NiNióóbiobio

O que é o Nióbio?

• É um elemento químico, de símbolo Nb , número atômico 41 .

• Possui massa atômica igual a 92,9 g/ mol.

• É um elemento de transição pertencente ao grupo 5 ou 5B da classificação periódica dos elementos.

• Possui distribuição eletrônica [Kr]4d4 5s1 .

Propriedades do Nióbio

53,7 W/(m·K)Condutividade térmica

6,93 106 m-1·Ω-1Condutividade elétrica

265 J/(kg·K)Calor específico

1,6 (Pauling)Eletronegatividade

0,0755 Pa a 2741 KPressão de vapor

26,4 kJ/molEntalpia de fusão

696,6 kJ/molEntalpia de vaporização

5017 KPonto de ebulição

2750 KPonto de fusão

SólidoEstado da matéria

Cúbica de Corpo CentradoEstrutura Cristalina

137 pmRaio covalente

198 pmRaio atômico calculado

145 pmRaio médio

Fonte: Wikipédia

Características principais

• É um metal dúctil.

• É um metal que tem boa resistência mecânica e tenacidade.

• É um metal cinza brilhante em condições naturais.

• Pode adquirir uma coloração azulada quando em contado com o ar em temperatura ambiente após um longo período.

• Suas propriedades químicas são muito semelhantes às do tântalo (elemento químico), que está situado no mesmo grupo.

• O metal começa a oxidar-se com o ar a 200 ºC e seus estados de oxidação mais comuns são +2, +3 e +5.

Ocorrência

•É encontrado em minerais como:

• Niobita (columbita) [( Fe, Mn )( Nb, Ta )2O6].

• Niobita-tantalita [( Fe, Mn )( Ta, Nb )2O6].

• Pirocloro [( NaCaNb2O5F)] .

• Euxenita [( Y, Ca, Ce, U, Th ) (Nb, Ta, Ti)2O6] .

Característica principal

• Minerais que contém nióbio geralmente contém também o tântalo.

O nióbio é nosso

• O Brasil lidera a produção mundial de nióbio, utilizado na fabricação de supercondutores.

• Toda a tecnologia de purificação do nióbio foi desenvolvida na Faenquil, projeto iniciado por um grupo de engenheiros vindos daUnicamp no final da década de 70.

• Em 12 anos o Brasil conquistou a auto-suficiência tecnológica no beneficiamento do produto.

Jazidas de Nióbio

Brasil

Empresas do setor (exploradoras)

• Mineração Catalão de Goiás – Controle acionário (Grupo Anglo American e Bozzano Simonsen).

• Cia. Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM), com capital distribuído entre o Grupo Moreira Sales e a Molycorp.

• A CBMM a única empresa do setor que opera, desde a mina até a produção de produtos de nióbio de alto valor agregado.

• O Centro de Desenvolvimento Ambiental da CBMM, já obteve os certificados ISO 9002 e ISO 14000.

Reservas Brasileiras

Reservas Brasileiras

96,30%

2,70%

1,00%

Minas Gerais

Amazonas

Góias

Fonte: DNPM – DEM, Mineral Commodity Summaries

Produção interna

Produção interna

78,30%

21,60%

Minas Gerais

Góias

Fonte: DNPM – DEM, Mineral Commodity Summaries

Mundo

• O Brasil é o líder mundial em reservas conhecidas de pirocloro (Nb2O5), com uma participação de 88,0%, seguido do Canadá com 9,0%.

Líderes Mundiais

Outros 3%

Canadá 9%

Brasil 88%

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Brasil

Canadá

Outros

Fonte: DNPM – DEM, Mineral Commodity Summaries

Principais Consumidores Internacionais

• Os Países Baixos (28,0%), Estados Unidos (24,0%), Japão (22,0%), Alemanha (8,0%) e Canadá (7,0%), os principais consumidores do produto.

EuaAlemanha

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

PaísesBaixos

Japão Canadá

Consumidores Mundiais

Fonte: DNPM – DEM, Mineral Commodity Summaries

O Comércio do Nióbio

A liga FeNb destina-se ao mercado externo na aplicação da fabricação de aços especiais (grades, estruturas e oleodutos), nas industrias automobilísticas, espaciais, navais, aeronáuticas e de ferramentas de alta precisão.

A Cia Brasiliera de Metalurgia e Mineração exportou 87,8% de sua produção de FeNb (2006).

A empresa exportou seus produtos para cerca de 330 clientes em 45 países e a partir desta base, a empresa atenderá com maior agilidade os clientes asiáticos, onde em Tóquio foi criado uma joint venture com a empresa nipônica Nissho Corporation.

Fonte: CBMM

Obtenção do Nb

Procedimentos para a obtenProcedimentos para a obtençção do nião do nióóbio de alta pureza por bio de alta pureza por redureduçção do Nbão do Nb22OO55::

-- ReduReduçção carbotão carbotéérmicarmica-- ReduReduçção silicotão silicotéérmicarmica-- ReduReduçção por hidrogênioão por hidrogênio-- ReduReduçção metalotão metalotéérmica (alumrmica (alumíínio e magnnio e magnéésio)sio)

Redução aluminotérmica do Nb2O5

Forno para reduForno para reduçção aluminotão aluminotéérmica do Nbrmica do Nb22OO55::-- Câmara de reaCâmara de reaçção;ão;-- Molde;Molde;-- Leito de escLeito de escóória.ria.

Principais reaPrincipais reaçções envolvidas:ões envolvidas:

2/5 Nb2/5 Nb22OO5 5 + 4/3 Al + 4/3 Al --> 4/5 Nb + 2/3 Al> 4/5 Nb + 2/3 Al22OO33

NaClONaClO33 + 2 Al + 2 Al --> Al> Al22OO33 + NaCl+ NaCl

Refino em forno por feixe eletrônico

Forno composto de dois canhões, câmara de fusão mantidos sob alto-vácuo.Os eletrodos fazem o lingotamento do metal. O lingote obtido na primeira fusão é resfriado. Em geral, três fusões são necessárias para se obter o nióbio altamente puro.

Forno de feixe eletrônico

Aplicações

• Como elemento de liga para conferir melhoria de propriedades em produtos de aço;

• Em superligas que operam a altas temperaturas em turbinas das aeronaves a jato;

• Adicionado ao aço inoxidável utilizado em sistema de escapamento dos automóveis para evitar corrosão intergranular;

• Produção de ligas supercondutoras de nióbio-titânio usadas na fabricação de magnetos para tomógrafos de ressonância magnética;

• Encontra aplicação também em cerâmicas eletrônicas e em lentes para câmeras.

Usos para os aços microligados ao nióbio

• Na indústria naval e nas plataformas marítimas;

• Nos tubos de grande diâmetro para transporte de gás ou petróleo;

• Na produção dos aços Interstitial Free, livres de átomos intersticiais, com teor de carbono extra baixo (menos de 0,005%) e excelente conformabilidade;

• Na construção civil, onde é típica a utilização de chapas grossas de aços de alta resistência microligados ao nióbio (pontes, viadutos e edifícios);

• Amplo o emprego da tira laminada a quente na indústria automotiva (chassis de caminhões, nas rodas e em algumas partes estruturais);

• Seu uso pode ser observado ainda em guindastes, vagões ferroviários, contêineres e veículos fora de estrada.

Nióbio puro e suas ligas

• Superliga – usada a temperaturas acima de 650 °C em atmosferas altamente oxidantes e corrosivas;

• Supercondutividade, com desaparecimento total da resistividade elétrica, abaixo de temperaturas críticas próximas ao zero absoluto;

• Em estado puro, encontra aplicação em aceleradores de partículas subatômicas;

• Lâminas de nióbio puro usadas na produção de diamantes sintéticos;

• Componentes de nióbio-titânio resistentes à ignição, usados por mineradoras, especialmente na mineração de ouro;

• Nióbio para os alvos de evaporação usados na indústria de vidro arquitetural, nas lâminas de barbear e na indústria eletrônica;

• Ligas de nióbio-titânio para uso em implantes cirúrgicos, de desenvolvimento recente.

Lâmina de Nióbio Puro

Ligas Ligas àà base de Nibase de Nióóbiobio

Lingotes de Lingotes de NbNb--TiTi para cabos (1988);para cabos (1988);

Liga CLiga C--103: propulsores e bocais de foguetes;103: propulsores e bocais de foguetes;

Cabos Cabos ananóódicosdicos de de NbNb nas plataformas marnas plataformas maríítimas;timas;

Lâminas de Lâminas de NbNb puro: diamantes sintpuro: diamantes sintééticos;ticos;

Ligas Ligas NbNb-- Ti para implantes cirTi para implantes cirúúrgicos;rgicos;

Cerâmicas finasCerâmicas finas

Chamados materiais funcionais e estruturais de engenharia.Chamados materiais funcionais e estruturais de engenharia.

Capacitores cerâmicos e lentes Capacitores cerâmicos e lentes óópticas, ferramentas e pepticas, ferramentas e peçças de as de motor.motor.

500 toneladas por ano de Nb500 toneladas por ano de Nb22OO55 para cerâmicas, 2/3 para Japão.para cerâmicas, 2/3 para Japão.

TântaloTântalo

OcorrênciaOcorrência

Ocupa a 54Ocupa a 54ªª posiposiçção na escala de abundância relativaão na escala de abundância relativa

ColumbitaColumbita--TantalitaTantalita: f: fóórmula geral, (rmula geral, (FeFe,Mn) (Ta,,Mn) (Ta,NbNb)2O6)2O6

Minerais mais raros: Minerais mais raros: WodginitaWodginita, , EuxenitaEuxenita, , PirocloroPirocloro

PaPaííses da ses da ÁÁfrica ( Zimbfrica ( Zimbáábue, Congo, Nigbue, Congo, Nigééria e Moria e Moççambique), Brasil e ambique), Brasil e AustrAustráálialia

columbite

euxenite

niobite

InformaInformaçções adicionaisões adicionais

As reservas minerais conhecidas no mundo em 2001, segundo o Departamento Nacional de Produção Mineral – DNPM atingem 180.724 t de tantalita. O Brasil concentra 49,4% das reservas mundiais, seguido da Austrália com 32%.

PropriedadesPropriedadesÉÉ um metal de alto valor devido um metal de alto valor devido ààs suas propriedades intrs suas propriedades intríínsecas nsecas que englobam: excelente ductilidade, resistência que englobam: excelente ductilidade, resistência àà corrosão, alto corrosão, alto ponto de fusão e ebuliponto de fusão e ebuliçção e boa condutividade tão e boa condutividade téérmica e elrmica e eléétrica.trica.Pode ser Pode ser trefiladotrefilado em arames finos, que são usados como em arames finos, que são usados como filamentos para evaporar metais como o alumfilamentos para evaporar metais como o alumíínio.nio.ÉÉ atacado somente pelo atacado somente pelo áácido fluorcido fluoríídrico, por soludrico, por soluçções ões áácidas cidas contendo o contendo o ííon fluoreto e por on fluoreto e por tritrióóxidoxido de enxofre. de enxofre. ÁÁlcalis o atacam lcalis o atacam de forma bastante lenta. de forma bastante lenta. TornaTorna--se mais reativo em altas temperaturas.se mais reativo em altas temperaturas.ÉÉ supercondutor a supercondutor a --268,7268,7°°C. Filmes de C. Filmes de óóxido de tântalo são estxido de tântalo são estááveis veis e possuem boas propriedades diele possuem boas propriedades dieléétricas.tricas.Rede Cristalina : cRede Cristalina : cúúbica de corpo centradobica de corpo centrado

GrandezaGrandeza ValorValor UnidadeUnidade

Massa especMassa especíífica do sfica do sóólidolido 1665016650 kg/mkg/m33

Ponto de fusãoPonto de fusão 30173017 °°CC

Calor de fusãoCalor de fusão 3636 kJkJ/mol/mol

Ponto de ebuliPonto de ebuliççãoão 54585458 °°CC

Calor de vaporizaCalor de vaporizaççãoão 735735 kJkJ/mol/mol

Temperatura crTemperatura crííticatica s/ dados/ dado °°CC

EletronegatividadeEletronegatividade 1,51,5 PaulingPauling

Estados de oxidaEstados de oxidaççãoão +5+5 --

Resistividade elResistividade eléétricatrica 1313 1010--88 ΩΩ mm

Condutividade tCondutividade téérmicarmica 57,557,5 W/(W/(mm°°CC))

Calor especCalor especííficofico 140140 J/(J/(kgkg°°CC))

Coeficiente de expansão tCoeficiente de expansão téérmicarmica 0,630,63 1010--55 (1/(1/°°C)C)

Coeficiente de PoissonCoeficiente de Poisson 0,340,34 --

MMóódulo de elasticidadedulo de elasticidade 186186 GPaGPa

Velocidade do somVelocidade do som 34003400 m/sm/s

Estrutura cristalinaEstrutura cristalina ccúúbica de corpo centradobica de corpo centrado --

ProduProduççãoão

Comercialmente a produComercialmente a produçção do tântalo pode seguir um ão do tântalo pode seguir um dos diversos mdos diversos méétodos:todos:eletreletróóliselise do do fluortantalatofluortantalato de de potpotáássiossio fundido; fundido; ReduReduçção do ão do fluortantalatofluortantalato de potde potáássio com ssio com ssóódiodio; ; Reagindo o carboneto de tântalo com Reagindo o carboneto de tântalo com óóxido de tântalo; xido de tântalo; Como subproduto da extraComo subproduto da extraçção do ão do estanhoestanho;;O processo O processo ““KROLLKROLL””((TitanioTitanio) tamb) tambéém m éé aplicado para o aplicado para o tântalo tântalo

AplicaAplicaççõesões

Atualmente a maior aplicação do tântalo, correspondendo a cerca de 60% do uso total, é como pó metálico na produção de capacitores, os quais regulam o fluxo de eletricidade nos circuitos integrados da indústria eletrônica. Seus capacitores têm maior capacitância por unidade de volume, propriedade responsável por sua extensiva utilização em circuitos elétricos miniaturizados como em telefones celulares,computadores pessoais, bens de consumo digitais (vídeos e câmeras, por exemplo), eletrônica de automóveis e equipamentos médicos.

A foto mostra capacitores de tântalo.

AplicaAplicaççõesões

Usado em superligas para fabricação de produtos laminados (como carbeto - TaC) e fios assim como em lâminas de turbinas para indústria aeronáutica.

Vale lembrar que já foi muito usado como fio em filamentos de lâmpadas tendo sido substituído pelo tungstênio, que apresenta menor custo.

A demanda por concentrado de tantalita teve um aumento nos últimos anos devido principalmente à sua maior utilização em aparelhos eletrônicos portáteis como telefones celulares, laptops e vídeos. Estima-se que, com o desenvolvimento da indústria de telecomunicações, esta demanda aumente mais ainda.

AplicaAplicaççõesões

ZircônioZircônio

Distribuição Eletrônica:[Kr]4d25s2

- símbolo Zr- número atômico 40 - massa atômica 91- sólido a temperatura ambiente- grupo 4 (4B) – metal de transição

Estrutura Cristalina:Hexagonal Compacta

Distribuição de reservas e produção mundiais de zircônio

A principal fonte de zircônio é a zirconita, ( ZrSiO4) cuja apresentação pode variar nas seguintes cores: marrom, verde, azul, vermelho, amarelo e incolor. Em termos teóricos, a composição da zirconita é formada de 67,2% de ZrO2 e 32,8% de SiO2.

Outros minerais de zircônio conhecidos são a baddeleyta e o caldasito (ou zirkita). A baddeleyta (ou zircônia, ZrO2) é o segundo minério mais importante de zircônio. Contém teores de óxido de zircônio contido que variam entre 96,5% a 98,5%. Como esse minério apresenta teores tão significativos, é conhecido como uma fonte de extrema pureza na obtenção de zircônio metálico e compostos químicos. O caldasito, também conhecido como zirkita, cuja ocorrência só tem registro no Brasil, éum minério de zircônio que se apresenta como uma mistura de zirconita e baddeleyta, idêntica a uma massa compacta homogênea acizentada, podendo variar, quando oxidado, para as cores marrom ou vermelho.

O metal é obtido principalmente de uma cloração redutiva através do processo denominado Kroll:

primeiro se prepara o cloreto para depois reduzi-lo com magnésio.num processo semi-industrial, pode-se realizar a eletrólise de sais

fundidos, obtendo-se o zircônio em pó que pode ser utilizado, posteriormente, em pulvimetalurgia.

PropriedadesPropriedades

- Massa específica: 6,51 g/cm3 a 300 K;

- Ponto de fusão: 2125 K;

- Ponto de ebulição: 4650 K;

- Calor de fusão: 16,9 kJ/mol;

- Calor de vaporização: 58,2 kJ/mol;

- Calor específico: 0,27 J/gK;

- Condutividade térmica: 0,227 W/cmK;

- Condutividade elétrica: 0,0236.106/cmΩ;

- Módulo de Young: 98 Gpa;

- Volume molar: 14,06 cm3/mol;

- Coeficiente de Poisson: 0,34;

- Coeficiente linear deexpansão térmica: 5,78.10-6/K;

- Raio atômico: 2,16 Å

Sistemas CristalinosA fase monoclínica é estável até 1170 ºC de onde se

transforma à fase tetragonal. A 2370 ºC, a fase tetragonal se transforma à fase cúbica que existe até 2680 ºC, o ponto de fusão da zircônia.

CaracterCaracteríísticassticas

- Metal branco acinzentado brilhante e muito resistente a corrosão;

- Mais leve que o aço com uma dureza similar ao cobre;

- Quando pulverizado entra em ignição no ar, de forma espontânea a altas temperaturas.Risco de explosão. Na forma de bloco, a ignição é difícil;

- É resistente à corrosão de ácidos (melhor que o aço), e álcalis (supera o tântalo, otitânio e o aço inox), da água do mar e de outros agentes, mas pode se dissolver comHF, formando complexos com os fluoretos;

- A menos que não esteja corretamente ligado, é pouco resistenteà ação corrosiva da água e do vapor d’água;

- Os estados de oxidação mais comuns são +2, +3 e +4;

CaracterCaracteríísticassticas

- À temperatura ambiente não reage com nenhum dos gases comuns e permanecebrilhante por tempo indefinido. A altas temperaturas reage praticamente com todos osgases, formando compostos como óxidos e nitretos, ou simplesmente dissolve o gás,sem modificar a própria estrutura cristalina;

- O háfnio está associado aos minerais de zircônio e a separação é difícil. O zircôniocomercial pode ter até 3% de háfnio;

- Ligado com zinco, torna-se magnético em temperaturas abaixo de 35 K;

- Os compostos são de baixa toxidade;

- Não se conhece nenhuma função biológica deste elemento.

AplicaAplicaççõesões

- Devido à sua seção de capturas de nêutrons ser muito baixa, é utilizado principalmente(em torno de 90% do consumo) como revestimento de reatores nucleares, em forma deligas zircaloy, que contém estanho, ferro e cromo em porcentagens reduzidas;

- Aditivo em aços obtendo-se materiais muito resistentes;

- Empregado em ligas com o níquel na indústria química devido a sua resistência diantede substâncias corrosivas e remoção de oxigênio de válvulas eletrônicas e ligas de aço;

- Óxido de zircônio impuro é empregado na fabricação de utensílios de laboratório quesuportam mudanças bruscas de temperaturas, revestimentos de fornos e como materialrefratário em indústrias cerâmicas e de vidro;

- É bastante tolerado pelos tecidos humanos, por isso pode serusado para a fabricação de articulações artificiais;

- Também é empregado em trocadores de calor, tubos de vácuoe filamentos de lâmpadas.

AplicaAplicaççõesões

- Alguns de seus sais são empregados para a a fabricação deantitranspirantes;

- Pode ser usado como agente incendiário para fins militares;

- Óxido de zircônio é usado em joalheria. É uma gema artificialdenominada zirconita, que imita o diamante;

- O carboneto e o nitreto são materiais de elevada dureza que se utilizam no fabrico deabrasivos e instrumentos cortantes. O nitreto de zircônio (ZrN) tem sido usado emsubstituição ao nitreto de titânio no revestimento de brocas;

- O carboneto duplo de amônio e zirconilo é utilizado na preparação de fluidos hidrófobos ede revestimentos à prova de água;

- Utilizado como constituinte de isolantes, esmaltes e outros materiais resistentes àtemperatura;

- Outras aplicações menores incluem a fabricação de lâmpadas de flash para fotografia,explosivos, fogos de artifício, balas traçadoras, foguetes de sinalização, etc;

AplicaAplicaççõesões

- Pigmento na indústria de cerâmica;

- Sensores para avaliação de oxigênio(para motores e indústria siderúrgica);

- Tecidos High-tech;

- Vidro metálico.

O óxido de zircônio (ZrO2) ocorre na natureza na forma de um mineral raro, chamado baddeleyíta, que cristaliza no sistema monoclínico. Existe, porém, a zircônia artificial, que tem a mesma composição química, mas cristaliza no sistema cúbico, sendo, por isso, chamada de zircônia cúbica.

Tanto a baddeleyíta quanto a zircônia cúbica são usadas como gema, sendo a zircônia cúbica muito mais conhecida por ser a mais perfeita imitação de diamante já obtida. Ela serve, além disso, para, variando a cor, imitar outras gemas, como a ametista.

Materiais cerâmicos são frágeis e uma das maneiras conhecidas para se contornar esta deficiência é a introdução de partículas de zircônia na matriz, o que tenacifica o material, intensificando suas propriedades mecânicas.

Assim, esta característica se faz muito importante quando estamos interessados em fabricar, por exemplo, cerâmicas dentárias.

Inovações TecnológicasCientistas criam um vidro perfeito a partir de um metal

Submetendo-o à mesma pressão capaz de criar os diamantes, cientistas da Universidade da Califórnia, Estados Unidos, criaram um vidro tão puro que poderá vir a ser chamado de o "vidro-diamante".

O vidro metálico puríssimo poderá ser utilizado em materiais mais resistentes e estáveis para aplicações médicas, esportivas e em aplicações de opto-eletrônica.

Os cientistas Yusheng Zhao e Jianzhong Zhang descobriram que o vidro de zircônio se forma a cerca de um terço da temperatura de fusão do elemento, quando o material ésubmetido a um pressão de cinco bilhões de Pascal, algo como 50.000 vezes a pressão atmosférica da Terra.

Os vidros metálicos têm encontrado uma grande variedade de usos nos últimos 15 anos, substituindo materiais convencionais como metais cristalinos, ligas metálicas e cerâmicas de alta tecnologia. Entre as suas aplicações atuais estão materiais estruturais para engenharia, componentes eletrônicos, joalheria, esquis, raquetes de tênis e tacos de golfe.

Os vidros metálicos se comportam elasticamente como os polímeros, mas são mais fortes do que as ligas metálicas. Isto os torna quase inquebráveis, mantendo o formato e sendo difíceis de serem riscados.

Mas até agora os vidros metálicos continham três ou mais elementos, o que diminui sua estabilidade termal. O novo vidro de zircônio puro resolve este problema. O material permanece estável a temperaturas acima de 800º C e pressões de mais de 2,8 bilhões de Pascal.