El niobio , también conocido como columbio , es un elemento químico con el símbolo Nb (antes Cb) y número atómico 41. El niobio es un metal de transición gris claro, cristalino y dúctil . El niobio puro tiene una dureza de Mohs similar a la del titanio puro , [2] y tiene una ductilidad similar al hierro . El niobio se oxida en la atmósfera terrestre muy lentamente, de ahí su aplicación en joyería como alternativa hipoalergénica al níquel . El niobio se encuentra a menudo en los minerales pirocloro.y columbita , de ahí el nombre anterior "columbio". Su nombre proviene de la mitología griega , específicamente Niobe , que era hija de Tantalus , el homónimo del tantalio . El nombre refleja la gran similitud entre los dos elementos en sus propiedades físicas y químicas, lo que dificulta su distinción. [3]
Niobio | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Pronunciación | / N aɪ oʊ b i ə m / | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Apariencia | gris metalizado, azulado cuando se oxida | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Peso atómico estándar A r, estándar (Nb) | 92.906 37 (1) [1] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Niobio en la tabla periódica | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Número atómico ( Z ) | 41 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Grupo | grupo 5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Período | período 5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Cuadra | bloque d | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Configuración electronica | [ Kr ] 4d 4 5s 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Electrones por capa | 2, 8, 18, 12, 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Propiedades físicas | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Fase en STP | sólido | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Punto de fusion | 2750 K (2477 ° C, 4491 ° F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Punto de ebullición | 5017 K (4744 ° C, 8571 ° F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Densidad (cerca de rt ) | 8,57 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Calor de fusión | 30 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Calor de vaporización | 689,9 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Capacidad calorífica molar | 24,60 J / (mol · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Presión de vapor
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Propiedades atómicas | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Estados de oxidación | −3, −1, 0, +1, +2, +3, +4, +5 (un óxido ligeramente ácido ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Electronegatividad | Escala de Pauling: 1.6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energías de ionización |
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Radio atómico | empírico: 146 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Radio covalente | 164 ± 6 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Líneas espectrales de niobio | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Otras propiedades | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ocurrencia natural | primordial | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Estructura cristalina | cúbico centrado en el cuerpo (bcc) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Velocidad de sonido varilla fina | 3480 m / s (a 20 ° C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Expansión térmica | 7,3 µm / (m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Conductividad térmica | 53,7 W / (m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Resistividad electrica | 152 nΩ⋅m (a 0 ° C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Orden magnético | paramagnético | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
El módulo de Young | 105 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Módulo de corte | 38 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Módulo de volumen | 170 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Relación de Poisson | 0,40 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dureza de Mohs | 6.0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dureza Vickers | 870-1320 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dureza Brinell | 735–2450 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Número CAS | 7440-03-1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Historia | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Nombrar | después de Niobe en la mitología griega, hija de Tantalus ( tantalio ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Descubrimiento | Charles Hatchett (1801) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Primer aislamiento | Christian Wilhelm Blomstrand (1864) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Reconocido como un elemento distinto por | Heinrich Rose (1844) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Isótopos principales del niobio | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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El químico inglés Charles Hatchett informó sobre un nuevo elemento similar al tantalio en 1801 y lo llamó columbio. En 1809, el químico inglés William Hyde Wollaston concluyó erróneamente que el tantalio y el columbio eran idénticos. El químico alemán Heinrich Rose determinó en 1846 que los minerales de tantalio contienen un segundo elemento, al que llamó niobio. En 1864 y 1865, una serie de hallazgos científicos aclararon que el niobio y el columbio eran el mismo elemento (a diferencia del tantalio), y durante un siglo ambos nombres se usaron indistintamente. El niobio fue adoptado oficialmente como el nombre del elemento en 1949, pero el nombre columbio sigue siendo de uso actual en la metalurgia de los Estados Unidos.
No fue hasta principios del siglo XX cuando el niobio se utilizó comercialmente por primera vez. Brasil es el principal productor de niobio y ferroniobio , una aleación de 60 a 70% de niobio con hierro. El niobio se utiliza principalmente en aleaciones, la mayor parte en aceros especiales como el que se utiliza en los gasoductos . Aunque estas aleaciones contienen un máximo de 0,1%, el pequeño porcentaje de niobio mejora la resistencia del acero. La estabilidad de temperatura de las superaleaciones que contienen niobio es importante para su uso en motores a reacción y cohetes .
El niobio se utiliza en varios materiales superconductores . Estas aleaciones superconductoras , que también contienen titanio y estaño , se utilizan ampliamente en los imanes superconductores de los escáneres de resonancia magnética . Otras aplicaciones del niobio incluyen soldadura, industrias nucleares, electrónica, óptica, numismática y joyería. En las dos últimas aplicaciones, la baja toxicidad y la iridiscencia producidas por la anodización son propiedades muy deseadas. El niobio se considera un elemento tecnológico crítico .
Historia
El niobio fue identificado por el químico inglés Charles Hatchett en 1801. [4] [5] [6] Encontró un nuevo elemento en una muestra de mineral que había sido enviada a Inglaterra desde Connecticut , Estados Unidos en 1734 por John Winthrop FRS (nieto de John Winthrop the Younger ) y nombró al mineral columbita y al nuevo elemento columbio por Columbia , el nombre poético de los Estados Unidos. [7] [8] [9] El columbio descubierto por Hatchett fue probablemente una mezcla del nuevo elemento con tantalio. [7]
Posteriormente, hubo una confusión considerable [10] sobre la diferencia entre el columbio (niobio) y el tantalio estrechamente relacionado. En 1809, el químico inglés William Hyde Wollaston comparó los óxidos derivados tanto del columbio — columbita, con una densidad de 5,918 g / cm 3 , como del tantalio — tantalita , con una densidad superior a 8 g / cm 3 , y concluyó que los dos óxidos, a pesar de la diferencia significativa en densidad, fueron idénticas; así mantuvo el nombre de tantalio. [10] Esta conclusión fue discutida en 1846 por el químico alemán Heinrich Rose , quien argumentó que había dos elementos diferentes en la muestra de tantalita, y los nombró en honor a los hijos de Tantalus : niobio (de Niobe ) y pelopium (de Pelops ). [11] [12] Esta confusión surgió de las diferencias mínimas observadas entre el tantalio y el niobio. Los nuevos elementos reivindicados como pelopio , ilmenio y dianio [13] eran de hecho idénticos al niobio o mezclas de niobio y tantalio. [14]
Las diferencias entre el tantalio y el niobio fueron demostradas inequívocamente en 1864 por Christian Wilhelm Blomstrand [14] y Henri Etienne Sainte-Claire Deville , así como por Louis J. Troost , quien determinó las fórmulas de algunos de los compuestos en 1865 [14] [15 ] y finalmente por el químico suizo Jean Charles Galissard de Marignac [16] en 1866, quienes demostraron que solo había dos elementos. Continuaron apareciendo artículos sobre ilmenio hasta 1871. [17]
De Marignac fue el primero en preparar el metal en 1864, cuando redujo el cloruro de niobio calentándolo en una atmósfera de hidrógeno . [18] Aunque de Marignac pudo producir niobio sin tantalio a mayor escala en 1866, no fue hasta principios del siglo XX que se utilizó el niobio en los filamentos de lámparas incandescentes, la primera aplicación comercial. [15] Este uso se volvió obsoleto rápidamente debido al reemplazo del niobio por tungsteno , que tiene un punto de fusión más alto. Que el niobio mejora la resistencia del acero se descubrió por primera vez en la década de 1920, y esta aplicación sigue siendo su uso predominante. [15] En 1961, el físico estadounidense Eugene Kunzler y sus colaboradores de Bell Labs descubrieron que el niobio-estaño continúa exhibiendo superconductividad en presencia de fuertes corrientes eléctricas y campos magnéticos, [19] convirtiéndolo en el primer material que soporta las altas corrientes y campos necesarios para imanes de alta potencia útiles y maquinaria de energía eléctrica . Este descubrimiento permitió, dos décadas después, la producción de cables largos de múltiples hilos enrollados en bobinas para crear electroimanes grandes y potentes para maquinaria rotativa, aceleradores de partículas y detectores de partículas. [20] [21]
Nombrar el elemento
Columbium (símbolo "Cb") [22] fue el nombre que originalmente otorgó Hatchett tras su descubrimiento del metal en 1801. [5] El nombre reflejaba que el espécimen tipo del mineral provenía de América ( Colombia ). [23] Este nombre se mantuvo en uso en las revistas estadounidenses (el último artículo publicado por la American Chemical Society con columbium en su título data de 1953 [24]), mientras que el niobio se usó en Europa. Para poner fin a esta confusión, se eligió el nombre niobio para el elemento 41 en la 15ª Conferencia de la Unión de Química en Amsterdam en 1949. [25] Un año después, este nombre fue adoptado oficialmente por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC). después de 100 años de controversia, a pesar de la precedencia cronológica del nombre columbium . [25] Este fue un tipo de compromiso; [25] la IUPAC aceptó tungsteno en lugar de wolframio en deferencia al uso norteamericano; y niobio en lugar de columbio en deferencia al uso europeo. Si bien muchas sociedades químicas y organizaciones gubernamentales de EE. UU. Suelen utilizar el nombre oficial de la IUPAC, algunos metalúrgicos y sociedades del metal todavía utilizan el nombre estadounidense original, " columbium ". [26] [27] [28] [29]
Caracteristicas
Físico
El niobio es un lustroso , gris, dúctil , paramagnético de metal en el grupo 5 de la tabla periódica (ver tabla), con una configuración electrónica en los más exteriores conchas atípicos para el grupo 5. (Esto se puede observar en la vecindad de rutenio (44), rodio (45) y paladio (46).)
Z | Elemento | No. de electrones / capa |
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23 | vanadio | 2, 8, 11, 2 |
41 | niobio | 2, 8, 18, 12, 1 |
73 | tantalio | 2, 8, 18, 32, 11, 2 |
105 | dubnium | 2, 8, 18, 32, 32, 11, 2 |
Aunque se cree que tiene una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo desde el cero absoluto hasta su punto de fusión, las mediciones de alta resolución de la expansión térmica a lo largo de los tres ejes cristalográficos revelan anisotropías que son inconsistentes con una estructura cúbica. [30] Por lo tanto, se esperan más investigaciones y descubrimientos en esta área.
El niobio se convierte en superconductor a temperaturas criogénicas . A presión atmosférica, que tiene la temperatura más alta crítica de los superconductores elementales en 9,2 K . [31] El niobio tiene la mayor profundidad de penetración magnética de cualquier elemento. [31] Además, es uno de los tres superconductores elementales de Tipo II , junto con el vanadio y el tecnecio . Las propiedades superconductoras dependen en gran medida de la pureza del metal niobio. [32]
Cuando es muy puro, es comparativamente blando y dúctil, pero las impurezas lo hacen más duro. [33]
El metal tiene una sección transversal de captura baja para neutrones térmicos ; [34] por lo tanto, se utiliza en las industrias nucleares donde se desean estructuras transparentes a los neutrones. [35]
Químico
El metal adquiere un tinte azulado cuando se expone al aire a temperatura ambiente durante períodos prolongados. [36] A pesar de un alto punto de fusión en forma elemental (2.468 ° C), tiene una densidad más baja que otros metales refractarios. Además, es resistente a la corrosión, presenta propiedades de superconductividad y forma capas de óxido dieléctrico .
El niobio es ligeramente menos electropositivo y más compacto que su predecesor en la tabla periódica, el circonio , mientras que es prácticamente idéntico en tamaño a los átomos de tantalio más pesados, como resultado de la contracción del lantánido . [33] Como resultado, las propiedades químicas del niobio son muy similares a las del tantalio, que aparece directamente debajo del niobio en la tabla periódica . [15] Aunque su resistencia a la corrosión no es tan sobresaliente como la del tantalio, el precio más bajo y la mayor disponibilidad hacen que el niobio sea atractivo para aplicaciones menos exigentes, como revestimientos de cubas en plantas químicas. [33]
Isótopos
El niobio en la corteza terrestre comprende un isótopo estable , 93 Nb. [37] En 2003, se habían sintetizado al menos 32 radioisótopos , cuya masa atómica oscilaba entre 81 y 113. El más estable de ellos es 92 Nb con una vida media de 34,7 millones de años. Uno de los menos estables es 113 Nb, con una vida media estimada de 30 milisegundos. Los isótopos que son más ligeros que el establo 93 Nb tienden a decaer por β + caries , y los que son más pesados tienden a decaer por β - caries , con algunas excepciones. 81 Nb, 82 Nb y 84 Nb tienen rutas menores de desintegración de la emisión de protones retardada β + , 91 Nb se desintegran por captura de electrones y emisión de positrones , y 92 Nb se desintegran tanto por desintegración β + como β - . [37]
Se han descrito al menos 25 isómeros nucleares , que varían en masa atómica de 84 a 104. Dentro de este rango, solo 96 Nb, 101 Nb y 103 Nb no tienen isómeros. El más estable de los isómeros del niobio es 93 m Nb con una vida media de 16,13 años. El isómero menos estable es 84 m Nb con una vida media de 103 ns. Todos los isómeros del niobio se desintegran por transición isomérica o desintegración beta, excepto 92m1 Nb, que tiene una rama menor de captura de electrones. [37]
Ocurrencia
Se estima que el niobio es el 34º elemento más común en la corteza terrestre , con 20 ppm . [38] Algunos piensan que la abundancia en la Tierra es mucho mayor y que la alta densidad del elemento lo ha concentrado en el núcleo de la Tierra. [27] El elemento libre no se encuentra en la naturaleza, pero el niobio se encuentra en combinación con otros elementos en los minerales. [33] Los minerales que contienen niobio a menudo también contienen tantalio. Los ejemplos incluyen columbita ((Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6 ) y columbita-tantalita (o coltán , (Fe, Mn) (Ta, Nb) 2 O 6 ). [39] Minerales de columbita-tantalita (las especies más comunes son columbita- (Fe) y tantalita- (Fe), donde "- (Fe)" es el sufijo de Levinson que informa sobre la prevalencia del hierro sobre otros elementos como el manganeso [40] [41] [42] [43] ) se encuentran con mayor frecuencia como minerales accesorios en intrusiones de pegmatita y en rocas intrusivas alcalinas. Menos comunes son los niobatos de calcio , uranio , torio y los elementos de tierras raras . Ejemplos de tales niobatos son pirocloro ((Na, Ca) 2 Nb 2 O 6 (OH, F)) (ahora un nombre de grupo, siendo un ejemplo relativamente común, por ejemplo, fluorcalciopirocloro [44] [45] [42] [43 ] [46] ) y euxenita (correctamente llamada euxenita- (Y) [47] [42] [43] ) ((Y, Ca, Ce, U, Th) (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 ). Estos grandes depósitos de niobio se han encontrado asociados con carbonatitas ( rocas ígneas de carbonato - silicato ) y como constituyente del pirocloro. [48]
Los tres depósitos de pirocloro más grandes actualmente extraídos, dos en Brasil y uno en Canadá, se encontraron en la década de 1950 y siguen siendo los principales productores de concentrados de mineral de niobio. [15] El depósito más grande está alojado dentro de una intrusión de carbonatita en Araxá , estado de Minas Gerais , Brasil, propiedad de CBMM ( Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração ); el otro depósito brasileño activo está ubicado cerca de Catalão , estado de Goiás , y es propiedad de China Molybdenum , también alojado dentro de una intrusión de carbonatita. [49] Juntas, esas dos minas producen alrededor del 88% del suministro mundial. [50] Brasil también tiene un depósito grande pero aún sin explotar cerca de São Gabriel da Cachoeira , estado de Amazonas , así como algunos depósitos más pequeños, especialmente en el estado de Roraima . [50] [51]
El tercer mayor productor de niobio es la mina Niobec alojada en carbonatita , en Saint-Honoré , cerca de Chicoutimi , Quebec, Canadá, propiedad de Magris Resources . [52] Produce entre el 7% y el 10% del suministro mundial. [49] [50]
Producción
Después de la separación de los demás minerales, se obtienen los óxidos mixtos de tantalio Ta 2 O 5 y niobio Nb 2 O 5 . El primer paso del procesamiento es la reacción de los óxidos con ácido fluorhídrico : [39]
- Ta 2 O 5 + 14 HF → 2 H 2 [TaF 7 ] + 5 H 2 O
- Nb 2 O 5 + 10 HF → 2 H 2 [NbOF 5 ] + 3 H 2 O
La primera separación a escala industrial, desarrollada por de Marignac , explota las diferentes solubilidades del complejo fluoruro de niobio y tantalio , monohidrato de oxipentafluoroniobato dipotásico (K 2 [NbOF 5 ] · H 2 O) y heptafluorotantalato dipotásico (K 2 [TaF 7 ]) en agua. Los procesos más nuevos utilizan la extracción líquida de los fluoruros de una solución acuosa mediante disolventes orgánicos como la ciclohexanona . [39] Los fluoruros complejos de niobio y tantalio se extraen por separado del disolvente orgánico con agua y se precipitan mediante la adición de fluoruro de potasio para producir un complejo de fluoruro de potasio o se precipitan con amoniaco como pentóxido: [53]
- H 2 [NbOF 5 ] + 2 KF → K 2 [NbOF 5 ] ↓ + 2 HF
Seguido por:
- 2 H 2 [NbOF 5 ] + 10 NH 4 OH → Nb 2 O 5 ↓ + 10 NH 4 F + 7 H 2 O
Se utilizan varios métodos para la reducción a niobio metálico. La electrólisis de una mezcla fundida de K 2 [NbOF 5 ] y cloruro de sodio es uno; la otra es la reducción del fluoruro con sodio . Con este método, se puede obtener un niobio de pureza relativamente alta. En la producción a gran escala, el Nb 2 O 5 se reduce con hidrógeno o carbono. [53] En la reacción aluminotérmica , se hace reaccionar una mezcla de óxido de hierro y óxido de niobio con aluminio :
- 3 Nb 2 O 5 + Fe 2 O 3 + 12 Al → 6 Nb + 2 Fe + 6 Al 2 O 3
Se agregan pequeñas cantidades de oxidantes como nitrato de sodio para mejorar la reacción. El resultado es óxido de aluminio y ferroniobio , una aleación de hierro y niobio que se utiliza en la producción de acero. [54] [55] El ferroniobio contiene entre 60 y 70% de niobio. [49] Sin óxido de hierro, el proceso aluminotérmico se utiliza para producir niobio. Es necesaria una mayor purificación para alcanzar el grado de las aleaciones superconductoras . La fusión por haz de electrones al vacío es el método utilizado por los dos principales distribuidores de niobio. [56] [57]
Como de 2013[actualizar], CBMM de Brasil controlaba el 85 por ciento de la producción mundial de niobio. [58] El Servicio Geológico de los Estados Unidos estima que la producción aumentó de 38.700 toneladas en 2005 a 44.500 toneladas en 2006. [59] [60] Los recursos mundiales se estiman en 4.400.000 toneladas. [60] Durante el período de diez años entre 1995 y 2005, la producción se duplicó con creces, a partir de 17.800 toneladas en 1995. [61] Entre 2009 y 2011, la producción se mantuvo estable en 63.000 toneladas por año, [62] con una ligera disminuyó en 2012 a solo 50.000 toneladas por año. [63]
País | 2000 | 2001 | 2002 | 2003 | 2004 | 2005 | 2006 | 2007 | 2008 | 2009 | 2010 | 2011 | 2012 | 2013 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Australia | 160 | 230 | 290 | 230 | 200 | 200 | 200 | ? | ? | ? | ? | ? | ? | ? |
Brasil | 30.000 | 22.000 | 26.000 | 29.000 | 29,900 | 35.000 | 40.000 | 57,300 | 58.000 | 58.000 | 58.000 | 58.000 | 45.000 | 53,100 |
Canadá | 2,290 | 3200 | 3.410 | 3280 | 3.400 | 3.310 | 4.167 | 3,020 | 4.380 | 4.330 | 4.420 | 4.630 | 4.710 | 5.260 |
República Democrática del Congo | ? | 50 | 50 | 13 | 52 | 25 | ? | ? | ? | ? | ? | ? | ? | ? |
Mozambique | ? | ? | 5 | 34 | 130 | 34 | 29 | ? | ? | ? | ? | ? | ? | ? |
Nigeria | 35 | 30 | 30 | 190 | 170 | 40 | 35 | ? | ? | ? | ? | ? | ? | ? |
Ruanda | 28 | 120 | 76 | 22 | 63 | 63 | 80 | ? | ? | ? | ? | ? | ? | ? |
Mundo | 32,600 | 25.600 | 29,900 | 32.800 | 34 000 | 38,700 | 44,500 | 60.400 | 62,900 | 62,900 | 62,900 | 63.000 | 50,100 | 59.400 |
Cantidades menores se encuentran en el depósito Kanyika de Malawi ( mina Kanyika ).
Compuestos
En muchos sentidos, el niobio es similar al tantalio y al circonio . Reacciona con la mayoría de los no metales a altas temperaturas; con flúor a temperatura ambiente; con cloro a 150 ° C e hidrógeno a 200 ° C ; y con nitrógeno a 400 ° C, con productos que frecuentemente son intersticiales y no estequiométricos. [33] El metal comienza a oxidarse en aire a 200 ° C . [53] Resiste la corrosión por álcalis fundidos y por ácidos, incluidos los ácidos agua regia , clorhídrico , sulfúrico , nítrico y fosfórico . [33] El niobio es atacado por el ácido fluorhídrico y las mezclas de ácido fluorhídrico / nítrico.
Aunque el niobio exhibe todos los estados de oxidación formales de +5 a -1, los compuestos más comunes tienen niobio en el estado +5. [33] De manera característica, los compuestos en estados de oxidación menores de 5+ muestran enlaces Nb-Nb. En soluciones acuosas, el niobio solo exhibe el estado de oxidación +5. También es fácilmente propenso a la hidrólisis y es apenas soluble en soluciones diluidas de ácidos clorhídrico , sulfúrico , nítrico y fosfórico debido a la precipitación de óxido de Nb hidratado. [56] Nb (V) también es ligeramente soluble en medios alcalinos debido a la formación de especies solubles de polioxoniobato. [65] [66]
Óxidos y sulfuros
El niobio forma óxidos en los estados de oxidación +5 ( Nb 2 O 5 ), [67] +4 ( NbO 2 ), +3 ( Nb
2O
3), [53] y el estado de oxidación más raro, +2 ( NbO ). [68] El más común es el pentóxido, precursor de casi todos los compuestos y aleaciones de niobio. [53] [69] Los niobatos se generan disolviendo el pentóxido en soluciones básicas de hidróxido o fundiéndolo en óxidos de metales alcalinos. Algunos ejemplos son el niobato de litio (LiNbO 3 ) y el niobato de lantano (LaNbO 4 ). En el niobato de litio hay una estructura similar a la perovskita distorsionada trigonalmente , mientras que el niobato de lantano contiene NbO solo.3−
4iones. [53] También se conoce el sulfuro de niobio en capas (NbS 2 ). [33]
Los materiales pueden recubrirse con una película delgada de procesos de deposición de vapor químico de óxido de niobio (V) o de deposición de capa atómica , producidos por la descomposición térmica del etóxido de niobio (V) por encima de 350 ° C. [70] [71]
Haluros
El niobio forma haluros en los estados de oxidación de +5 y +4 así como diversos compuestos subestequiométricos . [53] [56] Los pentahaluros ( NbX
5) presentan centros octaédricos Nb. El pentafluoruro de niobio (NbF 5 ) es un sólido blanco con un punto de fusión de 79,0 ° C y el pentacloruro de niobio (NbCl 5 ) es amarillo (ver imagen a la izquierda) con un punto de fusión de 203,4 ° C. Ambos se hidrolizan para dar óxidos y oxihaluros, como NbOCl 3 . El pentacloruro es un reactivo versátil que se utiliza para generar compuestos organometálicos , como el dicloruro de nioboceno ( (C
5H
5)
2NbCl
2). [72] Los tetrahaluros ( NbX
4) son polímeros de color oscuro con enlaces Nb-Nb; por ejemplo, el tetrafluoruro de niobio higroscópico negro (NbF 4 ) y el tetracloruro de niobio marrón (NbCl 4 ).
Los compuestos de haluro aniónico de niobio son bien conocidos, debido en parte a la acidez de Lewis de los pentahaluros. El más importante es [NbF 7 ] 2− , un intermedio en la separación de Nb y Ta de los minerales. [39] Este heptafluoruro tiende a formar oxopentafluoruro más fácilmente que el compuesto de tantalio. Otros complejos de haluros incluyen octaédrico [NbCl 6 ] - :
- Nb 2 Cl 10 + 2 Cl - → 2 [NbCl 6 ] -
Al igual que con otros metales con números atómicos bajos, se conoce una variedad de iones de grupos de haluros reducidos, siendo el ejemplo principal [Nb 6 Cl 18 ] 4− . [73]
Nitruros y carburos
Otros compuestos binarios de niobio incluyen el nitruro de niobio (NbN), que se convierte en superconductor a bajas temperaturas y se usa en detectores de luz infrarroja. [74] El principal carburo de niobio es NBC, un extremadamente duro , refractario , de cerámica de material, que se utiliza comercialmente en el corte de brocas de la herramienta .
Aplicaciones
De las 44.500 toneladas de niobio extraídas en 2006, se estima que el 90% se utilizó en acero estructural de alta calidad. La segunda aplicación más importante son las superaleaciones . [75] Los superconductores de aleación de niobio y los componentes electrónicos representan una parte muy pequeña de la producción mundial. [75]
Producción de acero
El niobio es un elemento de microaleación eficaz para el acero, dentro del cual forma carburo de niobio y nitruro de niobio . [27] Estos compuestos mejoran el refinado del grano y retardan la recristalización y el endurecimiento por precipitación. Estos efectos, a su vez, aumentan la tenacidad, resistencia, conformabilidad y soldabilidad. [27] Dentro de los aceros inoxidables microaleados , el contenido de niobio es una adición pequeña (menos del 0,1% [76] ) pero importante a los aceros de baja aleación de alta resistencia que se utilizan ampliamente estructuralmente en los automóviles modernos. [27] El niobio se utiliza a veces en cantidades considerablemente mayores para componentes de máquinas y cuchillas altamente resistentes al desgaste, hasta un 3% en acero inoxidable Crucible CPM S110V. [77]
Estas mismas aleaciones de niobio se utilizan a menudo en la construcción de tuberías. [78] [79]
Superaleaciones
Cantidades de niobio se utilizan en superaleaciones a base de níquel, cobalto y hierro en proporciones de hasta el 6,5% [76] para aplicaciones tales como componentes de motores a reacción , turbinas de gas , subconjuntos de cohetes, sistemas de turbocompresores, resistencia al calor y combustión equipo. El niobio precipita una fase γ '' de endurecimiento dentro de la estructura de grano de la superaleación. [80]
Un ejemplo de superaleación es Inconel 718 , que consta de aproximadamente 50% de níquel , 18,6% de cromo , 18,5% de hierro , 5% de niobio, 3,1% de molibdeno , 0,9% de titanio y 0,4% de aluminio . [81] [82] Estas superaleaciones se utilizaron, por ejemplo, en sistemas avanzados de aire comprimido para el programa Gemini . Se utilizó otra aleación de niobio para la boquilla del módulo de servicio Apollo . Debido a que el niobio se oxida a temperaturas superiores a 400 ° C, es necesario un recubrimiento protector para estas aplicaciones para evitar que la aleación se vuelva quebradiza. [83]
Aleaciones a base de niobio
La aleación C-103 fue desarrollada a principios de la década de 1960 conjuntamente por Wah Chang Corporation y Boeing Co. DuPont , Union Carbide Corp., General Electric Co. y varias otras compañías estaban desarrollando aleaciones a base de Nb simultáneamente, impulsadas en gran parte por la Guerra Fría y Carrera espacial . Está compuesto por 89% de niobio, 10% de hafnio y 1% de titanio y se utiliza para boquillas de propulsores de cohetes líquidos , como el motor principal de los módulos lunares Apollo . [83]
La boquilla de la serie de motores Merlin Vacuum desarrollada por SpaceX para la etapa superior de su cohete Falcon 9 está hecha de una aleación de niobio. [84]
La reactividad del niobio con el oxígeno requiere que se trabaje al vacío o en atmósfera inerte , lo que aumenta significativamente el costo y la dificultad de producción. La refundición por arco al vacío (VAR) y la fusión por haz de electrones (EBM), procesos novedosos en ese momento, permitieron el desarrollo de niobio y otros metales reactivos. El proyecto que produjo C-103 comenzó en 1959 con hasta 256 aleaciones de niobio experimentales en la "C-series" (posiblemente de c olumbium) que podría ser fundido como botones y enrollado en hoja . Wah Chang tenía un inventario de hafnio, refinado a partir de aleaciones de circonio de grado nuclear , que quería poner en uso comercial. La composición experimental número 103 de las aleaciones de la serie C, Nb-10Hf-1Ti, tenía la mejor combinación de propiedades de conformabilidad y alta temperatura. Wah Chang fabricó el primer calor de 500 libras de C-103 en 1961, lingote a hoja, utilizando EBM y VAR. Las aplicaciones previstas incluían motores de turbina e intercambiadores de calor de metal líquido . Las aleaciones de niobio de la competencia de esa época incluían FS85 (Nb-10W-28Ta-1Zr) de Fansteel Metallurgical Corp., Cb129Y (Nb-10W-10Hf-0.2Y) de Wah Chang y Boeing, Cb752 (Nb-10W-2.5Zr) de Union Carbide y Nb1Zr de Superior Tube Co. [83]
Imanes superconductores
Niobio-germanio ( Nb
3Ge ), niobio-estaño ( Nb
3Sn ), así como el niobio-titanio aleaciones se utilizan como un superconductor tipo II de alambre para imanes superconductores . [85] [86] Estos imanes superconductores se utilizan en imágenes de resonancia magnética y de resonancia magnética nuclear instrumentos, así como en los aceleradores de partículas . [87] Por ejemplo, el Gran Colisionador de Hadrones utiliza 600 toneladas de hebras superconductoras, mientras que el Reactor Termonuclear Experimental Internacional utiliza unas 600 toneladas de hebras de Nb 3 Sn y 250 toneladas de hebras de NbTi. [88] Sólo en 1992, se construyeron más de mil millones de dólares en sistemas de imágenes por resonancia magnética clínica con alambre de niobio-titanio. [20]
Otros superconductores
Las cavidades de radiofrecuencia superconductora (SRF) utilizadas en los láseres de electrones libres FLASH (resultado del proyecto cancelado del acelerador lineal TESLA) y XFEL están hechas de niobio puro. [89] Un equipo de cromódulos en Fermilab utilizó la misma tecnología SRF del proyecto FLASH para desarrollar cavidades SRF de nueve celdas de 1,3 GHz hechas de niobio puro. Las cavidades se utilizarán en el acelerador de partículas lineal de 30 kilómetros (19 millas) del International Linear Collider . [90] La misma tecnología se utilizará en LCLS-II en SLAC National Accelerator Laboratory y PIP-II en Fermilab. [91]
La alta sensibilidad de los bolómetros superconductores de nitruro de niobio los convierte en un detector ideal para la radiación electromagnética en la banda de frecuencia THz. Estos detectores fueron probados en el Telescopio Submilimétrico , el Telescopio del Polo Sur , el Telescopio del Laboratorio del Receptor y en APEX , y ahora se utilizan en el instrumento HIFI a bordo del Observatorio Espacial Herschel . [92]
Otros usos
Electrocerámica
El niobato de litio , que es un ferroeléctrico , se usa ampliamente en teléfonos móviles y moduladores ópticos , y para la fabricación de dispositivos de ondas acústicas de superficie . Pertenece a los ferroeléctricos de estructura ABO 3 como tantalato de litio y titanato de bario . [93] Los capacitores de niobio están disponibles como alternativa a los capacitores de tantalio , [94] pero los capacitores de tantalio todavía predominan. El niobio se agrega al vidrio para obtener un índice de refracción más alto , haciendo posible vidrios correctivos más delgados y livianos .
Aplicaciones hipoalergénicas: medicina y joyería
El niobio y algunas aleaciones de niobio son fisiológicamente inertes e hipoalergénicas . Por esta razón, el niobio se utiliza en prótesis e implantes, como marcapasos. [95] El niobio tratado con hidróxido de sodio forma una capa porosa que ayuda a la osteointegración . [96]
Como el titanio, el tantalio y el aluminio, el niobio se puede calentar y anodizar (" anodización de metal reactivo ") para producir una amplia gama de colores iridiscentes para joyería, [97] [98] donde su propiedad hipoalergénica es altamente deseable. [99]
Numismática
El niobio se utiliza como metal precioso en monedas conmemorativas, a menudo con plata u oro. Por ejemplo, Austria produjo una serie de monedas de euro de plata y niobio a partir de 2003; el color de estas monedas es creado por la difracción de la luz por una fina capa de óxido anodizado. [100] En 2012, hay diez monedas disponibles que muestran una amplia variedad de colores en el centro de la moneda: azul, verde, marrón, violeta, violeta o amarillo. Dos ejemplos más son los de Austria 2004 € 25 150 años Semmering Alpine tren de moneda conmemorativa , [101] y el austriaco € 25 2,006 Europeo de Navegación por Satélite moneda conmemorativa . [102] La casa de la moneda austriaca produjo para Letonia una serie similar de monedas a partir de 2004, [103] con una siguiente en 2007. [104] En 2011, la Royal Canadian Mint comenzó la producción de una moneda de plata esterlina y niobio de $ 5 llamada Hunter's Moon. [105] en el que el niobio se oxidó selectivamente, creando así acabados únicos donde no hay dos monedas exactamente iguales.
Otro
Los sellos del tubo de arco de las lámparas de vapor de sodio de alta presión están hechos de niobio, a veces aleado con 1% de circonio ; El niobio tiene un coeficiente de expansión térmica muy similar, a juego con la cerámica de tubo de arco de alúmina sinterizada , un material translúcido que resiste el ataque químico o la reducción por el sodio líquido caliente y el vapor de sodio contenido dentro de la lámpara operativa. [106] [107] [108]
El niobio se usa en varillas de soldadura por arco para algunos grados estabilizados de acero inoxidable [109] y en ánodos para sistemas de protección catódica en algunos tanques de agua, que luego generalmente se recubren con platino. [110] [111]
El niobio es un componente importante de los catalizadores heterogéneos de alto rendimiento para la producción de ácido acrílico por oxidación selectiva de propano. [112] [113] [114] [115]
El niobio se utiliza para fabricar el cable de alto voltaje del módulo receptor de partículas de corona solar de Parker Solar Probe . [116]
Precauciones
Peligros | |
---|---|
NFPA 704 (diamante de fuego) | 0 0 0 |
El niobio no tiene ningún papel biológico conocido. Mientras que el polvo de niobio es un irritante para los ojos y la piel y un riesgo potencial de incendio, el niobio elemental en una escala mayor es fisiológicamente inerte (y por lo tanto hipoalergénico) e inofensivo. Se utiliza con frecuencia en joyería y se ha probado para su uso en algunos implantes médicos. [117] [118]
La mayoría de las personas rara vez encuentran compuestos que contienen niobio, pero algunos son tóxicos y deben tratarse con cuidado. La exposición a corto y largo plazo a niobatos y cloruro de niobio, dos sustancias químicas que son solubles en agua, se ha probado en ratas. Las ratas tratadas con una sola inyección de pentacloruro de niobio o niobatos muestran una dosis letal mediana (DL 50 ) entre 10 y 100 mg / kg. [119] [120] [121] Para la administración oral, la toxicidad es menor; un estudio con ratas produjo una LD 50 después de siete días de 940 mg / kg. [119]
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enlaces externos
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