Nióbio

Nióbio é um elemento químico com símbolo químico Nb (anteriormente colúmbio, Cb) e número atômico 41. É um cinza claro, metal de transição cristalino e dúctil. O nióbio puro tem uma classificação de dureza Mohs semelhante ao titânio puro e tem ductilidade semelhante ao ferro. O nióbio oxida na atmosfera da Terra muito lentamente, daí sua aplicação em joias como uma alternativa hipoalergênica ao níquel. O nióbio é freqüentemente encontrado nos minerais pirocloro e columbita, daí o antigo nome "colúmbio". Seu nome vem da mitologia grega: Niobe, filha de Tântalo, homônimo do tântalo. O nome reflete a grande semelhança entre os dois elementos em suas propriedades físicas e químicas, o que os torna difíceis de distinguir.

O químico inglês Charles Hatchett relatou um novo elemento semelhante ao tântalo em 1801 e o chamou de columbium. Em 1809, o químico inglês William Hyde Wollaston erroneamente concluiu que o tântalo e o columbium eram idênticos. O químico alemão Heinrich Rose determinou em 1846 que os minérios de tântalo contêm um segundo elemento, que ele chamou de nióbio. Em 1864 e 1865, uma série de descobertas científicas esclareceu que o nióbio e o columbium eram o mesmo elemento (diferente do tântalo), e por um século ambos os nomes foram usados de forma intercambiável. O nióbio foi oficialmente adotado como o nome do elemento em 1949, mas o nome columbium permanece em uso atual na metalurgia nos Estados Unidos.

Não foi até o início do século 20 que o nióbio foi usado comercialmente pela primeira vez. O nióbio é uma adição importante aos aços de baixa liga e alta resistência. O Brasil é o maior produtor de nióbio e ferronióbio, uma liga de 60 a 70% de nióbio com ferro. O nióbio é usado principalmente em ligas, a maior parte em aços especiais, como os usados em gasodutos. Embora essas ligas contenham no máximo 0,1%, a pequena porcentagem de nióbio aumenta a resistência do aço ao eliminar carbonetos e nitretos. A estabilidade de temperatura das superligas contendo nióbio é importante para seu uso em motores a jato e foguetes.

O nióbio é usado em vários materiais supercondutores. Essas ligas, também contendo titânio e estanho, são amplamente utilizadas nos ímãs supercondutores dos scanners de ressonância magnética. Outras aplicações do nióbio incluem soldagem, indústrias nucleares, eletrônica, ótica, numismática e joalheria. Nas duas últimas aplicações, a baixa toxicidade e a iridescência produzidas pela anodização são propriedades altamente desejadas. O nióbio é considerado um elemento crítico para a tecnologia.

História

Inglês chemist Charles Hatchett identificou o elemento Columbido em 1801 dentro de um mineral descoberto em Connecticut, EUA.

Imagem de uma escultura helenística representando Niobe por Giorgio Sommer

O nióbio foi identificado pelo químico inglês Charles Hatchett em 1801. Ele encontrou um novo elemento em uma amostra mineral que havia sido enviada para a Inglaterra de Connecticut, Estados Unidos em 1734 por John Winthrop F.R.S. (neto de John Winthrop, o Jovem) e nomeou o mineral columbite e o novo elemento columbium em homenagem a Columbia, o nome poético dos Estados Unidos. O colúmbio descoberto por Hatchett era provavelmente uma mistura do novo elemento com tântalo.

Posteriormente, houve uma confusão considerável sobre a diferença entre o columbium (nióbio) e o tântalo intimamente relacionado. Em 1809, o químico inglês William Hyde Wollaston comparou os óxidos derivados de columbium—columbite, com uma densidade de 5,918 g/cm³, e tântalo—tantalite, com uma densidade superior a 8 g/cm ³, e concluiu que os dois óxidos, apesar da diferença significativa na densidade, eram idênticos; assim ele manteve o nome tântalo. Esta conclusão foi contestada em 1846 pelo químico alemão Heinrich Rose, que argumentou que havia dois elementos diferentes na amostra de tantalita e os nomeou em homenagem aos filhos de Tântalo: nióbio (de Niobe) e pelópio (de Pelops). Essa confusão surgiu das diferenças mínimas observadas entre o tântalo e o nióbio. Os novos elementos reivindicados pelopium, ilmenium e dianium eram de fato idênticos ao nióbio ou misturas de nióbio e tântalo.

As diferenças entre o tântalo e o nióbio foram demonstradas inequivocamente em 1864 por Christian Wilhelm Blomstrand e Henri Étienne Sainte-Claire Deville, assim como por Louis J. Troost, que determinou as fórmulas de alguns dos compostos em 1865 e, finalmente, pelo químico suíço Jean Charles Galissard de Marignac em 1866, que provou que havia apenas dois elementos. Artigos sobre ilmenium continuaram a aparecer até 1871.

De Marignac foi o primeiro a preparar o metal em 1864, quando reduziu o cloreto de nióbio aquecendo-o em uma atmosfera de hidrogênio. Embora de Marignac fosse capaz de produzir nióbio sem tântalo em maior escala em 1866, não foi até o início do século 20 que o nióbio foi usado em filamentos de lâmpadas incandescentes, a primeira aplicação comercial. Esse uso tornou-se rapidamente obsoleto com a substituição do nióbio pelo tungstênio, que tem um ponto de fusão mais alto. Que o nióbio melhora a resistência do aço foi descoberto pela primeira vez na década de 1920, e esta aplicação continua sendo seu uso predominante. Em 1961, o físico americano Eugene Kunzler e colegas do Bell Labs descobriram que o nióbio-estanho continua a exibir supercondutividade na presença de fortes correntes elétricas e campos magnéticos, tornando-o o primeiro material a suportar as altas correntes e campos necessários para altas correntes úteis. ímãs de energia e máquinas de energia elétrica. Essa descoberta permitiu – duas décadas depois – a produção de longos cabos multifilamentos enrolados em bobinas para criar grandes e poderosos eletroímãs para máquinas rotativas, aceleradores de partículas e detectores de partículas.

Nomeando o elemento

Columbium (símbolo Cb) foi o nome originalmente dado por Hatchett após sua descoberta do metal em 1801. O nome refletia que o espécime tipo do minério veio dos Estados Unidos da América (Columbia). Este nome permaneceu em uso em revistas americanas - o último artigo publicado pela American Chemical Society com columbium em seu título data de 1953 - enquanto niobium foi usado na Europa. Para acabar com essa confusão, o nome nióbio foi escolhido para o elemento 41 na 15ª Conferência da União de Química em Amsterdã em 1949. Um ano depois esse nome foi oficialmente adotado pela União Internacional de Química Pura e Aplicada Chemistry (IUPAC) após 100 anos de controvérsia, apesar da precedência cronológica do nome columbium. Este foi um tipo de compromisso; a IUPAC aceitou tungstênio em vez de volfrâmio em deferência ao uso norte-americano; e nióbio em vez de colúmbio em deferência ao uso europeu. Embora muitas sociedades químicas e organizações governamentais dos EUA normalmente usem o nome oficial IUPAC, alguns metalúrgicos e sociedades metalúrgicas ainda usam o nome americano original, "columbium".

Características

Físico

O nióbio é um metal lustroso, cinza, dúctil e paramagnético no grupo 5 da tabela periódica (ver tabela), com uma configuração eletrônica nas camadas mais externas atípica para o grupo 5. Da mesma forma, configurações atípicas ocorrem na vizinhança do rutênio (44), ródio (45) e paládio (46).

Embora se pense que tenha uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado do zero absoluto ao seu ponto de fusão, medições de alta resolução da expansão térmica ao longo dos três eixos cristalográficos revelam anisotropias que são inconsistentes com uma estrutura cúbica. Portanto, mais pesquisas e descobertas nesta área são esperadas.

O nióbio se torna um supercondutor em temperaturas criogênicas. À pressão atmosférica, tem a temperatura crítica mais alta dos supercondutores elementares a 9,2 K. O nióbio tem a maior profundidade de penetração magnética de qualquer elemento. Além disso, é um dos três supercondutores elementares Tipo II, juntamente com o vanádio e o tecnécio. As propriedades supercondutoras são fortemente dependentes da pureza do nióbio metálico.

Quando muito puro, é comparativamente macio e dúctil, mas as impurezas o tornam mais duro.

O metal tem uma baixa seção transversal de captura para nêutrons térmicos; portanto, é usado nas indústrias nucleares onde são desejadas estruturas transparentes de nêutrons.

Químico

O metal adquire um tom azulado quando exposto ao ar em temperatura ambiente por longos períodos. Apesar de um alto ponto de fusão na forma elementar (2.468 °C), é menos denso que outros metais refratários. Além disso, é resistente à corrosão, exibe propriedades de supercondutividade e forma camadas de óxido dielétrico.

O nióbio é um pouco menos eletropositivo e mais compacto do que seu antecessor na tabela periódica, o zircônio, enquanto é virtualmente idêntico em tamanho aos átomos de tântalo mais pesados, como resultado da contração dos lantanídeos. Como resultado, as propriedades químicas do nióbio são muito semelhantes às do tântalo, que aparece logo abaixo do nióbio na tabela periódica. Embora sua resistência à corrosão não seja tão marcante quanto a do tântalo, o preço mais baixo e a maior disponibilidade tornam o nióbio atraente para aplicações menos exigentes, como revestimentos de cubas em fábricas de produtos químicos.

Isótopos

O nióbio na crosta terrestre compreende um isótopo estável, ⁹³Nb. Até 2003, pelo menos 32 radioisótopos foram sintetizados, variando em massa atômica de 81 a 113. O mais estável é o ⁹²Nb com meia-vida de 34,7 milhões de anos. Um dos menos estáveis é ¹¹³Nb; meia-vida estimada de 30 milissegundos. Isótopos mais leves que o estável ⁹³Nb tendem a decair β+, e aqueles que são mais pesados tendem a decair β⁻, com algumas exceções. ⁸¹Nb, ⁸²Nb e ⁸⁴Nb têm caminhos de decaimento de emissão de prótons retardados β⁺ menores, ⁹¹Nb decai por captura eletrônica e emissão de pósitrons, e ⁹²Nb decai por decaimento β+ e β-.

Pelo menos 25 isômeros nucleares foram descritos, variando em massa atômica de 84 a 104. Dentro dessa faixa, apenas ⁹⁶Nb, ¹⁰¹Nb e ¹⁰³Nb não possui isômeros. O mais estável dos isômeros do nióbio é ^93mNb com meia-vida de 16,13 anos. O isômero menos estável é ^84mNb com uma meia-vida de 103 ns. Todos os isômeros do nióbio decaem por transição isomérica ou decaimento beta, exceto ^92m1Nb, que possui um ramo menor de captura de elétrons.

Ocorrência

Estima-se que o nióbio seja o 34º elemento mais comum na crosta terrestre, com 20 ppm. Alguns acreditam que a abundância na Terra é muito maior e que a alta densidade do elemento o concentrou no núcleo da Terra. O elemento livre não é encontrado na natureza, mas o nióbio ocorre em combinação com outros elementos nos minerais. Minerais que contêm nióbio geralmente também contêm tântalo. Exemplos incluem columbita ((Fe,Mn)Nb₂O₆ ) e columbita–tantalita (ou coltan, (Fe,Mn)(Ta,Nb)₂O₆). Minerais de columbita-tantalita (as espécies mais comuns são columbita-(Fe) e tantalita-(Fe), onde "-(Fe)" é o sufixo de Levinson indicando a prevalência de ferro sobre outros elementos, como manganês) que são mais comumente encontrados como minerais acessórios em intrusões pegmatíticas e em rochas intrusivas alcalinas. Menos comuns são os niobatos de cálcio, urânio, tório e os elementos de terras raras. Exemplos de tais niobatos são pirocloro ((Na,Ca)₂Nb₂O₆(OH,F)) (agora um nome de grupo, com um exemplo relativamente comum sendo, por exemplo, fluorcalciopirocloro) e euxenita (chamada corretamente de euxenita-(Y)) ((Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)₂O₆). Esses grandes depósitos de nióbio foram encontrados associados a carbonatitos (rochas ígneas carbonáticas e silicáticas) e como constituinte de pirocloro.

As três maiores jazidas de pirocloro atualmente exploradas, duas no Brasil e uma no Canadá, foram descobertas na década de 1950 e ainda são as maiores produtoras de concentrados minerais de nióbio. O maior depósito está hospedado em uma intrusão carbonática em Araxá, estado de Minas Gerais, Brasil, de propriedade da CBMM (Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração); a outra jazida brasileira ativa está localizada perto de Catalão, estado de Goiás, e é de propriedade da China Molybdenum, também hospedada em uma intrusão carbonatítica. Juntas, essas duas minas produzem cerca de 88% da oferta mundial. O Brasil também possui uma jazida grande, mas ainda inexplorada, perto de São Gabriel da Cachoeira, estado do Amazonas, bem como algumas jazidas menores, notadamente no estado de Roraima.

O terceiro maior produtor de nióbio é a mina Niobec hospedada em carbonatito, em Saint-Honoré, perto de Chicoutimi, Quebec, Canadá, de propriedade da Magris Resources. Produz entre 7% e 10% da oferta mundial.

Produção

Produtores de nióbio em 2006 a 2015

Após a separação dos demais minerais, obtêm-se os óxidos mistos de tântalo Ta2O5 e nióbio Nb2O5. A primeira etapa do processamento é a reação dos óxidos com o ácido fluorídrico:

Ta.₂O₅ + 14 HF → 2 H₂[Taifa]₇5 H₂O

Nb₂O₅ + 10 HF → 2 H₂[NbOF]₅+ 3 H₂O

A primeira separação em escala industrial, desenvolvida pelo químico suíço de Marignac, explora as diferentes solubilidades dos complexos fluoretos de nióbio e tântalo, monohidrato de oxipentafluoroniobato dipotássico (K₂[NbOF₅]·H₂O) e heptafluorotanato de dipotássio (K₂[TaF₇]) na água. Processos mais recentes usam a extração líquida dos fluoretos de uma solução aquosa por solventes orgânicos como a ciclohexanona. O complexo nióbio e fluoretos de tântalo são extraídos separadamente do solvente orgânico com água e precipitados pela adição de fluoreto de potássio para produzir um complexo de fluoreto de potássio, ou precipitados com amônia como o pentóxido:

H. H. H.₂[NbOF]₅+ 2 KF → K₂[NbOF]₅↓ + 2 HF

Seguido por:

2 H₂[NbOF]₅+ 10 NH₄OH → Nb₂O₅↓ + 10 NH₄F + 7 H₂O

Vários métodos são usados para a redução a nióbio metálico. A eletrólise de uma mistura fundida de K₂[NbOF₅] e cloreto de sódio é um; a outra é a redução do flúor com sódio. Com este método, um nióbio de pureza relativamente alta pode ser obtido. Na produção em larga escala, Nb₂O₅ é reduzido com hidrogênio ou carbono. Na reação aluminotérmica, uma mistura de óxido de ferro e óxido de nióbio reage com alumínio:

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

Pequenas quantidades de oxidantes como nitrato de sódio são adicionadas para aumentar a reação. O resultado é óxido de alumínio e ferronióbio, uma liga de ferro e nióbio utilizada na produção de aço. Ferronióbio contém entre 60 e 70% de nióbio. Sem óxido de ferro, o processo aluminotérmico é usado para produzir o nióbio. Purificação adicional é necessária para atingir o grau de ligas supercondutoras. A fusão por feixe de elétrons sob vácuo é o método utilizado pelos dois principais distribuidores de nióbio.

Em 2013, a CBMM do Brasil controlava 85% da produção mundial de nióbio. O Serviço Geológico dos Estados Unidos estima que a produção aumentou de 38.700 toneladas em 2005 para 44.500 toneladas em 2006. Os recursos mundiais são estimados em 4,4 milhões de toneladas. Durante o período de dez anos entre 1995 e 2005, a produção mais que dobrou, partindo de 17.800 toneladas em 1995. Entre 2009 e 2011, a produção ficou estável em 63.000 toneladas por ano, com uma ligeira queda em 2012 para apenas 50.000 toneladas por ano.

Produção de minas (t) (estimativa de USGS)

Pais	2000	2001	2002	2003	2004	2005	2006	2007	2008	2009	2010	2011	2012	2013	2014	2015	2016	2017	2018	2019	2020
Austrália	160	230	290	230	200	200	200	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?
Brasil	30.000	Dois mil.	26.000	29,000	29,900	35.000	40.000	57,300	8.000	8.000	8.000	8.000	63.000	53,100	53.000	8.000	17.000.	60.700	59.000	88.900	59.800
Canadá	2,290	3,200	3,410	3,280	3.400	3,310	4,167	3,020	4,380	4,330	4,420	4,630	5.000	5,260	5.000	5,750	6,100	6,980	7.700	6,800	6,500
Congo D.R.	?	50	50	13	52	25	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?
Moçambique	?	?	5	34	130	34	29 de Março	?	?	4	10.	29 de Março	30	20.	?	?	?	?	?	?	?
Nigéria	35	30	30	190	170	40	35	?	?	?	?	?	?	?	?	29 de Março	104	122	181	150	?
Ruanda	28	120	76	22	63	63	80	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?	?
Mundo	32,600	25,600	29,900	32,800	34.	38,700	44,500	60,400	62,900	62,900	62,900	63.000	50, 100	59.400	59.000	64,300	63.900	69,100	68,200	9.000	67.700

Quantidades menores são encontradas no Depósito Kanyika do Malawi (mina Kanyika).

Compostos

De muitas maneiras, o nióbio é semelhante ao tântalo e ao zircônio. Ele reage com a maioria dos não-metais em altas temperaturas; com flúor à temperatura ambiente; com cloro a 150 °C e hidrogênio a 200 °C; e com nitrogênio a 400 °C, com produtos frequentemente intersticiais e não estequiométricos. O metal começa a oxidar no ar a 200°C. Resiste à corrosão por álcalis fundidos e por ácidos, incluindo água régia, ácidos clorídrico, sulfúrico, nítrico e fosfórico. O nióbio é atacado por ácido fluorídrico e misturas de ácido fluorídrico/nítrico.

Embora o nióbio exiba todos os estados de oxidação formais de +5 a -1, os compostos mais comuns têm o nióbio no estado +5. Caracteristicamente, compostos em estados de oxidação menores que 5+ exibem ligação Nb-Nb. Em soluções aquosas, o nióbio exibe apenas o estado de oxidação +5. Também é prontamente propenso à hidrólise e é pouco solúvel em soluções diluídas de ácidos clorídrico, sulfúrico, nítrico e fosfórico devido à precipitação de óxido de Nb hidratado. O Nb(V) também é ligeiramente solúvel em meio alcalino devido à formação de espécies solúveis de polioxoniobato.

Óxidos, niobatos e sulfetos

O nióbio forma óxidos nos estados de oxidação +5 (Nb2O5), +4 (NbO2) e no estado de oxidação mais raro, +2 (NbO). O mais comum é o pentóxido, precursor de quase todos os compostos e ligas de nióbio. Os niobatos são gerados pela dissolução do pentóxido em soluções básicas de hidróxido ou por sua fusão em óxidos de metais alcalinos. Exemplos são niobato de lítio (LiNbO₃) e niobato de lantânio ( LaNbO₄). No niobato de lítio é uma estrutura semelhante à perovskita trigonalmente distorcida, enquanto o niobato de lantânio contém NbO ³⁻
₄ íons. O sulfeto de nióbio em camadas (NbS₂) também é conhecido.

Os materiais podem ser revestidos com uma película fina de processos de deposição de vapor químico de óxido de nióbio(V) ou deposição de camada atômica, produzidos pela decomposição térmica de etóxido de nióbio(V) acima de 350°C.

Haletos

Uma amostra muito pura de pentachloride de nióbio

Modelo de bola e vara de pentachloride de nióbio, que existe como um dimer

O nióbio forma haletos nos estados de oxidação +5 e +4, bem como diversos compostos subestequiométricos. Os pentahalóides (NbX
₅) apresentam centros Nb octaédricos. Pentafluoreto de nióbio (NbF₅) é um sólido branco com ponto de fusão de 79,0 °C e pentacloreto de nióbio (NbCl₅) é amarelo (veja a imagem à esquerda) com um ponto de fusão de 203,4 °C. Ambos são hidrolisados para dar óxidos e oxi-halogenetos, como NbOCl₃. O pentacloreto é um reagente versátil usado para gerar os compostos organometálicos, como o dicloreto de nioboceno ((C
₅H
₅ )
₂NbCl
₂). Os tetra-halogenetos (NbX
₄) são polímeros de cor escura com ligações Nb-Nb; por exemplo, o tetrafluoreto de nióbio higroscópico preto (NbF₄) e o tetracloreto de nióbio marrom (NbCl₄).

Compostos de haletos aniônicos de nióbio são bem conhecidos, em parte devido à acidez de Lewis dos pentahaletos. O mais importante é [NbF₇]²⁻, um intermediário na separação de Nb e Ta dos minérios. Este heptafluoreto tende a formar o oxopentafluoreto mais facilmente do que o composto de tântalo. Outros complexos de haletos incluem octaédricos [NbCl₆]⁻:

Nb₂Cl_10. + 2 Cl^{- Sim.} → 2 [NbCl₆]^{- Sim.}

Tal como acontece com outros metais com números atômicos baixos, uma variedade de íons de grupos de haletos reduzidos é conhecida, sendo o principal exemplo [Nb₆ Cl₁₈]⁴⁻.

Nitretos e carbonetos

Outros compostos binários de nióbio incluem nitreto de nióbio (NbN), que se torna um supercondutor em baixas temperaturas e é usado em detectores de luz infravermelha. O principal carboneto de nióbio é o NbC, um material cerâmico refratário extremamente duro, utilizado comercialmente em brocas de ferramentas de corte.

Aplicativos

Uma folha de nióbio

Das 44.500 toneladas de nióbio extraídas em 2006, cerca de 90% foram usadas em aço estrutural de alta qualidade. A segunda maior aplicação são as superligas. Supercondutores de liga de nióbio e componentes eletrônicos respondem por uma parcela muito pequena da produção mundial.

Produção de aço

O nióbio é um elemento de microliga eficaz para o aço, dentro do qual forma carboneto de nióbio e nitreto de nióbio. Esses compostos melhoram o refino do grão e retardam a recristalização e o endurecimento por precipitação. Esses efeitos, por sua vez, aumentam a tenacidade, resistência, conformabilidade e soldabilidade. Nos aços inoxidáveis microligados, o teor de nióbio é uma adição pequena (menos de 0,1%), mas importante, aos aços de baixa liga de alta resistência que são amplamente utilizados estruturalmente em automóveis modernos. Às vezes, o nióbio é usado em quantidades consideravelmente maiores para componentes de máquinas e facas altamente resistentes ao desgaste, chegando a 3% no aço inoxidável Crucible CPM S110V.

Essas mesmas ligas de nióbio são frequentemente usadas na construção de dutos.

Superligas

Apollo 15 CSM em órbita lunar com o bico de foguete escuro feito de liga de nióbio-titanium

Quantidades de nióbio são usadas em superligas à base de níquel, cobalto e ferro em proporções de até 6,5% para aplicações como componentes de motores a jato, turbinas a gás, subconjuntos de foguetes, sistemas de turbocompressores, resistência ao calor e combustão equipamento. O nióbio precipita uma fase γ'' de endurecimento dentro da estrutura granular da superliga.

Um exemplo de superliga é o Inconel 718, que consiste em aproximadamente 50% de níquel, 18,6% de cromo, 18,5% de ferro, 5% de nióbio, 3,1% de molibdênio, 0,9% de titânio e 0,4% de alumínio. Essas superligas foram usadas, por exemplo, em sistemas avançados de estrutura de ar para o programa Gemini. Outra liga de nióbio foi usada para o bocal do Módulo de Serviço Apollo. Como o nióbio é oxidado em temperaturas acima de 400 °C, é necessário um revestimento protetor para essas aplicações para evitar que a liga se torne quebradiça.

Ligas à base de nióbio

C-103 foi desenvolvida no início dos anos 1960 em conjunto pela Wah Chang Corporation e Boeing Co. DuPont, Union Carbide Corp., General Electric Co. e várias outras empresas estavam desenvolvendo Nb-base ligas simultaneamente, impulsionadas em grande parte pela Guerra Fria e pela Corrida Espacial. É composto de 89% de nióbio, 10% de háfnio e 1% de titânio e é usado para bicos propulsores de foguetes líquidos, como o motor principal dos Módulos Lunares Apollo.

Bocal de vácuo de Merlin feito de uma liga de nióbio

O bocal da série de motores Merlin Vacuum desenvolvida pela SpaceX para o estágio superior de seu foguete Falcon 9 é feito de uma liga de nióbio.

A reatividade do nióbio com o oxigênio exige que ele seja trabalhado em vácuo ou atmosfera inerte, o que aumenta significativamente o custo e a dificuldade de produção. A refusão a arco a vácuo (VAR) e a fusão por feixe de elétrons (EBM), processos inéditos na época, possibilitaram o desenvolvimento do nióbio e de outros metais reativos. O projeto que produziu o C-103 começou em 1959 com até 256 ligas experimentais de nióbio na série "C-série" (C surgindo possivelmente de columbium) que poderia ser derretido como botões e enrolado em folha. A Wah Chang Corporation tinha um estoque de háfnio, refinado a partir de ligas de zircônio de grau nuclear, que queria colocar em uso comercial. A 103ª composição experimental das ligas da série C, Nb-10Hf-1Ti, teve a melhor combinação de conformabilidade e propriedades de alta temperatura. Wah Chang fabricou a primeira bateria de 500 lb do C-103 em 1961, lingote para folha, usando EBM e VAR. As aplicações pretendidas incluíam motores de turbina e trocadores de calor de metal líquido. As ligas de nióbio concorrentes daquela época incluíam FS85 (Nb-10W-28Ta-1Zr) da Fansteel Metallurgical Corp., Cb129Y (Nb-10W-10Hf-0.2Y) da Wah Chang e Boeing, Cb752 (Nb-10W-2.5Zr) da Union Carbide e Nb1Zr da Superior Tube Co.

Ímãs supercondutores

Um scanner de ressonância magnética clínica 3-tesla usando liga de supercondutor de nióbio

Nióbio-germânio (Nb
₃Ge), nióbio–estanho (Nb
₃Sn), bem como as ligas de nióbio-titânio são usadas como fio supercondutor tipo II para ímãs supercondutores. Esses ímãs supercondutores são usados em imagens de ressonância magnética e instrumentos de ressonância magnética nuclear, bem como em aceleradores de partículas. Por exemplo, o Grande Colisor de Hádrons usa 600 toneladas de fios supercondutores, enquanto o Reator Experimental Termonuclear Internacional usa cerca de 600 toneladas de fios Nb₃Sn e 250 toneladas de fios NbTi. Somente em 1992, mais de US$ 1 bilhão em sistemas de ressonância magnética clínica foram construídos com fio de nióbio-titânio.

Outros supercondutores

A 1,3 GHz A cavidade de frequência de rádio supercondutora de 9 células feita de nióbio está em exposição no Fermilab

As cavidades supercondutoras de radiofrequência (SRF) usadas nos lasers de elétrons livres FLASH (resultado do projeto cancelado do acelerador linear TESLA) e XFEL são feitas de nióbio puro. Uma equipe de criomódulos do Fermilab usou a mesma tecnologia SRF do projeto FLASH para desenvolver cavidades SRF de nove células de 1,3 GHz feitas de nióbio puro. As cavidades serão usadas no acelerador de partículas lineares de 30 quilômetros (19 mi) do International Linear Collider. A mesma tecnologia será usada no LCLS-II no SLAC National Accelerator Laboratory e no PIP-II no Fermilab.

A alta sensibilidade dos bolômetros supercondutores de nitreto de nióbio os torna um detector ideal para radiação eletromagnética na banda de frequência THz. Esses detectores foram testados no Submillimeter Telescope, no South Pole Telescope, no Receiver Lab Telescope e no APEX, e agora são usados no instrumento HIFI a bordo do Observatório Espacial Herschel.

Outros usos

Eletrocerâmica

O niobato de lítio, que é um ferroelétrico, é amplamente utilizado em telefones celulares e moduladores ópticos e na fabricação de dispositivos de ondas acústicas de superfície. Pertence aos ferroelétricos de estrutura ABO3, como o tantalato de lítio e o titanato de bário. Os capacitores de nióbio estão disponíveis como alternativa aos capacitores de tântalo, mas os capacitores de tântalo ainda predominam. O nióbio é adicionado ao vidro para obter um maior índice de refração, tornando possíveis vidros corretivos mais finos e leves.

Aplicações hipoalergênicas: remédios e joias

O nióbio e algumas ligas de nióbio são fisiologicamente inertes e hipoalergênicos. Por esse motivo, o nióbio é usado em próteses e dispositivos de implantes, como marca-passos. O nióbio tratado com hidróxido de sódio forma uma camada porosa que auxilia na osseointegração.

Como titânio, tântalo e alumínio, o nióbio pode ser aquecido e anodizado ("anodização reativa de metal") para produzir uma ampla variedade de cores iridescentes para joias, onde sua propriedade hipoalergênica é altamente desejável.

Numismática

O nióbio é usado como metal precioso em moedas comemorativas, muitas vezes com prata ou ouro. Por exemplo, a Áustria produziu uma série de moedas de prata e nióbio a partir de 2003; a cor nessas moedas é criada pela difração da luz por uma fina camada de óxido anodizado. Em 2012, dez moedas estão disponíveis mostrando uma ampla variedade de cores no centro da moeda: azul, verde, marrom, roxo, violeta ou amarelo. Mais dois exemplos são a moeda comemorativa austríaca de € 25 de 150 anos da Semmering Alpine Railway de 2004 e a moeda comemorativa austríaca de € 25 de navegação europeia por satélite de 2006. A casa da moeda austríaca produziu para a Letônia uma série semelhante de moedas começando em 2004, com uma seguinte em 2007. Em 2011, a Royal Canadian Mint iniciou a produção de uma moeda de prata esterlina e nióbio de $ 5 chamada Hunter's Moon em que o nióbio foi seletivamente oxidado, criando assim acabamentos únicos onde não há duas moedas exatamente iguais.

A 150 Anos Semmering Alpine Railway Moeda feita de nióbio e prata

Outro

As vedações do tubo de arco das lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão são feitas de nióbio, às vezes ligado com 1% de zircônio; o nióbio tem um coeficiente de expansão térmica muito semelhante, equiparando-se à cerâmica de tubo de arco de alumina sinterizada, um material translúcido que resiste ao ataque químico ou à redução pelo sódio líquido quente e vapor de sódio contido no interior da lâmpada de operação.

O nióbio é usado em varetas de solda a arco para alguns graus estabilizados de aço inoxidável e em ânodos para sistemas de proteção catódica em alguns tanques de água, que geralmente são revestidos com platina.

O nióbio é usado para fazer o fio de alta tensão do módulo receptor de partículas da coroa solar da Parker Solar Probe.

Estão sendo realizadas pesquisas para permitir que catalisadores à base de nióbio sejam usados para reciclar tereftalato de polietileno (PET).

Precauções

O nióbio não tem função biológica conhecida. Embora o pó de nióbio seja irritante para os olhos e a pele e um potencial risco de incêndio, o nióbio elementar em uma escala maior é fisiologicamente inerte (e, portanto, hipoalergênico) e inofensivo. É frequentemente usado em joias e foi testado para uso em alguns implantes médicos.

A exposição de curto e longo prazo a niobatos e cloreto de nióbio, dois produtos químicos solúveis em água, foi testada em ratos. Ratos tratados com uma única injeção de pentacloreto de nióbio ou niobatos apresentam uma dose letal mediana (LD₅₀) entre 10 e 100 mg/kg. Para administração oral a toxicidade é menor; um estudo com ratos rendeu um LD₅₀ após sete dias de 940 mg/kg.