Niobium : Propriétés et utilisations des éléments

Le niobium est un élément de transition dont le numéro atomique est 41 et le poids atomique 92,91. C'est un élément polyvalent que l'on retrouve dans les industries d'aujourd'hui. Il est apprécié pour son rapport performance-poids élevé, sa grande résistance à la corrosion et ses propriétés supraconductrices uniques. En raison de ces aspects, le niobium est utilisé dans des domaines d'expertise exigeants, allant des technologies aéronautiques et automobiles à l'électronique et à la biotechnologie.

Histoire et découvertes

Leniobium a une histoire très intéressante qui remonte au début des années 1800. En 1801, Charles Hatchett, un chimiste anglais, l'a identifié et l'a temporairement nommé columbium en reconnaissance de la Ｃolumbite et de Christophe Colomb. Pendant de nombreuses années, on n'a pas su exactement de quel élément il s'agissait en raison de ses propriétés très similaires à celles du tantale, qui est lui aussi un métal de transition.

Heinrich Rose, un chimiste allemand, a finalement réussi à l'isoler du tantale en 1864 et a confirmé qu'il s'agissait d'un élément unique en soi en 1864. Enfin, en 1950, l'UICPA a choisi de le renommer niobium en raison de ses similitudes avec Niobé, la déesse du deuil dans la mythologie grecque, ce qui reflète également son histoire plutôt triste.

Propriétés chimiques

Les propriétés chimiques du niobium se caractérisent principalement par sa capacité à exister dans deux états d'oxydation : +3 et +5 : +Toutefois, dans l'état d'oxydation +5, qui est le plus stable et le plus répandu, le niobium forme du pentoxyde de niobium.

Lepentoxyde de niobium (Nb₂O₅) a de nombreuses applications dans la fabrication de céramiques, de verres et de condensateurs. Au niveau d'oxydation +5, le niobium se combine facilement avec l'oxygène pour produire du pentoxyde de niobium, qui est réputé pour sa résistance à la corrosion et sa capacité à supporter des conditions chimiques difficiles. En outre, le fait que le niobium ait une très faible résistance à l'eau et à l'acide/alcali ajoute à sa force lorsqu'il est exposé à des conditions difficiles. Le niobium résiste fortement aux acides et aux alcalis ; c'est pourquoi on a constaté qu'il était efficace même à des températures où d'autres métaux auraient tendance à rouiller ou à se décomposer. Les résistances à l'oxydation et à la corrosion à haute température le rendent très populaire dans le secteur aérospatial et l'industrie électronique.

Propriétés physiques

Les propriétés physiques du niobium renforcent encore sa valeur en tant que matériau industriel. Le métal présente les caractéristiques clés suivantes :

• Numéro atomique: 41
• Poids atomique: 92,91 g/mol
• Densité: 8,57 g/cm³
• Point de fusion: 2477°C
• Point d'ébullition: 4744°C
• Conductivité électrique: Élevée
• Conductivité thermique: Modérée

Techniques de préparation

Le traitement du niobium à partir d'un minerai pour en faire un métal exploitable nécessite plusieurs étapes, à commencer par l'origine du niobium : les minéraux pyrochlore ou columbite, qui présentent tous deux de fortes concentrations d'oxyde de niobium - en fait, le composé même que nous extrayons finalement pour obtenir le niobium métal :

1. L'exploitation minière : Les minerais de niobium sont identifiés et extraits dans des mines à ciel ouvert ou souterraines.
2. Concassage et broyage : Le minerai est extrait, puis concassé et broyé en une fine poudre.
3. Lixiviation acide : la poudre de minerai est soumise à une lixiviation acide, au cours de laquelle le concentré de niobium et d'oxyde métallique est dissous à l'aide d'acide fluorhydrique.
4. Extraction par solvant et réduction : Le niobium peut être séparé de divers éléments par extraction par solvant et, enfin, le Nb2O5 est réduit avec de l'hydrogène ou du carbone pour obtenir du niobium métallique pur.

Applications du niobium

Le niobium combine une grande résistance des matériaux, une grande légèreté, un point de fusion élevé et une résistance à la corrosion, autant de caractéristiques qui le rendent précieux dans différents domaines. Plus précisément, le niobium peut être utilisé dans les domaines suivants

1. Alliages d'acier et matériaux à haute résistance

Sa principale application est la production d'acier faiblement allié à haute résistance. De petites quantités de niobium (environ 0,01 % à 0,1 %) permettent d'améliorer considérablement la résistance à la traction, la soudabilité et la résistance à la corrosion. L'acier spécial au niobium est un composant essentiel dans des industries telles que l'automobile et la construction, où des matériaux robustes sans poids supplémentaire sont requis. L'acier au niobium est utilisé dans les tuyaux, les conteneurs sous pression et les pièces automobiles nécessitant une résistance élevée.

2. Supraconducteur

La propriété du niobium d'être un supraconducteur à très basse température est à la base de technologies innovantes dans les équipements d'IRM et les accélérateurs de particules. Le niobium peut conduire des courants électriques sans résistance à des températures très basses ; cette propriété est essentielle pour créer le champ magnétique hautement efficace que l'on trouve dans les équipements IRM.

En termes plus simples, il serait exact de dire que lorsqu'il s'agit d'équipements supraconducteurs, les fabricants optent toujours pour leNbTi et leNb3Sn.

3. Applications aérospatiales et à haute température

Avec un point de fusion très élevé et des propriétés supérieures de résistance à la chaleur, le niobium est extrêmement performant dans les applications les plus exigeantes de l'industrie aérospatiale. Il est utilisé dans la fabrication d'aubes de turbines, de tuyères de fusées et de divers composants essentiels des moteurs à réaction et des engins spatiaux.

4. Électronique et condensateurs

Les propriétés de résistance à la chaleur et à la corrosion du niobium garantissent son utilisation dans les composants électroniques, en particulier dans les condensateurs de haute performance. Les propriétés des condensateurs au niobium garantissent un environnement stable dans l'électronique dans des conditions extrêmes. Le niobium est également utilisé dans l'électronique à couche mince pour la fabrication de semi-conducteurs.

5. Bijoux et décoration

Sa couleur métallique attrayante et ses qualités non ternissantes rendent le niobium intéressant pour la bijouterie et d'autres articles décoratifs. En outre, l'anodisation peut produire une large gamme de couleurs, ce qui le rend esthétiquement attrayant. Comme il est hypoallergénique, le niobium est également utilisé dans les bijoux corporels et d'autres applications de contact.

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Conclusion

Le niobium est un métal très polyvalent et précieux qui possède un large éventail d'applications industrielles, allant de l'amélioration des performances des alliages d'acier à la supraconductivité dans les technologies de pointe telles que les appareils d'IRM. Sa combinaison unique de solidité, de résistance aux températures élevées et de résistance à la corrosion le rend indispensable dans l'aérospatiale, l'électronique et les applications médicales.

Questions fréquemment posées

Quelles sont les principales utilisations du niobium ?
Le niobium est principalement utilisé dans les alliages d'acier à haute résistance, les aimants supraconducteurs pour les appareils d'IRM et les accélérateurs de particules, les composants aérospatiaux, l'électronique et la bijouterie.

Comment le niobium est-il extrait ?
Le niobium est extrait de minéraux tels que le pyrochlore et la colombite par une combinaison d'opérations d'extraction minière, de concassage, de lixiviation acide et d'extraction par solvant.

Qu'est-ce qui rend le niobium unique dans les alliages d'acier ?
Le niobium améliore la résistance à la traction, la soudabilité et la résistance à la corrosion de l'acier, ce qui le rend idéal pour les applications de haute performance dans les secteurs de l'automobile et de la construction.

Quel est le rôle du niobium dans la supraconductivité ?
Le niobium est utilisé dans les aimants supraconducteurs des appareils d'IRM et des accélérateurs de particules en raison de sa capacité à conduire l'électricité sans résistance à très basse température.

Peut-on trouver le niobium à l'état pur ?
Non, le niobium se trouve toujours sous forme de composé dans les minéraux et doit subir des processus d'extraction et de réduction pour obtenir le métal pur.