ВАНАДІЙ: ІСТОРІЯ, ВЛАСТИВОСТІ, СТРУКТУРА, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Ванадію є третій перехідний метал в періодичній таблиці, представленої хімічним символом V. не такий популярний , як інші метали, але які розуміють стали і титани ви чули згадка в якості добавки для зміцнення в сплавах або інструментів. Фізично це синонім твердості, а хімічно - кольорів.

Деякі хіміки наважуються описати це як метал хамелеона, здатний прийняти широкий спектр кольорів у його сполуках; Електронна властивість, що нагадує метали марганцю та хрому. У своєму рідному та чистому стані він виглядає так само, як і інші метали: срібло, але з синюватими відтінками. Як тільки іржавіє, це виглядає, як показано нижче.

Металеві шматки ванадію з тонкими райдужними шарами оксиду жовтого кольору. Джерело: Юрій

На цьому зображенні райдужна окис ледь вирізняється, що залежить від оздоблення або поверхні металевих кристалів. Цей оксидний шар захищає його від подальшого окислення і, отже, від корозії.

Така стійкість до корозії, а також до термічного розтріскування надається сплавам при додаванні до них атомів V. Все це, не надто збільшуючи вагу, оскільки ванадій - не важкий метал, а легкий; на відміну від того, що багато хто може подумати.

Його назва походить від скандинавської богині Ванаді, зі Скандинавії; однак він був виявлений у Мексиці у складі мінералу ванадініту, Pb _{5 3} Cl, червонуватих кристалів. Проблема полягала в тому, що щоб отримати його з цього мінералу та багатьох інших, ванадій повинен був перетворитись у сполуку, що легше відновиться, ніж його оксид, V ₂ O ₅ (який знижується кальцієм).

Інші джерела ванадію лежать у морських істотах або в сирій нафті, "ув'язненій" всередині петропорфіринів.

У розчині кольори, які можуть мати його сполуки, залежно від стану їх окислення, - жовтий, синій, темно-зелений або фіолетовий. Ванадій не тільки виділяється цими числами або станами окислення (від -1 до +5), але і своєю здатністю по-різному координувати біологічні середовища.

Хімія ванадію рясна, загадкова, і порівняно з іншими металами, все ще багато світла, яке необхідно пролити на нього для його глибокого розуміння.

Історія

Відкриття

Мексика має честь бути країною, де був виявлений цей елемент. У 1801 році мінералог Андрес Мануель дель Ріо, аналізуючи червонуватий мінерал, який він сам назвав коричневим свинцем (ванадиніт, Pb _{5 3} Cl), видобув оксиди металів, характеристики яких не відповідали характеристикам жодного відомого на той час елемента.

Таким чином, він вперше охрестив цей елемент назвою "Pancromo" через багате різноманіття кольорів його сполук; потім він перейменував його "Еритроно", від грецького слова erythronium, що означає червоний.

Через чотири роки французькому хіміку Іполиту Віктору Колле Дескотільсу вдалося змусити Дель Ріо відмовитись від його тверджень, припустивши, що еритрон не є новим елементом, а скоріше домішками хрому. І пройшло більше двадцяти років, щоб щось було відомо про цей забутий елемент, виявлений на мексиканських ґрунтах.

Поява назви

У 1830 році швейцарський хімік Нільс Габріель Сефстрем відкрив ще один новий елемент мінералів заліза, який він назвав ванадієм; ім'я, яке походить від скандинавської богині Ванаді, порівнявши її красу з блискучими кольорами сполук цього металу.

Того ж року німецький геолог Джордж Вільям Фезерстонхо зазначив, що ванадій та еритрон насправді є одним і тим же елементом; і хоча він хотів, щоб назва річки переважала, називаючи її "Ріоніо", його пропозиція не була прийнята.

Ізоляція

Для виділення ванадію необхідно було зменшити його з мінералів, як і скандій та титан, це завдання було непростим через його наполегливу спорідненість до кисню. Спочатку її довелося перетворити на види, які відносно легко скоротилися; Берзелій отримав нітрид ванадію в 1831 році, який він неправильно сприйняв за рідний метал.

У 1867 році англійський хімік Генрі Енфілд Роско доміг відновлення хлориду ванадію (II) VCl ₂ до металевого ванадію з використанням водню. Однак метал, який він виробляв, був нечистий.

Нарешті, поклавши початок технологічної історії ванадію, отриманий зразок високої чистоти шляхом зменшення V ₂ O ₅ з металевим кальцієм. Одним з його перших визначних цілей було виготовлення шасі автомобіля Ford Model T.

Властивості

Зовнішність

У чистому вигляді це сіруватий метал із синюватими відтінками, м'який та пластичний. Однак, покрившись шаром оксиду (особливо продукту запальнички), він набуває яскравих кольорів так, ніби це був кришталевий хамелеон.

Молярна маса

50,9415 г / моль

Точка плавлення

1910 ° С

Точка кипіння

3407 ° C

Щільність

-6,0 г / мл при кімнатній температурі

-5,5 г / мл, при температурі плавлення, тобто він майже не плавиться.

Тепло синтезу

21,5 кДж / моль

Тепло випаровування

444 кДж / моль

Молярна теплоємність

24,89 Дж / (моль К)

Тиск пари

1 Па при 2101 К (практично мізерно навіть при високій температурі).

Електронегативність

1,63 за шкалою Полінга.

Енергії іонізації

По-перше: 650,9 кДж / моль (V ⁺ газ)

Другий: 1414 кДж / моль (V ²⁺ газоподібний)

Третє: 2830 кДж / моль (V ³⁺ газоподібні)

Твердість Мооса

6.7

Розкладання

При нагріванні він може виділяти токсичні пари V ₂ O ₅ .

Кольори розчинів

Зліва направо розчини з ванадієм у різних станах окислення: +5, +4, +3 та +2. Джерело: W. Oelen через Wikipedia.

Однією з головних і помітних характеристик ванадію є кольори його сполук. Коли деякі з них розчиняються в кислих середовищах, розчини (переважно водні) проявляють кольори, що дозволяють відрізнити одне число чи стан окислення від іншого.

Наприклад, на зображенні вище показані чотири пробірки з ванадієм у різних станах окислення. Ліва, жовтого кольору, відповідає V ⁵⁺ , зокрема як катіон VO ₂ ⁺ . Потім за нею йде катіон VO ²⁺ з кольором V ⁴⁺ , синім кольором; катіон V ³⁺ , темно-зелений; і V ²⁺ , фіолетовий або ліловий.

Коли розчин складається із суміші сполук V ⁴⁺ та V ⁵⁺ , виходить яскраво-зелений колір (продукт жовтого із синім).

Реактивність

Шар V ₂ O ₅ на ванадії захищає його від реакції з сильними кислотами, такими як сірчана або соляна, сильні основи, а також від корозії, викликаної подальшим окисленням.

При нагріванні вище 660 ° C ванадій окислюється повністю, схожий на жовту тверду речовину з райдужним відтінком (залежно від кутів його поверхні). Цей жовто-оранжевий оксид може бути розчинений, якщо додати азотну кислоту, яка поверне ванадій до сріблястого кольору.

Ізотопи

Майже всі атоми ванадію у Всесвіті (їх 99,75%) складають близько ⁵¹ В ізотопу , тоді як дуже незначна частина (0,25%) відповідає ізотопу ⁵⁰ В. Отже, не дивно, що атомна маса ванадію - 50,9415 u (ближче до 51, ніж 50).

Інші ізотопи радіоактивні та синтетичні, час напіввиведення (t _1/2 ) становить від 330 днів ( ⁴⁹ В), 16 днів ( ⁴⁸ В), декількох годин або 10 секунд.

Структура та електронна конфігурація

Атоми ванадію, V, розташовані в кубічній (bcc) кристалічній структурі, що є продуктом їх металевого зв'язку. Із структур ця найменш щільна, її п’ять валентних електронів беруть участь у «морі електронів», відповідно до електронної конфігурації:

3d ³ 4s ²

Таким чином, три електрони 3d орбіталі та два з орбіталей 4s об'єднуються для проходження смуги, утвореної перекриттям валентних орбіталей усіх V атомів кристала; чітко, пояснення на основі теорії смуг.

Оскільки атоми V трохи менші, ніж метали зліва (скандій та титан) у періодичній таблиці, а зважаючи на їх електронні характеристики, їх металевий зв’язок міцніший; факт, що відбивається на його найвищій температурі плавлення, а отже, і на його більш згуртованих атомах.

Згідно з обчислювальними дослідженнями, структура ОЦК ванадію стабільна навіть при величезному тиску 60 ГПа. Після перевищення цього тиску його кристал переходить у фазу ромбоедра, яка залишається стабільною до 434 ГПа; коли структура ОЦК знову з’являється.

Окислювальні числа

Електронна конфігурація ванадію сама по собі вказує на те, що його атом здатний втратити до п'яти електронів. Після цього аргон благородного газу стає ізоелектронним, і передбачається існування катіона V ⁵⁺ .

Так само втрата електронів може бути поступовою (залежно від того, до якого виду вона пов'язана), маючи позитивні числа окислення, що змінюються від +1 до +5; тому в його сполуках передбачається існування відповідних катіонів V ⁺ , V ²⁺ тощо.

Ванадій також може набирати електрони, перетворюючись на металічний аніон. Його негативні числа окислення: -1 (V ^- ) і -3 (V ^3- ). Конфігурація електронів V ^3- є:

3d ⁶ 4s ²

Хоча йому не вистачає чотирьох електронів для заповнення 3d орбіталей, V ^3- енергетично стабільніший ніж V ^7- , який теоретично потребує надзвичайно електропозитивних видів (щоб дати йому його електрони).

Програми

-Металь

Титанові сплави сталі

Ванадій забезпечує механічну, теплову і вібраційну стійкість, а також твердість до сплавів, до яких він додається. Наприклад, як ферованадій (сплав заліза і ванадію) або карбід ванадію його додають разом з іншими металами в сталь або в титанові сплави.

Таким чином створюються дуже тверді і легкі матеріали, корисні для використання в якості інструментів (дрилі та гайкові ключі), шестірні, автомобільні або літакові частини, турбіни, велосипеди, реактивні двигуни, ножі, зубні імплантати тощо.

Також його сплави з галієм (V ₃ Ga) є надпровідними і використовуються для виготовлення магнітів. А також, враховуючи їх низьку реакційну здатність, ванадієві сплави використовуються для труб, де працюють корозійні хімічні реагенти.

Ванадієво-відновлювальні акумулятори

Ванадій є частиною окислювально-відновних батарей, VRB (за його абревіатурою англійською мовою: Vanadium Redox Battery). Вони можуть бути використані для сприяння виробленню електроенергії від сонячної та вітрової енергії, а також акумуляторів в електромобілях.

-Композити

Пігмент

V ₂ O ₅ використовується для додання склу та кераміці золотистого кольору. З іншого боку, його присутність у деяких мінералах робить їх зеленуватими, як це відбувається із смарагдами (і завдяки іншим металам).

Каталізатор

V ₂ O ₅ також є каталізатором, який використовується для синтезу сірчаної та малеїнової ангідридної кислоти. Змішуючись з іншими оксидами металів, він каталізує інші органічні реакції, такі як окислення пропану та пропілену до акролеїну та акрилової кислоти відповідно.

Лікарські

Препарати, що складаються з ванадієвих комплексів, розглядаються як можливі та потенційні кандидати для лікування діабету та раку.

Біологічна роль

Іронічно здається, що ванадій, будучи його барвистими та токсичними сполуками, його іони (VO ⁺ , VO ₂ ⁺ та VO ₄ ^3- , в основному) у слідах є корисними та важливими для живих істот; особливо морських місць існування.

Причини зосереджені на станах його окислення, на тому, скільки лігандів у біологічному середовищі він координує (або взаємодіє), на аналогію між аніоном ванадат і фосфатом (VO ₄ ^3- та PO ₄ ^3- ) та іншими досліджуваними факторами біоінорганічними хімікатами.

Потім атоми ванадію можуть взаємодіяти з тими атомами, що належать до ферментів або білків, або з чотирма (координаційний тетраедр), п'ятьма (квадратна піраміда або інші геометрії) або шістьма. Якщо при цьому виникає сприятлива реакція для організму, говорять, що ванадій проявляє фармакологічну активність.

Наприклад, є галопероксидази: ферменти, які можуть використовувати ванадій як кофактор. Існують також ванабіни (у ванадоцитарних клітинах оболонок), фосфорилази, нітрогенази, трансферини та сироваткові альбуміни (ссавців), здатні взаємодіяти з цим металом.

Органічна молекула або координаційний комплекс ванадію, який називається амавадін, присутній в тілах певних грибів, наприклад, Amanita muscaria (нижнє зображення).

Гриб Amanita muscaria. Джерело: Pixabay.

І, нарешті, у деяких комплексах ванадій може міститися у групі гемів, як це має місце в залізі в гемоглобіні.

Список літератури

1. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
2. Вікіпедія. (2019). Ванадій. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. Ашок К. Верма та П. Модак. (sf). Фононна нестабільність та структурні фазові переходи у ванадію під високим тиском. Відділ фізики високого тиску, Центр атомних досліджень Bhabha, Тромбай, Мумбаї-400085, Індія.
4. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (03 липня 2019 р.). Факти ванадію (V або атомне число 23). Відновлено з: thinkco.com
5. Річард Міллс. (24 жовтня 2017 р.). Ванадій: Метал, без якого не обійтися і не виготовити. Медична група льодовиків. Відновлено з сайту: mining.com
6. Національний центр інформації про біотехнології. (2019). Ванадій. PubChem База даних. CID = 23990. Відновлено з: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Кларк Джим. (2015). Ванадій. Відновлено з: chemguide.co.uk
8. Пірс Сара. (2019). Що таке ванадій? Використання, факти та ізотопи. Вивчення. Відновлено з: study.com
9. Кран і кол. (2004). Хімія та біохімія ванадію та біологічні дії, що здійснюються сполуками ванадію. Кафедра хімії, Державний університет Колорадо, Форт Коллінз, Колорадо, 80523-1872.