VANADIUM: HISTORIE, VLASTNOSTI, STRUKTURA, POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Vanadu je třetí přechodový kov v periodické tabulce, zastoupená chemickým symbolem V. není tak populární jako jiné kovy, ale pochopí ocele a titaniums jste slyšeli zmínku jako o aditiva pro posílení ve slitinách nebo nářadí. Fyzicky je to synonymum s tvrdostí a chemicky s barvami.

Někteří chemici si troufají popsat to jako chameleonový kov, který je schopen přijmout ve svých sloučeninách širokou škálu barev; Elektronická vlastnost, která se podobá vlastnostem kovů mangan a chrom. Ve svém původním a čistém stavu vypadá stejně jako ostatní kovy: stříbro, ale s namodralým nádechem. Jakmile zrezivělý, vypadá to, jak je ukázáno níže.

Kovové kusy vanadu s tenkými duhovými vrstvami žlutého oxidu. Zdroj: Jurii

Na tomto obrázku je iridescence oxidu sotva rozlišitelná, což závisí na povrchových úpravách nebo povrchu kovových krystalů. Tato vrstva oxidu ji chrání před další oxidací, a tedy před korozí.

Taková odolnost vůči korozi, jakož i proti tepelnému krakování, je poskytována slitinám, když jsou k nim přidány atomy V. To vše, aniž by to příliš zvýšilo svou váhu, protože vanad není těžký kov, ale lehký; na rozdíl od toho, co si mnozí mohou myslet.

Jeho jméno je odvozeno od norské bohyně Vanadís, ze Skandinávie; bylo však objeveno v Mexiku jako součást vanadinitového minerálu, Pb _{5 3} Cl, načervenalých krystalů. Problémem bylo, že ji získat z tohoto minerálu a mnoho dalších, vanad musela být přeměněna na sloučeninu snazší snížit než jeho oxidu, V ₂ O ₅ (který se redukuje s vápníkem).

Jiné zdroje vanadu leží v mořských bytostech nebo v ropě „uvězněné“ v petroporfyrinech.

V roztoku jsou barvy, které jeho sloučeniny mohou mít, v závislosti na jejich oxidačním stavu, žluté, modré, tmavě zelené nebo fialové. Vanadium vyniká nejen těmito čísly nebo oxidačními stavy (od -1 do +5), ale také svou schopností koordinovat se různými způsoby s biologickým prostředím.

Chemie vanadu je hojná, záhadná a ve srovnání s jinými kovy je zde stále hodně světla, které musí být pro jeho blízké pochopení vrháno.

Dějiny

Objev

Mexiko má tu čest být zemí, kde byl tento prvek objeven. Mineralog Andrés Manuel del Río v roce 1801 analyzoval načervenalý minerál, který sám nazýval hnědým olovem (vanadinit, Pb _{5 3} Cl), extrahoval oxidy kovů, jejichž vlastnosti neodpovídaly charakteristikám v té době známých prvků.

Nejprve tedy pokřtil tento prvek jménem „Pancromo“ kvůli bohaté rozmanitosti barev jeho sloučenin; pak jej přejmenoval na „Erythrono“, z řeckého slova erythronium, což znamená červenou.

O čtyři roky později, francouzský chemik Hippolyte Victor Collet Descotils dokázal přimět Del Río, aby stáhl jeho tvrzení tím, že navrhl, že erythron není nový prvek, ale spíše nečistoty chrómu. A trvalo více než dvacet let, než se něco dozvědělo o tomto zapomenutém prvku objeveném v mexických půdách.

Vznik jména

V roce 1830 objevil švýcarský chemik Nils Gabriel Sefström další nový prvek v železných minerálech, který nazýval vanadiem; jméno, které pochází z norské bohyně Vanadís, ve srovnání s její krásou se zářivými barvami sloučenin tohoto kovu.

Ve stejném roce německý geolog George William Featherstonhaugh zdůraznil, že vanad a erythron jsou ve skutečnosti stejným prvkem; a ačkoli chtěl, aby jméno řeky zvítězilo tím, že se tomu bude říkat „Rionio“, jeho návrh nebyl přijat.

Izolace

K izolaci vanadu bylo nutné ho redukovat od jeho minerálů a podobně jako skandium a titan nebyl tento úkol snadný kvůli jeho houževnaté afinitě k kyslíku. Nejprve muselo být přeměněno na druhy, které byly relativně snadno redukovány; v procesu, Berzelius získal vanadium nitride v 1831, který on si pomýlil s nativním kovem.

V roce 1867 anglický chemik Henry Enfield Roscoe dosáhl redukce chloridu vanadičitého, VCl ₂, na kovový vanad pomocí plynného vodíku. Kov, který vyrobil, byl však nečistý.

Konečně, označení začátku technologického historie vanadu, vzorek vysoké čistoty se získá redukcí V ₂ O ₅ s kovovým vápníkem. Jedním z jeho prvních prominentních použití bylo vyrobit podvozek vozu Ford Model T.

Vlastnosti

Fyzický vzhled

Ve své čisté formě je to šedivý kov s namodralým podtónem, měkký a tažný. Když je však pokryta vrstvou oxidu (zejména produkt zapalovače), zaujme nápadné barvy, jako by to byl křišťálový chameleon.

Molární hmotnost

50,9415 g / mol

Bod tání

1910 ° C

Bod varu

3407 ° C

Hustota

-6,0 g / ml, při teplotě místnosti

-5,5 g / ml, při teplotě tání, to znamená, že se jen stěží taví.

Teplo fúze

21,5 kJ / mol

Odpařovací teplo

444 kJ / mol

Molární tepelná kapacita

24,89 J / (mol K)

Tlak páry

1 Pa při 2101 K (prakticky zanedbatelný i při vysokých teplotách).

Elektronegativita

1,63 na Paulingově stupnici.

Ionizační energie

První: 650,9 kJ / mol (V ⁺ plyn)

Druhý: 1414 kJ / mol (plynný V ²⁺)

Třetí: 2830 kJ / mol (plynný V ³⁺)

Mohsova tvrdost

6.7

Rozklad

Při zahřátí může uvolňovat toxické výpary V ₂ O ₅.

Barvy roztoků

Zleva doprava, roztoky s vanadem v různých oxidačních stavech: +5, +4, +3 a +2. Zdroj: W. Oelen prostřednictvím Wikipedie.

Jednou z hlavních a pozoruhodných charakteristik vanadu jsou barvy jeho sloučenin. Když jsou některé z nich rozpuštěny v kyselém prostředí, mají roztoky (většinou vodné) barvy, které umožňují odlišit jedno číslo nebo oxidační stav od jiného.

Například výše uvedený obrázek ukazuje čtyři zkumavky s vanadem v různých oxidačních stavech. Ten vlevo, žluté barvy, odpovídá ^V5+, konkrétně jako kation VO ₂ ⁺. Potom následuje kationt VO ²⁺, s V ⁴⁺, zbarvený modrý; kation V ³⁺, tmavě zelený; a V ²⁺, fialová nebo lila.

Pokud se roztok skládá ze směsi sloučenin V ⁴⁺ a V ⁵⁺, získá se jasně zelená barva (produkt žluté s modrou).

Reaktivita

Vrstva V ₂ O ₅ na vanadu chrání před reakcí se silnými kyselinami, jako jsou silné kyseliny sírové nebo chlorovodíkové, a kromě koroze způsobené další oxidací.

Při zahřátí nad 660 ° C se vanad zcela oxiduje a vypadá jako žlutá pevná látka s duhovým leskem (v závislosti na úhlech jeho povrchu). Tento žlutooranžový oxid může být rozpuštěn, pokud je přidána kyselina dusičná, která vrátí vanad do své stříbrné barvy.

Izotopy

Téměř všechny atomy vanadu ve vesmíru (99,75% z nich) jsou o izotopu ⁵¹ V. zatímco velmi malá část (0,25%) odpovídá izotopu ⁵⁰ V. Z tohoto důvodu není překvapivé, že atomová hmotnost vanadu je 50,9415 u (blíže k 51 než 50).

Ostatní izotopy jsou radioaktivní a syntetické, s poločasy rozpadu (t _1/2), které se pohybují mezi 330 dny (⁴⁹ V), 16 dny (⁴⁸ V), několika hodinami nebo 10 sekundami.

Struktura a elektronická konfigurace

Atomy vanadu, V, jsou uspořádány v kubické (bcc) krystalové struktuře zaměřené na tělo, což je produkt jejich kovové vazby. Ze struktur je to nejméně husté, přičemž jeho pět valenčních elektronů se podílí na „moři elektronů“ podle elektronické konfigurace:

3d ³ 4s ²

Tedy, tři elektrony 3d orbitálu a dva 4s orbitální se spojí, aby tranzitovaly pás vytvořený překrýváním valenčních orbitálů všech atomů V krystalu; jasné vysvětlení založené na teorii kapel.

Protože atomy V jsou o něco menší než kovy nalevo (skandium a titan) v periodické tabulce a vzhledem k jejich elektronickým vlastnostem je jejich kovová vazba silnější; skutečnost, která se odráží v jeho nejvyšším bodu tání, a tedy s jeho soudržnějšími atomy.

Podle výpočtových studií je struktura bcc vanadu stabilní i při enormních tlacích 60 GPa. Jakmile je tento tlak překročen, jeho krystal podléhá přechodu do rhombohedrální fáze, která zůstává stabilní až do 434 GPa; když se znovu objeví struktura bcc.

Oxidační čísla

Elektronová konfigurace samotného vanadu naznačuje, že jeho atom je schopen ztratit až pět elektronů. Když se tak stane, argon ušlechtilého plynu se stává isoelektronickým a předpokládá se existence kationtu V ⁵⁺.

Podobně může být ztráta elektronů postupná (v závislosti na druhu, ke kterému je vázána), mající pozitivní oxidační čísla, která se liší od +1 do +5; proto se ve svých sloučeninách předpokládá existence příslušných kationtů V ⁺, V2 ⁺ atd.

Vanad může také získat elektrony a přeměnit se v kovový anion. Jeho záporná oxidační čísla jsou: -1 (V ^-) a -3 (V ^3-). Elektronová konfigurace ^V3 je:

3d ⁶ 4s ²

Ačkoli postrádá čtyři elektrony k dokončení vyplňování 3d orbitálů, ^V3 je energeticky stabilnější než ^V7, což by teoreticky vyžadovalo extrémně elektropositivní druhy (aby mu daly jeho elektrony).

Aplikace

-Kov

Slitiny titanové oceli

Vanad poskytuje slitinám, ke kterým je přidán, mechanickou, tepelnou a vibrační odolnost a tvrdost. Například jako ferrovanadium (železo a vanadiová slitina) nebo karbid vanadia se přidává společně s jinými kovy v oceli nebo ve slitinách titanu.

Tímto způsobem jsou vytvářeny velmi tvrdé a lehké materiály, užitečné pro použití jako nástroje (vrtačky a klíče), ozubená kola, automobilové nebo letadlové části, turbíny, kola, proudové motory, nože, zubní implantáty atd.

Také jeho slitiny s galliem (V ₃ Ga) jsou supravodivé a používají se pro výrobu magnetů. A také, vzhledem k jejich nízké reaktivitě, se vanadiové slitiny používají pro potrubí, kde běží korozivní chemická činidla.

Vanadiové redoxní baterie

Vanadium je součástí redox baterií, VRB (pro jeho zkratku v angličtině: Vanadium Redox Batteries). Lze je použít k podpoře výroby elektřiny ze sluneční a větrné energie, jakož i baterií v elektrických vozidlech.

- Kompozity

Pigment

V ₂ O ₅ se používá k získání skla a keramiky zlaté barvy. Na druhé straně je díky přítomnosti v některých minerálech nazelenalá, jak se to děje u smaragdů (a díky jiným kovům).

Katalyzátor

V ₂ O ₅ je rovněž katalyzátor použitý pro syntézu kyseliny sírové a kyseliny maleinové anhydridu. Ve směsi s jinými oxidy kovů katalyzuje další organické reakce, jako je oxidace propanu a propylenu na akrolein a kyselina akrylová.

Léčivý

Léky sestávající z vanadových komplexů byly považovány za možné a potenciální kandidáty pro léčbu diabetu a rakoviny.

Biologická role

Zdá se ironické, že vanad, jako jeho barevné a toxické sloučeniny, jeho ionty (většinou VO ⁺, VO ₂ ⁺ a VO ₄ ^3-) jsou prospěšné a nezbytné pro živé bytosti; zejména mořských stanovišť.

Důvody jsou soustředěny na jeho oxidační stavy, s tím, kolik ligandů v biologickém prostředí koordinuje (nebo interaguje), na analogii mezi vanadátovým a fosfátovým aniontem (VO ₄ ^3- a PO ₄ ^3-) a na další studované faktory bioinorganickými chemikáliemi.

Atomy vanadu pak mohou interagovat s atomy patřícími k enzymům nebo proteinům, buď se čtyřmi (koordinační čtyřstěn), pěti (čtvercová pyramida nebo jiné geometrie) nebo se šesti. Pokud nastane příznivá reakce na tělo, říká se, že vanad vykazuje farmakologickou aktivitu.

Například existují haloperoxidázy: enzymy, které mohou používat vanadium jako kofaktor. Existují také vanabiny (v buňkách vanadocytů tunikátů), fosforylázy, dusíkázy, transferiny a sérové ​​albuminy (savců), schopné interagovat s tímto kovem.

Organická molekula nebo vanadiový koordinační komplex zvaný amavadin je přítomna v tělech určitých hub, jako je Amanita muscaria (nižší obrázek).

Houba Amanita muscaria. Zdroj: Pixabay.

A konečně, v některých komplexech může být vanad obsažen ve skupině hem, jako je tomu v případě železa v hemoglobinu.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. (Čtvrté vydání). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Vanadium. Obnoveno z: en.wikipedia.org
3. Ashok K. Verma a P. Modak. (sf). Nestabilita fononu a přechod strukturální fáze ve Vanadu za vysokého tlaku. Divize fyziky vysokého tlaku, Centrum atomového výzkumu Bhabha, Trombay, Mumbai-400085, Indie.
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3. července 2019). Fakta o vanadu (V nebo atomové číslo 23). Obnoveno z: thinkco.com
5. Richard Mills. (24. října 2017). Vanadium: Kov, se kterým nemůžeme obejít a neprodukujeme. Glacier Media Group. Obnoveno z: mining.com
6. Národní centrum pro biotechnologické informace. (2019). Vanadium. PubChem Database. CID = 23990. Obnoveno z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Clark Jim. (2015). Vanadium. Obnoveno z: chemguide.co.uk
8. Pierce Sarah. (2019). Co je to Vanadium? Použití, fakta a izotopy. Studie. Obnoveno z: study.com
9. Crans & col. (2004). Chemie a biochemie vanadu a biologické aktivity vanadových sloučenin. Katedra chemie, Colorado State University, Fort Collins, Colorado 80523-1872.