Els empèdocles moderns – Charles Hatchett (1801) i l’element 41 (Nb) – niobi (nilquadiuni, Nqu)

Definits pel nombre atòmic, la Unió Internacional de Química Pura i Aplicada (IUPAC), assigna noms propis a 114 elements, concretament a tots els elements de nombre atòmic entre 1 i 116, amb l’excepció dels elements 113 i 115, la descoberta dels quals, reportada en el 2003, no ha estat encara confirmada. Tampoc no ho han estat les dels elements 117 i 118. Una vegada confirmades aquestes descobertes, o les corresponents a altres observacions, també aquests elements rebran un nom propi, de part del grup d’investigadors al qual es reconegui la prioritat. Una de les finalitats és evitar la circulació de sinònims redundants. Duplicacions de noms pel que fa a aquests elements de nombre atòmic tan elevat resultaren de la pugna entre el Lawrence Berkeley Laboratory i l’ОИЯИ de Dubna. Però això també ho trobem en descobertes més antigues. L’element 23, com vam veure, té dues denominacions, la de vanadi, oficialment reconeguda, i la d’eritroni, que històricament tindria prioritat. Les dues denominació de l’element 74, tungstè i wolframi es troben en situació d’igualtat, repartint-se àmbits lingüístics o sectorials. En el cas de l’element 4, beril•li s’ha imposat a glucini. Pel que fa als elements coneguts des de l’antiguitat, la coexistència de sinònims deriva senzillament d’arrels procedents de llengües diferents (com passa amb la dualitat entre l’argent i la plata). Comptat i debatut, el nombre de noms d’elements excedeix ben bé els 114. A banda dels sinònims, hi ha les descobertes que no foren després confirmades. Entre el 1817 i el 1818, hi hagué una proliferació de reports de nous metalls en minerals de zinc i de níquel, que foren batejats amb noms com melini, junoni, vesti, vodani, sir o cadmi. Únicament el cadmi fou confirmat com a substància simple, mentre que els altres caigueren del cistell, identificats amb elements ja prèviament coneguts. En d’altres casos, les tècniques modernes i, particularment, les espectroscòpiques feren que hom distingís nous elements en les anomenades terres rares. El filipi i el decipi, descrits el 1878 per Delafontaine, i el mosandri, descrit el mateix any per Smith, no van ser després confirmats pels altres investigadors, i la seva identificació és avui més matèria de la història de la ciència que cap altra cosa. El mateix val per a una bona sèrie d’elements descrits per Demarçay entre el 1896 i el 1901, dels quals únicament fou acceptat l’europi. Similarment, Urbain & Auer, van descriure correctament el luteci en el 1907, però les descripcions de l’aldebarani i de la cassiopei no foren més que observacions del metall iterbi. Les denominacions de gal•li i germani per als elements 31 i 32, respectivament, són ben acceptades. D’altres denominacions nacionals cercaren de fer-se un lloc en la taula periòdica aprofitant els buits identificats per Mendeleev. Però moltes d’elles no reeixiren, com fou el cas del norvegi de Tellef Dahll, identificat amb el hafni; o l’austri de Linnemann que, irònicament, Lecoq de Boisbaudran identificà amb el gal•li. També caigué el russi de Chroustschoff, descobert pretesament en la monazita, mineral en el qual també d’altres descobriren elements que després no foren confirmats (el damari, el masri, el luci, el victori, etc.). Marco Fontani, Mariagrazia Costa i Mary Virginia han preparat un llibre, que serà publicat el gener del 2015, que du per títol “The Lost Elements” i que fa referència a totes aquestes i a moltes d’altres mostres del “costat fosc de la taula periòdica”. Ara bé, no pensem pas que ho tenim tot liquidat ara, i que només es tracta ja d’anar descobrint/sintetitzant elements de nombre atòmic superior a 119, a base d’experiments en acceleradors de partícules. Els àtoms, partícules de protons, neutrons i electrons, no són més que una part de la matèria de l’univers, probablement el 4,9% del total i el 15,5% de la matèria gravitatòria. Qui sap com haurem d’entendre la nostra taula periòdica, la nostra línia d’elements químics, en un marc més ample. De moment, però, nosaltres arribem al nombre 41 de la nostra sèrie.

Charles Hatchett i la descoberta del niobi

Charles Hatchett va nàixer a Londres el 2 de gener del 1765. El seu pare era un constructor de carruatges molt apreciat. El 24 de març del 1787, el jove Charles es casà amb Elizabeth Collick en St Martin-in-the-Fields. El 27 de gener del 1788 batejaven el primer fill del matrimoni, John Charles, en la mateixa església, al qual seguiria una filla, Anna.

Des de ben jove, Charles Hatchett havia treballat per al negoci familiar. Fou a ell a qui correspongué realitzar personalment el lliurament d’un carruatge encarregat per l’emperadriu i autòcrata de totes les Rússies, Caterina II. El viatge d’anada i tornada a Sankt Petersburg avivà l’interès de Hatchett per les ciències naturals i, molt particularment, per la mineralogia. S’introduí en les teories i mètodes de la química mineralògica, a la qual destinà temps i esforç. Pels seus mèrits científics ingressà com a membre de la Royal Society.

L’estiu del 1801, mentre examinava i classificava espècimens minerals en el British Museum topà amb una peça pesant i de coloració fosca que li captà l’interès per la seva similitud amb el cromat siberià de ferro, amb el qual s’havia familiaritzat en el decurs d’experiments fets per aquella època. Hatchett consultà la informació sobre la peça en el catàleg de Sir Hans Sloane (1660-1753). Segons el que hi deia, Sloane havia rebut aquell espècimen, descrit com “una pedra negra molt pesant amb estries daurades”, de John Winthrop, de Massachusets en el 1734. Procedia d’una mina anomenada Nautneauge, que Hatchett no va poder identificar perquè aquest topònim indià, com molts d’altres, havia estat oblidat.

Era un mineral de color extern gris bru fosc, amb un color intern similar però més decantat a un gris ferri. La fractura longitudinal era imperfectament lamel•lada, i la fractura creuada mostrava un gra fi. El lustre del mineral és vitri, amb algunes zones amb lustre metàl•lic. La duresa era moderada, però la fragilitat elevada. En fer-hi una estria, aquesta i la pols resultant era d’un color bru xocolata fosc. Aquesta pols no era atreta pel magnet. La gravetat específica era de 16380 kg•m-3, un 15% inferior a la del tungstè pur i un 30% superior a la del cromat de ferro siberià.

Columbita procedent de Keystone, a Dakota del Sud

Hatchett realitzà un primer experiment, sotmetent pols fina procedent de l’espècimen a àcid muriàtic bullent durant una hora. La pols perdé coloració, però en general romangué intacta. La pèrdua de color era atribuïble a una dissolució parcialment, principalment de ferro. Efectivament, en tractar l’àcid de l’experiment amb amoníac s’hi formava un precipitat floculant groc, mentre que amb prussiat de potassa apareixia un precipitat blau.

El segon experiment fou digerir una altra alíquota de pols amb àcid nítric. En aquest cas l’atac encara menys perceptible, dissolguent tan sols algunes traces de ferro.

El tercer experiment fou amb àcid sulfúric concentrat, en una bany de sorra a una temperatura prou elevada com per acabar per evaporar gairebé tot l’àcid. Les vores de la massa resultant, de color blavosa, es decoloraven quan s’hi afegia aigua destil•lada bullent. L’atac amb àcid sulfúric era, doncs, més efectiu que el muriàtic i el nítric. De totes formes, la fracció soluble era minoritària.

Hatchett, doncs, va haver de continuar l’anàlisi per altres mètodes. Barrejà 200 grans [=13 grams] de mineral pulveritzat amb 1000 grans de carbonat de potassa. Escalfà la barreja en un gresol d’argent fins a fer-la envermellir. Quan el material comença a fondre, Hatchett observà una nítida efervescència. En desfer-se aquesta efervescència, va abocar el contingut a un recipient i el deixà refredar. Resultà una massa grisa-bruna. Damunt d’ella, Hatchett abocà aigua destil•lada bullent, i ho va fer passar tot per un filtre, retenint un residu bru considerable. El licor que traspassà el filtre tenia una tonalitat lleugerament grogosa.

Aquest licor, en ésser sobresaturat amb àcid nítric, donava lloc a un copiós precipitat floculant blanc.

Pel que fa al residu bru, Hatchett el tornà a fondre amb potassa, i repetí el cicle, però sense gairebé cap efecte. Eliminat l’excés de potassa, dissolgué la pols amb àcid muriàtic, obtenint un color groc pronunciat, indicatiu de la presència de ferro. La pols resultat ara del tractament amb àcid era d’un color molt més pàl•lid. Sobre aquesta pols, repetí el procediment amb potassa, i encara ho va fer cinc vegades més.

Amb aquests experiments, Hatchett estimà que el contingut d’òxid de ferro del mineral era del 20%. El 80% del material restant era una substància purament blanca i no extremadament pesant. Hatchett la tastà, sense trobar-hi cap sabor perceptible. Era un material insoluble en aigua, ni tan sols en aigua bullent. Es tractava d’una substància àcida, ja que, en pols, feia envermellir en qüestió de minuts paper de tornasol.

Hatchett analitzà aquest precipitat blanc en el bufador. Trobà que no era fusible tota sola ni en una cullera de platí, ni tan sols damunt de carbó. També observà el comportament en presència de glòbuls de bòrax, sense trobar-hi reaccions. Sí que en trobà una efervescència quan se la fonia amb carbonat de sosa, donant lloc a una sal incolora. També s’hi formava una sal incolora amb carbonat de potassa. En presència de fosfat d’amoni, la substància blanca sí patia una reacció, que donava lloc a un color blau-verdós.

Pel que fa a la solubilitat d’aquest precipitat blanc, Hatchett registrà que era insoluble en àcid nítric i soluble en àcid sulfúric bullent. La reacció amb l’àcid sulfúric donava lloc a un precipitat semitransparent, de fractura vítria. Hom podia retornar aquest precipitat a la forma original, en fer-lo reaccionar amb potassa, sosa o amoníac.

Hatchett aconseguí fraccionar el precipitat blanc en exposar-lo a lleixiu bullent. En aquestes condicions, tan sols una quarta part del precipitat en pols es dissolia. Aquesta fracció soluble donava lloc a un sal que recordava l’àcid boràcic.

Amb aquests i altres experiments, Hatchett concloïa que el mineral consistia en ferro combinat amb una substància desconeguda. Aquesta substància era de natura metàl•lica, com mostrava el fet de formar precipitats de color amb prussiat de potassa. Es tractaria, en tot cas, d’un metall de difícil reducció, amb algunes característiques diferencials (com ara mantindre el color blanc en digestió amb àcid nítric; ésser soluble en àcids sulfúric i muriàtic donant lloc a solucions incolores; etc.). Hatchett descartava que es tractés d’arsènic, tungstè, molibdè o crom, i encara més descartava que es tractés d’urani, titani o tel•luri.

Hatchett comunicà aquests treballs a la Royal Society. Proposà com a nom del metall el de “columbi” (“columbium”) en referència a l’origen americà (Amèrica, en honor d’Americo Vespucci = Colúmbia, en honor de Cristòfor Colom) del mineral. De fet, Hatchett ja s’havia posat en contacte amb el secretari de la American Philosophical Society, llavors de visita a Anglaterra, per aconseguir noves mostres del mineral. Llegí la comunicació el 26 de novembre del 1801, i així aparegué al Philosophical Transactions. Poc després en Annalen der Physik apareixeria un article sobre el columbi.

En els darrers anys, el nombre de “nous metalls” havia crescut enormement. D’acord amb el paradigma de la química elemental, cadascun d’aquests metalls havia de ser considerat una “substància simple” (o, emprant altres sinònims, un “cos primitiu” o “cos diferenciat”). En el 1789, Lavoisier havia enumerat 17 “substància simples metàl•liques oxidables o acidificables”. Calia afegir el zirconi i l’urani, reportats per Klaproth aquell mateix anys, i el titani de Gregor, reportat el 1791, així com itri de Gadolin, del 1794, etc. Hatchett, però, paradoxalment, desconfiava d’aquesta proliferació:

Sóc ben inclinat a creure que no és potser gaire distant el temps en el que alguns dels metalls recentment descoberts, i d’altres substàncies, que ara són considerades com a cossos simples, primitius i distints, resultarà que són compostos. Amb tot, sostinc aquesta opinió com a probabilitat. Mentre un estat avançat del coneixement química no ens permeti de compondre o, si més no descompondre, aquests cossos, cadascun ha d’ésser classificat i denominat com a substància “sui generis”

El caràcter elemental del columbi, però, no fou universalment acceptat. William Hyde Wollaston (1766-1828) identificà en el 1809 el columbi i el tàntal com el mateix metall. El tàntal havia estat descrit el 1802 per Anders Ekeberg. Ekeberg havia posat aquest nom al “seu” metall perquè, en el decurs de l’estudi del mineral que el contenia, havia realitzat un gran nombre de cicles d’atac àcid, similars als que hem vist fer a Hatchett. Tàntal, com és sabut, oferí als déus olímpics un saborós sopar fet secretament amb la carn del seu propi fill, Pèlops. Els déus, en saber-ho restauraren Pèlops, tret del seu muscle, devorat per Dèmeter, i castigaren eventualment Tàntal en el Tàrtar. Allà, era condemnat a patir eternament de set i de fam al mig d’un estany que el cobria fins al coll, però que s’assecava si abaixava el cap, i a sota d’una branques carregades de fruita, però que el vent feia alçar si aixecava les mans. Ekeberg, com Tàntal, no aconseguí d’aïllar el metall, però sí d’identificar-lo. Wollaston assumí, doncs, que columbi i tàntal eren sinònims, però atenent a un criteri discutible de prioritat, preferí el nom de tàntal per al metall. La identificació del columbi i del tàntal i, per extensió, de la columbita i de la tantalita, no era exempta de controvèrsia. El mateix Wollaston admetia que mentre que la densitat de l’òxid de columbi era de 5918 kg•m-3, la de l’òxid de tàntal era de més de 8000 kg•m-3.

És simptomàtic, per exemple, que John Dalton, a “New System of Chemical Philosophy” (1808), en una llista de 36 elements simples, no inclogui ni el columbi ni el tàntal, encara que sí inclogui l’urani, el tungstè, el titani, el ceri, l’itri, el beril•li o el zirconi.

En canvi, Berzelius, en un assaig del 1813, en el qual enumera 47 elements, sí accepta la identificació de Wollaston. No obstant, com a nom del metall prefereix el de columbi (columbium), simbolitzat per les inicials “Cl”. Berzelius retenia encara el nom de radical muriàtic (simbolitzat amb M) per referir-se a l’element que, seguint Humphry Davy, acabaria universalment conegut com a clor. En imposar-se el nom de clor, i assignar-se a aquest el símbol Cl, el columbi passà a ésser simbolitzat amb Cb.

Mount Claer, a Roehampton (Wandsworth, Londres). Construïda el 1772, fou residència de Charles Hatchett entre el 1807 i 1819

Hatchett fou aliè en bona mesura a aquestes controvèrsies. Les obligacions del negoci familiar l’acabaren apartant de la química. Es va morir el 10 de març del 1847 a Chelsea, a 82 anys. Fou soterrat a St Laurence (Upton, Slough).

La tendència general fou la d’acceptar la denominació de tàntal, com el metall específic comú tant de la columbita com de la tantalita. En la literatura nord-americana, per un cert orgull patri, s’acceptava la identificació però hom preferia el nom de columbi.

Heinrich Rose

En el 1844, Heinrich Rose (1795-1864), de la famosa nissaga de farmacèutics berlinesos, a través de l’anàlisi de diverses mostres de tantalita, hi descrigué un metall addicional diferent del tàntal. Rose considerava que les diferències entre el tàntal d’Ekeberg i el columbi de Hatchett eren degudes a la composició diferent d’una barreja de dos metalls. Rose proposà de reservar el nom de tàntal per al que era de major abundància relativa en la tantalita. Per a l’altre metall proposà el nom de niobi. Níobe, al capdavall, era filla de Tàntal. Com el seu pare, Níobe també desafià els déus, concretament quan es vantà d’ésser mare de sis nois i sis noies, superant ben bé en nombre Letona, que tan sols fou mare d’Apol•lo i Àrtemis. Aquests dos bessons, davant l’afronta a la mare, es venjaren mantant els dotze fills de Níobe, els nois Apol•lo i les noies Àrtemis. Com a símbol químic del niobi, proposà Nb.

Mostra de tantalita procedent de Pilbara (Austràlia). La tantalita i la columbita formen, de fet, un continu, i per això se les denomina de vegades comunament com a columbita-tantalita (coltan). El coltan és conegut en la indústria més freqüentment com a tantalita, i de fet hom l’aprecia sobretot pel tàntal, amb el qual es construeixen capacitors amb nombroses aplicacions electròniques (com ara en telèfons cel•lulars).

Rose, mitjançant ulteriors anàlisis químiques, conclogué que encara hi havia un tercer metall en mostres de tantalita i de columbita. Seguint el mateix criteri que amb el “niobi”, batejà aquest tercer metall amb el nom de “pelopi” (Pèlops, recordem, era fill de Tàntal i, per tant, germà de Níobe). Com a símbol químic del pelopi proposà Pe. En el 1847, Rose estimava diverses proporcions dels compostos d’aquests i d’altres metalls per a mostres de columbita.

Samarskita

En el 1847, hom descrigué a Miass, en la serralada d’Ilmen, en els Urals, un mineral de terra rara. En honor al cap del Cos d’Enginyers Miners de Rússia, Vasili Evgrafovich Samarsky-Bykhovets, el nou mineral fou batejat com a samarskita.

Entre els components de la samarskita, R. Hermann va descriure un nou metall, l’ilmeni (en referència a la serralada d’Ilmen), i en publicà les característiques dels seus compostos i reaccions. Les propietats de l’ilmeni el situaven en el subgrup de metalls conformat pel tàntal, el niobi i el pelopi.

A aquesta llista de metalls, s’afegiren encara alguns altres. Un d’ells va rebre el nom de diani, en honor de Diana (Àrtemis), nèmesi de Níobe. A la proliferació de metalls, calia afegir el fet que a la literatura nord-americana hom interpretà el niobi com un mer sinònim modern del columbi. D’altres consideraven que, de fet, l’únic metall del subgrup provat era el tàntal.

Christian Wilhelm Blomstrand

Christian Wilhelm Blomstrand (1826-1897). Blomstrand analitzà els òxids d’aquest grup de metalls, i els mateixos metalls. Conclogué que únicament tenien caràcter elemental els dos extrems quant a densitat. Així doncs, el niobi era el menys dens i el tàntal el més dens. Quant al columbi, al pelopi, al diani i l’ilmeni, calia interpretar-los com a barregen en menor o major proporció entre el niobi i el tàntal.

John Newlands, en el seu intent de classificar els elements, en el 1865, compta el tàntal i el niobi com a elements diferents. El niobi, simbolitzat per Nb, apareix amb el nombre elemental del 48, la qual cosa el posa en el grup del nitrogen, dins del setè període.

Henri Étienne Sainte-Claire Deville (1818-1881) realitzà treballs sobre la formulació dels compostos de niobi, com també ho feren Louis Josephh Troost (1825-1911) i Jean Charles Galissard de Marignac (1817-1894). Marignac obtingué en el 1864 una quantitat de niobi metàl•lic a partir de la reducció del clorur de niobi en atmosfera de nitrogen. En el 1866, Marginac, Blomstrand, Deville, Troost i Hermann publicaren un article conjunt a “Zeitschrift für analytische Chemie”, sobre els òxids del tàntal, del niobi i del titani. Per pressió de Hermann, encara que entre parèntesi, inclogueren una referència a l’òxid d’ilmeni, de forma que el títol quedà en “Tantalsäure, Niobsäure, (Ilmensäure) und Titansäure”. La memòria de Marginac sobre “les combinaisons du niobium”, del mateix any, semblava tancar la qüestió en favor de la idea que únicament el tàntal i el niobi eren realment elements químics. Marignac, que havia perfeccionat la tècnica d’obtenció de niobi metàl•lic, havia aconseguit una quantitat notable de metall lliure de tàntal.

La literatura nord-americana, però, interpretà els resultats com una ratificació de la proposta de Hatchett. Allà on la literatura europea parlava de niobi (Nb), la literatura nord-americana s’estimava més d’emprar el sinònim de columbi (Cb).

Mendeleev, en la seva taula periòdica dels elements del 1869, inclou el Nb, amb pes atòmic de 64, i el Ta, amb pes atòmic de 182. Els dos metalls apareixen en el mateix grup, el grup del vanadi (V, pes atòmic 51). Si el V apareix en el quart període, el Nb ho fa en el cinquè, i el Ta en el sisè,

Contràriament, Hermann encara sostenia el caràcter elemental de l’ilmeni, diferenciat tant del niobi com del tàntal. En aquest sentit, en el 1871, publicava una nova monografia sobre els compostos d’ilmeni i de niobi i sobre la composició de minerals de niobi (en els quals hi hauria proporcions més o menys elevades d’ilmeni). Aquesta posició cauria en desús, i l’ilmeni acabà per fer companyia al pelopi i el diani en el llistat de “falsos elements”, resultat de la confusió amb barreges de tàntal i niobi.

En la taula del 1871, més compactada, Mendeleev col•loca el niobi en el període 6 del grup 5 (el grup del nitrogen i del fòsfor). De fet, així es corresponia d’acord amb la fórmula de l’òxid més freqüent (Nb2O5).

A començament del segle XX, filaments de niobi foren emprats en el disseny d’algunes bombetes incandescents, que arribaren a comercialitzar-se. En aquesta aplicació, però, aviat el niobi seria substituït pel filament de wolframi que, amb un major punt de fusió, permetia una vida útil més llarga.

A partir dels anys 1920, el niobi fou introduït en la indústria de l’acer, entrant en algunes formulacions per millorar-ne la força.

Cap als anys 1920, fou restaurat en la taula periòdica el grup del vanadi, niobi i tàntal, separat del grup del nitrogen, i col•locat entre els metalls de transició. Perdurava, però, la dualitat terminològica niobi/columbi i simbòlica Nb/Cb. La 15a Conferència de la Unió de Química, celebrada a Amsterdam el 1948, aprovà el niobi (Nb), la denominació més freqüent, com l’única. La decisió fou ratificada per la Unió Internacional de Química Pura i Aplicada en el 1949. La cosa tingué una certa coloració de “compromís” entre europeus i americans. Els americans perdien el columbi (Cb) però imposaven la denominació de tungstè per damunt de la del wolframi (bo i que el símbol W quedava preservat). No tothom a Amèrica acceptà aquesta solució, car al capdavall columbi (Cb) era sinònim anterior, emprat no tan sols per Hatchett sinó també per Berzelius. Els químics nord-americans acabarien per abandonar la denominació de columbi (en el 1953, Ikenberry et al., en un estudi sobre acers inoxidables, foren els darrers en emprar “columbium” en una revista de l’American Chemical Society). Però el nom de “columbi” encara és emprat en la indústria i la recerca metal•lúrgica, i encara és la denominació que utilitza l’United States Geological Survey. La dualitat columbita-tantalita, popularitzada en els darrers anys com a coltan, afavoreix també la persistència del columbi com un sinònim vàlid del niobi. En qualsevol cas, fins i tot en aquests àmbits, hom ha assumit el símbol Nb.

En el 1961, el grup de recerca d’Eugene Kunzler, de Bell Labs, descrigué un aliatge de niobi-estany, que constituïa el primer material superconductor que mantenia aquesta propietat a intensitat elèctriques i camps magnètics elevats. Això fou aprofitat, a partir dels anys 1980, en la producció de cablejat per a electromagnets, especialment utilitzats en acceleradors i detectors de partícules.

El niobi: isòtops i abundància

Com a element monoisotòpic, la massa atòmica estàndard del niobi coincideix amb la del seu únic isòtop (observacionalment) estable, 93Nb, 92,90637 uma. Una llista dels isòtops coneguts faria:
– niobi-81 (81Nb; 80,94903 uma). Nucli format per 41 protons i 40 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 4,4•10-8 s. Decau bé a itri-80 (amb emissió d’un protó i d’un positró), a zirconi-80 (amb emissió d’un protó) o a zirconi-81 (amb emissió d’un positró).
– niobi-82 (82Nb; 81,94313 uma). Nucli format per 41 protons i 41 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,051 s. Decau a zirconi-82, amb emissió d’un positró.
– niobi-83 (83Nb; 82,93671 uma). Nucli format per 41 protons i 42 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4,1 s. Decau a zirconi-83, amb emissió d’un positró.
– niobi-84 (84Nb; 83,93357 uma). Nucli format per 41 protons i 43 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 9,8 s. Decau normalment (>99,9%) a zirconi-84 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (<0,1%), a itri-83 (amb emissió d’un protó i d’un positró). Posseeix un estat metastable (84mNb) a 338 keV, que té una semivida de 1,03•10-7 s.
– niobi-85 (85Nb; 84,92791 uma). Nucli format per 41 protons i 44 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 20,9 s. Decau a zirconi-85, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (85mNb) a 759,0 keV, que té una semivida de 12 s.
– niobi-86 (86Nb; 85,92504 uma). Nucli format per 41 protons i 45 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 88 s. Decau a zirconi-86, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (86mNb) a 250 keV, que té una semivida de 56 s, i que decau directament a zirconi-86.
– niobi-87 (87Nb; 86,92036 uma). Nucli format per 41 protons i 46 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 225 s (4 minuts). Decau a zirconi-87, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (87mNb) a 3,84 keV, que té una semivida de 160 s, i que decau directament a zirconi-87.
– niobi-88 (88Nb; 87,91833 uma). Nucli format per 41 protons i 47 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 873,0 s (15 minuts). Decau a zirconi-88, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (88mNb) a 40 keV, que té una semivida de 470 s, i que decau directament a zirconi-88.
– niobi-89 (89Nb; 88,913418 uma). Nucli format per 41 protons i 48 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 7310 s (2 hores). Decau a zirconi-89, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (89mNb), que té una semivida de 3960 s, i que decau directament a zirconi-89.
– niobi-90 (90Nb; 89,911265 uma). Nucli format per 41 protons i 49 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 5,256•104 s (15). Decau a zirconi-90, amb emissió d’un positró. Posseeix cinc estats metastables, el primer a 122,370 keV (90m1Nb; semivida de 6,3•10-5 s), el segon a 124,67 keV (90m2Nb; semivida de 18,81 s; decau a l’estat basal), el tercer a 171,10 keV (90m3Nb; semivida inferior a 10-6 s ), el quart a 382,01 keV (90m4Nb; semivida de 0,00619 s) i el cinquè a1880,21 keV (90m5Nb; semivida de 4,72•10-7 s).
– niobi-91 (91Nb; 90,906996 uma). Nucli format per 41 protons i 50 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,1•1010 s (680 anys). Decau normalment (99,98%) a zirconi-91 (per captura electrònica) o, alternativament (0,013%), a zirconi-91 (amb emissió d’un positró). Posseeix dos estats metastables, un a 104,60 keV (91m1Nb; amb una semivida de 5,258•106 s; i que decau a l’estat basal (93%) o directament a zirconi-91 (7%, per captura electrònic; 0,0028% amb emissió d’un positró) i un altre a 2034,35 keV (91m2Nb; amb una semivida de 3,76•10-6 s).
– niobi-92 (92Nb; 91,907194 uma). Nucli format per 41 protons i 51 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,09•1015 s (34,7 milions d’anys). Decau normalment (99,95%) a zirconi-92 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (0,05%), a molibdè-92 (amb emissió d’un electró). Present en forma de traces a la Terra, és el radioisòtop no-primordial de semivida més llarga). Posseeix tres estats metastables, un a 135,5 keV (92m1Nb; amb una semivida de 8,769•105 s; decau directament a zirconi-92), un altre a 225,7 keV (92m2Nb; amb una semivida de 5,9•10-6 s) i un tercer a 2203,3 keV (92m3Nb; amb una semivida de 1,67•10-7 s).
– niobi-93 (93Nb; 92,9063781 uma). Nucli format per 41 protons i 52 neutrons. A efectes observacionals, és un isòtop estable. Teòricament, però, seria capaç d’entrar en fissió espontània (seria l’isòtop més lleuger teòricament fissible), per bé això no s’ha observat empíricament. La pràctica totalitat del niobi és 93Nb. Posseeix un estat metastable (93mNb) a 30,77 keV, que té una semivida de 5,090•108 s, que decau a l’estat basal.
– niobi-94 (94Nb; 93,9072839 uma). Nucli format per 41 protons i 53 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 6,321•1011 s (20030 anys). Decau a molibdè-94, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (94mNb) a 40,902 keV, que té una semivida de 375,8 s, i que decau bé a l’estat basal (99,5%) o directament a molibdè-94 (0,5%).
– niobi-95 (95Nb; 94,9068358 uma). Nucli format per 41 protons i 54 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3,0232•106 s (35 dies). Decau a molibdè-95, amb emissió d’un electró. És producte de la fissió de radioisòtops pesants. Posseeix un estat metastable (95mNb) a 235,690 keV, que té una semivida de 3,12•105 s, i que decau bé a l’estat basal (94,4%) o directament a molibdè-95 (5,6%).
– niobi-96 (96Nb; 95,908101 uma). Nucli format per 41 protons i 55 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 8,41•104 s (24 hores). Decau a molibdè-96, amb emissió d’un electró.
– niobi-97 (97Nb; 96,9080986 uma). Nucli format per 41 protons i 56 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4330 s (72 minuts). Decau a molibdè-97, amb emissió d’un electró. És producte de la fissió de radioisòtops pesants, sovint a través de 95Zr. Posseeix un estat metastable (97mNb) a 743,35 keV, que té una semivida de 52,7 s, i que decau a l’estat basal.
– niobi-98 (98Nb; 97,910328 uma). Nucli format per 41 protons i 57 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,86 s. Decau a molibdè-98, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (98mNb) a 84 keV, que té una semivida de 3080 s, que decau bé a l’estat basal (0,1%) o directament a molibdè-98 (99,9%).
– niobi-99 (99Nb; 98,911618 uma). Nucli format per 41 protons i 58 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 15,0 s. Posseeix un estat metastable (99mNb) a 365,29 keV, que té una semivida de 160 s, i que decau bé a l’estat basal (3,8%) o directament a molibdè-99 (96,2%).
– niobi-100 (100Nb; 99,914182 uma). Nucli format per 41 protons i 59 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,5 s. Decau a molibdè-100, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (100mNb) a 470 keV, que té una semivida de 2,99 s, i ddecau directament a molibdè-100.
– niobi-101 (101Nb; 100,915252 uma). Nucli format per 41 protons i 60 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 7,1 s. Decau a molibdè-101, amb emissió d’un electró.
– niobi-102 (102Nb; 101,91804 uma). Nucli format per 41 protons i 61 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,3 s. Decau a molibdè-102, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (102mNb) a 130 keV, que té una semivida de 4,3, i que decau directament a molibdè-102-
– niobi-103 (103Nb; 102,91914 uma). Nucli format per 41 protons i 62 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 1,5 s. Decau a molibdè-103, amb emissió d’un electró.
– niobi-104 (104Nb; 103,92246 uma). Nucli format per 41 protons i 63 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 4,9 s. Decau normalment (99,94%) a molibdè-104 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (0,06%), a molibdè-103 (amb emissió d’un neutró i d’un electró). Posseeix un estat metastable (104mNb) a 220 keV, que té una semivida de 0,940 s, i que decau bé a molibdè-104 (99,95%) o a molibdè-103 (0,05%).
– niobi-105 (105Nb; 104,92394 uma). Nucli format per 41 protons i 64 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,95 s. Decau majoritàriament (98,3%) a molibdè-105 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (1,7%), a molibdè-104 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– niobi-106 (106Nb; 105,92797 uma). Nucli format per 41 protons i 65 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,920 s. Decau majoritàriament (95,5%) a molibdè-106 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (4,5%), a molibdè-105 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– niobi-107 (107Nb; 106,93031 uma). Nucli format per 41 protons i 66 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,3 s. Decau majoritàriament (94%) a molibdè-107 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (6%), a molibdè-106 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– niobi-108 (108Nb; 107,93484 uma). Nucli format per 41 protons i 67 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,193 s. Decau majoritàriament (93,8%) a molibdè-108 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (6,2%), a molibdè-107 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– niobi-109 (109Nb; 108,93763 uma). Nucli format per 41 protons i 68 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,19 s. Decau majoritàriament (69%) a molibdè-109 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (31%), a molibdè-108 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– niobi-110 (110Nb; 109,9244 uma). Nucli format per 41 protons i 69 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,17 s. Decau bé a molibdè-110 (60%; amb emissió d’un electró) o a molibdè-109 (40%; amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– niobi-111 (111Nb; 110,94565 uma). Nucli format per 41 protons i 70 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 0,08 s.
– niobi-112 (112Nb; 111,95083 uma). Nucli format per 41 protons i 71 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,06 s.
– niobi-113 (113Nb; 112,95470 uma). Nucli format per 41 protons i 72 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,03 s.

L’àtom neutre de niobi conté 41 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d104s24p64d45s1. Això el situa com l’element del cinquè període del grup 5 (el grup del vanadi), dins del bloc d (metalls de transició). L’estat d’oxidació més habitual és +5 (corresponent a la cessió dels electrons dels nivells 4d i 5s), encara que també el podem trobar amb +4, +3, +2, 0 i -1. El radi atòmic és de 1,46•10-10 m.

Cristalls de niobi metàl•lic, obtinguts per electròlisi, amb una puresa de 99,995%, i un cub de niobi oxidat anòdicament (99,95% de puresa)

En condicions estàndards de pressió i de temperatura, el niobi elemental apareix un sòlid metàl•lic de color gris i llustrós, dúctil i paramagnètic. Té una densitat de 8570 kg•m-3 a 273,16 K i 101325 Pa. En condicions de gran puresa és relativament tou (6,0 en l’escala de Mohs), però s’endureix en presència d’impuresa. Segueix un estructura cristal•lina cúbica centrada en el cos. Se’l compta entre els metalls refractaris i és resistent a la corrosió química (és atacat, això, sí per l’àcid fluorhídric).

Juntament amb el vanadi i el tecneci, és un dels tres elements que exhibeix propietats superconductores de tipus II (amb formació de vòrtex magnètics quan se li aplica un camp magnètic). En condicions estàndards de pressió, el niobi metàl•lic és un material superconductor fins a una temperatura de 9,2 K, la més elevada dels superconductors elementals. És també l’element amb una major profunditat de penetració magnètica.

En condicions estàndards de pressió, fon a 2750 K i bull a 5017 K.

El niobi elemental exposat a l’aire acaba per prendre una pàtina blavosa. No s’oxida en presència d’aire més que a temperatures superiors a 470 K.

Pentaclorur de niobi (NbCl5)

Entre els compostos del niobi podem esmentar:
– òxids: el més comú és Nb2O5, però també trobem NbO2 i Nb2O3 i, en menor mesura, NbO. La reacció del Nb2O5 en solucions bàsiques dóna lloc a niobats (ions NbO3 o NbO43-).
– sulfur: NbS2.
– nitrur (NbN): és superconductor a baixes temperatures.
– carbur (NbC): és un material ceràmic, dur i refractari.
– halurs: els més habituals són amb estat d’oxidació de +5 o +4, però també pot formar compostos subestequiomètrics. El NbF5 es presenta en condicions estàndards com un sòlid blanc, mentre el NbCl5 ho fa com un sòlid groc. La major tendència relativa de l’ió [NbF7]2- a formar el oxopentafluorur corresponent, és la base de les tècniques més habituals de separació del Nb del Ta.
– compostos organometàl•lics. N’és un exemple el diclorur de niobocè ((C5H5)2NbCl2.

L’abundància del niobi és condicionada pels processos de nucleosíntesi i de fissió que tenen lloc en els estels més massius, així com de l’estabilitat dels seus isòtops. Deixant de banda el seu caràcter fisible, el 93Nb seria l’únic isòtop estable. 95Nb i 97Nb apareixen en les rutes de fissió de radioisòtops pesants. Tot plegat condueix al fet que el niobi, pel lloc que ocupa en la taula periòdic, sigui un element relativament escàs en l’univers. A això contribueix també el fet de tindre un nombre Z senar. L’abundància del niobi és de l’ordre del beril•li, i de fet el superen en abundància tots els altres elements de Z inferior. Pel que fa als de Z superior el superen una bona mà d’elements (molibdè, ruteni, pal•ladi, cadmi, estany, tel•luri, iode, xenó, bari, ceri, neodimi, osmi, iridi, platí i plom).

A la Terra, l’abundància atòmica del niobi seria de 0,12 ppm (0,4 ppm en termes de massa). Com a element litòfil, assoliria una major abundància en l’escorça, on seria el 33è element en termes de massa (20 ppm). No se’l coneix en la natura en la forma metàl•lica. Entre els minerals que porten niobi destaca especialment la columbita-tantalita (coltan, ((Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6), que trobem en intrusions de pegmatita i en roques intrusives alcalines. Amb menys freqüència, trobem niobats minerals de calci (piroclor: (Na,Ca)2Nb2O6(OH,F))), urani, tori, itri o ceri (com l’euxenita: ((Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)2O6. Els grans dipòsits de niobi (piroclor) s’associen amb roques ígnies de carbonats-silicats.

L’abundància del niobi en la hidrosfera continental, molt irregular, depèn del context continental. En l’oceà, la concentració típica és de 0,01 m•m-3.

La presència del niobi en l’atmosfera és transitòria i en forma de traça.

El niobi no és considerat un bioelement. La seva presència a la biosfera és a través de bescanvis passius. En el cos humà, assoleix una abundància de 1,6 ppm (en un cos de 70 kg, hi hauria un total de 1,5 mg).

Com a element fisiològicament inert se’l considera en termes generals innocu i hipoal•lergènic, la qual cosa ha estimulat el seu ús en joieria i fet investigar la seva aplicabilitat en implants mèdics. No obstant, el niobi elemental és una substància irritant i inflamable. Haley et al. (1962) estudiaren en rates la toxicitat del NbCl5, i Downs et al. (1965) examinaren la toxicitat de NbCl5 i KNbO3 en diferents models animals.

Aplicacions del niobi

La producció mundial actual de niobi és de 69000 tones anuals, la qual cosa suposa un augment del 80% respecte dels valors de fa una dècada (entre el 1995 i el 2005, l’augment havia estat del 120%). El dipòsit més gran es troba a una intrusió de carbonatita en Araxá, Minas Gerais, explotada per la CBMM. També és rellevant el dipòsit, també en una intrusió de carbonatita, de Goiàs, explotada per l’Anglo American plc. Tots dos dipòsits suposen el 75% de la producció mundial. El tercer dipòsit, també en carbonatita, l’explota Iamgold Corporation Ltd a Saint-Honoré, Quebec. En aquest sentit, doncs, el niobi fa honor ben bé al nom de columbi, car la immensa majoria de la producció procedeix de l’Hemisferi Occidental. Els minerals de columbi i tàntal, coneguts com a coltan, tenen una gran rellevància estratègica, però més pel tàntal, i la seva aplicació en capacitadors, que no pas pel niobi.

A partir d’aquests dipòsits hom extrau una barreja d’òxids de tàntal (Ta2O5) i de niobi (Nb2O5). Mitjançant a l’exposició a HF aquests òxids donen lloc a H2TaF7 i H2NbOF5, que són separables per la seva solubilitat diferencial, bé en aigua, bé en solvents orgànics (ciclohexanona). Com a agent precipitador sol emprar-se KF, obtenint K2NbOF5, o NH4OH, obtenint Nb2O5.

Làmina de niobi

Per a l’obtenció de niobi metàl•lic hom pot partir de Nb2O5 (reducció amb hidrogen o carboni, o reacció aluminotèrmica amb Fe2O3) o de K2NbOF5 (electrolitzable si se’l barrejar amb NaCl, o reduïble si se’l barreja amb Na). En els processos de separació conjunta amb ferro, que suposen més del 80% de la producció de niobi, s’obté ferroniobi (aliatge de ferro, amb un contingut de niobi del 60-70%).

La principal aplicació quantitativa del niobi (90%) és la producció d’acer estructural d’alt grau. L’addició de niobi com a microelement (habitualment al 0,1%) comporta la formació de NbC i NbN, compostos que milloren la resistència, fortalesa i moldejabilitat de l’acer. Aquests acers s’utilitzen en automòbils, canonades, etc.

Una altra aplicació metal•lúrgica, la segona en importància quantitativa, és l’ús del niobi, del ferroniobi o del níquel-niobi en superal•liatges de níquel, cobalt o ferro. Alguns d’ells foren emprats en motors cosmonàutics en el programa Gemini (1962-1966) i Apol•lo (1968-1972), com l’Inconel 718 (50% Ni, 18,6% Cr, 18,5% Fe, 5% Nb, 3,1% Mo, 0,9% Ti, 0,4% Al) o el C-103 (89% Nb, 10% Hf, 1% Ti).

Esquema de funcionament d’un magnet superconductor

Aliatges de niobi-titani, niobi-germani (Nb3Ge) i niobi-estany (Nb3), són utilitzats com a fils superconductors de tipus II per a magnets. Els magnets superconductors tenen aplicació en aparells d’imatge per ressonància magnètica i en acceleradors de partícules. El NbN és emprat com a material superconductor en microbolòmetres que permeten la detecció de microones, com l’instrument HIFI que emprà el Herschel Space Observatory (2009-2013).

També podem esmentar altres usos:
– el niobat de liti (LiNbO3) és utilitzat com a material ferroelèctric en dispositius electrònics (moduladors òptics) i com a components de telefonia mòbil.
– en la indústria del vidre, el niobi és utilitzat com a additiu per augmentar l’índex refractiu.
– en medicina hom aprofita el caràcter hipoal•lergènic del niobi, i així el trobem en marcapassos, en pròtesis òssies.
– els bells colors que adquireix el niobi elemental escalfat i anoditzat elèctricament són aprofitats en joieria. També hom utilitza el niobi com a metall preciós en monedes commemoratives d’or i d’argent, als quals pot conferir colors diversos (blau, verd, bru, porpre, violeta, groc).

Làmpada de vapor de sodi d’alta pressió. Per fer el tub de descàrrega s’empra alúmina sinteritzada, segellat amb niobi (de vegades addicionat amb 1% de zirconi)

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: