Élément du groupe 5

Légende

Le groupe 5 est un groupe d'éléments du tableau périodique . Le groupe 5 contient le vanadium (V), le niobium (Nb), le tantale (Ta) et le dubnium (Db). Ce groupe se trouve dans le bloc d du tableau périodique. Ce groupe est parfois appelé groupe du vanadium ou famille du vanadium d'après son membre le plus léger ; cependant, le groupe lui-même n'a pas acquis de nom trivial car il appartient au groupe plus large des métaux de transition .

Comme c'est typique pour les premiers métaux de transition, le niobium et le tantale n'ont que l' état d'oxydation de groupe +5 comme état majeur, et sont assez électropositifs (il est facile de donner des électrons) et ont une chimie de coordination moins riche (la chimie des ions métalliques liés aux molécules). En raison des effets de la contraction des lanthanides , la diminution des rayons ioniques dans les lanthanides , leurs propriétés sont très similaires. Le vanadium est quelque peu différent en raison de sa plus petite taille : il a également des états +2, +3 et +4 bien définis (bien que +5 soit plus stable).

Les trois éléments les plus légers du groupe 5 sont présents dans la nature et partagent des propriétés similaires ; tous trois sont des métaux réfractaires durs dans des conditions normales. Le quatrième élément, le dubnium , a été synthétisé en laboratoire, mais il n'a pas été trouvé dans la nature, la demi-vie de l'isotope le plus stable, le dubnium-268, n'étant que de 16 heures, et les autres isotopes étant encore plus radioactifs .

Le groupe 5 est le nouveau nom de l'IUPAC pour ce groupe ; l'ancien nom était le groupe VB dans l'ancien système américain (CAS) ou le groupe VA dans le système européen (ancien IUPAC). Le groupe 5 ne doit pas être confondu avec le groupe dont les noms croisés de groupe à l'ancienne étaient VA (système américain, CAS) ou VB (système européen, ancien IUPAC) ; ce groupe est désormais appelé pnictogènes ou groupe 15.

Le vanadium a été découvert en 1801 par le minéralogiste espagnol Andrés Manuel del Río . Del Río a extrait l'élément d'un échantillon de minerai de plomb brun mexicain, plus tard appelé vanadinite . Il a constaté que ses sels présentaient une grande variété de couleurs, et en conséquence, il a nommé l'élément panchrome (grec : παγχρώμιο « toutes les couleurs »). Plus tard, Del Río a renommé l'élément érythronium (grec : ερυθρός « rouge ») car la plupart des sels devenaient rouges sous l'effet de la chaleur. En 1805, le chimiste français Hippolyte Victor Collet-Descotils , soutenu par l'ami de del Río, le baron Alexander von Humboldt , a déclaré à tort que le nouvel élément de del Río était un échantillon impur de chrome . Del Río a accepté la déclaration de Collet-Descotils et a rétracté sa plainte.

En 1831, le chimiste suédois Nils Gabriel Sefström a redécouvert l'élément dans un nouvel oxyde qu'il avait trouvé en travaillant sur des minerais de fer . Plus tard cette année-là, Friedrich Wöhler a confirmé les travaux antérieurs de del Río. Sefström a choisi un nom commençant par V, qui n'avait encore été attribué à aucun élément. Il a appelé l'élément vanadium d'après le vieux norrois Vanadís (un autre nom de la déesse nordique Vanir Freyja , dont les attributs incluent la beauté et la fertilité), en raison des nombreux composés chimiques magnifiquement colorés qu'il produit. En 1831, le géologue George William Featherstonhaugh a suggéré que le vanadium soit renommé rionium d'après del Río, mais cette suggestion n'a pas été suivie.

Le niobium a été identifié par le chimiste anglais Charles Hatchett en 1801. Il a trouvé un nouvel élément dans un échantillon minéral qui avait été envoyé en Angleterre du Connecticut , aux États-Unis en 1734 par John Winthrop FRS (petit-fils de John Winthrop le Jeune ) et a nommé le minéral columbite et le nouvel élément columbium d'après Columbia , le nom poétique des États-Unis. Cependant, après la 15e conférence de l'Union de chimie à Amsterdam en 1949, le nom niobium a été choisi pour l'élément 41. Le columbium découvert par Hatchett était probablement un mélange du nouvel élément avec du tantale, qui a été découvert pour la première fois en 1802 par Anders Gustav Ekeberg .

Par la suite, il y eut une confusion considérable sur la différence entre le niobium et le tantale, un métal étroitement apparenté. En 1809, le chimiste anglais William Hyde Wollaston compara les oxydes dérivés du niobium (columbite, d'une densité de 5,918 g/cm ³ ) et du tantale (tantalite , d'une densité supérieure à 8 g/cm ³ ) et conclut que les deux oxydes, malgré la différence significative de densité, étaient identiques ; il conserva donc le nom de tantale. Cette conclusion fut contestée en 1846 par le chimiste allemand Heinrich Rose , qui affirma qu'il y avait deux éléments différents dans l'échantillon de tantalite et les nomma d'après les enfants de Tantale : le niobium (de Niobe ) et le pélopium (de Pélops ). Cette confusion résultait des différences minimes observées entre le tantale et le niobium. Les nouveaux éléments revendiqués pélopium , ilménium et dianium étaient en fait identiques au niobium ou à des mélanges de niobium et de tantale. Le tantale pur n'a pas été produit avant 1903.

Le dernier élément du groupe, le dubnium , n'est pas présent naturellement et doit donc être synthétisé en laboratoire. La première détection signalée a été faite par une équipe du Joint Institute for Nuclear Research (JINR), qui en 1968 avait produit le nouvel élément en bombardant une cible d'américium -243 avec un faisceau d' ions néon -22, et avait signalé des activités alpha de 9,4 MeV (avec une demi-vie de 0,1–3 secondes) et 9,7 MeV ( t _1/2 > 0,05 s) suivies d'activités alpha similaires à celles de 256 ¹⁰³ ou ²⁵⁷ 103. Sur la base de prédictions théoriques antérieures, les deux lignes d'activité ont été attribuées respectivement à ²⁶¹ 105 et ²⁶⁰ 105.

Après avoir observé les désintégrations alpha de l'élément 105, les chercheurs ont voulu observer la fission spontanée (SF) de l'élément et étudier les fragments de fission résultants. Ils ont publié un article en février 1970, rapportant plusieurs exemples de deux de ces activités, avec des demi-vies de 14 ms et2,2 ± 0,5 s . Ils ont attribué la première activité à ^242mf Am et la seconde activité à un isotope de l'élément 105. Ils ont suggéré qu'il était peu probable que cette activité puisse provenir d'une réaction de transfert plutôt que de l'élément 105, car le rapport de rendement de cette réaction était significativement inférieur à celui de la réaction de transfert produisant ^242mf Am, conformément aux prédictions théoriques. Pour établir que cette activité ne provenait pas d'une réaction ( ²² Ne, x n), les chercheurs ont bombardé une cible ²⁴³ Am avec des ions ¹⁸ O ; les réactions produisant ²⁵⁶ 103 et ²⁵⁷ 103 ont montré très peu d'activité SF (correspondant aux données établies), et la réaction produisant ²⁵⁸ 103 et ²⁵⁹ 103 plus lourds n'a produit aucune activité SF du tout, conformément aux données théoriques. Les chercheurs ont conclu que les activités observées provenaient du SF de l'élément 105.

Le JINR a ensuite tenté une expérience pour créer l'élément 105, publiée dans un rapport en mai 1970. Ils ont affirmé avoir synthétisé davantage de noyaux d'élément 105 et que l'expérience confirmait leurs travaux précédents. Selon le document, l'isotope produit par le JINR était probablement ²⁶¹ 105, ou peut-être ²⁶⁰ 105. Ce rapport comprenait un examen chimique initial : la version à gradient thermique de la méthode de chromatographie en phase gazeuse a été appliquée pour démontrer que le chlorure de ce qui s'était formé à partir de l'activité SF correspondait presque à celui du pentachlorure de niobium , plutôt qu'à celui du tétrachlorure d'hafnium . L'équipe a identifié une activité SF de 2,2 secondes dans un chlorure volatil présentant les propriétés de l'eka-tantale, et a déduit que la source de l'activité SF devait être l'élément 105.

En juin 1970, le JINR a amélioré sa première expérience en utilisant une cible plus pure et en réduisant l'intensité des réactions de transfert en installant un collimateur avant le capteur. Cette fois, ils ont pu trouver des activités alpha de 9,1 MeV avec des isotopes filles identifiables comme ²⁵⁶ 103 ou ²⁵⁷ 103, ce qui implique que l'isotope d'origine était soit ²⁶⁰ 105 soit ²⁶¹ 105.

Une controverse a éclaté sur la personne qui avait découvert l'élément, chaque groupe suggérant son propre nom : le groupe de Dubna a nommé l'élément nielsbohrium d'après Niels Bohr , tandis que le groupe de Berkeley l'a nommé hahnium d'après Otto Hahn . Finalement, un groupe de travail conjoint de l'IUPAC et de l'IUPAP , le groupe de travail Transfermium, a décidé que le mérite de la découverte devait être partagé. Après plusieurs tentatives de compromis, où l'élément 105 a été appelé kurchatovium , joliotium et hahnium , en 1997 l'IUPAC a officiellement nommé l'élément dubnium d'après Dubna, et nielsbohrium a finalement été simplifié en bohrium et utilisé pour l'élément 107. ]

Comme d'autres groupes, les membres de cette famille présentent des schémas dans leur configuration électronique , en particulier dans les couches les plus externes. (La configuration 4d ³ 5s ² attendue pour le niobium est un état excité très bas à environ 0,14 eV.)

Français La majeure partie de la chimie n'a été observée que pour les trois premiers membres du groupe (la chimie du dubnium n'est pas très bien établie, mais ce que l'on sait semble correspondre aux attentes pour un congénère plus lourd du tantale). Tous les éléments du groupe sont des métaux réactifs avec des points de fusion élevés (1910 °C, 2477 °C, 3017 °C). La réactivité n'est pas toujours évidente en raison de la formation rapide d'une couche d'oxyde stable, qui empêche d'autres réactions, de manière similaire aux tendances du groupe 3 ou du groupe 4. Les métaux forment différents oxydes : le vanadium forme l'oxyde de vanadium(II) , l'oxyde de vanadium(III) , l'oxyde de vanadium(IV) et l'oxyde de vanadium(V) , le niobium forme l'oxyde de niobium(II) , l'oxyde de niobium(IV) et l'oxyde de niobium(V) , mais parmi les oxydes de tantale, seul l'oxyde de tantale(V) est caractérisé. Les oxydes métalliques (V) sont généralement non réactifs et agissent comme des acides plutôt que comme des bases, mais les oxydes inférieurs sont moins stables. Ils ont cependant des propriétés inhabituelles pour les oxydes, comme une conductivité électrique élevée.

Ces trois éléments forment divers composés inorganiques , généralement à l'état d'oxydation +5. Des états d'oxydation inférieurs sont également connus, mais dans tous les éléments autres que le vanadium, ils sont moins stables, leur stabilité diminuant avec l'augmentation de la masse atomique.

Le vanadium forme des oxydes dans les états d'oxydation +2, +3, +4 et +5 , formant ainsi _l' oxyde de vanadium(II) (VO), l'oxyde de vanadium(III) _(V2O3 ) _, l' oxyde _de vanadium(IV ) (VO2 ) et l' oxyde de vanadium(V) ( _V2O5 ). L'oxyde de vanadium(V) ou pentoxyde de vanadium est le plus courant, étant le précurseur de la plupart des alliages et composés de vanadium, et est également un catalyseur industriel largement utilisé.

Le niobium forme des oxydes dans les états d'oxydation +5 ( Nb ₂ O ₅ ), +4 ( NbO ₂ ), et l'état d'oxydation plus rare, +2 ( NbO ). Le plus courant est le pentoxyde, qui est également le précurseur de presque tous les composés et alliages de niobium.

Le pentoxyde de tantale ( _{Ta2O5 )} est le composé le plus important du point de vue des applications. Les oxydes de tantale dans les états d'oxydation inférieurs sont nombreux, y compris de nombreuses structures défectueuses , et sont peu étudiés ou mal caractérisés.

En solution aqueuse, le vanadium (V) forme une vaste famille d' oxyanions comme l'a établi la spectroscopie RMN ⁵¹ Les interrelations dans cette famille sont décrites par le diagramme de prédominance , qui montre au moins 11 espèces, en fonction du pH et de la concentration. L'ion orthovanadate tétraédrique, VO^{3 à}
₄, est la principale espèce présente à pH 12–14. De taille et de charge similaires à celles du phosphore (V), le vanadium (V) présente également des caractéristiques chimiques et cristallographiques similaires. L'orthovanadate V O^{3 à}
₄est utilisé en cristallographie des protéines pour étudier la biochimie du phosphate. En outre, il a également été démontré que cet anion interagit avec l'activité de certaines enzymes spécifiques. Le tétrathiovanadate [VS ₄ ] ³⁻ est analogue à l'ion orthovanadate.

À des valeurs de pH plus faibles, le monomère [HVO ₄ ] ²⁻ et le dimère [V ₂ O ₇ ] ⁴⁻ se forment, le monomère étant prédominant à une concentration en vanadium inférieure à environ 10 ⁻² M (pV > 2, où pV est égal à la valeur négative du logarithme de la concentration totale en vanadium/M). La formation de l'ion divanadate est analogue à la formation de l' ion dichromate . Lorsque le pH est réduit, une protonation et une condensation supplémentaires en polyvanadates se produisent : à pH 4–6, [H ₂ VO ₄ ] ⁻ est prédominant à pV supérieur à environ 4, tandis qu'à des concentrations plus élevées, des trimères et des tétramères se forment. Entre pH 2–4, le décavanadate prédomine, bien que sa formation à partir d'orthovanadate soit optimisée à pH 4–7, représentée par cette réaction :

10 Na ₃ [VO ₄ ] + 24 HOAc → Na ₆ [V ₁₀ O ₂₈ ] + 12 H ₂ O + 24 NaOAc

Dans le décavanadate, chaque centre V(V) est entouré de six ligands oxydes . L'acide vanadique, _H3VO4 , _n'existe qu'à de très faibles concentrations car la protonation de l'espèce tétraédrique [H2VO4 _{] −} entraîne ^la formation préférentielle de l'espèce octaédrique [VO2 ₍ H2O ₎ 4 _] + ^. Dans les solutions fortement acides, pH < 2, [VO2 ₍ H2O ) 4 _] + ^est l'espèce prédominante, tandis que l'oxyde V2O5 _{précipite de la solution} à des concentrations élevées . L'oxyde est formellement l' anhydride acide de l'acide vanadique. Les structures de nombreux composés vanadiques ont été déterminées par cristallographie aux rayons X.

Le vanadium(V) forme divers complexes peroxo, notamment dans le site actif des enzymes bromoperoxydases contenant du vanadium . L'espèce VO(O) ₂ ( _H2O ) ₄₊ ^est stable dans les solutions acides. Dans les solutions alcalines, on connaît des espèces _à 2, 3 et 4 groupes peroxydes ; cette dernière forme des sels violets de formule M3V ₍ O2 ₎ 4nH2O ₍ M=Li, Na, etc.), dans lesquels le vanadium a une structure dodécaédrique à 8 coordonnées.

_Les niobates sont générés par dissolution du pentoxyde dans des solutions d'hydroxyde basiques ou par fusion dans des oxydes de métaux alcalins. Le niobate de lithium (LiNbO3) et le niobate de lanthane (LaNbO4) en sont des exemples _. Le niobate de lithium a une structure de type perovskite déformée de manière trigonale , tandis que le niobate de lanthane contient du NbO isolé.^{3 à}
₄ions.

Les tantalates, composés contenant du [TaO ₄ ] ³⁻ ou du [TaO ₃ ] ⁻ sont nombreux. Le tantalate de lithium (LiTaO ₃ ) adopte une structure pérovskite. Le tantalate de lanthane (LaTaO _{4 ) contient} du TaO isolé^{3 à}
₄tétraèdres.

Douze halogénures binaires , composés de formule VX _n (n=2...5), sont connus. VI ₄ , VCl ₅ , VBr ₅ et VI ₅ n'existent pas ou sont extrêmement instables ; le seul composé halogénure V ^{5+ pur connu est} VF ₅ . En combinaison avec d'autres réactifs, VCl ₄ est utilisé comme catalyseur pour la polymérisation des diènes . Comme tous les halogénures binaires, ceux de vanadium sont acides de Lewis , en particulier ceux de V(IV) et V(V). De nombreux halogénures forment des complexes octaédriques de formule VX _n L _{6− n} (X= halogénure ; L= autre ligand).

On connaît de nombreux halogénures de vanadium (formule VO _m X _{n ).} Les oxytrichlorures et les oxytrifluorures ( VOCl ₃ et VOF ₃ ) sont les plus étudiés. Semblables à POCl ₃ , ils sont volatils, adoptent des structures tétraédriques en phase gazeuse et sont acides de Lewis.

Le niobium forme des halogénures dans les états d'oxydation +5 et +4 ainsi que divers composés sous-stoechiométriques . Les pentahalogénures ( NbX
₅) présentent des centres Nb octaédriques. Le pentafluorure de niobium ( NbF ₅ ) est un solide blanc avec un point de fusion de 79,0 °C et le pentachlorure de niobium ( NbCl ₅ ) est jaune (voir image à gauche) avec un point de fusion de 203,4 °C. Les deux sont hydrolysés pour donner des oxydes et des oxyhalogénures, tels que NbOCl ₃ . Le pentachlorure est un réactif polyvalent utilisé pour générer des composés organométalliques , tels que le dichlorure de niobocène ( (C
₅H
₅)
₂NbCl
₂). Les tétrahalogénures ( NbX
₄) sont des polymères de couleur foncée avec des liaisons Nb-Nb ; par exemple, le tétrafluorure de niobium hygroscopique noir ( NbF ₄ ) et le tétrachlorure de niobium violet foncé ( NbCl ₄ ).

Les composés halogénés anioniques du niobium sont bien connus, en partie en raison de l' acidité de Lewis des pentahalogénures. Le plus important est [NbF ₇ ] ²⁻ , un intermédiaire dans la séparation du Nb et du Ta des minerais. Cet heptafluorure a tendance à former l'oxopentafluorure plus facilement que le composé de tantale. D'autres complexes halogénés comprennent les octaédriques [ NbCl ₆ ] ⁻ :

Nb2Cl10 + _2Cl− ^→ 2 [ NbCl6 _] ⁻_​​

Comme pour d'autres métaux à faible numéro atomique, on connaît une variété d'ions halogénures réduits, le principal exemple étant [ Nb ₆ Cl ₁₈ ] ⁴⁻ .

Les halogénures de tantale couvrent les états d'oxydation +5, +4 et +3. Le pentafluorure de tantale (TaF ₅ ) est un solide blanc dont le point de fusion est de 97,0 °C. L'anion [TaF ₇ ] ^2- est utilisé pour sa séparation du niobium. Le chlorure TaCl
₅, qui existe sous forme de dimère, est le principal réactif dans la synthèse de nouveaux composés Ta. Il s'hydrolyse facilement en un oxychlorure . Les halogénures inférieurs TaX
₄et Tax
₃, comportent des obligations Ta-Ta.

Les tendances du groupe 5 suivent celles des autres groupes du bloc d précoce et reflètent l'ajout d'une couche f remplie dans le noyau lors du passage de la cinquième à la sixième période. Tous les membres stables du groupe sont des métaux réfractaires bleu argenté , bien que les impuretés de carbone , d'azote et d'oxygène les rendent cassants. Ils cristallisent tous dans la structure cubique centrée à température ambiante, et le dubnium devrait faire de même.

Le tableau ci-dessous résume les principales propriétés physiques des éléments du groupe 5. La valeur en question est une valeur prédite.

Le vanadium est un métal bleu acier , ductile et moyennement dur . Il est conducteur d'électricité et isolant thermique . Certaines sources décrivent le vanadium comme « mou », peut-être parce qu'il est ductile, malléable et non cassant . Le vanadium est plus dur que la plupart des métaux et aciers (voir Duretés des éléments (page de données) et le fer ). Il a une bonne résistance à la corrosion et il est stable contre les alcalis et les acides sulfurique et chlorhydrique . Il est oxydé dans l'air à environ 933 K (660 °C, 1220 °F), bien qu'une couche de passivation d'oxyde se forme même à température ambiante.

Le niobium est un métal paramagnétique , ductile , gris et brillant du groupe 5 du tableau périodique (voir tableau), avec une configuration électronique dans les couches les plus externes atypique pour le groupe 5. Des configurations atypiques similaires se produisent dans le voisinage du ruthénium (44) et du rhodium (45).

Bien qu'on pense qu'il possède une structure cristalline cubique centrée sur le corps du zéro absolu à son point de fusion, des mesures à haute résolution de la dilatation thermique le long des trois axes cristallographiques révèlent des anisotropies qui sont incompatibles avec une structure cubique.

Le niobium devient supraconducteur à des températures cryogéniques . À pression atmosphérique, il a la température critique la plus élevée des supraconducteurs élémentaires à 9,2 K. Le niobium a la plus grande profondeur de pénétration magnétique de tous les éléments. De plus, il est l'un des trois supraconducteurs élémentaires de type II , avec le vanadium et le technétium . Les propriétés supraconductrices dépendent fortement de la pureté du métal niobium.

Lorsqu'il est très pur, il est relativement mou et ductile, mais les impuretés le rendent plus dur.

Le métal a une faible section efficace de capture des neutrons thermiques ; il est donc utilisé dans les industries nucléaires où des structures transparentes aux neutrons sont souhaitées.

Le tantale est un métal de couleur sombre (bleu-gris), dense, ductile, très dur, facile à fabriquer et très conducteur de chaleur et d'électricité. Le métal est réputé pour sa résistance à la corrosion par les acides ; en fait, à des températures inférieures à 150 ° C, le tantale est presque totalement immunisé contre les attaques de l' eau régale normalement agressive . Il peut être dissous avec de l'acide fluorhydrique ou des solutions acides contenant l' ion fluorure et le trioxyde de soufre , ainsi qu'avec une solution d' hydroxyde de potassium . Le point de fusion élevé du tantale de 3017 °C (point d'ébullition 5458 °C) n'est dépassé parmi les éléments que par le tungstène , le rhénium l'osmium , et le carbone .

Le tantale existe en deux phases cristallines, alpha et bêta. La phase alpha est relativement ductile et molle ; elle a une structure cubique centrée ( groupe d'espace Im3m , constante de réseau a = 0,33058 nm), une dureté Knoop de 200 à 400 HN et une résistivité électrique de 15 à 60 μΩ⋅cm. La phase bêta est dure et cassante ; sa symétrie cristalline est tétragonale (groupe d'espace P42/mnm , a = 1,0194 nm, c = 0,5313 nm), une dureté Knoop de 1 000 à 1 300 HN et une résistivité électrique relativement élevée de 170 à 210 μΩ⋅cm. La phase bêta est métastable et se transforme en phase alpha lors d'un chauffage à 750–775 °C. Le tantale en vrac est presque entièrement en phase alpha, et la phase bêta existe généralement sous forme de films minces obtenus par pulvérisation magnétron , dépôt chimique en phase vapeur ou dépôt électrochimique à partir d'une solution de sel fondu eutectique .

Un effet relativiste direct est que, lorsque le nombre atomique des éléments augmente, les électrons les plus internes commencent à tourner plus vite autour du noyau en raison d'une augmentation de l'attraction électromagnétique entre un électron et un noyau. Des effets similaires ont été trouvés pour les orbitales s les plus externes (et les orbitales p _1/2 , bien que dans le dubnium elles ne soient pas occupées) : par exemple, l'orbitale 7s se contracte de 25 % et est stabilisée par 2,6 eV .

Un effet plus indirect est que les orbitales s et p _{1/2 contractées} protègent plus efficacement la charge du noyau, laissant moins de place aux électrons d et f extérieurs, qui se déplacent donc dans des orbitales plus grandes. Le dubnium est grandement affecté par cela : contrairement aux membres précédents du groupe 5, ses électrons 7s sont légèrement plus difficiles à extraire que ses électrons 6d.

Un autre effet est l' interaction spin-orbite , en particulier la séparation spin-orbite, qui divise la sous-couche 6d (le nombre quantique azimutal ℓ de la couche ad est 2) en deux sous-couches, quatre des dix orbitales ayant leur ℓ abaissé à 3/2 et six élevé à 5/2. Les dix niveaux d'énergie sont tous élevés ; quatre d'entre eux sont inférieurs aux six autres. (Les trois électrons 6d occupent normalement les niveaux d'énergie les plus bas, 6d _3/2 .)

Un atome ionisé de dubnium (Db ⁺ ) devrait perdre un électron 6d par rapport à un atome neutre ; les atomes doublement (Db ²⁺ ) ou triplement (Db ³⁺ ) ionisés de dubnium devraient éliminer les électrons 7s, contrairement à ses homologues plus légers. Malgré les changements, le dubnium devrait toujours avoir cinq électrons de valence ; il n'a pas été démontré que les niveaux d'énergie 7p influencent le dubnium et ses propriétés. Comme les orbitales 6d du dubnium sont plus déstabilisées que celles 5d du tantale, et que Db ³⁺ devrait avoir deux électrons 6d, plutôt que 7s, restants, l'état d'oxydation +3 résultant devrait être instable et encore plus rare que celui du tantale. Le potentiel d'ionisation du dubnium dans son état d'oxydation maximal +5 devrait être légèrement inférieur à celui du tantale et le rayon ionique du dubnium devrait augmenter par rapport au tantale ; cela a un effet significatif sur la chimie du dubnium.

Les atomes de dubnium à l'état solide devraient s'organiser dans une configuration cubique centrée , comme les éléments du groupe 5 précédents. La ​​densité prédite du dubnium est de 21,6 g/cm ³ .

Il y a 160 parties par million de vanadium dans la croûte terrestre, ce qui en fait le 19e élément le plus abondant. Le sol contient en moyenne 100 parties par million de vanadium et l'eau de mer contient 1,5 partie par milliard de vanadium. Un humain typique contient 285 parties par milliard de vanadium. Plus de 60 minerais de vanadium sont connus, dont la vanadinite , la patronite et la carnotite . Il y a 20 parties par million de niobium dans la croûte terrestre, ce qui en fait le 33e élément le plus abondant. Le sol contient en moyenne 24 parties par million de niobium et l'eau de mer contient 900 parties par quadrillion de niobium. Un humain typique contient 21 parties par milliard de niobium. Le niobium est présent dans les minéraux columbite et pyrochlore . La croûte terrestre contient 2 parties par million de tantale, ce qui en fait le 51e élément le plus abondant. Le sol contient en moyenne 1 à 2 parties par milliard de tantale et l'eau de mer 2 parties par billion de tantale. Un être humain moyen contient 2,9 parties par milliard de tantale. Le tantale se trouve dans les minéraux tantalite et pyrochlore. Le dubnium n'est pas présent naturellement dans la croûte terrestre, car il ne possède pas d'isotopes stables .

_Le vanadium métallique est obtenu par un procédé en plusieurs étapes qui commence par la torréfaction du minerai broyé avec _NaCl ou Na2CO3 à environ 850 °C pour donner du métavanadate de sodium (NaVO3 ₎ . Un extrait aqueux de ce solide est acidifié pour produire du « gâteau rouge », un sel de polyvanadate, qui est réduit avec du calcium métallique. Comme alternative pour la production à petite échelle, le pentoxyde de vanadium est réduit avec de l'hydrogène ou du magnésium . De nombreuses autres méthodes sont également utilisées, dans lesquelles le vanadium est produit comme sous-produit d'autres procédés. La purification du vanadium est possible par le procédé de la barre de cristal développé par Anton Eduard van Arkel et Jan Hendrik de Boer en 1925. Il implique la formation de l'iodure métallique, dans cet exemple l'iodure de vanadium(III) , et la décomposition ultérieure pour donner du métal pur :

2 V + 3 I ₂ ⇌ 2 VI ₃

La majeure partie du vanadium est utilisée comme composant d'un alliage d'acier appelé ferrovanadium . Le ferrovanadium est produit directement par réduction d'un mélange d'oxyde de vanadium, d'oxydes de fer et de fer dans un four électrique. Le vanadium se retrouve dans la fonte brute produite à partir de magnétite contenant du vanadium. Selon le minerai utilisé, le laitier contient jusqu'à 25 % de vanadium.

Environ 70 000 tonnes de minerai de vanadium sont produites chaque année, dont 25 000 tonnes en Russie, 24 000 tonnes en Afrique du Sud , 19 000 tonnes en Chine et 1 000 tonnes au Kazakhstan . 7 000 tonnes de métal vanadium sont produites chaque année. Il est impossible d'obtenir du vanadium en chauffant son minerai avec du carbone. Au lieu de cela, le vanadium est produit en chauffant de l'oxyde de vanadium avec du calcium dans un récipient sous pression . Le vanadium de très haute pureté est produit à partir d'une réaction du trichlorure de vanadium avec du magnésium.

Après la séparation des autres minéraux, on obtient les _oxydes mixtes de tantale Ta2O5 et de niobium _Nb2O5 . Pour produire du niobium _, la première étape du traitement est la réaction des oxydes avec _de l'acide fluorhydrique :

Ta ₂ O ₅ + 14 HF → 2 H ₂ [TaF ₇ ] + 5 H ₂ O

Nb2O5 + _10HF → _2H2 [ _NbOF5 ] + _3H2O​

La première séparation à l'échelle industrielle, développée par le chimiste suisse de Marignac , exploite les différentes solubilités des fluorures complexes de niobium et de tantale , l'oxypentafluoroniobate de dipotassium monohydraté ( K ₂ [NbOF ₅ ]·H ₂ O ) et l'heptafluorotantalate de dipotassium ( K ₂ [TaF ₇ ] ) dans l'eau. Les procédés plus récents utilisent l'extraction liquide des fluorures d' une solution aqueuse par des solvants organiques comme la cyclohexanone . Les fluorures complexes de niobium et de tantale sont extraits séparément du solvant organique avec de l'eau et soit précipités par l'ajout de fluorure de potassium pour produire un complexe de fluorure de potassium, soit précipités avec de l'ammoniac comme pentoxyde :

H2 [NbOF5 _{] + 2} KF → K2 _[ NbOF5 _] ↓ + 2 HF

Suivi de:

2 H ₂ [NbOF ₅ ] + 10 NH ₄ OH → Nb ₂ O ₅ ↓ + 10 NH ₄ F + 7 H ₂ O

Plusieurs méthodes sont utilisées pour la réduction en niobium métallique. L'une d'elles consiste à électrolyser un mélange fondu de K ₂ [ NbOF ₅ ] et de chlorure de sodium ; l'autre est la réduction du fluorure avec du sodium . Cette méthode permet d'obtenir un niobium relativement pur. Dans la production à grande échelle, le Nb ₂ O ₅ est réduit avec de l'hydrogène ou du carbone. Dans la réaction aluminothermique , un mélange d' oxyde de fer et d'oxyde de niobium réagit avec de l'aluminium :

3 _Nb2O5 + Fe2O3 + _{12 Al → 6 Nb} + 2 Fe + ₆ Al2O3

De petites quantités d'oxydants comme le nitrate de sodium sont ajoutées pour améliorer la réaction. Le résultat est de l'oxyde d'aluminium et du ferroniobium , un alliage de fer et de niobium utilisé dans la production d'acier. Le ferroniobium contient entre 60 et 70 % de niobium. Sans oxyde de fer, le procédé aluminothermique est utilisé pour produire du niobium. Une purification supplémentaire est nécessaire pour atteindre la qualité des alliages supraconducteurs . La fusion par faisceau d'électrons sous vide est la méthode utilisée par les deux principaux distributeurs de niobium.

En 2013 , le CBMM brésilien contrôlait 85 % de la production mondiale de niobium. L' Institut d'études géologiques des États-Unis estime que la production est passée de 38 700 tonnes en 2005 à 44 500 tonnes en 2006. Les ressources mondiales sont estimées à 4,4 millions de tonnes. Au cours de la période de dix ans entre 1995 et 2005, la production a plus que doublé, à partir de 17 800 tonnes en 1995. Entre 2009 et 2011, la production est restée stable à 63 000 tonnes par an, avec une légère baisse en 2012 à seulement 50 000 tonnes par an.

70 000 tonnes de minerai de tantale sont produites chaque année. Le Brésil produit 90 % du minerai de tantale, le Canada, l'Australie, la Chine et le Rwanda produisant également cet élément. La demande de tantale est d'environ 1 200 tonnes par an.

Le dubnium est produit synthétiquement en bombardant des actinides avec des éléments plus légers. À ce jour, aucune expérience dans un supercollisionneur n'a été menée pour synthétiser le membre suivant du groupe, que ce soit l'unpentseptium (Ups) ou l'unpentennium (Upe). Comme l'unpentseptium et l'unpentennium sont tous deux des éléments tardifs de la période 8 , il est peu probable que ces éléments soient synthétisés dans un avenir proche ; les tentatives actuelles n'ont été faites que sur des éléments jusqu'au numéro atomique 127.

Le vanadium est principalement utilisé dans les alliages, tels que l'acier au vanadium . Les alliages de vanadium sont utilisés dans les ressorts , les outils , les moteurs à réaction , les blindages et les réacteurs nucléaires . L'oxyde de vanadium donne à la céramique une couleur dorée et d'autres composés de vanadium sont utilisés comme catalyseurs pour produire des polymères .

De petites quantités de niobium sont ajoutées à l'acier inoxydable pour améliorer sa qualité. Les alliages de niobium sont également utilisés dans les tuyères de fusées en raison de la grande résistance à la corrosion du niobium .

Le tantale a quatre principaux types d'applications. Le tantale est ajouté aux objets exposés à des températures élevées, aux appareils électroniques , aux implants chirurgicaux et pour la manipulation de substances corrosives.

Le dubnium n'a pas d'applications en raison de la difficulté de sa synthèse et des demi-vies très courtes même de ses isotopes les plus durables.

Parmi les éléments du groupe 5, seul le vanadium a été identifié comme jouant un rôle dans la chimie biologique des systèmes vivants, mais même lui joue un rôle très limité en biologie et est plus important dans les environnements océaniques que sur terre.

Le vanadium, essentiel aux ascidies et aux tuniciers sous forme de vanabines , est connu dans les cellules sanguines des Ascidiacea (ascidies) depuis 1911, dans des concentrations de vanadium dans leur sang plus de 100 fois supérieures à la concentration de vanadium dans l'eau de mer qui les entoure. Plusieurs espèces de macrochampignons accumulent du vanadium (jusqu'à 500 mg/kg de poids sec). La ​​bromoperoxydase dépendante du vanadium génère des composés organobromés dans un certain nombre d'espèces d' algues marines .

Les rats et les poulets sont également connus pour avoir besoin de vanadium en très petites quantités et les carences entraînent une croissance réduite et une reproduction altérée . Le vanadium est un complément alimentaire relativement controversé , principalement pour augmenter la sensibilité à l'insuline et la musculation . Le sulfate de vanadyle peut améliorer le contrôle de la glycémie chez les personnes atteintes de diabète de type 2. De plus, le décavanadate et les oxovanadates sont des espèces qui ont potentiellement de nombreuses activités biologiques et qui ont été utilisées avec succès comme outils dans la compréhension de plusieurs processus biochimiques.

Le vanadium pur n'est pas connu pour être toxique. Cependant, le pentoxyde de vanadium provoque une grave irritation des yeux, du nez et de la gorge. Le VOSO ₄ tétravalent serait au moins 5 fois plus toxique que le V ₂ O ₃ trivalent . L' Administration de la sécurité et de la santé au travail a fixé une limite d'exposition de 0,05 mg/m ³ pour la poussière de pentoxyde de vanadium et de 0,1 mg/m ³ pour les fumées de pentoxyde de vanadium dans l'air du lieu de travail pour une journée de travail de 8 heures et une semaine de travail de 40 heures. Le National Institute for Occupational Safety and Health a recommandé que 35 mg/m ³ de vanadium soient considérés comme immédiatement dangereux pour la vie et la santé, c'est-à-dire susceptibles de provoquer des problèmes de santé permanents ou la mort. Les composés de vanadium sont mal absorbés par le système gastro-intestinal. L'inhalation de vanadium et de composés de vanadium entraîne principalement des effets indésirables sur le système respiratoire. Les données quantitatives sont toutefois insuffisantes pour établir une dose de référence par inhalation subchronique ou chronique. D'autres effets ont été signalés après une exposition par voie orale ou par inhalation sur les paramètres sanguins, le foie, le développement neurologique, et d'autres organes chez le rat.

Il existe peu de preuves que le vanadium ou les composés de vanadium soient des toxines reproductives ou des tératogènes . Le pentoxyde de vanadium a été signalé comme cancérigène chez les rats mâles et chez les souris mâles et femelles par inhalation dans une étude du NTP, bien que l'interprétation des résultats ait récemment été contestée. La cancérogénicité du vanadium n'a pas été déterminée par l' Agence américaine de protection de l'environnement . Les traces de vanadium dans les carburants diesel sont le principal composant du carburant dans la corrosion à haute température . Pendant la combustion, le vanadium s'oxyde et réagit avec le sodium et le soufre, produisant des composés de vanadate avec des points de fusion aussi bas que 530 °C, qui attaquent la couche de passivation de l'acier et le rendent sensible à la corrosion. Les composés de vanadium solides abrasent également les composants du moteur.

Le niobium n'a aucun rôle biologique connu. Alors que la poussière de niobium est un irritant pour les yeux et la peau et un risque potentiel d'incendie, le niobium élémentaire à plus grande échelle est physiologiquement inerte (et donc hypoallergénique) et inoffensif. Il est souvent utilisé en bijouterie et a été testé pour une utilisation dans certains implants médicaux. Le niobium et ses composés sont considérés comme légèrement toxiques. Une exposition à court et à long terme aux niobates et au chlorure de niobium, deux produits chimiques solubles dans l'eau, a été testée sur des rats. Les rats traités par une seule injection de pentachlorure de niobium ou de niobates présentent une dose létale médiane (DL ₅₀ ) comprise entre 10 et 100 mg/kg. Pour l'administration orale, la toxicité est plus faible ; une étude sur des rats a donné une DL ₅₀ après sept jours de 940 mg/kg.

Les composés contenant du tantale sont rarement rencontrés en laboratoire, et lui et ses composés causent rarement des blessures, et lorsqu'ils le font, les blessures sont généralement des éruptions cutanées. Le métal est hautement biocompatible les implants et les revêtements corporels , par conséquent l'attention peut être focalisée sur d'autres éléments ou sur la nature physique du composé chimique . Les personnes peuvent être exposées au tantale sur le lieu de travail en l'inhalant, en contact avec la peau ou avec les yeux. L' Administration de la sécurité et de la santé au travail (OSHA) a fixé la limite légale ( limite d'exposition admissible ) pour l'exposition au tantale sur le lieu de travail à 5 ​​mg/m ³ sur une journée de travail de 8 heures. Le National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) a fixé une limite d'exposition recommandée de 5 mg/m ³ sur une journée de travail de 8 heures et une limite à court terme de 10 mg/m ³ . À des niveaux de 2500 mg/m ³ , le tantale est immédiatement dangereux pour la vie et la santé .