VANÁDIUM: TÖRTÉNELEM, TULAJDONSÁGOK, SZERKEZET, FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2025

A vanádium a periódusos rendszerben a harmadik átmeneti fém, amelyet a V kémiai szimbólum ábrázol. Nem olyan népszerű, mint a többi fémet, de akik megértik az acélokat és a titánokat, akkor hallják, hogy ezek az ötvözetek vagy szerszámok erősítésének adalékanyagai. Fizikailag ez a keménység és kémiailag a színek szinonimája.

Egyes vegyészek mernek leírni azt úgy, mint egy kaméleonfém, amely képes széles színválasztékot alkalmazni vegyületeiben; Elektronikus tulajdonság, amely hasonló a fémek mangánjának és krómjának. Natív és tiszta állapotában ugyanolyannak tűnik, mint a többi fémek: ezüst, de kékes árnyalatú. Miután rozsdásodott, az alább látható módon néz ki.

Fém vanádiumdarabok vékony irizáló rétegekkel a sárga oxiddal. Forrás: Jurii

Ebben a képen az oxid irizáló képe alig különbözik egymástól, ami a fémkristályok felületétől vagy felületétől függ. Ez az oxidréteg megvédi a további oxidációtól, és ezért a korróziótól.

Az ilyen korrózióállósággal, valamint a hőkrakkolással szemben az ötvözetek biztosítják, amikor V atomokat adnak hozzájuk. Mindezt anélkül, hogy súlyát túlzottan megemeltük volna, mivel a vanádium nem nehézfém, hanem könnyű; ellentétben azzal, amit sokan gondolhatnak.

A neve a skandináv skandináv Vanadís istennőből származik; azonban Mexikóban fedezték fel a vöröses kristályok vanadinit ásványának (Pb _{5 3} Cl) részeként. A probléma az volt, hogy ennek az ásványnak és még sok másnak az előállításához a vanádiumot olyan vegyületté kell alakítani, amely könnyebben redukálható, mint oxidja, V ₂ O ₅ (amely redukálódik a kalciummal).

A vanádium egyéb forrásai a tengeri lényekben vagy a petroporfirinekben "bebörtönzött" nyersolajban fekszenek.

Oldatban a vegyületek színei, oxidációs állapotuktól függően, sárga, kék, sötétzöld vagy ibolyaszínűek lehetnek. A vanádium nemcsak ezeknek a számoknak vagy oxidációs állapotoknak (-1-től +5-ig) emelkedik ki, hanem azért is, hogy különféle módon tudjon koordinálni a biológiai környezetet.

A vanádium kémiája bőséges, titokzatos, és más fémekkel összehasonlítva még mindig sok fényt kell rávilágítani, hogy megértsük.

Történelem

Felfedezés

Mexikónak megtiszteltetés, hogy ország volt, ahol felfedezték ezt az elemet. Andrés Manuel del Río ásványológus 1801-ben vöröses ásványt elemezve, amelyet ő maga barna ólomnak nevezett (vanadinit, Pb _{5 3} Cl), olyan fém-oxidokat kaptunk, amelyek tulajdonságai nem feleltek meg az akkor ismert elemek egyikének sem.

Így először keresztelte meg ezt az elemet Pancromo néven, vegyületeinek gazdag színe miatt; aztán átnevezte „Erythrono” -ra, az erythronium görög szóból, amely vörösre utal.

Négy évvel később, a francia Hippolyte Victor Collet Descotils vegyésznek sikerült rávennie Del Ríót, hogy vonja vissza állításait azzal, hogy azt állítja, hogy az eritron nem új elem, hanem a króm szennyeződése. És több mint húsz évbe telt, hogy valami megismerkedjen erről a mexikói talajban felfedezett elfeledett elemről.

A név megjelenése

1830-ban Nils Gabriel Sefström svájci vegyész felfedezte a vas ásványok egy másik új elemét, amelyet vanádiumnak nevez; A név a norvég Vanadís istennőből származik, összehasonlítva szépségével és a fém vegyületeinek ragyogó színeivel.

Ugyanebben az évben a német geológus, George William Featherstonhaugh rámutatott, hogy a vanádium és az eritron valójában ugyanaz az elem; és bár azt akarta, hogy a folyó neve uralkodjon úgy, hogy Rionio-nak hívja, javaslatát nem fogadták el.

Elkülönítés

A vanádium izolálásához szükség volt az ásványi anyagokból való redukciójára, és hasonlóan a szandánihoz és a titánhoz, ez a feladat nem volt könnyű oxigénhez fűződő kitartó affinitása miatt. Először olyan fajokra kellett átalakítani, amelyek viszonylag könnyen redukálhatók; a folyamat során Berzelius 1831-ben nyert vanádium-nitridet, amelyet tévesen állított fel a natív fém számára.

1867-ben az angol vegyész, Henry Enfield Roscoe, a hidrogéngáz felhasználásával redukálta a VCl ₂ vanádium (II) -kloridot fém-vanádiummá. Az előállított fém azonban szennyezett volt.

Végül, a vanádium technológiai története kezdetének megjelölésével nagy tisztaságú mintát kaptunk azzal, hogy V ₂ O ₅ -et fémes kalciummal redukálunk. Az egyik legfontosabb felhasználása a Ford Model T autó alvázának elkészítése volt.

Tulajdonságok

Fizikai megjelenés

Tiszta formájában szürkés fém, kékes felülettel, puha és elasztikus. Ha oxidréteggel (főleg egy öngyújtó termékével) borítja, akkor ragyogó színeket kap, mintha kristály kaméleon lenne.

Moláris tömeg

50,9415 g / mol

Olvadáspont

1910 ° C

Forráspont

3407 ° C

Sűrűség

-6,0 g / ml, szobahőmérsékleten

-5,5 g / ml, az olvadáspontban, azaz alig olvad.

A fúziós hő

21,5 kJ / mol

A párolgás hője

444 kJ / mol

Moláris hőkapacitás

24,89 J / (mol K)

Gőznyomás

1 Pa 2101 K-on (gyakorlatilag elhanyagolható még magas hőmérsékleten is).

elektronegativitás

1,63 a Pauling skálán.

Ionizációs energiák

Először: 650,9 kJ / mol (V ⁺ gáz)

Második: 1414 kJ / mol (V ²⁺ gáznemű)

Harmadik: 2830 kJ / mol (V ³⁺ gáznemű)

Mohs keménysége

6.7

bomlás

Hevítéskor mérgező V ₂ O ₅ füstöket szabadíthat fel.

A megoldások színei

Balról jobbra vanádium-oldatok különböző oxidációs állapotban: +5, +4, +3 és +2. Forrás: W. Oelen a Wikipedia segítségével.

A vanádium egyik fő és figyelemre méltó tulajdonsága a vegyületek színe. Ha ezek közül néhányat savas közegben oldunk, az oldatok (többnyire vizes) olyan színeket mutatnak, amelyek lehetővé teszik az egyik szám vagy oxidációs állapot megkülönböztetését a másiktól.

Például a fenti képen négy kémcsövet ábrázolunk, különféle oxidációs állapotú vanádiummal. A bal oldali sárga színű V ^{5+ -nak} felel meg, konkrétan VO ₂ ⁺ kationként. Ezután, ezt követi a kation VO ²⁺, V ⁴⁺, kék színű; a V ³⁺ kation, sötétzöld; és V ²⁺, lila vagy lila színű.

Ha az oldat V ⁴⁺ és V ⁵⁺ vegyületek keverékéből áll, élénkzöld színű lesz (a sárga és a kék termék).

Reakcióképesség

A vanádiumon lévő V ₂ O ₅ réteg megvédi az erős savakkal, például kénsavval vagy sósavval, erős bázisokkal való reagálástól, valamint a további oxidáció által okozott korróziótól.

660 ° C felett hevítve a vanádium teljesen oxidálódik, és úgy néz ki, mint egy sárga szilárd anyag, irizáló fényességgel (a felület szögeitől függően). Ez a sárga-narancssárga oxid feloldható salétromsav hozzáadásával, amely visszatér a vanádium ezüst színéhez.

Izotóp

Az univerzum szinte összes vanádium atomja (ezek 99,75% -a) körülbelül az ⁵¹ V izotóp, míg egy nagyon kis része (0,25%) megfelel az ⁵⁰ V izotópnak, ezért nem meglepő, hogy a a vanádium atomtömege 50,9415 u (közelebb 51-hez, mint 50-hez).

A többi izotóp radioaktív és szintetikus, felezési ideje (t _1/2) 330 nap (⁴⁹ V), 16 nap (⁴⁸ V), néhány óra vagy 10 másodperc között van.

Felépítés és elektronikus konfiguráció

A V vanádium atomok testközpontú, köbös (bcc) kristályszerkezetben vannak elrendezve, fémkötésük terméke. A szerkezetek közül ez a legkevésbé sűrű, öt valens elektronjával, az elektronikus konfiguráció szerint a "elektronok tengelyében" vetítve:

3d ³ 4s ²

Így a 3D-s keringő három elektronja és a kettő közül a 4-es keringő pálya egy olyan sáv átvitelére képes, amelyet a kristály összes V atomjának valencia pályáinak átfedése képezi; világosan, magyarázat a sáv-elmélet alapján.

Mivel a V-atomok egy kicsit kisebbek, mint a periódusos rendszerben bal oldali fémeknél (skandium és titán), és mivel elektronikus tulajdonságaik vannak, fémes kötésük erősebb; egy olyan tény, amely tükröződik a legmagasabb olvadáspontjában, és ennélfogva a koherensebb atomjaival.

A számítási tanulmányok szerint a vanádium bcc-szerkezete még hatalmas 60 GPa nyomáson is stabil. Amint ezt a nyomást túllépték, kristálya átalakul a romboéder fázisba, amely 434 GPa-ig stabil marad; amikor a bcc struktúra újra megjelenik.

Oxidációs számok

Csak a vanádium elektronkonfigurációja azt jelzi, hogy atomja akár öt elektron elvesztésére is képes. Amikor ez megtörténik, a nemesgáz argon izoelektronikusvá válik, és feltételezhető, hogy a V ⁵⁺ kation létezik.

Hasonlóképpen, az elektronvesztés fokozatos lehet (attól függően, hogy milyen fajhoz kötődik), pozitív oxidációs száma +1 és +5 között lehet; ezért vegyületeiben feltételezik a vonatkozó V ⁺, V ²⁺ kationok létezését és így tovább.

A vanádium elektronokat is szerezhet, fémes aniongá alakulva. Negatív oxidációs száma: -1 (V ^-) és -3 (V ^3-). Az elektron konfiguráció V ^3- jelentése:

3d ⁶ 4s ²

Ellenére, hogy hiányzik négy elektron befejezni a töltelék a 3d pályák, V ^3- több energetikailag stabil, mint a V ^7-, ami elméletileg lenne szükség rendkívül elektropozitív fajok (így ez az elektronokat).

Alkalmazások

-Fém

Titán acélötvözetek

A vanádium mechanikai, hő- és rezgésállóságot, valamint keménységet biztosít azoknak az ötvözeteknek, amelyekhez hozzáadják. Például ferrovanádium (vas- és vanádiumötvözet) vagy vanádium-karbid formájában, más fémekkel együtt adják hozzá az acélban vagy a titánötvözetekben.

Ily módon nagyon kemény és könnyű anyagok alakulnak ki, amelyek hasznosak lehetnek szerszámként (fúró és villáskulcs), fogaskerekekként, autó- vagy repülőgép-alkatrészekként, turbinákként, kerékpárokként, sugárhajtóművekként, késekként, fogászati ​​implantátumokként stb.

A galliummal (V ₃ Ga) készült ötvözetük szintén szupravezető, és mágnesek előállításához használják. És mivel alacsony reakcióképességük vanadiumötvözeteket használnak olyan csövekhez, ahol korrozív kémiai reagensek futnak.

Vanádium redox elemek

A vanádium a redox elemek, a VRB elemek része (angolul betűszóként: Vanadium Redox Batteries). Ezek felhasználhatók a villamosenergia-termelés elősegítésére napenergia és szélenergia, valamint az elektromos járművekben lévő akkumulátorok felhasználásával.

-Composites

Pigment

A V ₂ O _5- t az üveg és a kerámia arany színének a megadására használják. Másrészről, az ásványi anyagokban való jelenléte zöldesvé teszi őket, amint ez a smaragd esetében történik (és más fémeknek is köszönhetően).

Katalizátor

A V ₂ O ₅ szintén katalizátor, amelyet kénsav és maleinsavanhidrid sav előállításához használnak. Más fém-oxidokkal keverve más szerves reakciókat katalizál, mint például a propán és a propilén oxidációja akroleinné és akrilsavvá.

gyógyhatású

A vanádium-komplexekből álló gyógyszereket tekintik lehetségesnek és potenciális jelölteknek a cukorbetegség és a rák kezelésére.

Biológiai szerepe

Ironikusnak tűnik, hogy a vanádium, mivel színes és mérgező vegyületei, ionjai (VO ⁺, VO ₂ ⁺ és VO ₄ ^3-, főleg) nyomokban hasznosak és nélkülözhetetlenek az élőlények számára; különösen a tengeri élőhelyeké.

Az okok az oxidációs állapotokra, a biológiai környezetben hány ligandum koordinálására (vagy kölcsönhatására), a vanadát és a foszfát-anion (VO ₄ ³ és PO ₄ ³) közötti analógiára és más vizsgált tényezőkre összpontosítanak. bioorganikus vegyi anyagok által.

A vanádium atomok ezután kölcsönhatásba léphetnek az enzimekhez vagy fehérjékhez tartozó atomokkal, akár négy (koordinációs tetraéder), öt (négyzetes piramis vagy más geometriák) vagy hat atommal. Ha ez a szervezet számára kedvező reakciót vált ki, akkor azt mondják, hogy a vanádium farmakológiai hatást fejt ki.

Például léteznek haloperoxidázok: enzimek, amelyek használhatnak vanádiumot kofaktorként. Hasonlóképpen vannak vanabinok (a zsákállatok vanadocita sejtjeiben), foszforilázok, nitrogázok, transzferinek és szérum albuminek (emlősökben), amelyek képesek kölcsönhatásba lépni ezzel a fémmel.

Amavadinnak nevezett szerves molekula vagy vanádium koordinációs komplex van jelen bizonyos gombák, például az Amanita muscaria testében (alsó kép).

Amanita muscaria gomba. Forrás: Pixabay.

És végül, néhány komplexben a vanádium tartalmazhat egy hemcsoportot, mint például a hemoglobinban lévő vas esetében.

Irodalom

1. Shiver és Atkins. (2008). Szervetlen kémia. (Negyedik kiadás). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Vanádium. Helyreállítva: en.wikipedia.org
3. Ashok K. Verma és P. Modak. (Sf). Fononstabilitás és szerkezeti fázisátmenetek magas nyomás alatt vanádiumban. Magasnyomású fizika osztály, Bhabha Atomkutató Központ, Trombay, Mumbai-400085, India.
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019. július 03.). Vanádium tények (V vagy atomi szám 23). Helyreállítva: gondolat.com
5. Richard Mills. (2017. október 24.) Vanádium: A fém, amelynek nélkül nem tudunk megbirkózni és nem is előállítani. Glacier Media Group. Helyreállítva: mining.com
6. Országos Biotechnológiai Információs Központ. (2019). Vanádium. PubChem adatbázis. CID = 23990. Helyreállítva: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Clark Jim. (2015). Vanádium. Helyreállítva: chemguide.co.uk
8. Pierce Sarah. (2019). Mi a vanádium? Felhasználások, tények és izotópok. Tanulmány. Helyreállítva: study.com
9. Crans & col. (2004). A vanádium kémiája és biokémiája, valamint a vanádiumvegyületek által kifejtett biológiai tevékenységek. Kémiai Tanszék, Colorado Állami Egyetem, Fort Collins, Colorado 80523-1872.