Nióbio (Nb): o que é, para que serve e onde é encontrado

Carolina Batista

Professora de Química

O nióbio (Nb) é um metal refratário, ou seja, muito resistente ao calor e ao desgaste. É brilhante, de baixa dureza, condutor de eletricidade e resistente à corrosão. Por causa dessas propriedades, o nióbio tem muitas aplicações que vão desde a produção do aço até a fabricação de foguetes.

Está disponível na natureza em minerais, geralmente ligado a outros elementos, principalmente ao tântalo, pois os dois têm propriedades físico-químicas muito próximas.

Trata-se do elemento químico de número atômico 41, pertence ao grupo 5 da Tabela Periódica e é classificado como metal de transição. Ele foi descoberto em 1801 pelo químico britânico Charles Hatchett.

Nióbio no Brasil

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.

Na década de 50, a maior jazida do minério pirocloro, contendo esse metal, foi descoberta no Brasil pelo geólogo brasileiro Djalma Guimarães.

As reservas exploradas estão localizadas nos estados de Minas Gerais, Amazonas, Goiás e Rondônia.

Canadá, Austrália, Egito, República Democrática do Congo, Groenlândia, Rússia, Finlândia, Gabão e Tanzânia são exemplos de países que também apresentam minerais com nióbio.

Para que serve o nióbio?

As características do nióbio tornam esse elemento cada vez mais desejado e com inúmeras aplicações.

A principal vantagem de utilizar o nióbio é que apenas uma pequena quantidade pode modificar uma tonelada de ferro. Isso faz com que o metal se torne mais leve, resistente à corrosão e mais eficiente.

Somente a partir de 1905 é 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 pelo metal para componentes aeroespaciais.

A seguir, apresentamos uma lista das formas como o nióbio é utilizado.

Ligas metálicas

A adição de nióbio a 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 um tratamento térmico diferenciado.

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. Com isso, pode-se 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:

• Indústria automotiva: produção de um carro mais leve e mais resiste à colisão;
• Construção civil: melhora a soldabilidade do aço e confere maleabilidade;
• Indústria de dutos de transportes: permite construções com paredes mais finas e diâmetros maiores, sem afetar a segurança.

A superliga é uma liga metálica que suporta elevadas temperaturas e apresenta resistência mecânica. Ligas contendo nióbio fazem com que o 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 jato de alto desempenho.

Ímãs supercondutores

A supercondutividade do nióbio faz com os compostos de nióbio-germânio, nióbio-escândio e nióbio-titânio sejam utilizados em:

• Scanner das máquinas de ressonância magnética;
• Aceleradores de partículas, como o Grande Colisor de Hádrons;
• Detecção de radiação eletromagnética e estudo da radiação cósmica por materiais que apresentam nitrito de nióbio.

Óxidos

Outras aplicações para o nióbio são na forma de óxidos, principalmente o Nb₂O₅. Os principais usos são:

• Lentes óticas;
• Capacitores cerâmicos;
• Sensores de pH;
• Peças de motor;
• Joias.

Minérios de nióbio

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.

A seguir, podemos observar alguns minérios, 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:

• Mineral ortorrômbico;
• Densidade relativa variável de 5,2 a 8,1 g/cm³;
• Forma estruturas semelhantes, nas quais o tântalo e o nióbio se substituem em todas as proporções.

Piroclorita

Composição: (Na2,Ca)₂(Nb,Ti)(O,F)₇

Teor de nióbio (máximo): 71% de Nb₂O₅

Características:

• Mineral isométrico de hábito octaédrico;
• Densidade relativa de 4,5 g/cm³;
• Possui a variedade bariopirocloro, que inclui o elemento bário em sua composição.

Loparita

Composição: (Ce,Na,Ca)₂(Ti,Nb)₂O₆

Teor de nióbio (máximo): 20% de Nb₂O₅

Características:

• Mineral granular a quebradiço;
• Densidade 4,77 g/cm³;
• Cristaliza-se no sistema isométrico.

Exploração do nióbio

Os minérios de nióbio passam por transformações até que sejam formados os produtos que serão comercializados.

As etapas do processo podem ser resumidas em:

1. Mineração
2. Concentração de nióbio
3. Refino de nióbio
4. Produtos de nióbio

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 seus cristais se tornem bem mais finos e utilizando a separação magnética as frações de ferro são removidas.

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:

• Concentrados de nióbio: uma base que contém 58% de Nb₂O₅.
• Liga de ferro-nióbio: contém 65% de nióbio.
• Óxido de alta pureza: utilizado na produção de materiais especiais.

Saiba mais sobre metais.

História e descoberta do Nióbio

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 em 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.

Nióbio na Tabela Periódica

Propriedades físicas do Nióbio

Propriedades químicas do Nióbio

Resumo sobre o Nióbio

Exercícios sobre Nióbio

Questão 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.

Questão 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

Questão 3

(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.

Questão 4

(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.

Questão 5

(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.

Questão 6

(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.

Questão 7

(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

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)}

Questão 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.

Questão 9

(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

Questão 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^–.

Carolina Batista

Bacharela em Química Tecnológica e Industrial pela Universidade Federal de Alagoas (2018) e Técnica em Química pelo Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Pernambuco (2011).