# Pentoxyde de niobium

Le pentoxyde de niobium est le composé minéral oxyde de niobium de formule Nb$_2$O$_5$.

## Propriétés physiques et chimiques

Ce corps Nb$_2$O$_5$ 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. Rappelons que 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$_2$ $_{gaz}$ → Nb$_2$O$_5$ $_{solidecouvrant}$ avec $\Delta Hformation=-463kcal/mol~$
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.

### Structures cristallines

Il présente divers polymorphismes, dont la géométrie est fondée en grande partie sur la coordination octaédrique des atomes de niobium$^,$. Les variétés polymorphes sont identifiées avec des préfixes spécifiques.
La variété la plus fréquente est monoclinique :
* En dessous de 750 °C, elle se nomme B-Nb$_2$O$_5$. 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. Le corps qui cristallise en petites tablettes, feuillets ou paillettes est transparent entre 350 et 7000 nm.
* Au-dessus de 750 °C, la forme la plus stable est H-Nb$_2$O$_5$. 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. 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.
Il est possible de préparer par hydrolyse, soit à partir d'une solution de pentachlorure de niobium, soit de Nb$_2$O$_5$ dissous dans HF, divers corps hydratés solides, Nb$_2$O$_5$. n H$_2$O, non caractérisés d'un point de vue de la structure, qui se nomme l'acide niobique (autrefois appelé acide columbique par Charles Hatchett).

## Préparation et production

Nb$_2$O$_5$ 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 Nb$_2$O$_5$ 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 NbO$_2$ dans l'air explique la variété polymorphe L-Nb$_2$O$_5$. Du Nb$_2$O$_5$ pratiquement pur, si on ôte l'oxychlorure résiduel, peut être préparé par hydrolyse de NbCl$_5$:
    2 NbCl$_5$ $_{poudresolide}$ + 5 H$_2$O $_{eauenexcès}$ → Nb$_2$O$_5$ $_{précipitésolide}$ + 10 HCl $_{aqueux}$
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-Nb$_2$O$_5$.
Des particules nanométriques de pentoxyde de niobium ont été synthétisées par réduction par LiH du pentachlorure de niobium NbCl$_5$, suivie d'une nécessaire oxydation par voie aérienne pour obtenir des microstructures de niobates.

## Réactions

Nb$_2$O$_5$ est attaqué par HF, il est facilement soluble dans ce solvant. Il se dissout aussi à chaud dans les hydroxydes alcalins fondus.

### Réduction en corps simple métal Nb

La réduction du pentoxyde Nb$_2$O$_5$ est un passage obligé de la production industrielle de niobium métal. Dans les années 1980, environ 15 000 tonnes de Nb$_2$O$_5$ ont été employées annuellement pour l'obtention du métal. La méthode principale est la réduction par aluminothermie de cet oxyde, soit une réaction exothermique avec le corps simple aluminium:
    3 Nb$_2$O$_5$ + 10 Al → 6 Nb + 5 Al$_2$O$_3$
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$^,$ :
    Nb$_2$O$_5$ $_{solidechaufféentre800et900°C}$ + 7 C $_{solidepulvérulent}$ → 2 NbC $_{solide}$ + 5 CO $_{gaz}$
    5 NbC $_{solidedur}$ + Nb$_2$O$_5$ → 7 Nb $_{métal}$ + 5 CO $_{gaz}$ (chauffé sous vide à 1800 °C)

### Préparation d'halogénures de Nb

De multiples méthodes sont connues pour transformer Nb$_2$O$_5$ 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:
    Nb$_2$O$_5$ $_{poudresolideblanche}$ + 5 SOCl$_2$ $_{liquide}$ → 2 NbCl$_5$ $_{poudresolidejaune}$ + 5 SO$_2$ $_{gaz}$
Nb$_2$O$_5$ réagit avec CCl$_4$ pour donner l'oxychlorure de niobium NbOCl$_3$.

### Formation de niobates

Le traitement de Nb$_2$O$_5$ 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, Nb$_6$O$_{19}$8-. Les niobates de lithium comme LiNbO$_3$ et Li$_3$NbO$_4$peut être préparé par réaction du carbonate de lithium avec notre oxyde Nb$_2$O$_5$.

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

À haute température la réduction du pentoxyde de Nb par le gaz hydrogène H$_2$ donne le corps noir NbO$_2$:
    Nb$_2$O$_5$ + H$_2$ → 2 NbO$_2$ + H$_2$O
Le mono-oxide de Nb s'obtient à partir d'une réaction stœchiométrique à l'aide d'un four à arc:
    Nb$_2$O$_5$ + 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" :
    Li$_3$NbO$_4$ + 2 NbO → 3 Li NbO$_2$

## 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.