VANADIUM: HISTORIE, EGENSKABER, STRUKTUR, ANVENDELSER - KEMI - 2025

Den vanadium er den tredje overgang metal i det periodiske system, repræsenteret ved det kemiske symbol V. er ikke så populær som andre metaller, men som forstår stål og titaniums du hørt omtale som en additiv til styrkelse i legeringer eller værktøjer. Fysisk er det synonymt med hårdhed og kemisk med farver.

Nogle kemikere tør at beskrive det som et kamæleonmetal, der er i stand til at anvende en lang række farver i dets forbindelser; Elektronisk egenskab, der ligner metanternes mangan og krom. I sin oprindelige og rene tilstand ser det ud som andre metaller: sølv, men med blålige nuancer. Når det er rustet, ser det ud som vist nedenfor.

Metalliske vanadiumstykker med tynde iriserende lag guloxid. Kilde: Jurii

I dette billede adskilles oxidets iridescens næppe, hvilket afhænger af finish eller overflade af de metalliske krystaller. Dette oxidlag beskytter det mod yderligere oxidation og derfor mod korrosion.

En sådan modstand mod korrosion såvel som termisk krakning tilvejebringes til legeringer, når V-atomer tilføjes dem. Alt dette uden at hæve sin vægt for meget, da vanadium ikke er et tungmetal, men et let; i modsætning til hvad mange måske synes.

Navnet stammer fra den norrøne gudinde Vanadís fra Skandinavien; dog blev det opdaget i Mexico som en del af vanadinitmineralet, Pb _{5 3} Cl, af rødlige krystaller. Problemet var, at for at opnå det fra dette mineral og mange andre, vanadium skulle transformeres til en forbindelse lettere at reducere end dets oxid, V ₂ O ₅ (som reduceres med calcium).

Andre kilder til vanadium ligger i marine væsener eller i råolie, "fængslet" inden for petroporphyriner.

I opløsning er farverne, som dens forbindelser har, afhængigt af deres oxidationstilstand, gule, blå, mørkegrønne eller violette. Vanadium skiller sig ikke kun ud for disse tal eller oxidationstilstande (fra -1 til +5), men for dens evne til at koordinere på forskellige måder med biologiske miljøer.

Vanadiums kemi er rigelig, mystisk, og sammenlignet med andre metaller er der stadig meget lys, der skal kastes på den for dens nære forståelse.

Historie

Opdagelse

Mexico har æren af ​​at have været det land, hvor dette element blev opdaget. Mineralogisten Andrés Manuel del Río analyserede i 1801 et rødligt mineral, som han selv kaldte brunt bly (vanadinit, Pb _{5 3} Cl), ekstraherede metalliske oxider, hvis egenskaber ikke svarede til dem fra noget kendt element på det tidspunkt.

Derfor døbte han først dette element med navnet 'Pancromo' på grund af det rigtige udvalg af farver på dets forbindelser; derefter omdøbte han det til 'Erythrono', fra det græske ord erythronium, som betyder rødt.

Fire år senere formåede den franske kemiker Hippolyte Victor Collet Descotils at få Del Rio til at trække sine påstande tilbage ved at antyde, at erythron ikke var et nyt element, men kromurenheder. Og det tog mere end tyve år, før der blev kendt noget om dette glemte element, der blev opdaget i mexicansk jord.

Fremkomst af navnet

I 1830 opdagede den schweiziske kemiker Nils Gabriel Sefström endnu et nyt element i jernmineraler, som han kaldte vanadium; navn, der stammer fra den norrøne gudinde Vanadís i sammenligning med dets skønhed med de strålende farver på forbindelserne i dette metal.

Samme år påpegede den tyske geolog George William Featherstonhaugh, at vanadium og erythron faktisk var det samme element; og selvom han ønskede, at floden skulle sejre ved at kalde den 'Rionio', blev hans forslag ikke accepteret.

Isolation

For at isolere vanadium var det nødvendigt at reducere det fra dets mineraler, og ligesom skandium og titan var denne opgave ikke let på grund af dens ihærdige affinitet til ilt. Det måtte først omdannes til arter, der relativt let blev reduceret; under processen opnåede Berzelius vanadiumnitrid i 1831, hvilket han tog fejl af det oprindelige metal.

I 1867 den engelske kemiker Henry Enfield Roscoe, opnåede reduktion af vanadium (II) chlorid, VCL ₂, til metallisk vanadium under anvendelse af hydrogengas. Imidlertid var det metal, det producerede, uren.

Endelig markerer begyndelsen af den teknologiske historie af vanadium blev en høj renhed prøve opnået ved at reducere V ₂ O ₅ med metallisk calcium. En af dens første fremtrædende anvendelser var at fremstille chassiset til Ford Model T-bilen.

Ejendomme

Fysisk fremtoning

I sin rene form er det et gråligt metal med blålig overtoner, blød og smidig. Men når det er dækket med et lag af oxid (især produktet af en tænder), tager det på markante farver, som om det var en krystalkameleon.

Molar masse

50,9415 g / mol

Smeltepunkt

1910 ° C

Kogepunkt

3407 ° C

Massefylde

-6,0 g / ml ved stuetemperatur

-5,5 g / ml ved smeltepunktet, det vil sige, det smelter næppe.

Fusionsvarme

21,5 kJ / mol

Fordampningsvarme

444 kJ / mol

Molær varmekapacitet

24,89 J / (mol K)

Damptryk

1 Pa ved 2101 K (praktisk taget ubetydelig selv ved høje temperaturer).

elektronegativitet

1,63 på Pauling-skalaen.

Ioniseringsenergier

Først: 650,9 kJ / mol (V ⁺ gas)

Andet: 1414 kJ / mol (V ²⁺ luftformig)

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

Mohs hårdhed

6.7

nedbrydning

Ved opvarmning kan det frigive giftige dampe af V ₂ O ₅.

Farver af løsninger

Fra venstre til højre opløsninger med vanadium i forskellige oxidationstilstande: +5, +4, +3 og +2. Kilde: W. Oelen via Wikipedia.

En af de vigtigste og mest bemærkelsesværdige egenskaber ved vanadium er farverne på dets forbindelser. Når nogle af dem opløses i sure medier, udviser opløsningerne (for det meste vandigt) farver, der tillader en at skelne et tal eller oxidationstilstand fra et andet.

For eksempel viser billedet ovenfor fire prøverør med vanadium i forskellige oxidationstilstande. Den til venstre, gul i farve, svarer til V ⁵⁺, specifikt som en VO ₂ ⁺ -kation. Derefter efterfølges det af kationen VO ²⁺, med V ⁴⁺, farvet blå; kationen V ³⁺, mørkegrøn; og V ²⁺, lilla eller lys.

Når en opløsning består af en blanding af V4 ⁺ og V ⁵⁺ forbindelser, opnås en lysegrøn farve (produkt af gult med blåt).

Reaktivitet

V ₂ O ₅ lag på vanadium beskytter den i at reagere med stærke syrer, såsom svovlsyre eller saltsyre, stærke baser, og i tillæg til korrosion forårsaget af yderligere oxidation.

Når det opvarmes til over 660 ° C, oxiderer vanadium fuldstændigt og ser ud som et gult fast stof med iriserende glans (afhængigt af dens overfladevinkler). Dette gul-orange oxid kan opløses, hvis salpetersyre tilsættes, hvilket vil vende vanadium til sin sølvfarve.

isotoper

Næsten alle vanadiumatomer i universet (99,75% af dem) drejer sig om ⁵¹ V isotop, mens en meget lille del (0,25%) svarer til ⁵⁰ V. Isotopen. Derfor er det ikke overraskende, at atomvægt af vanadium er 50,9415 u (nærmere 51 end 50).

De andre isotoper er radioaktive og syntetiske med halveringstider (t _1/2) i intervallet 330 dage (⁴⁹ V), 16 dage (⁴⁸ V), et par timer eller 10 sekunder.

Struktur og elektronisk konfiguration

Vanadiumatomer, V, er arrangeret i en krops-centreret kubisk (bcc) krystalstruktur, et produkt af deres metalliske binding. Af strukturerne er dette den mindst tætte med dens fem valenselektroner, der deltager i "havet af elektroner", i henhold til den elektroniske konfiguration:

3d ³ 4s ²

Således forenes de tre elektroner fra 3d-orbitalen og de to af 4-orbitalen for at gennemføre et bånd dannet ved overlapning af valence-orbitaler i alle V-atomer i krystallen; klart, forklaring baseret på båndteori.

Fordi V-atomerne er lidt mindre end metallerne til venstre for dem (skandium og titan) i det periodiske system, og på grund af deres elektroniske egenskaber, er deres metalliske binding stærkere; et faktum, der afspejles i dets højeste smeltepunkt og derfor med dets mere sammenhængende atomer.

I henhold til beregningsundersøgelser er bcc-strukturen for vanadium stabil selv under et enormt pres på 60 GPa. Når dette tryk er overskredet, gennemgår dets krystal en overgang til rhombohedral fase, som forbliver stabil op til 434 GPa; når bcc-strukturen vises igen.

Oxidationsnumre

Vanadiums elektronkonfiguration indikerer, at dens atom er i stand til at miste op til fem elektroner. Når det sker, bliver ædelgasargonen isoelektronisk, og eksistensen af ​​V ⁵⁺ -kationen antages.

Ligeledes kan tabet af elektroner være gradvist (afhængigt af hvilken art det er bundet til) med positive oxidationsnumre, der varierer fra +1 til +5; derfor antages eksistensen af ​​de respektive kationer V ⁺, V2 ⁺ osv. i dens forbindelser.

Vanadium kan også få elektroner og omdanne til en metallisk anion. Dets negative oxidationstal er: -1 (V ^-) og -3 (V ^3-). Elektronkonfigurationen af ​​V ^3- er:

3d ⁶ 4s ²

Selvom det mangler fire elektroner for at fuldføre udfyldningen af ​​3d orbitaler, er V ^3- mere energisk stabil end V ^7-, hvilket i teorien ville have brug for ekstremt elektropositive arter (for at give det sine elektroner).

Applikationer

-Metal

Titanium stållegeringer

Vanadium giver mekanisk, termisk og vibrerende modstand samt hårdhed til de legeringer, hvortil det tilføjes. For eksempel tilsættes det som ferrovanadium (jern og vanadiumlegering) eller vanadiumcarbid sammen med andre metaller i stål eller i titanlegeringer.

På denne måde oprettes meget hårde og lette materialer, der kan bruges som værktøj (bor og skruenøgler), gear, bildele til bil eller fly, turbiner, cykler, jetmotorer, knive, tandimplantater osv.

Ligeledes er legeringer med gallium (V ₃ Ga) superledende og bruges til fremstilling af magneter. På grund af deres lave reaktivitet bruges vanadiumlegeringer også til rør, hvor korrosive kemiske reagenser kører.

Vanadium redox-batterier

Vanadium er en del af redox-batterier, VRB'er (til dets forkortelse på engelsk: Vanadium Redox Batteries). Disse kan bruges til at fremme elektricitetsproduktion fra sol- og vindenergi såvel som batterier i elektriske køretøjer.

-Composites

Pigment

V ₂ O ₅ bruges til at give glas og keramik en gylden farve. På den anden side gør dens tilstedeværelse i nogle mineraler dem grønlige, som det sker med smaragder (og takket være andre metaller også).

Katalysator

V ₂ O ₅ er også en katalysator, der anvendes til syntese af svovlsyre og maleinsyreanhydrid syre. Blandet med andre metaloxider katalyserer det andre organiske reaktioner, såsom oxidation af henholdsvis propan og propylen til acrolein og acrylsyre.

lægemidlet

Lægemidler bestående af vanadiumkomplekser er blevet betragtet som mulige og potentielle kandidater til behandling af diabetes og kræft.

Biologisk rolle

Det virker ironisk, at vanadium, der er dets farverige og giftige forbindelser, dets ioner (VO ⁺, VO ₂ ⁺ og VO ₄ ^3-, for det meste) i spor er gavnlige og essentielle for levende væsener; især dem i marine levesteder.

Årsagerne er centreret om dens oxidationstilstande, med hvor mange ligander i det biologiske miljø det koordinerer (eller interagerer), på analogien mellem vanadat og fosfatanion (VO ₄ ^3- og PO ₄ ^3-) og om andre undersøgte faktorer af bioorganiske kemikalier.

Vanadiumatomerne kan derefter interagere med de atomer, der hører til enzymer eller proteiner, enten med fire (koordinationstetraeder), fem (firkantet pyramide eller andre geometrier) eller seks. Hvis der sker en gunstig reaktion for kroppen, når dette sker, siges det, at vanadium udøver farmakologisk aktivitet.

For eksempel er der haloperoxidaser: enzymer, der kan bruge vanadium som en kofaktor. Der er også vanabiner (i vanadocytcellerne i tunicates), phosphorylaser, nitrogenaser, transferiner og serumalbuminer (af pattedyr), der er i stand til at interagere med dette metal.

Et organisk molekyle eller vanadiumkoordinationskompleks kaldet amavadin er til stede i kroppen af ​​visse svampe, såsom Amanita muscaria (lavere billede).

Amanita muscaria svamp. Kilde: Pixabay.

Og til sidst, i nogle komplekser, kan vanadium være indeholdt i en hemmegruppe, som det er tilfældet med jern i hæmoglobin.

Referencer

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kemi. (Fjerde udgave). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Vanadium. Gendannet fra: en.wikipedia.org
3. Ashok K. Verma & P. ​​Modak. (Sf). Phonon-ustabilitet og strukturelle faseovergange i Vanadium under højt tryk. Afdeling for højtryksfysik, Bhabha Atomic Research Center, Trombay, Mumbai-400085, Indien.
4. Helmenstine, Anne Marie, ph.d. (3. juli 2019). Vanadium-fakta (V eller atomnummer 23). Gendannes fra: thoughtco.com
5. Richard Mills. (24. oktober 2017). Vanadium: Metallet vi ikke kan undvære og ikke producerer. Glacier Media Group. Gendannes fra: mining.com
6. National Center for Biotechnology Information. (2019). Vanadium. PubChem-database. CID = 23990. Gendannes fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Clark Jim. (2015). Vanadium. Gendannes fra: chemguide.co.uk
8. Pierce Sarah. (2019). Hvad er Vanadium? Anvendelser, fakta og isotoper. Undersøgelse. Gendannes fra: study.com
9. Crans & col. (2004). Vanadiums kemi og biokemi og de biologiske aktiviteter, der udøves af vanadiumforbindelser. Institut for Kemi, Colorado State University, Fort Collins, Colorado 80523-1872.