em 1801. Ele encontrou um novo elemento em uma amostra mineral que havia sido enviada para a Inglaterra de Connecticut , Estados Unidos em 1734 por John Winthrop FRS (neto de John Winthrop, o Jovem ) e chamou o mineral de columbita e o novo elemento columbium após Columbia , o nome poético dos Estados Unidos. O columbium descoberto por Hatchett era provavelmente uma mistura do novo elemento com tântalo.

Posteriormente, houve uma confusão considerável sobre a diferença entre o columbium (nióbio) e o tântalo intimamente relacionado. Em 1809, o químico inglês William Hyde Wollaston comparou os óxidos derivados de columbio - columbita, com densidade 5,918 g / cm 3 , e tântalo - tantalita , com densidade superior a 8 g / cm 3 , e concluiu que os dois óxidos, apesar a diferença significativa na densidade, eram idênticos; assim, ele manteve o nome tântalo. Essa conclusão foi contestada em 1846 pelo químico alemão Heinrich Rose , que argumentou que havia dois elementos diferentes na amostra de tantalita, e os nomeou em homenagem aos filhos de Tântalo : nióbio (de Niobe ) e pelópio (de Pélope ). Essa confusão surgiu das diferenças mínimas observadas entre tântalo e nióbio. Os alegados novos elementos pelópio , ilmênio e diânio eram de fato idênticos ao nióbio ou às misturas de nióbio e tântalo.

As diferenças entre tântalo e nióbio foram inequivocamente demonstradas em 1864 por Christian Wilhelm Blomstrand e Henri Étienne Sainte-Claire Deville , bem como Louis J. Troost , que determinou as fórmulas de alguns dos compostos em 1865 e, finalmente, pelo químico suíço Jean Charles Galissard de Marignac em 1866, que provou que havia apenas dois elementos. Artigos sobre ilmenium continuaram a aparecer até 1871.

De Marignac foi o primeiro a preparar o metal em 1864, quando reduziu o cloreto de nióbio aquecendo-o em uma atmosfera de hidrogênio . Embora de Marignac fosse capaz de produzir nióbio sem tântalo em maior escala em 1866, foi somente no início do século 20 que o nióbio foi usado em filamentos de lâmpadas incandescentes, a primeira aplicação comercial. Esse uso rapidamente se tornou obsoleto com a substituição do nióbio pelo tungstênio , que possui um ponto de fusão mais alto. Que o nióbio melhora a resistência do aço foi descoberto pela primeira vez na década de 1920, e essa aplicação continua sendo seu uso predominante. Em 1961, o físico americano Eugene Kunzler e colegas de trabalho da Bell Labs descobriram que o nióbio-estanho continua a exibir supercondutividade na presença de fortes correntes elétricas e campos magnéticos, tornando-se o primeiro material a suportar as altas correntes e os campos necessários para ímãs de energia e máquinas de energia elétrica . Essa descoberta possibilitou - duas décadas depois - a produção de longos cabos multifilares enrolados em bobinas para criar grandes e poderosos eletroímãs para máquinas rotativas, aceleradores de partículas e detectores de partículas.

Nomeando o elemento

Columbium (símbolo "Cb") foi o nome originalmente dado por Hatchett após sua descoberta do metal em 1801. O nome refletia que o espécime-tipo do minério veio da América ( Columbia ). Esse nome permaneceu em uso em periódicos americanos - o último artigo publicado pela American Chemical Society com columbium no título data de 1953 - enquanto o nióbio era usado na Europa. Para acabar com essa confusão, o nome nióbio foi escolhido para o elemento 41 na 15ª Conferência da União de Química em Amsterdã em 1949. Um ano depois, esse nome foi oficialmente adotado pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) após 100 anos de polêmica, apesar da precedência cronológica do nome columbium . Era uma espécie de meio-termo; a IUPAC aceitou tungstênio em vez de volfrâmio em deferência ao uso na América do Norte; e nióbio em vez de columbium em deferência ao uso europeu. Embora muitas sociedades químicas e organizações governamentais dos EUA usem normalmente o nome oficial IUPAC, alguns metalúrgicos e sociedades metalúrgicas ainda usam o nome original americano, " columbium " .

Características

Fisica

Nióbio é um metal brilhante , cinza, dúctil , paramagnético no grupo 5 da tabela periódica (ver tabela), com uma configuração eletrônica nas camadas mais externas atípica para o grupo 5. (Isso pode ser observado na vizinhança do rutênio (44), ródio (45) e paládio (46).)

Z Elemento Nº de elétrons / camada
23 vanádio 2, 8, 11, 2
41 nióbio 2, 8, 18, 12, 1
73 tântalo 2, 8, 18, 32, 11, 2
105 dubnium 2, 8, 18, 32, 32, 11, 2

Embora se pense que tem uma estrutura cristalina cúbica centrada no corpo do zero absoluto ao seu ponto de fusão, medições de alta resolução da expansão térmica ao longo dos três eixos cristalográficos revelam anisotropias que são inconsistentes com uma estrutura cúbica. Portanto, são esperadas novas pesquisas e descobertas nesta área.

O nióbio se torna um supercondutor em temperaturas criogênicas . À pressão atmosférica, que tem a mais elevada temperatura crítica entre os supercondutores elementares em 9,2  K . Nióbio tem a maior profundidade de penetração magnética de qualquer elemento. Além disso, é um dos três supercondutores elementares do Tipo II , junto com o vanádio e o tecnécio . As propriedades supercondutoras são fortemente dependentes da pureza do metal nióbio.

Quando muito puro, é comparativamente macio e dúctil, mas as impurezas o tornam mais duro.

O metal tem uma seção transversal de captura baixa para nêutrons térmicos ; portanto, é usado nas indústrias nucleares, onde estruturas transparentes de nêutrons são desejadas.

Químico

O metal adquire uma coloração azulada quando exposto ao ar em temperatura ambiente por longos períodos. Apesar de apresentar alto ponto de fusão na forma elementar (2.468 ° C), possui densidade menor do que outros metais refratários. Além disso, é resistente à corrosão, exibe propriedades de supercondutividade e forma camadas de óxido dielétrico .

O nióbio é ligeiramente menos eletropositivo e mais compacto do que seu antecessor na tabela periódica, o zircônio , ao passo que é virtualmente idêntico em tamanho aos átomos de tântalo mais pesados, como resultado da contração dos lantanídeos . Como resultado, as propriedades químicas do nióbio são muito semelhantes às do tântalo, que aparece diretamente abaixo do nióbio na tabela periódica . Embora sua resistência à corrosão não seja tão notável quanto a do tântalo, o preço mais baixo e a maior disponibilidade tornam o nióbio atraente para aplicações menos exigentes, como revestimentos de cubas em fábricas de produtos químicos.

Isótopos

O nióbio na crosta terrestre compreende um isótopo estável , 93 Nb. Em 2003, pelo menos 32 radioisótopos haviam sido sintetizados, variando em massa atômica de 81 a 113. O mais estável deles é de 92 Nb com meia-vida de 34,7 milhões de anos. Um dos menos estáveis ​​é 113 Nb, com meia-vida estimada de 30 milissegundos. Isótopos que são mais leves do que o estável 93 Nb tendem a decair por β + decaimento , e aqueles que são mais pesadas tendem a decair por β - decaimento , com algumas excepções. 81 Nb, 82 Nb e 84 Nb têm caminhos menores de decaimento de emissão de prótons β + atrasados, decaimentos de 91 Nb por captura de elétrons e emissão de pósitrons e decaimentos de 92 Nb por decaimento β + e β - .

Pelo menos 25 isômeros nucleares foram descritos, variando em massa atômica de 84 a 104. Dentro desta faixa, apenas 96 Nb, 101 Nb e 103 Nb não têm isômeros. O mais estável dos isômeros do nióbio é 93m Nb com meia-vida de 16,13 anos. O isômero menos estável é 84m Nb com meia-vida de 103 ns. Todos os isômeros do nióbio decaem por transição isomérica ou decaimento beta, exceto 92m1 Nb, que tem um ramo menor de captura de elétrons.

Ocorrência

Estima-se que o nióbio seja o 34º elemento mais comum na crosta terrestre , com 20  ppm . Alguns pensam que a abundância na Terra é muito maior e que a alta densidade do elemento o concentrou no núcleo da Terra. O elemento livre não é encontrado na natureza, mas o nióbio ocorre em combinação com outros elementos nos minerais. Minerais que contêm nióbio geralmente também contêm tântalo. Exemplos incluem columbita ( (Fe, Mn) (Nb, Ta)
2
O
6
) e columbita-tantalita (ou coltan , (Fe, Mn) (Ta, Nb)
2
O
6
) Minerais de columbita-tantalita (as espécies mais comuns sendo columbita- (Fe) e tantalita- (Fe), onde "- (Fe)" é o sufixo de Levinson informando sobre a prevalência de ferro sobre outros elementos como o manganês) são mais comumente encontrados como minerais acessórios em intrusões pegmatíticas e em rochas intrusivas alcalinas. Menos comuns são os niobatos de cálcio , urânio , tório e os elementos de terras raras . Exemplos de tais niobatos são pirocloro ( (Na, Ca)
2
Nb
2
O
6
(OH, F)
) (agora um nome de grupo, com um exemplo relativamente comum sendo, por exemplo, fluorcalciopyroclore) e euxenita (corretamente denominado euxenita- (Y)) ( (Y, Ca, Ce, U, Th) (Nb, Ta , Ti)
2
O
6
) Estas grandes depósitos de nióbio ter sido encontrada associada com carbonatites ( carbonato - silicato de rochas ígneas ) e como um componente de pirocloro.

Os três maiores depósitos de pirocloro atualmente minerados, dois no Brasil e um no Canadá, foram encontrados na década de 1950 e ainda são os principais produtores de concentrados minerais de nióbio. O maior depósito está localizado dentro de uma intrusão de carbonatito em Araxá , estado de Minas Gerais , Brasil, de propriedade da CBMM ( Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração ); o outro depósito brasileiro ativo está localizado próximo a Catalão , no estado de Goiás , e de propriedade da China Molybdenum , também hospedado dentro de uma intrusão de carbonatito. Juntas, essas duas minas produzem cerca de 88% do abastecimento mundial. O Brasil também tem um grande depósito, mas ainda não explorado, próximo a São Gabriel da Cachoeira , estado do Amazonas , bem como alguns depósitos menores, principalmente no estado de Roraima .

O terceiro maior produtor de nióbio é a mina Niobec hospedada por carbonatita , em Saint-Honoré , perto de Chicoutimi , Quebec, Canadá, de propriedade da Magris Resources . Produz entre 7% e 10% do abastecimento mundial.

Produção

Mapa-múndi cinza e branco com a cor do Brasil em vermelho representando 90% da produção mundial de nióbio e o Canadá em azul escuro representando 5% da produção mundial de nióbio
Produtores de nióbio em 2006 a 2015

Após a separação dos outros minerais, são obtidos os óxidos mistos de tântalo Ta 2 O 5 e nióbio Nb 2 O 5 . A primeira etapa do processamento é a reação dos óxidos com ácido fluorídrico :

Ta 2 O 5 + 14 HF → 2 H 2 [TaF 7 ] + 5 H 2 O
Nb 2 O 5 + 10 HF → 2 H 2 [NbOF 5 ] + 3 H 2 O

A primeira separação em escala industrial, desenvolvida por de Marignac , explora as diferentes solubilidades dos fluoretos complexos de nióbio e tântalo , monohidrato de oxipentafluoroniobato dipotássico (K 2 [NbOF 5 ] · H 2 O) e heptafluorotantalato dipotássico (K 2 [TaF 7 ]) em agua. Os processos mais recentes usam a extração líquida dos fluoretos da solução aquosa por solventes orgânicos como a ciclohexanona . Os fluoretos complexos de nióbio e tântalo são extraídos separadamente do solvente orgânico com água e precipitados pela adição de fluoreto de potássio para produzir um complexo de fluoreto de potássio ou precipitados com amônia como pentóxido:

H 2 [NbOF 5 ] + 2 KF → K 2 [NbOF 5 ] ↓ + 2 HF

Seguido pela:

2 H 2 [NbOF 5 ] + 10 NH 4 OH → Nb 2 O 5 ↓ + 10 NH 4 F + 7 H 2 O

Vários métodos são usados ​​para a redução ao nióbio metálico. A eletrólise de uma mistura fundida de K 2 [NbOF 5 ] e cloreto de sódio é uma; a outra é a redução do flúor com sódio . Com este método, um nióbio de pureza relativamente alta pode ser obtido. Na produção em larga escala, o Nb 2 O 5 é reduzido com hidrogênio ou carbono. Na reação aluminotérmica , uma mistura de óxido de ferro e óxido de nióbio reage com o alumínio :

3 Nb 2 O 5 + Fe 2 O 3 + 12 Al → 6 Nb + 2 Fe + 6 Al 2 O 3

Pequenas quantidades de oxidantes, como nitrato de sódio, são adicionadas para intensificar a reação. O resultado é óxido de alumínio e ferronióbio , uma liga de ferro e nióbio usada na produção de aço. O ferronióbio contém entre 60 e 70% de nióbio. Sem óxido de ferro, o processo aluminotérmico é usado para produzir nióbio. A purificação adicional é necessária para atingir o grau de ligas supercondutoras . A fusão por feixe de elétrons sob vácuo é o método usado pelos dois principais distribuidores de nióbio.

Em 2013, a CBMM do Brasil controlava 85 por cento da produção mundial de nióbio. O Serviço Geológico dos Estados Unidos estima que a produção aumentou de 38.700 toneladas em 2005 para 44.500 toneladas em 2006. Os recursos mundiais são estimados em 4,4 milhões de toneladas. Durante o período de dez anos entre 1995 e 2005, a produção mais que dobrou, partindo de 17.800 toneladas em 1995. Entre 2009 e 2011, a produção ficou estável em 63.000 toneladas por ano, com uma ligeira queda em 2012 para apenas 50.000 toneladas por ano .

Produção da mina (t) (estimativa USGS)
País 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
 Austrália 160 230 290 230 200 200 200 ? ? ? ? ? ? ?
 Brasil 30.000 22.000 26.000 29.000 29.900 35.000 40.000 57.300 58.000 58.000 58.000 58.000 45.000 53.100
 Canadá 2.290 3.200 3.410 3.280 3.400 3.310 4.167 3.020 4.380 4.330 4.420 4.630 4.710 5.260
 RD do Congo ? 50 50 13 52 25 ? ? ? ? ? ? ? ?
 Moçambique ? ? 5 34 130 34 29 ? ? ? ? ? ? ?
 Nigéria 35 30 30 190 170 40 35 ? ? ? ? ? ? ?
 Ruanda 28 120 76 22 63 63 80 ? ? ? ? ? ? ?
Mundo 32.600 25.600 29.900 32.800 34.000 38.700 44.500 60.400 62.900 62.900 62.900 63.000 50.100 59.400

Quantidades menores são encontradas no Depósito Kanyika do Malawi ( mina Kanyika ).

Compostos

Em muitos aspectos, o nióbio é semelhante ao tântalo e ao zircônio . Ele reage com a maioria dos não metais em altas temperaturas; com flúor à temperatura ambiente; com cloro a 150 ° C e hidrogênio a 200 ° C ; e com nitrogênio a 400 ° C, com produtos frequentemente intersticiais e não estequiométricos. O metal começa a oxidar no ar a 200 ° C . Resiste à corrosão por álcalis fundidos e por ácidos, incluindo água régia , ácido clorídrico , sulfúrico , nítrico e fosfórico . O nióbio é atacado por ácido fluorídrico e misturas de ácido fluorídrico / nítrico.

Embora o nióbio exiba todos os estados formais de oxidação de +5 a -1, os compostos mais comuns têm nióbio no estado +5. Caracteristicamente, os compostos em estados de oxidação inferiores a 5+ exibem ligação Nb – Nb. Em soluções aquosas, o nióbio exibe apenas o estado de oxidação +5. Também é facilmente suscetível à hidrólise e é pouco solúvel em soluções diluídas de ácidos clorídrico , sulfúrico , nítrico e fosfórico devido à precipitação do óxido Nb hidratado. Nb (V) também é ligeiramente solúvel em meio alcalino devido à formação de espécies de polioxoniobato solúveis.

Óxidos, niobatos e sulfetos

O nióbio forma óxidos nos estados de oxidação +5 ( Nb 2 O 5 ), +4 ( NbO 2 ), +3 ( Nb
2
O
3
), e o estado de oxidação mais raro, +2 ( NbO ). O mais comum é o pentóxido, precursor de quase todos os compostos e ligas de nióbio. Os niobatos são gerados dissolvendo o pentóxido em soluções básicas de hidróxido ou derretendo-o em óxidos de metal alcalino. Os exemplos são o niobato de lítio (LiNbO 3 ) e o niobato de lantânio (LaNbO 4 ). No niobato de lítio é uma estrutura semelhante a perovskita distorcida trigonalmente , enquanto o niobato de lantânio contém NbO solitário3−
4
íons. O sulfeto de nióbio em camadas (NbS 2 ) também é conhecido.

Os materiais podem ser revestidos com uma película fina de deposição de vapor químico de óxido de nióbio (V) ou processos de deposição de camada atômica , produzidos pela decomposição térmica do etóxido de nióbio (V) acima de 350 ° C.

Halides

Observe o vidro em uma superfície preta com uma pequena porção de cristais amarelos
Uma amostra de pentacloreto de nióbio (parte amarela) que foi parcialmente hidrolisado (material branco).
Modelo ball-and-stick de pentacloreto de nióbio , que existe como um dímero

O nióbio forma haletos nos estados de oxidação de +5 e +4, bem como diversos compostos subestequiométricos . Os pentahalides ( NbX
5
) apresentam centros Nb octaédricos. O pentafluoreto de nióbio (NbF 5 ) é um sólido branco com ponto de fusão de 79,0 ° C e o pentacloreto de nióbio (NbCl 5 ) é amarelo (veja a imagem à esquerda) com ponto de fusão de 203,4 ° C. Ambos são hidrolisados para dar óxidos e oxihaletos, como NbOCl 3 . O pentacloreto é um reagente versátil usado para gerar os compostos organometálicos , como o dicloreto de nioboceno ( (C
5
H
5
)
2
NbCl
2
) Os tetrahaletos ( NbX
4
) são polímeros de cor escura com ligações Nb-Nb; por exemplo, o tetrafluoreto de nióbio higroscópico preto (NbF 4 ) e o tetracloreto de nióbio marrom (NbCl 4 ).

Os compostos aniônicos de haleto de nióbio são bem conhecidos, em parte devido à acidez de Lewis dos pentaletos. O mais importante é [NbF 7 ] 2− , um intermediário na separação de Nb e Ta dos minérios. Este heptafluoreto tende a formar o oxopentafluoreto mais prontamente do que o composto de tântalo. Outros complexos de haleto incluem octaédrico [NbCl 6 ] - :

Nb 2 Cl 10 + 2 Cl - → 2 [NbCl 6 ] -

Tal como acontece com outros metais com números atômicos baixos, uma variedade de íons de aglomerados de haleto reduzido é conhecida, sendo o exemplo principal [Nb 6 Cl 18 ] 4− .

Nitretos e carbonetos

Outros compostos binários de nióbio incluem nitreto de nióbio (NbN), que se torna um supercondutor em baixas temperaturas e é usado em detectores de luz infravermelha. O principal carboneto de nióbio é NbC, extremamente duro , refractário , cerâmica material, comercialmente usado no corte de bits da ferramenta .

Formulários

Três pedaços de folha metálica com mancha amarela
Uma folha de nióbio

Das 44.500 toneladas de nióbio extraídas em 2006, cerca de 90% foi usado em aço estrutural de alto grau. A segunda maior aplicação são as superligas . Supercondutores de liga de nióbio e componentes eletrônicos respondem por uma parcela muito pequena da produção mundial.

Produção de aço

O nióbio é um elemento de microliga eficaz para o aço, dentro do qual forma carboneto de nióbio e nitreto de nióbio . Esses compostos melhoram o refino do grão e retardam a recristalização e o endurecimento por precipitação. Esses efeitos, por sua vez, aumentam a tenacidade, a resistência, a conformabilidade e a soldabilidade. Nos aços inoxidáveis microligados , o teor de nióbio é uma adição pequena (menos de 0,1%), mas importante, aos aços de baixa liga de alta resistência, amplamente usados ​​estruturalmente em automóveis modernos. Às vezes, o nióbio é usado em quantidades consideravelmente maiores para facas e componentes de máquinas altamente resistentes ao desgaste, de até 3% no aço inoxidável CPM S110V do cadinho.

Essas mesmas ligas de nióbio são freqüentemente usadas na construção de dutos.

Superligas

Imagem do Módulo de Serviço Apollo com a lua ao fundo
Apollo 15 CSM em órbita lunar com o bico de foguete escuro feito de liga de nióbio-titânio

Quantidades de nióbio são usadas em superligas à base de níquel, cobalto e ferro em proporções de até 6,5% para aplicações como componentes de motores a jato , turbinas a gás , subconjuntos de foguetes, sistemas turboalimentadores, resistentes ao calor e equipamentos de combustão. O nióbio precipita uma fase γ '' de endurecimento dentro da estrutura do grão da superliga.

Um exemplo de superliga é o Inconel 718 , que consiste em cerca de 50% de níquel , 18,6% de cromo , 18,5% de ferro , 5% de nióbio, 3,1% de molibdênio , 0,9% de titânio e 0,4% de alumínio . Essas superligas foram usadas, por exemplo, em sistemas avançados de estrutura de ar para o programa Gemini . Outra liga de nióbio foi usada para o bico do Módulo de Serviço Apollo . Como o nióbio é oxidado a temperaturas acima de 400 ° C, um revestimento protetor é necessário para essas aplicações para evitar que a liga se torne quebradiça.

Ligas à base de Nióbio

A liga C-103 foi desenvolvida no início dos anos 1960 em conjunto pela Wah Chang Corporation e Boeing Co. DuPont , Union Carbide Corp., General Electric Co. e várias outras empresas estavam desenvolvendo ligas à base de Nb simultaneamente, em grande parte impulsionadas pela Guerra Fria e Space Race . É composto por 89% de nióbio, 10% de háfnio e 1% de titânio e é usado para bicos de propulsão de foguete líquido , como o motor principal dos Módulos Lunares da Apollo .

Bocal de vácuo Merlin

O bico da série de motores Merlin Vacuum desenvolvido pela SpaceX para o estágio superior de seu foguete Falcon 9 é feito de uma liga de nióbio.

A reatividade do nióbio com o oxigênio exige que ele seja trabalhado no vácuo ou em atmosfera inerte , o que aumenta significativamente o custo e a dificuldade de produção. A refusão por arco a vácuo (VAR) e a fusão por feixe de elétrons (EBM), processos novos na época, possibilitaram o desenvolvimento de nióbio e outros metais reativos. O projecto que originou C-103 começou em 1959 com tantos como 256 ligas de nióbio experimentais no "C-series" (possivelmente a partir de c olumbium) que poderia ser fundido como botões e enroladas em folha . Wah Chang tinha um estoque de háfnio, refinado de ligas de zircônio de grau nuclear , que queria colocar em uso comercial. A 103ª composição experimental das ligas da série C, Nb-10Hf-1Ti, apresentou a melhor combinação de conformabilidade e propriedades de alta temperatura. Wah Chang fabricou o primeiro calor de 500 lb de C-103 em 1961, lingote em folha, usando EBM e VAR. As aplicações pretendidas incluem motores de turbina e trocadores de calor de metal líquido . Ligas de nióbio concorrentes daquela época incluíam FS85 (Nb-10W-28Ta-1Zr) da Fansteel Metallurgical Corp., Cb129Y (Nb-10W-10Hf-0.2Y) de Wah Chang e Boeing, Cb752 (Nb-10W-2.5Zr) de Union Carbide e Nb1Zr da Superior Tube Co.

Ímãs supercondutores

Máquina médica amarelo-cinza na altura da sala com um orifício do tamanho de um homem no meio e uma maca bem na frente dela
Um scanner de imagem por ressonância magnética clínica de 3 tesla usando liga supercondutora de nióbio

Nióbio-germânio ( Nb
3
Ge
), nióbio-estanho ( Nb
3
Sn
), assim como as ligas de nióbio-titânio são usadas como fio supercondutor tipo II para ímãs supercondutores . Esses ímãs supercondutores são usados ​​em imagens de ressonância magnética e instrumentos de ressonância magnética nuclear , bem como em aceleradores de partículas . Por exemplo, o Large Hadron Collider usa 600 toneladas de fios supercondutores, enquanto o International Thermonuclear Experimental Reactor usa cerca de 600 toneladas de fios de Nb 3 Sn e 250 toneladas de fios de NbTi. Só em 1992, mais de US $ 1 bilhão em sistemas de imagem por ressonância magnética clínica foram construídos com fio de nióbio-titânio.

Outros supercondutores

Uma cavidade de radiofrequência supercondutora de 9 células de 1,3 GHz feita de nióbio está em exibição no Fermilab

As cavidades de radiofrequência supercondutora (SRF) usadas nos lasers de elétrons livres FLASH (resultado do projeto cancelado do acelerador linear TESLA) e XFEL são feitas de nióbio puro. Uma equipe de criomódulo no Fermilab usou a mesma tecnologia SRF do projeto FLASH para desenvolver cavidades SRF de nove células de 1,3 GHz feitas de nióbio puro. As cavidades serão utilizadas no acelerador linear de partículas de 30 quilômetros (19 mi) do International Linear Collider . A mesma tecnologia será usada no LCLS-II no SLAC National Accelerator Laboratory e no PIP-II no Fermilab.

A alta sensibilidade dos bolômetros supercondutores de nitreto de nióbio os torna um detector ideal para radiação eletromagnética na banda de frequência THz. Esses detectores foram testados no Telescópio Submilímetro , no Telescópio do Pólo Sul , no Telescópio Receiver Lab e no APEX , e agora são usados ​​no instrumento HIFI a bordo do Observatório Espacial Herschel .

Outros usos

Eletrocerâmica

O niobato de lítio , que é um ferroelétrico , é amplamente utilizado em telefones celulares e moduladores ópticos e na fabricação de dispositivos de ondas acústicas de superfície . Pertence à estrutura ferroelétrica ABO 3 , como o tantalato de lítio e o titanato de bário . Capacitores de nióbio estão disponíveis como alternativa aos capacitores de tântalo , mas os capacitores de tântalo ainda predominam. Nióbio é adicionado ao vidro para obter um maior índice de refração , tornando possível vidros corretivos mais finos e leves .

Aplicações hipoalergênicas: medicamentos e joias

O nióbio e algumas ligas de nióbio são fisiologicamente inertes e hipoalergênicos . Por esse motivo, o nióbio é usado em próteses e dispositivos de implante, como marca-passos. O nióbio tratado com hidróxido de sódio forma uma camada porosa que auxilia na osseointegração .

Como titânio, tântalo e alumínio, o nióbio pode ser aquecido e anodizado (" anodização de metal reativo ") para produzir uma ampla gama de cores iridescentes para joias, onde sua propriedade hipoalergênica é altamente desejável.

Numismática

Nióbio é usado como um metal precioso em moedas comemorativas, geralmente com prata ou ouro. Por exemplo, a Áustria produziu uma série de moedas de euro de nióbio de prata a partir de 2003; a cor nessas moedas é criada pela difração da luz por uma fina camada de óxido anodizado. Em 2012, dez moedas estão disponíveis mostrando uma ampla variedade de cores no centro da moeda: azul, verde, marrom, roxo, violeta ou amarelo. Outros dois exemplos são a moeda comemorativa da Ferrovia Semmering Alpine de 150 anos da Áustria de 2004 e a moeda comemorativa da Europa de Navegação por Satélite de € 25 da Áustria de 2006 . A casa da moeda austríaca produziu para a Letônia uma série semelhante de moedas a partir de 2004, com uma seguinte em 2007. Em 2011, a Royal Canadian Mint iniciou a produção de uma moeda de prata esterlina e nióbio de $ 5 chamada Hunter's Moon, na qual o nióbio foi seletivamente oxidado, portanto criando acabamentos únicos onde não existem duas moedas exatamente iguais.

Moeda com centro verde escuro e borda externa prateada.  O aro diz: Republik Österreich 25 Euro.  O centro mostra uma locomotiva elétrica e a vapor
Uma moeda ferroviária alpina de 150 anos feita de nióbio e prata

De outros

As vedações do tubo de arco das lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão são feitas de nióbio, às vezes com liga de 1% de zircônio ; O nióbio tem um coeficiente de expansão térmica muito semelhante, combinando com a cerâmica de tubo de arco de alumina sinterizada , um material translúcido que resiste ao ataque químico ou à redução pelo sódio líquido quente e vapor de sódio contidos no interior da lâmpada de operação.

O nióbio é usado em hastes de soldagem a arco para alguns tipos estabilizados de aço inoxidável e em anodos para sistemas de proteção catódica em alguns tanques de água, que geralmente são banhados com platina.

Nióbio é um componente importante de catalisadores heterogêneos de alto desempenho para a produção de ácido acrílico por oxidação seletiva de propano.

Nióbio é usado para fazer o fio de alta tensão do módulo receptor de partículas da corona solar da Parker Solar Probe .

Precauções

Nióbio
Perigos
NFPA 704 (diamante de fogo)
0
0
0

Nióbio não tem função biológica conhecida. Embora a poeira de nióbio seja irritante para os olhos e a pele e um risco potencial de incêndio, o nióbio elementar em uma escala maior é fisiologicamente inerte (e, portanto, hipoalergênico) e inofensivo. É freqüentemente usado em joias e foi testado para uso em alguns implantes médicos.

Compostos contendo nióbio raramente são encontrados pela maioria das pessoas, mas alguns são tóxicos. A exposição a curto e longo prazo a niobatos e cloreto de nióbio, dois produtos químicos solúveis em água, foi testada em ratos. Ratos tratados com uma única injeção de pentacloreto de nióbio ou niobatos apresentam uma dose letal média (DL 50 ) entre 10 e 100 mg / kg. Para administração oral, a toxicidade é menor; um estudo com ratos rendeu um LD 50 após sete dias de 940 mg / kg.

Referências

links externos