Historia, właściwości, struktura, zastosowania wanadu

2161
Abraham McLaughlin

Plik wanad Jest to trzeci metal przejściowy w układzie okresowym, reprezentowany przez symbol chemiczny V. Nie jest tak popularny jak inne metale, ale ci, którzy rozumieją stal i tytan, będą słyszeli o nim jako o dodatku do jego wzmocnienia w stopach lub narzędziach. Fizycznie jest synonimem twardości, a chemicznie - kolorów.

Niektórzy chemicy ośmielają się opisać go jako metal kameleona, zdolny do przyjmowania w swoich związkach szerokiej gamy kolorów; własność elektroniczna przypominająca metale mangan i chrom. W swoim rodzimym i czystym stanie wygląda tak samo jak inne metale: srebrny, ale z niebieskawymi odcieniami. Po zardzewieniu wygląda tak, jak pokazano poniżej.

Metaliczne kawałki wanadu z cienkimi opalizującymi warstwami żółtego tlenku. Źródło: Jurii [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

Na tym zdjęciu opalizacja tlenku jest ledwo widoczna, co zależy od wykończenia lub powierzchni metalicznych kryształów. Ta warstwa tlenku chroni go przed dalszym utlenianiem, a tym samym korozją.

Taka odporność na korozję, a także na pękanie termiczne, jest zapewniona stopom po dodaniu do nich atomów V. Wszystko to bez zbytniego podnoszenia jego wagi, ponieważ wanad nie jest metalem ciężkim, ale lekkim; w przeciwieństwie do tego, co wielu może pomyśleć.

Jej nazwa pochodzi od nordyckiej bogini Vanadís ze Skandynawii; jednakże odkryto go w Meksyku jako część minerału wanadynitu Pb5[VO4]3Cl - czerwonawych kryształów. Problem polegał na tym, że aby uzyskać go z tego i wielu innych minerałów, wanad musiał zostać przekształcony w związek łatwiejszy do redukcji niż jego tlenek VdwaLUB5 (który jest redukowany przez wapń).

Inne źródła wanadu tkwią w istotach morskich lub w ropie naftowej, „uwięzionej” w petroporfirynach..

W roztworze kolory, jakie mogą mieć jego związki, w zależności od stopnia utlenienia, to żółty, niebieski, ciemnozielony lub fioletowy. Wanad wyróżnia się nie tylko tymi liczbami lub stopniami utlenienia (od -1 do +5), ale także zdolnością do różnej koordynacji ze środowiskiem biologicznym.

Chemia wanadu jest obfita, tajemnicza, aw porównaniu z innymi metalami wciąż jest dużo światła, które trzeba na nią rzucić, aby można było ją lepiej zrozumieć..

Indeks artykułów

  • 1 Historia
    • 1.1 Odkrycie
    • 1.2 Pojawienie się nazwy
    • 1.3 Izolacja
  • 2 Właściwości
    • 2.1 Wygląd fizyczny
    • 2.2 Masa molowa
    • 2.3 Temperatura topnienia
    • 2.4 Temperatura wrzenia
    • 2.5 Gęstość
    • 2.6 Ciepło topnienia
    • 2.7 Ciepło parowania
    • 2.8 Prężność par
    • 2.9 Elektroujemność
    • 2.10 Energie jonizacji
    • 2.11 Twardość Mohsa
    • 2.12 Rozkład
    • 2.13 Kolory rozwiązań
    • 2.14 Reaktywność
    • 2.15 Izotopy
  • 3 Struktura i konfiguracja elektroniczna
    • 3.1 stopnie utlenienia
  • 4 Zastosowania
    • 4.1 -Metal
    • 4.2 -Kompozyty
  • 5 Rola biologiczna
  • 6 Odnośniki

Fabuła

Odkrycie

Meksyk ma zaszczyt być krajem, w którym odkryto ten pierwiastek. Mineralog Andrés Manuel del Río w 1801 roku analizował czerwonawy minerał, który sam nazwał brązowym ołowiem (wanadynit, Pb5[VO4]3Cl) wyekstrahował tlenki metali, których właściwości nie odpowiadały żadnemu znanemu wówczas pierwiastkowi.

W ten sposób po raz pierwszy ochrzcił ten pierwiastek nazwą „Pancromo” ze względu na bogatą różnorodność kolorów jego związków; następnie przemianował go na „Erythrono”, od greckiego słowa erythronium, które oznacza czerwony.

Cztery lata później francuski chemik Hippolyte Victor Collet Descotils zdołał skłonić Del Río do wycofania swoich twierdzeń, sugerując, że erythron nie był nowym pierwiastkiem, ale zanieczyszczeniami chromu. Minęło ponad dwadzieścia lat, zanim dowiedziano się o tym zapomnianym elemencie odkrytym w glebach Meksyku..

Pojawienie się nazwy

W 1830 r. Szwajcarski chemik Nils Gabriel Sefström odkrył kolejny nowy pierwiastek w rudach żelaza, który nazwał wanadem; nazwa wywodząca się od nordyckiej bogini Vanadís, w porównaniu z jej pięknem z jaskrawymi kolorami związków tego metalu.

W tym samym roku niemiecki geolog George William Featherstonhaugh wskazał, że wanad i erytron to właściwie ten sam pierwiastek; I chociaż chciał, aby nazwa rzeki przeważyła, nazywając ją „Rionio”, jego propozycja nie została przyjęta.

Izolacja

Aby wyodrębnić wanad, należało zredukować go z jego minerałów i podobnie jak skand i tytan, zadanie to nie było łatwe ze względu na jego trwałe powinowactwo do tlenu. Najpierw musiał zostać przekształcony w gatunki, które stosunkowo łatwo można było zredukować; Berzelius w 1831 roku uzyskał azotek wanadu, który wziął za rodzimy metal.

W 1867 angielski chemik Henry Enfield Roscoe osiągnął redukcję chlorku wanadu (II), VCldwa, do metalicznego wanadu za pomocą wodoru. Jednak metal, który wyprodukował, był nieczysty.

Wreszcie, wyznaczając początek historii technologicznej wanadu, uzyskano próbkę o wysokiej czystości poprzez redukcję VdwaLUB5 z metalicznym wapniem. Jednym z jego pierwszych znaczących zastosowań było wykonanie podwozia samochodu Ford Model T..

Nieruchomości

Wygląd fizyczny

W czystej postaci jest metalem szarawym z niebieskawym odcieniem, miękkim i plastycznym. Jednak pokryty warstwą tlenku (zwłaszcza produktu zapalniczki) przybiera uderzające kolory, jakby był kryształowym kameleonem.

Masa cząsteczkowa

50,9415 g / mol

Temperatura topnienia

1910 ° C

Temperatura wrzenia

3407 ° C

Gęstość

-6,0 g / ml w temperaturze pokojowej

-5,5 g / ml w temperaturze topnienia, to znaczy prawie się nie topi.

Ciepło topnienia

21,5 kJ / mol

Ciepło parowania

444 kJ / mol

Molowa pojemność cieplna

24,89 J / (mol K)

Ciśnienie pary

1 Pa przy 2101 K (praktycznie pomijalne nawet w wysokich temperaturach).

Elektroujemność

1,63 w skali Paulinga.

Energie jonizacji

Po pierwsze: 650,9 kJ / mol (V+ gazowy)

Po drugie: 1414 kJ / mol (Vdwa+ gazowy)

Po trzecie: 2830 kJ / mol (V3+ gazowy)

Twardość Mohsa

6.7

Rozkład

Po podgrzaniu może wydzielać toksyczne opary z V.dwaLUB5.

Kolory rozwiązań

Od lewej do prawej roztwory z wanadem na różnych stopniach utlenienia: +5, +4, +3 i +2. Źródło: W. Oelen za pośrednictwem Wikipedii.

Jedną z głównych i rzucających się w oczy właściwości wanadu jest kolor jego związków. Gdy niektóre z nich zostaną rozpuszczone w środowisku kwaśnym, roztwory (przeważnie wodne) mają kolory, które pozwalają odróżnić jeden numer lub stopień utlenienia od drugiego..

Na przykład powyższy obrazek przedstawia cztery probówki z wanadem na różnych stopniach utlenienia. Ten po lewej, żółty, odpowiada V5+, konkretnie jako kation VOdwa+. Następnie następuje VO kationówdwa+, z V4+, kolor niebieski; kation V.3+, ciemnozielony; i Vdwa+, fioletowy lub fiołkoworóżowy.

Gdy roztwór składa się z mieszaniny związków V.4+ i V5+, uzyskuje się jasnozielony kolor (iloczyn żółtego z niebieskim).

Reaktywność

Warstwa V.dwaLUB5 na wanadzie zabezpiecza go przed reakcją z mocnymi kwasami, takimi jak kwas siarkowy czy chlorowodorowy, mocnymi zasadami, a ponadto przed korozją spowodowaną zwiększonym utlenianiem.

Po podgrzaniu powyżej 660 ° C wanad utlenia się całkowicie, wyglądając jak żółte ciało stałe z opalizującym połyskiem (w zależności od kąta nachylenia jego powierzchni). Ten pomarańczowo-żółty tlenek można rozpuścić, jeśli doda się kwas azotowy, który przywróci wanad do srebrnego koloru..

Izotopy

Prawie wszystkie atomy wanadu we Wszechświecie (99,75% z nich) są związane z izotopem 51V, podczas gdy bardzo mała część (0,25%) odpowiada izotopowi pięćdziesiątV. Dlatego nie jest zaskakujące, że masa atomowa wanadu wynosi 50,9415 u (bliżej 51 niż 50).

Pozostałe izotopy są radioaktywne i syntetyczne, z okresami półtrwania (t1/2) od 330 dni (49V), 16 dni (48V), kilka godzin lub 10 sekund.

Struktura i konfiguracja elektroniczna

Atomy wanadu, V, są ułożone w kryształową strukturę sześcienną (bcc) z centrum ciała, będącą produktem ich metalicznego wiązania. Ze struktur ta jest najmniej gęsta, a jej pięć elektronów walencyjnych uczestniczy w „morzu elektronów”, zgodnie z konfiguracją elektronową:

[Ar] 3d3 4sdwa

W ten sposób trzy elektrony orbitalu 3d i dwa z orbitalu 4s łączą się, aby przejść przez pasmo utworzone przez nakładanie się orbitali walencyjnych wszystkich atomów V kryształu; jasne, wyjaśnienie oparte na teorii pasmowej.

Ponieważ atomy V są nieco mniejsze niż metale po ich lewej stronie (skand i tytan) w układzie okresowym, a biorąc pod uwagę ich właściwości elektroniczne, ich metaliczne wiązanie jest silniejsze; fakt, który znajduje odzwierciedlenie w jej najwyższej temperaturze topnienia, a zatem w bardziej spójnych atomach.

Według badań obliczeniowych struktura bcc wanadu jest stabilna nawet pod ogromnym ciśnieniem 60 GPa. Po przekroczeniu tego ciśnienia jego kryształ przechodzi w fazę romboedryczną, która pozostaje stabilna do 434 GPa; gdy struktura UDW pojawi się ponownie.

Liczby utleniania

Sama konfiguracja elektronowa wanadu wskazuje, że jego atom jest zdolny do utraty do pięciu elektronów. Kiedy tak się dzieje, argon gazu szlachetnego staje się izoelektroniczny i zakłada się istnienie kationu V.5+.

Podobnie utrata elektronów może być stopniowa (w zależności od tego, z jakim gatunkiem jest on połączony), przy dodatnich stopniach utlenienia wahających się od +1 do +5; dlatego w ich związkach zakłada się istnienie odpowiednich kationów V.+, Vdwa+ i tak dalej.

Wanad może również pozyskiwać elektrony, przekształcając się w metaliczny anion. Jego ujemne wartości utlenienia wynoszą: -1 (V-) i -3 (V3-). Konfiguracja elektronowa V3- to jest:

[Ar] 3d6 4sdwa

Chociaż brakuje mu czterech elektronów, aby zakończyć wypełnienie orbitali 3d, V jest bardziej stabilny energetycznie3- że V7-, które teoretycznie wymagałyby gatunków skrajnie elektrododatnich (aby nadać mu swoje elektrony).

Aplikacje

-Metal

Stopy tytanu

Wanad zapewnia stopom, do których jest dodawany, odporność mechaniczną, termiczną i wibracyjną oraz twardość. Na przykład, jako ferrowanad (stop żelaza i wanadu) lub węglik wanadu, jest dodawany razem z innymi metalami do stali lub stopów tytanu.

W ten sposób powstają bardzo twarde i jednocześnie lekkie materiały przydatne do wykorzystania jako narzędzia (wiertła i klucze), przekładnie, części samochodowe lub lotnicze, turbiny, rowery, silniki odrzutowe, noże, implanty dentystyczne itp..

Również jego stopy z galem (V3Ga) są nadprzewodzące i służą do wytwarzania magnesów. Ponadto, ze względu na ich niską reaktywność, stopy wanadu są stosowane w rurach, w których działają korozyjne odczynniki chemiczne..

Baterie wanadowe redoks

Wanad jest częścią akumulatorów redoks, VRB (od angielskiego akronimu: Vanadium Redox Batteries). Można je wykorzystać do promowania wytwarzania energii elektrycznej z energii słonecznej i wiatrowej, a także akumulatorów w pojazdach elektrycznych.

-Związki

Pigment

VdwaLUB5 Służy do nadania szkłu i ceramice złotego koloru. Z drugiej strony, jego obecność w niektórych minerałach sprawia, że ​​stają się zielonkawe, jak to ma miejsce w przypadku szmaragdów (a także dzięki innym metalom).

Katalizator

VdwaLUB5 Jest również katalizatorem stosowanym do syntezy kwasu siarkowego i bezwodnika maleinowego. Zmieszany z innymi tlenkami metali, katalizuje inne reakcje organiczne, takie jak utlenianie propanu i propylenu odpowiednio do akroleiny i kwasu akrylowego..

Leczniczy

Leki zawierające kompleksy wanadu uznano za możliwe i potencjalne kandydaty do leczenia cukrzycy i raka..

Rola biologiczna

Wydaje się ironiczne, że wanad, będący jego kolorowymi i toksycznymi związkami, jego jonami (VO+, VOdwa+ i VO43-, przeważnie) w śladach są pożyteczne i niezbędne dla istot żywych; zwłaszcza siedlisk morskich.

Przyczyny skupiają się na stopniach utlenienia, z iloma ligandami w środowisku biologicznym koordynuje (lub oddziałuje), w analogii między anionem wanadanowym i fosforanowym (VO43- i PO43-) oraz w innych czynnikach badanych przez chemików bionieorganicznych.

Atomy wanadu mogą następnie oddziaływać z atomami należącymi do enzymów lub białek, z czterema (czworościan koordynacyjny), pięcioma (piramida kwadratowa lub inne geometrie) lub sześcioma. W przypadku wywołania korzystnej dla organizmu reakcji, mówi się, że wanad wywiera działanie farmakologiczne.

Na przykład istnieją haloperoksydazy: enzymy, które mogą wykorzystywać wanad jako kofaktor. Istnieją również wanabiny (w komórkach wanadocytów osłonic), fosforylazy, azotazy, transferyny i albuminy surowicy (ssaków), zdolne do interakcji z tym metalem.

Organiczna cząsteczka lub kompleks koordynacyjny wanadu zwany amawadyną jest obecny w ciałach niektórych grzybów, takich jak Amanita muscaria (dolny obraz).

Grzyb Amanita muscaria. Źródło: Pixabay.

I wreszcie, w niektórych kompleksach wanad może być zawarty w grupie hemu, jak ma to miejsce w przypadku żelaza w hemoglobinie..

Bibliografia

  1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
  2. Wikipedia. (2019). Wanad. Odzyskane z: en.wikipedia.org
  3. Ashok K. Verma i P. Modak. (s.f.). Niestabilność fononów i strukturalne przejścia fazowe w wanadzie pod wysokim ciśnieniem. Wydział Fizyki Wysokich Ciśnień, Bhabha Atomic Research Center, Trombay, Mumbai-400085, Indie.
  4. Helmenstine, dr Anne Marie (03 lipca 2019). Fakty dotyczące wanadu (V lub liczba atomowa 23). Odzyskany z: thinkco.com
  5. Richarda Millsa. (24 października 2017). Wanad: metal, bez którego nie możemy się obejść i którego nie produkujemy. Glacier Media Group. Odzyskany z: mining.com
  6. Narodowe Centrum Informacji Biotechnologicznej. (2019). Wanad. Baza danych PubChem. CID = 23990. Odzyskany z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
  7. Clark Jim. (2015). Wanad. Źródło: chemguide.co.uk
  8. Przebij Sarah. (2019). Co to jest wanad? Zastosowania, fakty i izotopy. Nauka. Odzyskany z: study.com
  9. Crans & col. (2004). Chemia i biochemia wanadu i działania biologiczne wywierane przez związki wanadu. Wydział Chemii, Colorado State University, Fort Collins, Colorado 80523-1872.

Jeszcze bez komentarzy