Niobio

Il niobio è l'elemento chimico con simbolo Nb.^[1]

Niobio
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare	Nb
Numero CAS	7440-03-1
Numero EINECS	231-113-5
PubChem	23936
DrugBank	DBDB13031
SMILES	[Nb]
Proprietà tossicologiche
DL50 (mg/kg)	Ratto: >10 gm/kg (orale e intraperitoneale) Topo: >10 gm/kg (orale e intraperitoneale)[2]
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
Frasi H	228
Consigli P	210 - 240 - 241 - 280 - 370+378

Niobio
41 Nb                                                                                                                                                                                                                                               zirconio ← niobio → molibdeno
Aspetto
Aspetto dell'elemento metallico argenteo
Linea spettrale Linea spettrale dell'elemento
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico	niobio, Nb, 41
Serie	metalli di transizione
Gruppo, periodo, blocco	5 (VB), 5, d
Densità	8 570 kg/m³
Durezza	6
Configurazione elettronica	Configurazione elettronica
Termine spettroscopico	6D1/2
Proprietà atomiche
Massa atomica	92,90638 u
Raggio atomico (calc.)	145(198) pm
Raggio covalente	137 pm
Configurazione elettronica	[Kr]4d45s1
e− per livello energetico	2, 8, 18, 12, 1
Stati di ossidazione	5,3 (debolmente acido)
Struttura cristallina	cubica a corpo centrato
Proprietà fisiche
Stato della materia	solido
Punto di fusione	2 750 K (2 480 °C)
Punto di ebollizione	5 017 K (4 744 °C)
Volume molare	10,83×10−6 m³/mol
Entalpia di vaporizzazione	696,6 kJ/mol
Calore di fusione	26,4 kJ/mol
Tensione di vapore	0,0755 Pa a 2 741 K
Velocità del suono	3480 m/s a 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS	7440-03-1
Elettronegatività	1,6 (scala di Pauling)
Calore specifico	265 J/(kg·K)
Conducibilità elettrica	6,93×106/(m·Ω)
Conducibilità termica	53,7 W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione	652,1 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione	1 380 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione	2 416 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione	3 700 kJ/mol
Energia di quinta ionizzazione	4 877 kJ/mol
Energia di sesta ionizzazione	9 847 kJ/mol
Energia di settima ionizzazione	12 100 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP 91Nb sintetico 680 anni ε 1,253 91Zr 92Nb sintetico 3,47×107 anni β− ε 0,356 2,006 92Mo 92Zr 93Nb 100% Nb è stabile con 52 neutroni 93mNb sintetico 16,13 anni IT 0,031   94Nb sintetico 20 300 anni β− 2,045 94Mo
iso: isotopo NA: abbondanza in natura TD: tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento

Storia

Il niobio, chiamato così in onore di Niobe, una figlia di Tantalo, e precedentemente noto come columbio (Cb), in riferimento alla Columbia americana, fu scoperto nel 1801 da Hatchett in un minerale inviato in Inghilterra dal Massachusetts.^[3] Il nome niobio fu ufficialmente adottato dalla IUPAC nel 1950.^[4]

Per molto tempo fu difficile distinguerlo dal tantalio, fino a quando Heinrich Rose e Jean Charles Galissard de Marignac lo riscoprirono nel 1846. Dato che Rose non era al corrente del precedente lavoro di Hatchett, diede all'elemento il nuovo nome di niobio. Le differenze tra tantalio e niobio furono inequivocabilmente dimostrate nel 1864 da Christian Blomstrand,^[5] che fu il primo a ottenere il metallo in forma pura scaldando il suo cloruro in atmosfera di idrogeno, Henri Sainte-Claire Deville e Louis Joseph Troost, che determinarono le formule di alcuni composti nel 1865.^[5][6]

Chimica nucleare

Caratteristica
Numero atomico[1]	41
Massa molecolare[1]	92,90637 g/mol
Massa monoisotopica[7]	92,90637 g/mol
Stati di ossidazione	+2, +3, +5

Isotopi

Il niobio naturale (Nb) è composto da un isotopo stabile (Nb-93). I radioisotopi più stabili sono Nb-92 con una vita media di 34,7 milioni di anni, Nb-94 (vita media: 20.300 anni) e Nb-91 con una vita media di 680 anni. Esiste anche un isomero nucleare a 31 keV la cui vita media è di 16,13 anni.

Sono stati caratterizzati anche altri ventitré radioisotopi. La maggior parte di questi ha una vita media inferiore a due ore, ad eccezione di Nb-95 (35 giorni), Nb-96 (23,4 ore) e Nb-90 (14,6 ore). Gli isotopi prima Nb-93 decadono principalmente attraverso cattura elettronica, mentre quelli dopo tramite decadimento β con alcuni casi di emissione di neutroni (Nb-104, Nb-109 ed Nb-110).^[8]

Solo Nb-95 (35 giorni), Nb-97 (72 minuti) e gli isotopi più pesanti con emivite di pochi secondi vengono prodotti in quantità significative per fissione, poiché gli altri isotopi sono oscurati da isotopi stabili o a lunghissima emivita (Zr-93) dell'elemento precedente, lo zirconio, derivanti dalla produzione tramite decadimento beta dei frammenti di fissione ricchi di neutroni.

Nb-95 è il prodotto di decadimento dello Zr-95 (64 giorni), quindi la scomparsa del Nb-95 nel combustibile nucleare esausto è più lenta di quanto ci si aspetterebbe dalla sola sua emivita di 35 giorni. Minuscole quantità degli altri isotopi possono essere prodotte come prodotti diretti della fissione.^[8]

Isotopi del nobio^[8]

Simbolo	Z	N	Massa monoisotopica (u)	Emivita	Spin
			Energia di ionizzazione (keV)
81Nb	41	40	80,94903(161)	< 44 ns	-3/2
82Nb	41	41	81,94313(32)	51(5) ms	0+
83Nb	41	42	82,93671(34)	4,1(3) s	+5/2
84Nb	41	43	83,93357(32)	9,8(9) s	+3
84mNb			338(10)	103(19) ns	-5
85Nb	41	44	84,92791(24)	20,9(7) s	+9/2
85mNb			759(10)	12(5) s	-1/2
86Nb	41	45	85,92504(9)	88(1) s	+6
86mNb			250(160)	56(8) s	alto
87Nb	41	46	86,92036(7)	3,75(9) min	-1/2
87mNb			3,84(14)	2,6(1) min	+9/2
88Nb	41	47	87,91833(11)	14,55(6) min	+8
88mNb			40(140)	7,8(1) min	-4
89Nb	41	48	88,913418(29)	2,03(7) h	+9/2
89mNb			0(30)	1,10(3) h	-1/2
90Nb	41	49	89,911265(5)	14,60(5) h	+8
90m1Nb			122,370(22)	63(2) µs	+6
90m2Nb			124,67(25)	18,81(6) s	-4
90m3Nb			171,10(10)	<1 µs	+7
90m4Nb			382,01(25)	6,19(8) ms	+1
90m5Nb			1.880,21(20)	472(13) ns	-11
91Nb	41	50	90,906996(4)	680(130) a	+9/2
91m1Nb			104,60(5)	60,86(22) d	-1/2
91m2Nb			2.034,35(19)	3,76(12) µs	-17/2
92Nb	41	51	91,907194(3)	3,47(24)e+7 a	+7
92m1Nb			135,5(4)	10,15(2) d	+2
92m2Nb			225,7(4)	5,9(2) µs	-2
92m3Nb			2.203,.3(4)	167(4) ns	-11
93Nb	41	52	92,9063781(26)	stabile	+9/2
93mNb			30.,77(2)	16,13(14) a	-1/2
94Nb	41	53	93,9072839(26)	2,03(16)e+4 a	+6
94mNb			40,902(12)	6,263(4) min	+3
95Nb	41	54	94,9068358(21)	34.991(6) d	+9/2
95mNb			235.690(20)	3,61(3) d	-1/2
96Nb	41	55	95,908101(4)	23,35(5) h	+6
97Nb	41	56	96,9080986(27)	72,1(7) min	+9/2
97mNb			743,35(3)	52,7(18) s	-1/2
98Nb	41	57	97,910328(6)	2,86(6) s	+1
98mNb			84(4)	51,3(4) min	+5
99Nb	41	58	98,911618(14)	15(2) s	+9/2
99mNb			365,29(14)	2,6(2) min	-1/2
100Nb	41	59	99914182(28)	1,5(2) s	+1
100mNb			470(40)	2,99(11) s	+4, +5
101Nb	41	60	100.915252(20)	7,1(3) s	+5/2
102Nb	41	61	101.91804(4)	1,3(2) s	1+
102mNb			130(50)	4,3(4) s	alto
103Nb	41	62	102,91914(7)	1,5(2) s	+5/2
104Nb	41	63	103.92246(11)	4,9(3) s	+1
104mNb			220(120)	940(40) ms	alto
105Nb	41	64	104,92394(11)	2,95(6) s	+5/2
106Nb	41	65	105,92797(21)	920(40) ms	+2
107Nb	41	66	106,93031(43)	300(9) ms	+5/2
108Nb	41	67	107,93484(32)	0,193(17) s	+2
109Nb	41	68	108,93763(54)	190(30) ms	+5/2
110Nb	41	69	109,94244(54)	170(20) ms	+2
111Nb	41	70	110,94565(54)	80 ms [>300 ns]	+5/2
112Nb	41	71	111,95083(75)	60 ms [>300 ns]	+2
113Nb	41	72	112,95470(86)	30 ms [>300 ns]	+5/2

Abbondanza e disponibilità

Il niobio non si trova mai allo stato nativo. I minerali in cui compare sono la niobite (Fe, Mn) (Nb, Ta)₂O₆, la niobite-tantalite (Fe, Mn) (Ta, Nb)₂O₆, il pirocloro NaCaNb₂O₆F e l'euxenite (Y, Ca, Ce, U, Th) (Nb, Ta, Ti)₂O₆.^[9] I principali paesi produttori di niobio sono il Brasile, che rappresenta circa il 60% della produzione totale, il Canada, la Nigeria e lo Zaire.^[4]

Caratteristiche atomiche

Il niobio appartiene alla serie dei metalli di transizione, nello specifico al gruppo 5 del vanadio.^[7]

Caratteristica
Configurazione elettronica	[Kr] 4d4 5s1
Energia di ionizzazione[10]	6,75885 eV
Affinità elettronica[11]	0,894 ± 0,025 eV
Elettronegatività[12]	1,6
Polarizzabilità[13]	98(8)
Raggio atomico[14]	164pm

Spettro atomico^[15]

Z	Isoel. Seq.	Guscio	Stato fondamentale	Energia di ionizzazione (eV)
41Nb	Nb	[Kr]4d45s	6D1/2	6.75885
	Zr	[Kr]4d4	5D0	[14.32]
	Y	[Kr]4d3	4F3/2	[25.04]
	Sr	[Kr]4d2	3F2	37.611
	Rb	[Kr]4d	2D3/2	50.5728
	Kr	[Ar]3d104s24p6	1S0	[102.069]
	Br	[Ar]3d104s24p5	2P°3/2	119.1
	Se	[Ar]3d104s24p4	3P2	(136.0)
	As	[Ar]3d104s24p3	4S°3/2	[159.2]
	Ge	[Ar]3d104s24p2	3P0	(180.0)
	Ga	[Ar]3d104s24p	2P°1/2	[200.28]
	Zn	[Ar]3d104s2	1S0	[246.1]
	Cu	[Ar]3d104s	2S1/2	268.59
	Ni	[Ar]3d10	1S0	[482.5]
	Co	[Ar]3d9	2D5/2	(530)
	Fe	[Ar]3d8	3F4	(581)
	Mn	[Ar]3d7	4F9/2	(636)
	Cr	[Ar]3d6	5D4	(688)
	V	[Ar]3d5	6S5/2	(758)
	Ti	[Ar]3d4	5D0	(816)
	Sc	[Ar]3d3	4F3/2	(877)
	Ca	[Ar]3d2	3F2	(940)
	K	[Ar]3d	2D3/2	(1 000)
	Ar	[Ne]3s23p6	1S0	[1 176]
	Cl	[Ne]3s23p5	2P°3/2	[1 230.6]
	S	[Ne]3s23p4	3P2	[1 293.7]
	P	[Ne]3s23p3	4S°3/2	[1 368]
	Si	[Ne]3s23p2	3P0	[1 439]
	Al	[Ne]3s23p	2P°1/2	[1 488]
	Mg	[Ne]3s2	1S0	[1 625.9]
	Na	[Ne]3s	2S1/2	[1 684.97]
	Ne	1s22s22p6	1S0	[4 020.1]
	F	1s22s22p5	2P°3/2	[4 187]
	O	1s22s22p4	3P2	[4 369]
	N	1s22s22p3	(0,3/2)°3/2	[4 540]
	C	1s22s22p2	3P0	[4 815]
	B	1s22s22p	2P°1/2	[5 011]
	Be	1s22s2	1S0	[5 265]
	Li	1s22s	2S1/2	(5 426.066)
	He	1s2	1S0	(22 648.046)
	H	1s	2S1/2	(23 388.850)

Caratteristiche chimico-fisiche

Il niobio è un metallo pesante polveroso^[16] duttile grigio lucente che assume una sfumatura bluastra quando rimane esposto all'aria a temperatura ambiente per tempi prolungati. Anche a temperature non elevate, viene lavorato in atmosfera inerte, dato che già a 200 °C tende a subire ossidazione.^[17]

Caratteristiche elettroniche

Caratteristica
Stato di ossidazione[4]	da +5 a -1

Il niobio è leggermente meno elettropositivo e più piccolo rispetto al suo predecessore nella tavola periodica, mentre è praticamente identico in dimensioni al più pesante tantalio, a causa della contrazione dei lantanidi. L'elettrone d extra sembra contribuire a un legame metallo-metallo più forte nei metalli allo stato solido, portando a un punto di fusione, un punto di ebollizione e un'entalpia di atomizzazione più alti man mano che si procede dai metalli del gruppo IV(A) ai metalli del gruppo VI(A).^[18]

Sebbene il niobio presenti tutti i numeri di ossidazione formali dal +5 fino a -1, il suo stato più stabile è il +5. Lo stato di ossidazione +4 è presente negli alogenuri, mentre gli stati +2 e +3 si trovano in composti a cluster basati su unità M6X12 ottaedriche.^[9]

Caratteristiche termodinamiche

Proprietà[19]
Punto di fusione[12]	2477 °C
Punto di ebollizione[12]	4744 °C
Calore specifico[12]	0,26 J/g K
Entalpia standard di formazione del liquido	29,65 kJ/mol
Entropia standard di formazione del liquido	47,30 J/mol*K a 1 bar

Stato gassoso

Proprietà[19]
Entalpia standard di formazione del gas	733,04 kJ/mol
Entropia standard di formazione del gas	186,29 J/mol*K a 1 bar

Stato solido

Caratteristica
Reticolo cristallino[20]	cubica a corpo centrato
Entropia standard di formazione del solido	36,47 J/mol*K

Nel 1955, Kouzmenko e Kazakova descrissero un minerale, la nenadkevichite, proveniente da Lovazero (Russia), con la composizione (Nb,Ti)Si₂O₇·2H₂O. Rocha e altri ricercatori prepararono e caratterizzarono una serie di analoghi microporosi sintetici della nenadkevichite provenienti da Saint Hilaire, Quebec (Canada), con rapporti molari Ti/Nb che variavano da 0,8 a 17,1. I loro studi suggerirono che il niobio e il titanio sono coordinati in ottaedri distorti.^[4]

Proprietà di trasporto

Caratteristica
Conducibilità termica[12]	53,7 W/m K

Caratteristiche chimiche

Il niobio, che appartiene al gruppo V(A), è per molti aspetti simile ai suoi predecessori del gruppo IV(A). Reagisce con la maggior parte dei non metalli ad alte temperature (il fluoro reagisce con il niobio a temperatura ambiente, il cloro e l'idrogeno a 473 K e l'azoto a 673 K), producendo composti che sono frequentemente interstiziali e non stechiometrici. Il niobio è resistente alla maggior parte dei composti aggressivi e, di conseguenza, alla corrosione.^[4]

È resistente agli acidi, compresi: l'aqua regia, HCl, H₂SO₄, HNO₃ e H₃PO₄, nonché a molti composti organici e inorganici. Il niobio è attaccato da acidi minerali concentrati e caldi, come miscele di HF e HF/HNO₃, ma è resistente agli alcali fusi.^[4]

Reazioni

Le reazioni conosciute del composto sono:^[21][22]

${\displaystyle {\ce {Nb+ + Nb -> (Nb+ * Nb)}}}$ ΔrH° = 569 kJ/mol

${\displaystyle {\ce {(Nb+ * Nb) + Nb -> (Nb+ * 2Nb)}}}$ ΔrH° = 489,9 kJ/mol

${\displaystyle {\ce {(Nb+ * 2Nb) + Nb -> (Nb+ * 3Nb)}}}$ ΔrH° = 589,9 kJ/mol

${\displaystyle {\ce {(Nb+ * 3Nb) + Nb -> (Nb+ * 4Nb)}}}$ ΔrH° = 556,9 kJ/mol

${\displaystyle {\ce {(Nb+ * 4Nb) + Nb -> (Nb+ * 5Nb)}}}$ ΔrH° = 568,2 kJ/mol

${\displaystyle {\ce {(Nb+ * 5Nb) + Nb -> (Nb+ * 6Nb)}}}$ ΔrH° = 650,2 kJ/mol

${\displaystyle {\ce {(Nb+ * 6Nb) + Nb -> (Nb+ * 7Nb)}}}$ ΔrH° = 592 kJ/mol

${\displaystyle {\ce {(Nb+ * 7Nb) + Nb -> (Nb+ * 8Nb)}}}$ ΔrH° = 578,2 kJ/mol

${\displaystyle {\ce {(Nb+ * 8Nb) + Nb -> (Nb+ * 9Nb)}}}$ ΔrH° = 604,2 kJ/mol

Il niobio reagisce inoltre con l'etilene, l'azoto, l'esafluoruro di zolfo, il propilene, l'1-butene, l'isobutano, il propano, il metano e il monossido d'azoto.^[23]

Precauzioni

I composti del niobio sono abbastanza rari da incontrare nella quotidianità; sono tuttavia tossici e dovrebbero essere maneggiati con la necessaria cautela. La polvere di niobio metallico irrita la pelle e gli occhi e può incendiarsi. La tossicità per ingestione risulta lenta.^[17]

Composti

• Carburo di niobio
• Niobato di litio
• Niobato di potassio
• Niobato di sodio
• Ossido di niobio

Applicazioni

Medicina

Il niobio è stato utilizzato in studi clinici sul trattamento dell'obesità e del sovrappeso.^[24] La sua completa inerzia ai fluidi corporei lo rende un componente ideale per gli impianti ossei e può anche essere utilizzato per suturazioni interne.^[9]

Metallurgia

Viene utilizzato come additivo in molte leghe e agisce anche come rifinitore dei grani negli acciai strutturali, dove migliora la resistenza agli shock termici, la duttilità a caldo e la resistenza alla trazione.^[4] Il niobio e alcune delle sue leghe presentano superconduttività, rendendoli di interesse per la realizzazione degli avvolgimenti di magneti ad alta potenza.^[25]

Industria nucleare

A causa della piccola sezione d'urto dei neutroni termici e della buona resistenza a diversi refrigeranti a base di metallo liquido come sodio, litio, ecc., il niobio è di grande interesse nella tecnologia nucleare.^[4]

Industria chimica

Sebbene la sua resistenza alla corrosione non sia così eccezionale come quella del tantalio, il suo prezzo inferiore e la maggiore disponibilità rendono il niobio attraente per usi meno specifici, come rivestimenti negli impianti chimici.^[9]

Elettronica

Il niobio è anche ampiamente utilizzato dall'industria elettronica nella produzione di condensatori, dove il suo film ossidato funge da isolante efficiente, e come filamento o supporto per filamenti.^[9] Il niobio è stato incorporato nelle termocoppie per aumentarne la stabilità a temperature elevate.^[25]

Altre applicazioni

Tra gli altri usi rientrano:

• il carburo di niobio, insieme ai carburi di altri metalli refrattari come tantalio, titanio, tungsteno e vanadio, viene utilizzato come un carburo duro negli utensili da taglio,^[4]
• nei sistemi avanzati di strutture aeronautiche nei programmi spaziali^[25]
• come componente di alcune lenti ottiche a base di fosfato^[25]
• diversi metaniobati sono stati utilizzati nelle ceramiche piezoelettriche e nei dielettrici^[25]
• i materiali ottici non lineari contenenti niobio, tra cui LiNbO₃, LiIO₃, KH₂PO₄, sono utilizzati come generatori armonici, miscelatori di frequenza e oscillatori parametrico nelle regioni UV, visibile e nel vicino IR^[26]
• un'altra classe di composti (K(Ta,Nb)O₃, BaNaNb₅O₁₅, ecc.) mostra le proprietà dei cosiddetti materiali elettroottici, in cui i campi elettrici possono essere utilizzati per controllare i fasci di luce^[26]
• il niobio di altissima purezza è impiegato nella realizzazione di cavità risonanti superconduttive per acceleratori di particelle^[27]

Per le sue proprietà di superconduttore, il niobio è stato utilizzato nel progetto della NASA Gravity Probe B, che ha misurato per la prima volta gli effetti previsti dalla teoria della relatività generale di Einstein per la Terra.^[28]

I catalizzatori contenenti niobio sono promettenti per la scissione dell'acqua^[29] in idrogeno, l'ossidazione selettiva di alcani e olefine^[29][30][31], l'epossidazione^[29] e la conversione della cellulosa in sostanze chimiche preziose^[32][33].

Legislazione

• The Australian Inventory of Industrial Chemicals, su services.industrialchemicals.gov.au.
• Regolamento REACH^[34]
• New Zealand EPA Inventory of Chemical Status, su epa.govt.nz.