O niobio (tamén chamado columbio) é un elemento químico de símbolo Nb (anteriormente Cb) e número atómico 41, situado no grupo 5 da táboa periódica dos elementos. É un metal de transición dúctil, brando e de cor gris, atopado principalmente no mineral chamado niobita. O seu nome procede da personaxe mitolóxica Níobe, filla de Tántalo, debido as similitudes que este elemento presenta co elemento homónimo a este último.
As propiedades físicas e químicas deste elemento son semellantes as do tántalo, dificultando a distinción entre ámbolos dous. No ano 1801 o químico inglés Charles Hatchett publicou o primeiro informe sobre un elemento semellante ao tántalo, ao que nomeou columbio. En 1809 o tamén químico inglés William Hyde Wollaston chegaría a conclusión errada de que o tántalo e o columbio eran idénticos. O químico alemán Heinrich Rose determinou en 1846 que os minerais de tántalo contiñan un segundo elemento, ao que deu o nome de niobio, e posteriormente entre os anos 1864 e 1865 unha serie de descubrimentos científicos clarificaron que o niobio e o columbio eran o mesmo elemento, distinto ao tántalo. Durante todo un século ámbolos dous nomes foron empregados para referirse a este elemento, pasando a denominarse oficialmente niobio no ano 1949.
Os primeiros usos comerciais deste elemento datan de comezos do século XX. Brasil é historicamente o primeiro produtor de niobio e ferroniobio, unha aliaxe de niobio e ferro. O niobio emprégase principalmente en aliaxes, na súa maioría en aceiros destinados a tubaxes de transporte. Malia que este tipo de aliaxes conteñen un máximo dun 0,1% do elemento, esta pequena proporción de niobio mellora a resistencia do aceiro considerablemente. As superaliaxes que conteñen niobio presentan unha estabilidade fronte á temperatura importante no seu uso en motores a reacción e foguetes. Tamén se usa este elemento en varios materiais supercondutores xunto con titanio e estaño, de uso estendido en imáns supercondutores para a obtención de imaxes por resonancia magnética. Outras aplicacións do niobio inclúen o seu uso na soldadura, industria nuclear, electrónica, óptica e na xoiería.
Características Propiedades físicas O niobio é un metal lustroso, de cor gris, dúctil e paramagnético do grupo 5 da táboa periódica. Porén, posúe unha configuración electrónica atípica na súa capa electrónica externa en comparación co resto dos membros deste grupo. Aínda que se considera que ten unha estrutura cristalina cúbica centrada no corpo dende unha temperatura de 0 K ata o seu punto de fusión, existen medicións de alta resolución da súa expansión termal seguindo os tres eixos cristalográficos que revelan anisotropías inconsistentes cunha estrutura deste tipo.
O niobio tórnase supercondutor a temperaturas crioxénicas. En condicións de presión atmosférica ten a maior temperatura crítica dos supercondutores, 9,2 K (−263,95 °C), e tamén posúe a maior profundidade de penetración magnética de tódolos elementos. A maiores disto, é un dos denominados supercondutores de tipo II, xunto co vanadio e o tecnecio. As propiedades supercondutoras deste elemento teñen unha gran dependencia da pureza do propio metal, tornándose tamén máis brando e dúctil a unha maior pureza.
Presenta unha baixa captura de neutróns, o que fai que resulte útil para aplicacións na industria nuclear.
Propiedades químicas miniatura|esquerda|175px|Configuración electrónica O niobio Adquire un ton azul cando se expón ao aire a temperatura ambiental durante un período de tempo considerable. Malia ter un punto de fusión elevado na súa forma elemental de 2477 °C (2750 K), a súa densidade de 8,57 g/cm3 é relativamente baixa en comparación con outros metais refractarios. Tamén é resistente á corrosión, e forma capas de óxido dieléctricas.
É lixeiramente menos electropositivo e máis compacto que o seu predecesor da táboa periódica, o circonio, mentres que é virtualmente idéntico aos átomos de tántalo no seu tamaño, debido á contracción lantánida. Coma resultado disto, as propiedades químicas do niobio son moi semellantes as do tántalo, que reside directamente embaixo del na táboa periódica. Sen ser tan resistente á corrosión coma o tántalo, o seu menor valor de mercado e maior dispoñibilidade fai que o niobio sexa máis atractivo para aplicacións relativamente menos esixentes, coma por exemplo en revestimentos de plantas químicas.
Abundancia dereita|miniatura|120px|Mineral de coltan. Estímase que o niobio é o 33º elemento máis abundante na codia terrestre, cunha concentración de 20 ppm. Un estudo de 2001 indicou que a abundancia deste elemento na Terra é moito maior, pero que o niobio restante estaría localizado preto do núcleo terrestre debido a alta densidade deste metal. O elemento non se dá libre na natureza, aparecendo sempre combinado con outros elementos en diversos minerais. Os mesmos minerais que conteñen niobio tamén adoitan conter tántalo. Entre estes minerais son entre outros a niobita e o coltan O coltan adoita atoparse coma mineral adicional en intrusións de pegmatita e en rochas alcalinas. Outras ocorrencias menos comúns son os niobatos de calcio, uranio, torio e terras raras, coma por exemplo o pirocloro e a euxenita Os grandes depósitos de niobio atópanse asociados con carbonatitas e coma constituíntes do pirocloro.
Os dous maiores depósitos de pirocloro atopáronse nos anos 1950 no Brasil e no Canadá, sendo estes dous países os maiores produtores mundiais de concentrados de minerais de niobio. O meirande destes depósitos atópase dentro dunha intrusión de carbonatita en Araxá, Minas Xerais, sendo a Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração a súa propietaria a data de 2001. O segundo depósito máis grande localízase en Goiás, sendo Anglo American plc a compañía propietaria da súa explotación a data tamén de 2001. O terceiro depósito con maior produción está en Saint-Honoré, no Quebec, propiedade da compañía Iamgold a data de 2001.
+ Produción mineira mundial estimada (t) País 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 160 230 290 230 200 200 200 N/D N/D N/D N/D N/D N/D N/D N/D 30,000 22,000 26,000 29,000 29,900 35,000 40,000 57,300 58,000 58,000 58,000 58,000 63,000 45,000 53,000 2,290 3,200 3,410 3,280 3,400 3,310 4,167 3,020 4,380 4,330 4,420 4,400 5,000 5,000 5,000 N/D 50 50 13 52 25 N/D N/D N/D N/D N/D N/D N/D N/D N/D N/D N/D 5 34 130 34 29 N/D N/D N/D N/D N/D N/D N/D N/D 35 30 30 190 170 40 35 N/D N/D N/D N/D N/D N/D N/D N/D 28 120 76 22 63 63 80 N/D N/D N/D N/D N/D N/D N/D N/D Total mundial 32,600 25,600 29,900 32,800 34,000 38,700 44,500 60,400 62,900 62,900 62,900 63,000 69,000 51,000 59,000
A data de 2013 a empresa Companhia Brasileira de Metalurgia & Mineracao controlaba o 85% da produción mundial de niobio. A United States Geological Survey estimou que a produción mundial incrementouse dende as 38 700 toneladas no 2005 ata unhas 44 500 toneladas no 2006. No 2007 a mesma axencia estimou que as reservas mundiais de niobio eran dunhas 4 400 000 toneladas. No período de dez anos que foi dende o 1995 e o 2005, a produción mundial incrementouse en máis do dobre, sendo dunhas 17 800 toneladas no ano 1995. Dende o ano 2009 ata o 2012 a produción mundial estabilizouse nunhas 63 000 toneladas por ano, flutuando ata as 51 000 toneladas no 2013 e ata as 59 000 toneladas no 2014
Isótopos O niobio componse na súa ocorrencia natural dun isótopo estable, 93Nb. A data de 2003 coñecíanse polo menos 32 radioisótopos sintetizados, variando na masa atómica dende 81 ata 113. O máis estable destes isótopos é 92Nb, cun período de semidesintegración de 34,7 millóns de anos. Un dos menos estables é 113Nb, cun período de semidesintegración estimado de 30 milisegundos. Os isótopos máis lixeiros ca 93Nb tenden a decaer por medio de emisións β+, e aqueles máis pesados fan o mesmo por medio de emisións β−, con algunhas excepcións. 81Nb, 82Nb e 84Nb presentan camiños tardíos de emisión de protóns β+ menores, mentres que 91Nb decae por medio de captura electrónica e emisión de positróns, e 92Nb decae tanto por emisións β+ coma por emisións β−.
Existen 25 isómeros nucleares descritos, con masas atómicas que varían dende 84 ata 104. Neste rango tan só 96Nb, 101Nb e 103Nb non posúen isómeros. O máis estable dos isómeros do niobio é 93mNb, cun período de semidesintegración de 16,13 anos, mentres que o menos estable é 84mNb cun período de semidesintegración de 103 nanosegundos. Tódolos isómeros deste elemento decaen por medio de transición isomérica ou emisións beta, agás 92m1Nb que presenta unha cadea de desintegración menor de captura electrónica.
Compostos O niobio aseméllase en diversas facetas o tántalo e o circonio. Reacciona co flúor a temperatura ambiente, co cloro e o hidróxeno a 200 °C (473 K), e co nitróxeno a 400 °C (673 K), dando coma resultado produtos intersticiais e non estequiométricos. Este metal comeza a oxidarse no aire a unha temperatura de 200 °C (473 K), e é resistente á corrosión de alcalinos e ácidos, incluíndo a aqua regia, o ácido clorhídrico, o ácido sulfúrico, o ácido nítrico e o ácido fosfórico. O ácido fluorhídrico e as súas mesturas con ácidos nítricos atacan de forma máis efectiva este elemento. Malia que o niobio pode atoparse en tódolos estados de oxidación formais dende o +5 ata o −1, nos compostos máis comúns atópase no estado +5. Os compostos de estados de oxidación menores ca +5 presentan ligazóns Nb–Nb.
Óxidos e sulfuros O niobio forma óxidos nos estados de oxidación +5 (Nb2O5), +4 (NbO2) e +3 (Nb2O3), así coma no estado menos habitual +2 (NbO). O máis común é o pentóxido, precursor de case tódolos compostos e aliaxes do niobio. Os niobatos xéranse disolvendo o pentóxido en solucións básicas de hidróxidos ou derreténdose en óxidos de metais alcalinos. Exemplos deste tipo de compostos son o niobato de litio (LiNbO3) e o niobato de lantano (LaNbO4). No niobato de litio atópase unha estrutura trigonal distorsionada, mentres que o niobato de lantano contén ións illados de . Tamén é un composto coñecido deste elemento o sulfuro de niobio (NbS2).
Existen materiais recubertos dunha fina capa de pentóxido de niobio producidos por procesos de deposición química de vapor ou deposición de capas atómicas, en cada un dos casos mediante a descomposición térmica de etóxido de niobio(V) por riba dos 350 °C (623 K).
Haluros miniatura|dereita|180px|Mostra de pentacloruro de niobio parcialmente hidrolizada miniatura|dereita|180px|Modelo atómico do pentacloruro de niobio O niobio forma haluros nos estados de oxidación +5 e +4, así coma diversos compostos sub-estequiométricos. Os compostos de tipo presentan núcleos centrais octaédricos de Nb. O pentafluoruro de niobio (NbF5) é un sólido branco cun punto de fusión de 79 °C (352,1 K), e o pentacloruro de niobio (NbCl5) é de cor amarela cun punto de fusión de 203,4 °C (476,5 K). Ámbolos dous empréganse en hidrólises para obter óxidos e oxihaluros coma o NbOCl3. O pentacloruro é un reactivo versátil usado para obter compostos organometálicos coma o . Os tetrahaluros () son polímeros de cores escuras con ligazóns Nb-Nb, coma por exemplo o tetrafluoruro de niobio (NbF4) e o tetracloruro de niobio (NbCl4).
Os compostos aniónicos de haluros de niobio son ben coñecidos, sendo o máis importante destes o [NbF7]2−, un intermediario na separación do niobio e o tántalo nos seus minerais. Outros compostos deste tipo inclúen o [NbCl6]−. Ao igual que con outros metais, existe un grupo coñecido de haluros reducidos, sendo o exemplo máis significativo o [Nb6Cl18]4−.
Nitruros e carburos Outros compostos binarios do niobio inclúen o nitruro de niobio (NbN), que se torna supercondutor a baixas temperaturas e emprégase en detectores de luz infravermella. O principal carburo de niobio é NbC, un material extremadamente duro, refractario e cerámico, empregado comercialmente en recubrimentos de ferramentas de corte.
Historia miniatura|esquerda|Charles Hatchett, descubridor do columbio