Niobium (Nb): qu'est-ce que c'est, à quoi ça sert et où le trouve-t-on

Le niobium (Nb) est l'élément chimique de numéro atomique 41 appartenant au groupe 5 du tableau périodique.

C'est un métal de transition naturellement disponible à l'état solide, qui a été découvert en 1801 par le chimiste britannique Charles Hatchett.

Les minéraux qui contiennent du niobium sont rares dans le monde, mais abondants au Brésil, le pays qui possède les plus grandes réserves de ce métal.

En raison de ses propriétés, de sa conductivité élevée et de sa résistance à la corrosion, cet élément a de nombreuses applications allant de la production d'acier à la fabrication de fusées.

Ensuite, nous présenterons cet élément chimique et les caractéristiques qui le rendent si important.

Niobium

Qu'est-ce que le niobium ?

Le niobium est un métal réfractaire, c'est-à-dire qu'il est très résistant à la chaleur et à l'usure.

Les métaux de cette classe sont: le niobium, le tungstène, le molybdène, le tantale et le rhénium, le niobium étant le plus léger de tous.

Le niobium est présent dans la nature dans les minéraux, généralement lié à d'autres éléments, principalement le tantale, car les deux ont des propriétés physico-chimiques très similaires.

Cet élément chimique est classé comme métal de transition dans le tableau périodique. Il est brillant, de faible dureté, avec une faible résistance au passage du courant électrique et résistant à la corrosion.

Propriétés physiques du niobium

état physique Solide à température ambiante
couleur et aspect gris métallisé
Densité 8.570 g/cm3
Point de fusion 2468°C
Point d'ébullition 4742 °C
Structure cristalline Cubique centré sur le corps - CCC

conductivité thermique

54,2 W·m-1 K-1

Propriétés chimiques du niobium

Classification métal de transition
numéro atomique 41
Bloquer
Grouper 5
Cours du temps 5
poids atomique 92 90638 u
rayon atomique 1,429 Å
ions communs

Nb5+ et Nb3+

électronégativité 1.6 Pauling

Le principal avantage de l'utilisation de ce métal est que seule une quantité, en grammes, de cet élément peut modifier une tonne de fer, rendant le métal plus léger, résistant à la corrosion et plus efficace.

Où trouve-t-on le niobium ?

Comparé à d'autres substances présentes dans la nature, le niobium a une faible concentration, dans la proportion de 24 parties par million.

Ce métal est présent dans les pays suivants: Brésil, Canada, Australie, Egypte, République Démocratique du Congo, Groenland, Russie, Finlande, Gabon et Tanzanie.

Niobium au Brésil

Dans les années 1950, le plus grand gisement de minerai de pyrochlore, contenant ce métal, a été découvert au Brésil par la géologue brésilienne Djalma Guimarães.

La grande quantité de minerais contenant du niobium se trouve au Brésil, le plus grand producteur mondial, qui détient plus de 90 % des réserves du métal.

Les réserves explorées sont situées dans les États de Minas Gerais, Amazonas, Goiás et Rondônia.

minerais de niobium

Le niobium se trouve dans la nature toujours lié à d'autres éléments chimiques. Plus de 90 espèces minérales contenant du niobium et du tantale dans la nature sont déjà connues.

Dans le tableau ci-dessous, nous pouvons voir certains des minerais qui contiennent du niobium, les principales caractéristiques et la teneur en niobium disponible dans chaque matériau.

tantalite de colombite
tantalite de colombite
Composition: (Fe, Mn)(Nb, Ta)2O6
Teneur en niobium (maximum) : 76% du Nb2O5
Caractéristiques:
  • Minéral orthorhombique
  • Densité relative variable de 5,2 à 8,1 g/cm3
  • Il forme des structures similaires, dans lesquelles le tantale et le niobium se remplacent en toutes proportions.
Pyrochlorite
Pyrochlore
Composition: 2,Ici)2(Nb, Ti)(O, F)7
Teneur en niobium (maximum): 71% du Nb2O5
Caractéristiques:
  • Minéral isométrique d'habitude octaédrique
  • Densité relative de 4,5 g/cm3
  • Il a la variété bariopyrochlore, qui inclut l'élément baryum dans sa composition.
Loparite
Loparite
Composition: (C, Na, C)2(Ti, Nb)2O6
Teneur en niobium (maximum) : 20% du Nb2O5
Caractéristiques:
  • Minéral granuleux à cassant
  • Densité 4,77 g/cm3
  • Cristallise dans le système isométrique

exploration du niobium

Les minerais de niobium subissent des transformations jusqu'à la formation des produits qui seront commercialisés.

Les étapes du processus peuvent être résumées comme suit :

  1. Exploitation minière
  2. Concentration de niobium
  3. Raffinage du niobium
  4. Produits au niobium

L'exploitation a lieu là où se trouvent les réserves de minerai, qui sont extraites à l'aide d'explosifs et transportées par tapis jusqu'à l'étape de concentration.

La concentration se produit avec la décomposition du minerai, le broyage rend les cristaux de minerai beaucoup plus fins et en utilisant le séparation magnétique les fractions de fer sont extraites du minerai.

Dans le raffinage du niobium, il y a l'élimination du soufre, de l'eau, du phosphore et du plomb.

L'un des produits contenant du niobium est l'alliage fer-niobium, qui est produit selon l'équation suivante :

3 Nb avec 2 indice droit O avec 5 indice espace plus espace Fe avec 2 indice droit O avec 3 indice espace plus espace 12 espace Al espace flèche droite espace 6 espace Nb espace plus espace 2 espace F espace plus espace 6 espace Al avec 2 indice droit O avec 3 souscrit

Ce processus est appelé aluminothermie dans lequel le concentré de minerai est mélangé dans des réacteurs avec de la ferraille ou de l'oxyde de fer.

Les oxydes métalliques réagissent avec l'aluminium à haute température, générant le produit d'intérêt.

Les produits de niobium les plus commercialisés sont :

  • Concentrés de niobium: une base qui contient 58 % de Nb2O5.
  • Alliage fer-niobium: contient 65% de niobium.
  • Oxyde de haute pureté: utilisé dans la production de matériaux spéciaux.

A quoi sert le niobium ?

Les caractéristiques du niobium rendent cet élément de plus en plus désirable et avec d'innombrables applications.

Depuis sa découverte en 1905, les applications du niobium ont commencé à être étudiées, lorsque le chimiste allemand Werner von Bolton a produit l'élément sous forme pure.

Les années 50 représentent une grande recherche d'applications pour le niobium, car jusqu'alors il n'était pas produit à grande échelle.

Durant cette période, la guerre froide a suscité l'intérêt pour ce métal destiné à être utilisé dans des composants aérospatiaux.

Voici une liste des façons dont le niobium est utilisé.

Les alliages de métaux

alliage

L'ajout de niobium à un alliage augmente sa trempabilité, c'est-à-dire sa capacité à durcir lorsqu'il est exposé à la chaleur puis refroidi. Ainsi, le matériau contenant du niobium peut être soumis à des traitements thermiques spécifiques.

L'affinité du niobium avec le carbone et l'azote favorise les propriétés mécaniques de l'alliage, augmentant, par exemple, la résistance mécanique et la résistance à l'usure abrasive.

Ces effets sont bénéfiques car ils peuvent étendre les applications industrielles d'un alliage.

L'acier, par exemple, est un alliage métallique formé de fer et de carbone. L'ajout de niobium à cet alliage peut avoir des avantages pour :

  • Industrie automobile: production d'une voiture plus légère et plus résistante aux collisions.
  • Construction: améliore la soudabilité de l'acier et assure la malléabilité.
  • Industrie des pipelines de transport: Permet des constructions avec des parois plus minces et des diamètres plus importants, sans affecter la sécurité.

super alliages

Turbine d'avion

Le superalliage est un alliage métallique à haute résistance aux hautes températures et résistance mécanique. Les alliages contenant du niobium rendent ce matériau utile dans la fabrication de turbines d'avion ou la production d'énergie.

L'avantage de fonctionner à haute température fait que les superalliages composent les moteurs à réaction haute performance.

aimants supraconducteurs

super aimant

La supraconductivité du niobium fait que les composés niobium-germanium, niobium-scandium et niobium-titane sont utilisés dans :

  • Scanner des appareils d'IRM.
  • Accélérateurs de particules tels que le Large Hadron Collider.
  • Détection du rayonnement électromagnétique et étude du rayonnement cosmique par des matériaux contenant du nitrite de niobium.

Oxydes

D'autres applications pour le niobium sont sous forme d'oxydes, principalement Nb2O5. Les principales utilisations sont :

  • lentilles optiques
  • Condensateurs en céramique
  • Capteurs de pH
  • pièces de moteur
  • Bijoux

Histoire et découverte du niobium

En 1734, des minerais appartenant à une collection personnelle de John Winthrop ont été transportés d'Amérique en Angleterre et ces objets faisaient partie de la collection du British Museum de Londres.

En rejoignant la Royal Society, le chimiste britannique Charles Hatchett s'est concentré sur l'étude de la composition des minerais disponibles au musée. C'est ainsi qu'en 1801, il isola un élément chimique, sous forme d'oxyde, et le nomma colombium et le minerai dont il était extrait colombite.

En 1802, le chimiste suédois Anders Gustaf Ekeberg rapporta la découverte d'un nouvel élément chimique et le nomma tantale, en référence au fils de Zeus dans la mythologie grecque.

En 1809, le chimiste et physicien anglais William Hyde Wollaston a analysé ces deux éléments et a observé qu'ils avaient des caractéristiques très similaires.

De ce fait, de 1809 à 1846, le colombium et le tantale étaient considérés comme le même élément.

Plus tard, le minéralogiste et chimiste allemand Heinrich Rose, enquêtant sur le minerai de colombite, a noté que le tantale était également présent.

Rose a trouvé la présence d'un autre élément, similaire au tantale et l'a appelé Niobius, en référence à Niobe, fille de Tantale, de la mythologie grecque.

En 1864, le Suédois Christian Bromstrand réussit à isoler le niobium d'un échantillon de chlorure chauffé dans une atmosphère d'hydrogène.

En 1950, l'Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) a approuvé le niobium comme nom officiel, plutôt que le colombium, car il s'agissait du même élément chimique.

Résumé du niobium

Élément chimique: Niobium

symbole Nb Découvreur Charles Hatchett
numéro atomique 41 masse atomique 92 906 unités
Grouper 5 Cours du temps 5
Classification métal de transition Diffusion électronique [Kr]4d35s2
Caractéristiques
  • métal réfractaire
  • Solide, ductile et malléable
  • haute conductivité
  • Résistant à la corrosion
Minerais principaux
  • Colombite-tantalite: 76% de teneur en Nb2O5
  • Pyrochlorite: 71 % de teneur en Nb2O5
  • Loparite: 20 % de teneur en Nb2O5
Principaux produits
  • Concentré de niobium
  • Alliage fer-niobium
  • Oxyde de niobium de haute pureté
applications
  • Alliages métalliques: construction civile et transport
  • Superalliages: aéronefs et turbines-fusées
  • Aimants supraconducteurs: machines à résonance magnétique
  • Oxydes: bijoux de différentes couleurs
Occurrence Dans le monde
  • Brésil
  • Canada
  • Australie
  • Egypte
  • République Démocratique du Congo
  • Groenland
  • Russie
  • Finlande
  • Gabon
  • Tanzanie.
Au Brésil
  • minas Gerais
  • Amazones
  • Goiás
  • Rondônia

Exercices d'Enem et examens d'entrée

1. (Enem/2018) Dans la mythologie grecque, Niobia était la fille de Tantale, deux personnages connus pour leur souffrance. L'élément chimique de numéro atomique (Z) égal à 41 a des propriétés chimiques et physiques si similaires à l'élément de numéro atomique 73 qu'elles ont été confondues.

Ainsi, en l'honneur de ces deux personnages de la mythologie grecque, ces éléments ont reçu les noms de niobium (Z = 41) et de tantale (Z = 73). Ces deux éléments chimiques ont acquis une grande importance économique en métallurgie, dans la production de supraconducteurs et dans d'autres applications industrielles haut de gamme, précisément en raison des propriétés chimiques et physiques commun aux deux.

KEAN, S. La cuillère qui disparaît: et d'autres histoires vraies de folie, d'amour et de mort à cause d'éléments chimiques. Rio de Janeiro: Zahar, 2011 (adapté).

L'importance économique et technologique de ces éléments, en raison de la similitude de leurs propriétés chimiques et physiques, est due à

a) ont des électrons dans le sous-niveau f.
b) étant des éléments de transition interne.
c) appartiennent au même groupe du tableau périodique.
d) ont leurs électrons les plus externes aux niveaux 4 et 5, respectivement.
e) être situé dans la famille des alcalino-terreux et alcalins, respectivement.

Alternative correcte: c) appartenir au même groupe sur le tableau périodique.

Le tableau périodique est organisé en 18 groupes (familles), où chaque groupe rassemble des éléments chimiques ayant des propriétés similaires.

Ces similitudes se produisent parce que les éléments d'un groupe ont le même nombre d'électrons dans la couche de valence.

En faisant la distribution électronique et en ajoutant les électrons du sous-niveau le plus énergétique au sous-niveau le plus externe, nous trouvons le groupe auquel appartiennent les deux éléments.

Niobium

Distribution

électronique

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p65s2 4d3

somme de

électrons

plus énergique + plus externe

4d3 + 5s2 = 5 électrons

Grouper 5
Tantale

Distribution

électronique

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p66s2 4f145j3

somme de

électrons

plus énergique + plus externe

5j3 + 6s2 = 5 électrons

Grouper 5

Les éléments niobium et tantale :

  • Ils appartiennent au même groupe sur le tableau périodique.
  • Ils ont leurs électrons les plus externes aux niveaux 5 et 6, respectivement, et sont donc situés dans les 5e et 6e périodes.
  • Ils ont des électrons dans le sous-niveau d et, par conséquent, ce sont des éléments de transition à l'extérieur.

2. (IFPE/2018) Le Brésil est le premier producteur mondial de niobium, représentant plus de 90 % des réserves de ce métal. Le niobium, symbole Nb, est utilisé dans la production d'aciers spéciaux et est l'un des métaux les plus résistants à la corrosion et aux températures extrêmes. Le composé Nb2O5 c'est le précurseur de presque tous les alliages et composés de niobium. Cochez l'alternative avec la masse requise de Nb2O5 pour obtenir 465 grammes de niobium. Soit: Nb = 93 g/mol et O = 16 g/mol.

a) 275 g
b) 330g
c) 930 g
d) 465 grammes
e) 665 grammes

Alternative correcte: e) 665 g

Le composé précurseur du niobium est l'oxyde de Nb2O5 et le niobium utilisé dans les alliages est sous la forme élémentaire Nb.

Nb avec 2 indice droit O avec 5 indice espace flèche droite espace 2 espace Nb espace plus d'espace début en ligne style 5 sur 2 espace fin du style droit O avec 2 indice

On a donc la relation stoechiométrique suivante :

1 mole de Nb2O5 génère 2 moles de Nb, car l'oxyde de niobium est formé par 2 atomes de ce métal.

1ère étape: calculer le nombre de moles de niobium produites qui correspond à 465 g.

numérateur 1 espace mol Nb espace sur dénominateur droit X espace mol Nb espace fin de fraction égale au numérateur 93 espace droit g à propos du dénominateur 465 espace droit g fin de fraction droite espace X mol espace Nb espace égal au numérateur 1 espace mol Nb espace espace. espace 465 ligne droite de l'espace horizontal g sur le dénominateur 93 ligne droite de l'espace horizontal g extrémité de la fraction droite X espace égal à l'espace 5 mols espace

Si par le calcul on a vu que la masse de niobium correspond à 5 moles, alors le nombre de moles de Nb2O5 utilisé est la moitié de cette valeur, car :

numérateur 1 espace mol Nb espace espace avec 2 indice droit O avec 5 indice sur dénominateur droit Y espace mol Nb espace espace avec 2 droite O indice avec 5 indice fin de fraction égale à l'espace numérateur 2 mols espace Nb espace espace sur dénominateur 5 mols espace Nb espace espace fin de fraction droite Y mol espace espace Nb espace avec 2 indices droits O avec 5 indices espace égal au numérateur espace 1 mol espace Nb espace espace avec 2 indices droits O avec 5 indice espace. espace 5 moles espace Nb espace espace au-dessus du dénominateur 2 moles espace Nb espace espace fin de fraction droit Y espace égal à l'espace 2 virgule 5 mols espace Nb espace espace avec 2 indice droit O avec 5 souscrit

2ème étape: calculer la masse molaire de l'oxyde de niobium.

Nb espace deux points espace espace espace 2 espace. espace 93 espace droit g divisé par mol espace égal à l'espace 186 espace droit g divisé par mole droit espace espace espace deux points espace espace espace 5 espace. espace 16 espace droit g divisé par mol espace égal à espace espace 80 espace droit g divisé par mol MM avec Nb avec 2 indice droit O avec 5 indice indice fin de l'espace indice égal à l'espace 186 espace droit g divisé par l'espace mol plus l'espace 80 espace droit g divisé par mol MM avec Nb avec 2 indice droit O avec 5 indice fin de l'indice espace égal à l'espace 266 espace droit g divisé par mole

3ème étape: calculer la masse d'oxyde de niobium qui correspond à 2,5 mol.

numérateur 1 espace mol espace droit N avec 2 indice droit O avec 5 indice sur le dénominateur 2 virgule 5 espace mol espace droit N avec 2 indice droit O avec 5 indice fin de fraction égale à l'espace du numérateur 266 grammes d'espace sur le dénominateur droit m extrémité de la fraction droite m espace égal à l'espace du numérateur 266 grammes d'espace espace. espace 2 virgule 5 barré horizontal espace sur mols espace droit espace N avec 2 indice droit O avec 5 indice fin barré sur dénominateur 1 espace barré horizontal sur l'espace mol de l'espace rectiligne N avec 2 indice rectiligne O avec 5 indice fin barré fin de fraction rectiligne m espace égal à l'espace 655 espace grammes

3. (UECE/2015) Le Brésil détient 98% des réserves mondiales de niobium, qui a de nombreuses applications industrielles, telles que la fabrication de bijoux, implants hyperallergéniques, électrocéramiques, aimants supraconducteurs, machines à résonance magnétique, alliages métalliques, pièces de monnaie spéciales et dans la production de acier. Pour le niobium, revoyez les énoncés ci-dessous et cochez la seule vraie alternative.

a) Son électron différentiel est situé dans l'avant-dernière couche.
b) C'est un élément représentatif.
c) Son électronégativité est inférieure à celle du vanadium.
d) Il appartient à la quatrième période du tableau périodique.

Alternative correcte: a) Son électron différentiel est situé dans l'avant-dernière couche.

En effectuant la distribution électronique du niobium, il est possible de voir que son électron différentiel se situe dans l'avant-dernière couche.

Erreur lors de la conversion de MathML en texte accessible.

Parce qu'il a l'électron différentiel dans le sous-niveau d, c'est un élément de transition externe.

Comme son niveau le plus externe se trouve dans la cinquième couche, le niobium est situé dans la cinquième période du tableau.

L'électronégativité est la propriété liée à la capacité de l'élément à attirer les électrons et elle varie en fonction de la rayon atomique: plus le rayon atomique est petit, plus l'attraction pour les électrons est grande et, par conséquent, plus le électronégativité.

En consultant le tableau avec les valeurs d'électronégativité, il est possible de voir que le niobium et le vanadium ont des valeurs proches de 1,6 Pauling.

4. (UEA/2014) L'isotope naturel du niobium est le 93Nb. Le nombre de neutrons dans cet isotope est

a) 41.
b) 52.
c) 93.
d) 134.
e) 144.

Alternative correcte: b) 52.

Les isotopes sont des atomes d'un élément chimique avec des nombres de masse différents.

La masse atomique correspond à la somme des protons et des neutrons d'un élément.

Le nombre de protons représente le numéro atomique de l'élément chimique et pour les isotopes, il ne change pas.

Ainsi, la variation de masse des isotopes se produit en raison du nombre différent de neutrons.

Si le numéro atomique du niobium est 41, alors le nombre de neutrons est donné par le calcul :

Masse avec Nb indice espace espace égal à Nombre espace espace protons espace plus espace Nombre espace espace espace neutrons espace espace espace espace espace espace espace espace espace espace espace espace 93 espace équivaut à 41 espace plus espace Nombre espace de espace neutrons espace nombre espace neutrons espace est égal à 93 espace moins espace 41 espace nombre neutrons espace espace est égal espace 52.

5. (IFMG/2015) L'élément chimique niobium, Nb, est nommé d'après la déesse grecque Niobe. Le Brésil est le plus grand producteur mondial de métal, représentant 75 % de la production. En raison de la stabilité thermique de ses alliages, le niobium est utilisé dans la production d'alliages d'acier spéciaux à haute résistance pour les moteurs, les équipements de propulsion et divers matériaux supraconducteurs. En observant la position du niobium sur le tableau périodique, il est correct d'affirmer que :

a) votre sous-niveau le plus énergétique sera le sous-niveau d.
b) est un élément appartenant à la famille des métaux alcalins.
c) forme des composés ioniques avec d'autres métaux.
d) ses cations auront un rayon atomique supérieur à l'élément pur.

Alternative correcte: a) votre sous-niveau le plus énergétique sera le sous-niveau d.

En regardant le tableau périodique, nous pouvons voir que le niobium est caractérisé comme un élément de transition externe, qui appartient au groupe 5 du tableau périodique, car son sous-niveau le plus énergétique est d.

Nous pouvons également obtenir ces informations en les diffusant par voie électronique.

Erreur lors de la conversion de MathML en texte accessible.

Comme il s'agit d'un métal, cet élément établit des connexions métalliques avec d'autres métaux, comme dans l'alliage liaisons fer-niobium ou encore covalentes, en partageant des électrons, comme dans l'oxyde de niobium Nb2O5.

6. (UFSC/2003) Le niobium a été découvert en 1801, par le chimiste anglais Charles Hatchett. Le Brésil détient environ 93 % de la production mondiale de concentré de niobium. Les gisements les plus importants sont situés dans les États de Minas Gerais, Goiás et Amazonas. Le métal est principalement utilisé dans la fabrication d'alliages fer-niobium et d'autres alliages plus complexes, qui ont été appliqués dans la construction de turbines à réaction, de fusées et d'engins spatiaux. Ses oxydes sont utilisés dans la fabrication de lentilles lumineuses pour lunettes, appareils photo et autres équipements optiques. Donné (Z = 41). Concernant le niobium, cochez la ou les propositions CORRECTES.

(01) Le niobium, en perdant 3 électrons, prend la configuration du krypton.
(02) Le niobium peut former des oxydes métalliques de type M2O5 dans2O3.
(04) Le symbole chimique du niobium est Ni.
(08) Le niobium est un métal de transition.
(16) Un alliage fer-niobium est un exemple de solution solide.

Alternatives correctes: 02 + 08 + 16 = 26.

(01) INCORRECT.

Éléments Diffusion électronique
36Kr 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6

41Nb

41Nb3+

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d3

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 4p6 4d2

(02) CORRECT

Compte tenu des nombres d'oxydation 3+ et 5+ pour le niobium, il peut former les composés :

Numéro d'oxydation 5+ Numéro d'oxydation 3+
Nb2O5 Nb2O3

(04) INCORRECT

Ni est le symbole de l'élément nickel. Le symbole du niobium est Nb.

(08) CORRECT

Le niobium est un métal de transition externe appartenant au groupe 5 du tableau périodique.

(16) CORRECT

Une solution solide correspond à un mélange de deux ou plusieurs composants dans la même phase, qui est solide, étant commune parmi les métaux.

7. (UERJ/2013) Le niobium est un métal présent dans les gisements naturels, principalement sous forme d'oxydes.
Dans un gisement contenant du niobium d'indice d'oxydation +5, la formule de l'oxyde majoritaire de ce métal correspond à :

a) NbO5
b) Nb5O
c) Nb5O2
d) Nb2O5

Alternative correcte: d) Nb2O5

L'oxygène crée deux liaisons et a un nombre d'oxydation fixe, qui est de 2.

Par conséquent, pour former de l'oxyde de niobium, l'oxygène doit se lier à 2 atomes de ce métal.

Le niobium a différents états d'oxydation. Avec le numéro d'oxydation 3+, il se lie à 3 oxygènes et avec le Nox 5+, il forme le composé: Nb2O5 dans laquelle 2 atomes de niobium se lient à 5 atomes d'oxygène.

oxyde de niobium

Lisez le texte pour répondre aux questions 8 à 10.

Le niobium est un métal de grande importance technologique et ses principales réserves mondiales se situent dans le
Brésil, sous forme de minerai de pyrochlore, constitué de Nb2O5. Dans l'un des procédés de sa métallurgie extractive, l'aluminothermie est utilisée en présence d'oxyde de Fe2O3, résultant en un alliage de niobium et d'oxyde de fer et d'aluminium comme sous-produit. La réaction de ce processus est représentée dans l'équation:

3 Nb avec 2 indice droit O avec 5 indice espace plus espace Fe avec 2 indice droit O avec 3 indice espace plus espace 12 espace Al espace flèche droite espace 6 espace Nb espace plus espace 2 espace F espace plus espace 6 espace Al avec 2 indice droit O avec 3 souscrit

Dans la nature, le niobium apparaît sous la forme de l'isotope stable niobium-93, mais plusieurs isotopes synthétiques instables sont connus, qui se désintègrent par émission de rayonnement. L'un d'eux est le niobium-95 qui se désintègre en l'élément molybdène-95.
(Systems.dnpm.gov.br; La technologie Métal. Mater. Mineur., São Paulo, v. 6, non. 4, p. 185-191, avr.-juin. 2010 et G. Audi et al./Physique nucléaire A 729 (2003) 3–128. Adapté)

8. (FGV/2019) Dans la réaction d'aluminothermie pour obtenir l'alliage de niobium et de fer, compte tenu de la stoechiométrie présentée dans l'équation équilibrée, le nombre total d'électrons impliqués dans le processus est

a) 6.
b) 12.
c) 18.
d) 24.
e) 36.

Alternative correcte: e) 36.

La réaction redox se produit avec la perte et le gain d'électrons.

Lorsqu'un élément se réduit, il gagne des électrons et lorsqu'un élément est oxydé, il en perd.

Lorsqu'un élément se réduit, il s'agit d'un agent oxydant, alors que lorsqu'un élément s'oxyde, il s'agit d'un agent réducteur.

De cette façon, le nombre d'électrons perdus par un élément et cédés à un autre est égal.

3 Nb avec 2 indice avec 5 plus exposant fin de l'exposant droit O avec 5 indice avec 2 moins exposant fin de l'exposant plus espace Fe avec 2 indice avec 3 plus exposant fin d'exposant droit O avec 3 indice avec 2 moins exposant fin de l'exposant espace plus espace 12 espace Al à la puissance 0 espace flèche droite espace 6 espace Nb à la puissance 0 espace plus espace 2 espace Fe à la puissance 0 espace plus espace 6 espace Al avec 2 indice avec 3 plus exposant fin de l'exposant droit O avec 3 indice avec 2 moins exposant fin de enveloppe
Élément NOX Réaction électrons
Niobium

+5

3Nb2O5

0

6Nb

Réduction 3.2.5 = 30 et- gagne
Le fer

+3

Foi2O3

0

2Fe

Réduction 2.3 = 6 et- gagne
Aluminium

0

12Al

+3

6Al2O3

Oxydation 6.2.3 = 36 et- perdu

La charge d'aluminium sur le produit d'oxyde d'aluminium est de 3+, c'est-à-dire que chaque aluminium a perdu 3 électrons.

Mais dans les produits, nous avons 12 atomes d'aluminium, ce qui fait du nombre total d'électrons impliqués dans le processus :

12. 3 = 36 électrons.

9. (FGV/2019) Dans une opération aluminothermique pour la production de niobium et d'alliage de fer avec des quantités stoechiométriques de Nb2O5 et Fe2O3 et l'utilisation d'un excès d'aluminium métallique, 6,12 tonnes d'aluminium se sont formées.2O3. La somme des quantités, en moles, de niobium et de fer estimées à obtenir dans cette opération est

a) 6 × 104
b) 6 × 106
c) 8 × 103
d) 8 × 104
e) 8 × 106

Alternative correcte: d) 8 × 104.

1ère étape: calculer la masse molaire d'Al2O3

Al espace deux points espace espace espace 2 espace. espace 27 droit espace g divisé par mol espace égal à espace espace 54 droit espace g divisé par mol droit Espace espace espace deux points espace espace 3 espace. espace 16 espace droit g divisé par mol espace égal à espace 48 espace droit g divisé par mol MM avec Nb avec 2 indice droit O avec 5 indice indice fin de l'indice espace égal à l'espace 54 espace droit g divisé par l'espace mol plus l'espace 48 espace droit g divisé par mol MM avec Nb avec 2 indice droit O avec 5 indice fin de l'indice espace égal à l'espace 102 espace droit g divisé par mole

2ème étape: calculer le nombre de moles d'Al2O3

numérateur 1 espace mol espace Al espace avec 2 indice droit O avec 3 indice espace sur dénominateur droit x espace mol espace Al 2 droit espace O 2 fin de fraction égale au numérateur espace 102 droit espace g au-dessus du dénominateur 6 virgule 12 espace. espace 10 à la puissance 6 espace droit espace g fin de fraction espace droit x espace égal au numérateur espace 1 espace mol espace Al espace avec 2 indice droit O avec 3 indice espace. espace 6 virgule 12 espace. espace 10 à la puissance 6 espace horizontal barré sur la droite g extrémité de l'espace barré sur le dénominateur 102 espace horizontal droite g extrémité de la fraction droite x espace égal à l'espace 6 espace. espace 10 à la puissance 4 mol espace espace Al espace avec 2 indice droit O avec 3 indice

3ème étape: effectuer les relations stoechiométriques.

3 Nb avec 2 indice droit O avec 5 indice espace plus espace Fe avec 2 indice droit O avec 3 indice espace plus espace 12 espace Al espace flèche droite espace 6 espace Nb espace plus espace 2 espace F espace plus espace 6 espace Al avec 2 indice droit O avec 3 souscrit

Dans l'équation chimique, on voit qu'il y a la relation: 6 moles de niobium, 6 moles d'aluminium et 2 moles de fer.

Par le rapport des nombres de moles formées, on a :

6 espace Nb espace espace moins espace 2 espace Fe espace espace espace moins espace 6 espace Al avec 2 indice droit Le avec 3 indice 6,10 à la puissance 4 espace moins espace 2,10 à la puissance 4 espace moins espace 6,10 à la puissance de 4

Et la somme des quantités de niobium et de fer, en moles, est :

6,10 à la puissance 4 espace plus espace 2,10 à la puissance 4 espace égale à l'espace 8,10 à la puissance 4
10. (FGV/2019) La figure montre la courbe de désintégration radiative d'un échantillon de niobium-95, qui se désintègre en molybdène-95.
désintégration radioactive du niobium

Dans le processus de désintégration du radio-isotope du niobium-95, le temps nécessaire à l'activité de cet échantillon pour se désintégrer à 25 MBq et le nom de l'espèce émise sont

a) 140 jours et neutrons.
b) 140 jours et protons.
c) 120 jours et protons.
d) 120 jours et particules ß.
e) 140 jours et particules ß.

Alternative correcte: e) 140 jours et particules ß.

La demi-vie est le temps qu'il faut à un échantillon radioactif pour réduire de moitié son activité.

Dans le graphique, nous voyons que l'activité radioactive commence à 400 MBq, donc la demi-vie est le temps qu'il a fallu pour que l'activité se désintègre à 200 MBq, soit la moitié de la durée initiale.

Nous analysons dans le graphique que ce délai était de 35 jours.

Pour que l'activité baisse à nouveau de moitié, 35 jours supplémentaires se sont écoulés et l'activité est passée de 200 MBq à 100 MBq au bout de 35 jours supplémentaires, soit de 400 à 100 MBq 70 jours sont passés.

Pour que l'échantillon se désintègre jusqu'à 25 MBq, 4 temps de demi-vie étaient nécessaires.

400 sur 2 flèche droite avec début du style de ligne typographique 1 demi-fin du style exposant 200 sur 2 flèche droite avec début du style de ligne typographique 1 demi-fin du style en exposant 100 sur 2 flèche vers la droite avec début du style de ligne typographique 1 demi-fin du style en exposant numérateur style de début afficher 50 fin du style sur le dénominateur début du style afficher 2 fin du style fin de la fraction flèche droite avec début du style de ligne typographique 1 milieu fin du style exposant 25

Ce qui correspond à :

4 x 35 jours = 140 jours

Dans la décroissance radioactive, les émissions peuvent être alpha, bêta ou gamma.

Le rayonnement gamma est une onde électromagnétique.

L'émission alpha a une charge positive et diminue de 4 unités de masse et de 2 unités de numéro atomique de l'élément décomposé, le transformant en un autre élément.

L'émission bêta est un électron à grande vitesse qui augmente d'une unité le numéro atomique de l'élément décomposé, le transformant en un autre élément.

Le niobium-95 et le molybdène-95 ont la même masse, donc une émission bêta s'est produite car :

Nb avec 41 pré-indice avec 95 pré-indice espace flèche droite Mo espace avec 42 pré-indice avec 95 espace pré-exposant plus espace bêta simple avec moins 1 pré-indice fin du pré-indice avec 0 pré-indice
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