Pentoxyde de niobium

Le pentoxyde de niobium est le composé minéral oxyde de niobium de formule Nb₂O₅.

Pentoxyde de niobium
Couche blanche fracturée en paillette de pentoxyde de niobium se détachant d'un fil métallique de niobium
Identification
Nom UICPA	Oxyde de niobium(V)
Synonymes	Pentoxyde de niobium Pentoxyde de diniobium Anhydride niobique
No CAS	1313-96-8
No ECHA	100.013.831
PubChem	123105
SMILES	O=[Nb](=O)O[Nb](=O)=O PubChem, vue 3D
Apparence	poudre cristalline, solide blanc
Propriétés chimiques
Formule	Nb2O5  [Isomères]Nb2O5
Masse molaire[1]	265,809 8 ± 0,001 5 g/mol Nb 69,9 %, O 30,1 %,
Propriétés physiques
T° fusion	1 512 °C
Solubilité	insoluble dans l'eau, soluble dans l'acide fluohydrique HF, les alcalis fondus
Masse volumique	4,6 g·cm-3 ou 4,47 g·cm-3
Précautions
SGH[2]
Danger H302, H332, H335, H341, H361d, H372 et H411 H302 : Nocif en cas d'ingestion H332 : Nocif par inhalation H335 : Peut irriter les voies respiratoires H341 : Susceptible d'induire des anomalies génétiques (indiquer la voie d'exposition s'il est formellement prouvé qu'aucune autre voie d'exposition ne conduit au même danger) H361d : Susceptible de nuire au fœtus. H372 : Risque avéré d'effets graves pour les organes (indiquer tous les organes affectés, s'ils sont connus) à la suite d'expositions répétées ou d'une exposition prolongée (indiquer la voie d'exposition s'il est formellement prouvé qu'aucune autre voie d'exposition ne conduit au même danger) H411 : Toxique pour les organismes aquatiques, entraîne des effets à long terme
Transport
- 2862 Numéro ONU : 2862 : PENTOXYDE DE VANADIUM sous forme non fondue
Classification du CIRC
Groupe 2B : Peut-être cancérogène pour l'homme[3]
Composés apparentés
Autres cations	Ta2O5
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.
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Propriétés physiques et chimiques

Ce corps Nb₂O₅ en principe de structure macromoléculaire est un solide incolore et inodore blanc, insoluble dans l'eau et ininflammable, très peu réactif, souvent sous forme de poudre. Cet oxyde amphotère stable, légèrement acide, constitue la fine couche d'oxydation du corps simple niobium, ce métal étant lentement oxydé dans l'air :

2 Nb _solide + 5/2 O_{2 gaz} → Nb₂O_{5 solide couvrant} avec ${\displaystyle \Delta Hformation=-463kcal/mol~}$

Il s'agit du principal composé de la chimie du niobium, au carrefour d'un grand nombre de produit, en particulier dans le champ des alliages et d'autres matériaux spécifiques englobant des condensateurs, le niobate de lithium, et les verres optiques^[4].

Structures cristallines

Structure cristalline monoclinique de B-Nb₂O₅ (niobium en gris, oxygène en rouge)

Il présente divers polymorphismes, dont la géométrie est fondée en grande partie sur la coordination octaédrique des atomes de niobium^[5],[6]. Les variétés polymorphes sont identifiées avec des préfixes spécifiques.

La variété la plus fréquente est monoclinique^[7] :

• En dessous de 750 °C, elle se nomme B-Nb₂O₅. L'ajustement des polyèdres de coordination correspond à une structure rutile de groupe d'espace B2/b avec, comme paramètres de maille, a = 1273 pm, b = 556 pm, c = 488 pm, γ = 105°05'. La structure est celle du pentoxyde d'antimoine, avec une couche écran d'oxygène à agencement presque hexagonal. L'indice de réfraction avoisine 2,3 pour des longueurs d'onde lumineuses de 500 nm^[8]. Le corps qui cristallise en petites tablettes, feuillets ou paillettes est transparent entre 350 et 7 000 nm^[9].
• Au-dessus de 750 °C, la forme la plus stable est H-Nb₂O₅^[10]. Le groupe de symétrie est P2 (n^o  3) avec, comme paramètres de maille, a = 2116 pm, b = 382,2 pm, c = 1935 pm, β = 119° 50' et Z (nombre d'unités par maille) = 14^[11]. Cette structure est complexe, avec une maille cristalline unitaire contenant donc 28 atomes de niobium et 70 oxygène, avec 27 atomes de niobium en position octaédrique et un dernier en position tétraédrique^[11].

Il est possible de préparer par hydrolyse, soit à partir d'une solution de pentachlorure de niobium, soit de Nb₂O₅ dissous dans HF, divers corps hydratés solides, Nb₂O₅. n H₂O, non caractérisés d'un point de vue de la structure, qui se nomme l'acide niobique (autrefois appelé acide columbique par Charles Hatchett)^[12].

Préparation et production

Nb₂O₅ est préparé par hydrolyse de niobates de métaux alcalins, mais aussi par l'action de corps basiques ou bases sur divers "alkoxides" et de fluorures de niobium. Ces procédés permettent d'obtenir facilement des oxydes hydratés, qui, après calcination, donne l'oxyde recherché.

D'autres voies de préparation

Étant donné que Nb₂O₅ est le composé et pivot fondamental de la chimie du niobium, il existe de multiples méthodes d'obtention, tantôt simple et pratique, tantôt sophistiquée ou complexes. L'oxydation du dioxyde de niobium NbO₂ dans l'air explique la variété polymorphe L-Nb₂O₅^[13]. Du Nb₂O₅ pratiquement pur, si on ôte l'oxychlorure résiduel, peut être préparé par hydrolyse de NbCl₅^[14]:

2 NbCl_{5 poudre solide} + 5 H₂O _{eau en excès} → Nb₂O_{5 précipité solide} + 10 HCl _aqueux

Une représentation de l'éthoxyde de niobium(V)

Une méthode originale de synthèse par voie sol-gel passe par l'hydrolyse déjà mentionnée de divers corps alkoxides de niobium, par exemple le pentaéthoxyde de niobium, en présence d'acide acétique, elle est suivie par la calcination des gels pour produire la forme polymorphe, T-Nb₂O₅^[15].

Des particules nanométriques de pentoxyde de niobium ont été synthétisées par réduction par LiH du pentachlorure de niobium NbCl₅, suivie d'une nécessaire oxydation par voie aérienne pour obtenir des microstructures de niobates.

Réactions

Nb₂O₅ est attaqué par HF, il est facilement soluble dans ce solvant. Il se dissout aussi à chaud dans les hydroxydes alcalins fondus^[16].

Réduction en corps simple métal Nb

La réduction du pentoxyde Nb₂O₅ est un passage obligé de la production industrielle de niobium métal. Dans les années 1980, environ 15 000 tonnes de Nb₂O₅ ont été employées annuellement pour l'obtention du métal^[17]. La méthode principale est la réduction par aluminothermie de cet oxyde, soit une réaction exothermique avec le corps simple aluminium:

3 Nb₂O₅ + 10 Al → 6 Nb + 5 Al₂O₃

Une autre voie connue, mais de moins en moins empruntée, passe par la réduction par le charbon, elle constitue la première de deux étapes du vieux procédé Balke^[18],[19] :

Nb₂O_{5 solide chauffé entre 800 et 900 °C} + 7 C _{solide pulvérulent} → 2 NbC _solide + 5 CO _gaz

5 NbC _{solide dur} + Nb₂O₅ → 7 Nb _métal + 5 CO _gaz (chauffé sous vide à 1800 °C)

Préparation d'halogénures de Nb

De multiples méthodes sont connues pour transformer Nb₂O₅ en halogénures. Mais il s'agit de réactions incomplètes qui laissent des oxyhalogénures.

Au laboratoire, la réaction peut être effectuée avec le chlorure de thionyle^[20]:

Nb₂O_{5 poudre solide blanche} + 5 SOCl_{2 liquide} → 2 NbCl_{5 poudre solide jaune} + 5 SO_{2 gaz}

Nb₂O₅ réagit avec CCl₄ pour donner l'oxychlorure de niobium NbOCl₃.

Formation de niobates

Le traitement de Nb₂O₅ avec de la soude caustique NaOH initialement aqueuse chauffée à 200 °C laisse le corps cristallin niobate de sodium, alors que la réaction avec KOH peut donner les ions hexaniobates solubles en milieu aqueux écrits selon la terminologie de Lindqvist, Nb₆O₁₉8-^[21]. Les niobates de lithium comme LiNbO₃ et Li₃NbO₄ peut être préparé par réaction du carbonate de lithium avec notre oxyde Nb₂O₅^[22].

Obtention d'oxydes de niobium à degrés d'oxydations plus faibles

À haute température la réduction du pentoxyde de Nb par le gaz hydrogène H₂ donne le corps noir NbO₂:

Nb₂O₅ + H₂ → 2 NbO₂ + H₂O

Le mono-oxide de Nb s'obtient à partir d'une réaction stœchiométrique à l'aide d'un four à arc^[23]:

Nb₂O₅ + 3Nb → 5 NbO

De couleur bordeaux ou brun marron, l'oxyde de niobium(III), l'un des premiers oxydes supraconducteurs connus, peut être préparé de nouveau par respect des mêmes proportions ou "comproportionation"^[24] :

Li₃NbO₄ + 2 NbO → 3 Li NbO₂

Utilisations

Le pentoxyde de niobium est utilisé massivement pour la production de niobium métal ou d'alliages, mais des applications spécialisées existent pour le niobate de lithium et pour des composés niobés destinés à fabriquer verres réfringents et filtres optiques.

Liens externes

• Base d'information sur le niobium et données de recherche
• Des films minces de Nb₂O₅ forment les couches diélectriques dans les condensateurs à électrolyte solide et ces couches spécifiques peuvent être déposées par électrolyse sur des corps à base de monoxyde de niobium frittés .Katsuhiro Yoshida, Noriko Kuge (NEC Corporation), Sintered bodies based on niobium suboxide, brevet US 6215652, 2001.