Elementos del Grupo 5

El grupo 5 (según el estilo IUPAC) es un grupo de elementos en la tabla periódica. El grupo 5 contiene vanadio (V), niobio (Nb), tantalio (Ta) y dubnio (Db). Este grupo se encuentra en el bloque d de la tabla periódica. El grupo en sí no ha adquirido un nombre trivial; pertenece al grupo más amplio de los metales de transición.

Los tres elementos más ligeros del Grupo 5 ocurren naturalmente 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 ocurra en la naturaleza, con una vida media del isótopo más estable, el dubnio-268, de solo 29 horas, y otros isótopos aún más radiactivos. 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 unpentseptium y unpentennium son elementos del período 8 tardío, es poco probable que estos elementos se sinteticen en un futuro próximo.

Química

Al igual que otros grupos, los miembros de esta familia muestran patrones en su configuración electrónica, especialmente en las capas más externas, aunque el niobio curiosamente no sigue la tendencia:

Z	Elemento	No. de electrones/cáscara
23	vanadio	2, 8, 11, 2
41	niobio	2, 8, 18, 12, 1
73	tantalio	2, 8, 18, 32, 11, 2
105	dubnio	2, 8, 18, 32, 32, 11, 2

La mayor parte de la química se ha observado solo para los tres primeros miembros del grupo (la química del dubnio no está muy establecida y, por lo tanto, el resto de esta sección trata solo del vanadio, el niobio y el tantalio). Todos los elementos del grupo son metales reactivos con puntos de fusión elevados (1910 °C, 2477 °C, 3017 °C). La reactividad no siempre es evidente debido a la rápida formación de una capa de óxido estable, que evita más reacciones, de manera similar a las tendencias en el Grupo 3 o el Grupo 4. Los metales forman diferentes óxidos: el vanadio forma óxido de vanadio (II), 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.

Los tres elementos forman varios compuestos inorgánicos, generalmente en el estado de oxidación de +5. También se conocen estados de oxidación más bajos, pero son menos estables y su estabilidad disminuye con el aumento de la masa atómica.

Historia

El vanadio fue descubierto por Andrés Manuel del Río, un mineralogista mexicano nacido en España, en 1801 en el mineral vanadinita. Después de que otros químicos rechazaran su descubrimiento del eritronio, se retractó de su afirmación.

El niobio fue descubierto por el químico inglés Charles Hatchett en 1801.

El tantalio fue descubierto por primera vez en 1802 por Anders Gustav Ekeberg. Sin embargo, se pensó que era idéntico al niobio hasta 1846, cuando Heinrich Rose demostró que los dos elementos eran diferentes. El tantalio puro no se produjo hasta 1903.

El dubnio se produjo por primera vez en 1968 en el Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear al bombardear americio-243 con neón-22 y se volvió a producir en el Laboratorio Lawrence Berkeley en 1970. Se propusieron los nombres "neilsbohrium" y "joliotium" para el elemento, pero en 1997, la IUPAC decidió nombrar el elemento dubnio.

Etimologías

Vanadium lleva el nombre de Vanadis, la diosa escandinava del amor. El niobio lleva el nombre de Niobe, una figura de la mitología griega. Tantalio lleva el nombre de Tantalus, una figura de la mitología griega. Dubnium lleva el nombre de Dubna, Rusia, donde fue descubierto.

Ocurrencia

Hay 160 partes por millón de vanadio en la corteza terrestre, lo que lo convierte en el elemento 19 más abundante allí. El suelo contiene en promedio 100 partes por millón de vanadio, y el agua de mar contiene 1,5 partes por billón de vanadio. Un ser humano típico contiene 285 partes por mil millones de vanadio. Se conocen más de 60 minerales de vanadio, incluidos vanadinita, patronita y carnotita.

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 billón de niobio. El niobio se encuentra en los minerales columbita y pirocloro.

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.

Producción

Aproximadamente 70000 toneladas de mineral de vanadio se producen anualmente, con 25000 toneladas de mineral de vanadio en Rusia, 24000 en Sudáfrica, 19000 en China y 1000 en Kazajstán. Cada año se producen 7000 t de vanadio metálico. Es imposible obtener vanadio calentando su mineral con carbón. En cambio, el vanadio se produce calentando el 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.

Anualmente se producen 230 000 t de mineral de niobio, con Brasil produciendo 210 000 t, Canadá produciendo 10 000 t y Australia produciendo 1000 t. Cada año se producen 60000 t de niobio puro.

Anualmente se producen 70000 t 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 es de alrededor de 1200 t por año.

El dubnio se produce sintéticamente bombardeando actínidos con elementos más ligeros.

Aplicaciones

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, blindaje y reactores nucleares. El óxido de vanadio le da a la cerámica un color dorado y otros compuestos de vanadio se utilizan como catalizadores para producir polímeros.

Se añaden pequeñas cantidades de niobio al acero inoxidable para mejorar su calidad. Las aleaciones de niobio también se usan en toberas de cohetes debido a la alta resistencia a la corrosión del niobio.

El tantalio tiene cuatro tipos principales de aplicaciones. El tantalio se agrega a objetos expuestos a altas temperaturas, en dispositivos electrónicos, en implantes quirúrgicos y para manipular sustancias corrosivas.

Toxicidad

No se sabe que el vanadio puro sea tóxico. Sin embargo, el pentóxido de vanadio causa irritación severa de los ojos, la nariz y la garganta.

Se cree que el niobio y sus compuestos son levemente tóxicos, pero no se sabe que haya ocurrido envenenamiento por niobio. El polvo de niobio puede irritar los ojos y la piel.

El tantalio y sus compuestos rara vez causan lesiones, y cuando lo hacen, las lesiones normalmente son erupciones.

Ocurrencias biológicas

De los elementos del grupo 5, solo se ha identificado que el vanadio juega un papel en la química biológica de los sistemas vivos, pero incluso juega un papel muy limitado en la biología y es más importante en los ambientes oceánicos que en la tierra.

El vanadio, esencial para las ascidias y los tunicados como vanabinas, se conoce en las células sanguíneas de Ascidiacea (ascidias) desde 1911, en concentraciones de vanadio en su sangre más de 100 veces más altas que la concentración de vanadio en el agua de mar que las rodea. Varias especies de macrohongos acumulan vanadio (hasta 500 mg/kg en peso seco). La bromoperoxidasa dependiente de vanadio genera compuestos organobromados en varias especies de algas marinas.

También se sabe que las ratas y los pollos requieren vanadio en cantidades muy pequeñas y las deficiencias dan como resultado un crecimiento reducido y una reproducción deficiente. El vanadio es un suplemento dietético relativamente controvertido, principalmente para aumentar la sensibilidad a la insulina y el culturismo. El sulfato de vanadilo puede mejorar el control de la glucosa en personas con diabetes tipo 2. Además, el decavanadato y 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.