Niobium

Niobium

Caractéristiques du niobium

Symbole : Nb
Masse atomique : 92,906 37 ± 0,000 02 u
Numéro CAS : 7440-03-1
Configuration électronique : [Kr]4d⁴5s¹
Numéro atomique : 41
Groupe : 5
Bloc : Bloc d
Famille d’éléments : Métal de transition
Électronégativité : 1,6
Point de fusion : 2 477 °C

Le niobium, élément atomique n°41 de symbole Nb : généralités, isotopes, extractions, caractéristiques, alliages, toxicologie et utilisations.

Généralités et découverte de l’élément chimique

Ne possédant qu’une seule et unique variété isotopique naturelle stable, le niobium est un élément chimique monoisotopique. Il est caractérisé par une électronégativité proche de 1,6 et possède une configuration électronique de [Kr] 5s¹ 4d⁴ par ordre de niveau d’énergie croissant. Avec un point de fusion élevé et une densité modérée, il est comparable au molybdène. D’ailleurs, les deux composent le groupe des métaux réfractaires avec trois autres éléments chimiques : le tantale ou Ta, le tungstène ou W et le rhénium ou Re. Ces cinq corps simples ont un point de fusion qui dépasse celui du platine. Dans la majorité des cas, le niobium et le tantale se retrouvent ensemble dans la nature. Il est complexe de les isoler et de les séparer quand ils sont à l’état pur.

Le niobium Nb₄₁ fait aussi partie du groupe V B au même titre que le tantale Ta₇₃ et le vanadium V₂₃. Ces trois corps simples ont en commun un point de fusion important et une enthalpie de vaporisation élevée. Toutefois, le vanadium se distingue des deux autres au niveau du rayon atomique, soit 0,122 nm contre 0,134 nm. Cette différence s’explique par la contraction lanthanidique. Ce qui confère aux composés pentavalents de niobium Nb(V) et de tantale Ta(V) plus de stabilité. Ainsi, les corps acido-basiques et les « terres acides » comme les Nb₂O₅ et Ta₂O₅ sont plus stables. En revanche, les composés pentavalents de vanadium V(V) sont plus oxydants. De même, les métaux niobium N⁰ et tantale Ta⁰ sont plutôt inertes quand le vanadium V⁰ est plus réactif.

Une découverte sujette à polémique au 19ème siècle

Découvertes du columbium et du tantale

La découverte et la première publication de l’esquisse de chimie du niobium datent du début du 19^ème siècle, plus précisément en 1801. Elles sont l’œuvre de Charles Hatchett, minéralogiste et chimiste anglais. Il a effectué ses travaux sur du pentoxyde de niobium ou orthorhombique columbite. De formule Nb₂O₅, ce lot de minerais est originaire des États-Unis comme l’illustre la mention « Columbia » en hommage à Christophe Colomb, le navigateur qui a découvert les Amériques.

Les échantillons à base de ferro-columbite, de bel éclat noirâtre, ont été prélevés dans la collection minéralogique personnelle de John Winthrop, gouverneur du Connecticut. Ils provenaient du « Nautneague » aujourd’hui baptisé Haddam. Ils ont été confiés au naturaliste écossais Hans Sloane, également un mécène du British Museum de Londres. Charles Hatchett travaillait au sein de cette illustre institution muséographique avec des moyens précaires. Après avoir caractérisé la singularité de l’oxyde, il a donné le nom de « columbium » ou « colombium » à l’élément associé.

À l’époque, la concurrence était rude pour découvrir de nouveaux éléments chimiques. En 1802, Anders Gustaf Ekeberg a examiné la tantalite et produit de l’oxyde de tantale. Il était convaincu qu’il a découvert un nouvel élément qu’il nomma « tantale ».

Débat houleux autour des deux découvertes

Les travaux de Charles Hatchett et Anders Gustaf Ekeberg ont donné lieu à des polémiques. Hatchett a mis en évidence la différence entre oxyde de colombium et oxyde de tantale. En tant que chercheur isolé et malgré la perspicacité de sa démonstration, il est hâtivement jugé par ses détracteurs. Une autre étude plus prudente a avancé une confusion apparente entre les deux travaux. Le débat continue jusqu’à ce que la qualité des deux oxydes soit vérifiée et confirmée en 1809 par Wollaston, un ancien médecin reconverti avec succès en chercheur depuis 1800.

Wollaston a rejeté les résultats des travaux de Charles Hatchett. En effet, il a identifié les éléments sous-jacents en se basant de manière trompeuse sur les propriétés similaires de l’oxyde de colombium et de l’oxyde de tantale.

Il est important de souligner que le niobium et le tantale présentent des propriétés chimiques similaires, ce qui a prêté à confusion. De plus, Charles Hatchett lui-même a avoué avec honnêteté ses difficultés à purifier ses préparations initiales, difficiles à séparer. La bonne réputation de Wollaston et de la chimie suédoise ont eu raison de lui et donne à l’Europe une victoire trompeuse.

Lassé des polémiques autour de sa découverte et de ses conditions de travail, Charles Hatchett a finalement changé de secteur d’activité pour travailler dans l’industrie mécanique des transports, plus rémunératrice et plus valorisante. Il a rejoint l’entreprise de son frère John Hatchett.

Désaveu des conclusions de Wollaston

En 1844, le minéralogiste et chimiste allemand Heinrich Rose a repris les travaux autour du columbium et du tantale. Il a jugé les conclusions de Wollaston hâtives et trop catégoriques, et a effectué une nouvelle analyse de la tantalite en Bavière. Il a réussi à extraire un métal inconnu qu’il a nommé « das Pelopium ». Bien que ce résultat soit assez rapidement reconnu dans l’Europe savante, il a également fait l’objet de contestations, mais Henrich Rose a prouvé qu’il s’agissait d’un mélange. En 1846, il a isolé le tantale ou « das tantalum » et le fameux columbium découvert par Charles Hatchett à partir de la tantalite. Pour éviter un nouveau débat sur le sujet, il a choisi le nom « das niobium » pour les deux éléments, car ils sont souvent mélangés dans la nature.

Cette deuxième phase des travaux d’Heinrich Rose est méconnue du grand public. En effet, de nombreux chimistes européens sont convaincus de la pertinence des analyses effectuées menées par Wollaston. De plus, ils désiraient préserver le prestige du chercheur anglais. Aussi, ils considéraient l’antagonisme tantale-columbium comme une question réglée. Henri Victor Regnault faisait partie de ces personnes. Dans son ouvrage « Éléments de Chimie », le chimiste français continue de distinguer le pelopium du tantale que Wollaston a assimilé au columbium.

Entre 1844 et 1846, le columbium a été redécouvert et renommé niobium. Malgré cela, la première découverte est passée sous silence et la précédente nomenclature est souvent oubliée.

Confirmation des travaux de Heinrich Rose

La réponse de la chimie suédoise aux travaux d’Henrich Rose n’est intervenue que 20 années plus tard. En 1866, Christian Wilhelm Blomstrand a effectué une préparation qui rappelle les difficultés de séparation. Bien que l’oxyde de niobium obtenu ne soit pas vraiment pur, il confirme néanmoins les résultats des travaux d’Heinrich Rose. En effet, il a reconnu que l’opération de séparation menée par le minéralogiste et chimiste allemand est suffisamment significative, désavouant par la même occasion les conclusions de Wollaston.

Christian Wilhelm Blomstrand a continué ses recherches et a mis au point un procédé de réduction pour isoler le métal niobium. Le chlorure de niobium est réduit dans un milieu balayé par le gaz hydrogène, puis chauffé. Le Larousse de 1868 fait mention des travaux d’Heinrich Rose et approuve le nom « niobium » en français.

40 ans ont été nécessaires pour obtenir du niobium de haute pureté avec plus de facilité, grâce au chimiste allemand Werner von Bolton en 1907. Ce métal a été utilisé pour la première fois dans la fabrication des filaments d’ampoules électriques dès 1905. Le niobium a également été employé comme élément renforçateur dans les aciers spéciaux. Cette utilisation a été largement pratiquée durant l’entre-deux-guerres, en remplaçant le tungstène dans la fabrication d’aciers à outils. Ensuite, il a été introduit dans la production d’aciers inoxydables comme additif anti-déchirure et anticorrosion. Ce n’est qu’en 1946, après la fin de la Deuxième Guerre mondiale, que la métallurgie industrielle de ce métal a enfin été effective.

Lexique

Certains composés du niobium sont qualifiés de « niobiques ». Tel est le cas de l’oxyde anhydre ou pentaoxyde de niobium. Légèrement acide, cette substance est obtenue en faisant agir le gaz oxygène sur le métal niobium. Les niobates sont les ions correspondants.

Le terme « niobite » est utilisé pour désigner la colombite. Généralement, il s’agit du niobotantalate de fer et de manganèse.

Matière minérale stratégique

En raison de son intérêt technique et industriel, le niobium est considéré comme une matière première stratégique. Il figure notamment parmi les huit « indispensables » aussi bien en temps de paix qu’en temps de guerre.

Isotopes de niobium

Le niobium compte 33 isotopes avec un nombre de masse compris entre 81 et 113, et 24 isomères nucléaires. Seul le ⁹³Nb est stable et il constitue la totalité de cet élément chimique présent à l’état naturel. Cela en fait un élément à la fois monoisotopique et mononucléidique. La masse atomique standard du niobium est de 92,906 38(2) u et correspond à la masse isotopique du ⁹³Nb.

Occurrences, extraction minière et purification

Occurrences du niobium

La teneur moyenne du niobium dans la croûte terrestre est estimée entre 18 et 24 g par tonne, ce qui en fait un élément chimique rare. Dans les gisements, sa concentration est faible et il est généralement associé au tantale dans la tantalite, l’yttrio-tantalite, la fergusonite et la samarskite.

Les principaux minerais de niobium sont des colombites, qui sont des minéraux oxydes typiques des pegmatites granitiques (Fe,Mn)O.Nb₂O₅. En réalité, ce sont des variétés de niobates de fer et de manganèse (Fe,Mn).[NbO₃]₂, de colombo-tantalites (Fe,Mn).(Nb,Ta)₂O₆ ou de niobates de calcium à structure complexe tels que les pyrochlores (Na,Ca)O.(Nb,Ta)₂O₅(F,OH) ou les euxénites de formule générique (Y,Ca,Ce,U,Th).[(Nb, Ta, Ti)O₃]₂.

Lorsque les pegmatites se décomposent, ces composés sont libérés et se concentrent au niveau des alluvions, des latérites et des bauxites.

Extraction et purification

Actuellement, la principale source de niobium provient des minerais à base de pyrochlore ou (Ca,Na)Nb₂O₆(OH,F). En revanche, le niobium issu de l’exploitation du coltan, un minerai à base de colombite-tantalite, ne constitue qu’un sous-produit. Elle sert surtout pour l’extraction du tantale. Cependant, dans les années 1990, la filière tantalite et columbite était la principale source de niobium avec une production annuelle de 3,5 millions de tonnes.

Le Brésil est le premier producteur de niobium avec 80 % de la production mondiale. Il est suivi par le Canada avec 15 % de production dans la seule exploitation minière de Saint-Honoré au Québec. D’autres pays producteurs incluent le Congo, l’Afrique du Sud, le Nigéria, le Gabon, le Malawi, la Russie, la Chine et la Malaisie. Depuis 2008, Madagascar a également rejoint le rang des pays producteurs de niobium. Le métal est présent en grande quantité en Afghanistan, mais l’instabilité politique dans le pays et la faiblesse de ses infrastructures ne permettent pas son exploitation.

Caractéristiques physiques et chimiques du corps simple métal

Propriétés physiques

Métal brillant, le niobium est de couleur gris acier à gris blanc. Cependant, son exposition à l’air et à température ambiante pendant une longue durée engendre un changement de couleur en bleu, vert ou jaune. Parfois, il prend un bel éclat bleuté. Cela est dû par la formation d’une fine couche d’oxyde de niobium tenace et réfractaire qui le protège de la corrosion et des produits chimiques. Ce métal est aussi paramagnétique. Plongé dans un champ magnétique uniforme, il acquiert une aimantation de même sens que celle du champ appliqué. Il la perd dès lors qu’il est sorti de ce milieu.

Il est possible de forger le niobium. Avec une dureté de 6 sur l’échelle de Mohs, il est relativement malléable. La dureté Vickers de ce métal est proche des 870–1 320 MPa. De plus, même s’il est tendre et ductile, il ne se déforme pas facilement sous l’effet de la chaleur. Son écoulement à froid sous cette contrainte est faible. À température ambiante, l’allongement à la rupture est supérieur à 20 %. Le niobium tient cette propriété de la nature des joints de grains. Cela fait du niobium un excellent métal pour réaliser des alliages. Sa chaleur spécifique avoisine 0,265 J g⁻¹ K⁻¹.

Conductivité et réactivité

Comparé au cuivre pur, le niobium est faiblement conducteur avec une conductivité électrique de 10 % IACS. C’est un métal paramagnétique qui devient supraconducteur à des températures inférieures à -253,15 °C et avec des dopants. À l’état pur, il le devient également à des températures en dessous de -263,95 °C. Quant à sa conductivité thermique, elle est de l’ordre de 52 W m⁻¹ K⁻¹. Cette valeur est plus faible par rapport à celle du tungstène, mais est comparable à celle du tantale.

En masse, le niobium est passif. En revanche, il devient très réactif lorsqu’il est finement divisé. En effet, sous forme de poudre fine et fraîche il s’enflamme spontanément au contact de l’air et produit de l’anhydride niobique de formule Nb2O5. À des températures supérieures à 200 °C, le niobium en masse réagit en s’oxydant au contact de l’air, car la couche d’oxyde qui le protège perd son efficacité. Dans un environnement non inerte, le métal travaillé avec des machines-outils peut s’enflammer. La métallurgie du Nb est aussi complexe que celle du tantale.

Pression de vapeur, module d’élasticité et stabilité thermique

La pression de vapeur du niobium est faible. Elle correspond à la pression que la vapeur exerce au-dessus du métal quand elle se trouve en équilibre dynamique à l’intérieur d’un système fermé à des températures et pression constantes.

Le module d’élasticité du métal par rapport à la chaleur est élevé. Il varie entre 104 GPa à 20 °C et 50 GPa à 1 800 °C. En revanche, son faible coefficient de dilatation thermique de 7,1 × 10−6 K−1 à 20 °C lui confère une importante stabilité thermique. De telles propriétés sont spécifiques aux corps réfractaires et, que sa température de fusion à 2 477 °C en milieu protégé confirme. Par ailleurs, le thermocouple W-Nb autorise les mesures de températures qui atteignent les 2 000 °C.

Pour rappel, le thermocouple ne sert pas à mesurer directement la température, mais une différence de température. Celle-ci se base sur la différence de potentiel de deux métaux de nature différente.

Enfin, à très haute température, le niobium présente une forte résistance à la corrosion par les métaux alcalins. Quant à sa plage liquide, elle est importante. À l’état pur, le point d’ébullition du niobium est de 4 744 °C.

Propriétés chimiques

Le niobium est capable de fixer le gaz hydrogène, à raison de 100 ml/g à température ambiante et de 4ml/g à 900 °C. Il en ressort des hydrures de niobium non stœchiométriques semblables à des alliages fragiles du type NbH_0,86. Les paramètres de température et de pression influent sur la quantité de gaz retenue dans le réseau métallique dilaté. Pour enlever les traces d’hydrogène, un chauffage sous vide du métal à plus de 800 °C est requis.

À des températures différentes, le niobium réagit avec le carbone, l’oxygène et l’azote à des températures diverses pour former des solutions solides. À des températures élevées, la réaction permet d’obtenir des nitrures interstitiels NbN et des composés carbonés de type NbC. Ces derniers ont la particularité d’être durs et réfractaires et entrent dans la fabrication des outils de coupe. Les composés de type NbC₂ ont un caractère ionique et réagissent avec l’eau pour libérer de l’acétylène C₂H₂.

Selon la température, le niobium peut réagir avec divers composants. Il répond facilement au gaz fluor à température ambiante. Au-delà de 150 °C, il réagit avec les corps simples halogènes (chlore, brome, iode, souffre, phosphore) et les corps composés (vapeur d’eau,). Le Nb est un métal réfractaire mais il reste sensible à l’oxydation et à l’oxygène. À des températures de fonctionnement élevées, il peut réduire la résistance des oxydes et graphites réfractaires des fours, malgré la présence de gaz protecteur ou raréfié.

Solubilité

Le niobium est insoluble dans l’eau chaude, les solutions d’ammoniaque et les bases faibles. En revanche, il est sensible aux corps alcalins fondus à chaud comme la soude caustique et la potasse caustique, même diluées, en produisant des ions niobates

À température ambiante, le métal n’est pas attaqué par les acides forts comme l’acide nitrique et l’acide chlorhydrique et l’eau régale à froid. Cependant, il est soluble dans l’acide oxalique, l’acide sulfurique à forte concentration, l’acide fluorhydrique HF et le difluor F₂. Il réagit avec les ions fluorures pour former des complexes. Les acides forts concentrés l’attaquent également à chaud ou à ébullition. Plus ils sont oxydants, plus la réaction est rapide.

Enfin, le niobium est résistant aux métaux en fusion pour ne citer que les corps simples argent ou Ag, mercure ou Hg et plomb ou Pb. Néanmoins, en raison de sa structure cristalline, il est altéré par certains liquides métalliques à base de cobalt , d’aluminium, de nickel et de zinc.

Préparations

Procédé de réduction

Il est possible d’obtenir du niobium en utilisant l’hydrure de calcium comme réducteur :

NbO₂ _{oxyde de Nb(IV)} + 2 CaH₂ _{Hydrure de calcium} → Nb_{poudre métallique} + 2 CaO_{chaux vive} + 2 H₂ _{gaz hydrogène}

Il est possible d’obtenir du niobium en utilisant l’hydrure de calcium comme réducteur :

NbO₂ _{oxyde de Nb(IV)} + 2 CaH₂ _{Hydrure de calcium} → Nb_{poudre métallique} + 2 CaO_{chaux vive} + 2 H₂ _{gaz hydrogène}

Dans l’industrie de la filière columbite, la concentration de pentaoxydes de niobium et de tantale monte jusqu’à 70 %. Pour séparer les fluorures de niobium et de tantale, on dissout les minerais dans des solvants comme l’acide fluorhydrique ou l’acide sulfurique. L’oxydation du fluorure de niobium donne du pentaoxyde de niobium.

Le traitement des concentrés en niobium se déroule en deux étapes Dans la seconde étape, l’affinité du métal pour l’oxygène est utilisée, aussi, elle requiert une grande maîtrise des techniques du vide :

Nb₂O₅ _{oxyde de Nb(V)} + 7 C_{charbon actif, chauffage au-dessus de 800 °C}→ 2 NbC_{matériau très dur} + 5 CO_{gaz monoxyde de carbone}

5 NbC_{carbure de niobium} + 2 Nb₂O₅ _{oxyde de Nb(IV), chauffage à 2 000 °C sous vide}→ 7 Nb⁰_{poudre métallique} + 5 CO_{gaz monoxyde de carbone}

Seul ou conjointement avec le carbone, l’hydrogène peut aussi servir d’agent réducteur. Une fois la poudre métallique de niobium frittée, elle est transformée en barre ou lingot pesant des centaines de kilogrammes. Pour éliminer les éléments interstitiels ou de surface, elle subit un traitement thermique (recuit à 1700 °C) en vide poussé, sans aucune trace d’oxygène, d’hydrogène, d’azote ou de carbone. Leur éventuelle présence compromet les propriétés mécaniques et techniques du métal.

Autres procédés

Il existe d’autres méthodes pour préparer le niobium. Par exemple, le traitement du concentré de pyrochlore à l’arc électrique ou par aluminothermie permet d’obtenir du ferroniobium en grande quatité. Ensuite, ce dernier est chloruré et nitruré, puis hydruré et nitruré avant d’être oxydé pour obtenir du pentaoxyde de niobium relativement pur. Ce dernier peut être facilement transformé en recourant à la réduction par des métaux spécifiques comme l’aluminium, le magnésium ou le calcium. Le niobium métallique qui en résulte peut se présenter sous différentes formes : poudre, aiguille ou éponge.

La purification du nobium implique de travailler sous vide en utilisant un four à bombardement électronique. Elle nécessite plusieurs étapes de fusion de zone pour éliminer les impuretés comme les métaux alcalino-terreux et les éléments interstitiels sous forme de gaz.

Il est également possible de raffiner le niobium par électrolyse du pentachlorure (rarement) ou par fusion de zone par faisceau d’électrons pour obtenir du métal ultra-pur. La synthèse par sodiothermie fournit des nanoparticules de niobium métal de haute pureté, par réduction du pentoxyde de niobium ou Nb₂O₅ par le métal sodium. Ce procédé est complexe et demande l’utilisation, à 650 °C, de sels fondus ou de chlorures diluants tels que le Na Cl, le KCl, le Ca CL₂et le LiCl. D’autres procédés demandent six heures et utilisent un cinquième de sodium en plus pour garantir une haute pureté au niobium nanométrique ainsi obtenu.

Bien que les procédés de préparation du niobium soient complexes, sa mise en forme est simple et se fait par technique de pliage, estampage, pressage ou emboutissage. Il est disponible sur le marché en feuille, fil, ruban ou barre. En revanche, le soudage à froid et des procédés de découpe sont déconseillés, car ils peuvent êtres délicats à mettre en œuvre.

Alliages de métaux

Allié à d’autres métaux, le niobium, même en faible quantité, accroît sensiblement la cohésion intergranulaire qui renforce les joints de grains. Par exemple, il améliore la résistance des aciers nickel et chrome à la corrosion et leur résistance mécanique à haute température. À une teneur plus élevée, il permet d’obtenir des aciers légers et très résistants. L’oxydation est son point faible.

La quantité de niobium utilisée dépend du type d’alliage. Dans les aciers microalliés comme l’acier inox et le wootz, sa proportion est faible. En revanche, il est utilisé à forte dose pour réaliser des superalliages de chrome et de nickel, de niobium et de titane, etc. Pour obtenir un superalliage de niobium et de titane de qualité (Nb_{0,515 à 0,54}Ti₀,_{46 à 0,485}), les poudres millimétriques de Ti et de Nb sont mélangées, puis compactées avant d’être fondues à plusieurs reprises dans un four à bombardement électronique sous vide

Allié à l’aluminium, l’étain, le zirconium ou le titane, le niobium conserve ses propriétés de supraconductivité à basses températures. De ce fait, il est le matériau idéal pour la fabrication de puissants aimants et de bobines électriques.

Chimie du niobium et corps composés

Différents degrés d’oxydation

Le niobium plusieurs degrés d’oxydation, le plus courant est le V suivi par le III. Les autres degrés IV, I et –I, -III sont plus rares. Les composés de niobium qui ont un fort degré d’oxydation sont incolores et ceux avec un degré d’oxydation plus faible sont très colorés.

Comme certains métaux du groupe V B (famille du vanadium), le niobium est protégé par des couches d’oxydes. Les réactions d’oxydation à froid sont alors lentes, voire très difficiles. Il est indispensable de le chauffer pour le voir réagir avec des gaz halogènes (chlore, souffre). Des températures encore plus élevées sont nécessaires pour que le niobium réagisse avec le carbone et l’azote. Il convient de noter que la réduction conventionnelle du niobium par le carbone à haute température ne donne généralement que des carbures.

Le niobium est un métal oxophile c’est-à-dire qu’il a une affinité avec l’oxygène. L’oxyde pentavalent Nb2O5 est le plus courant et il est utilisé pour la production industrielle du Nb corps simple métal et du carbure de niobium ou NbC. Le niobium oxophile réagit aussi avec l’eau oxygénée, l’acétyl-cétone et l’acide oxalique pour former des complexes. Il en est de même avec les ions fluorures selon la réaction suivante :

NbF₅ _{aq fluorure de Nb(V)} + 2 KF _{aq fluorure de potassium} → K₂NbF₇ _{complexe potassique d’ion heptafluorure de niobium}

Principaux composés de niobium

Les oxydes de niobium figurent parmi les principaux composés de Nb. Cette catégorie regroupe entre autres l’oxyde de niobium(II) ou NbO cubique noir, le dioxyde de niobium ou NbO₂ noir, le pentoxyde de niobium(V) ou Nb₂O₅ amphotère blanc, le ferrocolumbite, le manganocolumbite et le qitianlingite ou oxyde de tungstène, niobium et fer.

Le ferroniobium ou FeNb est un autre composé très répandu dans l’industrie métallurgique. Au cours des années 1990, il a représenté 90 % de la production de Nb au niveau mondial. Sa teneur en niobium se situe entre 50 et 70 %. Il est couramment utilisé dans la fabrication d’alliages avec le chrome, le cobalt ou encore le nickel.

Font aussi partie des composés de Nb :

Les niobates alcalins (niobate de lithium)
Les fluorures de niobium
Les chlorures de niobium (NbCl₂, NbCl_3, NbCl₄ et chlorure de niobium(V) ou pentachlorure de niobium jaune blanc)
Les oxyhalogènures de niobium (oxychlorure de niobium ou NbOCl₃)
Iodures de niobium
Bromures de niobium (bromure de niobium(V))
Hydrures de niobium (hydrures non stœchiométriques)
Nitrure de niobium
Carbures de niobium ou NbC
Séléniure de niobium.

Détection

Il est facile de détecter le niobium dans un mélange est possible à des doses de l’ordre de 0,01 % grâce à la spectroscopie d’émission X.

Toxicologie et écotoxicologie du métal

Inerte, le niobium élémentaire ou pur ne présente pas de danger particulier. À ce jour, aucun rôle biologique ne lui est attribué. Il est fréquemment utilisé dans la bijouterie pour prévenir certaines allergies. En revanche, même si les composés de niobium sont rares à l’état naturel, la plupart sont hautement toxiques pour l’Homme.

Toxicité sur l’Homme et les mammifères

Les niobates et le chlorure de niobium, qui sont des composés niobés à structures ioniques, ont une toxicité élevée. Leur manipulation requiert beaucoup de précautions, surtout quand ils sont présents dans des déchets. Le contact de la poussière métallique de niobium avec la peau et les yeux entraîne des irritations cutanées et oculaires.

Chez les mammifères de laboratoire, le niobium inhalé reste piégé dans les poumons et secondairement dans les os. De plus, il peut interférer avec la fonction d’activateurs d’enzymes qui dépendent du calcium. Au-delà de 40 mg/m³, l’inhalation de poussières de nitrure de niobium et de pentoxyde de niobium affecte les poumons de manière irréversible.

Écotoxicité

Lorsque le niobium est à l’état finement divisé, il est hautement inflammable. Il augmente ainsi le risque d’incendie. En revanche, son écotoxicité n’est pas encore clairement établie à ce jour. Pour cause, très peu de données radioécologiques le concernant sont disponibles. Cependant, il est admis que cet élément chimique n’est ni présent naturellement ni utile dans les organismes vivants. Les plantes situées à proximité d’une installation industrielle peuvent l’accumuler à une teneur de 1 ppm.

Les effets de l’isotope radioactif ⁹⁵Nb du niobium sur les organismes vivants et le réseau trophique sont aussi méconnus. Généralement, il coexiste avec l’isotope ⁹⁵Zr du zirconium pour constituer l’équilibre radioactif ⁹⁵Zr/⁹⁵Nb. Chimiquement différents, les deux ont des comportements similaires dans le sol et les végétaux. Bien qu’il ait peu de recherches sur leur comportement, l’IRSN considère qu’ils sont « particulièrement peu réactifs et probablement peu mobiles dans l’environnement ». En effet, le Nb a une forte affinité pour les particules du sol et probablement aucun transfert racinaire (il est absorbé par les racines mais ne se déplace pas dans la plante).

Les diverses utilisations du niobium

Le niobium est principalement utilisé dans la fabrication d’acier, avec un taux de 89 % de la consommation mondiale en 2008. 9 % sont allouées à la réalisation de superalliages, tandis que 2 % sont réservées aux applications médicales et de supraconductivité. Les alliages contenant ce métal sont réputés pour être hautement résistants à la corrosion et aux pressions élevées comme les turbines à gaz, les réacteurs d’avion et les capsules spatiales.

Fabrication d’acier

Le métal Nb entre dans la fabrication d’aciers à hautes caractéristiques. Le mélange de niobium, de titane et d’aluminium à des proportions bien précises leur confère une qualité essentielle dite « dispersoïde ». Un acier qualifié de dispersoïde se distingue par l’amélioration de sa résistance sur plusieurs points : la striction, l’allongement, la limite d’élasticité, la limite de rupture et les résiliences. La combinaison Nb-Ti-Al permet l’affinement des grains et une faible addition d’éléments dispersoïdes. En revanche, leur dosage doit être d’une précision sans faille.

Le métal Nb entre dans la fabrication d’aciers à hautes caractéristiques. L’ajout précis de niobium, de titane et d’aluminium confère aux aciers micro-alliés une qualité dispersoïde. Un acier à dispersoïde est caractérisé par une nette amélioration de sa résistance, de son élasticité, de sa résilience et de son allongement. En effet, la combinaison Nb-Ti-Al permet l’affinement des grains et une faible addition d’éléments dispersoïdes, mais à un dosage de grande précision.

Les aciers au niobium sont résistants et sont largement utilisés dans des domaines variés. Par exemple, dans la construction du viaduc de Millau, l’acier utilisé contenait 0,0025 % (précisé par le cahier des charges). L’épaisseur des structures a été réduite de 4,6 m à 4,2 m (sur 2500 m de long). Les volumes et les masses engagées ont été amoindris et par conséquent, la prise au vent le fut également. Ces aciers sont aussi utilisés dans d’autres secteurs :

Aéronautique (fabrication de fusées et de satellites)
Construction automobile (carrosserie)
Sécurité (barres anti-intrusion).

Métallurgie des poudres et autres matériaux spécifiques

Le nitrure de niobium et le carbure de niobium sont utilisés pour façonner des outils de coupe en céramique d’une dureté élevée. Ils entrent aussi dans la composition de différents objets réfractaires moulés. Quant au métal Nb, il est présent dans la confection de bobines électriques et de thermocouples.

Soudage à l’arc en tant que métal d’apport

Les alliages de niobium sont aussi utilisés dans la confection de tiges de métal d’apport. Elles sont essentielles en soudure à l’arc pour le soudage d’aciers inoxydables.

Réacteurs nucléaires

Le niobium allié au zirconium sert de « dégazeur » pour les gaines de combustible dans les réacteurs nucléaires. Il a une faible section de capture efficace des neutrons thermiques. Par exemple, de l’alliage Zr-Nb 2,5 % a servi à la fabrication des tubes de pression des réacteurs CANDU 600.

Accélérateurs de particules et électroaimants supraconducteurs

À l’état pur, le niobium est utilisé pour façonner des cavités résonnantes radiofréquences supraconductrices tels les accélérateurs de particules.

Allié au zirconium, à l’étain et le titane, le niobium entre dans la fabrication des électroaimants supraconducteurs, utilisés dans la fusion nucléaire, l’IRM ou les accélérateurs.

Médecine

L’utilisation de l’alliage de niobium et de titane est courante pour réaliser des prothèses d’os, qui sont bien tolérées par le corps humain : implants, broches, plaques de réduction de fractures, etc. En optique, l’oxyde de niobium pentavalent entre dans la fabrication des verres très réfringents. Le niobate de lithium figure parmi les composés des filtres à onde de surface.

Joaillerie et fabrication de pièces de monnaie

Le niobium présente une propriété de coloration par anodisation similaire à celles des autres métaux réfractaires comme le titane. L’anodisation sur une âme de niobium donne des oxydes en couche d’une épaisseur plus ou moins fine, transparente et très réfringente. Par effet d’interférence avec une lumière d’éclairage, il est possible d’obtenir l’intégralité des couleurs du spectre lumineux visible à l’œil nu, selon l’épaisseur de la couche.

Ainsi, le niobium est utilisé dans la fabrication de creusets réfractaires pour produire des diamants synthétiques polycristallins. Également, il entre dans la fabrication des pièces de monnaie et des médailles commémoratives. À l’exemple de la médaille Charles Hatchett qui est décernée aux scientifiques qui contribuent au développement de la métallurgie du niobium.

Industrie chimique

Le niobium est un élément clé dans les catalyseurs, notamment dans la production d’acide acrylique. Sous forme d’oxyde de niobium pentavalent, il participe à la synthèse du caoutchouc. Les nanoparticules de niobium à grandes surfaces servent également comme catalyseurs et électro-catalyseurs pour la production de matériaux supraconducteurs de haute qualité, ainsi que dans les piles à combustibles.

Économie

À la fin des années 1990, le kilogramme de niobium coûtait 6,6 dollars pour atteindre 40 dollars en 2010. Cinq ans plus tard, le prix du niobium purifié et destiné à la joaillerie est estimé à 180 US dollars le kilo. En raison de son importance dans l’industrie de l’acier, le niobium suscite l’intérêt des grands états producteurs.

En 1990, 90 % des 20 000 tonnes de niobium produits dans le monde provenaient du Brésil. En 2015, plus de 80 % de la production mondiale étaient encore contrôlées par la Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração. Les deux autres pays producteurs majeurs de niobium sont le Canada et le Nigéria. En 2018, un gisement a commencé d’être exploité en Tanzanie.

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