VANADIUM: HISTORIA, OMINAISUUDET, RAKENNE, KÄYTÖT - KEMIA - 2026

Vanadiinia on kolmas siirtymämetalli jaksollisen edustaa kemiallinen merkki V. ei ole niin suosittu kuin muita metalleja, mutta jotka ymmärtävät terästen ja titaniums olet kuullut mainittavan kuin lisäaineena vahvistui seokset tai työkaluja. Fyysisesti se on kovuuden ja kemiallisesti värien synonyymi.

Jotkut kemistit uskaltavat kuvata sitä kameleontimetallina, joka kykenee omaamaan yhdisteisiinsa laajan värivalikoiman; Elektroninen omaisuus, joka muistuttaa metallien mangaanin ja kromin omaisuutta. Alkuperäisessä ja puhtaassa tilassa se näyttää samalta kuin muut metallit: hopea, mutta sinertävillä sävyillä. Ruostettuaan se näyttää alla näkyvältä.

Metalliset vanadiinipalat, joissa on ohuet värikkäitä kerroksia keltaista oksidia. Lähde: Jurii

Tässä kuvassa oksidin irinesenssi on tuskin näkyvissä, mikä riippuu metallikiteiden pinnanmuodosta tai pinnasta. Tämä oksidikerros suojaa sitä edelleen hapettumiselta ja siten korroosiolta.

Tällainen korroosionkestävyys, samoin kuin terminen krakkaus, aikaansaadaan seoksille, kun niihin lisätään V-atomeja. Kaikki tämä nostamatta liikaa painoaan, koska vanadiini ei ole raskasmetalli, mutta kevyt; toisin kuin monet saattavat ajatella.

Sen nimi on peräisin pohjoismaisesta jumalatar Vanadísista, Skandinaviasta; se kuitenkin löydettiin Meksikossa osana punertavien kiteiden vanadiniittimineraalia, Pb _{5 3} Cl. Ongelmana oli, että saada se mineraali ja monet muut, vanadiini oli muunnetaan yhdiste helpompi vähentää kuin sen oksidin, V ₂ O ₅ (joka pelkistetään kalsium).

Muut vanadiinilähteet sijaitsevat meriolennoissa tai raakaöljyssä, "vangittuna" petroporfyriineihin.

Liuoksessa värit, jotka sen yhdisteillä voi olla hapetustilasta riippuen, ovat keltainen, sininen, tummanvihreä tai violetti. Vanadium paitsi erottuu näistä lukuista tai hapetustiloista (-1 - +5), mutta myös kyvystään koordinoida eri tavoin biologisten ympäristöjen kanssa.

Vanadiinin kemia on runsas, salaperäinen, ja verrattuna muihin metalleihin on vielä paljon valoa, joka on valotettava siihen sen läheisen ymmärtämisen vuoksi.

Historia

Löytö

Meksikolla on kunnia olla maa, josta tämä elementti löydettiin. Mineralogist Andrés Manuel del Río analysoi vuonna 1801 punertavaa mineraalia, jota hän itse nimitti ruskeaksi lyijyksi (vanadiniitti, Pb _{5 3} Cl), uutti metallioksideja, joiden ominaisuudet eivät vastanneet minkään tuolloin tunnetun elementin ominaisuuksia.

Niinpä hän kastoi tämän elementin ensin nimellä 'Pancromo', koska sen yhdisteiden värivalikoima on runsas; sitten hän nimitti sen uudelleen "Erythrono", kreikan sanasta erythronium, joka tarkoittaa punaista.

Neljä vuotta myöhemmin ranskalainen kemisti Hippolyte Victor Collet Descotils onnistui saamaan Del Ríon vetämään vaatimuksiaan ehdottamalla, että erytroni ei ollut uusi alkuaine, vaan kromin epäpuhtaudet. Ja kesti yli kaksikymmentä vuotta, ennen kuin jotain tiedettiin tästä Meksikon maaperästä löydetystä unohdetusta elementistä.

Nimen esiintyminen

Vuonna 1830 sveitsiläinen kemisti Nils Gabriel Sefström löysi toisen uuden elementin rauta mineraaleissa, jota hän kutsui vanadiiniksi; nimi, joka on johdettu norjalaisesta jumalattaresta Vanadísista, verrattuna sen kauneuteen tämän metallin yhdisteiden loistaviin väreihin.

Samana vuonna saksalainen geologi George William Featherstonhaugh huomautti, että vanadiini ja erytroni olivat tosiasiallisesti sama elementti; ja vaikka hän halusi joen nimen vallitsevan kutsumalla sitä Rionioksi, hänen ehdotustaan ​​ei hyväksytty.

Eristäytyminen

Vanadiinin eristämiseksi oli tarpeen pelkistää se mineraaleistaan, ja kuten skandium ja titaani, tämä tehtävä ei ollut helppo johtuen sen sitkeästä affiniteetista happea kohtaan. Se oli ensin muutettava lajeiksi, jotka ovat suhteellisen helposti pelkistettäviä; prosessissa Berzelius sai vanadiininitridin vuonna 1831, jota hän väärinkäsitti alkuperäisen metallin suhteen.

1867 Englanti kemisti Henry Enfield Roscoe, saavutetaan vähentäminen vanadiinin (II) kloridi, VCI ₂, metalliseksi vanadiini käyttäen vetykaasua. Sen tuottama metalli oli kuitenkin epäpuhdasta.

Lopuksi, merkintä alussa tekniikan historia vanadiinin, erittäin puhdasta näyte saatiin vähentämällä V ₂ O ₅ metallinen kalsiumia. Yksi sen ensimmäisistä näkyvistä käyttötavoista oli tehdä Ford Model T -auton alusta.

ominaisuudet

Fyysinen ulkonäkö

Puhtaassa muodossaan se on harmahtava metalli, jonka sinertävät ylävärit ovat pehmeitä ja taipuisia. Kuitenkin päällystettynä oksidikerroksella (etenkin sytyttimen tuotteella) se saa silmiinpistäviä värejä kuten kristallihameleoni.

Moolimassa

50,9415 g / mol

Sulamispiste

1910 ° C

Kiehumispiste

3407 ° C

Tiheys

-6,0 g / ml, huoneenlämpötilassa

-5,5 g / ml, sulamispisteessä, ts. Se tuskin sulaa.

Fuusion lämpö

21,5 kJ / mol

Höyrystymislämpö

444 kJ / mol

Molaarinen lämpökapasiteetti

24,89 J / (mol K)

Höyrynpaine

1 Pa lämpötilassa 2101 K (käytännössä vähäinen jopa korkeissa lämpötiloissa).

elektronegatiivisuus

1,63 Paulingin asteikolla.

Ionisaatioenergiat

Ensin: 650,9 kJ / mol (V ⁺ kaasu)

Toinen: 1414 kJ / mol (V ²⁺ kaasumainen)

Kolmas: 2830 kJ / mol (V ³⁺ kaasumainen)

Mohsin kovuus

6,7

hajoaminen

Kuumennettuna se voi vapauttaa myrkyllisiä V ₂ O ₅ -kaasuja.

Ratkaisujen värit

Vasemmalta oikealle, ratkaisut, joissa on vanadiinia erilaisissa hapetustiloissa: +5, +4, +3 ja +2. Lähde: W. Oelen Wikipedian kautta.

Yksi vanadiinin tärkeimmistä ja merkittävimmistä ominaisuuksista on sen yhdisteiden värit. Kun osa niistä liuotetaan happamaan väliaineeseen, liuoksilla (useimmiten vesipitoisilla) on värejä, joiden avulla voidaan erottaa yksi luku tai hapetustila toisesta.

Esimerkiksi yllä olevassa kuvassa on neljä koeputkea vanadiinilla erilaisissa hapetustiloissa. Vasemmalla oleva, keltainen, vastaa V ^{5+: ta}, erityisesti VO ₂ ⁺ -kationina. Sitten se seuraa kationi VO ²⁺, V ^{4 +}, värillinen sininen; kationi V ³⁺, tummanvihreä; ja V2 ⁺, violetti tai vaaleanpunainen.

Kun liuos koostuu V ^{4 +-} ja V ⁵⁺ -yhdisteiden seoksesta, saadaan kirkkaan vihreä väri (keltaisen ja sinisen tuote).

reaktiivisuus

Vanadiinin V ₂ O ₅ -kerros suojaa sitä reagoimisesta vahvojen happojen, kuten rikki- tai kloorivedyn, vahvojen emästen kanssa, ja edelleen hapettumisen aiheuttamasta korroosiosta.

Kuumennettuna yli 660 ° C: seen, vanadiini hapettuu kokonaan, näyttäen keltaiselta kiinteältä, sinertävä kiilto (pinnan kulmista riippuen). Tämä keltaoranssinoksidi voidaan liuottaa, jos typpihappoa lisätään, mikä palauttaa vanadiinin hopeanväriseksi.

isotoopit

Lähes kaikki universumin vanadiiniatomit (niistä 99,75%) ovat noin ⁵¹ V: n isotooppia, kun taas hyvin pieni osa (0,25%) vastaa ⁵⁰ V: n isotooppia. Siksi ei ole yllättävää, että vanadiinin atomipaino on 50,9415 u (lähempänä arvoa 51 kuin 50).

Muut isotoopit ovat radioaktiivisia ja synteettisiä, niiden puoliintumisajat (t _1/2) vaihtelevat välillä 330 päivää (⁴⁹ V), 16 päivää (⁴⁸ V), muutamaa tuntia tai 10 sekuntia.

Rakenne ja elektroninen kokoonpano

Vanadiiniatomit, V, on järjestetty runkokeskeiseen kuutio (bcc) kiderakenteeseen, joka on niiden metallisidoksen tuote. Rakenteista tämä on vähiten tiheä, ja sen viisi valenssielektronia osallistuvat "elektronien mereen" elektronisen konfiguraation mukaan:

3d ³ 4s ²

Siten 3D-kiertoradan kolme elektronia ja kaksi 4s-kiertoradalta yhdistyvät kaistan kuljettamiseksi, joka muodostuu kideen kaikkien V-atomien valenssiakselien päällekkäisyyksistä; selvästi, selitys bänditeorian perusteella.

Koska V-atomit ovat hiukan pienemmät kuin jaksotaulukon vasemmalla puolella olevat metallit (skandium ja titaani), ja ottaen huomioon niiden elektroniset ominaisuudet, niiden metallisidos on vahvempi; tosiasia, joka heijastuu sen korkeimmassa sulamispisteessä ja siksi sen yhtenäisempien atomien kanssa.

Laskennallisten tutkimusten mukaan vanadiinin bcc-rakenne on vakaa jopa valtavissa paineissa (60 GPa). Kun tämä paine on ylitetty, sen kide siirtyy romboediumfaasiin, joka pysyy vakaana arvoon 434 GPa asti; kun piilokopion rakenne tulee uudelleen esiin.

Hapetusnumerot

Pelkästään vanadiinin elektronikonfiguraatio osoittaa, että sen atomi pystyy menettämään jopa viisi elektronia. Kun se tapahtuu, jalokaasun argonista tulee isoelektroninen, ja V ⁵⁺ -kationin olemassaolon oletetaan olevan.

Samoin elektronien menetykset voivat olla asteittaisia ​​(riippuen siitä, mihin lajiin se on sitoutunut), niiden positiivisten hapetuslukujen arvo voi vaihdella välillä +1 - +5; siksi sen yhdisteissä oletetaan vastaavien kationien V ⁺, V2 ⁺ ja niin edelleen olemassaolo.

Vanadium voi myös hankkia elektroneja, muuntuen metalliseksi anioniksi. Sen negatiiviset hapetusluvut ovat: -1 (V ^-) ja -3 (V ^3-). Elektroni kokoonpano V ^3- on:

3d ⁶ 4s ²

Vaikka se ei ole neljä elektronia loppuun täytön 3d-orbitaalien, V ^3- on energeettisesti stabiili kuin V ^7-, joka teoriassa olisi erittäin elektropositiivisten lajeja (antamaan sille elektroneja).

Sovellukset

-Metalli

Titaaniteräslejeeringit

Vanadiini tarjoaa mekaanisen, lämpö- ja tärinänkestävyyden sekä kovuuden seoksille, joihin se lisätään. Esimerkiksi ferrovanadiumina (rauta- ja vanadiiniseoksena) tai vanadiinikarbidina se lisätään yhdessä muiden teräksen tai titaaniseosten metallien kanssa.

Tällä tavalla syntyy erittäin kovia ja kevyitä materiaaleja, joita voidaan käyttää työkaluina (porakoneet ja jakoavaimet), hammaspyörinä, auto- tai lentokoneiden osina, turbiineina, polkupyörinä, suihkumoottorina, veitsinä, hammasimplantteina jne.

Lisäksi sen seokset galliumilla (V ₃ Ga) ovat suprajohtavia ja niitä käytetään magneettien valmistukseen. Ja ottaen huomioon niiden alhaisen reaktiivisuuden, vanadiiniseoksia käytetään putkissa, joissa syövyttävät kemialliset reagenssit käyvät.

Vanadium redox -akut

Vanadium on osa redox-akkuja, VRB-akkuja (lyhenteensä englanniksi: Vanadium Redox Batteries). Niitä voidaan käyttää edistämään sähköntuotantoa aurinko- ja tuulienergioista sekä sähköajoneuvojen akkuista.

-Composites

Pigmentti

V ₂ O _{5: tä} käytetään lasille ja keramiikalle antamaan kultainen väri. Toisaalta sen esiintyminen joissakin mineraaleissa tekee niistä vihertäviä, kuten smaragdeissa tapahtuu (ja myös muiden metallien ansiosta).

katalyytti

V ₂ O ₅ on myös katalyytti, jota käytetään synteesin rikkihapon ja maleiinihappoanhydridin kanssa. Sekoitettuna muiden metallioksidien kanssa se katalysoi muita orgaanisia reaktioita, kuten propaanin ja propeenin hapettumista vastaavasti akroleiiniksi ja akryylihapoksi.

lääke-

Vanadiinikomplekseista koostuvia lääkkeitä on pidetty mahdollisina ja mahdollisina ehdokkaiina diabeteksen ja syövän hoidossa.

Biologinen rooli

On ironista, että vanadiini, koska se on värikkäitä ja myrkyllisiä yhdisteitä, sen ionit (VO ⁺, VO ₂ ⁺ ja VO ₄ ³, enimmäkseen) jälkeissä ovat hyödyllisiä ja välttämättömiä eläville olennoille; erityisesti meren elinympäristöjen.

Syyt ovat keskittyneet sen hapetustiloihin, siihen, kuinka monta ligandia biologisessa ympäristössä se koordinoi (tai on vuorovaikutuksessa), vanadaatin ja fosfaatti-anionin (VO ₄ ^3- ja PO ₄ ³) väliseen analogiaan ja muihin tutkittuihin tekijöihin. bioorgaanisilla kemikaaleilla.

Vanadiiniatomit voivat sitten olla vuorovaikutuksessa niiden atomien kanssa, jotka kuuluvat entsyymeihin tai proteiineihin, joko neljän (koordinaatiotetraedroni), viiden (neliöpyramidi tai muut geometriat) tai kuuden kanssa. Jos tämän tapahtuessa tapahtuu keholle suotuisa reaktio, sanotaan, että vanadiinilla on farmakologista vaikutusta.

Esimerkiksi, on haloperoksidaaseja: entsyymejä, jotka voivat käyttää vanadiinia kofaktorina. On myös vanabineja (tunikaattien vanadosyyttisoluissa), fosforylaaseja, nitrogenaaseja, transferiineja ja (nisäkkäiden) seerumin albumiineja, jotka pystyvät toimimaan vuorovaikutuksessa tämän metallin kanssa.

Orgaanista molekyyliä tai vanadiinikoordinaatiokompleksia, nimeltään amavadiini, on tiettyjen sienten, kuten Amanita muscaria, kehossa (alempi kuva).

Amanita muscaria -sieni. Lähde: Pixabay.

Ja lopuksi, joissain komplekseissa vanadiini voi sisältyä heemaryhmään, kuten on hemoglobiinissa olevan raudan tapauksessa.

Viitteet

1. Shiver ja Atkins. (2008). Epäorgaaninen kemia. (Neljäs painos). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Vanadiinia. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
3. Ashok K. Verma ja P. Modak. (SF). Fononien epävakaus ja rakenteelliset vaihesiirtymät vanadiumissa korkean paineen alaisena. Korkeapainefysiikan osasto, Bhabha Atomic Research Center, Trombay, Mumbai-400085, Intia.
4. Helmenstine, tohtori Anne Marie (3. heinäkuuta 2019). Vanadium tosiasiat (V tai atominumero 23). Palautettu osoitteesta: gondo.com
5. Richard Mills. (24. lokakuuta 2017). Vanadium: Metalli, jota emme voi tehdä ilman ja jota ei voida tuottaa. Glacier Media Group. Palautettu osoitteesta: mining.com
6. Kansallinen bioteknologiatietokeskus. (2019). Vanadiinia. PubChem-tietokanta. CID = 23990. Palautettu: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Clark Jim. (2015). Vanadiinia. Palautettu: kemguide.co.uk
8. Pierce Sarah. (2019). Mikä on vanadium? Käyttö, tosiasiat ja isotoopit. Tutkimus. Palautettu osoitteesta study.com
9. Crans & col. (2004). Vanadiinin kemia ja biokemia sekä vanadiiniyhdisteiden käyttämät biologiset aktiivisuudet. Kemian laitos, Colorado State University, Fort Collins, Colorado 80523-1872.