VANADIUM: GESCHIEDENIS, EIGENSCHAPPEN, STRUCTUUR, GEBRUIK - CHEMIE - 2025

Het vanadium is het derde overgangsmetaal in het periodiek systeem, vertegenwoordigd door het chemische symbool V. is niet zo populair als andere metalen, maar wie staal en titanium begrijpt, wordt je genoemd als een additief voor versterking in legeringen of gereedschappen. Fysiek is het synoniem met hardheid en chemisch met kleuren.

Sommige scheikundigen durven het te omschrijven als een kameleonmetaal, dat in staat is een breed scala aan kleuren in zijn verbindingen aan te nemen; Elektronische eigenschap die lijkt op die van de metalen mangaan en chroom. In zijn oorspronkelijke en pure staat ziet het er hetzelfde uit als andere metalen: zilver, maar met blauwachtige tinten. Eenmaal verroest ziet het eruit zoals hieronder weergegeven.

Metalen vanadiumstukken met dunne iriserende laagjes geel oxide. Bron: Jurii

In deze afbeelding is de irisatie van het oxide nauwelijks te onderscheiden, wat afhangt van de afwerkingen of het oppervlak van de metallische kristallen. Deze oxidelaag beschermt het tegen verdere oxidatie en dus tegen corrosie.

Een dergelijke weerstand tegen corrosie, evenals tegen thermisch scheuren, wordt aan legeringen verschaft wanneer er V-atomen aan worden toegevoegd. Dit alles zonder het gewicht al te zwaar te verhogen, aangezien vanadium geen zwaar metaal is, maar een licht metaal; in tegenstelling tot wat velen misschien denken.

De naam is afgeleid van de Noorse godin Vanadís, uit Scandinavië; het werd echter in Mexico ontdekt als onderdeel van het vanadinietmineraal, Pb _{5 3} Cl, van roodachtige kristallen. Het probleem was dat om het uit dit mineraal en vele andere te verkrijgen, vanadium moest worden omgezet in een verbinding die gemakkelijker te verminderen was dan zijn oxide, V ₂ O ₅ (dat wordt gereduceerd met calcium).

Andere bronnen van vanadium liggen in zee-wezens, of in ruwe olie, "opgesloten" in de petroporfyrines.

In oplossing zijn de kleuren die de verbindingen kunnen hebben, afhankelijk van hun oxidatietoestand, geel, blauw, donkergroen of violet. Vanadium valt niet alleen op door deze aantallen of oxidatietoestanden (van -1 tot +5), maar ook door zijn vermogen om op verschillende manieren te coördineren met biologische omgevingen.

De chemie van vanadium is overvloedig, mysterieus en vergeleken met andere metalen is er nog steeds veel licht dat erop moet worden geworpen om het goed te begrijpen.

Geschiedenis

Ontdekking

Mexico heeft de eer het land te zijn geweest waar dit element werd ontdekt. De mineraloog Andrés Manuel del Río analyseerde in 1801 een roodachtig mineraal dat hij zelf bruin lood noemde (vanadiniet, Pb _{5 3} Cl), en haalde metaaloxiden eruit waarvan de eigenschappen niet overeenkwamen met die van enig toen bekend element.

Daarom doopte hij dit element eerst met de naam 'Pancromo' vanwege de rijke verscheidenheid aan kleuren van de verbindingen; vervolgens hernoemde hij het 'Erythrono', van het Griekse woord erythronium, wat rood betekent.

Vier jaar later slaagde de Franse chemicus Hippolyte Victor Collet Descotils erin Del Rio ertoe te brengen zijn beweringen in te trekken door te suggereren dat erythron geen nieuw element was, maar chroomverontreinigingen. En het duurde meer dan twintig jaar voordat er iets bekend werd over dit vergeten element dat in Mexicaanse bodems werd ontdekt.

Opkomst van de naam

In 1830 ontdekte de Zwitserse chemicus Nils Gabriel Sefström een ​​ander nieuw element in ijzermineralen, dat hij vanadium noemde; naam die is afgeleid van de Noorse godin Vanadís, in vergelijking met zijn schoonheid met de schitterende kleuren van de verbindingen van dit metaal.

Datzelfde jaar wees de Duitse geoloog George William Featherstonhaugh erop dat vanadium en erythron in feite hetzelfde element waren; en hoewel hij wilde dat de naam van de rivier zegevierde door hem 'Rionio' ​​te noemen, werd zijn voorstel niet geaccepteerd.

Isolatie

Om vanadium te isoleren was het nodig om het uit zijn mineralen te halen, en net als scandium en titanium was deze taak niet gemakkelijk vanwege zijn hardnekkige affiniteit voor zuurstof. Het moest eerst worden omgevormd tot soorten die relatief gemakkelijk te verkleinen waren; daarbij verkreeg Berzelius in 1831 vanadiumnitride, dat hij aanzag voor het oorspronkelijke metaal.

In 1867 bereikte de Engelse chemicus Henry Enfield Roscoe de reductie van vanadium (II) chloride, VCl ₂ , tot metallisch vanadium met behulp van waterstofgas. Het geproduceerde metaal was echter onzuiver.

Ten slotte markeerde het begin van de technologische geschiedenis van vanadium, een monster van hoge zuiverheid werd verkregen door V ₂ O _{5 te} reduceren met metallisch calcium. Een van de eerste prominente toepassingen was om het chassis van de Ford Model T-auto te maken.

Eigendommen

Fysiek uiterlijk

In zijn pure vorm is het een grijsachtig metaal met een blauwachtige ondertoon, zacht en taai. Wanneer het echter bedekt is met een laag oxide (vooral het product van een aansteker), krijgt het opvallende kleuren alsof het een kristalkameleon is.

Molaire massa

50,9415 g / mol

Smeltpunt

1910 ° C

Kookpunt

3407 ° C

Dichtheid

-6,0 g / ml, bij kamertemperatuur

-5,5 g / ml, op het smeltpunt, dat wil zeggen, het smelt nauwelijks.

Warmte van fusie

21,5 kJ / mol

Warmte van verdamping

444 kJ / mol

Molaire warmtecapaciteit

24,89 J / (mol K)

Dampdruk

1 Pa bij 2101 K (praktisch verwaarloosbaar, zelfs bij hoge temperaturen).

Elektronegativiteit

1,63 op de schaal van Pauling.

Ionisatie-energieën

Ten eerste: 650,9 kJ / mol (V ⁺ gas)

Tweede: 1414 kJ / mol (V ²⁺ gasvormig)

Ten derde: 2830 kJ / mol (V ³⁺ gasvormig)

Mohs-hardheid

6.7

Ontleding

Bij verhitting kan het giftige dampen van V ₂ O ₅ afgeven .

Kleuren van oplossingen

Van links naar rechts, oplossingen met vanadium in verschillende oxidatietoestanden: +5, +4, +3 en +2. Bron: W. Oelen via Wikipedia.

Een van de belangrijkste en opvallende kenmerken van vanadium zijn de kleuren van de verbindingen. Wanneer sommige ervan worden opgelost in zure media, vertonen de (meestal waterige) oplossingen kleuren die het mogelijk maken het ene nummer of de oxidatietoestand van een ander te onderscheiden.

De afbeelding hierboven toont bijvoorbeeld vier reageerbuizen met vanadium in verschillende oxidatietoestanden. De linker, geel van kleur, komt overeen met V ⁵⁺ , specifiek als een VO ₂ ⁺ kation . Daarna wordt het gevolgd door het kation VO ²⁺ , met V ⁴⁺ , blauw gekleurd; het kation V ³⁺ , donkergroen; en V2 ⁺ , paars of mauve.

Als een oplossing bestaat uit een mengsel van V ⁴⁺ en V ⁵⁺ verbindingen , wordt een heldergroene kleur verkregen (product van geel met blauw).

Reactiviteit

De V ₂ O _5- laag op vanadium beschermt het tegen reactie met sterke zuren, zoals zwavelzuur of zoutzuur, sterke basen, en naast corrosie veroorzaakt door verdere oxidatie.

Bij verhitting boven 660 ° C oxideert vanadium volledig en ziet het eruit als een gele vaste stof met een iriserende glans (afhankelijk van de hoeken van het oppervlak). Dit geeloranje oxide kan worden opgelost door salpeterzuur toe te voegen, waardoor vanadium weer zijn zilverkleur krijgt.

Isotopen

Bijna alle vanadiumatomen in het heelal (99,75% daarvan) zijn ongeveer de ⁵¹ V- isotoop , terwijl een zeer klein deel (0,25%) overeenkomt met de ⁵⁰ V- isotoop . Het is daarom niet verwonderlijk dat de atoomgewicht van vanadium is 50,9415 u (dichter bij 51 dan 50).

De andere isotopen zijn radioactief en synthetisch, met halfwaardetijden (t _1/2 ) variërend van 330 dagen ( ⁴⁹ V), 16 dagen ( ⁴⁸ V), een paar uur of 10 seconden.

Structuur en elektronische configuratie

Vanadiumatomen, V, zijn gerangschikt in een kubieke (bcc) kristalstructuur met het midden van het lichaam, het product van hun metalen binding. Van de structuren is dit de minst compacte, met zijn vijf valentie-elektronen die deelnemen aan de "zee van elektronen", volgens de elektronische configuratie:

3d ³ 4s ²

Dus de drie elektronen van de 3d-orbitaal, en de twee van de 4s-orbitaal, verenigen zich om een ​​band te passeren die wordt gevormd door de overlapping van de valentie-orbitalen van alle V-atomen van het kristal; duidelijk, uitleg gebaseerd op bandtheorie.

Omdat de V-atomen iets kleiner zijn dan de metalen links van hen (scandium en titanium) in het periodiek systeem, en gezien hun elektronische kenmerken, is hun metallische binding sterker; een feit dat tot uiting komt in het hoogste smeltpunt en dus met zijn meer samenhangende atomen.

Volgens computationele studies is de bcc-structuur van vanadium stabiel, zelfs onder enorme drukken van 60 GPa. Zodra deze druk wordt overschreden, ondergaat het kristal een overgang naar de rhombohedrale fase, die stabiel blijft tot 434 GPa; wanneer de bcc-structuur weer verschijnt.

Oxidatienummers

Alleen al de elektronenconfiguratie van vanadium geeft aan dat het atoom tot vijf elektronen kan verliezen. Wanneer dit het geval is, wordt het edelgas-argon iso-elektronisch en wordt aangenomen dat het V ⁵⁺ -kation bestaat .

Evenzo kan het verlies van elektronen geleidelijk zijn (afhankelijk van de soort waaraan het is gebonden), met positieve oxidatiegetallen die variëren van +1 tot +5; daarom wordt in de verbindingen ervan uitgegaan van het bestaan ​​van de respectieve kationen V ⁺ , V ²⁺ enzovoort.

Vanadium kan ook elektronen winnen en transformeren in een metaalanion. De negatieve oxidatiegetallen zijn: -1 (V ^- ) en -3 (V ^3- ). De elektronenconfiguratie van V ^3- is:

3d ⁶ 4s ²

Hoewel het vier elektronen mist om de vulling van de 3d orbitalen te voltooien, is V ^3- energetisch stabieler dan V ^7- , dat in theorie extreem elektropositieve soorten nodig zou hebben (om het zijn elektronen te geven).

Toepassingen

-Metaal

Titanium staallegeringen

Vanadium biedt mechanische, thermische en trillingsbestendigheid, evenals hardheid aan de legeringen waaraan het is toegevoegd. Als ferrovanadium (ijzer en vanadiumlegering) of vanadiumcarbide wordt het bijvoorbeeld samen met andere metalen in staal of in titaniumlegeringen toegevoegd.

Op deze manier worden zeer harde en lichte materialen gemaakt, nuttig om te worden gebruikt als gereedschap (boren en sleutels), tandwielen, auto- of vliegtuigonderdelen, turbines, fietsen, straalmotoren, messen, tandheelkundige implantaten, enz.

Ook zijn zijn legeringen met gallium (V ₃ Ga) supergeleidend en worden ze gebruikt voor de vervaardiging van magneten. En gezien hun lage reactiviteit, worden vanadiumlegeringen ook gebruikt voor leidingen waarin corrosieve chemische reagentia werken.

Vanadium redox-batterijen

Vanadium maakt deel uit van redox-batterijen, VRB's (voor de afkorting in het Engels: Vanadium Redox Batteries). Deze kunnen worden gebruikt om de opwekking van elektriciteit uit zonne- en windenergie te bevorderen, evenals batterijen in elektrische voertuigen.

-Samenstellingen

Pigment

V ₂ O ₅ wordt gebruikt om glas en keramiek een gouden kleur te geven. Aan de andere kant maakt de aanwezigheid in sommige mineralen ze groenachtig, zoals gebeurt met smaragden (en ook dankzij andere metalen).

Katalysator

V ₂ O ₅ is ook een katalysator die wordt gebruikt voor de synthese van zwavelzuur en maleïnezuuranhydridezuur. Gemengd met andere metaaloxiden, katalyseert het andere organische reacties, zoals de oxidatie van propaan en propyleen tot respectievelijk acroleïne en acrylzuur.

Medicinaal

Geneesmiddelen bestaande uit vanadiumcomplexen werden beschouwd als mogelijke en potentiële kandidaten voor de behandeling van diabetes en kanker.

Biologische rol

Het lijkt ironisch dat vanadium, omdat het zijn kleurrijke en giftige verbindingen is, zijn ionen ( meestal VO ⁺ , VO ₂ ⁺ en VO ₄ ^3- ) in sporen nuttig en essentieel zijn voor levende wezens; vooral die van mariene habitats.

De redenen zijn gecentreerd rond de oxidatietoestand, het aantal liganden in de biologische omgeving dat het coördineert (of interageert), de analogie tussen het vanadaat- en fosfaatanion (VO ₄ ^3- en PO ₄ ^3- ) en andere factoren die zijn bestudeerd door bio-anorganische chemicaliën.

De vanadiumatomen kunnen dan een interactie aangaan met die atomen die tot enzymen of eiwitten behoren, ofwel met vier (coördinatie-tetraëder), vijf (vierkante piramide of andere geometrieën) of zes. Als wanneer dit gebeurt, een gunstige reactie voor het lichaam wordt geactiveerd, wordt gezegd dat vanadium farmacologische activiteit uitoefent.

Zo zijn er haloperoxidasen: enzymen die vanadium als cofactor kunnen gebruiken. Er zijn ook vanabines (in de vanadocytcellen van manteldieren), fosforylasen, stikstofasen, transferines en serumalbumines (van zoogdieren) die met dit metaal kunnen interageren.

Een organisch molecuul of vanadiumcoördinatiecomplex genaamd amavadine, is aanwezig in de lichamen van bepaalde schimmels, zoals Amanita muscaria (onderste afbeelding).

Amanita muscaria paddestoel. Bron: Pixabay.

En tot slot kan vanadium in sommige complexen in een heemgroep zitten, zoals het geval is met ijzer in hemoglobine.

Referenties

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische scheikunde . (Vierde druk). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Vanadium. Hersteld van: en.wikipedia.org
3. Ashok K. Verma & P. ​​Modak. (sf). Fononinstabiliteit en structurele faseovergangen in vanadium onder hoge druk. Hogedrukfysica-afdeling, Bhabha Atomic Research Centre, Trombay, Mumbai-400085, India.
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3 juli 2019). Vanadiumfeiten (V of atoomnummer 23). Hersteld van: thoughtco.com
5. Richard Mills. (24 oktober 2017). Vanadium: het metaal dat we niet kunnen missen en niet kunnen produceren. Glacier Media Group. Hersteld van: mining.com
6. Nationaal centrum voor informatie over biotechnologie. (2019). Vanadium. PubChem-database. CID = 23990. Hersteld van: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Clark Jim. (2015). Vanadium. Hersteld van: chemguide.co.uk
8. Pierce Sarah. (2019). Wat is vanadium? Toepassingen, feiten en isotopen. Studie. Hersteld van: study.com
9. Crans & col. (2004). De chemie en biochemie van vanadium en de biologische activiteiten van vanadiumverbindingen. Afdeling Chemie, Colorado State University, Fort Collins, Colorado 80523-1872.