El grupo 5 es un grupo de elementos de la tabla periódica . El grupo 5 contiene vanadio (V), niobio (Nb), tantalio (Ta) y dubnio (Db). [1] Este grupo se encuentra en el bloque d de la tabla periódica. Este grupo a veces se denomina grupo vanadio o familia del vanadio en honor a su miembro más ligero; Sin embargo, el grupo en sí no ha adquirido un nombre trivial porque pertenece al grupo más amplio de los metales de transición .
Como es típico de los primeros metales de transición, el niobio y el tantalio tienen sólo el estado de oxidación del grupo +5 como principal, y son bastante electropositivos (es fácil donar electrones) y tienen una química de coordinación menos rica (la química de los iones metálicos). unido a moléculas). Debido a los efectos de la contracción de los lantánidos , la disminución de los radios iónicos en los lantánidos , tienen propiedades muy similares. El vanadio es algo distinto debido a su tamaño más pequeño: también tiene estados +2, +3 y +4 bien definidos (aunque +5 es más estable).
Los tres elementos más ligeros del Grupo 5 se producen de forma natural y comparten propiedades similares; los tres son metales refractarios duros en condiciones estándar. El cuarto elemento, el dubnio , se ha sintetizado en laboratorios, pero no se ha encontrado que se presente en la naturaleza, siendo la vida media del isótopo más estable, el dubnio-268, de sólo 16 horas, y otros isótopos aún más radiactivos .
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Grupo 5 es el nuevo nombre IUPAC para este grupo; el nombre de estilo antiguo era grupo VB en el antiguo sistema estadounidense (CAS) o grupo VA en el sistema europeo (antiguo IUPAC). El grupo 5 no debe confundirse con el grupo con los nombres cruzados del grupo de estilo antiguo de VA (sistema estadounidense, CAS) o VB (sistema europeo, antiguo IUPAC); ese grupo ahora se llama pnictógenos o grupo 15.
El vanadio fue descubierto en 1801 por el mineralogista español Andrés Manuel del Río . Del Río extrajo el elemento de una muestra de mineral mexicano de "plomo marrón", posteriormente denominado vanadinita . Descubrió que sus sales exhiben una amplia variedad de colores y, como resultado, nombró al elemento pancromo (griego: παγχρώμιο "todos los colores"). Más tarde, Del Río cambió el nombre del elemento eritronio (griego: ερυθρός "rojo") porque la mayoría de las sales se volvían rojas al calentarlas. En 1805, el químico francés Hippolyte Victor Collet-Descotils , respaldado por el barón Alexander von Humboldt , amigo de Del Río , declaró incorrectamente que el nuevo elemento de Del Río era una muestra impura de cromo . Del Río aceptó la declaración de Collet-Descotils y se retractó de su reclamo. [2]
En 1831, el químico sueco Nils Gabriel Sefström redescubrió el elemento en un nuevo óxido que encontró mientras trabajaba con minerales de hierro . Más tarde ese año, Friedrich Wöhler confirmó el trabajo anterior de Del Río. [3] Sefström eligió un nombre que comenzaba con V, que aún no había sido asignado a ningún elemento. Llamó al elemento vanadio en honor al antiguo nórdico Vanadís (otro nombre de la diosa nórdica Vanir Freyja , cuyos atributos incluyen la belleza y la fertilidad), debido a los muchos compuestos químicos de hermosos colores que produce. [3] En 1831, el geólogo George William Featherstonhaugh sugirió que el vanadio debería pasar a llamarse rionio en honor a Del Río, pero esta sugerencia no fue seguida. [4]
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El niobio fue identificado por el químico inglés Charles Hatchett en 1801. [5] [6] [7] Encontró un nuevo elemento en una muestra de mineral que había sido enviada a Inglaterra desde Connecticut , Estados Unidos, en 1734 por John Winthrop FRS (nieto de John Winthrop el Joven ) y nombró al mineral columbita y al nuevo elemento columbium en honor a Columbia , [8] el nombre poético de los Estados Unidos. [9] [10] [11] Sin embargo, después de la 15ª Conferencia de la Unión de Química en Ámsterdam en 1949, se eligió el nombre de niobio para el elemento 41. [12] El columbio descubierto por Hatchett era probablemente una mezcla del nuevo elemento con tantalio, [9] que fue descubierto por primera vez en 1802 por Anders Gustav Ekeberg .
Posteriormente, hubo una considerable confusión [13] sobre la diferencia entre el columbio (niobio) y el tantalio, estrechamente relacionado. En 1809, el químico inglés William Hyde Wollaston comparó los óxidos derivados del columbio (columbita, con una densidad de 5,918 g/cm 3 ) , y del tantalio ( tantalita) , con una densidad superior a 8 g/cm 3 , y concluyó que los dos óxidos, a pesar de la diferencia significativa en densidad, fueron idénticas; por eso mantuvo el nombre de tantalio. [13] Esta conclusión fue cuestionada en 1846 por el químico alemán Heinrich Rose , quien argumentó que había dos elementos diferentes en la muestra de tantalita, y los nombró en honor a los hijos de Tantalus : niobio (de Niobe ) y pelopio (de Pelops ). [14] [15] Esta confusión surgió de las diferencias mínimas observadas entre tantalio y niobio. Los nuevos elementos reivindicados pelopio , ilmenio y dianio [16] eran en realidad idénticos al niobio o a mezclas de niobio y tantalio. [17] El tantalio puro no se produjo hasta 1903. [18]
El último elemento del grupo, el dubnio , no se produce de forma natural y, por lo tanto, debe sintetizarse en un laboratorio. La primera detección reportada fue por un equipo del Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear (JINR), que en 1968 había producido el nuevo elemento bombardeando un objetivo de americio -243 con un haz de iones de neón -22, y reportó 9,4 MeV (con un vida media de 0,1 a 3 segundos) y 9,7 MeV ( t 1/2 > 0,05 s) actividades alfa seguidas de actividades alfa similares a las de 256 103 o 257 103. Con base en predicciones teóricas anteriores, se asignaron las dos líneas de actividad a 261.105 y 260.105 , respectivamente. [19]
Después de observar las desintegraciones alfa del elemento 105, los investigadores se propusieron observar la fisión espontánea (FS) del elemento y estudiar los fragmentos de fisión resultantes. Publicaron un artículo en febrero de 1970, informando múltiples ejemplos de dos de estas actividades, con vidas medias de 14 ms y2,2 ± 0,5 s . Asignaron la primera actividad a 242mf Am [a] y atribuyeron la última actividad a un isótopo del elemento 105. Sugirieron que era poco probable que esta actividad pudiera provenir de una reacción de transferencia en lugar del elemento 105, porque el índice de rendimiento para esta reacción fue significativamente menor que el de la reacción de transferencia que produce Am de 242 mf , de acuerdo con las predicciones teóricas. Para establecer que esta actividad no se debía a una reacción ( 22 Ne, x n), los investigadores bombardearon un objetivo de 243 Am con 18 iones de O; las reacciones que produjeron 256 103 y 257 103 mostraron muy poca actividad SF (que coincide con los datos establecidos), y la reacción que produjo 258 103 y 259 103 más pesados no produjo actividad SF en absoluto, de acuerdo con los datos teóricos. Los investigadores concluyeron que las actividades observadas provenían del SF del elemento 105. [19]
Luego, JINR intentó un experimento para crear el elemento 105, publicado en un informe en mayo de 1970. Afirmaron que habían sintetizado más núcleos del elemento 105 y que el experimento confirmaba su trabajo anterior. Según el artículo, el isótopo producido por JINR fue probablemente 261 105, o posiblemente 260 105. [19] Este informe incluyó un examen químico inicial: se aplicó la versión de gradiente térmico del método de cromatografía de gases para demostrar que el cloruro de lo que se había formado a partir de la actividad del SF casi igualaba a la del pentacloruro de niobio , en lugar del tetracloruro de hafnio . El equipo identificó una actividad de SF de 2,2 segundos en un cloruro volátil que presenta propiedades de eka-tantalio e infirió que la fuente de la actividad de SF debe haber sido el elemento 105. [19]
En junio de 1970, JINR realizó mejoras en su primer experimento, utilizando un objetivo más puro y reduciendo la intensidad de las reacciones de transferencia instalando un colimador antes del receptor. Esta vez, pudieron encontrar actividades alfa de 9,1 MeV con isótopos hijos identificables como 256 103 o 257 103, lo que implica que el isótopo original era 260 105 o 261 105. [19]
Estalló una controversia sobre quién había descubierto el elemento, y cada grupo sugirió su propio nombre: el grupo de Dubna nombró al elemento nielsbohrium en honor a Niels Bohr , mientras que el grupo de Berkeley lo nombró hahnio en honor a Otto Hahn . [20] Finalmente, un grupo de trabajo conjunto de IUPAC e IUPAP , el Grupo de Trabajo Transfermium, decidió que el crédito por el descubrimiento debería compartirse. Después de que se intentaron varios compromisos, donde el elemento 105 se llamó kurchatovium , joliotium y hahnium , en 1997 la IUPAC nombró oficialmente al elemento dubnium en honor a Dubna, [21] [18] y nielsbohrium finalmente se simplificó y se usó para el elemento 107 .
Al igual que otros grupos, los miembros de esta familia muestran patrones en su configuración electrónica , especialmente en las capas más externas. (La configuración esperada 4d 3 5s 2 para el niobio es un estado excitado muy bajo, de aproximadamente 0,14 eV). [22]
La mayor parte de la química se ha observado sólo en los tres primeros miembros del grupo (la química del dubnio no está muy establecida, pero lo que se sabe parece coincidir con las expectativas para un congénere más pesado del tantalio). Todos los elementos del grupo son metales reactivos con altos puntos de fusión (1910 °C, 2477 °C, 3017 °C). La reactividad no siempre es obvia debido a la rápida formación de una capa de óxido estable, que evita reacciones posteriores, de manera similar a las tendencias en el Grupo 3 o el Grupo 4. Los metales forman óxidos diferentes: el vanadio forma óxido de vanadio (II) , el vanadio (III) óxido , óxido de vanadio (IV) y óxido de vanadio (V) , el niobio forma óxido de niobio (II) , óxido de niobio (IV) y óxido de niobio (V) , pero de los óxidos de tantalio solo se caracteriza el óxido de tantalio (V) . Los óxidos de metal (V) generalmente no son reactivos y actúan como ácidos en lugar de bases, pero los óxidos inferiores son menos estables. Sin embargo, tienen algunas propiedades inusuales para los óxidos, como una alta conductividad eléctrica. [23]
Los tres elementos forman diversos compuestos inorgánicos , generalmente en el estado de oxidación +5. También se conocen estados de oxidación más bajos, pero son menos estables y su estabilidad disminuye con el aumento de masa atómica.
El vanadio forma óxidos en los estados de oxidación +2, +3, +4 y +5 , formando óxido de vanadio(II) (VO), óxido de vanadio(III) (V 2 O 3 ), óxido de vanadio (IV) (VO 2 ) y óxido de vanadio (V) (V 2 O 5 ). El óxido de vanadio (V) o pentóxido de vanadio es el más común, siendo precursor de la mayoría de las aleaciones y compuestos de vanadio, y también es un catalizador industrial ampliamente utilizado. [24]
El niobio forma óxidos en los estados de oxidación +5 ( Nb 2 O 5 ), [25] +4 ( NbO 2 ) y el estado de oxidación más raro, +2 ( NbO ). [26] El más común es el pentóxido, siendo también precursor de casi todos los compuestos y aleaciones de niobio. [23] [27]
El pentóxido de tantalio (Ta 2 O 5 ) es el compuesto más importante desde la perspectiva de las aplicaciones. Los óxidos de tantalio en estados de oxidación más bajos son numerosos, incluidas muchas estructuras defectuosas , y están poco estudiados o mal caracterizados. [26]
En solución acuosa, el vanadio (V) forma una extensa familia de oxianiones según lo establecido por espectroscopia de RMN de 51 V. [28] Las interrelaciones en esta familia se describen mediante el diagrama de predominio , que muestra al menos 11 especies, dependiendo del pH y la concentración. [29] El ion ortovanadato tetraédrico, VO3-4
, es la principal especie presente a pH 12-14. Similar en tamaño y carga al fósforo (V), el vanadio (V) también tiene una química y cristalografía paralelas. Ortovanadato VO3-4
se utiliza en cristalografía de proteínas [30] para estudiar la bioquímica del fosfato. [31] Además de eso, también se ha demostrado que este anión interactúa con la actividad de algunas enzimas específicas. [32] [33] El tetratiovanadato [VS 4 ] 3− es análogo al ion ortovanadato. [34]
A valores de pH más bajos, se forman el monómero [HVO 4 ] 2- y el dímero [V 2 O 7 ] 4- , siendo el monómero predominante a una concentración de vanadio inferior a c. 10 −2 M (pV > 2, donde pV es igual al valor negativo del logaritmo de la concentración total de vanadio/M). La formación del ion divanadato es análoga a la formación del ion dicromato . A medida que se reduce el pH, se produce una mayor protonación y condensación a polivanadatos : a pH 4-6 [H 2 VO 4 ] - es predominante a pV mayor que ca. 4, mientras que en concentraciones más altas se forman trímeros y tetrámeros. Entre pH 2-4 predomina el decavanadato , su formación a partir de ortovanadato está representada por esta reacción de condensación:
En el decavanadato, cada centro V(V) está rodeado por seis ligandos de óxido . [23] El ácido vanádico, H 3 VO 4, existe sólo en concentraciones muy bajas porque la protonación de las especies tetraédricas [H 2 VO 4 ] − da como resultado la formación preferencial de las especies octaédricas [VO 2 (H 2 O) 4 ] + . En soluciones fuertemente ácidas, pH < 2, [VO 2 (H 2 O) 4 ] + es la especie predominante, mientras que el óxido V 2 O 5 precipita de la solución en altas concentraciones. El óxido es formalmente el anhídrido del ácido vanádico. Las estructuras de muchos compuestos de vanadato se han determinado mediante cristalografía de rayos X.
El vanadio (V) forma varios complejos peroxo, sobre todo en el sitio activo de las enzimas bromoperoxidasa que contienen vanadio . La especie VO(O) 2 (H 2 O) 4 + es estable en soluciones ácidas. En soluciones alcalinas se conocen especies con 2, 3 y 4 grupos peróxido; este último forma sales violetas de fórmula M 3 V(O 2 ) 4 nH 2 O (M= Li, Na, etc.), en las que el vanadio tiene una estructura dodecaédrica de 8 coordenadas. [36] [37]
Los niobatos se generan disolviendo el pentóxido en soluciones de hidróxido básico o fundiéndolo en óxidos de metales alcalinos. Algunos ejemplos son el niobato de litio ( LiNbO 3 ) y el niobato de lantano ( LaNbO 4 ). En el niobato de litio hay una estructura similar a una perovskita distorsionada trigonalmente , mientras que el niobato de lantano contiene NbO solitario.3-4
iones. [23]
Los tantalatos, compuestos que contienen [TaO 4 ] 3− o [TaO 3 ] −, son numerosos. El tantalato de litio (LiTaO 3 ) adopta una estructura de perovskita. El tantalato de lantano (LaTaO 4 ) contiene TaO aislado3-4
tetraedros. [23]
Se conocen doce haluros binarios , compuestos de fórmula VX n (n=2...5). VI 4 , VCl 5 , VBr 5 y VI 5 no existen o son extremadamente inestables. En combinación con otros reactivos, el VCl 4 se utiliza como catalizador para la polimerización de dienos . Como todos los haluros binarios, los de vanadio son ácidos de Lewis , especialmente los de V(IV) y V(V). Muchos de los haluros forman complejos octaédricos con la fórmula VX n L 6− n (X= haluro; L= otro ligando).
Se conocen muchos oxihaluros de vanadio (fórmula VOmXn ) . [38] El oxitricloruro y el oxitrifluoruro ( VOCl 3 y VOF 3 ) son los más estudiados. Al igual que el POCl 3 , son volátiles, adoptan estructuras tetraédricas en la fase gaseosa y son ácidos de Lewis.
El niobio forma haluros en los estados de oxidación +5 y +4 así como diversos compuestos subestequiométricos . [23] [39] Los pentahaluros ( NbX
5) presentan centros Nb octaédricos. El pentafluoruro de niobio ( NbF 5 ) es un sólido blanco con un punto de fusión de 79,0 °C y el pentacloruro de niobio ( NbCl 5 ) es amarillo (ver imagen a la izquierda) con un punto de fusión de 203,4 °C. Ambos se hidrolizan para dar óxidos y oxihaluros, como NbOCl 3 . El pentacloruro es un reactivo versátil que se utiliza para generar compuestos organometálicos , como el dicloruro de nioboceno ( (C
5h
5)
2NbCl
2). [40] Los tetrahaluros ( NbX
4) son polímeros de color oscuro con enlaces Nb-Nb; por ejemplo, el tetrafluoruro de niobio higroscópico negro ( NbF 4 ) y el tetracloruro de niobio marrón ( NbCl 4 ).
Los compuestos de haluros aniónicos de niobio son bien conocidos, debido en parte a la acidez de Lewis de los pentahaluros. El más importante es [NbF 7 ] 2− , un intermedio en la separación de Nb y Ta de los minerales. [41] Este heptafluoruro tiende a formar oxopentafluoruro más fácilmente que el compuesto de tantalio. Otros complejos de haluro incluyen octaédrico [ NbCl 6 ] − :
Al igual que con otros metales con números atómicos bajos, se conoce una variedad de iones de grupo de haluros reducidos, siendo el mejor ejemplo [ Nb 6 Cl 18 ] 4- . [26]
Los haluros de tantalio abarcan los estados de oxidación de +5, +4 y +3. El pentafluoruro de tantalio (TaF 5 ) es un sólido blanco con un punto de fusión de 97,0 °C. El anión [TaF 7 ] 2- se utiliza para su separación del niobio. [41] El cloruro TaCl
5, que existe como dímero, es el principal reactivo en la síntesis de nuevos compuestos de Ta. Se hidroliza fácilmente a oxicloruro . El impuesto inferior a los haluros
4e impuestos
3, cuentan con bonos Ta-Ta. [23] [39]
Las tendencias en el grupo 5 siguen las de los otros grupos tempranos del bloque d y reflejan la adición de una capa f llena al núcleo al pasar del quinto al sexto período. Todos los miembros estables del grupo son metales refractarios de color azul plateado , aunque las impurezas de carbono , nitrógeno y oxígeno los vuelven quebradizos. [42] Todos cristalizan en la estructura cúbica centrada en el cuerpo a temperatura ambiente, [43] y se espera que el dubnio haga lo mismo. [44]
La siguiente tabla es un resumen de las propiedades físicas clave de los elementos del grupo 5. Se predice el valor con signo de interrogación. [45]
El vanadio es un metal de color azul acero , dúctil y de dureza media . Es conductor de electricidad y aislante térmico . Algunas fuentes describen el vanadio como "blando", quizás porque es dúctil, maleable y no quebradizo . [48] [49] El vanadio es más duro que la mayoría de los metales y aceros (ver Durezas de los elementos (página de datos) y hierro ). Tiene buena resistencia a la corrosión y es estable frente a álcalis y ácidos sulfúricos y clorhídricos . [23] Se oxida en el aire a aproximadamente 933 K (660 °C, 1220 °F), aunque se forma una capa de pasivación de óxido incluso a temperatura ambiente.
El niobio es un metal paramagnético , dúctil , gris, brillante , del grupo 5 de la tabla periódica (ver tabla), con una configuración electrónica en las capas más externas atípica del grupo 5. Configuraciones atípicas similares ocurren en las proximidades del rutenio (44), el rodio (45) y paladio (46).
Aunque se cree que tiene una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo desde el cero absoluto hasta su punto de fusión, las mediciones de alta resolución de la expansión térmica a lo largo de los tres ejes cristalográficos revelan anisotropías que son inconsistentes con una estructura cúbica. [50] Por lo tanto, se esperan más investigaciones y descubrimientos en esta área.
El niobio se convierte en un superconductor a temperaturas criogénicas . A presión atmosférica, tiene la temperatura crítica más alta de los superconductores elementales con 9,2 K. [51] El niobio tiene la mayor profundidad de penetración magnética de cualquier elemento. [51] Además, es uno de los tres superconductores elementales de Tipo II , junto con el vanadio y el tecnecio . Las propiedades superconductoras dependen en gran medida de la pureza del niobio metálico. [52]
Cuando es muy puro, es comparativamente blando y dúctil, pero las impurezas lo hacen más duro. [53]
El metal tiene una sección transversal de captura baja para neutrones térmicos ; [54] por lo tanto, se utiliza en las industrias nucleares donde se desean estructuras transparentes a los neutrones. [55]
El tantalio es oscuro (gris azulado), [56] denso, dúctil, muy duro, fácil de fabricar y muy conductor de calor y electricidad. El metal es conocido por su resistencia a la corrosión por ácidos ; de hecho, a temperaturas inferiores a 150 ° C, el tantalio es casi completamente inmune al ataque del normalmente agresivo agua regia . Puede disolverse con ácido fluorhídrico o soluciones ácidas que contengan ion fluoruro y trióxido de azufre , así como con una solución de hidróxido de potasio . El alto punto de fusión del tantalio de 3017 °C (punto de ebullición 5458 °C) es superado entre los elementos sólo por el tungsteno , el renio y el osmio para los metales, y el carbono .
El tantalio existe en dos fases cristalinas, alfa y beta. La fase alfa es relativamente dúctil y blanda; tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo ( grupo espacial Im3m , constante de red a = 0,33058 nm), dureza de Knoop de 200 a 400 HN y resistividad eléctrica de 15 a 60 μΩ⋅cm. La fase beta es dura y quebradiza; su simetría cristalina es tetragonal (grupo espacial P42/mnm , a = 1,0194 nm, c = 0,5313 nm), la dureza de Knoop es de 1000 a 1300 HN y la resistividad eléctrica es relativamente alta de 170 a 210 μΩ⋅cm. La fase beta es metaestable y se convierte en fase alfa al calentarla a 750-775 °C. El tantalio a granel es casi en su totalidad fase alfa, y la fase beta generalmente existe como películas delgadas [57] obtenidas mediante pulverización catódica con magnetrón , deposición química de vapor o deposición electroquímica a partir de una solución eutéctica de sal fundida. [58]
Un efecto relativista directo es que a medida que aumenta el número atómico de los elementos, los electrones más internos comienzan a girar más rápido alrededor del núcleo como resultado de un aumento de la atracción electromagnética entre un electrón y un núcleo. Se han encontrado efectos similares para los orbitales s más externos (y los p 1/2 , aunque en dubnio no están ocupados): por ejemplo, el orbital 7s se contrae un 25% de tamaño y se estabiliza en 2,6 eV . [45]
Un efecto más indirecto es que los orbitales s y p 1/2 contraídos protegen la carga del núcleo de manera más efectiva, dejando menos espacio para los electrones d y f externos, que por lo tanto se mueven en orbitales más grandes. El dubnio se ve muy afectado por esto: a diferencia de los miembros anteriores del grupo 5, sus electrones 7s son ligeramente más difíciles de extraer que sus electrones 6d. [45]
Otro efecto es la interacción espín-órbita , en particular la división espín-órbita, que divide la subcapa 6d (el número cuántico azimutal ℓ de la capa ad es 2) en dos subcapas, y cuatro de los diez orbitales tienen su ℓ reducido a 3/2. y seis elevados a 5/2. Se elevan los diez niveles de energía; cuatro de ellos son más bajos que los otros seis. (Los tres electrones 6d normalmente ocupan los niveles de energía más bajos, 6d 3/2 .) [45]
Un solo átomo ionizado de dubnio (Db + ) debería perder un electrón 6d en comparación con un átomo neutro; Los átomos de dubnio doblemente (Db 2+ ) o triplemente (Db 3+ ) ionizados deberían eliminar electrones 7s, a diferencia de sus homólogos más ligeros. A pesar de los cambios, todavía se espera que el dubnio tenga cinco electrones de valencia; No se ha demostrado que los niveles de energía de 7p influyan en el dubnio y sus propiedades. Como los orbitales 6d del dubnio están más desestabilizados que los 5d del tantalio, y se espera que a Db 3+ le queden dos electrones 6d, en lugar de 7s, se espera que el estado de oxidación +3 resultante sea inestable e incluso más raro que ese. de tantalio. El potencial de ionización del dubnio en su estado de oxidación máximo +5 debería ser ligeramente menor que el del tantalio y el radio iónico del dubnio debería aumentar en comparación con el tantalio; esto tiene un efecto significativo en la química del dubnio. [45]
Los átomos de dubnio en estado sólido deben disponerse en una configuración cúbica centrada en el cuerpo , como los elementos anteriores del grupo 5. [44] La densidad prevista del dubnio es 21,6 g/cm 3 . [46]
Hay 160 partes por millón de vanadio en la corteza terrestre, lo que lo convierte en el decimonoveno elemento más abundante allí. El suelo contiene en promedio 100 partes por millón de vanadio y el agua de mar contiene 1,5 partes por mil millones de vanadio. Un ser humano típico contiene 285 partes por mil millones de vanadio. Se conocen más de 60 minerales de vanadio, entre ellos vanadinita , patronita y carnotita . [18] Hay 20 partes por millón de niobio en la corteza terrestre, lo que lo convierte en el elemento número 33 más abundante allí. El suelo contiene en promedio 24 partes por millón de niobio y el agua de mar contiene 900 partes por cuatrillón de niobio. Un ser humano típico contiene 21 partes por mil millones de niobio. El niobio se encuentra en los minerales columbita y pirocloro . [18] Hay 2 partes por millón de tantalio en la corteza terrestre, lo que lo convierte en el elemento número 51 más abundante allí. El suelo contiene en promedio de 1 a 2 partes por billón de tantalio y el agua de mar contiene 2 partes por billón de tantalio. Un ser humano típico contiene 2,9 partes por mil millones de tantalio. El tantalio se encuentra en los minerales tantalita y pirocloro. [18] El dubnio no se encuentra naturalmente en la corteza terrestre.
El vanadio metálico se obtiene mediante un proceso de varios pasos que comienza tostando el mineral triturado con NaCl o Na 2 CO 3 a aproximadamente 850 °C para obtener metavanadato de sodio (NaVO 3 ). Un extracto acuoso de este sólido se acidifica para producir una "torta roja", una sal de polivanadato, que se reduce con calcio metálico. Como alternativa para la producción a pequeña escala, el pentóxido de vanadio se reduce con hidrógeno o magnesio . También se utilizan muchos otros métodos, en todos los cuales se produce vanadio como subproducto de otros procesos. [59] La purificación del vanadio es posible mediante el proceso de barra de cristal desarrollado por Anton Eduard van Arkel y Jan Hendrik de Boer en 1925. Implica la formación del yoduro metálico, en este ejemplo yoduro de vanadio (III) , y la posterior descomposición en producir metal puro: [60]
La mayor parte del vanadio se utiliza como componente de una aleación de acero llamada ferrovanadio . El ferrovanadio se produce directamente reduciendo una mezcla de óxido de vanadio, óxidos de hierro y hierro en un horno eléctrico. El vanadio termina en arrabio producido a partir de magnetita que contiene vanadio. Dependiendo del mineral utilizado, la escoria contiene hasta un 25% de vanadio. [59]
Anualmente se producen aproximadamente 70.000 toneladas de mineral de vanadio, de las cuales 25.000 toneladas de mineral de vanadio se producen en Rusia, 24.000 en Sudáfrica , 19.000 en China y 1.000 en Kazajstán . Cada año se producen 7.000 toneladas de vanadio metálico. Es imposible obtener vanadio calentando su mineral con carbón. En cambio, el vanadio se produce calentando óxido de vanadio con calcio en un recipiente a presión . El vanadio de muy alta pureza se produce a partir de una reacción de tricloruro de vanadio con magnesio. [18]
Después de la separación de los demás minerales, se obtienen los óxidos mixtos de tantalio Ta 2 O 5 y niobio Nb 2 O 5 . Para producir niobio, el primer paso del procesamiento es la reacción de los óxidos con ácido fluorhídrico : [41]
La primera separación a escala industrial, desarrollada por el químico suizo de Marignac , aprovecha las diferentes solubilidades de los complejos fluoruros de niobio y tantalio , el monohidrato de oxipentafluoroniobato dipotásico ( K 2 [NbOF 5 ] · H 2 O ) y el heptafluorotantalato dipotásico ( K 2 [TaF 7 ] ) en agua. Los procesos más nuevos utilizan la extracción líquida de los fluoruros de una solución acuosa mediante disolventes orgánicos como la ciclohexanona . [41] Los fluoruros complejos de niobio y tantalio se extraen por separado del disolvente orgánico con agua y se precipitan mediante la adición de fluoruro de potasio para producir un complejo de fluoruro de potasio, o se precipitan con amoníaco como pentóxido: [23]
Seguido por:
Se utilizan varios métodos para la reducción a niobio metálico. La electrólisis de una mezcla fundida de K 2 [ NbOF 5 ] y cloruro de sodio es una; la otra es la reducción del fluoruro con sodio . Con este método se puede obtener niobio de pureza relativamente alta. En la producción a gran escala, el Nb 2 O 5 se reduce con hidrógeno o carbono. [23] En la reacción aluminotérmica , se hace reaccionar una mezcla de óxido de hierro y óxido de niobio con aluminio :
Se añaden pequeñas cantidades de oxidantes como nitrato de sodio para mejorar la reacción. El resultado es óxido de aluminio y ferroniobio , una aleación de hierro y niobio utilizada en la producción de acero. [63] [64] El ferroniobio contiene entre 60 y 70% de niobio. [65] Sin óxido de hierro, el proceso aluminotérmico se utiliza para producir niobio. Es necesaria una mayor purificación para alcanzar el grado de aleaciones superconductoras . La fusión por haz de electrones al vacío es el método utilizado por los dos principales distribuidores de niobio. [39] [66]
En 2013 [actualizar], CBMM de Brasil controlaba el 85 por ciento de la producción mundial de niobio. [67] El Servicio Geológico de Estados Unidos estima que la producción aumentó de 38.700 toneladas en 2005 a 44.500 toneladas en 2006. [68] [69] Los recursos mundiales se estiman en 4,4 millones de toneladas. [69] Durante el período de diez años comprendido entre 1995 y 2005, la producción se duplicó con creces, a partir de 17.800 toneladas en 1995. [70] Entre 2009 y 2011, la producción se mantuvo estable en 63.000 toneladas por año, [71] con una ligera disminuirá en 2012 a sólo 50.000 toneladas por año. [72]
Se encuentran cantidades menores en el depósito Kanyika de Malawi ( mina Kanyika ).
Anualmente se producen 70.000 toneladas de mineral de tantalio. Brasil produce el 90% del mineral de tantalio, y Canadá, Australia, China y Ruanda también producen el elemento. La demanda de tantalio ronda las 1.200 toneladas al año. [18]
El dubnio se produce sintéticamente bombardeando actínidos con elementos más ligeros. [18] Hasta la fecha, no se han realizado experimentos en un supercolisionador para sintetizar el siguiente miembro del grupo, ya sea unpentseptium (Ups) o unpentennium (Upe). Como el unpentseptium y el unpentennium son elementos tardíos del período 8 , es poco probable que estos elementos se sinteticen en un futuro próximo.
La principal aplicación del vanadio es en aleaciones, como el acero al vanadio . Las aleaciones de vanadio se utilizan en resortes , herramientas , motores a reacción , blindajes y reactores nucleares . El óxido de vanadio da a la cerámica un color dorado y otros compuestos de vanadio se utilizan como catalizadores para producir polímeros . [18]
Se añaden pequeñas cantidades de niobio al acero inoxidable para mejorar su calidad. Las aleaciones de niobio también se utilizan en las toberas de los cohetes debido a la alta resistencia a la corrosión del niobio . [18]
El tantalio tiene cuatro tipos principales de aplicaciones. El tantalio se añade a objetos expuestos a altas temperaturas, en dispositivos electrónicos , en implantes quirúrgicos y para la manipulación de sustancias corrosivas. [18]
El dubnio no tiene aplicaciones debido a su radiactividad, lo que hace que su presencia sea muy peligrosa.
De los elementos del grupo 5, sólo se ha identificado que el vanadio desempeña un papel en la química biológica de los sistemas vivos, pero incluso él desempeña un papel muy limitado en la biología y es más importante en los entornos oceánicos que en la tierra.
El vanadio, esencial para las ascidias y los tunicados como vanabins , se conoce en las células sanguíneas de Ascidiacea (ascidias) desde 1911, [73] [74] en concentraciones de vanadio en su sangre más de 100 veces superiores a la concentración de vanadio en el agua de mar que los rodea. Varias especies de macrohongos acumulan vanadio (hasta 500 mg/kg de peso seco). [75] La bromoperoxidasa dependiente de vanadio genera compuestos organobromados en varias especies de algas marinas . [76]
También se sabe que las ratas y los pollos necesitan vanadio en cantidades muy pequeñas y sus deficiencias provocan un crecimiento reducido y problemas de reproducción . [77] El vanadio es un suplemento dietético relativamente controvertido , principalmente para aumentar la sensibilidad a la insulina [78] y el culturismo . El sulfato de vanadilo puede mejorar el control de la glucosa en personas con diabetes tipo 2 . [79] Además, el decavanadato y el oxovanadato son especies que potencialmente tienen muchas actividades biológicas y que se han utilizado con éxito como herramientas en la comprensión de varios procesos bioquímicos. [80]
No se sabe que el vanadio puro sea tóxico. Sin embargo, el pentóxido de vanadio provoca irritación grave de los ojos, la nariz y la garganta. [18] Se ha informado que el VOSO 4 tetravalente es al menos 5 veces más tóxico que el V 2 O 3 trivalente . [81] La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional ha establecido un límite de exposición de 0,05 mg/m 3 para el polvo de pentóxido de vanadio y 0,1 mg/m 3 para los vapores de pentóxido de vanadio en el aire del lugar de trabajo durante una jornada laboral de 8 horas, una semana laboral de 40 horas. [82] El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional ha recomendado que 35 mg/m 3 de vanadio se consideren inmediatamente peligrosos para la vida y la salud, es decir, que puedan causar problemas de salud permanentes o la muerte. [82] Los compuestos de vanadio se absorben mal a través del sistema gastrointestinal. La inhalación de vanadio y compuestos de vanadio produce principalmente efectos adversos en el sistema respiratorio. [83] [84] [85] Sin embargo, los datos cuantitativos son insuficientes para derivar una dosis de referencia para inhalación crónica o subcrónica. Se han informado otros efectos después de exposiciones orales o por inhalación sobre los parámetros sanguíneos, [86] [87] el hígado, [88] el desarrollo neurológico, [89] y otros órganos [90] en ratas.
Hay poca evidencia de que el vanadio o los compuestos de vanadio sean toxinas o teratógenos reproductivos . En un estudio de NTP se informó que el pentóxido de vanadio era cancerígeno en ratas macho y en ratones machos y hembras por inhalación, [84] aunque recientemente se ha cuestionado la interpretación de los resultados. [91] La carcinogenicidad del vanadio no ha sido determinada por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos . [92] Las trazas de vanadio en los combustibles diesel son el principal componente del combustible en la corrosión a alta temperatura . Durante la combustión, el vanadio se oxida y reacciona con el sodio y el azufre, produciendo compuestos de vanadato con puntos de fusión tan bajos como 530 °C, que atacan la capa de pasivación del acero y lo vuelven susceptible a la corrosión. Los compuestos sólidos de vanadio también desgastan los componentes del motor. [93] [94]
El niobio no tiene ningún papel biológico conocido. Si bien el polvo de niobio irrita los ojos y la piel [18] y representa un riesgo potencial de incendio, el niobio elemental a mayor escala es fisiológicamente inerte (y por lo tanto hipoalergénico) e inofensivo. Se utiliza a menudo en joyería y se ha probado su uso en algunos implantes médicos. [95] [96] Se cree que el niobio y sus compuestos son ligeramente tóxicos. Se ha probado en ratas la exposición a corto y largo plazo a niobatos y cloruro de niobio, dos sustancias químicas solubles en agua. Las ratas tratadas con una única inyección de pentacloruro de niobio o niobatos muestran una dosis letal media (LD50 ) de entre 10 y 100 mg/kg. [97] [98] [99] Para la administración oral la toxicidad es menor; un estudio con ratas arrojó una DL50 después de siete días de 940 mg/kg. [97]
Los compuestos que contienen tantalio rara vez se encuentran en el laboratorio, y él y sus compuestos rara vez causan lesiones y, cuando lo hacen, las lesiones normalmente son erupciones. [18] El metal es altamente biocompatible [100] y se utiliza para implantes y recubrimientos corporales , por lo que la atención puede centrarse en otros elementos o en la naturaleza física del compuesto químico . [101] Las personas pueden quedar expuestas al tantalio en el lugar de trabajo al inhalarlo, al contacto con la piel o con los ojos. La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) ha establecido el límite legal ( límite de exposición permisible ) para la exposición al tantalio en el lugar de trabajo en 5 mg/m 3 durante una jornada laboral de 8 horas. El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado de 5 mg/m 3 durante una jornada laboral de 8 horas y un límite a corto plazo de 10 mg/m 3 . En niveles de 2.500 mg/m 3 , el tantalio es inmediatamente peligroso para la vida y la salud . [102]
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