Niobio (Nb): estructura, propiedades, usos, obtención
El niobio es un elemento químico que pertenece al grupo V de la tabla oeriódica. Pertenece a los metales de la segunda serie de transición. Su símbolo químico es Nb. La mayoría de sus características y comportamiento corresponden a las de un metal, sin embargo, algunas de sus propiedades químicas en estado de oxidación +5 son muy similares a las de un no metal.
Cuando fue descubierto en 1801 se le asignó el nombre de columbio, en honor a Cristóbal Colón, pues formaba parte de una muestra de mineral traída desde América hasta Inglaterra.
Durante cierto tiempo el columbio (Cb) y el tantalio (Ta) eran considerados el mismo elemento, hasta que tras muchas dificultades se identificaron las diferencias entre ambos.
El columbio fue entonces, por su similitud con el tantalio, denominado niobio, término derivado de Niobe, hija de Tantalus, que es un personaje de la mitología griega condenado a la frustración eterna e hijo del dios Júpiter. En la industria metalúrgica de los Estados Unidos el niobio aún es llamado columbio.
Es un metal refractario, por lo que resiste muy altas temperaturas sin fundirse ni descomponerse. Cuando se encuentra fundido puede mezclarse en cualquier proporción con el hierro.
Por ello se emplea en la producción de acero para diversas aplicaciones, incluyendo la industria de la aviación y aeroespacial. También se utiliza en implantes óseos por su biocompatibilidad con tejidos vivos.
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La configuración electrónica de este elemento es:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d4 5s1,
o también:
[Kr] 4d4 5s1,
Esta configuración explica que su estado de oxidación más firme sea +5, pues cuando pierde 5 electrones de sus capas más externas (4d4 5s1) adquiere la configuración estable del gas noble kriptón (Kr). Sin embargo, también posee otras valencias.
La estructura cristalina del niobio es cúbica centrada, lo que significa que 8 átomos se ubican formando un cubo y en el centro de este se encuentra también un átomo.
- Niobio, símbolo químico Nb
- Columbio, símbolo químico Cb
41
Sólido metálico con brillo plateado.
92,9
2477 ºC
4741 ºC
8,57 g/cm3
Cuando se encuentra en estado líquido, es decir, fundido, es completamente miscible con el hierro. Es insoluble en agua.
Posee una alta resistencia a la corrosión y a muchas sustancias químicas. Por esta razón es muy resistente a los ácidos, sin embargo, es atacado por el ácido fluorhídrico (HF) y reacciona vigorosamente con una mezcla de este con ácido nítrico (HNO3).
Se disuelve lentamente en hidróxido de sodio (NaOH) o hidróxido de potasio (KOH) fundidos, pero es resistente a las soluciones de amoníaco (NH3).
El estado de oxidación +5 es el que genera los compuestos más estables de este elemento, tales como el fluoruro, el tartrato, el oxalato y el peróxido. No obstante, también tiene compuestos con otras valencias.
Dependiendo de su pureza puede poseer ser muy dúctil, es decir, que puede ser sujeto a deformación con facilidad permitiendo incluso obtener alambres. Sin embargo, al aumentar la elongación del material, se vuelve más duro y resistente, perdiendo ductilidad, pero sin ser quebradizo.
Es un material altamente resistente al calor, soportando muy altas temperaturas sin fundirse ni descomponerse, manteniendo sus propiedades mecánicas, por ello pertenece a la clase de los metales refractarios.
Posee propiedades de superconductor, lo que significa que al ser enfriado por debajo de cierta temperatura no ofrece resistencia al paso de corriente eléctrica, convirtiéndose en un conductor eléctrico perfecto.
Las fuentes más importantes de este elemento son los minerales columbita, también denominado niobita o ferrocolumbita, y pirocloro. La columbita también contiene tantalio (Ta), por lo que hay que separar el Nb de dicho metal.
Uno de los métodos de extracción se basa en la diferencia en los puntos de ebullición entre el cloruro de Nb y el de Ta. Se comienza tratando el mineral con gas cloro (Cl2), de manera que se formen los cloruros de los metales.
Luego se realiza una destilación; el cloruro de tantalio (TaCl5) tiene un punto de ebullición de 236 °C, mientras que el NbCl5 hierve a 248 °C. Por lo tanto al calentar la mezcla se recupera antes el cloruro de tantalio y luego el de niobio.
El Nb también se genera como producto secundario durante la extracción de estaño.
Es de mucha utilidad en la fabricación de acero, en el cual a temperaturas elevadas se combina con el carbono y el nitrógeno para formar partículas muy finas de carburo de niobio (NbC) y nitruro de niobio (NbN).
Por ello su presencia en dicho material ayuda a controlar el tamaño de grano y mejorar la resistencia a la corrosión.
Además aumenta la resistencia mecánica de las aleaciones, especialmente a bajas temperaturas, por lo que es útil en la industria de la aviación, donde se utiliza en cohetes y motores de jet. Como ventaja adicional en esta aplicación, entre los metales refractarios es el que posee la menor densidad.
Sus aleaciones se emplean en vigas para estructuras de edificios y de plataformas de extracción de petróleo, y en gasoductos y oleoductos. Algunas de las aleaciones de niobio con acero al cromo y molibdeno se usan en aplicaciones para altas temperaturas como hervidores.
También tiene utilidad en acero para herramientas resistentes al desgaste y la abrasión. Y por su alta ductilidad puede emplearse en procesos de conformado, entre los cuales se pueden mencionar el prensado, la flexión y el estampado.
Por sus propiedades de superconducción se emplea para fabricar magnetos superconductores que se usan en aceleradores de partículas, utilizados por los investigadores en física de partículas subatómicas.
Estos imanes también se usan en equipos de resonancia magnética nuclear para el análisis de estructuras de compuestos químicos y en escáneres de imágenes por resonancia magnética, los cuales sirven para obtener imágenes internas del cuerpo humano con propósitos de diagnóstico médico.
Los óxidos de niobio se añaden a las preparaciones de vidrios para lentes correctivos para aumentar su índice de refracción y permitir la elaboración de vidrios más delgados.
Mediante el proceso de anodización se aplica a este metal una capa densa de óxido con ciertas sustancias, la cual permite que brille con colores atractivos y de esta forma se fabrican alambres decorativos y también se inserta sobre monedas.
Con el niobio se producen recipientes para evaporación resistentes a la corrosión que son útiles en la tecnología de revestimiento. También se fabrican crisoles especiales.
Se emplea además en materiales que sirven para implantes óseos, debido a que es altamente biocompatible con los tejidos del organismo humano.
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