Nióbio

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Pix.gif Nióbio Stylised Lithium Atom.svg
ZircônioNióbioMolibdênio
V
  Cubic-body-centered.png
 
41
Nb
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
Nb
Ta
Tabela completaTabela estendida
Aparência
cinza metálico, mas azulado quando oxidado


Um cubo de 1cm3 de nióbio anodizado de alta pureza (99,95%) e cristais de nióbio de alta pureza (99,995%), feitos eletrolitamente, para efeito de comparação.
Informações gerais
Nome, símbolo, número Nióbio, Nb, 41
Série química Metal de transição
Grupo, período, bloco 5B, 5, d
Densidade, dureza 8570 kg/m3, 6,0
Número CAS 7440-03-1
Número EINECS
Propriedade atómicas
Massa atômica 92,90638 u
Raio atómico (calculado) 146 pm
Raio covalente 164±6 pm
Raio de Van der Waals pm
Configuração electrónica [Kr] 4d4 5s1
Elétrons (por nível de energia) 2, 8, 18, 12, 1 (ver imagem)
Estado(s) de oxidação 5, 4, 3, 2, -1 (óxido levemente ácido)
Óxido
Estrutura cristalina cúbica centrada no corpo
Propriedades físicas
Estado da matéria sólido
Ponto de fusão 2750 K
Ponto de ebulição 5017 K
Entalpia de fusão 30 kJ/mol
Entalpia de vaporização 689,9 kJ/mol
Temperatura crítica  K
Pressão crítica  Pa
Volume molar m3/mol
Pressão de vapor 1 Pa a 2942 K
Velocidade do som 3480 m/s a 20 °C
Classe magnética
Susceptibilidade magnética
Permeabilidade magnética
Temperatura de Curie  K
Diversos
Eletronegatividade (Pauling) 1,6
Calor específico 265 J/(kg·K)
Condutividade elétrica S/m
Condutividade térmica 53,7 W/(m·K)
Potencial de ionização 652,1 kJ/mol
2º Potencial de ionização 1380 kJ/mol
3º Potencial de ionização 2416 kJ/mol
4º Potencial de ionização 3700 kJ/mol
5º Potencial de ionização 4877 kJ/mol
6º Potencial de ionização 9847 kJ/mol
7º Potencial de ionização 12100 kJ/mol
8º Potencial de ionização kJ/mol
9º Potencial de ionização kJ/mol
10º Potencial de ionização kJ/mol
Isótopos mais estáveis
iso AN Meia-vida MD Ed PD
MeV
91Nb sintético 6,8×102 a ε - 91Zr
91mNb sintético 60,86 d IT 0,104 91Nb
92Nb sintético 10,15 d ε
γ
-
0,934
92Zr
-
92Nb sintético 3,47×107 a ε
γ
-
0,561, 0,934
92Zr
-
93Nb 100% estável com 52 neutrões
93mNb sintético 16,13 a TI 0,031 93Nb
94Nb sintético 2,03×104 a β-
γ
0,471
0,702, 0,871
94Mo
-
95Nb sintético 34,991 d β-
γ
0,159
0,765
95Mo
-
95mNb sintético 3,61 d TI 0,235 95Nb
Unidades do SI & CNTP, salvo indicação contrária.

O nióbio é um elemento químico, de símbolo Nb, número atômico 41 (41 prótons e 41 elétrons) e massa atómica 92,9 u. É um elemento de transição pertencente ao grupo 5 ou VB da classificação periódica dos elementos. O nome deriva da deusa grega Níobe, filha de Dione e Tântalo — este último, por sua vez deu nome a outro elemento da família 5B, o tântalo[1] . É usado principalmente em ligas de aço para a produção de tubos condutores de fluidos. Em condições normais, é sólido. Foi descoberto em 1801 pelo inglês Charles Hatchett.

O nióbio tem propriedades físicas e químicas similares do tântalo sendo que ambos são de complexa distinção. O químico inglês Charles Hatchett concluiu erroneamente que o tântalo e o colúmbio eram idênticos. O químico alemão Heinrich Rose estabeleceu em 1846 que os minérios de tântalo contêm um segundo elemento que nomeou de nióbio. Em 1864 e 1865, vários cientistas esclareceram que o nióbio e o colúmbio era o mesmo elemento, e por um século ambos os nomes foram utilizados de forma intercambiável. O nióbio foi oficialmente adotado como um elemento químico em 1949, porém o termo colúmbio ainda é utilizado na metalurgia nos Estados Unidos da América.

O nióbio não era utilizado comercialmente até o século XX. Existem poucas minas de extração economicamente viável de nióbio no mundo, sendo o Brasil o maior produtor mundial de nióbio e ferronióbio, uma liga de nióbio e ferro, e responsável por 75% da produção mundial do elemento.[2] [3] [4]

Ele é muito utilizado nas ligas, em especial na produção de aços especiais que são utilizados na estrutura física dos gasodutos. Embora estas ligas contém no máximo 0,1%, a pequena porcentagem de nióbio proporciona uma grande resistência mecânica no aço. A estabilidade térmica das superligas que contém nióbio é importante para a produção de motores de aeroplanos e na propulsão de foguetes e em vários materiais supercondutores. Estas ligas supercondutoras do tipo II, que também contém titânio e estanho, são geralmente usadas nos ímãs supercondutoras nas imagens por ressonância magnética. Outras aplicações incluem a soldagem, indústria nuclear, eletrônica, óptica, numismática e produção de joias. Nas últimas duas aplicações ele é utilizado pela sua baixa toxicidade e pela possibilidade de coloração pela anodização.

Características principais[editar | editar código-fonte]

O nióbio é um metal dúctil, cinza brilhante, que passa a adquirir uma coloração azulada quando em contato com o ar em temperatura ambiente, após um longo período. Suas propriedades químicas são muito semelhantes às do tântalo (elemento químico), que está situado no mesmo grupo.

O metal começa a oxidar-se com o ar a 201 °C e seus estados de oxidação mais comuns são +3 e +5.

Compostos[editar | editar código-fonte]

O nióbio é de muitas formas similar ao tântalo e o zircônio. Ele reage com muitos elementos químicos da classe dos não-metais em altas temperaturas: o nióbio reage com o fluoreto em uma caldeira com gás cloro e hidrogênio sob temperatura de 200 °C e com nitrogênio com temperatura de 400 °C, produzindo os produtos intersitiais e não estequeiométricos.[5] O metal começa a oxidar na atmosfera sob temperatura de 200 °C,[6] e é resistente à corrosão e ao contato de elementos alcalinos e por ácidos, incluindo água regia, o ácido clorídrico, o ácido sulfúrico, o ácido nítrico e o ácido fosfórico.[5] O nióbio é atacado pelo ácido fluorídrico e por misturas de ácido fluorídrico com o ácido nítrico.

Carbonetos e nitretos[editar | editar código-fonte]

Outros compostos binários de nióbios incluem o nitreto de nióbio (NbN), que estão um supercondutor sob baixas temperaturas e é utilizado nos detectores de radiação eletromagnética.[7] O carboneto de nióbio é o NbC que é um material extremamente duro, refratório, cerâmico, comercialmente utilizado nos bits no setor de ferramentaria.

Haletos[editar | editar código-fonte]

Watch glass on a black surface with a small portion of yellow crystals
Uma amostra de pentacloreto de nióbio (porção amarelo) que foi parcialmente hidrolizada (material branco).

Os haletos com os estados de oxidação +5 +4 como também os vários compostos não-estequiométrico.[6] [8] Os pentahaletos (NbX5) caracterizam pelos centros octaédricos. O pentafluoreto de nióbio (NbF5) é um sólido branco com temperatura de fusão de 79,0 °C e pentacloreto de nióbio (NbCl5) é um sólido amarelo (como na imagem a esquerda) com um ponto de fusão de 203,4 °C. Ambos são hidrolisados para produzir óxidos e oxihaletos, como o NbOCl3. O pentacloreto é um reagente versátil sendo utilizados nos compostos organometálicos, como o dicloreto niobioceno ((C5H5)2NbCl2).[9] Os tetrahaletos (NbX4) são polímeros de coloração preta com ligações entre as partículas de nióbio, como por exemplo o tetrafluoreto de nióbio (NbF4) e o tetracloreto de nióbio (NbCl4).

Aplicações[editar | editar código-fonte]

O nióbio apresenta diversas aplicações. É usado na composição do aço inoxidável e em outras liga metálicas não ferrosas.

  • Usado em indústrias nucleares devido a sua baixa captura de nêutrons termais.
  • Usado em soldas elétricas.
  • Devido a sua coloração é utilizado, geralmente na forma de liga metálica, para a produção de joias e outros ornamentos.
  • Quantidades apreciáveis de nióbio são utilizados em superligas para fabricação de componentes de motores de jatos , subconjuntos de foguetes , ou seja, equipamentos que necessitem altas resistências a combustão. Pesquisas avançadas com este metal foram utilizados no programa Gemini;
  • Os selos arcos voltaicos de lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão são feitos de nióbio, ou nióbio com 1% de zircônio, pela similaridade do coeficiente térmico das cerâmicas sinterizadas de alumínio, um material translúcido que resiste as reações de redução ou ataques químicos pelo aquecimento do sódio líquido ou de seus vapores dentro da lâmpada.[10] [11] [12]

O nióbio se converte num supercondutor quando reduzido a temperaturas criogênicas. Na pressão atmosférica (e quando puro) , tem a mais alta temperatura crítica entre os elementos supercondutores de tipo I, 9.3 K. Além disso, é um elemento presente em ligas de supercondutores que são do tipo II (como o vanádio e o tecnécio), significando que atinge a temperatura crítica a temperaturas bem mais altas que os supercondutores de tipo I

Eletrocerâmicas[editar | editar código-fonte]

O niobato de lítio tem como característica de ser um material com propriedades ferroelétricas, as quais são aproveitadas na produção de telefones celulares, nos moduladores ópticos e na fabricação de aparelhos de superfície de ondas acústicas. Ele vem da estrutura ferroelétrica da perovskita, como do tantalato de lítio e do tantalato de bário.[13] O nióbio foi avaliado com uma alternativa mais econômica para o desenvolvimento de capacitores,[14] apesar da predominância dos capacitores de tântalo. O nióbio é adicionado com o vidro para aumentar o índice de refração, um propriedade utilizada na indústria óptica na fabricação de óculos de grau.

O pentóxido de nióbio (Nb2O5) também é uma cerâmica conveniente para a obtenção de sensores de pH, lentes óticas e em filtros especiais para receptores de TV, entre outros.[15]

Produção de aço[editar | editar código-fonte]

O nióbio é um elemento microligante eficiente para o aço. A adição de nióbio no aço causa a formação de carboneto de nióbio e o nitreto de nióbio dentro da estrutura do aço. Estes compostos melhoram o refinamento do grão, o retardo da recristalização e o endurecimento por precipitação do aço. Estes efeitos por sua vez aumentam a resistência, força, conformabilidade e soldabilidade das microligas de aço.[16] A microligação de aços inoxidáveis tem um teor de nióbio inferior a 0,1%.[17] Esta é uma liga importante no aço de alta resistência e baixa liga que é muito utilizado na indústria automobilística devido a sua grande resistência.[16] Estas ligas de nióbio são muitos fortes e às vezes são empregadas para a fabricação de oleodutos.[18] [19]

Superligas[editar | editar código-fonte]

Image of the Apollo Service Module with the moon in the background
O bocal do foguete do Apollo 15 CSM na órbita lunar é feita de liga de nióbio-titânio.

Quantidades consideráveis do nióbio, seja ela em forma alotrópica ou na produção de ferronióbio e níquelnióbio são utilizadas em superligas de ferro, níquel e cobalto para a produção de componentes de motores a reação, nas turbinas a gás, subligações de foguetes, turbocompressores, resistências a calor e equipamentos de combustão. O nióbio precipita uma fase de γ'' na granulação da superliga.[20] As ligas contém cerca de 6,5% de nióbio.[17] Um exemplo de liga que contém nióbio é a liga niquelada do Inconel 718, que consiste de cerca de 50% de níquel, 18,6% de cromo, 18,5% ferro, 5% de nióbio, 3,1% molibdênio, 0,9% de titânio, e 0,4% de alumínio.[21] [22] Estas superligas são utilizadas, por exemplo nos sistemas de purificação de ar utilizados no programa Gemini.

Ímãs supercondutoras[editar | editar código-fonte]

O scanner da máquina de ressonância magnética utiliza uma força de 3 teslas utilizando uma liga de nióbio supercondutora.

Os compostos de nióbio-germânio(Nb3Ge), nióbio-escândio e as ligas de nióbio-titânio são utilizadas como tipos de semicondutores II como fios de ímãs supercondutores .[23] [24] Estes ímãs supercondutores são utilizados nos instrumentos das máquinas de imagens por ressonância magnética e nas máquinas de ressonância magnética nuclear como também nos aceleradores de partículas.[25] Por exemplo, o Grande Colisor de Hádrons utiliza 600 toneladas de cordões supercondutores de Nb3Sn e cerca de 250 toneladas de cordões supercondutores de NbTi.[26]

Também os semicondutores contendo somente nióbio são utilizados nas cavidades dos aparelhos de radiofrequência nos laseres de elétrons livres nas pesquisas da FLASH (Free Electron LASer in Hamburg) e da European XFEL.[27]

A alta sensibilidade do semicondutor nitrito de nióbio são utilizados na produção de microbolomêtros sendo um detector ideal de radiação eletromagnética na escala de frequência THz. Estes detectores foram testados no Telescópio Submilimétrico Heinrich Hertz, o telescópio do Pólo Sul, no Receiver Lab Telescope, na APEX (Atacama Pathfinder Experiment) e agora está sendo testada nos instrumentos de HIFI nas placas do Observatório Espacial Herschel.[28]

Aplicações hipoalergênicas: joias e medicamentos[editar | editar código-fonte]

O nióbio e algumas ligas de nióbio são fisiologicamente inertes e com características hipoalergênicas. Por estes motivos, o nióbio é encontrado em muitos dispositivos médicos como o marca-passo.[29] O nióbio é tratado com hidróxido de sódio formando um camada porosa utilizadas nos tratamentos de osseointegração.[30]

Junto com o titânio, o tântalo e o alumínio, o nióbio pode também ser aquecido eletricamente e anodizado resultando na produção de diversas colorações utilizando um processo conhecido como anodização de um metal reativo onde é aplicado na produção de joias.[31] [32] Pela propriedade do nióbio ser um elemento químico hipoalergênico ele é utilizado na produção de joias.[33]

História[editar | editar código-fonte]

Pintura em preto e branco no formato oval com um homem vestindo uma camisa branca e de colar proeminente e gravata
Charles Hatchett, primeiro a isolar o nióbio.

O nióbio (mitologia grega: Níobe, filha de Tântalo) foi descoberto por Charles Hatchett em 1801. Hatchett encontrou o elemento no mineral columbita enviado para a Inglaterra em torno de 1750 por John Winthrop, que foi o primeiro governador de Connecticut. Devido à semelhança, havia uma grande confusão entre os elementos nióbio e tântalo que só foi resolvida em 1846 por Heinrich Rose e Jean Charles Galissard de Marignac que redescobriram o elemento. Desconhecendo o trabalho de Hatchett, denominou o elemento de nióbio. Em 1864, Christian Blomstrand foi o primeiro a preparar o elemento pela redução do cloreto de nióbio, por aquecimento, numa atmosfera de hidrogênio.

“Columbium” foi o nome dado originalmente ao elemento nióbio por Hatchet, porém, a IUPAC adotou oficialmente o nome “niobium" em 1950, após 100 anos de controvérsias. Muitas sociedades químicas e organizações governamentais referem-se ao elemento 41 pelo nome IUPAC. Entretanto, a maioria dos metalúrgicos e produtores comerciais do metal, principalmente estadunidenses, adota o seu nome original colúmbio.

Recentemente, o professor Luiz Roberto Martins de Miranda, da COPPE, UFRJ (Universidade Federal do Rio de Janeiro), em orientação a diversas teses de mestrado e doutorado, descobriu ser o óxido de nióbio um poderoso agente anticorrosivo, capaz de suportar a ação de ácidos extremamente agressivos, como os naftênicos, hoje muito comuns no dia-a-dia da indústria de petróleo. Tal descoberta gerou patentes de processos e produtos, hoje já em uso por indústrias de petróleo e aciarias com o nome comercial de Niobização.[34]

Produção[editar | editar código-fonte]

Grey e white world map with Brazil colored red representing 90% of niobium world production and Canada colored in dark blue representing 5% of niobium world production
Produtores de nióbio em 2006

Os minerais tantalita e niobita são os únicos de interesse econômico para a produção do nióbio. Depois da separação inicial de outros compostos, é obtida uma mistura do pentóxido de tântalo e do pentóxido de nióbio. A primeira etapa no processamento é a reação dos óxidos com o fluoreto de hidrogênio[35]  :

Ta2O5 + 14 HF → 2 H2[TaF7] + 5 H2O
Nb2O5 + 10 HF → 2 H2[NbOF5] + 3 H2O

Este processo em escala industrial denominado método Mariagnac foi desenvolvido por Jean Charles Galissard de Marignac e explora as diferentes solubilidades dos complexos fluoretos de nióbio e de tântalo, o monoidrato de oxipentafluorniobato dipotássico (K2[NbOF5]·H2O) e o heptafluortantalato dipotássico (K2[TaF7]) em água. Novos processos usam a extração dos líquidos das soluções de fluoretos com solventes orgânicos como o cicloexanona.[35] Os complexos de fluoreto de nióbio e de tântalo são extraídos separadamente para os solventes orgânicos com água e ambos precipitam pela adição de fluoreto de potássio para produzir um complexo floureto de potássio, ou precipitado com amônia como o pentóxido:[6]

H2[NbOF5] + 2 KF → K2[NbOF5]↓ + 2 HF

Resultando em :

2 H2[NbOF5] + 10 NH4OH → Nb2O5↓ + 10 NH4F + 7 H2

Geralmente são utilizados métodos de redução pra o nióbio metálico. Os principais são: a eletrólise de uma mistura fundida de K2[NbOF5] e cloreto de sódio ou a redução de fluoreto com sódio. Com a a aplicado do segundo método de produção é possível conseguir um alto grau de pureza. A produção em larga escala é utilizada a redução do Nb2O5 com hidrogênio ou carbono[6] . No processo que envolve as reações aluminotérmicas utiliza-se uma mistura de óxido de ferro e óxido de nióbio que estará reagindo com alumínio:

3 Nb2O5 + Fe2O3 + 12 Al → 6 Nb + 2 Fe + 6 Al2O3

Para melhorar a reação, pequenas quantidades de oxidante como o nitrato de sódio são adicionados sendo produzidos o óxido de alumínio e o ferronióbio, uma liga de ferro e nióbio utilizado na metalurgia. [36] [37] O ferronióbio contêm cerca de 60 a 70% de nióbio. [38] Sem a adição do óxido de ferro, a aluminotermia é utilizada para a produção de nióbio. Outros processos de purificação são necessários para as ligas supercondutoras. A função pelos elétrons à vacuo são utilizados pelos dois maiores produtores de nióbio .[8] [39]

Desde de 2013, a Companhia Brasileira de Alumínio controla cerca de 85% da produção mundial de nióbio.[40] As estimativas do Serviço Geológico dos Estados Unidos que a produção cresceu de 38.700 toneladas em 2005 para 44.500 toneladas em 2006.[41] [42] Estimavam que no Planeta Terra tenhamos 4.400.000 toneladas de nióbio.[42] Durante a década entre 1995 e 2005, a produção mais que dobrou, que no ano de 1995 produziu 17.800 toneladas .[43] Desde 2009 a produção se estabilizou na marca de 63.000 toneladas por ano.[44]

Produção de nióbio (toneladas) [45] (Estimativa da USGS)
País 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
 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
 Canadá 2.290 3.200 3.410 3.280 3.400 3.310 4.167 3.020 4.380 4.330 4.420 4.400
 Congo D.R.  ? 50 50 13 52 25  ?  ?  ?  ?  ?  ?
 Mozambique  ?  ? 5 34 130 34 29  ?  ?  ?  ?  ?
 Nigéria 35 30 30 190 170 40 35  ?  ?  ?  ?  ?
 Ruanda 28 120 76 22 63 63 80  ?  ?  ?  ?  ?
Produção mundial 32.600 25.600 29.900 32.800 34.000 38.700 44.500 60.400 62.900 62.900 62.900 63.000

Pequenas minas de nióbio foram encontradas nas minas de Kanyika no Malawi.

Ocorrência[editar | editar código-fonte]

Placa de Nióbio.

O elemento nunca foi encontrado livre na natureza. É encontrado em minerais tais como niobita (columbita) (Fe, Mn)(Nb, Ta)2O6, niobita-tantalita [(Fe, Mn)(Ta, Nb)2O6], pirocloro (NaCaNb2O6F ), e euxenita [(Y, Ca, Ce, U, Th) (Nb, Ta, Ti)2O6]. Minerais que contêm nióbio geralmente contêm também o tântalo.

Grandes depósitos de nióbio foram encontrados associados a rochas de carbonosilicatos, e como constituinte do pirocloro.

O Brasil detém entre 99,4%[46] e 98% das reservas mundiais exploráveis de nióbio no mundo, e mais de 90% do total do minério presente no planeta Terra.[47] [48] As jazidas estão presentes em 3 cidades brasileiras: 61% proveniente de Araxá (MG), 21% das reservas em Catalão (GO) e outros 12% em São Gabriel da Cachoeira (AM).[49]

Outra reserva importante de minerais de nióbio é do Canadá.[50]

Isótopos[editar | editar código-fonte]

O nióbio apresenta um único isótopo estável: Nb-93. Os radioisótopos mais estáveis são o Nb-92 com meia-vida de 34,7 milhões de anos, Nb-94 ( meia-vida de 20300 anos ) e o Nb-91 com meia-vida de 680 anos. Existe também um metaestável ( 0,031 mega elétron-volts ) com meia-vida de 16,13 anos

Outros vinte e três radioisótopos foram caraterizados. A maioria com meias-vida abaixo de duas horas, exceto o Nb-95 ( 35 dias ), o Nb-96 ( 23,4 horas ) e o Nb-90 ( 14,6 horas ).

O modo preliminar de decaimento dos isótopos com massas abaixo do isótopo estável Nb-93 é do tipo captura eletrônica e após este através de emissão beta , com casos de emissão de nêutrons como ocorre com os radioisótopos Nb-104, 109 e 110.

Precauções[editar | editar código-fonte]

Compostos que contêm nióbio raramente são encontrados pelas pessoas. Porém, em sua maioria, são altamente tóxicos. O pó metálico deste elemento irrita os olhos e a pele, e pode apresentar riscos de entrar em combustão.

Para o nióbio não se conhece nenhum papel biológico.

Referências

  1. Infoescola
  2. 'Monopólio' brasileiro do nióbio gera cobiça mundial, controvérsia e mitos
  3. Inovação Tecnológica
  4. CODEMIG
  5. Erro de citação: Tag <ref> inválida; não foi fornecido texto para as refs chamadas Nowak
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Bibliografia[editar | editar código-fonte]

Ligações externas[editar | editar código-fonte]

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