Structure
Il ne s’agit pas d’un diagramme de points sur des anneaux — mais d’un échantillon de Monte-Carlo de la véritable densité de probabilité |ψ|² pour chaque sous-couche occupée. Faites glisser pour faire pivoter. Le bleu et le violet indiquent les signes opposés de la fonction d’onde, ce qui rend la liaison possible.
Valeurs mesurées
Chaque barre indique où se situe niobium parmi les 118 éléments pour cette propriété.
Sources : masses atomiques standard de l’IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Les valeurs marquées ~ sont prédites plutôt que mesurées.
Taille, à l’échelle
Rayon de 146 pm — soit 0,146 nm ; il en faudrait donc environ 3,42 millions côte à côte pour couvrir un millimètre.
Plage thermique
Niobium est liquide dans une plage de 2267 K, de 2750 K à 5017 K.
Où il se trouve
Niobium se trouve dans la période 5, groupe 5. Tous les éléments du groupe 5 possèdent le même nombre d’électrons externes, ce qui explique qu’ils se comportent de manière si similaire.
Autres Métaux de transition
Tous les métaux de transitionL’histoire
Un métal supraconducteur qui transporte le courant dans chaque aimant d’IRM sur Terre.
L’histoire de la découverte du niobium est marquée par une rivalité scientifique, des enjeux politiques internationaux et d’âpres débats terminologiques qui ont duré plus de 100 ans. L’élément a en réalité été découvert deux fois par la même personne, et son nom est resté controversé jusque tard au 20e siècle.
En 1801, le chimiste britannique Charles Hatchett examinait un échantillon minéral de la collection du British Museum. Ce minéral sombre et dense avait été envoyé du Massachusetts en 1734 et était resté sans étude pendant 67 ans. Hatchett remarqua qu’il contenait un oxyde inconnu aux propriétés différentes de celles de tout élément connu.
Dans son laboratoire privé, Hatchett dissolut le minéral dans un acide et précipita un oxyde blanc. Il nomma le nouvel élément « columbium », d’après Columbia, nom poétique de l’Amérique, en hommage à l’origine du minéral. Pour cette découverte, la Royal Society lui décerna la prestigieuse médaille Copley en 1801.
Quarante-trois ans plus tard, le chimiste allemand Heinrich Rose fit une découverte surprenante en étudiant des minéraux de tantalite. Il constata que ce que les scientifiques pensaient être du tantale pur contenait en réalité un second élément très similaire. Rose comprit qu’il s’agissait du même élément que celui découvert par Hatchett des décennies auparavant.
Rose choisit de renommer l’élément « niobium », d’après Niobé, fille de Tantale dans la mythologie grecque — un choix approprié puisque l’élément était étroitement associé au tantale, nommé d’après Tantale. Cela déclencha un vif conflit international sur le nom :
La controverse sur le nom ne fut résolue qu’en 1949, lorsque l’Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC) adopta officiellement « niobium » comme nom standard. Toutefois, les métallurgistes américains continuèrent à utiliser « columbium » à des fins commerciales jusque dans les années 1960.
Le chimiste suisse Marignac apporta une contribution essentielle en 1866 en séparant avec succès le niobium et le tantale, prouvant qu’il s’agissait bien d’éléments distincts. Son travail minutieux impliqua une cristallisation fractionnée répétée de leurs sels fluorés complexes — un processus exigeant une patience et une habileté exceptionnelles.
Le premier niobium métallique pur ne fut produit qu’en 1925, lorsque le chimiste allemand Werner von Bolton utilisa un four à arc électrique pour réduire l’oxyde de niobium. Le métal obtenu n’était pur qu’à 99 %, mais il permit enfin aux scientifiques d’étudier les véritables propriétés du niobium après 124 ans de travail sur ses composés.
Applications
Le niobium est au cœur de la technologie aérospatiale moderne, permettant aux avions et aux engins spatiaux de résister à des conditions extrêmes. Dans les moteurs à réaction, les superalliages de niobium fonctionnent à des températures dépassant 1 000°C tout en conservant leur intégrité structurelle. Le Boeing 787 Dreamliner et l’Airbus A350 dépendent largement d’alliages de niobium et de titane pour leurs cellules légères, mais extrêmement robustes.
La NASA et SpaceX utilisent des tuyères à base de niobium dans les moteurs de fusée, car elles peuvent résister aux températures de 3 000°C produites pendant le lancement. Les moteurs principaux de la navette spatiale contenaient plus de 2 tonnes d’alliages de niobium, tandis que les fusées Falcon Heavy modernes utilisent des composants renforcés au niobium pour permettre leur réutilisation.
Les fils de niobium-titane (NbTi) et de niobium-étain (Nb3Sn) constituent la référence pour les aimants supraconducteurs. Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN contient 1 200 tonnes de câbles supraconducteurs en niobium, produisant des champs magnétiques 100 000 fois plus intenses que le champ magnétique terrestre.
Chaque appareil d’IRM repose sur des aimants supraconducteurs en niobium refroidis à -269°C avec de l’hélium liquide. Ces aimants produisent les champs magnétiques précis nécessaires à l’imagerie du corps humain, rendant possibles des diagnostics qui sauvent des vies. Un seul appareil d’IRM contient environ 1 700 mètres de fil de niobium.
Les aciers faiblement alliés à haute résistance (HSLA) contenant du niobium sont utilisés dans des infrastructures essentielles partout dans le monde. La rénovation du Sydney Harbour Bridge a utilisé de l’acier au niobium afin de réduire le poids tout en augmentant la résistance. Des gratte-ciel modernes comme le Burj Khalifa intègrent des poutres en acier enrichi au niobium, 30 % plus résistantes que l’acier conventionnel.
Les oléoducs et gazoducs transcontinentaux utilisent des tubes en acier au niobium qui résistent à la corrosion et aux fissures sous une pression extrême. Le Trans-Alaska Pipeline System contient plus de 1 000 tonnes d’acier au niobium et fonctionne de manière fiable à des températures allant de -40°C à +80°C.
Les voitures de course de Formule 1 utilisent des systèmes d’échappement en niobium qui résistent à des températures de 1 000°C tout en pesant 40 % de moins que les solutions en acier. Des constructeurs de voitures de luxe comme Ferrari et McLaren intègrent des composants en niobium dans leurs moteurs hautes performances afin d’optimiser le rapport puissance-poids.
Bien qu’invisible pour les consommateurs, le niobium est présent dans d’innombrables objets courants. Les panneaux de carrosserie de votre voiture, les appareils électroménagers et même l’armature en acier de votre smartphone contiennent probablement du niobium. L’ajout de seulement 0,03 % de niobium à l’acier augmente sa résistance jusqu’à 30 %, ce qui permet aux fabricants d’utiliser moins de matériau tout en améliorant les performances.
La propriété unique du niobium, qui développe des couleurs éclatantes par anodisation, le rend populaire auprès des créateurs de bijoux. Contrairement à de nombreux métaux, le niobium est totalement hypoallergénique, ce qui le rend idéal pour les personnes ayant la peau sensible ou des allergies aux métaux.
Plusieurs pays émettent des pièces commémoratives en niobium aux propriétés chromatiques variables. Les pièces autrichiennes en niobium sont particulièrement célèbres : le centre métallique passe de l’argenté au bleu, au vert ou à l’or selon l’angle de vue. Ces pièces atteignent des prix élevés auprès des collectionneurs du monde entier.
Les laboratoires de recherche utilisent des creusets et des récipients en niobium pour les expériences à haute température. La résistance du niobium à la plupart des acides et son point de fusion élevé (2 477°C) le rendent central à la recherche en science des matériaux et à l’analyse chimique.
D’où il vient
20 mg/kg de la croûte terrestre · plus abondant que 73 % des éléments
Le niobium est étonnamment abondant dans la croûte terrestre : il se classe au 33e rang parmi tous les éléments, avec une concentration moyenne de 20 parties par million. Cependant, il se présente rarement sous forme de métal pur et forme plutôt des minéraux complexes nécessitant des techniques d’extraction sophistiquées.
Le Brésil domine la production mondiale de niobium et contrôle environ 85 % de l’approvisionnement mondial. La mine d’Araxá, dans l’État du Minas Gerais, est le plus grand gisement de niobium au monde : elle contient environ 460 millions de tonnes de minerai contenant du niobium. Cette seule mine pourrait répondre à la demande mondiale pendant plus de 500 ans aux taux de consommation actuels.
La majeure partie du niobium commercial provient du pyrochlore [(Na,Ca)2Nb2O6(OH,F)], un minéral complexe à base d’oxyde présent dans les formations de carbonatite. Ces structures géologiques se sont formées il y a 130 millions d’années, lorsque l’activité volcanique ancienne a créé des gisements riches en minéraux profondément enfouis.
Les sources secondaires comprennent les minéraux de columbite-tantalite, dans lesquels le niobium et le tantale se trouvent ensemble. Ces minéraux sont présents dans des formations de pegmatite au Canada, en Australie et dans certaines régions d’Afrique. La République démocratique du Congo en produit d’importantes quantités comme sous-produit de l’extraction du tantale.
Le niobium se forme par nucléosynthèse stellaire dans des étoiles massives, au cours de leurs derniers instants explosifs. Lorsque des étoiles huit fois plus massives que notre Soleil arrivent au terme de leur existence, elles créent du niobium par des processus de capture rapide de neutrons. Ce niobium cosmique voyage ensuite dans l’espace pendant des milliards d’années avant de s’intégrer à de nouveaux systèmes planétaires.
L’analyse de météorites ferreuses révèle des concentrations de niobium similaires à celles du noyau terrestre, ce qui suggère que le stock de niobium de notre planète a été apporté pendant la période des bombardements intenses, il y a 4,5 milliards d’années. Certaines météorites rares contiennent des états riches en niobium qui n’existent pas naturellement sur Terre.
Le recyclage constitue une source de niobium de plus en plus importante, notamment à partir des déchets de l’industrie aérospatiale et sidérurgique. Les techniques avancées de recyclage peuvent récupérer 95 % du niobium contenu dans les déchets de superalliages, réduisant ainsi la dépendance à l’exploitation minière tout en préservant cette ressource précieuse pour les générations futures.
Manipulation
Le niobium est considéré comme l’un des métaux les plus sûrs pour le contact humain et l’exposition environnementale. Contrairement à de nombreux métaux de transition, le niobium pur présente une remarquable biocompatibilité et comporte des risques sanitaires minimes dans des conditions normales.
Applications médicales : le niobium est tellement biocompatible qu’il est utilisé dans les implants médicaux, les électrodes de stimulateurs cardiaques et les instruments chirurgicaux. Le corps humain ne présente aucune réaction indésirable au niobium, ce qui le rend idéal pour une implantation à long terme.
Soudage et fabrication : lors du travail avec du niobium à haute température, assurer une ventilation suffisante afin d’éviter l’inhalation de fumées d’oxyde. Utiliser une protection oculaire appropriée, car le niobium peut produire des étincelles intenses pendant la découpe ou le soudage.
Impact environnemental minime : les composés du niobium présentent une faible toxicité pour la vie aquatique et ne s’accumulent pas dans les chaînes alimentaires. Cependant, les activités minières doivent respecter les protocoles environnementaux standards afin de réduire au minimum la perturbation des habitats.
Bien que le niobium lui-même présente peu de risques environnementaux, le recyclage des matériaux qui en contiennent réduit la pression exercée sur l’exploitation minière et préserve cette ressource précieuse. Les déchets des industries aérospatiale et sidérurgique doivent être correctement triés afin de récupérer le niobium.
Réponses rapides
Niobium (symbole Nb) est l’élément 41 du tableau périodique, un Métal de transition de la période 5, du groupe 5. Un métal supraconducteur qui transporte le courant dans chaque aimant d’IRM sur Terre. À température ambiante, c’est un solide.
[Kr] 4d⁴ 5s¹ ; elle comporte 5 couches occupées, avec la répartition 2, 8, 18, 12, 1.Niobium fond à 2750 K (2476.9 °C) et bout à 5017 K (4743.9 °C). Cela le classe parmi les éléments les plus réfractaires — il reste solide à des températures qui vaporisent la plupart des métaux.
La masse atomique standard de Niobium est de 92.906 u. Il s’agit d’une moyenne pondérée de ses isotopes présents naturellement, ce qui explique qu’elle soit rarement un nombre entier.
Niobium a une masse volumique de 8.57 g/cm³. L’eau a une masse volumique de 1.0 g/cm³ ; un bloc de Niobium est donc environ 8.6× plus lourd.
Niobium a une électronégativité de Pauling de 1.6. L’échelle va de 0.70 (le francium, le moins attiré par les électrons) à 3.98 (le fluor, le plus attiré). Les valeurs de cette plage intermédiaire tendent à former des liaisons covalentes plutôt que des liaisons fortement ioniques.
Niobium a été découvert en 1801 par Charles Hatchett. Il porte le nom de niobé, fille de Tantale.
Niobium constitue environ 20 mg/kg de la croûte terrestre — peu courant, mais pas rare.