Niobio
Mag31

Niobio

Il niobio è un metallo di transizione appartenente al Gruppo 5B e al 5° Periodo avente configurazione elettronica [Kr] 4d4 5s1. La scoperta del niobio è intimamente connessa a quella del tantalio sia perché i due metalli sono in genere presenti negli stessi minerali, sia perché la loro separazione è particolarmente difficile a causa del loro comportamento analogo. Nel 1802 il chimico britannico Charles Hatchett nell’ambito dei suoi studi sui minerali esaminò un campione inviato dal Connecticut e riscontrò l’esistenza di un nuovo elemento per il quale suggerì il nome di columbio in quanto proveniente dall’America e lo stesso minerale prese il nome di columbite. L’anno successivo il chimico svedese Anders Gustaf Ekeberg scoprì il tantalio che presentava proprietà simili all’elemento scoperto in precedenza. Fu solo dopo molti studi che nel 1846 il chimico tedesco Heinrich Rose comprese che nelle rocce esaminate oltre al tantalio era presente un altro elemento a cui fu dato il nome di niobio dal personaggio mitologica Niobe, figlia di Tantalo. Il niobio, metallo di colore grigio, tenero e duttile ha, come il tantalio, numeri di ossidazione +5, + 4, + 3, + 2, + 1, −1, −3  e il numero di ossidazione più stabile è +5. Come il tantalio anche il niobio reagisce a caldo con gli alogeni dando alogenuri di niobio in cui esibisce il numero di ossidazione +5; il pentafluoruro di niobio NbF5 è di colore bianco, il pentacloruro di niobio NbCl5 è di colore giallo, il pentabromuro di niobio NbBr5 è di colore arancione mentre il pentaioduro di niobio NbI5 è di color oro. Come il tantalio anche il niobio non reagisce con l’aria e con l’acqua in condizioni normali in quanto tende a ricoprirsi di un sottile film di ossido di niobio Nb2O5. Il pentossido di niobio costituisce il precursore di molti composti del niobio. Tra gli ossidi di niobio, oltre al pentossido vi è il biossido NbO2 in cui il niobio ha numero di ossidazione + 4 e può essere ottenuto per idrogenazione del pentossido a temperature superiori a 800°C. Il biossido di niobio è un buon agente riducente in grado di ridurre il biossido di carbonio a carbonio e il biossido di zolfo a zolfo. Oltre al triossido di niobio Nb2O3 in cui il niobio ha numero di ossidazione +3 il niobio forma anche il monossido di niobio NbO in cui ha il niobio ha il numero di ossidazione più raro +2. Quest’ultimo viene ottenuto in un forno elettrico ad arco dalla reazione tra pentossido di niobio e niobio secondo la reazione di comproporzione: Nb2O5 + 3 Nb → 5 NbO Facendo reagire il pentossido di niobio con NaOH a 200°C si ottengono il niobiato di...

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Concentrazione di ioni dopo la precipitazione
Mag29

Concentrazione di ioni dopo la precipitazione

Il principio su cui si basa l’analisi chimica qualitativa è la precipitazione di ioni presenti nel campione incognito e la successiva caratterizzazione. Ad esempio solo gli ioni Ag+, Hg22+e Pb2+ precipitano in ambiente acido sotto forma di cloruri e quindi nella classificazione analitica costituiscono un gruppo. Da un punto di vista quantitativo è necessario conoscere, sulla base delle diverse solubilità dei sali, le concentrazioni degli ioni presenti dopo la precipitazione di uno dei due. Questo tipo di problema viene affrontato e risolto con l’ausilio dei prodotti di solubilità dei rispettivi sali poco solubili. Vengono proposti alcuni esercizi che richiedono la valutazione delle concentrazioni degli ioni dopo che è avvenuta la precipitazione ed esempi analoghi che vengono risolti basandosi sullo stesso principio. Esercizi Ad una soluzione contenente ioni Cl– e I– a concentrazione 0.010 M viene aggiunto lo ione Ag+. Determinare: a) quale sale precipita per primo; b) la concentrazione dell’anione del primo precipitato quando inizia a precipitare il secondo. Kps(AgCl) = 1.6 ∙ 10-10 e Kps(AgI) = 5 ∙ 10-16 Dalla definizione di prodotto di solubilità risulta evidente che quando più piccolo è il valore di Kps tanto minore è la solubilità. Tuttavia è possibile, come nel nostro caso, confrontare direttamente tra loro le solubilità di due sali solo se essi hanno la stessa stechiometria mentre il confronto diretto dal valore del Kps non è possibile se i sali hanno stechiometria diversa ad esempio AB e AB2 per i quali non è possibile trarre conclusioni sulle loro solubilità relative dal semplice confronto dei loro Kps. Alla luce di quanto detto dai valori dei due prodotti di solubilità possiamo dire che il sale meno solubile, quello che ha il valore di Kps più piccolo ovvero AgI è quello che precipita per primo. All’equilibrio: [Ag+] = x e [I–] = x + 0.010 Si può tuttavia trascurare x rispetto a 0.010 pertanto [I–] ≈ 0.010 M Sostituendo nell’espressione del prodotto di solubilità si ha: Kps = 1.5 ∙ 10-16  = [Ag+][I–] = [Ag+] (0.010) Da cui [Ag+] = 1.5 ∙ 10-16/0.010 = 1.5 ∙ 10-14 M La precipitazione di AgCl avviene quando il prodotto delle concentrazioni di Ag+ e di Cl– uguaglia il prodotto di solubilità. All’equilibrio: [Ag+] = x e [Cl–] = x + 0.010 Si può tuttavia trascurare x rispetto a 0.010 pertanto [Cl–] ≈ 0.010 M Sostituendo nell’espressione del prodotto di solubilità si ha: Kps = 1.6 ∙ 10-10  = [Ag+][Cl–] = [Ag+] (0.010) Da cui [Ag+] = 1.6 ∙ 10-10/0.010 = 1.6 ∙ 10-8 M Quando il cloruro di argento inizia a precipitare la concentrazione dello ione ioduro è data da: [I–] = Kps/[Ag+] = 1.5 ∙...

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Coltan: il costo dei cellulari
Mag27

Coltan: il costo dei cellulari

Con il termine coltan si indica una miscela di columbite e tantalite minerali che contengono rispettivamente ossidi di niobio il cui nome antico era columbio e di ossidi di tantalio. Il tantalio è un elemento raro e scarsamente disponibile che viene utilizzato nella realizzazione di condensatori al tantalio caratterizzati da efficienza volumetrica elevata e stabilità nel tempo e in temperatura per il mondo dell’elettronica ed in particolare negli smartphone per ottenere componenti miniaturizzati. Stante la domanda sempre crescente di dispositivi elettronici ed in particolare di telefoni cellulari i paesi in cui sono presenti giacimenti di coltan o di tantalite godono di un’incredibile fonte di ricchezza. Il coltan si trova in alcuni paesi come l’Australia, il Brasile e il Canada ma anche in nel nord-est della Repubblica Democratica del Congo in cui si perpetua una terrificante violazione dei diritti umani. Nelle miniere lavorano in uno stato disastroso donne e bambini in condizioni di sfruttamento e riduzione alla schiavitù in cambio di salari irrisori e spesso i bambini vengono sottratti alle loro famiglie e costretti a lavorare gratis. I piccoli corpi dei bambini che a volte hanno solo 5 anni costituiscono un valido mezzo di accesso ai punti più angusti e impervi delle miniere ed è su di essi che si attua un vero e proprio crimine. Costretti a lavorare per 15 ore di media al giorno e fino a 72 ore consecutive a mani nude la maggior parte dei bimbi che sopravvivono ai gas che si sprigionano e agli stenti non arrivano al compimento del trentesimo anno di età. Il coltan contiene inoltre piccole quantità di uranio e quindi lavorando senza alcuna protezione si verificano anche negli adulti numerosi casi di tumore. Il controllo delle zone minerarie che porta a guadagni immensi ha innescato una lotta tra fazioni di gruppi armati che si contendono i lauti guadagni e hanno interesse a mantenere una situazione di precarietà e violenza per poter affliggere con le loro angherie le popolazioni poverissime e inermi che subiscono i conflitti generati che sono costati negli ultimi decenni circa 5 milioni di morti. Una volta estratto il coltan viene trasportato dalla miniera ai punti di raccolta e ciò avviene grazie ai “portatori” costretti a camminare a piedi per lunghi tratti con enormi carichi che portano a spalla e, a causa di queste condizioni disumane spesso muoiono di stenti o di incidenti lungo il percorso. Si suppone inoltre che questo scempio avvenga con la connivenza delle forze governative corrotte ed in particolare dell’esercito. Gli Stati Uniti d’America hanno vietato già dal 2010 alle industrie americane l’acquisto di coltan proveniente da zone in cui non vengono rispettati i diritti umani...

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Schermo dello smartphone che si autoripara
Mag24

Schermo dello smartphone che si autoripara

La ricerca di materiali innovativi, dotati di particolari proprietà da utilizzare nei campi più svariati, ha pervaso l’umanità fin dalla preistoria. La scoperta di nuovi materiali ha condizionato lo sviluppo della società favorendo il progresso ad iniziare dal bronzo fino ai polimeri e ai materiali in 2D. Di recente è stato presentato alla American Chemical Society un lavoro rivoluzionario che potrebbe avere, nei prossimi anni, applicazioni al limite dell’immaginazione. Un team di ricercatori dell’Università della California e dell’Università del Colorado coordinato dal chimico Chao Wang ha ottenuto un nuovo materiale trasparente, estremamente elastico, conduttore di elettricità che ha la caratteristica di autoripararsi una volta rotto che potrebbe essere sfruttato per il touch screen. Il materiale costituito da un polimero estensibile e un sale ionico in cui è presente un legame ione- dipolo che può “ricucirsi” in meno di 24 ore sfruttando l’attrazione tra ioni e molecole polari. Questo materiale potrebbe quindi risolvere l’annoso problema della rottura dello schermo dello smartphone che comporta elevati costi per la riparazione oltre che alla rinuncia per svariati giorni dell’accessorio che è diventato praticamente insostituibile. Gli scienziati sono partiti dal presupposto che i legami covalenti sono forti ma non si ripristinano una volta rotti mentre gli altri legami come, ad esempio il legame a idrogeno è più debole ma può riformarsi: ad esempio il legame a idrogeno è il legame intermolacolare presente nelle molecole di acqua e si rompe e si riforma in modo dinamico. Sebbene esistano polimeri che si autoriparano formano legami a idrogeno o legami di coordinazione ma non sono adatti per essere utilizzati nei conduttori ionici. I ricercatori hanno quindi appuntato la loro attenzione a un tipo di legame diverso ovvero un’interazione ione-dipolo che si verifica tra ioni e molecole polari che non era mai stato preso in considerazione nella realizzazione di polimeri che si autoriparano. Si è quindi considerato un polimero estensibile costituito da fluoruro di polivinilidiene-esafluoropropilene di tipo polare e da un sale ionico che stabilisce con il polimero interazioni ione-dipolo. Il nuovo materiale ottenuto conduttore di elettricità può allungarsi 50 volte rispetto alla sua dimensione iniziale ed è in grado di autoripararsi entro un giorno. La ricerca ora si rivolge all’ottimizzazione del materiale manipolando i legami covalenti presenti e testandolo in particolari condizioni come la presenza di particolare...

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Tantalio
Mag23

Tantalio

Il tantalio è un metallo di transizione appartenente al Gruppo 5B e al 6° Periodo avente configurazione elettronica [Xe] 4f145d36s2. Il tantalio fu scoperto dal chimico svedese Anders Gustaf Ekeberg nel 1802 e il suo nome deriva da Tantalo figura mitologia che dopo la sua morte fu sottoposto a un supplizio e si ritenne che il tantalio avesse attinenza con il comportamento dell’elemento che non si scioglie negli acidi. Fu solo nel 1864 che il chimico francese Jean Charles Galissard de Marignac riuscì ad isolare il tantalio presente in alcune rocce come la tantalite, la columbite e il coltan riducendo il cloruro di tantalio in atmosfera di idrogeno. Il tantalio è un metallo scuro dotato di elevata densità e ottimo conduttore di calore e elettricità noto per la sua resistenza agli acidi; esso non viene attaccato neanche dall’acqua regia a temperature minori di 150°C ma viene attaccato dall’acido fluoridrico o dall’idrossido di potassio. Il tantalio presenta numeri di ossidazione +5, +4, +3, +2, +1, -1, e -3 sebbene il numero di ossidazione più stabile è +5. Il tantalio reagisce a caldo con gli alogeni dando alogenuri di tantalio in cui esibisce il numero di ossidazione +5; il pentafluoruro di tantalio TaF5 così come il pentacloruro di tantalio TaCl5 sono di colore bianco, il pentabromuro di tantalio TaBr5 è di colore giallo mentre il pentaioduro di tantalio TaI5 è nero. Il tantalio forma con gli alogeni composti in cui presenta anche il numero di ossidazione +4 e +3. Il pentafluoruro di tantalio viene usato insieme all’acido fluoridrico come catalizzatore nell’alchilazione di alcani e alcheni e nella protonazione di composti aromatici. Il tantalio non reagisce con l’aria e con l’acqua in condizioni normali in quanto tende a ricoprirsi di un sottile film di ossido di tantalio Ta2O5. Il pentossido di tantalio costituisce il materiale di partenza per ottenere gli altri composti del tantalio che vengono ottenuti per dissoluzione dell’ossido in soluzioni basiche. Tra i composti più importanti del tantalio vi sono i tantalati derivanti formalmente dall’ipotetico acido tantalico HTaO3. Tra i tantalati più importanti vi è il tantalato di litio LiTaO3 che presenta proprietà ottiche, piezoelettriche e piroelettriche che lo rendono fondamentale per molti dispositivi tra cui i sensori di movimento. Tra i composti del tantalio vi è la famiglia dei carburi di tantalio avente formula TaCx con x compreso tra 0.4 e 1 materiali appartenenti alla famiglia delle ceramiche refrattarie dotati di conducibilità elettrica. In particolare il carburo di tantalio TaC ha una durezza superiore a quella del diamante che viene usato come additivo per leghe di carburo di tungsteno, utensili e attrezzi da taglio. Il tantalio viene utilizzato nei...

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