VANADIJ: ZGODOVINA, LASTNOSTI, STRUKTURA, UPORABE - KEMIJA - 2026

Vanadij je tretja prehodna kovina v periodnem sistemu, s kemijsko oznako V. zastopane ni tako priljubljena kot drugih kovin, vendar je razumel jekla in titaniums ste slišali omenja kot za dodatek za krepitev v zlitinah ali orodja. Fizično je sinonim za trdoto, kemično pa z barvami.

Nekateri kemiki si ga upajo opisati kot kameleonsko kovino, ki je sposobna sprejeti široko paleto barv v svojih spojinah; Elektronska lastnost, ki spominja na kovine mangan in krom. V izvornem in čistem stanju je videti enako kot druge kovine: srebro, vendar z modrikastimi odtenki. Ko je zarjavelo, je videti, kot je prikazano spodaj.

Kovinski koščki vanadija s tankimi prelivajočimi se plastmi rumenega oksida. Vir: Jurii

Na tej sliki je iridescenca oksida komajda razločena, kar je odvisno od zaključka ali površine kovinskih kristalov. Ta oksidna plast jo ščiti pred nadaljnjo oksidacijo in s tem pred korozijo.

Takšna odpornost proti koroziji, pa tudi na termično razpokanje, je zagotovljena zlitinam, ko se jim dodajo V-atomi. Vse to, ne da bi preveč dvignili svojo težo, saj vanadij ni težka kovina, ampak lahka; za razliko od tega, kar si mnogi mislijo.

Ime izvira iz nordijske boginje Vanadís iz Skandinavije; vendar so ga odkrili v Mehiki kot del vanadinitnega minerala Pb _{5 3} Cl rdečkastih kristalov. Problem je, da ga dobimo iz tega minerala in mnogi drugi, so imeli vanadija, da se preoblikuje v spojino lažje zmanjšati od njegovega oksida, V ₂ O ₅ (ki ga reduciramo s kalcijem).

Drugi viri vanadija so v morskih bitjih ali v surovi nafti, "zaprti" znotraj petroporfirinov.

V raztopini so barve, ki jih imajo lahko njegove spojine, odvisno od stanja oksidacije, rumene, modre, temno zelene ali vijolične. Vanadij ne izstopa le po teh številkah ali oksidacijskih stanjih (od -1 do +5), temveč po svoji sposobnosti usklajevanja na različne načine z biološkim okoljem.

Kemija vanadija je obilna, skrivnostna, v primerjavi z drugimi kovinami pa je še vedno veliko svetlobe, ki jo je treba zaradi njenega natančnega razumevanja preliti nanjo.

Zgodovina

Odkritje

Mehika ima čast biti država, kjer so odkrili ta element. Mineralog Andrés Manuel del Río je leta 1801 z analizo rdečkastega minerala, ki ga je sam imenoval rjavi svinec (vanadinit, Pb _{5 3} Cl), izvlekel kovinske okside, katerih lastnosti niso ustrezale značilnostim nobenega elementa, ki je bil takrat znan.

Tako je ta element prvič krstil z imenom "Pancromo" zaradi bogate raznolikosti barv njegovih spojin; nato ga je preimenoval v "Erythrono", iz grške besede erythronium, kar pomeni rdeča.

Štiri leta pozneje je francoskemu kemičarju Hipolitu Victor Collet Descotils uspelo prisiliti Del Río, da umakne svoje trditve, tako da je nakazal, da eritron ni nov element, temveč nečistoče kroma. In trajalo je več kot dvajset let, da je bilo nekaj znanega o tem pozabljenem elementu, odkritem v mehiških tleh.

Pojav imena

Leta 1830 je švicarski kemik Nils Gabriel Sefström odkril še en nov element železovih mineralov, ki ga je poimenoval vanadij; ime, ki izhaja iz norveške boginje Vanadís, v primerjavi s svojo lepoto in sijajnimi barvami spojin te kovine.

Istega leta je nemški geolog George William Featherstonhaugh opozoril, da sta vanadij in eritron v resnici isti element; in čeprav je želel, da ime reke prevlada tako, da ga je poimenoval "Rionio", njegov predlog ni bil sprejet.

Izolacija

Za izolacijo vanadija ga je bilo treba zmanjšati iz njegovih mineralov, tako kot skandij in titan pa tudi zaradi svoje trdovratne naklonjenosti kisiku ta naloga ni bila lahka. Najprej ga je bilo treba spremeniti v vrste, ki jih je bilo razmeroma enostavno zmanjšati; Berzelius je v tem letu 1831 dobil vanadijev nitrid, ki ga je napačno uporabil za domačo kovino.

V 1867 angleščina kemik Henry Enfield Roscoe, doseženo zmanjšanje vanadija (II) klorida, VCL ₂ , do kovinskega vanadija uporabo vodikovega plina. Vendar je bila kovina, ki jo je proizvedla, nečista.

Nazadnje smo označili začetek tehnološke zgodovine vanadija, tako da smo z zmanjšanjem V ₂ O ₅ s kovinskim kalcijem dobili vzorec visoke čistosti . Ena njegovih prvih vidnih uporab je bila izdelava podvozja avtomobila Ford Model T.

Lastnosti

Fizični videz

V svoji čisti obliki je sivkasta kovina z modrikastimi odtenki, mehka in duktilna. Vendar, ko je prekrit s plastjo oksida (zlasti produkta vžigalnika), prevzame udarne barve, kot da bi bil kristalni kameleon.

Molarna masa

50,9415 g / mol

Tališče

1910 ° C

Vrelišče

3407 ° C

Gostota

-6,0 g / ml, pri sobni temperaturi

-5,5 g / ml, na mestu taljenja, torej komaj stopi.

Vročina fuzije

21,5 kJ / mol

Toplota izparevanja

444 kJ / mol

Molarna toplotna zmogljivost

24,89 J / (mol K)

Parni tlak

1 Pa pri 2101 K (praktično zanemarljivo tudi pri visokih temperaturah).

Elektronegativnost

1,63 po Paulingovi lestvici.

Ionizacijske energije

Prvič: 650,9 kJ / mol (V ⁺ plin)

Drugič: 1414 kJ / mol (V ²⁺ plinasti)

Tretjič: 2830 kJ / mol (V ³⁺ plinasti)

Mohsova trdota

6.7

Razgradnja

Pri segrevanju lahko sprošča strupene hlape V ₂ O ₅ .

Barve rešitev

Od leve proti desni, raztopine z vanadijem v različnih oksidacijskih stanjih: +5, +4, +3 in +2. Vir: W. Oelen prek Wikipedije.

Ena glavnih in opaznih lastnosti vanadija so barve njegovih spojin. Ko se nekatere raztopijo v kislem mediju, imajo raztopine (večinoma vodne) barve, ki omogočajo razlikovanje enega števila ali stanja oksidacije od drugega.

Na primer, zgornja slika prikazuje štiri epruvete z vanadijem v različnih oksidacijskih stanjih. Leva, rumene barve, ustreza V ⁵⁺ , natančneje kot kation VO ₂ ⁺ . Nato mu sledi kation VO ²⁺ , z V ⁴⁺ , obarvan modro; kation V ³⁺ , temno zelen; in V ²⁺ , vijolična ali barva.

Kadar je raztopina sestavljena iz mešanice spojin V ⁴⁺ in V ⁵⁺ , dobimo svetlo zeleno barvo (produkt rumene z modro).

Reaktivnost

Plast V ₂ O ₅ na vanadiju varuje pred reakcijo z močnimi kislinami, kot so žveplova ali klorovodikova, močne baze, pa tudi pred korozijo, ki jo povzroči nadaljnja oksidacija.

Pri segrevanju nad 660 ° C vanadij oksidira v celoti in je videti kot rumena trdna s prelivnimi senčili (odvisno od kotov njene površine). Ta rumeno-oranžni oksid lahko raztopimo, če dodamo dušikovo kislino, ki bo vanadiju vrnila svojo srebrno barvo.

Izotopi

Skoraj vsi atomi vanadija v vesolju (od njih 99,75%) so približno ⁵¹ V izotopu , zelo majhen del (0,25%) pa ustreza izotopu ⁵⁰ V. Zato ne preseneča, da atomska teža vanadija je 50,9415 u (bližje 51 kot 50).

Drugi izotopi so radioaktivni in sintetični, razpolovni čas (t _1/2 ) je razpon med 330 dni ( ⁴⁹ V), 16 dni ( ⁴⁸ V), nekaj ur ali 10 sekund.

Struktura in elektronska konfiguracija

Atomi vanadija, V, so razporejeni v kubno (bcc) kristalno strukturo, ki je produkt njihove kovinske vezi. Od struktur je ta najmanj gosta, saj je pet valenčnih elektronov sodelovalo v "morju elektronov" v skladu z elektronsko konfiguracijo:

3d ³ 4s ²

Tako se trije elektroni 3d orbitale in dva iz 4s orbitala združijo, da preidejo v pas, ki ga tvori prekrivanje valenčnih orbitalov vseh V atomov kristala; jasno, razlaga, ki temelji na teoriji pasov.

Ker so atomi V nekoliko manjši od kovin levo (skandij in titan) v periodični tabeli in glede na njihove elektronske značilnosti je njihova kovinska vez močnejša; dejstvo, ki se odraža v njegovem najvišjem tališču in s tem z bolj kohezivnimi atomi.

Glede na računalniške študije je skorjenost skorje vanadija stabilna tudi pod velikimi pritiski 60 GPa. Ko je ta tlak presežen, njegov kristal preide v romboedrsko fazo, ki ostane stabilna do 434 GPa; ko se bcc struktura ponovno pojavi.

Oksidacijske številke

Sama elektronska konfiguracija vanadija kaže, da lahko njegov atom izgubi do pet elektronov. Ko to stori, žlahtni plinski argon postane izoelektronski in domneva obstoj kation V ⁵⁺ .

Prav tako je lahko izguba elektronov postopna (odvisno od tega, na katere vrste je vezana), ki imajo pozitivne oksidacijske številke, ki se razlikujejo od +1 do +5; zato se v njegovih spojinah domneva obstoj ustreznih kationov V ⁺ , V2 ⁺ in tako naprej.

Vanadij lahko pridobi tudi elektrone, ki se pretvorijo v kovinski anion. Njene negativne oksidacijske številke so: -1 (V ^- ) in -3 (V ^3- ). Konfiguracija elektronov V ^3- je:

3d ⁶ 4s ²

Čeprav za izpolnjevanje 3d orbitov primanjkuje štiri elektrone, je V ^3- energetsko bolj stabilen kot V ^7- , ki bi v teoriji potreboval izjemno elektropozitivne vrste (če bi mu dali svoje elektrone).

Prijave

-Metal

Titanove jeklene zlitine

Vanadij zagotavlja mehansko, toplotno in vibracijsko odpornost ter trdoto zlitinam, ki jim je dodan. Na primer, kot ferovanadij (železova in vanadij-zlitina) ali vanadij-karbid se doda skupaj z drugimi kovinami v jeklu ali v titanovih zlitinah.

Na ta način nastajajo zelo trdi in lahki materiali, ki jih je mogoče uporabiti kot orodje (svedri in ključi), zobnike, avtomobilske ali letalske dele, turbine, kolesa, reaktivne motorje, nože, zobne vsadke itd.

Tudi njegove zlitine z galijem (V ₃ Ga) so superprevodne in se uporabljajo za izdelavo magnetov. In tudi glede na njihovo nizko reaktivnost se vanadijeve zlitine uporabljajo za cevi, kjer tečejo jedki kemični reagenti.

Vanadij redoks baterije

Vanadium je del redox baterij, VRB (za kratico v angleščini: Vanadium Redox Battery). Te se lahko uporabljajo za spodbujanje proizvodnje električne energije iz sončne in vetrne energije, pa tudi iz baterij v električnih vozilih.

-Kompoziti

Pigment

V ₂ O ₅ uporablja steklo in keramiko zlato barvo. Po drugi strani pa je njihova prisotnost v nekaterih mineralih zelenkasta, kar se dogaja pri smaragdih (in tudi pri drugih kovinah).

Katalizator

V ₂ O ₅ je tudi katalizator, ki se uporablja za sintezo žveplove kisline in anhidrida maleinske kisline. Mešan z drugimi kovinskimi oksidi katalizira druge organske reakcije, na primer oksidacijo propana in propilena v akrolein oziroma akrilno kislino.

Zdravilo

Zdravila, ki so sestavljena iz vanadijevih kompleksov, so bila obravnavana kot možni in potencialni kandidati za zdravljenje sladkorne bolezni in raka.

Biološka vloga

Ironično se zdi, da so vanadij, ki so njegovi barviti in strupeni spojini, ioni (VO ⁺ , VO ₂ ⁺ in VO ₄ ^3- , večinoma) v sledeh koristni in bistveni za živa bitja; zlasti tistih morskih habitatov.

Razlogi so osredotočeni na oksidacijsko stanje, koliko ligandov v biološkem okolju koordinira (ali medsebojno deluje), na analogijo vanadata in fosfatnega aniona (VO ₄ ^3- in PO ₄ ^3- ) in na druge preučene dejavnike z bioinorganskimi kemikalijami.

Atomi vanadija lahko nato sodelujejo s tistimi atomi, ki pripadajo encimom ali beljakovinam, bodisi s štirimi (koordinacijski tetraedrom), petimi (kvadratna piramida ali druge geometrije) ali šestimi. Če se to zgodi, se za organizem sproži ugodna reakcija, pravi, da vanadij deluje farmakološko.

Na primer, obstajajo haloperoksidaze: encimi, ki lahko vanadij uporabljajo kot kofaktor. Obstajajo tudi vanabini (v vanadocitnih celicah plaščarjev), fosforilaze, nitrogenaze, transferini in serumski albumini (sesalcev), ki so sposobni interakcije s to kovino.

Organska molekula ali vanadijev koordinacijski kompleks, imenovan amavadin, je prisoten v telesih nekaterih gliv, na primer Amanita muscaria (spodnja slika).

Goba Amanita muscaria. Vir: Pixabay.

In končno, v nekaterih kompleksih je lahko vanadij vsebovan v skupini hema, kot je železo v hemoglobinu.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja). Mc Graw Hill.
2. Wikipedija. (2019). Vanadij. Pridobljeno: en.wikipedia.org
3. Ashok K. Verma & P. ​​Modak. (sf). Fononska nestabilnost in strukturni fazni prehodi v vanadiju pod visokim pritiskom. Oddelek za fiziko visokega tlaka, Bhabha Atomic Research Center, Trombay, Mumbai-400085, Indija.
4. Helmenstine, Anne Marie, dr. (03. julij 2019). Dejstva o vanadiju (V ali Atomska številka 23). Pridobljeno: misel.com
5. Richard Mills. (24. oktober 2017). Vanadij: Kovina, brez katere ne moremo storiti in je ne proizvajamo. Glacier Media Group. Pridobljeno: mining.com
6. Nacionalni center za informacije o biotehnologiji. (2019). Vanadij. Baza podatkov PubChem. CID = 23990. Pridobljeno: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Clark Jim. (2015). Vanadij. Pridobljeno: chemguide.co.uk
8. Pierce Sarah. (2019). Kaj je vanadij? Uporaba, dejstva in izotopi. Študij. Pridobljeno: study.com
9. Crans & col. (2004). Kemija in biokemija vanadija in biološke dejavnosti, ki jih izvajajo vanadijeve spojine. Oddelek za kemijo, Državna univerza Kolorado, Fort Collins, Kolorado 80523-1872.