Pentóxido de niobio

De Wikipedia, la enciclopedia libre
 
Pentóxido de niobio
General
Fórmula molecular Nb2O5
Identificadores
Número CAS 1313-96-8[1]​
ChemSpider 109722
PubChem 123105
UNII K9343U17IN
InChI=InChI=1S/2Nb.5O
Key: ZKATWMILCYLAPD-UHFFFAOYSA-N
Propiedades físicas
Masa molar 265,787329 g/mol
[editar datos en Wikidata]

El pentóxido de niobio es un compuesto inorgánico de fórmula Nb2O5. Sólido incoloro, insoluble y poco reactivo, es el precursor más extendido de otros compuestos y materiales que contienen niobio. Se utiliza principalmente en aleaciones, con otras aplicaciones especializadas en condensadores, vidrios ópticos y la producción de niobato de litio.[2]​

Estructura[editar]

Tiene muchas formas polimórficas, todas basadas en gran medida en átomos de niobio coordinados octaédricamente.[3]​[4]​ Los polimorfos se identifican con una variedad de prefijos.[3]​[4]​ La forma más comúnmente encontrada es la monoclínica H-Nb2O5, que tiene una estructura compleja con una celda unitaria que contiene 28 átomos de niobio y 70 de oxígeno, donde 27 de los átomos de niobio están coordinados octaédricamente y uno tetraédricamente.[5]​ Existe un hidrato sólido no caracterizado, Nb2O5-nH2O, el llamado ácido niobio (antes llamado ácido colúmbico), que puede prepararse por hidrólisis de una solución básica de pentacloruro de niobio o de Nb2O5 disuelto en HF.[6]​

El pentóxido de niobio fundido tiene números de coordinación medios más bajos que las formas cristalinas, con una estructura que comprende principalmente poliedros NbO5 y NbO6.[7]​

Producción[editar]

Hidrólisis[editar]

El Nb2O5 se prepara por hidrólisis de niobatos, alcóxidos o fluoruros de metales alcalinos utilizando bases. Estos procedimientos, aparentemente sencillos, producen óxidos hidratados que pueden calcinarse. El Nb2O5 puro también puede prepararse por hidrólisis de NbCl5:[8]​

   2 NbCl5 + 5 H2O → Nb2O5 + 10 HCl

Se ha descrito un método de producción mediante técnicas sol-gel hidrolizando alcóxidos de niobio en presencia de ácido acético, seguido de la calcinación de los geles para producir la forma ortorrómbica,[3]​ T-Nb2O5.[9]​

El pentóxido de niobio fundido tiene números de coordinación medios más bajos que las formas cristalinas, con una estructura que comprende principalmente poliedros NbO5 y NbO6.[7]​

Oxidación[editar]

Dado que el Nb2O5 es el compuesto más común y robusto del niobio, existen muchos métodos, tanto prácticos como esotéricos, para su formación. El óxido, por ejemplo, surge cuando el niobio metálico se oxida en el aire.[10]​ La oxidación del dióxido de niobio, NbO2, en el aire forma el polimorfo, L-Nb2O5.[11]​

Se han sintetizado partículas de pentóxido de niobio de tamaño nanométrico mediante reducción por LiH de NbCl5, seguida de oxidación aérea como parte de una síntesis de niobatos nanoestructurados.

Reacciones[editar]

El Nb2O5 es atacado por el HF y se disuelve en álcali fundido.[6]​[10]​

Reducción al metal[editar]

La conversión del Nb2O5 es la vía principal para la producción industrial de niobio metal. En la década de 1980, se consumían anualmente unos 15.000.000 de kg de Nb2O5 para su reducción a metal.[12]​ El método principal es la reducción de este óxido con aluminio:

   3 Nb2O5 + 10 Al → 6 Nb + 5 Al2O3

Una vía alternativa, pero menos practicada, es la reducción carbotérmica, que procede mediante la reducción con carbono y constituye la base del proceso Balke de dos etapas:[13]​[14]​

   Nb2O5 + 7 C → 2 NbC + 5 CO (calentado al vacío a 1800 °C)

   5 NbC + Nb2O5 → 7 Nb + 5 CO

Conversión a haluros[editar]

Se conocen muchos métodos para convertir el Nb2O5 en haluros. El principal problema es la reacción incompleta para dar los oxihaluros. En el laboratorio, la conversión puede efectuarse con cloruro de tionilo:[15]​

   Nb2O5 + 5 SOCl2 → 2 NbCl5 + 5 SO2

El Nb2O5 reacciona con CCl4 para dar oxicloruro de niobio NbOCl3.

Conversión en niobatos[editar]

El tratamiento del Nb2O5 con NaOH acuoso a 200 °C puede dar niobato de sodio cristalino, NaNbO3 mientras que la reacción con KOH puede dar hexaniobatos solubles de tipo Lindqvist, Nb
6O8−
19.[16]​ Los niobatos de litio como LiNbO3 y Li3NbO4 pueden prepararse por reacción de carbonato de litio y Nb2O5.[17]​[18]​

Conversión a óxidos de niobio reducidos[editar]

La reducción a alta temperatura con H2 da NbO2:[10]​

   Nb2O5 + H2 → 2 NbO2 + H2O

El monóxido de niobio se obtiene de una comproporación utilizando un horno de arco:[19]​

   Nb2O5 + 3Nb → 5 NbO

El óxido de niobio(III) de color burdeos, uno de los primeros óxidos superconductores, puede prepararse de nuevo mediante una comproporación:[18]​

   Li3NbO4 + 2 NbO → 3 LiNbO2

Usos[editar]

El pentóxido de niobio se utiliza principalmente en la producción de niobio metálico,[12]​ pero existen aplicaciones especializadas en la producción de vidrios ópticos y niobato de litio.[2]​

Las láminas delgadas de Nb2O5 forman las capas dieléctricas de los condensadores electrolíticos de niobio.

Se ha considerado el uso del Nb2O5 como ánodo en una batería de iones de litio, dado que su estructura cristalina ordenada permite velocidades de carga de 225 mAh g-1 a 200 mA g-1 a lo largo de 400 ciclos, con una eficiencia coulómbica del 99,93%.[20]​

Referencias[editar]

  1. ↑ Número CAS
  2. ↑ a b Francois Cardarelli (2008) Materials Handbook Springer London ISBN 978-1-84628-668-1
  3. ↑ a b c C. Nico (2011). «Sintered NbO powders for electronic device applications». The Journal of Physical Chemistry C 115 (11): 4879-4886. doi:10.1021/jp110672u. 
  4. ↑ a b Wells A.F. (1984) Structural Inorganic Chemistry 5th edition Oxford Science Publications ISBN 0-19-855370-6
  5. ↑ Gatehouse, B. M.; Wadsley, A. D. (1 de diciembre de 1964). «The crystal structure of the high temperature form of niobium pentoxide». Acta Crystallographica (International Union of Crystallography (IUCr)) 17 (12): 1545-1554. ISSN 0365-110X. doi:10.1107/s0365110x6400384x. 
  6. ↑ a b D.A. Bayot and M.M. Devillers, Precursors routes for the preparation of Nb based multimetallic oxides in Progress in Solid State Chemistry Research, Arte M. Newman, Ronald W. Buckley, (2007),Nova Publishers, ISBN 1-60021-313-8
  7. ↑ a b Alderman, O. L. G. Benmore, C. J. Neuefeind, J. C. Coillet, E Mermet, Alain Martinez, V. Tamalonis, A. Weber, J. K. R. (2018). «Amorphous tantala and its relationship with the molten state». Physical Review Materials 2 (4): 043602. Bibcode:2018PhRvM...2d3602A. doi:10.1103/PhysRevMaterials.2.043602. 
  8. ↑ Process for the manufacture of niobium pentoxide or tantalum pentoxide, Kern, Therwil, Jacob, Hooper (CIBA Switzerland), US Patent number: 3133788, (1964)
  9. ↑ Griesmar, P.; Papin, G.; Sanchez, C.; Livage, J. (1991). «Sol-gel route to niobium pentoxide». Chemistry of Materials (American Chemical Society (ACS)) 3 (2): 335-339. ISSN 0897-4756. doi:10.1021/cm00014a026. 
  10. ↑ a b c Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements. Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8. 
  11. ↑ Vezzoli, G. C. (1 de octubre de 1982). «Electrical properties of NbO2andNb2O5at elevated temperature in air and flowing argon». Physical Review B (American Physical Society (APS)) 26 (7): 3954-3957. Bibcode:1982PhRvB..26.3954V. ISSN 0163-1829. doi:10.1103/physrevb.26.3954. 
  12. ↑ a b Albrecht, Sven; Cymorek, Christian; Eckert, Joachim (2011), Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry: Niobium and Niobium Compounds, Weinheim: Wiley-VCH, doi:10.1002/14356007.a17_251.pub2 .
  13. ↑ Alan E. Comyns (1999) Encyclopedic Dictionary of Named Processes in Chemical Technology CRC Press, ISBN 0-8493-1205-1
  14. ↑ U.S. Environmental Protection Agency, Development Document for Effluent Limitations, Guidelines and Standards for the Nonferrous Metals Manufacturing Point Source Category, Volume VIII, Office of Water Regulations and Standards, May 1989
  15. ↑ Brown, D. (1967). «Niobium(V) Chloride and Hexachloroniobates(V)». Inorganic Syntheses. Inorganic Syntheses 9. pp. 88-92. ISBN 9780470132401. doi:10.1002/9780470132401.ch24. 
  16. ↑ Santos, I.C.M.S.; Loureiro, L.H.; Silva, M.F.P.; Cavaleiro, Ana M.V. (2002). «Studies on the hydrothermal synthesis of niobium oxides». Polyhedron (Elsevier BV) 21 (20): 2009-2015. ISSN 0277-5387. doi:10.1016/s0277-5387(02)01136-1. 
  17. ↑ US Patent 5482001 - Process for producing lithium niobate single crystal,1996, Katoono T., Tominaga H.,
  18. ↑ a b Geselbracht, Margret J.; Stacy, Angelica M.; Rosseinsky, Matthew (5 de enero de 2007). «Lithium Niobium Oxide: LiNbO2 and Superconducting LixNbO2». Inorganic Syntheses 30. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc. pp. 222-226. ISBN 9780470132616. ISSN 1934-4716. doi:10.1002/9780470132616.ch42. 
  19. ↑ Reed, T. B.; Pollard, E. R.; Lonney, L. E.; Loehman, R. E.; Honig, J. M. (5 de enero de 2007). «Niobium Monoxide». Inorganic Syntheses 30. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc. pp. 108-110. ISBN 9780470132616. ISSN 1934-4716. doi:10.1002/9780470132616.ch22. 
  20. ↑ Lavars, Nick (9 de septiembre de 2022). «Battery electrode transforms during use for faster charging». New Atlas (en inglés estadounidense). Consultado el 10 de septiembre de 2022. 

Enlaces externos[editar]

Obtenido de «https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Pentóxido_de_niobio&oldid=154201119»