Diferencia entre revisiones de «Niobio»

iso.	AN	Periodo de semidesintegración	MD	ED M eV	PD
⁹¹Nb	Sintético	680 a	ε	1,253	⁹¹Zr
⁹²Nb	Sintético	3,47 E7 a	β^- ε	0,356 2,006	⁹²Mo ⁹²Zr
⁹³Nb	100%	Nb es estable con 52 neutrones
^93mNb	Sintético	16,13 a	TI	0,031
⁹⁴Nb	Sintético	20,300 a	β^-	2,045	⁹⁴Mo

Plantilla:Cnpt

El niobio (o columbio) es un elemento químico de número atómico 41 situado en el grupo 5 de la tabla periódica de los elementos. Se simboliza como Nb. Es un metal de transición dúctil, gris, blando y poco abundante. Se encuentra en el mineral niobita, también llamado columbita, y se utiliza en aleaciones. Se emplea principalmente aleado en aceros, confiriéndoles una alta resistencia. Se descubrió en el mineral niobita y a veces recibe el nombre de columbio.

Niobium o columbio, es el elemento químico con el símbolo Nb y el número atómico 41. Siendo un metal de transición raro, blando, gris y dúctil, el niobio se encuentra en el mineral pirocloro, la principal fuente comercial para niobio, y columbita.

El niobio tiene propiedades físicas y químicas similares a las el elemento tántalo, de manera que ambos son difíciles de distinguir. El químico inglés Charles Hatchett describió un nuevo elemento similar al tántalo en el año 1801, llamándolo columbio. En el año 1809 el químico inglés Hyde Wollaston concluyó erróneamente que el tántalo y el columbio eran idénticos. El químico alemán Heinrich Rose determinó en el año 1846 que los minerales de tántalo contienen un segundo elemento, que él llamó niobio. En 1864 y 1865 una serie de descubrimientos científicos clarificó que niobio y columbio eran el mismo elemento (y diferentes del tántalo), y durante un siglo ambos nombres fueron empleados indistintamente. El nombre del elemento se estableció definitivamente como niobio en el año 1949.

No fue hasta principios del siglo veinte que el niobio fue utilizado por primera vez comercialmente. Brasil es el principal productor de niobio y ferroniobio, una aleación de niobio e hierro. El niobio se utiliza principalmente en amalgamas, en su mayor parte en aceros especiales como los que se usan en tuberías para el gas. Aunque estas aleaciones contienen tan solo hasta un 0.1%, este pequeño porcentaje de niobio mejora la resistencia del acero. La estabilidad a la temperatura de las aleaciones que contienen niobio es importante para su uso en turbinas de aviones y propulsores de cohetes espaciales. El niobio también se utiliza en varios materiales superconductores. Estas aleaciones superconductoras que también contienen titanio y estaño se utilizan ampliamente en los imanes superconductores de los scanners MRI. Otras aplicaciones del niobio incluyen su uso en soldadura, industrias nucleares, electónica, óptica, numismática y joyería. En los últimos dos ejemplos, la baja toxicidad y la capacidad de colorear por anodización confieren ventajas particulares al niobio.

Historia

El niobio fue descubierto por el químico inglés Charles Hatchett en el año 1801.[1] El encontró un nuevo elemento en una muestra de un mineral que había sido enviada a Inglatera desde Masschussetts en el año 1734 por un John Winthrop,[2] y nombró el mineral columbita, y el nuevo elemento columbio por Columbia, el nombre poético de América.[3] El columbio descubierto por Hatchett probablemente era una mezcla del nuevo elemento con tantalio.[3]

A continuación hubo considerable confusión[4] sobre la diferencia entre el columbio (niobio) y el tantalio cercanamente emparentado. En 1809, el químico inglés William Hyde Wollaston comparó los óxidos derivados del columbio (columbita, con una densidad de 5,918 g/cm3) y tantalio (tantalita, con una densidad de 7,935 g/cm3), y concluyó que ambos óxidos, a pesar de la diferencia significativa en densidad, eran idénticos, y por ende mantuvo el nombre tantalio.[4] Esta conclusión fue disputada en el año 1846 por el químico alemán Heinrich Rose, que argumentó que debía haber dos elementos diferentes en la muestra de tantalita, y los llamó por los hijos de Tántalo: niobio (por Niobe), y pelopio (por Pelops).[5][6] Esta confusión surgió de las diferencias mínimas observadas entre el tantalio y el niobio. Ambos elementos, el niobio y el tantalio, reaccionan con cloro y trazas de oxígeno, incluyendo concentraciones atmosféricas. En estas condiciones, el niobio forma dos compuestos: el pentacloruro de niobio (NbCl5) blanco y volátil, y el oxicloruro de niobio (NbOCl3) que no es volátil. Los nuevos elementos pelpio, ilmenio y dianio reivindicados[7] de hecho eran idénticos al niobio, o mezclas de niobio y tantalio.[8]

Las diferencias entre tantalio y niobio fueron demostradas inequívocamente en 1864 por Christian Wilhelm Blomstrand,[8] y Henri Etienne Sainte-Claire Deville, además de Louis J. Troost, quien determinó las fórmulas de algunos de los compuestos en 1865[8][9], y finalmente por el químico suizo Jean Charles Galissard de Marignac[10] en 1866. Todos ellos demostraron que solamente había dos elementos. Estos descubrimientos no detuvo a los científicos que publicaron artículos sobre el ilmenio hasta el año 1871.[11] De Marignac fue el primero en preparar el metal en 1864, al reducir cloruro de niobio calentándolo en una atmósfera de hidrógeno.[12]

Aunque de Marignac fue capaz de producir niobio libre de tantalio a mayor escala en 1866, no fue hasta principio del siglo 20 que el niobio fue utilizado por primera vez comercialmente, en filamentos de lámparas incandescentes.[9] Este uso rápidamente se volvió obsoleto por el reemplazo del niobio por el tungsteno, que tiene un punto de ebullición más elevado, lo cual lo hace preferible para su uso en lámparas incandescentes. El descubrimiento que el niobio mejora la resistencia del acero fue hecho en los años 1920, y esto sigue siendo su uso predominante hasta hoy.[9] En 1961 el físico norteamericano Eugene Kunzler y colaboradores de Bell Labs descubrieron que niobio-estaño sigue presentando superconductividad en presencia de fuertes corrientes eléctricas y campos magnéticos,[13], convirtiéndolo en el primer material conocido que soporta las fuertes corrientes y altos campos necesarios para fabricar imanes de alto poder útiles, y maquinaria de propulsión eléctrica. Este descubrimiento permitiría —dos décadas más tarde— la producción de largos cables de múltiples filamentos que se podrían enrollar en bobinas para crear grandes y potentes electroimanes para maquinaria giratoria, y aceleradores o detectores de partículas.[14][15]

Columbio (símbolo Cb[16]) fue el nombre que Hatchett le dio originalmente a este elemento, y este nombre permaneció en uso en las revistas norteamericanas (la última publicación de la American Chemical Society con columbio en el título data de 1953[17]), mientras que en Europa se utilizaba niobio. Para poner fin a esta confusión, en la 15ava conferencia de la Unión de Química en Ámsterdam en 1949 se eligió el nombre niobio para el elemento 41.[18] Un año más tarde este nombre fue adoptado oficialmente por la Unión para la Química Pura y Aplicada (IUPAC) después de 100 años de controversia, a pesar de la presencia cronológica del nombre columbio.[18] Este último nombre ocasionalmente se sigue utilizando en la industria de los Estados Unidos.[19] Esto fue una especie de compromiso.[18] La IUPAC aceptó tungsteno en vez de wolframio en deferencia al uso norteamericano, y niobio en vez de columbio, en deferencia al uso europeo. No todos estaban de acuerdo, y mientras que muchas sociedades químicas y organizaciones gubernamentales se refieren al elemento 41 por su nombre oficial IUPAC, muchos metalurgos, sociedades metalúrgicas y la United Stares Geological Survey se refieren al metal como "columbio" hasta el día de hoy.[20][21]

Características

El niobio es un metal brillante, gris, dúctil, paramagnético del grupo 5 de la tabla periódica (ver tabla a la derecha), aunque tiene una configuración atípica en sus capas de electrones exteriores, comparado con el resto de los miembros. (Esto puede observarse en la vecindad del niobio (41), rutenio (44), rodio (45), y paladio (46).)

El metal toma una tonalidad azulada cuando es expuesto al aire a temperatura ambiente por períodos prolongados.[22] A pesar de presentar un punto de ebullición elevado en estado elemental (2468°C), su densidad es baja en comparación con otros metales refractarios. Además, es resistente a la corrosión, presenta propiedades superconductoras y forma capas de óxidos dieléctricas. Estas propiedades, especialmente la superconductividad, dependen fuertemente de la pureza del metal niobio.[23] En estado muy puro, es comparativamente blando u dúctil, pero las impurezas lo hacen más duro.[24]

El niobio es ligeramente menos electoropositivo y pequeño[requiere clarificación] que su predecesor en el sistema periódico, el zirconio, mientras que tiene un tamaño prácticamente idéntico al tantalio más pesado, debido a la contracción de los lantánidos.[24] Como resultado, las propiedades del niobio son muy similares a las del tantalio, que aparece directamente debajo del niobio en la tabla periódica.[9] Aunque su resistencia a la corrosión no es tan extraordinaria como la del tantalio, su menor precio y mayor disponibilidad hacen al niobio atractivo para usos menos exactos, tales como recubrimientos en plantas químicas.[24]

Características principales

El niobio es un metal dúctil, gris brillante, que pasa a presentar una coloración azul cuando permanece en contacto con el aire, a temperatura ambiente, un largo periodo de tiempo. Sus propiedades químicas son muy parecidas a las del tántalo, que está situado en el mismo grupo.

Su capacidad calorífica específica es la más alta de la tabla periódica, con más de 6000 J/g K.

El metal comienza a oxidarse con el aire a 200 °C y sus estados de oxidación más comunes son +2, +3, +5.

El estado de oxidación +4 es menos común, y poco estudiado debido a su paramagnetismo.

Descubierto por el británico Charles Hatchett en 1801.

Isótopos

El niobio que se encuentra naturalmente está compuesto de un isótopo estable, 93Nb.[25] Al año 2003 se han sintetizado también al menos 32 radioisótopos, con masas atómicas dentro del rango de 81 hasta 113. El más estable de estos es 92Nb, con una vida media de 34.7 millones de años. Uno de los menos estables de 113Nb, con una vida media estimada en 30 milisegundos. Los isótopos que son más ligeros que el 93Nb estable tienden a decaer por decaimiento β+, mientras que aquellos que son más pesados tienden a decaer por decaimiento β-, con algunas excepciones. 81Nb, 82Nb, y 84Nb tienen caminos menores de decaimiento por emisión β+ retardada de protones, el 91Nb decae por captura de electrones y emisión de positrones, y 92Nb decae por decaimiento β+ y β- a la vez.[25]

Se han descrito al menos 25 isómeros nucleares, con masas atómicas dentro del rango de 84 hasta 104. Dentro de este rango sólo 96Nb, 101Nb y 103Nb no tienen isómeros. El isómero más estable del niobio es 93mNb, con una vida media de 16.13 años. El isómero menos estable es 84mNb con una vida media de 103 ns. Todos los isómeros del niobio decaen por transición isomérica o decaimiento beta, a excepción del 92m1Nb, que tiene una cadena de decaimiento menor por captura de electrones.[25]

Química

El niobio se parece en muchos aspectos a sus antecesores en el grupo 5. Reacciona con la mayoría de los no-metales a temperaturas elevadas: El niobio reacciona con flúor a temperatura ambiente, con cloro e hidrógeno a 200 °C, y con nitrógeno a 400 °C, formando productos que frecuentemente son intersticiales y no-estequiométricos.[24] El metal comienza a oxidarse al aire a 200 °C,[26] y es resistente a la corrosión por álcalis fundidos y ácidos, incluyendo el agua regia y los ácidos clorhídrico, sulfúrico, nítrico y fosfórico.[24] El Niobio es atacado por ácidos minerales concentrados calientes como el ácido fluorhídrico y mezclas de ácidos fluorhídrico/nítrico. Aunque el niobio exhibe todos los estados de oxidación formales desde +5 hasta -1, el más estable es +5.[24]

El niobio es capaz de formar óxidos con los estados de oxidación +5 (Nb2O5), +4 (NbOs) y +3 (Nb2O3),[26] además del estado de oxidación más escaso +2 (NbO).[27] El estado de oxidación más estable es +5, el pentóxido, que junto con el dióxido no-estequiométrico verde-oscuro, es el más común de los óxidos.[26] El pentóxido de niobio se utiliza principalmente en la producción de capacitores, vidrios ópticos y como material de partida para varios compuestos de niobio.[28] Los compuestos se forman disolviendo el pentóxido en soluciones alcalinas de hidróxido, o fundiéndolo en otro óxido metálico. Ejemplos de esto son el niobato de litio (LiNbO3) y niobato de lantano (LnNbO4). En el niobato de litio, el ion niobato NbO3? no está solo, sino que es parte de una estructura parecida a la perovskita, mientras que el niobato de lantano contiene iones aislados NbO43?.[26] Niobato de litio, que es ferroeléctrico es utilizado ampliamente en teléfonos móviles y moduladores ópticos, y para la fabricación de equipos de ondas acústicos de superficie. Pertentece a la estructura de ferroeléctricos ABO3, tales como el tantalato de litio y el titanato de bario.[29]

El niobio forma compuestos halogenados con los estados de oxidación +5, +4 y +3 del tipo NbX5, NbX4 y MbX3, aunque también se forman complejos de varios núcleos y compuestos sub-estequiométricos.[26][30] El pentafluoruro de niobio (NbF5) es un sólido blanco con un punto de fusión de 79.0 °C, y el pentacloruro de niobio (NbCl5) es un sólido blanco-amarillento (ver imagen a la izquierda) con un punto de fusión de 203.4 °C. Ambos son hidrolizados por agua, y reaccionan con niobio adicional a temperaturas elevadas para formar tetrafluoruro de niobo (NbF4) y tetracloruro de niobio (NbCl4), ambos negros y altamente higroscópicos. Mientras que los compuestos trihalogenados pueden obtenerse de la reducción de los pentahalógenados con hidrógeno, los dihalógenos no existen.[26] El monocloruro (NbCl) ha sido observado espectroscópicamente a elevadas temperaturas.[31] Los flurouros de niobio pueden utilizarse después de su separación del tantalio.[32] El pentacloruro de niobio es empleado en la química orgánica como ácido Lewis para activar alquenos para la reacción de los carbonil-enos, y la reacción Diels-Alder.[33] El pentacloruro también se utiliza para formar el compuesto organometálico dicloruro de nioboceno ((C5H5)2NbCl2), que a su vez se utiliza como material de partida para otros compuesto organoniobados.[34]

Otros compuestos binarios de niobio incluyen el nitruro de niobio (NbN), que se hace superconductor a bajas temperaturas y es empleado en detectores para luz infrarroja,[35] y carburo de niobio, un material extremadamente duro, refractario y cerámico, que se emplea comercialmente en brocas para herramientas para perforar y corte. Los compuestos niobio-germanio (Nb3Ge) y niobio-estaño (Nb3Sn), a la vez que la aleación niobio-titanio, se utilizan como cables superconductores del tipo II para imanes superconductores.[36][37] También se conocen el sulfuro de niobio y unos pocos compuestos intersticiales de niobio con silicio.[24]

Usos

La aplicación más importante es como elemento de aleación para la construcción de máquinas y gaseoductos de alta presión. También se utiliza en «superaleaciones», para soportar temperaturas mayores a 650 °C, por ejemplo, en las turbinas de los aviones de reacción y en los tubos de escape de los automóviles. Suele formar parte de cerámicas electrónicas y de objetivos fotográficos. [1]

En el campo de la superconductividad eléctrica se usa en aleaciones con titanio para construir electroimanes superenfriados empleados en resonancia magnética nuclear. Recientemente se ha utilizado como elemento básico de ordenadores cuánticos experimentales.[2]

En el campo de la química organometálica, son numerosos los usos que se le han dado. Por ejemplo, complejos nioboceno de tipo sandwich son capaces de activar enlaces C-H, sirven como modelos en procesos de polimerización de olefinas e incluso presentan actividad citotóxica contra células cancerígenas.

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