El Niobio (Nb) (trabajo final de Química Inorgánica I)

por Mariana Martínez Pacheco

En 1750 el gobernador de Connecticut en Estados Unidos realizó una donación de una muestra de columbita al museo británico situado en Londres. Este mineral estuvo en exhibición por varios años hasta 1801 cuando el científico británico Charles Hatchett decidió estudiarlo para conocer su procedencia. Nadie lo había analizado por su complejidad, pero esto le dio el logro a Hatchett de descubrir una nueva tierra rara que nombraría Columbio (Cb). El 26 de noviembre del mismo año anunció su descubrimiento ante la Royal Society y lo nombró de esta manera por Columbia, el poético sobrenombre de la nueva nación de Estados Unidos.

Durante muchos años este descubrimiento generó mucha controversia ya que mostraba muchas similaridades con el elemento Tantalio o Tántalo descubierto por Anders Gustaf Ekeberg en la misma época. Hasta que en 1809 el químico William Hyde Wollaston anunció que el Columbio era el mismo elemento que el Tántalo o Tantalio. Sin embargo, en unos años después en 1846 el químico alemán Heinrich Rose “redescubrió” un elemento unido al mineral de la tantalita. Junto con Jean Charles Galissard nombraron al nuevo elemento como Niobio de la palabra griega “Níobe” que significa hija de Tántalo, sin conocer el trabajo de Rose. Tras una serie exhaustiva de experimentos en 1865 se acordó que el Coulombio descubierto por Rose y el Niobio eran el mismo elemento, con diferente nombre. Un año antes en 1864 Christian Blomstrand logró aislar por primera vez al elemento en cuestión, al reducir NbCl5 en una atmósfera de hidrógeno a una temperatura elevada. Casi 100 años después en 1950 se declaró oficialmente el nombre de Niobio para el elemento dentro de la tabla periódica por la IUPAC (The International Union of Pure and Applied Chemistry) pero el nombre de columbio sigue siendo de uso corriente en los países anglosajones en la metalurgia en los Estados Unidos. Se estima que el niobio es el 33 º elemento más común en la superficie de la Tierra, con 20 ppm lo que representa el 2·10-3% en peso de la corteza terrestre siendo Brasil el principal exportador. El elemento no se encuentra libre en la naturaleza, pero el niobio se produce en combinación con otros elementos minerales. Los minerales que contienen niobio a menudo también contienen tántalo. Los ejemplos incluyen la columbita y tantalita. Las aleaciones son usadas para mejorar la dureza y resistencia de los materiales, sólo se ocupa el 0.1% de este material.

Es muy utilizado en aleaciones, herramientas, troqueles e imanes superconductores. Su estructura es cristalina es cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Debe colocarse en una atmósfera protectora cuando se procesa incluso a temperaturas moderadas porque tiende a reaccionar ante el oxígeno, carbono, halógenos, nitrógeno y azufre. El metal es inerte a los ácidos, incluso al agua a temperatura ambiente, pero es atacado por ácidos calientes y concentrados, y especialmente por los alcalinos y por agentes oxidantes.

Tiene un isótopo natural el 93-Nb y treinta y dos inestables, uno de ellos con un período de semidesintegración de 3,47×107 años (92-Nb); el resto de los inestables tiene un período de semidesintegración que oscila entre 0,17 segundos (110-Nb) y 20300 años (94-Nb). El modo de desintegración principal de los isótopos más ligeros que el estable Nb-93 es la captura electrónica y de los más pesados que el estable la emisión beta y, en el caso de los isótopos Nb-104, 109 y 110, también la emisión neutrónica.

Propiedades Fisicoquímicas:

Masa Atómica	92,90638 uma
Punto de Fusión	2477 C
Punto de Ebullición	4744 C
Densidad	8.570g/cm³
Potencial Normal de Reducción	- 0,65 V Nb2 O5 | Nb solución ácida
Conductividad Térmica	53,70 J/m s ºC
Conductividad Eléctrica	80,0 (mOhm.cm)-1
Calor Específico	271,7 J/kg ºK
Calor de Fusión	27,2 kJ/mol
Calor de Vaporización	695,0 kJ/mol
Calor de Atomización	726,0 kJ/mol de átomos
Estados de Oxidación	-1, +2, +3 , +4, +5
1ª Energía de Ionización	652,8 kJ/mol
2ª Energía de Ionización	1381,7 kJ/mol
3ª Energía de Ionización	2416 kJ/mol
Afinidad Electrónica	86 kJ/mol
Radio Atómico	1,46 Å
Radio Covalente	1,34 Å
Radio Iónico	Nb+3 = 0,71 Å Nb+5 = 0,70 Å
Volumen Atómico	10,4 cm³/mol
Polarizabilidad	15,7 ų
Electronegatividad (Pauling)	1,6
Configuración electrónica	[Kr]4d4 5s1

Hace unos años se publicó un artículo titulado “Graphene field effect transistors with niobium contacts and asymmetric transfer characteristics” donde fabricaron transistores con efecto de puerta usando electrodos de Niobio en monocapas de grafeno exfoliado y su desempeño eléctrico operaba en un rango de presión desde atmosférica hasta 10^-4 mbar. Se demostró que el Nb débilmente quimisorbido actúa como dopante p en el grafeno y explica las características del transistor por las interacciones NB/grafeno a un nivel de Fermi en la interfase.

Bibliografía

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Papp John F. Niobium (2008) Niobium (Columbium) and Tantalum Minerals Yearbook U.S. Department of the Interior U.S. Geological Survey

Schulz Klaus (2014)  Niobium and Tantalum—Indispensable Twins USGS Mineral Resources Program ISSN ISSN 2327– 6932 (online)http://dx.doi.org/10.3133/fs20143054