VANADIUM: HISTORIA, EGENSKAPER, STRUKTUR, ANVÄNDNINGSOMRÅDEN - KEMI - 2025

Den vanadin är den tredje övergångsmetall i det periodiska systemet, som representeras av den kemiska beteckningen V. är inte lika populär som andra metaller, men som förstår stål och titaniums du hört talas som en tillsats för att stärka i legeringar eller verktyg. Fysiskt är det synonymt med hårdhet och kemiskt med färger.

Vissa kemister vågar beskriva den som en kameleont metall, som kan anta ett brett spektrum av färger i dess föreningar; Elektronisk egendom som liknar den hos metaller mangan och krom. I sitt ursprungliga och rena tillstånd ser det ut som andra metaller: silver, men med blåaktiga nyanser. När det är rostat ser det ut som visas nedan.

Metalliska vanadiumbitar med tunna iriserande lager av gul oxid. Källa: Jurii

I den här bilden skiljer sig knappast iridisensen hos oxiden, vilket beror på ytorna eller ytorna på de metalliska kristallerna. Detta oxidskikt skyddar det från ytterligare oxidation och därför från korrosion.

Sådan motståndskraft mot korrosion såväl som mot termisk krackning tillhandahålles legeringar när V-atomer läggs till dem. Allt detta utan att höja vikten för mycket, eftersom vanadin inte är en tung metall utan en lätt; till skillnad från vad många kanske tror.

Namnet kommer från den nordiska gudinnan Vanadís, från Skandinavien; emellertid upptäcktes det i Mexiko, som en del av vanadinitmineralet, Pb _{5 3} Cl, av rödaktiga kristaller. Problemet var att för att erhålla den från detta mineral och många andra, hade vanadin som skall transformeras till en förening lättare att reducera än dess oxid, V ₂ O ₅ (som reduceras med kalcium).

Andra källor till vanadin ligger i marina varelser, eller i råolja, "fängslade" inom petroporfyrinerna.

Som lösning är färgerna som dess föreningar kan ha, beroende på deras oxidationstillstånd, gula, blå, mörkgröna eller violetta. Vanadium sticker inte bara ut för dessa antal eller oxidationstillstånd (från -1 till +5), utan för dess förmåga att koordinera på olika sätt med biologiska miljöer.

Vanadins kemi är riklig, mystisk, och jämfört med andra metaller finns det fortfarande mycket ljus som måste kastas på den för dess nära förståelse.

Historia

Upptäckt

Mexiko har äran att ha varit det land där detta element upptäcktes. Mineralogisten Andrés Manuel del Río, 1801, analyserade ett rödaktigt mineral som han själv kallade brunt bly (vanadinit, Pb _{5 3} Cl), extraherade metalloxider vars egenskaper inte överensstämde med de för något element känt vid den tiden.

Således döptes han först detta element med namnet 'Pancromo' på grund av den rika variationen i färger på dess föreningar; sedan döpte han om det "Erythrono", från det grekiska ordet erythronium, vilket betyder rött.

Fyra år senare lyckades den franska kemisten Hippolyte Victor Collet Descotils få Del Río att dra tillbaka sina påståenden genom att antyda att erytron inte var ett nytt element utan snarare föroreningar av krom. Och det tog mer än tjugo år innan något blev känt om detta glömda element som upptäcktes i mexikansk jord.

Framväxten av namnet

1830 upptäckte den schweiziska kemisten Nils Gabriel Sefström ett nytt nytt element i järnmineraler, som han kallade vanadium; namn som härstammar från den nordiska gudinnan Vanadís, i jämförelse med dess skönhet med de lysande färgerna på föreningarna i denna metall.

Samma år påpekade den tyska geologen George William Featherstonhaugh att vanadin och erythron faktiskt var samma element; och även om han ville att flodnamnet skulle sejra genom att kalla det "Rionio", godtogs hans förslag inte.

Isolering

För att isolera vanadin var det nödvändigt att minska det från dess mineraler, och som skandium och titan var denna uppgift inte lätt på grund av dess ihärdiga affinitet för syre. Det måste först förvandlas till arter som relativt lätt minskade; under processen erhöll Berzelius vanadinnitrid 1831, vilket han tog fel för den ursprungliga metallen.

I 1867 den engelska kemisten Henry Enfield Roscoe, uppnås reduktion av vanadin (II) klorid, VCl ₂ , till metalliskt vanadin med användning av vätgas. Emellertid den metall som den producerade var oren.

Slutligen, som markerar början av den tekniska historia av vanadin, var en högren prov erhållet genom att reducera V ₂ O ₅ med metallisk kalcium. En av de första framträdande användningarna var att göra chassit på Ford Model T-bilen.

Egenskaper

Fysiskt utseende

I sin rena form är det en gråaktig metall med blåaktiga yttoner, mjuka och smidiga. Men när det täcks med ett lager av oxid (särskilt produkten av en tändare), tar det slående färger som om det var en kristallkameleon.

Molmassa

50,9415 g / mol

Smältpunkt

1910 ° C

Kokpunkt

3407 ° C

Densitet

-6,0 g / ml, vid rumstemperatur

-5,5 g / ml, vid smältpunkten, det vill säga smälter det knappast.

Smältvärme

21,5 kJ / mol

Förångningsvärme

444 kJ / mol

Molär värmekapacitet

24,89 J / (mol K)

Ångtryck

1 Pa vid 2101 K (praktiskt taget försumbar även vid höga temperaturer).

Elektronnegativitet

1.63 på Pauling-skalan.

Ioniseringsenergier

Först: 650,9 kJ / mol (V ⁺ gas)

Andra: 1414 kJ / mol (V ²⁺ gasformig)

Tredje: 2830 kJ / mol (V ³⁺ gasformig)

Mohs hårdhet

6,7

Sönderfall

Vid upphettning kan det släppa giftiga ångor av V ₂ O ₅ .

Färger på lösningar

Från vänster till höger, lösningar med vanadin i olika oxidationstillstånd: +5, +4, +3 och +2. Källa: W. Oelen via Wikipedia.

En av de viktigaste och anmärkningsvärda egenskaperna hos vanadin är färgerna på dess föreningar. När några av dem löses i sura media uppvisar lösningarna (mestadels vattenhaltiga) färger som gör att man kan skilja ett nummer eller oxidationstillstånd från ett annat.

Till exempel visar bilden ovan fyra provrör med vanadin i olika oxidationstillstånd. Den till vänster, gulfärgad, motsvarar V ⁵⁺ , specifikt som en VO ₂ ⁺ -kation . Sedan följs det av katjonen VO ²⁺ , med V ⁴⁺ , färgad blå; katjonen V ³⁺ , mörkgrön; och V ²⁺ , lila eller lilla.

När en lösning består av en blandning av V4 ⁺ och V ⁵⁺ föreningar erhålls en ljusgrön färg (produkt av gult med blått).

Reaktivitet

V ₂ O ₅ skikt på vanadin skyddar den från att reagera med starka syror, såsom svavelsyra eller saltsyra, starka baser, och utöver korrosion förorsakad av ytterligare oxidation.

Vid uppvärmning över 660 ° C oxiderar vanadin helt och ser ut som ett gult fast ämne med iriserande glans (beroende på ytans vinklar). Denna gulorangeoxid kan lösas om salpetersyra tillsätts, vilket kommer att ge vanadin tillbaka till sin silverfärg.

isotoper

Nästan alla vanadiumatomer i universum (99,75% av dem) handlar om ⁵¹ V- isotopen , medan en mycket liten del (0,25%) motsvarar ⁵⁰ V- isotopen . Därför är det inte förvånande att atomvikt av vanadin är 50,9415 u (närmare 51 än 50).

De andra isotoperna är radioaktiva och syntetiska, med halveringstider (t _1/2 ) som sträcker sig från 330 dagar ( ⁴⁹ V), 16 dagar ( ⁴⁸ V), några timmar eller 10 sekunder.

Struktur och elektronisk konfiguration

Vanadiumatomer, V, är anordnade i en kroppscentrerad kubisk (bcc) kristallstruktur, produkten av deras metalliska bindning. Av strukturerna är detta den minst täta, med dess fem valenselektroner som deltar i "havet av elektroner", enligt den elektroniska konfigurationen:

3d ³ 4s ²

Således förenas de tre elektronerna från 3d-orbitalen, och de två av 4-orbitalen, för att passera ett band som bildas genom överlappningen av valensbana i alla V-atomerna i kristallen; tydligt, förklaring baserad på bandteori.

Eftersom V-atomerna är lite mindre än metallerna till vänster (skandium och titan) i det periodiska systemet, och med tanke på deras elektroniska egenskaper, är deras metalliska bindning starkare; ett faktum som återspeglas i dess högsta smältpunkt och därför med dess mer sammanhängande atomer.

Enligt beräkningsstudier är vanadiums bc-struktur stabil även under enorma tryck på 60 GPa. När detta tryck har överskridits genomgår dess kristall en övergång till den romboedrala fasen, som förblir stabil upp till 434 GPa; när bcc-strukturen visas igen.

Oxidationsnummer

Vanadiums elektronkonfiguration indikerar att dess atom kan förlora upp till fem elektroner. När den gör det blir ädelgasargonet isoelektronisk, och förekomsten av V5 ⁺ -katjonen antas .

På samma sätt kan förlusten av elektroner vara gradvis (beroende på vilken art den är kopplad till) med positiva oxidationsnummer som varierar från +1 till +5; därför antas existensen av respektive katjon V ⁺ , V2 ⁺ och så vidare i dess föreningar .

Vanadium kan också få elektroner och förvandlas till en metallisk anjon. Dess negativa oxidationsnummer är: -1 (V ^- ) och -3 (V ^3- ). Elektronkonfigurationen för V ^3- är:

3d ⁶ 4s ²

Även om det saknar fyra elektroner för att slutföra fyllningen av 3d-orbitalerna, är V ^3- mer energiskt stabil än V ^7- , vilket i teorin skulle behöva extremt elektropositiva arter (för att ge det dess elektroner).

tillämpningar

-Metall

Titanstållegeringar

Vanadium ger mekanisk, termisk och vibrationsbeständighet såväl som hårdhet för legeringarna till vilken det läggs till. Till exempel, som ferrovanadium (järn och vanadinlegering) eller vanadiumkarbid, tillsätts det tillsammans med andra metaller i stål eller i titanlegeringar.

På detta sätt skapas mycket hårda och lätta material, användbara för att användas som verktyg (borrar och skiftnycklar), kugghjul, bil- eller flygplandelar, turbiner, cyklar, jetmotorer, knivar, tandimplantat, etc.

Dess legeringar med gallium (V ₃ Ga) är superledande och används för tillverkning av magneter. Och med tanke på deras låga reaktivitet, används vanadiumlegeringar för rör där korrosiva kemiska reagens körs.

Vanadium redox-batterier

Vanadium är en del av redoxbatterier, VRB: er (för dess förkortning på engelska: Vanadium Redox Batteries). Dessa kan användas för att främja elproduktion från sol- och vindkraft, liksom batterier i elfordon.

-Composites

Pigment

V ₂ O ₅ används för att ge glas och keramik en gyllene färg. Å andra sidan gör dess närvaro i vissa mineraler dem grönaktiga, som händer med smaragder (och tack vare andra metaller också).

Katalysator

V ₂ O ₅ är också en katalysator som används för syntesen av svavelsyra och maleinsyraanhydrid syra. Blandat med andra metalloxider katalyserar det andra organiska reaktioner, såsom oxidation av propan och propen till akrolein respektive akrylsyra.

Medicinsk

Läkemedel bestående av vanadiumkomplex har beaktats som möjliga och potentiella kandidater för behandling av diabetes och cancer.

Biologisk roll

Det verkar ironiskt att vanadin, som är dess färgglada och giftiga föreningar, dess joner (VO ⁺ , VO ₂ ⁺ och VO ₄ ^3- , oftast) i spår är fördelaktiga och nödvändiga för levande varelser; särskilt de i marina livsmiljöer.

Skälen är centrerade på dess oxidationstillstånd, med hur många ligander i den biologiska miljön den koordinerar (eller interagerar), på analogin mellan vanadat och fosfatanjon (VO ₄ ^3- och PO ₄ ^3- ), och om andra faktorer som studerats av bioorganiska kemikalier.

Vanadiumatomerna kan sedan interagera med de atomer som tillhör enzymer eller proteiner, antingen med fyra (koordinationstetraeder), fem (fyrkantig pyramid eller annan geometri) eller sex. Om detta inträffar en gynnsam reaktion för kroppen sägs att vanadin utövar farmakologisk aktivitet.

Till exempel finns det haloperoxidaser: enzymer som kan använda vanadin som en kofaktor. Det finns också vanabiner (i vanadocytcellerna i tunicates), fosforylaser, kvävgaser, transferiner och serumalbuminer (av däggdjur), som kan interagera med denna metall.

En organisk molekyl eller vanadiumkoordinationskomplex som kallas amavadin finns i kropparna hos vissa svampar, till exempel Amanita muscaria (nedre bild).

Amanita muscaria svamp. Källa: Pixabay.

Och slutligen, i vissa komplex, kan vanadin innehålla en hemgrupp, som är fallet med järn i hemoglobin.

referenser

1. Shiver & Atkins. (2008). Oorganisk kemi . (Fjärde upplagan). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Vanadin. Återställd från: en.wikipedia.org
3. Ashok K. Verma & P. ​​Modak. (Sf). Phononinstabilitet och strukturella fasövergångar i Vanadium under högt tryck. Avdelning för högtrycksfysik, Bhabha Atomic Research Center, Trombay, Mumbai-400085, Indien.
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 juli 2019). Vanadiumfakta (V eller atomnummer 23). Återställd från: thoughtco.com
5. Richard Mills. (24 oktober 2017). Vanadium: Metallen vi inte klarar av utan producerar. Glacier Media Group. Återställs från: mining.com
6. National Center for Biotechnology Information. (2019). Vanadin. PubChem-databas. CID = 23990. Återställd från: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Clark Jim. (2015). Vanadin. Återställd från: chemguide.co.uk
8. Pierce Sarah. (2019). Vad är vanadium? Användningar, fakta och isotoper. Studie. Återställd från: study.com
9. Crans & col. (2004). Vanadiums kemi och biokemi och de biologiska aktiviteterna som utförs av vanadiumföreningar. Institutionen för kemi, Colorado State University, Fort Collins, Colorado 80523-1872.