O nióbio (Nb) é o elemento químico de número atômico 41 pertencente ao grupo 5 da tabela periódica.
Trata-se de um metal de transição disponível na natureza no estado sólido, que foi descoberto em 1801 pelo químico britânico Charles Hatchett.
Os minerais que contêm nióbio são raros no mundo, mas abundantes no Brasil, país com maior reserva desse metal.
Devido as suas propriedades, alta condutividade e resistência a corrosão, esse elemento tem muitas aplicações que vão desde a produção do aço até a fabricação de foguetes.
A seguir apresentaremos esse elemento químico e as características que o fazem ser tão importante.
Nióbio é um metal refratário, ou seja, muito resistente ao calor e ao desgaste.
Os metais dessa classe são: nióbio, tungstênio, molibdênio, tântalo e rênio, sendo o nióbio o mais leve de todos.
O nióbio ocorre na natureza em minerais, geralmente ligado a outros elementos, principalmente ao Tântalo, pois os dois têm propriedades físico-químicas muito próximas.
Esse elemento químico é classificado como metal de transição na tabela periódica. É brilhante, de baixa dureza, com baixa resistência à passagem de corrente elétrica e resistente à corrosão.
VEJA TAMBÉM: Elementos Químicos| Estado físico | sólido a temperatura ambiente |
|---|---|
| Cor e aparência | cinzento metálico |
| Densidade | 8,570 g/cm3 |
| Ponto de fusão | 2468 ºC |
| Ponto de ebulição | 4742 ºC |
| Estrutura cristalina | Cúbica de Corpo Centrado - CCC |
| Condutividade térmica | 54,2 W m-1 K-1 |
| Classificação | Metal de transição | ||
|---|---|---|---|
| Número atômico | 41 | ||
| Bloco | d | ||
| Grupo | 5 | ||
| Período | 5 | ||
| Peso atômico | 92,90638 u | ||
| Raio atômico | 1,429 Å | ||
| Íons comuns | Nb5+ e Nb3+ | ||
| Eletronegatividade | 1,6 Pauling |
A principal vantagem de utilizar esse metal é que apenas uma quantidade, em gramas, desse elemento pode modificar uma tonelada de ferro, fazendo com que o metal se torne mais leve, resistente a corrosão e mais eficiente. VEJA TAMBÉM: Tabela Periódica
Ao comparar com as demais substâncias presentes na natureza, o nióbio tem baixa concentração, na proporção de 24 partes por milhão.
Esse metal é encontrado nos seguintes países: Brasil, Canadá, Austrália, Egito, República Democrática do Congo, Groenlândia, Rússia, Finlândia, Gabão e Tanzânia.
Na década de 50, a maior jazida do minério pirocloro, contendo esse metal, foi descoberta no Brasil pelo geólogo brasileiro Djalma Guimarães.
A grande quantidade de minérios que contém o nióbio está localizada no Brasil, maior produtor mundial, que detém mais de 90% das reservas do metal.
As reservas exploradas estão localizadas nos estados de Minas Gerais, Amazonas, Goiás e Rondônia.
O nióbio é encontrado na natureza sempre ligado a outros elementos químicos. Já se tem conhecimento de mais de 90 espécies minerais contendo nióbio e tântalo na natureza.
Na tabela abaixo, podemos observar alguns dos minérios que contêm nióbio, as principais características e o teor de nióbio disponível em cada material.
| columbita-tantalita | |
|---|---|
| Composição: | (Fe,Mn)(Nb,Ta)2O6 |
| Teor de nióbio (máximo): | 76% de Nb2O5 |
| Características: |
|
| Piroclorita | |
|---|---|
| Composição: | (Na2,Ca)2(Nb,Ti)(O,F)7 |
| Teor de nióbio (máximo): | 71% de Nb2O5 |
| Características: |
|
| Loparita | |
|---|---|
| Composição: | (Ce,Na,Ca)2(Ti,Nb)2O6 |
| Teor de nióbio (máximo): | 20% de Nb2O5 |
| Características: |
|
Os minérios de nióbio passam por transformações até que sejam formados os produtos que serão comercializados.
As etapas do processo podem ser resumidas em:
A mineração ocorre onde estão as reservas de minérios, que são extraídos com o uso de explosivos e transportados por correias para onde ocorre a etapa de concentração.
A concentração ocorre com a desagregação do minério, a moagem faz com que os cristais do minério se tornem bem mais finos e utilizando a separação magnética as frações de ferro são retiradas do minério.
No refino do nióbio ocorre a remoção de teores de enxofre, água, fósforo e chumbo.
Um dos produtos contendo o nióbio é a liga ferro-nióbio, que é produzida conforme a equação a seguir:
Esse processo é chamado de aluminotermia em que o concentrado do minério é misturado em reatores com sucata de ferro ou óxido de ferro.
Os óxidos metálicos reagem com o alumínio sob elevadas temperaturas, gerando o produto de interesse.
Os produtos mais comercializados de nióbio são:
As características do nióbio tornam esse elemento cada vez mais desejado e com inúmeras aplicações.
Desde a sua descoberta, a partir de 1905 que as aplicações para o nióbio começaram a ser investigadas, quando o químico alemão Werner von Bolton produziu o elemento na forma pura.
A década de 50 representou uma grande busca por aplicações do nióbio, pois até então ele não era produzido em grande escala.
Nesse período, a guerra fria fez despertar o interesse por esse metal para utilizá-lo em componentes aeroespaciais.
A seguir, apresentamos uma lista das formas como o nióbio é utilizado.
A adição de nióbio à uma liga aumenta a sua temperabilidade, ou seja, a capacidade de endurecer quando exposta ao calor e depois arrefecida. Com isso, o material que contém nióbio pode ser submetido a tratamentos térmicos específicos.
A afinidade do nióbio com carbono e nitrogênio favorece as propriedades mecânicas da liga, aumentando, por exemplo, a resistência mecânica e a resistência ao desgaste abrasivo.
Esses efeitos são benéficos pois podem ampliar as aplicações industriais de uma liga.
O aço, por exemplo, é uma liga metálica formada por ferro e carbono. A adição de nióbio a essa liga pode trazer vantagens para:
A superliga é uma liga metálica com alta resistência a elevadas temperaturas e resistência mecânica. Ligas contendo nióbio fazem com que esse material seja útil na fabricação de turbinas de aviões ou de produção de energia.
A vantagem de operar em elevadas temperaturas faz com que as superligas componham motores a jatos de alto desempenho.
A supercondutividade do nióbio faz com os compostos de nióbio-germânio, nióbio-escândio e nióbio-titânio sejam utilizados em:
Outras aplicações para o nióbio são na forma de óxidos, principalmente o Nb2O5. Os principais usos são:
Em 1734 alguns minérios pertencentes a uma coleção pessoal de John Winthrop foram levados da América para Inglaterra e esses artigos fizeram parte do acervo do Museu Britânico de Londres.
Ao ingressar na Royal Society, o químico britânico Charles Hatchett concentrou-se em investigar a composição dos minérios disponíveis no museu. Foi assim que em 1801 ele isolou um elemento químico, na forma de óxido, e atribui-lhe o nome de colúmbio e o minério de onde foi extraído de columbita.
Em 1802, o químico sueco Anders Gustaf Ekeberg comunicou a descoberta de um novo elemento químico e nomeou-o de tântalo, em referência ao filho de Zeus da mitologia grega.
Em 1809, o químico e físico inglês William Hyde Wollaston analisou esses dois elementos e observou que eles tinham características muito próximas.
Devido a esse fato, de 1809 a 1846, o colúmbio e o tântalo foram considerados o mesmo elemento.
Mais tarde, o mineralogista e químico alemão, Heinrich Rose ao investigar o minério columbita observou que o tântalo também estava presente.
Rose constatou a presença de outro elemento, semelhante ao tântalo e chamou-o de Nióbio, em referência a Niobe, filha de Tântalo, da mitologia grega.
Em 1864, o sueco Christian Bromstrand conseguiu isolar o nióbio de uma amostra de cloreto aquecido em atmosfera de hidrogênio.
Em 1950, a União de Química Pura e Aplicada (IUPAC) aprovou o nióbio como sendo o nome oficial, ao invés de colúmbio, pois se tratavam do mesmo elemento químico.
Elemento químico: Nióbio | |||
|---|---|---|---|
| Símbolo | Nb | Descobridor | Charles Hatchett |
| Número atômico | 41 | Massa atômica | 92.906 u |
| Grupo | 5 | Período | 5 |
| Classificação | Metal de transição | Distribuição eletrônica | [Kr]4d35s2 |
| Características |
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| Principais minérios |
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| Principais produtos |
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| Aplicações |
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| Ocorrência | No mundo |
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| No Brasil |
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1. (Enem/2018) Na mitologia grega, Nióbia era a filha de Tântalo, dois personagens conhecidos pelo sofrimento. O elemento químico de número atômico (Z) igual a 41 tem propriedades químicas e físicas tão parecidas com as do elemento de número atômico 73 que chegaram a ser confundidos.
Por isso, em homenagem a esses dois personagens da mitologia grega, foi conferido a esses elementos os nomes de nióbio (Z = 41) e tântalo (Z = 73). Esses dois elementos químicos adquiriram grande importância econômica na metalurgia, na produção de supercondutores e em outras aplicações na indústria de ponta, exatamente pelas propriedades químicas e físicas comuns aos dois.
KEAN, S. A colher que desaparece: e outras histórias reais de loucura, amor e morte a partir dos elementos químicos. Rio de Janeiro: Zahar, 2011 (adaptado).
A importância econômica e tecnológica desses elementos, pela similaridade de suas propriedades químicas e físicas, deve-se a
a) terem elétrons no subnível f. b) serem elementos de transição interna. c) pertencerem ao mesmo grupo na tabela periódica. d) terem seus elétrons mais externos nos níveis 4 e 5, respectivamente. e) estarem localizados na família dos alcalinos terrosos e alcalinos, respectivamente.
Ver RespostaAlternativa correta: c) pertencerem ao mesmo grupo na tabela periódica.
A tabela periódica está organizada em 18 grupos (famílias), onde cada grupo reúne os elementos químicos com propriedades semelhantes.
Essas semelhanças acontecem porque os elementos de um grupo possuem o mesmo número de elétrons na camada de valência.
Fazendo a distribuição eletrônica e somando os elétrons do subnível mais energético com o subnível mais externo encontramos o grupo ao qual os dois elementos pertencem.
| Nióbio | |
| Distribuição eletrônica | 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p65s2 4d3 |
| Soma dos elétrons | mais energético + mais externo 4d3 + 5s2 = 5 elétrons |
| Grupo | 5 |
| Tântalo | |
| Distribuição eletrônica | 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p66s2 4f145d3 |
| Soma dos elétrons | mais energético + mais externo 5d3 + 6s2 = 5 elétrons |
| Grupo | 5 |
Os elementos nióbio e tântalo:
2. (IFPE/2018) O Brasil é o maior produtor mundial de nióbio, respondendo por mais de 90% da reserva desse metal. O nióbio, de símbolo Nb, é empregado na produção de aços especiais e é um dos metais mais resistente à corrosão e a temperaturas extremas. O composto Nb2O5 é o precursor de quase todas as ligas e composto nióbio. Assinale a alternativa com a massa necessária de Nb2O5 para a obtenção de 465 gramas de nióbio. Dado: Nb = 93 g/mol e O = 16 g/mol.
a) 275 g b) 330 g c) 930 g d) 465 g e) 665 g
Ver RespostaAlternativa correta: e) 665 g
O composto precursor do nióbio é o óxido Nb2O5 e o nióbio utilizado nas ligas é na forma elementar Nb.
Sendo assim, temos a seguinte relação estequiométrica:
1 mol de Nb2O5 gera 2 mols de Nb, pois o óxido de nióbio é formado por 2 átomos desse metal.
1º passo: calcular número de mols de nióbio produzido que corresponde a 465 g.
Se pelo cálculo realizado vimos que a massa de nióbio corresponde a 5 mols, então a quantidade de mols de Nb2O5 utilizada é metade desse valor, pois:
2º passo: calcular a massa molar do óxido de nióbio.
3º passo: calcular a massa de óxido de nióbio que corresponde a 2,5 mols.
VEJA TAMBÉM: Cálculos estequiométricos3. (UECE/2015) O Brasil detém 98% das reservas mundiais de nióbio, que apresenta numerosas aplicações industriais como, por exemplo, em fabricação de joias, implantes hiperalergênicos, eletrocerâmicas, imãs supercondutores, máquinas de ressonância magnética, ligas metálicas, moedas especiais e na produção de aço. Sobre o nióbio, analise as afirmações abaixo e assinale a única alternativa verdadeira.
a) Seu elétron diferencial se localiza na penúltima camada. b) Trata-se de um elemento representativo. c) Sua eletronegatividade é inferior à do vanádio. d) Pertence ao quarto período da tabela periódica.
Ver RespostaAlternativa correta: a) Seu elétron diferencial se localiza na penúltima camada.
Ao realizar a distribuição eletrônica do nióbio é possível ver que seu elétron diferencial está localizado na penúltima camada.
Por ter o elétron diferencial no subnível d, trata-se de um elemento de transição externa.
Como seu nível mais externo é na quinta camada, o nióbio está localizado no quinto período da tabela.
A eletronegatividade é a propriedade relacionada a capacidade do elemento atrair elétrons e ela varia conforme o raio atômico: quanto menor o raio atômico maior a atração por elétrons e, sendo assim, maior a eletronegatividade.
Consultando a tabela de com os valores de eletronegatividade, é possível perceber que nióbio e vanádio possuem valores aproximados a 1,6 Pauling.
VEJA TAMBÉM: Eletronegatividade4. (UEA/2014) O isótopo natural do nióbio é o 93Nb. O número de nêutrons desse isótopo é
a) 41. b) 52. c) 93. d) 134. e) 144.
Ver RespostaAlternativa correta: b) 52.
Isótopos são átomos de um elemento químico com diferentes números de massa.
A massa atômica corresponde a soma dos prótons e nêutrons de um elemento.
O número de prótons representa o número atômico do elemento químico e para os isótopos ele não muda.
Sendo assim, a variação de massa dos isótopos ocorre devido ao diferente número de nêutrons.
Se o número atômico do nióbio é 41, então o número de nêutrons é dado pelo cálculo:
VEJA TAMBÉM: Isótopos, isóbaros e isótonos5. (IFMG/2015) O elemento químico nióbio, Nb, tem seu nome derivado da deusa grega Niobe. O Brasil é o maior produtor mundial do metal, sendo responsável por 75% da produção. Devido à estabilidade térmica de suas ligas, o nióbio é utilizado na produção de ligas de aço especiais de alta resistência para motores, equipamentos de propulsão e vários materiais supercondutores. Observando a posição do nióbio na tabela periódica, é correto afirmar que:
a) seu subnível mais energético será o subnível d. b) é um elemento pertencente à família dos metais alcalinos. c) forma compostos iônicos com outros metais. d) seus cátions terão raio atômico maior que o elemento puro.
Ver RespostaAlternativa correta: a) seu subnível mais energético será o subnível d.
Ao observar a tabela periódica podemos ver que o nióbio é caracterizado como um elemento de transição externa, que pertencente ao grupo 5 da tabela periódica, pois seu subnível mais energético é o d.
Podemos também obter essa informação fazendo a distribuição eletrônica.
Por se tratar de um metal, esse elemento realiza ligações metálicas com outros metais, como na liga ferro-nióbio ou também ligações covalentes, pelo compartilhamento de elétrons, como no óxido de nióbio Nb2O5.
VEJA TAMBÉM: Diagrama de Pauling6. (UFSC/2003) O nióbio foi descoberto em 1801, pelo químico inglês Charles Hatchett. O Brasil detém cerca de 93% da produção mundial de concentrado de nióbio. As maiores jazidas localizam-se nos estados de Minas Gerais, Goiás e Amazonas. O metal é utilizado sobretudo na fabricação de ligas ferro-nióbio e de outras ligas mais complexas, que têm sido aplicadas na construção de turbinas de propulsão a jato, foguetes e naves espaciais. Seus óxidos são utilizados na confecção de lentes leves para óculos, câmeras fotográficas e outros equipamentos ópticos. Dado (Z = 41). A respeito do nióbio, assinale a(s) proposição(ões) CORRETA(S).
(01) O nióbio, ao perder 3 elétrons, assume a configuração do criptônio. (02) O nióbio pode formar óxidos metálicos do tipo M2O5 e M2O3. (04) O símbolo químico do nióbio é Ni. (08) O nióbio é um metal de transição. (16) Uma liga ferro-nióbio é um exemplo de solução sólida.
Ver RespostaAlternativas corretas: 02 + 08 + 16 = 26.
(01) INCORRETA.
| Elementos | Distribuição eletrônica |
| 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) CORRETA
Considerando os números de oxidação 3+ e 5+ para o nióbio, ele pode formar os compostos:
| Número de oxidação 5+ | Número de oxidação 3+ |
| Nb2O5 | Nb2O3 |
(04) INCORRETA
Ni é o símbolo do elemento níquel. O símbolo do nióbio é Nb.
(08) CORRETA
O nióbio é um metal de transição externa pertencente ao grupo 5 da tabela periódica.
(16) CORRETA
Uma solução sólida corresponde a mistura de dois ou mais componentes em mesma fase, que é sólida, sendo comum entre metais.
VEJA TAMBÉM: Exercícios sobre distribuição eletrônica7. (UERJ/2013) O nióbio é um metal encontrado em jazidas naturais, principalmente na forma de óxidos. Em uma jazida que contenha nióbio com número de oxidação +5, a fórmula do óxido predominante desse metal corresponde a:
a) NbO5 b) Nb5O c) Nb5O2 d) Nb2O5
Ver RespostaAlternativa correta: d) Nb2O5
O oxigênio faz duas ligações e tem número de oxidação fixo, que é 2-.
Sendo assim, para formar o óxido de nióbio, o oxigênio precisa se ligar a 2 átomos desse metal.
O nióbio possui diferentes estados de oxidação.Com número de oxidação 3+ ele se liga à 3 oxigênios e com Nox 5+ forma o composto: Nb2O5 em que 2 átomos de nióbio fazem ligação com 5 átomos de oxigênio.
VEJA TAMBÉM: Número de oxidação (Nox)Leia o texto para responder às questões de números 8 a 10.
O nióbio é um metal de grande importância tecnológica e as suas principais reservas mundiais se localizam no Brasil, na forma do minério pirocloro, constituído de Nb2O5. Em um dos processos de sua metalurgia extrativa, emprega-se a aluminotermia na presença do óxido Fe2O3, resultando numa liga de nióbio e ferro e óxido de alumínio como subproduto. A reação desse processo é representada na equação:
Na natureza, o nióbio se apresenta na forma do isótopo estável nióbio-93, porém são conhecidos diversos isótopos sintéticos instáveis, que decaem por emissão de radiação. Um deles é o nióbio-95 que decai para o elemento molibdênio-95.(Sistemas.dnpm.gov.br ; Tecnol. Metal. Mater. Miner., São Paulo, v. 6, n. 4, p. 185-191, abr.-jun. 2010 e G. Audi et al./Nuclear Physics A 729 (2003) 3–128. Adaptado)
8. (FGV/2019) Na reação de aluminotermia com obtenção da liga de nióbio e ferro, considerando-se a estequiometria apresentada na equação balanceada, o total de elétrons envolvidos no processo é
a) 6. b) 12. c) 18. d) 24. e) 36.
Ver RespostaAlternativa correta: e) 36.
A reação de oxirredução ocorre com a perda e ganho de elétrons.
Quando um elemento reduz ele ganha elétrons e quando um elemento é oxidado ele perde elétrons.
Quando um elemento reduz ele é agente oxidante, já quando um elemento oxida ele é agente redutor.
Dessa forma, o número de elétrons que foram perdidos por um elemento e cedidos a outro são iguais.
| Elemento | NOX | Reação | Elétrons | |
| Nióbio | +5 3Nb2O5 | 0 6Nb | Redução | 3.2.5 = 30 e- ganhos |
| Ferro | +3 Fe2O3 | 0 2Fe | Redução | 2.3 = 6 e- ganhos |
| Alumínio | 0 12Al | +3 6Al2O3 | Oxidação | 6.2.3 = 36 e- perdidos |
A carga do alumínio no produto óxido de alumínio é 3+, ou seja, cada alumínio perdeu 3 elétrons.
Só que nos produtos temos 12 átomos de alumínio, o que faz com que o total de elétrons envolvidos no processo seja:
12 . 3 = 36 elétrons.
VEJA TAMBÉM: Reações de oxirredução9. (FGV/2019) Em uma operação de aluminotermia para produção de liga de nióbio e ferro com quantidades estequiométricas de Nb2O5 e Fe2O3 e emprego de excesso de alumínio metálico, formaram-se 6,12 toneladas de Al2O3. O total da soma das quantidades, em mols, de nióbio e ferro estimadas para serem obtidas nessa operação é
a) 6 × 104 b) 6 × 106 c) 8 × 103 d) 8 × 104 e) 8 × 106
Ver RespostaAlternativa correta: d) 8 × 104.
1º passo: calcular a massa molar do Al2O3
2º passo: calcular o número de mols do Al2O3
3º passo: realizar as relações estequiométricas.
Na equação química, vemos que há a relação: 6 mols de nióbio, 6 mols de alumínio e 2 mols de ferro.
Pela relação dos números de mols formados, tem-se:
E a soma das quantidades de nióbio e ferro, em mols, é:
VEJA TAMBÉM: Estequiometria 10. (FGV/2019) A figura apresenta a curva de decaimento radiativo de uma amostra de nióbio-95, que decai para molibdênio-95.
No processo de decaimento do radioisótopo nióbio-95, o tempo decorrido para que a atividade dessa amostra decaia para 25 MBq e o nome das espécies emitidas são
a) 140 dias e nêutrons. b) 140 dias e prótons. c) 120 dias e prótons. d) 120 dias e partículas ß–. e) 140 dias e partículas ß–.
Ver RespostaAlternativa correta: e) 140 dias e partículas ß–.
O tempo de meia-vida é o tempo que se leva para uma amostra radioativa diminuir pela metade sua atividade.
No gráfico percebemos que a atividade radioativa inicia em 400 MBq, então o tempo de meia-vida é o tempo que decorreu para a atividade decair para 200 MBq, que é a metade da inicial.
Analisamos no gráfico que esse tempo foi de 35 dias.
Para a atividade cair pela metade mais uma vez, mais 35 dias se passaram e a atividade foi de 200 MBq para 100 MBq quando se passram mais 35 dias, ou seja, de 400 para 100 MBq passaram-se 70 dias.
Para que a amostra decaia até 25 MBq foram necessárias 4 tempos de meia-vida.
Que corresponde a:
4 x 35 dias = 140 dias
No decaimento radioativo, as emissões podem ser alfa, beta ou gama.
A radiação gama é uma onda eletromagnética.
A emissão alfa tem carga positiva e diminui 4 unidades da massa e 2 unidades no número atômico do elemento que sofreu decaimento, transformando-o em outro elemento.
A emissão beta é um elétron em alta velocidade que aumenta o número atômico do elemento que sofreu decaimento em uma unidade, transformando-o em outro elemento.
Nióbio-95 e molibdênio-95 possuem a mesma massa então ocorreu uma emissão beta, pois:
VEJA TAMBÉM: Radioatividade Carolina Batista Técnica em Química pelo Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Pernambuco (2011) e Bacharelada em Química Tecnológica e Industrial pela Universidade Federal de Alagoas (2018).Show life that you have a thousand reasons to smile
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