VANADIUM: HISTORIE, EGENSKAPER, STRUKTUR, BRUK - KJEMI - 2026

Den vanadium er den tredje overgangsmetall i det periodiske systemet, representert ved kjemisk symbol V. er ikke så populær som andre metaller, men som forstår stål og titaniums du hørt omtale som et tilsetningsstoff for å styrke i legeringer eller verktøy. Fysisk er det synonymt med hardhet, og kjemisk, med farger.

Noen kjemikere tør å beskrive det som et kameleont metall, i stand til å ta i bruk et bredt spekter av farger i forbindelsene; Elektronisk eiendom som ligner mangan og krom av metall. I sin opprinnelige og rene tilstand ser det ut som andre metaller: sølv, men med blåaktig fargetoner. Når den er rustet, ser den ut som vist nedenfor.

Metalliske vanadiumstykker med tynne iriserende lag med gult oksid. Kilde: Jurii

I dette bildet er iridescensen av oksidet knapt skilt, noe som avhenger av overflaten eller overflaten til de metalliske krystaller. Dette oksydlaget beskytter det mot ytterligere oksidasjon og derfor mot korrosjon.

En slik motstand mot korrosjon, så vel som mot termisk sprekker, tilveiebringes til legeringer når V-atomer tilsettes dem. Alt dette, uten å øke vekten for mye, siden vanadium ikke er et tungmetall, men et lett; i motsetning til hva mange kanskje tror.

Navnet stammer fra den norrøne gudinnen Vanadís, fra Skandinavia; det ble imidlertid oppdaget i Mexico, som en del av vanadinitt-mineralet, Pb _{5 3} Cl, av rødlige krystaller. Problemet var at for å oppnå den fra dette mineral og mange andre, vanadium måtte bli transformert til en forbindelse lettere å redusere enn dets oksid, V ₂ O ₅ (som er redusert med kalsium).

Andre kilder til vanadium ligger i marine vesener, eller i råolje, "fengslet" i petroporfyriner.

I løsning er fargene som forbindelsene kan ha, avhengig av oksydasjonstilstand, gule, blå, mørkegrønne eller fiolette. Vanadium skiller seg ikke bare ut for disse tallene eller oksidasjonstilstandene (fra -1 til +5), men for dens evne til å koordinere på forskjellige måter med biologiske miljøer.

Vanadiumkjemien er rikelig, mystisk, og sammenlignet med andre metaller er det fremdeles mye lys som må kastes på den for dens nære forståelse.

Historie

Oppdagelse

Mexico har æren av å ha vært landet der dette elementet ble oppdaget. Mineralogisten Andrés Manuel del Río, i 1801, analyserte et rødlig mineral som han selv kalte brunt bly (vanadinitt, Pb _{5 3} Cl), ekstraherte metalloksider hvis egenskaper ikke stemte overens med de til noe element kjent på den tiden.

Dermed døpte han dette elementet først med navnet 'Pancromo' på grunn av det rike mangfoldet av farger på dets forbindelser; så døpte han det til 'Erythrono', fra det greske ordet erythronium, som betyr rødt.

Fire år senere klarte den franske kjemikeren Hippolyte Victor Collet Descotils å få Del Río til å trekke tilbake påstandene sine ved å antyde at erytron ikke var et nytt element, men heller urenheter av krom. Og det tok mer enn tjue år før noe ble kjent om dette glemte elementet som ble oppdaget i meksikansk jord.

Fremveksten av navnet

I 1830 oppdaget den sveitsiske kjemikeren Nils Gabriel Sefström et nytt nytt element i jernmineraler, som han kalte vanadium; navn som stammer fra den norrøne gudinnen Vanadís, i sammenligning med dens skjønnhet med de strålende fargene på forbindelsene i dette metallet.

Samme år påpekte den tyske geologen George William Featherstonhaugh at vanadium og erythron faktisk var det samme elementet; og selv om han ønsket at elven skulle seire ved å kalle den 'Rionio', ble forslaget hans ikke akseptert.

Isolering

For å isolere vanadium var det nødvendig å redusere det fra dets mineraler, og som skandium og titan var denne oppgaven ikke lett på grunn av sin iherdige tilknytning til oksygen. Den måtte først omdannes til arter som relativt lett ble redusert; i prosessen oppnådde Berzelius vanadiumnitrid i 1831, som han tok feil av det innfødte metallet.

I 1867 oppnådde den engelske kjemikeren Henry Enfield Roscoe reduksjon av vanadium (II) klorid, VCl ₂ , til metallisk vanadium ved bruk av hydrogengass. Imidlertid var metallet det produserte uren.

Til slutt, som markerer begynnelsen av den teknologiske historie av vanadium, ble en høy renhet prøve oppnådd ved reduksjon av V ₂ O ₅ med metallisk kalsium. En av de første fremtredende bruksområdene var å lage chassiset til Ford Model T-bilen.

Egenskaper

Fysisk utseende

I sin rene form er det et gråaktig metall med blåaktig overtoner, mykt og behagelig. Imidlertid, når de er dekket med et lag med oksid (spesielt produktet av en lighter), tar det på seg slående farger som om det var en krystallkameleon.

Molmasse

50,9415 g / mol

Smeltepunkt

1910 ° C

Kokepunkt

3407 ° C

tetthet

-6,0 g / ml, ved romtemperatur

-5,5 g / ml, ved smeltepunktet, det vil si at den knapt smelter.

Fusjonsvarme

21,5 kJ / mol

Fordampingsvarme

444 kJ / mol

Molar varmekapasitet

24,89 J / (mol K)

Damptrykk

1 Pa ved 2101 K (praktisk talt ubetydelig selv ved høye temperaturer).

elektro

1,63 på Pauling-skalaen.

Ioniseringsenergier

Først: 650,9 kJ / mol (V ⁺ gass)

Andre: 1414 kJ / mol (V ²⁺ gassformig)

Tredje: 2830 kJ / mol (V ³⁺ gassformig)

Mohs hardhet

6.7

dekomponering

Ved oppvarming kan det frigjøre giftige gasser av V ₂ O ₅ .

Farger på løsninger

Fra venstre til høyre, løsninger med vanadium i forskjellige oksidasjonstilstander: +5, +4, +3 og +2. Kilde: W. Oelen via Wikipedia.

En av hoved- og bemerkelsesverdige egenskapene til vanadium er fargene på forbindelsene. Når noen av dem er oppløst i sure medier, viser løsningene (for det meste vandig) farger som gjør at man kan skille ett tall eller oksidasjonstilstand fra et annet.

For eksempel viser bildet over fire prøverør med vanadium i forskjellige oksidasjonstilstander. Den til venstre, gul i fargen, tilsvarer V ⁵⁺ , spesifikt som en VO ₂ ⁺ -kation . Deretter blir det fulgt av kationen VO ²⁺ , med V ⁴⁺ , blåfarget; katjonen V ³⁺ , mørkegrønn; og V ²⁺ , lilla eller lys.

Når en løsning består av en blanding av V4 ⁺ og V ⁵⁺ forbindelser , oppnås en lysegrønn farge (produkt av gult med blått).

reaktivitet

V ₂ O ₅ lag på vanadium beskytter den fra å reagere med sterke syrer, som svovelsyre eller saltsyre, sterke baser, og i tillegg til korrosjon på grunn av ytterligere oksydasjon.

Når det varmes opp over 660 ° C, oksiderer vanadium fullstendig, ser ut som et gult fast stoff med lysende glans (avhengig av vinklene på overflaten). Dette guloransje oksydet kan oppløses hvis salpetersyre tilsettes, noe som vil gi vanadium tilbake til sin sølvfarge.

isotoper

Nesten alle vanadiumatomer i universet (99,75% av dem) dreier seg om ⁵¹ V isotop , mens en veldig liten del (0,25%) tilsvarer ⁵⁰ V. Isotopen . Derfor er det ikke overraskende at atomvekten av vanadium er 50,9415 u (nærmere 51 enn 50).

De andre isotopene er radioaktive og syntetiske, med halveringstid (t _1/2 ) som spenner fra 330 dager ( ⁴⁹ V), 16 dager ( ⁴⁸ V), noen timer eller 10 sekunder.

Struktur og elektronisk konfigurasjon

Vanadiumatomer, V, er anordnet i en kroppssentrert kubisk (bcc) krystallstruktur, produktet av deres metalliske binding. Av strukturene er dette den minst tette, med de fem valenselektronene som deltar i "havet av elektroner", i henhold til den elektroniske konfigurasjonen:

3d ³ 4s ²

Dermed forenes de tre elektronene fra 3d-orbitalen, og de to av 4-orbitalen, for å transportere et bånd dannet ved overlapping av valens-orbitalene til alle V-atomene i krystallen; tydelig, forklaring basert på bandteori.

Fordi V-atomene er litt mindre enn metallene til venstre (skandium og titan) i det periodiske systemet, og gitt deres elektroniske egenskaper, er deres metalliske binding sterkere; et faktum som gjenspeiles i dets høyeste smeltepunkt og derfor med sine mer sammenhengende atomer.

I følge beregningsstudier er bcc-strukturen til vanadium stabil selv under enorme trykk på 60 GPa. Når dette trykket er overskredet, gjennomgår dets krystall en overgang til den rhombohedrale fasen, som forblir stabil opp til 434 GPa; når bcc-strukturen dukker opp igjen.

Oksidasjonsnummer

Elektronkonfigurasjonen av vanadium alene indikerer at atomet er i stand til å miste opptil fem elektroner. Når det skjer, blir edelgass-argon isoelektronisk, og eksistensen av V ⁵⁺ -kation antas .

På samme måte kan tapet av elektroner være gradvis (avhengig av hvilken art det er bundet til), med positive oksidasjonsnummer som varierer fra +1 til +5; derfor antas eksistensen av de respektive kationene V ⁺ , V2 ⁺ og så videre i forbindelsene.

Vanadium kan også få elektroner, og transformere til et metallisk anion. Dets negative oksidasjonstall er: -1 (V ^- ) og -3 (V ^3- ). Elektronkonfigurasjonen til V ^3- er:

3d ⁶ 4s ²

Selv om det mangler fire elektroner for å fullføre fyllingen av 3d orbitaler, er V ^3- mer energisk stabil enn V ^7- , som i teorien vil trenge ekstremt elektropositive arter (for å gi det elektronene).

applikasjoner

-Metall

Titan stållegeringer

Vanadium gir mekanisk, termisk og vibrasjonsmotstand, samt hardhet til legeringene det er lagt til. For eksempel, som ferrovanadium (jern og vanadiumlegering), eller vanadiumkarbid, tilsettes det sammen med andre metaller i stål, eller i titanlegeringer.

På denne måten lages veldig harde og lette materialer, nyttige for bruk som verktøy (bor og skiftenøkkel), tannhjul, bildeler eller flydeler, turbiner, sykler, jetmotorer, kniver, tannimplantater, etc.

Dessuten er legeringene med gallium (V ₃ Ga) superledende og brukes til fremstilling av magneter. På grunn av deres lave reaktivitet, brukes vanadiumlegeringer også for rør der etsende kjemiske reagenser kjører.

Vanadium redox-batterier

Vanadium er en del av redox-batterier, VRB-er (for dets forkortelse på engelsk: Vanadium Redox Batteries). Disse kan brukes til å fremme elektrisitetsproduksjon fra sol- og vindenergi, så vel som batterier i elektriske kjøretøy.

-Composites

Pigment

V ₂ O ₅ brukes til å gi glass og keramikk en gylden farge. På den annen side gjør tilstedeværelsen i noen mineraler dem grønlige, som det skjer med smaragder (og takket være andre metaller også).

Catalyst

V ₂ O ₅ er også en katalysator som anvendes for syntesen av svovelsyre og maleinsyreanhydrid syre. Blandet med andre metalloksider katalyserer det andre organiske reaksjoner, som oksidasjon av henholdsvis propan og propylen til akrolein og akrylsyre.

medisinsk

Legemidler bestående av vanadiumkomplekser har blitt vurdert som mulige og potensielle kandidater for behandling av diabetes og kreft.

Biologisk rolle

Det virker ironisk at vanadium, som er dets fargerike og giftige forbindelser, dets ioner (VO ⁺ , VO ₂ ⁺ og VO ₄ ^3- , for det meste) i spor er gunstige og essensielle for levende vesener; spesielt de fra marine habitater.

Årsakene er sentrert om oksydasjonstilstandene, med hvor mange ligander i det biologiske miljøet det koordinerer (eller samvirker), på analogien mellom vanadat og fosfatanion (VO ₄ ^3- og PO ₄ ^3- ), og på andre undersøkte faktorer av bioorganiske kjemikalier.

Vanadiumatomene kan deretter samhandle med de atomer som tilhører enzymer eller proteiner, enten med fire (koordinasjons-tetraeder), fem (firkantet pyramide eller andre geometrier) eller seks. Hvis når dette inntreffer en gunstig reaksjon for kroppen utløses, sies det at vanadium utøver farmakologisk aktivitet.

For eksempel er det haloperoksidaser: enzymer som kan bruke vanadium som en kofaktor. Det er også vanabiner (i vanadocyttcellene i tunicates), fosforylaser, nitrogenaser, transferiner og serumalbuminer (av pattedyr), som kan samvirke med dette metallet.

Et organisk molekyl eller vanadiumkoordinasjonskompleks kalt amavadin, er til stede i kroppene til visse sopp, for eksempel Amanita muscaria (nedre bilde).

Amanita muscaria-sopp. Kilde: Pixabay.

Og til slutt, i noen komplekser, kan vanadium være inneholdt i en hemmegruppe, som tilfellet er med jern i hemoglobin.

referanser

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Vanadium. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
3. Ashok K. Verma & P. ​​Modak. (SF). Phonon-ustabilitet og strukturelle faseoverganger i Vanadium under høyt trykk. High Pressure Physics Division, Bhabha Atomic Research Center, Trombay, Mumbai-400085, India.
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3. juli 2019). Vanadium-fakta (V eller atomnummer 23). Gjenopprettet fra: thoughtco.com
5. Richard Mills. (24. oktober 2017). Vanadium: Metallet vi ikke kan klare oss uten og produserer ikke. Glacier Media Group. Gjenopprettet fra: mining.com
6. Nasjonalt senter for informasjon om bioteknologi. (2019). Vanadium. PubChem-databasen. CID = 23990. Gjenopprettet fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Clark Jim. (2015). Vanadium. Gjenopprettet fra: chemguide.co.uk
8. Pierce Sarah. (2019). Hva er vanadium? Bruk, fakta og isotoper. Studere. Gjenopprettet fra: study.com
9. Crans & col. (2004). Vanadiums kjemi og biokjemi og de biologiske aktivitetene som utføres av vanadiumforbindelser. Institutt for kjemi, Colorado State University, Fort Collins, Colorado 80523-1872.