ВАНАДИЙ: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2025

Ванадия является третий переходный металл в периодической таблице, представленной химическим символом V. не так популярен , как другие металлы, но которые понимают стали и титаны вы слышали упоминание в качестве добавки для укрепления в сплавах или инструментов. Физически это синоним твердости, а химически - цвета.

Некоторые химики осмеливаются описать его как металл-хамелеон, способный принимать в своих соединениях широкий диапазон цветов; Электронное свойство, напоминающее свойства металлов марганца и хрома. В чистом виде он выглядит так же, как и другие металлы: серебро, но с голубоватыми оттенками. После ржавчины он выглядит так, как показано ниже.

Металлические детали из ванадия с тонкими переливающимися слоями желтого оксида. Источник: Юрий

На этом изображении едва различима радужная оболочка оксида, которая зависит от отделки или поверхности металлических кристаллов. Этот оксидный слой защищает его от дальнейшего окисления и, следовательно, от коррозии.

Такая стойкость к коррозии, а также к термическому растрескиванию обеспечивается сплавам при добавлении к ним атомов V. И все это без особого увеличения веса, так как ванадий - это не тяжелый, а легкий металл; в отличие от того, что многие могут подумать.

Его название происходит от скандинавской богини Ванадис из Скандинавии; однако он был обнаружен в Мексике как часть красноватых кристаллов ванадинита, Pb _{5 3} Cl. Проблема заключалась в том, что для получения ванадия из этого и многих других минералов нужно было превратить ванадий в соединение, которое легче восстанавливать, чем его оксид V ₂ O ₅ (который восстанавливается кальцием).

Другие источники ванадия находятся в морских существах или в сырой нефти, «заключенной» в петропорфиринах.

В растворе его соединения могут иметь цвета в зависимости от степени окисления: желтый, синий, темно-зеленый или фиолетовый. Ванадий выделяется не только своими числами или степенями окисления (от -1 до +5), но и своей способностью по-разному координироваться с биологической средой.

Химический состав ванадия обширен, загадочен, и по сравнению с другими металлами, для его более глубокого понимания необходимо пролить на него много света.

История

открытие

Мексика имеет честь быть страной, где был обнаружен этот элемент. Минералог Андрес Мануэль дель Рио в 1801 году, анализируя красноватый минерал, который он сам называл коричневым свинцом (ванадинит, Pb _{5 3} Cl), извлек оксиды металлов, характеристики которых не соответствовали характеристикам каких-либо элементов, известных в то время.

Таким образом, он впервые окрестил этот элемент именем «Pancromo» из-за богатого разнообразия цветов его соединений; затем он переименовал его в «Эритроно», от греческого слова erythronium, что означает красный.

Четыре года спустя французский химик Ипполит Виктор Колле Дескотиль сумел убедить Дель Рио отказаться от своих заявлений, предположив, что эритрон не является новым элементом, а скорее примесью хрома. И потребовалось более двадцати лет, чтобы что-то узнать об этом забытом элементе, обнаруженном в мексиканских почвах.

Появление названия

В 1830 году швейцарский химик Нильс Габриэль Сефстрем открыл еще один новый элемент в минералах железа, который он назвал ванадием; название, которое произошло от скандинавской богини Ванадис, по сравнению с его красотой с яркими цветами соединений этого металла.

В том же году немецкий геолог Джордж Уильям Фезерстонхау указал, что ванадий и эритрон на самом деле являются одним и тем же элементом; и хотя он хотел, чтобы название реки преобладало, назвав ее «Рионио», его предложение не было принято.

Изоляция

Чтобы выделить ванадий, необходимо было восстановить его из минералов, и, подобно скандию и титану, эта задача была непростой из-за его стойкого сродства к кислороду. Сначала его нужно было превратить в виды, которые относительно легко редуцировать; В процессе этого Берцелиус получил в 1831 году нитрид ванадия, который он принял за самородный металл.

В 1867 году английский химик Генри Энфилд Роско восстановил хлорид ванадия (II), VCl ₂ , до металлического ванадия с помощью газообразного водорода. Однако металл, который он производил, был нечистым.

Наконец, знаменуя начало технологической истории ванадия, был получен образец высокой чистоты путем восстановления V ₂ O ₅ металлическим кальцием. Одним из первых его применений было создание шасси автомобиля Ford Model T.

Свойства

Внешность

В чистом виде это металл сероватого цвета с голубоватым оттенком, мягкий и пластичный. Однако, когда он покрыт слоем оксида (особенно продукта зажигалки), он приобретает яркие цвета, как если бы это был хрустальный хамелеон.

Молярная масса

50,9415 г / моль

Температура плавления

1910 ° С

Точка кипения

3407 ° С

плотность

-6,0 г / мл, при комнатной температуре

-5,5 г / мл, при температуре плавления, то есть почти не плавится.

Теплота плавления

21,5 кДж / моль

Теплота испарения

444 кДж / моль

Молярная теплоемкость

24,89 Дж / (моль К)

Давление газа

1 Па при 2101 К (практически ничтожно мало даже при высоких температурах).

Электроотрицательность

1,63 по шкале Полинга.

Энергии ионизации

Первая: 650,9 кДж / моль (V ⁺ газ)

Второй: 1414 кДж / моль ( газообразный V ²⁺ )

Третий: 2830 кДж / моль ( газообразный V ³⁺ )

Твердость по Моосу

6,7

Разложение

При нагревании он может выделять токсичные пары V ₂ O ₅ .

Цвета решений

Слева направо растворы с ванадием в различных степенях окисления: +5, +4, +3 и +2. Источник: В. Оэлен через Википедию.

Одна из главных и примечательных характеристик ванадия - это цвет его соединений. Когда некоторые из них растворяются в кислой среде, растворы (в основном водные) приобретают цвета, позволяющие отличить одно число или степень окисления от другого.

Например, на изображении выше показаны четыре пробирки с ванадием в разной степени окисления. Тот, что слева, желтого цвета, соответствует V ⁵⁺ , в частности, как катион VO ₂ ⁺ . Затем следует катион VO ²⁺ с V ⁴⁺ , окрашенный в синий цвет; катион V ³⁺ , темно-зеленый; и V ²⁺ , фиолетовый или лиловый.

Когда раствор состоит из смеси соединений V ⁴⁺ и V ⁵⁺ , получается ярко-зеленый цвет (продукт - желтый с синим).

Реактивность

Слой V ₂ O ₅ на ванадии защищает его от реакции с сильными кислотами, такими как серная или соляная, сильными основаниями, а также от коррозии, вызванной дальнейшим окислением.

При нагревании выше 660 ° C ванадий полностью окисляется, приобретая вид желтого твердого вещества с радужным блеском (в зависимости от угла его поверхности). Этот желто-оранжевый оксид можно растворить, если добавить азотную кислоту, которая вернет ванадию его серебряный цвет.

Изотопы

Почти все атомы ванадия во Вселенной (99,75% из них) относятся к изотопу ⁵¹ V, в то время как очень небольшая часть (0,25%) соответствует изотопу ⁵⁰ V. Поэтому неудивительно, что атомный вес ванадия составляет 50,9415 ед. (ближе к 51, чем к 50).

Другие изотопы являются радиоактивными и синтетическими, с периодом полураспада (t _1/2 ) от 330 дней ( ⁴⁹ В), 16 дней ( ⁴⁸ В), нескольких часов или 10 секунд.

Структура и электронная конфигурация

Атомы ванадия, V, расположены в объемно-центрированной кубической (ОЦК) кристаллической структуре, являющейся продуктом их металлической связи. Из всех структур это наименее плотная, с ее пятью валентными электронами, участвующими в «море электронов», согласно электронной конфигурации:

3д ³ 4с ²

Таким образом, три электрона 3d-орбитали и два электрона 4s-орбитали объединяются для прохождения зоны, образованной перекрытием валентных орбиталей всех атомов V кристалла; очевидно, объяснение основано на теории полос.

Поскольку атомы V немного меньше металлов слева от них (скандий и титан) в периодической таблице, и учитывая их электронные характеристики, их металлическая связь более прочна; факт, который отражается в его самой высокой температуре плавления и, следовательно, в его более связанных атомах.

Согласно расчетным исследованиям, ОЦК-структура ванадия устойчива даже при огромных давлениях 60 ГПа. При превышении этого давления его кристалл переходит в ромбоэдрическую фазу, которая остается стабильной до 434 ГПа; когда структура bcc снова появится.

Числа окисления

Только электронная конфигурация ванадия указывает на то, что его атом способен потерять до пяти электронов. Когда это происходит, благородный газ аргон становится изоэлектронным, и предполагается существование катиона V ⁵⁺ .

Точно так же потеря электронов может быть постепенной (в зависимости от того, с какой разновидностью они связаны), имея положительное число окисления, которое варьируется от +1 до +5; следовательно, в его соединениях предполагается наличие соответствующих катионов V ⁺ , V ²⁺ и так далее.

Ванадий также может приобретать электроны, превращаясь в металлический анион. Его отрицательная степень окисления: -1 (V ^- ) и -3 (V ^3- ). Электронная конфигурация V ^3- :

3д ⁶ 4с ²

Хотя ему не хватает четырех электронов для завершения заполнения 3d-орбиталей, V ^3- более энергетически стабилен, чем V ^7- , который теоретически потребует чрезвычайно электроположительных частиц (чтобы отдать ему свои электроны).

Приложения

-металлическая

Титановые стальные сплавы

Ванадий обеспечивает механическую, термическую и вибрационную стойкость, а также твердость сплавам, в которые он добавлен. Например, как феррованадий (сплав железа и ванадия) или карбид ванадия, он добавляется вместе с другими металлами в сталь или титановые сплавы.

Таким образом создаются очень твердые и легкие материалы, которые можно использовать в качестве инструментов (сверл и гаечных ключей), зубчатых колес, деталей автомобилей или самолетов, турбин, велосипедов, реактивных двигателей, ножей, зубных имплантатов и т. Д.

Также его сплавы с галлием (V ₃ Ga) являются сверхпроводящими и используются для изготовления магнитов. А также, учитывая их низкую реакционную способность, сплавы ванадия используются для труб, в которых работают агрессивные химические реагенты.

Ванадиевые окислительно-восстановительные батареи

Ванадий является частью окислительно-восстановительных батарей, VRB (сокращение от английского: Vanadium Redox Batteries). Их можно использовать для стимулирования производства электроэнергии за счет солнечной и ветровой энергии, а также батарей в электромобилях.

-Композиты

Пигмент

V ₂ O ₅ используется для придания стеклу и керамике золотистого цвета. С другой стороны, его присутствие в некоторых минералах делает их зеленоватыми, как это происходит с изумрудами (а также благодаря другим металлам).

Катализатор

V ₂ O ₅ также является катализатором, используемым для синтеза серной кислоты и малеинового ангидрида кислоты. В смеси с оксидами других металлов он катализирует другие органические реакции, такие как окисление пропана и пропилена до акролеина и акриловой кислоты соответственно.

Лекарственные

Лекарства, состоящие из комплексов ванадия, рассматривались как возможные и потенциальные кандидаты для лечения диабета и рака.

Биологическая роль

Кажется парадоксальным, что ванадий, являясь его ярким и токсичным соединением, его ионы (в основном VO ⁺ , VO ₂ ⁺ и VO ₄ ^3- ) в следовых количествах полезны и необходимы для живых существ; особенно в морских средах обитания.

Причины заключаются в его степени окисления, в том, сколько лигандов в биологической среде он координирует (или взаимодействует), в аналогии между ванадатом и фосфатным анионом (VO ₄ ^3- и PO ₄ ^3- ) и в других изученных факторах. биоинорганическими химическими веществами.

Затем атомы ванадия могут взаимодействовать с атомами, принадлежащими ферментам или белкам, с четырьмя (координационный тетраэдр), пятью (квадратная пирамида или другие геометрические формы) или шестью. Если при этом возникает благоприятная реакция для организма, говорят, что ванадий оказывает фармакологическое действие.

Например, есть галопероксидазы: ферменты, которые могут использовать ванадий в качестве кофактора. Точно так же существуют ванабины (в клетках ванадоцитов оболочников), фосфорилазы, нитрогеназы, трансферины и альбумины сыворотки (млекопитающих), способные взаимодействовать с этим металлом.

Органическая молекула или координационный комплекс ванадия, называемый амавадином, присутствует в телах некоторых грибов, таких как Amanita muscaria (нижнее изображение).

Гриб мухомор мухомор. Источник: Pixabay.

И, наконец, в некоторых комплексах ванадий может содержаться в гемовой группе, как в случае с железом в гемоглобине.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия . (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Wikipedia. (2019). Ванадий. Получено с: en.wikipedia.org
3. Ашок К. Верма и П. Модак. (SF). Фононная неустойчивость и структурные фазовые переходы в ванадии под высоким давлением. Отдел физики высокого давления, Центр атомных исследований им. Бхабхи, Тромбей, Мумбаи-400085, Индия.
4. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (03 июля 2019 г.). Факты о ванадии (V или атомный номер 23). Получено с: thinkco.com
5. Ричард Миллс. (24 октября 2017 г.). Ванадий: металл, без которого мы не можем обойтись и не производим. Glacier Media Group. Получено с: mining.com
6. Национальный центр биотехнологической информации. (2019). Ванадий. База данных PubChem. CID = 23990. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Кларк Джим. (2015). Ванадий. Получено с: chemguide.co.uk
8. Пирс Сара. (2019). Что такое ванадий? Использование, факты и изотопы. Учиться. Получено с: study.com
9. Crans & col. (2004). Химия и биохимия ванадия и биологическая активность соединений ванадия. Химический факультет Государственного университета Колорадо, Форт-Коллинз, Колорадо, 80523-1872.