Vanadium historie, egenskaper, struktur, bruksområder

5130
Jonah Lester

De vanadium Det er det tredje overgangsmetallet i det periodiske systemet, representert med det kjemiske symbolet V. Det er ikke så populært som andre metaller, men de som forstår stål og titan vil ha hørt om det som et additiv for armering i legeringer eller verktøy. Fysisk er det synonymt med hardhet, og kjemisk, med farger.

Noen kjemikere tør å beskrive det som et kameleonmetall som er i stand til å ta i seg et bredt spekter av farger i forbindelsene; elektronisk eiendom som ligner på metallene mangan og krom. I sin opprinnelige og rene tilstand ser den ut som andre metaller: sølv, men med blåaktig fargetoner. Når den er rusten ser den ut som vist nedenfor.

Metalliske vanadiumstykker med tynne, iriserende lag av gult oksid. Kilde: Jurii [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

På dette bildet kan oksydets iridescens knapt skelnes, noe som avhenger av overflaten eller overflaten til de metalliske krystallene. Dette oksydlaget beskytter det mot ytterligere oksidasjon og derfor korrosjon.

Slik korrosjonsmotstand, så vel som termisk sprekkdannelse, blir gitt til legeringer når V-atomer tilsettes dem. Alt dette, uten å øke vekten for mye, siden vanadium ikke er et tungmetall, men et lett; i motsetning til hva mange kanskje tror.

Navnet stammer fra den norrøne gudinnen Vanadís, fra Skandinavia; det ble imidlertid oppdaget i Mexico, som en del av vanadinittmineralet, Pb5[VO4]3Cl, av rødlige krystaller. Problemet var at for å få det fra dette mineralet og mange andre, måtte vanadium omdannes til en forbindelse som er lettere å redusere enn oksidet, VtoELLER5 (som reduseres av kalsium).

Andre kilder til vanadium ligger i marine vesener, eller i råolje, "fengslet" i petroporfyriner..

I løsning er fargene som forbindelsene kan ha, avhengig av oksidasjonstilstand, gule, blå, mørkegrønne eller fiolette. Vanadium skiller seg ikke bare ut for disse tallene eller oksidasjonstilstandene (fra -1 til +5), men for sin evne til å koordinere på forskjellige måter med biologiske miljøer.

Vanadiumets kjemi er rikelig, mystisk, og sammenlignet med andre metaller er det fortsatt mye lys som må kastes på den for den nære forståelsen..

Artikkelindeks

  • 1 Historie
    • 1.1 Oppdagelse
    • 1.2 Fremveksten av navnet
    • 1.3 Isolasjon
  • 2 eiendommer
    • 2.1 Fysisk utseende
    • 2.2 Molarmasse
    • 2.3 Smeltepunkt
    • 2.4 Kokepunkt
    • 2,5 Tetthet
    • 2.6 Fusjonsvarme
    • 2.7 Fordampningsvarme
    • 2.8 Damptrykk
    • 2.9 Elektronegativitet
    • 2.10 Ioniseringsenergier
    • 2.11 Mohs hardhet
    • 2.12 Nedbrytning
    • 2.13 Farger på løsninger
    • 2.14 Reaktivitet
    • 2.15 Isotoper
  • 3 Struktur og elektronisk konfigurasjon
    • 3.1 oksidasjonsnumre
  • 4 bruksområder
    • 4.1 -Metall
    • 4.2 -Kompositter
  • 5 Biologisk rolle
  • 6 Referanser

Historie

Oppdagelse

Mexico har æren av å ha vært landet der dette elementet ble oppdaget. Mineralogen Andrés Manuel del Río analyserte i 1801 et rødlig mineral som han selv kalte brunt bly (vanadinitt, Pb5[VO4]3Cl), ekstraherte noen metalloksider hvis egenskaper ikke samsvarte med de av noe grunnstoff som var kjent på den tiden.

Dermed døpte han først dette elementet med navnet 'Pancromo' på grunn av det rike utvalg av farger på forbindelsene; så ga han det navnet 'Erythrono', fra det greske ordet erythronium, som betyr rødt.

Fire år senere klarte den franske kjemikeren Hippolyte Victor Collet Descotils å få Del Río til å trekke tilbake sine påstander ved å antyde at erytron ikke var et nytt element, men kromurenheter. Og det tok mer enn tjue år før noe ble kjent om dette glemte elementet oppdaget i meksikansk jord..

Fremveksten av navnet

I 1830 oppdaget den sveitsiske kjemikeren Nils Gabriel Sefström et annet nytt element i jernmalm, som han kalte vanadium; navnet som stammer fra den norrøne gudinnen Vanadís, i sammenligning med skjønnheten med de strålende fargene på forbindelsene til dette metallet.

Samme år påpekte den tyske geologen George William Featherstonhaugh at vanadium og erytron faktisk var det samme elementet; Og selv om han ønsket at navnet på elven skulle seire ved å kalle det 'Rionio', ble hans forslag ikke akseptert.

Isolering

For å isolere vanadium var det nødvendig å redusere det fra mineralene, og i likhet med skandium og titan var denne oppgaven ikke lett på grunn av dens seige affinitet for oksygen. Den måtte først forvandles til arter som relativt lett ble redusert; i prosessen fikk Berzelius vanadinnitrid i 1831, som han forvekslet med det opprinnelige metallet.

I 1867 oppnådde den engelske kjemikeren Henry Enfield Roscoe reduksjonen av vanadium (II) klorid, VClto, til metallisk vanadium ved hjelp av hydrogengass. Imidlertid var metallet det produserte urent.

Til slutt, som markerte begynnelsen på den teknologiske historien til vanadium, ble det oppnådd en prøve med høy renhet ved å redusere VtoELLER5 med metallisk kalsium. En av de første fremtredende bruksområdene var å lage chassiset til Ford Model T-bilen..

Eiendommer

Fysisk utseende

I sin rene form er det et grålig metall med blåaktige overtoner, mykt og duktilt. Når dekket med et lag oksid (spesielt produktet av en lighter), får det imidlertid slående farger som om det var en krystall kameleon.

Molarmasse

50,9415 g / mol

Smeltepunkt

1910 ° C

Kokepunkt

3407 ° C

Tetthet

-6,0 g / ml, ved romtemperatur

-5,5 g / ml, ved smeltepunktet, det vil si at det knapt smelter.

Fusjonsvarme

21,5 kJ / mol

Fordampningsvarme

444 kJ / mol

Molar varmekapasitet

24,89 J / (mol K)

Damptrykk

1 Pa ved 2101 K (praktisk talt ubetydelig selv ved høye temperaturer).

Elektronegativitet

1,63 på Pauling-skalaen.

Ioniseringsenergier

Først: 650,9 kJ / mol (V.+ gassformig)

Andre: 1414 kJ / mol (Vto+ gassformig)

Tredje: 2830 kJ / mol (V.3+ gassformig)

Mohs hardhet

6.7

Nedbrytning

Ved oppvarming kan det frigjøre giftige røyk fra VtoELLER5.

Farger på løsninger

Fra venstre til høyre, løsninger med vanadium i forskjellige oksidasjonstilstander: +5, +4, +3 og +2. Kilde: W. Oelen via Wikipedia.

En av de viktigste og iøynefallende egenskapene til vanadium er fargene på forbindelsene. Når noen av dem er oppløst i sure medier, viser løsningene (for det meste vandige) farger som gjør det mulig å skille ett tall eller oksidasjonstilstand fra et annet..

For eksempel viser bildet over fire reagensrør med vanadium i forskjellige oksidasjonstilstander. Den til venstre, gul, tilsvarer V5+, spesielt som kation VOto+. Deretter blir den fulgt av kationen VOto+, med V4+, fargen blå; kation V3+, mørk grønn; og Vto+, lilla eller lilla.

Når en løsning består av en blanding av forbindelser av V4+ og V5+, en lysegrønn farge oppnås (produkt av gult med blått).

Reaktivitet

V-lagettoELLER5 på vanadium beskytter den mot å reagere med sterke syrer, som svovelsyre eller saltsyre, sterke baser, og i tillegg til korrosjon forårsaket av økt oksidasjon.

Ved oppvarming over 660 ° C oksiderer vanadium helt og ser ut som et gult fast stoff med iriserende glans (avhengig av vinklene på overflaten). Dette oransje-gule oksidet kan oppløses hvis salpetersyre tilsettes, noe som vil gi vanadium tilbake til sølvfargen..

Isotoper

Nesten alle vanadiumatomer i universet (99,75% av dem) handler om isotopen 51V, mens en veldig liten del (0,25%) tilsvarer isotopen femtiV. Derfor er det ikke overraskende at atomvekten til vanadium er 50,9415 u (nærmere 51 enn 50).

De andre isotoper er radioaktive og syntetiske, med halveringstid (t1/2) fra 330 dager (49V), 16 dager (48V), noen timer eller 10 sekunder.

Struktur og elektronisk konfigurasjon

Vanadiumatomer, V, er ordnet i en kroppssentrert kubisk (bcc) krystallstruktur, produktet av deres metallbinding. Av strukturene er dette minst tett, med sine fem valenselektroner som deltar i "elektronhavet", i henhold til den elektroniske konfigurasjonen:

[Ar] 3d3 4sto

Dermed forenes de tre elektronene i 3d-orbitalen, og de to av 4s-orbitalen, for å transittere et bånd dannet av overlapping av valensorbitalene til alle V-atomene i krystallet; tydelig, forklaring basert på bandteori.

Fordi V-atomene er litt mindre enn metallene til venstre (skandium og titan) i det periodiske systemet, og gitt deres elektroniske egenskaper, er metallbindingen sterkere; et faktum som gjenspeiles i sitt høyeste smeltepunkt og derfor med sine mer sammenhengende atomer.

I følge beregningsstudier er bcc-strukturen til vanadium stabil selv under enorme trykk på 60 GPa. Når dette trykket er overskredet, gjennomgår dets krystall en overgang til rombohedral fase, som forblir stabil opp til 434 GPa; når bcc-strukturen dukker opp igjen.

Oksidasjonsnumre

Elektronkonfigurasjonen av vanadium alene indikerer at dets atom er i stand til å miste opptil fem elektroner. Når det gjør det, blir edelgassargonen isoelektronisk, og eksistensen av kation V antas.5+.

Likeledes kan tapet av elektroner være gradvis (avhengig av hvilken art det er knyttet til), med positive oksidasjonstall som varierer fra +1 til +5; derfor antas i deres forbindelser eksistensen av de respektive kationene V+, Vto+ og så videre.

Vanadium kan også få elektroner og transformere seg til et metallanion. Dens negative oksidasjonstall er: -1 (V.-) og -3 (V.3-). Elektronkonfigurasjonen til V3- Det er:

[Ar] 3d6 4sto

Selv om det mangler fire elektroner for å fullføre fyllingen av 3d-orbitalene, er V mer stabil energisk3- at V7-, som i teorien vil trenge ekstremt elektropositive arter (for å gi den elektronene).

applikasjoner

-Metall

Titan stållegeringer

Vanadium gir mekanisk, termisk og vibrasjonsmotstand, samt hardhet til legeringene som den tilsettes. Som ferrovanadium (jern og vanadiumlegering), eller vanadiumkarbid, tilsettes det for eksempel sammen med andre metaller i stål, eller i titanlegeringer.

På denne måten blir det laget veldig harde og samtidig lette materialer som er nyttige for bruk som verktøy (bor og skiftenøkler), gir, bil- eller flydeler, turbiner, sykler, jetmotorer, kniver, tannimplantater osv..

Også legeringene med gallium (V3Ga) er superledende og brukes til å lage magneter. Og med sin lave reaktivitet brukes vanadiumlegeringer til rør der etsende kjemiske reagenser kjører..

Vanadium redox batterier

Vanadium er en del av redox batterier, VRB (for forkortelsen på engelsk: Vanadium Redox Batteries). Disse kan brukes til å fremme generering av elektrisitet fra solenergi og vindenergi, samt batterier i elektriske kjøretøyer.

-Forbindelser

Pigment

VtoELLER5 Det brukes til å gi glass og keramikk en gylden farge. På den annen side gjør tilstedeværelsen i noen mineraler dem grønnaktig, slik det skjer med smaragder (og takket være andre metaller også).

Katalysator

VtoELLER5 Det er også en katalysator som brukes til syntese av svovelsyre og maleinsyreanhydridsyre. Blandet med andre metalloksider katalyserer det andre organiske reaksjoner, som oksydasjon av henholdsvis propan og propylen til akrolein og akrylsyre..

Medisinsk

Legemidler som består av vanadiumkomplekser har blitt vurdert som mulige og potensielle kandidater for behandling av diabetes og kreft..

Biologisk rolle

Det virker ironisk at vanadium, som er dets fargerike og giftige forbindelser, dets ioner (VO+, VOto+ og VO43-, for det meste) i spor er de gunstige og essensielle for levende vesener; spesielt de av marine habitater.

Årsakene er sentrert om oksidasjonstilstandene, med hvor mange ligander i det biologiske miljøet det koordinerer (eller samvirker), i analogien mellom vanadat og fosfatanion (VO43- og PO43-), og i andre faktorer studert av bioinorganiske kjemikere.

Vanadiumatomer kan deretter samhandle med de atomene som hører til enzymer eller proteiner, enten med fire (koordinering tetraeder), fem (firkantet pyramide eller andre geometrier) eller seks. Hvis det utløses en gunstig reaksjon for kroppen når dette skjer, sies det at vanadium utøver farmakologisk aktivitet.

For eksempel er det haloperoksidaser: enzymer som kan bruke vanadium som en kofaktor. Det er også vanabiner (i vanadocyttcellene i svermdyr), fosforylaser, nitrogenaser, transferiner og serumalbuminer (av pattedyr), som er i stand til å samhandle med dette metallet..

Et organisk molekyl eller vanadiumkoordineringskompleks kalt amavadin, er tilstede i kroppene til visse sopper, for eksempel Amanita muscaria (nedre bilde).

Amanita muscaria sopp. Kilde: Pixabay.

Og til slutt, i noen komplekser, kan vanadium være inneholdt i en hemgruppe, slik tilfellet er med jern i hemoglobin..

Referanser

  1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave). Mc Graw Hill.
  2. Wikipedia. (2019). Vanadium. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
  3. Ashok K. Verma og P. Modak. (s.f.). Fonon ustabilitet og strukturelle faseoverganger i Vanadium under høyt trykk. High Pressure Physics Division, Bhabha Atomic Research Center, Trombay, Mumbai-400085, India.
  4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3. juli 2019). Vanadium-fakta (V eller atomnummer 23). Gjenopprettet fra: thoughtco.com
  5. Richard Mills. (24. oktober 2017). Vanadium: Metallet vi ikke kan klare oss uten og ikke produserer. Glacier Media Group. Gjenopprettet fra: mining.com
  6. Nasjonalt senter for bioteknologisk informasjon. (2019). Vanadium. PubChem-database. CID = 23990. Gjenopprettet fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
  7. Clark Jim. (2015). Vanadium. Gjenopprettet fra: chemguide.co.uk
  8. Pierce Sarah. (2019). Hva er Vanadium? Bruk, fakta og isotoper. Studere. Gjenopprettet fra: study.com
  9. Crans & col. (2004). Vanemiens kjemi og biokjemi og de biologiske aktivitetene som utføres av vanadiumforbindelser. Institutt for kjemi, Colorado State University, Fort Collins, Colorado 80523-1872.

Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.