VANADIU: ISTORIC, PROPRIETĂȚI, STRUCTURĂ, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Vanadiul este al treilea metal de tranziție din tabelul periodic, reprezentată de simbolul V. chimic nu este la fel de popular ca și alte metale, dar care înțeleg oțeluri și titaniums pe care se menționează auzit ca un aditiv pentru consolidarea în aliaje sau unelte. Fizic este sinonim cu duritatea și chimic cu culorile.

Unii chimiști îndrăznesc să-l descrie ca un cameleon metal, capabil să adopte o gamă largă de culori în compușii săi; Proprietate electronică care seamănă cu cea a metalelor mangan și crom. În starea sa natală și pură, arată la fel ca și alte metale: argint, dar cu nuanțe albăstrui. Odată ruginit, arată așa cum se arată mai jos.

Bucăți metalice de vanadiu cu straturi subțiri iridescente de oxid galben. Sursa: Jurii

În această imagine, iridescența oxidului abia se distinge, care depinde de finisajele sau suprafața cristalelor metalice. Acest strat de oxid îl protejează de oxidarea suplimentară și, prin urmare, de coroziune.

O astfel de rezistență la coroziune, precum și la fisurare termică, este furnizată aliajelor atunci când li se adaugă atomii de V. Toate acestea, fără a-și ridica prea mult greutatea, deoarece vanadiul nu este un metal greu, ci unul ușor; spre deosebire de ceea ce pot crede mulți.

Numele său provine de la zeița norvegiană Vanadís, din Scandinavia; cu toate acestea, a fost descoperit în Mexic, ca parte a mineralului vanadinit, Pb _{5 3} Cl, din cristale roșiatice. Problema a fost ca să - l obțină din acest mineral și mulți alții, vanadiul a trebuit să fie transformat într - un compus ușor de redus decât oxidul său, V ₂ O ₅ (care este redus cu calciu).

Alte surse de vanadiu se află în ființele marine sau în petrolul „închis” în cadrul petroporfirinelor.

În soluție, culorile pe care le pot avea compușii săi, în funcție de starea lor de oxidare, sunt galben, albastru, verde închis sau violet. Vanadiul nu se remarcă numai pentru aceste numere sau stări de oxidare (de la -1 la +5), dar și pentru capacitatea sa de a se coordona în moduri diferite cu mediile biologice.

Chimia vanadiului este abundentă, misterioasă, iar în comparație cu alte metale, există încă o mulțime de lumină care trebuie vărsată pe ea pentru înțelegerea strânsă.

Istorie

Descoperire

Mexicul are onoarea de a fi fost țara în care a fost descoperit acest element. Mineralogul Andrés Manuel del Río, în 1801, analizând un mineral roșiatic pe care el însuși l-a numit plumb maro (vanadinita, Pb _{5 3} Cl), a extras oxizi metalici ale căror caracteristici nu corespundeau celor ale vreunui element cunoscut la acea vreme.

Astfel, el a botezat pentru prima dată acest element cu numele de „Pancromo”, datorită varietății bogate de culori ale compușilor săi; apoi l-a redenumit „Erythrono”, din cuvântul grecesc erythronium, care înseamnă roșu.

Patru ani mai târziu, chimistul francez Hippolyte Victor Collet Descotils a reușit să-l determine pe Del Río să-și retragă afirmațiile, sugerând că eritronul nu este un element nou, ci mai degrabă impuritățile cromului. Și a fost nevoie de mai mult de douăzeci de ani pentru a fi cunoscut ceva despre acest element uitat descoperit în solurile mexicane.

Apariția numelui

În 1830, chimistul elvețian Nils Gabriel Sefström a descoperit un alt element nou în mineralele de fier, pe care l-a numit vanadiu; nume care a derivat de la zeița norvegiană Vanadís, în comparație cu frumusețea sa cu culorile strălucitoare ale compușilor acestui metal.

În același an, geologul german George William Featherstonhaugh, a subliniat că vanadiul și eritronul erau de fapt același element; și deși dorea ca numele Râului să prevaleze numindu-l „Rionio”, propunerea sa nu a fost acceptată.

Izolare

Pentru a izola vanadiul, a fost necesară reducerea sa din mineralele sale și, la fel ca scandiul și titanul, această sarcină nu a fost ușoară datorită afinității sale tenace pentru oxigen. Aceasta trebuia mai întâi transformată în specii care erau relativ ușor reduse; în procedeu, Berzelius a obținut nitrură de vanadiu în 1831, pe care a confundat-o cu metalul autohton.

În 1867, chimistul englez Henry Enfield Roscoe, a realizat reducerea clorurii de vanadiu (II), VCl ₂ , la vanadiu metalic folosind hidrogen gazos. Cu toate acestea, metalul pe care l-a produs era impur.

În cele din urmă, marcând începutul istoriei tehnologice de vanadiu, un eșantion de puritate ridicată a fost obținută prin reducerea V ₂ O ₅ cu calciu metalic. Una dintre primele sale utilizări proeminente a fost realizarea șasiului mașinii Ford Model T.

Proprietăți

Aspectul fizic

În forma sa pură, este un metal cenușiu, cu capete albăstrui, moi și ductile. Cu toate acestea, atunci când este acoperit cu un strat de oxid (în special produsul unei brichete), acesta ia culori strălucitoare ca și cum ar fi un cameleon de cristal.

Masă molară

50,9415 g / mol

Punct de topire

1910 ° C

Punct de fierbere

3407 ° C

Densitate

-6,0 g / ml, la temperatura camerei

-5,5 g / ml, în punctul de topire, adică abia se topește.

Căldură de fuziune

21,5 kJ / mol

Căldură de vaporizare

444 kJ / mol

Capacitate termică molară

24,89 J / (mol K)

Presiunea de vapori

1 Pa la 2101 K (practic neglijabil chiar și la temperaturi ridicate).

electronegativitate

1,63 pe scara Pauling.

Energii de ionizare

Primul: 650,9 kJ / mol (V ⁺ gaz)

Al doilea: 1414 kJ / mol (V ²⁺ gazos)

Al treilea: 2830 kJ / mol (V ³⁺ gazos)

Duritate Mohs

6.7

Descompunere

Când este încălzit poate elibera vapori toxici de V ₂ O ₅ .

Culorile soluțiilor

De la stânga la dreapta, soluții cu vanadiu în diferite stări de oxidare: +5, +4, +3 și +2. Sursa: W. Oelen prin Wikipedia.

Una dintre caracteristicile principale și notabile ale vanadiului sunt culorile compușilor săi. Când unele dintre ele sunt dizolvate în medii acide, soluțiile (mai ales apoase) prezintă culori care permit să distingă un număr sau o stare de oxidare de alta.

De exemplu, imaginea de mai sus arată patru epruvete cu vanadiu în diferite stări de oxidare. Cel din stânga, de culoare galbenă, corespunde V ⁵⁺ , mai exact ca un cation VO ₂ ⁺ . Apoi, este urmat de cationul VO ²⁺ , cu V ⁴⁺ , albastru colorat; cationul V ³⁺ , verde închis; și V ²⁺ , mov sau mov.

Atunci când o soluție constă dintr-un amestec de compuși V ⁴⁺ și V ⁵⁺ , se obține o culoare verde strălucitoare (produs de galben cu albastru).

reactivitatea

Stratul V ₂ O _{5 de} pe vanadiu îl protejează de reacția cu acizi puternici, cum ar fi baze sulfuri sau clorhidrice, puternice și pe lângă coroziunea provocată de oxidarea ulterioară.

Când este încălzit la peste 660 ° C, vanadiul se oxidează complet, arătând ca un solid galben cu luciu iridescent (în funcție de unghiurile suprafeței sale). Acest oxid galben-portocaliu poate fi dizolvat dacă se adaugă acid azotic, care va readuce vanadiul la culoarea sa argintie.

izotopi

Aproape toți atomii de vanadiu din Univers (99,75% dintre ei) sunt aproximativ izotopul de ⁵¹ V., în timp ce o porțiune foarte mică (0,25%) corespunde izotopului de ⁵⁰ V. Prin urmare, nu este surprinzător faptul că greutatea atomică a vanadiului este de 50,9415 u (mai aproape de 51 decât 50).

Ceilalți izotopi sunt radioactivi și sintetici, cu timp de înjumătățire (t _1/2 ) cuprins între 330 de zile ( ⁴⁹ V), 16 zile ( ⁴⁸ V), câteva ore sau 10 secunde.

Structura și configurația electronică

Atomii de vanadiu, V, sunt aranjați într-o structură cristalină cubică (bcc) centrată pe corp, produsul legăturii lor metalice. Dintre structuri, acesta este cel mai puțin dens, cei cinci electroni de valență participând la „marea electronilor”, conform configurației electronice:

3d ³ 4s ²

Astfel, cei trei electroni ai orbitalului 3d și cei doi ai orbitalului 4s se unesc pentru a tranzita o bandă formată prin suprapunerea orbitalelor valenței tuturor atomilor V ai cristalului; clar, explicație bazată pe teoria bandelor.

Deoarece atomii V sunt puțin mai mici decât metalele din stânga lor (scandiu și titan) în tabelul periodic, și având în vedere caracteristicile lor electronice, legătura lor metalică este mai puternică; un fapt care se reflectă în cel mai înalt punct de topire și, prin urmare, cu atomii săi mai coezivi.

Conform studiilor de calcul, structura de cbc a vanadiului este stabilă chiar și sub presiuni enorme de 60 GPa. Odată ce această presiune este depășită, cristalul său suferă o tranziție la faza romboedrică, care rămâne stabilă până la 434 GPa; când structura bcc reapare din nou.

Numere de oxidare

Configurația electronică a vanadiului indică faptul că atomul său este capabil să piardă până la cinci electroni. Când o face, argonul gazului nobil devine izoelectronic și se presupune existența cationului V ⁵⁺ .

De asemenea, pierderea electronilor poate fi treptată (în funcție de ce specie este legată), având numere de oxidare pozitive care variază de la +1 la +5; prin urmare, în compușii săi se presupune existența cationilor respectivi V ⁺ , V ²⁺ și așa mai departe.

De asemenea, vanadiul poate câștiga electroni, transformându-se într-un anion metalic. Numerele sale de oxidare negative sunt: ​​-1 (V ^- ) și -3 (V ^3- ). Configurația electronilor din V ^3- este:

3d ⁶ 4s ²

Deși îi lipsește patru electroni pentru a completa umplerea orbitalelor 3d, V ^3- este mai stabil din punct de vedere energetic decât V ^7- , care în teorie ar avea nevoie de specii extrem de electropozitive (pentru a-i oferi electronii).

Aplicații

-Metal

Aliajele de oțel din titan

Vanadiul asigură rezistență mecanică, termică și vibrațională, precum și duritate la aliajele la care este adăugat. De exemplu, ca ferrovanadiu (fier și aliaj de vanadiu) sau carbură de vanadiu, acesta este adăugat împreună cu alte metale din oțel sau în aliaje de titan.

În acest fel, sunt create materiale foarte dure și ușoare, utile pentru a fi utilizate ca unelte (burghie și chei), angrenaje, piese auto sau aeronave, turbine, biciclete, motoare cu jet, cuțite, implanturi dentare etc.

De asemenea, aliajele sale cu galiu (V ₃ Ga) sunt supraconductoare și sunt utilizate pentru fabricarea magneților. Și de asemenea, având în vedere reactivitatea scăzută, aliajele de vanadiu sunt utilizate pentru țevi în care rulează reactivi chimici corozivi.

Baterii redox Vanadium

Vanadium face parte din bateriile redox, VRBs (pentru acronimele sale în engleză: Vanadium Redox Batteries). Acestea pot fi utilizate pentru a promova generarea de energie electrică din energia solară și eoliană, precum și bateriile din vehiculele electrice.

-Composites

Pigment

V ₂ O ₅ este utilizat pentru a conferi sticlei și ceramicii o culoare aurie. Pe de altă parte, prezența sa în unele minerale le face să fie verzuie, așa cum se întâmplă cu smaraldele (și datorită și altor metale).

Catalizator

V ₂ O ₅ este , de asemenea , un catalizator utilizat pentru sinteza de acid sulfuric și acid anhidridă maleică. Amestecat cu alți oxizi metalici, catalizează alte reacții organice, cum ar fi oxidarea propanului și propilenei la acroleină și respectiv acid acrilic.

Medicinal

Medicamentele constând în complexe de vanadiu au fost considerate posibile și potențialii candidați pentru tratamentul diabetului și cancerului.

Rolul biologic

Pare ironic faptul că vanadiul, fiind compușii săi colorați și toxici, ionii săi (VO ⁺ , VO ₂ ⁺ și VO ₄ ^3- , mai ales) în urme sunt benefice și esențiale pentru ființele vii; în special cele ale habitatelor marine.

Motivele sunt centrate pe stările sale de oxidare, cu câți liganzi în mediul biologic coordonează (sau interacționează), pe analogia dintre vanadatul și anionul fosfat (VO ₄ ^3- și PO ₄ ^3- ) și pe alți factori studiați de substanțe chimice bioinorganice.

Atomii de vanadiu pot interacționa apoi cu acei atomi aparținând enzimelor sau proteinelor, fie cu patru (tetraedru de coordonare), cinci (piramidă pătrată sau alte geometrii) sau cu șase. Dacă atunci când se produce această reacție favorabilă pentru organism este declanșat, se spune că vanadiul exercită activitate farmacologică.

De exemplu, există haloperoxidase: enzime care pot folosi vanadiul ca cofactor. De asemenea, există vanabine (în celulele vanadocitelor tunicatelor), fosforilaze, azotază, transferine și albumine serice (ale mamiferelor), capabile să interacționeze cu acest metal.

O moleculă organică sau complex de coordonare de vanadiu numită amavadină, este prezentă în corpurile anumitor ciuperci, cum ar fi Amanita muscaria (imagine inferioară).

Ciuperca Amanita muscaria. Sursa: Pixabay.

Și în final, în unele complexe, vanadiul poate fi conținut într-o grupare heme, cum este cazul fierului în hemoglobină.

Referințe

1. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică . (A patra editie). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Vanadiu. Recuperat de la: en.wikipedia.org
3. Ashok K. Verma și P. Modak. (Sf). Instabilitate fononică și tranziții de fază structurală în vanadiu sub presiune înaltă. Divizia de fizică de înaltă presiune, Centrul de cercetare atomică Bhabha, Trombay, Mumbai-400085, India.
4. Helmenstine, Anne Marie, doctorat. (03 iulie 2019). Fapte de vanadiu (numărul V sau atomic 23). Recuperat de la: thinkco.com
5. Richard Mills. (24 octombrie 2017). Vanadiu: Metalul pe care nu îl putem face fără și nu îl producem. Glacier Media Group. Recuperat din: mining.com
6. Centrul Național de Informații Biotehnologice. (2019). Vanadiu. Baza de date PubChem. CID = 23990. Recuperat din: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Clark Jim. (2015). Vanadiu. Recuperat din: chemguide.co.uk
8. Pierce Sarah. (2019). Ce este Vanadiul? Utilizări, fapte și izotopi. Studiu. Recuperat din: studiu.com
9. Crans și col. (2004). Chimia și biochimia vanadiului și activitățile biologice exercitate de compuși Vanadiu. Departamentul de Chimie, Universitatea de Stat din Colorado, Fort Collins, Colorado 80523-1872.