Niobi

element químic amb nombre atòmic 41

El niobi és l'element químic de símbol Nb i nombre atòmic 41.[1] Se situa en el grup 5 i en el 5è període de la taula periòdica dels elements. Fou descobert el 1801 pel químic anglès Charles Hatchett en analitzar un mineral, ara anomenat columbita, procedent de Massachusetts, i l'anomenà columbi. Durant uns anys es cregué que era el mateix element que el tàntal perquè tenen propietats molt semblants, fins que l'alemany Heinrich Rose els diferencià el 1844 i l'anomenà «niobi». Els dos noms foren emprats com a sinònims fins al 1950 que la IUPAC adoptà el nom «niobi». S'obté del mineral piroclor, majoritàriament al Brasil. És un metall dúctil i tou, superconductor a baixes temperatures i que és emprat en la indústria metal·lúrgica per reduir la densitat dels acers i augmentar la seva duresa. S'empra també en la fabricació d'imants, en la producció de condensadors i altres aplicacions menys importants.

Niobi
41Nb
zirconiniobimolibdè
V

Nb

Ta
Aspecte
Gris metàl·lic, blavós quan s'oxida

Cristalls de niobi i un cub d'1 cm³


Línies espectrals del niobi
Propietats generals
Nom, símbol, nombre Niobi, Nb, 41
Categoria d'elements Metalls de transició
Grup, període, bloc 55, d
Pes atòmic estàndard 92,90638
Configuració electrònica [Kr] 4d4 5s1
2, 8, 18, 12, 1
Configuració electrònica de Niobi
Propietats físiques
Fase Sòlid
Densitat
(prop de la t. a.)
8,57 g·cm−3
Punt de fusió 2.750 K, 2.477 °C
Punt d'ebullició 5.017 K, 4.744 °C
Entalpia de fusió 30 kJ·mol−1
Entalpia de vaporització 689,9 kJ·mol−1
Capacitat calorífica molar 24,60 J·mol−1·K−1
Pressió de vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
a T (K) 2.942 3.207 3.524 3.910 4.393 5.013
Propietats atòmiques
Estats d'oxidació 5, 4, 3, 2, -1
(òxid àcid fort)
Electronegativitat 1,6 (escala de Pauling)
Energies d'ionització 1a: 652,1 kJ·mol−1
2a: 1.380 kJ·mol−1
3a: 2.416 kJ·mol−1
Radi atòmic 146 pm
Radi covalent 164±6 pm
Miscel·lània
Estructura cristal·lina Cúbica centrada en la cara
Niobi té una estructura cristal·lina cúbica centrada en la cara
Ordenació magnètica Paramagnètic
Resistivitat elèctrica (0 °C) 152 nΩ·m
Conductivitat tèrmica 53,7 W·m−1·K−1
Dilatació tèrmica 7,3 µm/(m·K)
Velocitat del so (barra prima) (20 °C) 3.480 m·s−1
Mòdul d'elasticitat 105 GPa
Mòdul de cisallament 38 GPa
Mòdul de compressibilitat 170 GPa
Coeficient de Poisson 0,40
Duresa de Mohs 6,0
Duresa de Vickers 1.320 MPa
Duresa de Brinell 736 MPa
Nombre CAS 7440-03-1
Isòtops més estables
Article principal: Isòtops del niobi
Iso AN Semivida MD ED (MeV) PD
91Nb sin 6,8×102 a ε - 91Zr
91mNb sin 60,86 d TI 0,104e 91Nb
92Nb sin 10,15 d ε - 92Zr
γ 0,934 -
92Nb sin 3,47×107 a ε - 92Zr
γ 0,561
0,934
-
93Nb 100% 93Nb és estable amb 52 neutrons
93mNb sin 16,13 a TI 0,031e 93Nb
94Nb sin 2,03×104 a β 0,471 94Mo
γ 0,702
0,871
-
95Nb sin 34,991 d β 0,159 95Mo
γ 0,765 -
95mNb sin 3,61 d TI 0,235 95Nb

HistòriaModifica

 
Charles Hatchett

El niobi fou descobert l'any 1801[2] pel mineralogista i químic anglès Charles Hatchett (1765-1847) , després d'un minuciós estudi químic d'un lot del mineral ortoròmbic columbita o pentòxid de niobi, de fórmula Nb2 O5 en un mineral fosc i dens de la col·lecció de Hans Sloane (1660-1753), naturalista escocès i mecenes del Museu Britànic de Londres,[3][4] que havia sigut de la col·lecció de John Winthrop (1588-1649), primer governador de la colònia de Massachusetts, i que envià a Sloane el seu net. Havien estat trobats a prop de la localitat de Nautneague, avui a Haddam, Connecticut i guardats a la col·lecció mineralògica familiar. Hatchett escalfà el mineral amb carbonat de potassi i dissolgué el producte en aigua. Després neutralitzà la dissolució amb un àcid i precipitaren òxids de ferro, manganès i un òxid desconegut que suposà que es tractava de l'òxid d'un element fins aleshores desconegut. Anomenà el nou element columbi, a partir de Columbia, nom donat a Amèrica i als EUA a partir del nom del seu descobridor Cristòfor Colom.[5]

 
Columbita-(Mn)  

Un any més tard, el químic suec Anders Gustav Ekeberg (1767-1813) descobrí un nou element que anomenà tàntal. Però l'eminent químic britànic William Hyde Wollaston (1766–1828) considerà que era el mateix element que el columbi.[6] Cal tenir en compte que les propietats químiques del niobi són gairebé idèntiques a les del tàntal.[7] Berzelius hauria observat aquest element Cb durant algun temps. Mentrestant, Charles Hatchett havia canviat de feina, l'antic químic es va incorporar a la professió de la indústria del transport mecànic, més lucratiu i gratificant, treballant en el negoci de carrosseries de vehicles i carrosseries el seu germà John Hatchett. El 1844, el químic alemany Heinrich Rose (1795-1864) demostrà que la columbita conté ambdós elements. Rose li donà el nom de niobi, en honor de la deessa grega Níobe, filla de Tàntal. La primera mostra pràcticament pura de niobi l'obtingué el químic suec Christian Wilhelm Blomstrand el 1864.[8] El producte obtingut, l'òxid de niobi, és jutjat pel seu autor com a relativament impur, però reconeix que l'operació de separació és significativa per confirmar els últims resultats de Rose i desqualificar la posició de Wollaston. Va continuar els seus estudis desenvolupant un procés de reducció clàssic adequat per al laboratori, reduint el clorur de niobi escalfant-lo en una atmosfera escombrada pel gas hidrogen, per obtenir el niobi metàl·lic.[9]

No va ser fins al 1907 que el niobi pur es va obtenir fàcilment i amb una bona puresa pel químic alemany Werner von Bolton. Però ja l'any 1905 aquest metall havia trobat una sortida per als filaments de les bombetes elèctriques utilitzades abans de 1911.[10] També es fa servir com a "element de reforç", en particular en acers especials. No obstant això, va ser especialment durant el període d'entreguerres quan el canvi tècnic es va generalitzar, primer va substituir el tungstè en els acers per a eines, després es va utilitzar com a additiu antiesquinçament i anticorrosió, sobretot en acers inoxidables.

No va ser fins després de la guerra l'any 1946 que es va veure el naixement d'una metal·lúrgia industrial del niobi.

Als EUA el niobi s'anomenà columbi, símbol Cb, fins que la Unió Internacional de Química Pura i Aplicada el 1950 decidí que el nom havia de ser niobi. L'últim article publicat per l'American Chemical Society que esmenta el columbi data del 1953, "Determinació fotomètrica de columbi, tungstè i tàntal en acers inoxidables". El catàleg de productes químics fins d'Aldrich de 2010 encara tenia columbi com a subtítol explicatiu per als nord-americans,[11] i el 2020 segueix figurant en publicacions dels EUA com a sinònim de niobi.[12][13]

Estat natural i obtencióModifica

El niobi ocupa la posició 33a pel que fa a abundància dels elements químics a l'escorça terrestre, amb una concentració mitjana de 20 ppm. Se'l troba als sòls i a l'aigua de la mar, però no a l'atmosfera terrestre. S'han descrit 214 minerals que contenen niobi. Els que el contenen amb més d'un 50 % són: lueshita i natroniobita   56,69 %; columbita-(Fe)   55,03 %; piroclor   52,51 %; kalipiroclor   52,07 i hochelagaïta   50,58 %.[14]

Inicialment s'extreia de la columbita, però actualment s'obté majoritàriament del piroclor. El principal productor mundial el 2019 fou el Brasil amb 65 000 tones, seguit del Canadà amb 7 600 tones i la resta de països productors amb 1 500 tones. Les reserves mundials es calcula que superen els 13 milions de tones, la majoria en el mineral piroclor.[12] La Unió Europea el 2014 el classificà com a metall estratègic.[15]

 
Niobi metàl·lic

PropietatsModifica

Propietats físiquesModifica

És un metall de transició dúctil, tou i gris. Té una densitat de 8,57 g/cm³, punt de fusió 2 477 °C i punt d'ebullició 4 744 °C.[13]

Propietats químiquesModifica

Els estats d'oxidació més comuns del niobi són +2, +3, +5. Les propietats químiques són molt semblants a les del tàntal, que és del mateix grup. Passa a presentar una coloració blava quan entra en contacte amb l'aire a temperatura ambient durant un període llarg de temps. El metall comença a oxidar-se en aire a 200 °C perquè la capa d'òxid que es forma el protegeix. Aquesta mateixa capa evita que reaccioni amb l'aigua.[16]

 
Clorur de niobi(V)

El niobi reacciona amb els halògens en escalfar-se per formar halurs de niobi(5+). Així doncs, el niobi forma el fluorur de niobi(V)  , de color blanc; clorur de niobi(V)  , groc; bromur de niobi(V)   de color taronja i iodur de niobi(V)   de color semblant al llautó. Les reaccions són:

 
 
 
 

El niobi no és atacat per la majoria d'àcids a temperatura ambient, però es dissol en àcid fluorhídric  , o en una barreja d'àcid fluorhídric i àcid nítric,  . Resisteix bé l'atac de bases fuses i només s'hi dissol lentament.[16]

Els composts més importants són l'òxid de niobi(II)  , l'òxid de niobi(IV)  , l'òxid de niobi(V)  , el borur de niobi  , el diborur de niobi  , el carbur de niobi  , el carbur de diniobi  , el nitrur de niobi  , el fosfur de niobi  , el disilicur de niobi  , els halurs de niobi(3+)  ,  ,   i  , els halurs de niobi(4+)  ,  ,   i  , els halurs de niobi(5+) ja esmentats, el sulfur de niobi(IV)  , el selenur de niobi(IV)   i el tel·lurur de niobi(IV)  .[13]

IsòtopsModifica

Article principal: Isòtops del niobi

Els isòtops coneguts niobi van del número màssic 81 al 115. El niobi natural es compon únicament d'un isòtop estable, el niobi 93. Els radioisòtops més estables són el Nb-92 amb un període de semidesintegració de 34,7 milions d'anys, el Nb-94 amb un període de semidesintegració de 20 300 anys i el Nb-91 amb un període de semidesintegració de 680 anys. També hi ha un isòmer nuclear a 31 keV amb un període de semidesintegració de s 16,13 anys. S'han sintetitzat uns altres 23 radioisòtops. La majoria d'ells amb períodes de semidesintegració menors de dues hores excepte el Nb-95 (35 dies), el Nb-96 (23,4 hores) i el Nb-90 (14,6 hores). El mode de desintegració primari abans del Nb-93 estable és la captura electrònica i el primari després és l'emissió beta amb alguna emissió de neutrons en el primer mode dels dos modes de desintegració del Nb-104, 109 i 110.[17]

AplicacionsModifica

Indústria metal·lúrgicaModifica

El niobi s'utilitza en la producció d'acer perquè li confereix duresa, acritud, millora la soldabilitat i redueix la seva densitat. El viaducte de Millau, Llenguadoc, França, el més alt del món, està construït amb acer al niobi i el seu pes és un 60 % inferior. Els acers inoxidables microaliats amb niobi s'utilitzen en components estructurals refractaris d'automòbils i aeronaus i en la fabricació de canonades de gas natural en zones àrtiques. El niobi s'utilitza en superaliatges de níquel, cobalt i ferro emprats en components de les toveres dels coets espacials,[15] per exemple, l'injector principal del Mòdul de Servei Lunar Apollo, estava fet en un 89 % de niobi.[8]

Indústria electrònicaModifica

El niobi s'utilitza en la fabricació de condensadors perquè, gràcies a la seva alta constant dielèctrica, és capaç d'emmagatzemar càrregues elèctriques. El niobat de liti s'utilitza en la fabricació de dispositius de comunicacions òptiques.[15]

Fabricació d'imantsModifica

El niobi serveix per a produir camps magnètics molt forts, ja que és superconductor a baixes temperatures. Els camps magnètics produïts per l'aliatge Nb-Ti (niobi-titani) fan aquest material útil per als equips de ressonància magnètica nuclear, i també per a la construcció d'acceleradors de partícules.[15]

Indústria del vidre i la ceràmicaModifica

El niobi s'afegeix al vidre perquè té un alt índex de refracció i permet fer més primes les lents correctives de les ulleres.[15]

Vegeu tambéModifica

ReferènciesModifica

  1. «niobi». L'Enciclopèdia.cat. Barcelona: Grup Enciclopèdia Catalana.
  2. Hatchett, Charles «III. An analysis of a mineral substance from North America, containing a metal bitberto unknown». Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 92, 01-01-1802, pàg. 49–66. DOI: 10.1098/rstl.1802.0005.
  3. Fiche Ferro-columbite sur Mindat
  4. C. Hatchett, Philosophical Transactions, Royal Society of London, 1802 (estudi del mineral de Columbium). Per a altres historiadors de la ciència, el nom del mineral «columbita» vindria encara més prosaicament del lloc d'embalatge de les mostres que seria Columbia, Connecticut. Charles Hatchett coneixia el lloc de la col·lecció amerindia al full de descripció desxifrat, però aquests informants nord-americans, menyspreant les tradicions camperoles, per conservadores però considerades vulgars i poc aptes per a una investigació a fons, van recordar la pèrdua generalitzada i sovint irremeiable de la toponímia amerindia durant del segle de les Llums, i les autoritats havent imposat noms anglosaxons més adequats.
  5. Emsley, John.. Nature's building blocks : an A-Z guide to the elements. Oxford: Oxford University Press, 2001. ISBN 0-19-850341-5. 
  6. Wollaston, W.H. «XV. On the identity of Columbium and Tantalum» (en anglès). Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 99, 31-12-1809, pàg. 246–252. DOI: 10.1098/rstl.1809.0017. ISSN: 0261-0523.
  7. Des d'un punt de vista mineralògic, la columbita o la niobita forma una sèrie química contínua amb tantalita
  8. 8,0 8,1 Challoner, Jack. Los elementos. La nueva guía de los componentes básicos del universo. (en castellà). Alcobendas: LIBSA, 2018, p. 47,48. ISBN 9788466236669. 
  9. Christian Wilhelm Blomstrand, Journal für praktische Chemie, tome 97, 1866, p. 37
  10. Le tantale le remplacera dans les filaments d'ampoules en 1911.
  11. «Niobium - Element information, properties and uses | Periodic Table» (en anglès). Royal Society of Chemistry. [Consulta: 8 juliol 2020].
  12. 12,0 12,1 «Niobium (Columbium) and Tantalum Statistics and Information» (en anglès). US Geological Survey, Gener 2020. [Consulta: 8 juliol 2020].
  13. 13,0 13,1 13,2 William M. Haynes. CRC handbook of chemistry and physics (en anglès). 93rd edition. Boca Raton, FL: CRC Press, 2016. ISBN 978-1-4398-8050-0. 
  14. «Mineral Species sorted by the element Nb Niobium». [Consulta: 8 juliol 2020].
  15. 15,0 15,1 15,2 15,3 15,4 Sanz Balagué, J.; Tomasa Guix, O. Elements i recursos minerals : aplicacions i reciclatge. Universitat Politècnica de Catalunya, 2017. ISBN 978-84-9880-666-3. 
  16. 16,0 16,1 «WebElements Periodic Table » Niobium » reactions of elements». [Consulta: 8 juliol 2020].
  17. «Nudat 2». National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory. [Consulta: 8 juliol 2020].