VANADIJ: POVIJEST, SVOJSTVA, STRUKTURA, UPORABE - KEMIJA - 2025

Vanadij je treći prijelaznog metala u periodnom sustavu, predstavljen kemijskom simbol V. nije tako popularan kao i drugi metali, ali tko razumije čelika i titaniums ste čuli spominje kao jedan dodatak za jačanje u legurama ili alata. Fizički je sinonim za tvrdoću, a hemijski s bojama.

Neki se kemičari usuđuju opisati ga kao kameleonski metal koji je sposoban usvojiti širok raspon boja u svojim spojevima; Elektronička svojstva koja nalikuju onima metala mangan i krom. U svom izvornom i čistom stanju izgleda isto kao i ostali metali: srebro, ali s plavkastim nijansama. Jednom zahrđali, izgleda kao što je prikazano u nastavku.

Metalni komadi vanadijuma s tankim iridescentnim slojevima žutog oksida. Izvor: Jurii

Na ovoj slici je iridescencija oksida jedva da se razlikuje, što ovisi o površini ili površini metalnih kristala. Ovaj oksidni sloj štiti ga od daljnje oksidacije i, stoga, od korozije.

Takva otpornost na koroziju, kao i na termičko pucanje, pruža se legurama kada im se dodaju V atomi. Sve to, bez previše povišene težine, jer vanadij nije težak metal, već lagan; za razliku od onoga što mnogi mogu misliti.

Ime potječe od norveške božice Vanadís, iz Skandinavije; međutim, otkriven je u Meksiku, kao dio vanadinitnog minerala, Pb _{5 3} Cl, crvenkastih kristala. Problem je u tome da se dobije ovog minerala i mnogi drugi, vanadija morali biti transformiran u spoj lakše smanjenje od njegovog oksida, V ₂ O ₅ (koji se reducira kalcijem).

Drugi izvori vanadijuma nalaze se u morskim bićima ili u sirovoj nafti, "zatvorenoj" unutar petroporfirina.

U otopini, boje koje njegovi spojevi mogu imati, ovisno o oksidacijskom stanju, su žuta, plava, tamnozelena ili ljubičasta. Vanadij se ne ističe samo po ovim brojevima ili oksidacijskim stanjima (od -1 do +5), već i po svojoj sposobnosti da na različite načine koordinira s biološkim okruženjem.

Kemija vanadijuma je obilna, tajanstvena, a u usporedbi s drugim metalima, još uvijek ima puno svjetla koje se mora proliti na njega radi njegova bliskog razumijevanja.

Povijest

Otkriće

Meksiku je pripala čast da je bio zemlja u kojoj je taj element otkriven. Mineralog Andrés Manuel del Río je 1801., analizirajući crvenkasti mineral koji je sam nazvao smeđim olovom (vanadinit, Pb _{5 3} Cl), izvadio metalne okside čije karakteristike nisu odgovarale karakteristikama bilo kojeg elementa poznatog u to vrijeme.

Tako je ovaj element prvi put krštavao imenom 'Pancromo' zbog bogate raznolikosti boja njegovih spojeva; zatim ga je preimenovao u 'Erythrono', od grčke riječi erythronium, što znači crvena.

Četiri godine kasnije, francuski kemičar Hipolit Victor Collet Descotils uspio je navesti Del Río da povuče svoje tvrdnje sugerirajući da eritron nije novi element, već nečistoća kroma. I trebalo je više od dvadeset godina da se sazna nešto o ovom zaboravljenom elementu otkrivenom u meksičkim tlima.

Nastanak imena

Švicarski kemičar Nils Gabriel Sefström je 1830. otkrio još jedan novi element u mineralima željeza, koji je nazvao vanadij; ime koje je dobilo od norveške božice Vanadís, u usporedbi njegove ljepote sa sjajnim bojama spojeva ovog metala.

Iste godine njemački geolog George William Featherstonhaugh istaknuo je da su vanadij i eritron zapravo isti element; i iako je želio da ime rijeke prevlada nazivajući ga 'Rionio', njegov prijedlog nije prihvaćen.

Izolacija

Da bi se izolirao vanadij, bilo ga je potrebno smanjiti iz njegovih minerala, a poput skandija i titana, ovaj zadatak nije bio lak zbog svog otpornog afiniteta prema kisiku. Prvo se mora pretvoriti u vrste koje se relativno lako reduciraju; Berzelius je u tom postupku 1831. godine dobio vanadijev nitrid, koji je pogrešno prihvatio za izvorni metal.

1867. engleski kemičar Henry Enfield Roscoe, postiže smanjenje vanadij (II) klorid, VCL ₂, u metalni vanadija pomoću plina vodika. Međutim, metal koji je proizveo je nečist.

Konačno, označavajući početak tehnološkog povijesti vanadija, uzorak visoke čistoće se dobiva redukcijom V ₂ O ₅ s metalnog kalcija. Jedna od njegovih prvih istaknutih primjena bila je izrada šasije automobila Ford Model T.

Svojstva

Fizički izgled

U svom čistom obliku, sivkast je metal s plavkastim tonovima, mekan i koktel. Međutim, kad je prekriven slojem oksida (posebno proizvoda upaljača), on poprima upečatljive boje kao da je kristalni kameleon.

Molekulska masa

50,9415 g / mol

Talište

1910 ° C

Vrelište

3407 ° C

Gustoća

-6.0 g / ml, na sobnoj temperaturi

-5,5 g / ml, kod tališta, to jest da se jedva topi.

Toplina fuzije

21,5 kJ / mol

Toplina isparavanja

444 kJ / mol

Molarni toplinski kapacitet

24,89 J / (mol K)

Tlak pare

1 Pa pri 2101 K (praktično zanemarljivo čak i pri visokim temperaturama).

Elektronegativnost

1,63 na Paulingovoj skali.

Ionizirajuće energije

Prvo: 650,9 kJ / mol (V ⁺ plin)

Drugo: 1414 kJ / mol (V ²⁺ plinovitih)

Treće: 2830 kJ / mol (V ³⁺ plinovitih)

Mohsova tvrdoća

6.7

Raspad

Kada grije se može osloboditi otrovne pare iz V ₂ O ₅.

Boje rješenja

S lijeva na desno, otopine s vanadijem u različitim oksidacijskim stanjima: +5, +4, +3 i +2. Izvor: W. Oelen putem Wikipedije.

Jedna od glavnih i zapaženih karakteristika vanadija su boje njegovih spojeva. Kada se neki od njih otope u kiselom mediju, otopine (uglavnom vodene) pokazuju boje koje omogućuju razlikovanje jednog broja ili stanja oksidacije od drugog.

Na primjer, gornja slika prikazuje četiri epruvete s vanadijem u različitim oksidacijskim stanjima. Onaj s lijeve strane, žute boje, odgovara V ⁵⁺, ^tačnije kao VO ₂ ⁺ kation. Zatim, slijedi kation VO ²⁺, s V ⁴⁺, obojen plavo; kation V ³⁺, tamnozelene boje; i V ²⁺, ljubičasta ili boja.

Kada se otopina sastoji od smjese spojeva V ⁴⁺ i V ⁵⁺, dobiva se svijetlo zelena boja (proizvod žute s plavom bojom).

Reaktivnost

V ₂ O ₅ sloj na vanadija ga štiti od reakcije s jakim kiselinama, kao što je sumporna ili solna kiselina, jakih baza, a osim koroziju uzrokovanu daljnjom oksidacijom.

Kada se zagrijava iznad 660 ° C, vanadij oksidira u potpunosti, izgleda poput žute krute tvari s iridescentnim sjajem (ovisno o kutovima njegove površine). Ovaj žuto-narančasti oksid može se rastopiti ako mu se doda dušična kiselina, koja će vratiti vanadij u njegovu srebrnu boju.

izotopi

Gotovo svi atomi vanadijuma u Svemiru (njih 99,75%) otprilike su izotopa ⁵¹ V, dok vrlo mali dio (0,25%) odgovara izotopu ⁵⁰ V. Stoga ne čudi da atomska masa vanadija je 50,9415 u (bliža 51 nego 50).

Ostali izotopi su radioaktivni i sintetički, s vremenom poluživota (t _1/2) u rasponu od 330 dana (⁴⁹ V), 16 dana (⁴⁸ V), nekoliko sati ili 10 sekundi.

Struktura i elektronička konfiguracija

Atomi vanadijuma, V, raspoređeni su u kubnu (bcc) kristalnu strukturu tijela, produkta njihove metalne veze. Od građevina je najmanje gusta, sa svojih pet valentnih elektrona koji sudjeluju u "moru elektrona", u skladu s elektroničkom konfiguracijom:

3d ³ 4s ²

Tako se tri elektrona 3d orbitale i dva od 4s orbitala ujedinjuju kako bi prolazili bend koji nastaje preklapanjem valencijskih orbitala svih V atoma kristala; jasno, objašnjenje temeljeno na teoriji bendova.

Budući da su V atomi nešto manji od metala s njihove lijeve strane (skandij i titan) u periodičnoj tablici, i s obzirom na njihove elektroničke karakteristike, njihova je metalna veza jača; činjenica koja se ogleda u njegovom najvišem talištu, a samim tim i s više kohezivnih atoma.

Prema računalnim studijama, bcc struktura vanadija stabilna je čak i pod velikim pritiscima od 60 GPa. Nakon prekoračenja tog tlaka, njegov kristal prolazi u romboedarskoj fazi koja ostaje stabilna do 434 GPa; kad se bcc struktura ponovno pojavi.

Oksidacijski brojevi

Sama elektronska konfiguracija vanadijuma ukazuje da njegov atom može gubiti do pet elektrona. Kad to učini, plemeniti plin argon postaje izoelektronski, a pretpostavlja se postojanje kation V ⁵⁺.

Isto tako, gubitak elektrona može biti postupan (ovisno o kojoj se vrsti veže), s pozitivnim oksidacijskim brojevima koji variraju od +1 do +5; stoga se u njegovim spojevima pretpostavlja postojanje odgovarajućih kationa V ⁺, V2 ⁺ i tako dalje.

Vanadij također može dobiti elektrone, pretvarajući se u metalni anion. Njegovi negativni oksidacijski brojevi su: -1 (V ^-) i -3 (V ^3-). Konfiguracija elektrona V ^3- je:

3d ⁶ 4s ²

Iako mu nedostaju četiri elektrona za kompletiranje 3d orbitala, V ^3- je energetski stabilniji od V ^7- koji bi u teoriji trebao izuzetno elektropozitivne vrste (da mu daju svoje elektrone).

Prijave

-Metal

Titanove legure čelika

Vanadij daje mehaničku, toplinsku i vibracijsku otpornost, kao i tvrdoću legurama u koje je dodan. Na primjer, kao ferovanadij (legura željeza i vanadijuma) ili vanadij-karbid, dodaje se zajedno s drugim metalima u čeliku ili u titanovim legurama.

Na taj se način stvaraju vrlo čvrsti i lagani materijali, koji se mogu koristiti kao alati (bušilice i ključevi), zupčanici, dijelovi automobila ili zrakoplova, turbine, bicikli, mlazni motori, noževi, zubni implantati itd.

Također, njegove legure s galijem (V ₃ Ga) su superprovodne i koriste se za proizvodnju magneta. Uz to, s obzirom na njihovu slabu reaktivnost, legure vanadija koriste se za cijevi u kojima djeluju korozivni kemijski reagensi.

Vanadijum redoks baterije

Vanadium je dio redox baterija, VRB (akronim na engleskom: Vanadium Redox Battery). Oni se mogu koristiti za promicanje proizvodnje električne energije iz solarne i vjetrovite energije, kao i iz baterija u električnim vozilima.

-Composites

Pigment

V ₂ O ₅ koristi se za dobivanje stakla i keramike zlatne boje. S druge strane, njihova prisutnost u nekim mineralima čini ih zelenkastim, što se događa i sa smaragdima (i zahvaljujući drugim metalima).

Katalizator

V ₂ O ₅ također je katalizator koji se koristi za sintezu sumporne kiseline i anhidrida maleinske kiseline. Pomiješana s drugim metalnim oksidima katalizira druge organske reakcije, poput oksidacije propana i propilena u akrolein i akrilnu kiselinu.

medicinski

Lijekovi koji se sastoje od vanadijum kompleksa smatrani su mogućim i potencijalnim kandidatima za liječenje dijabetesa i raka.

Biološka uloga

Čini se da je to ironično vanadij, kao na šarene i toksične spojeve, na ione (VO ⁺, VO ₂ ⁺ i VO ₄ ^3-, uglavnom u tragovima) su korisne i neophodni su za živa bića; posebno onih morskih staništa.

Razlozi su usredotočeni na njegova stanja oksidacije, s koliko liganda u biološkom okruženju on koordinira (ili djeluje na njih), na analogiju između vanadata i fosfatnog aniona (VO ₄ ^3- i PO ₄ ^3-) i na ostale proučavane faktore bioinorganskim kemikalijama.

Atomi vanadijuma tada mogu komunicirati s onim atomima koji pripadaju enzimima ili proteinima, bilo sa četiri (koordinacijski tetraedar), pet (kvadratna piramida ili druge geometrije) ili šest. Ako se u tom slučaju pokrene povoljna reakcija za tijelo, kaže se da vanadij pokazuje farmakološku aktivnost.

Na primjer, postoje haloperoksidaze: enzimi koji mogu koristiti vanadij kao kofaktor. Postoje i vanabini (u vanadocitnim stanicama plašta), fosforilaze, nitrogenaze, transferini i serumski albumini (sisavaca), sposobni za interakciju s ovim metalom.

Organska molekula ili vanadijev koordinacijski kompleks zvan amavadin prisutan je u tijelima nekih gljiva, poput Amanita muscaria (donja slika).

Gljiva Amanita muscaria. Izvor: Pixabay.

I na kraju, u nekim kompleksima vanadij može biti sadržan u grupi hema, kao što je slučaj sa željezom u hemoglobinu.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Neorganska kemija. (Četvrto izdanje). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Vanadij. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
3. Ashok K. Verma & P. ​​Modak. (SF). Fononska nestabilnost i prijelazi strukturne faze u Vanadijumu pod visokim tlakom. Odjel za fiziku visokog pritiska, Bhabha Atomic Research Center, Trombay, Mumbai-400085, Indija.
4. Helmenstine, Anne Marie, dr. Sc. (03. srpnja 2019.). Činjenice o vanadijumu (V ili atomski broj 23). Oporavilo od: misel.com
5. Richard Mills. (24. listopada 2017.). Vanadij: Metal bez kojeg se ne može i ne proizvodi. Glacier Media Group. Oporavak od: mining.com
6. Nacionalni centar za biotehnološke informacije. (2019). Vanadij. PubChem baza podataka. CID = 23990. Oporavak od: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Clark Jim. (2015). Vanadij. Oporavak od: chemguide.co.uk
8. Pierce Sarah. (2019). Što je vanadij? Upotrebe, činjenice i izotopi. Studija. Oporavilo od: study.com
9. Kranovi i kol. (2004). Kemija i biokemija vanadija i biološke aktivnosti vanidijskih spojeva. Odjel za kemiju, Državno sveučilište Colorado, Fort Collins, Colorado 80523-1872.