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Niobio
; 41	Nb
Aspetto
	Aspetto dell'elementometallico 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
Peso atomico	92,90638
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: isotopo; NA: abbondanza in natura; TD: tempo di dimezzamento; DM: modalità di decadimento; DE: energia di decadimento in MeV; DP: prodotto del decadimento

Il niobio, noto in passato anche col nome di columbio perché scoperto insieme al tantalio nel minerale columbite, è l'elemento chimico di numero atomico 41 e il suo simbolo è Nb. È il secondo elemento del gruppo 5 del sistema periodico (collocato tra il vanadio e il tantalio); fa quindi parte del blocco d ed è un elemento di transizione della seconda serie (5° periodo). È un metallo piuttosto raro, tipicamente duttile, di colore grigiastro.

Presente nella columbite, da cui il nome che gli fu inizialmente attribuito, viene principalmente impiegato nella produzione di leghe metalliche speciali e in saldature ad elevata resistenza.

Caratteristiche

Il niobio è un metallo duttile grigio lucente che assume una sfumatura bluastra quando rimane esposto all'aria a temperatura ambiente per tempi prolungati. Le proprietà chimiche del niobio sono sostanzialmente simili a quelle del tantalio, che appartiene al suo stesso gruppo della tavola periodica degli elementi; questa somiglianza nella reattività di Nb e Ta è dovuta al fatto che le loro dimensioni sono per lo più identiche, fenomeno che è possibile spiegare con la contrazione lantanidica.

Anche a temperature non elevate, viene lavorato in atmosfera inerte, dato che già a 200 °C tende a subire ossidazione.

I suoi stati di ossidazione più comuni sono +2, +3 e +5.

Applicazioni

Il niobio ha molteplici applicazioni: è un componente di alcuni acciai inossidabili e di leghe di metalli non ferrosi; molte di queste leghe sono contraddistinte da un'elevata robustezza e sono impiegate nella realizzazione di condotti. Tra gli altri usi rientrano:

l'impiego nell'industria nucleare, per via della sua bassa sezione d'urto con i neutroni termici;^{[senza fonte]}
la realizzazione di elettrodi per la saldatura ad arco di numerosi acciai speciali;^{[senza fonte]}
solitamente in lega, per via del suo colore blu è usato anche come motivo estetico in piercing e gioielleria^{[senza fonte]}. Nel 2003 è stato utilizzato nella coniazione della moneta bimetallica (argento e niobio) da 25 €, commemorativa dei 700 anni della città di Hall in Tirol, sede dell'antica zecca del Tirolo e poi dell'Impero austro-ungarico. Altri stati stanno seguendo l'esempio dell'Austria nell'uso del niobio in numismatica. La Münze Österreich, la zecca austriaca, nel 2006 ha usato questo metallo, in lega con l'argento, per una moneta da 25 €, commemorativa del sistema di posizionamento europeo;
in leghe ad alta purezza con ferro, nichel e cobalto viene impiegato in ambito aeronautico e aerospaziale per la realizzazione di parti di motori jet, parti di razzi e strutture resistenti alle alte temperature. Nelle missioni del Programma Gemini si è fatto ampio uso di questo materiale;^{[senza fonte]}
l'uso in alternativa al tantalio nei condensatori, ancora allo studio;
Il niobato di litio, cristallo uniassico, ha la proprietà elettroottica di cambiare il proprio indice di rifrazione in funzione della tensione a esso applicata. Questo effetto è sfruttato per costruire modulatori elettroottici per i trasmettitori di sistemi di telecomunicazioni in fibra ottica ad alta capacità (100 Gbit/s e oltre).^[1]^[2]

Il niobio diventa un superconduttore quando viene raffreddato al di sotto della sua temperatura critica, 9,25 K^{[senza fonte]}, che è la più alta tra i superconduttori elementari. Oltre a ciò, il niobio è un superconduttore di tipo II, per cui possiede un campo magnetico critico più elevato di altri metalli puri superconduttori. Leghe niobio-stagno e niobio-titanio sono usate per produrre gli avvolgimenti di magneti superconduttori capaci di produrre campi magnetici di elevatissima intensità. Il niobio di altissima purezza è impiegato nella realizzazione di cavità risonanti superconduttive per acceleratori di particelle.

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.^[3]

I catalizzatori contenenti niobio sono promettenti per la scissione dell'acqua^[4] in idrogeno, l'ossidazione selettiva di alcani e olefine^[5]^[6]^[4]^[7], l'epossidazione^[4] e la conversione della cellulosa in sostanze chimiche preziose^[8]^[9].

Storia

Il niobio (dal personaggio della mitologia greca di Niobe (greco Νιόβη Nióbe), figlia di Tantalo) è stato scoperto da Charles Hatchett nel 1801, che lo chiamò columbio. Hatchett trovò il niobio nei minerali di columbite spediti in Inghilterra attorno al 1650 da John Winthrop, primo governatore del Connecticut. 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,^[10] 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.^[10]^[11]

Dopo circa un secolo di controversia sul nome, nel 1950 la IUPAC decise di adottare ufficialmente il nome di niobio. L'uso del vecchio nome è tuttavia occasionalmente usato nell'industria metallurgica statunitense ancora oggi.

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.

I minerali che contengono niobio contengono spesso anche tantalio. Grandi giacimenti di niobio sono stati trovati associati alle carbonatiti (rocce carbon-silicatiche) come costituenti del pirocloro. Brasile e Canada sono i principali produttori di minerali di niobio; altri siti con consistenti riserve di minerali di niobio sono in Nigeria, nella Repubblica Democratica del Congo e in Russia.

Produzione mondiale

I maggiori produttori di niobio nel 2019^[12]
Posizione	Paese	Produzione (Mille tonnellate)
1	Brasile	88,9
2	Canada	6,8
	Altri paesi	1,2

Isotopi

Il niobio che si trova in natura è composto da un solo isotopo, ⁹³Nb. Il radioisotopo più stabile noto è ⁹²Nb, che ha un'emivita di 34,7 milioni di anni. Seguono ⁹⁴Nb (20 300 anni) e ⁹¹Nb (680 anni). Ne esiste anche un meta-stato avente energia di 0,031 MeV la cui emivita è di 16,13 anni^{[senza fonte]}.

Del niobio sono stati identificati altri 23 isotopi radioattivi, la maggior parte di essi si dimezza in meno di due ore con l'eccezione di ⁹⁵Nb (35 giorni), ⁹⁶Nb (23,4 ore) e ⁹⁰Nb (14,6 ore).

Gli isotopi più leggeri dello stabile ⁹³Nb decadono principalmente attraverso la cattura elettronica, quelli più pesanti invece preferiscono il decadimento beta. ¹⁰⁴Nb, ¹⁰⁹Nb e ¹¹⁰Nb decadono invece inizialmente tramite l'emissione di neutroni.

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.

Il niobio non ha un ruolo biologico conosciuto.

Note

^ Oclaro website, su oclaro.com. URL consultato il 27 marzo 2015 (archiviato dall'url originale il 2 aprile 2015).
^ Oclaro website ^{[collegamento interrotto]}, su oclaro.com.
^ Caterina Visco, Ecco la prova che Einstein sulla gravità aveva ragione, in Wired.it, 5 maggio 2011. URL consultato il 5 maggio 2011.
^ ^a ^b ^c (EN) Agata Wawrzynczak, Izabela Nowak e Agnieszka Feliczak-Guzik, Toward Exploiting the Behavior of Niobium-Containing Mesoporous Silicates vs. Polyoxometalates in Catalysis, in Frontiers in Chemistry, vol. 6, 2018, DOI:10.3389/fchem.2018.00560. URL consultato il 4 gennaio 2021.
^ Surface chemistry of phase-pure M1 MoVTeNb oxide during operation in selective oxidation of propane to acrylic acid, in J. Catal., vol. 285, 2012, pp. 48-60.
^ Multifunctionality of Crystalline MoV(TeNb) M1 Oxide Catalysts in Selective Oxidation of Propane and Benzyl Alcohol, in ACS Catal., vol. 3, n. 6, 2013.
^ Kinetic studies of propane oxidation on Mo and V based mixed oxide catalysts, 2011.
^ (EN) Kai Skrodczky, Margarida M. Antunes e Xianying Han, Niobium pentoxide nanomaterials with distorted structures as efficient acid catalysts, in Communications Chemistry, vol. 2, n. 1, 13 novembre 2019, pp. 1–11, DOI:10.1038/s42004-019-0231-3. URL consultato il 4 gennaio 2021.
^ (EN) Min Wu, Meiyou Huang e Lu Chen, Direct conversion of cellulose to 5-hydroxymethylfurfural over SnNb2O6–ZrO2 catalyst, in Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, vol. 130, n. 2, 1º agosto 2020, pp. 903–918, DOI:10.1007/s11144-020-01823-7. URL consultato il 4 gennaio 2021.
^ ^a ^b Marignac, Blomstrand, Deville, H., Troost, L. e Hermann, R., Tantalsäure, Niobsäure, (Ilmensäure) und Titansäure, in Fresenius' Journal of Analytical Chemistry, vol. 5, 1866, pp. 384–389, DOI:10.1007/BF01302537.
^ (EN) C. K. Gupta e Suri, A. K., Extractive Metallurgy of Niobium, CRC Press, 1994, pp. 1–16, ISBN 978-0-8493-6071-8.
^ Statistiche sulla produzione di niobio por USGS

Bibliografia

Francesco Borgese, Gli elementi della tavola periodica. Rinvenimento, proprietà, usi. Prontuario chimico, fisico, geologico, Roma, CISU, 1993, ISBN 88-7975-077-1.
R. Barbucci, A. Sabatini e P. Dapporto, Tavola periodica e proprietà degli elementi, Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998 (archiviato dall'url originale il 22 ottobre 2010).

Altri progetti

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Collegamenti esterni

niobio, su Treccani.it – Enciclopedie on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
(EN) niobium, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
(EN) Niobium, su periodic.lanl.gov, Los Alamos National Laboratory. URL consultato il 17 febbraio 2005 (archiviato dall'url originale il 15 febbraio 2009).
(EN) Niobium, su WebElements.com.
(EN) Niobium, su EnvironmentalChemistry.com.
(EN) Tantalum-Niobium International Study Center, su tanb.org.

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