Ossido di niobio

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Pentossido di niobio
Struttura di Lewis del pentossido di niobio
Struttura 3D sfere-stecche del pentossio di niobio
Struttura 3D van der Waals del pentossido di niobio
Nome IUPAC
Ossido di niobio (V) [1]
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolareNb2O5
Massa molecolare (u)265,81 g/mol
Aspettosolido biancastro
Numero CAS1313-96-8 Immagine_3D
Numero EINECS215-213-6
PubChem123105
SMILES
O=[Nb](=O)O[Nb](=O)=O
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.)4,5 (20 °C)
Solubilità in acqua(20 °C) insolubile
Temperatura di fusione1.512 °C (1.785 K)
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
irritante
attenzione
Frasi H302 - 319 - 335
Consigli P261 - 305+351+338 [2]

L'ossido di niobio(V), o pentossido di niobio, è un composto inorganico con formula Nb2O5 ed è l'ossido del niobio (V). È un solido insolubile incolore ed è abbastanza non reattivo. È il principale precursore di tutti i materiali fatti di niobio. Oltre al pentossido, il niobio può formare anche monossido (NbO) e diossido (NbO2). L'applicazione più importante è nelle leghe, ma altre applicazioni specializzate includono condensatori, niobato di litio e vetro ottico[3]

Struttura[modifica | modifica wikitesto]

Struttura del pentossido di niobio.

Ha molte forme polimorfiche tutte basate in gran parte su atomi di niobio coordinati ottaedricamente[4][5] I polimorfi sono identificati con una varietà di prefissi[4][5]. La forma più comunemente incontrata è la monoclina H-Nb2O5 che ha una struttura complessa, con una cella unitaria contenente 28 atomi di niobio e 70 di ossigeno, e dove 27 atomi di niobio sono coordinati ottaedricamente e uno tetraedricamente[6]. Esiste un idrato solido non caratterizzato, , il cosiddetto acido niobico (precedentemente chiamato acido columbico), che può essere preparato per idrolisi di una soluzione basica di pentacloruro di niobio oppure da ossido di niobio(V) disciolto in acido fluoridrico[7].

Il pentossido di niobio fuso ha numeri di coordinazione medi inferiori rispetto alle forme cristalline, con una struttura che comprende principalmente poliedri NbO5 e NbO6[8].

Produzione[modifica | modifica wikitesto]

Idrolisi[modifica | modifica wikitesto]

L'ossido di niobio(V) viene preparato mediante idrolisi di niobati di metalli alcalini, alcossidi o fluoruro utilizzando delle basi. Tali procedure apparentemente semplici forniscono ossidi idrati che possono poi essere calcinati. Il pentossido di niobio puro può anche essere preparato mediante idrolisi di cloruro di niobio(V):[9]

È stato riportato un metodo di produzione tramite tecniche sol-gel che idrolizza gli alcossidi di niobio in presenza di acido acetico, seguito dalla calcinazione dei gel per produrre la forma ortorombica[4], T-Nb2O5[10].

Ossidazione[modifica | modifica wikitesto]

Dato che l'ossido di niobio(V) è il composto più comune e robusto del niobio, esistono molti metodi per la sua formazione. L'ossido, ad esempio, si forma quando il niobio metallico viene ossidato nell'aria[11]. L'ossidazione del diossido di niobio (NbO2) nell'aria, forma il polimorfo, L-Nb2O5[12] .

Particelle di pentossido di niobio di dimensioni nanometriche sono state sintetizzate mediante riduzione in idruro di litio (LiH) da cloruro di niobio(V), seguita da ossidazione aerea come parte di una sintesi di niobati nanostrutturati.[senza fonte]

Reazioni[modifica | modifica wikitesto]

l'ossido di niobio(V) viene attaccato da acido fluorifrico e si dissolve in alcali fusi[7][11].

Riduzione a metallo[modifica | modifica wikitesto]

La conversione di ossido di niobio(V) è la via principale per la produzione industriale di niobio metallico. Negli anni '80 venivano consumati annualmente circa 15.000.000 di kg di Nb2O5 per la riduzione a metallo[13]. Il metodo principale è la riduzione di questo ossido con l'alluminio:

Un percorso alternativo, ma meno praticato, prevede la riduzione carbotermica, che procede tramite riduzione con carbonio e costituisce la base del processo Balke in due fasi:[14]

(riscaldato sotto vuoto a 1800 °C)

Conversione ad alogenuri[modifica | modifica wikitesto]

Sono noti molti metodi per la conversione di ossido di niobio(V) negli alogenuri. Il problema principale è la reazione incompleta per dare gli ossialogenuri. In laboratorio la conversione può essere effettuata con cloruro di tionile:[15]

L'ossido di niobio(V) reagisce con tetracloruro di carbonio (CCl4) per dare ossicloruro di niobio (NbOCl3).

Conversione a niobati[modifica | modifica wikitesto]

Il trattamento dell'ossido di niobio(V) con idrossido di sodio (NaOH) acquoso a 200 °C può dare niobato di sodio cristallino (NaNbO3) mentre la reazione con idrossido di potassio (KOH) può produrre esaniobati solubili di tipo Lindqvist, come Nb6O198− [16]. I niobati di litio come LiNbO3 e Li3NbO4 possono essere preparati mediante reazione di carbonato di litio e ossido di niobio(V)[17][18].

Conversione in ossidi di niobio ridotti[modifica | modifica wikitesto]

La riduzione ad alta temperatura con idrogeno molecolare (H2) dà diossido di niobio (NbO2):[11]

Il monossido di niobio deriva da una comproporzione mediante un forno ad arco:[19]

L'ossido di niobio(III) di colore bordeaux, uno dei primi ossidi superconduttori, può essere nuovamente preparato mediante una comproporzione:[18]

Usi[modifica | modifica wikitesto]

Il pentossido di niobio viene utilizzato principalmente nella produzione di niobio metallico[13], ma esistono applicazioni specializzate per il niobato di litio e come componente del vetro ottico[3].

Film sottili di ossido di niobio(V) formano gli strati dielettrici nei condensatori a elettrolita solido.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ (EN) Nomenclature of Inorganic Chemistry : IUPAC Recommendations 2005 (Red Book), Cambridge, Royal Society of Chemistry, 2005, ISBN 978-08-54-04438-2.
  2. ^ scheda dell'ossido di niobio(V) su IFA-GESTIS Archiviato il 16 ottobre 2019 in Internet Archive.
  3. ^ a b (EN) Francois Cardarelli, Materials Handbook, Londra, Springer, 2008, ISBN 978-18-46-28668-1.
  4. ^ a b c (EN) C. Nico, Sintered NbO powders for electronic device applications, in The Journal of Physical Chemistry C, vol. 115, n. 11, 2011, pp. 4879–4886, DOI:10.1021/jp110672u.
  5. ^ a b (EN) Wells, A.F., Structural Inorganic Chemistry, 5ª ed., Oxford Science Publications, 1984, ISBN 0-19-855370-6.
  6. ^ (EN) B. M. Gatehouse e A. D. Wadsley, The crystal structure of the high temperature form of niobium pentoxide, in Acta Crystallogr., n. 17, 1964, pp. 1545-1554, DOI:10.1107/S0365110X6400384X.
  7. ^ a b (EN) D.A. Bayot e M.M. Devillers, Precursors routes for the preparation of Nb based multimetallic oxides, in Progress in Solid State Chemistry Research, gennaio 2007.
  8. ^ (EN) Alderman, O. L. G., Benmore, C. J., Neuefeind, J. C., Coillet, E., Mermet, Alain, Martinez, V., Tamalonis, A. e Weber, J. K. R., Amorphous tantala and its relationship with the molten state, in Physical Review Materials, vol. 2, n. 4, 2018, pp. 043602.
  9. ^ (EN) Kern, Therwil; Jacob, Hooper, CIBA Switzerland, Process for the manufacture of niobium pentoxide or tantalum pentoxide, 3133788, Stati Uniti, 1964.
  10. ^ (EN) P Griesmar, G Papin, C Sanchez e J Livage, Sol-gel route to niobium pentoxide, in Chem. Mater., 3(2), 1991, pp. 335-339, DOI:10.1021/cm00014a026.
  11. ^ a b c (EN) Norman N. Greenwood e Alan Earnshaw, Chemistry of the Elements, 2ª ed., Oxford, Butterworth-Heinemann, 1997, ISBN 0-7506-3365-4.
  12. ^ (EN) G. C. Vezzoli, Electrical properties of NbO2 and Nb2O5 at elevated temperature in air and flowing argon, in Phys. Rev. B, vol. 26, 1982, pp. 3954-3957, DOI:10.1103/PhysRevB.26.3954.
  13. ^ a b (EN) Joachim Eckert e Hermann C. Starck, Niobium and Niobium Compounds, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Weinheim, Wiley-VCH, 2005, DOI:10.1002/14356007.a17_251.
  14. ^ (EN) Alan E. Comyns, Encyclopedic Dictionary of Named Processes in Chemical Technology, CRC Press, 1999, ISBN 0-8493-1205-1.
  15. ^ (EN) D. Brown, Niobium(V) Chloride and Hexachloroniobates(V), in Inorganic Syntheses, vol. 9, 1957, pp. 88–92, DOI:10.1002/9780470132401.ch24.
  16. ^ (EN) I.C.M.S. Santos, L.H. Loureiro, M.F.P. Silva e Ana M. V. Cavaleiro, Studies on the hydrothermal synthesis of niobium oxides, in Polyhedron, vol. 21, n. 20, 2002, pp. 2009-2015, DOI:10.1016/S0277-5387(02)01136-1. URL consultato il 4 ottobre 2021.
  17. ^ (EN) Katoono T.; Tominaga H., Process for producing lithium niobate single crystal, 5482001, Stati Uniti, 1996.
  18. ^ a b (EN) Margret J. Geselbracht, Angelica M. Stacy e Matthew Rosseinsky, Lithium Niobium Oxide: LiNbo2 and Superconducting LiXNbO2, in Inorganic Syntheses, vol. 30, 1º gennaio 1995, pp. 222–226, DOI:10.1002/9780470132616.ch42. URL consultato il 4 ottobre 2021.
  19. ^ (EN) T. B. Reed e E. R. Pollard, Niobium Monoxide, in Inorganic Syntheses, vol. 30, 1995, pp. 108–110, DOI:10.1002/9780470132616.ch22.

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

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