VANÁD: HISTÓRIA, VLASTNOSTI, ŠTRUKTÚRA, POUŽITIE - CHÉMIA - 2026

Vanádu je tretí prechodový kov v periodickej tabuľke, zastúpená chemickým symbolom V. nie je tak populárny ako iné kovy, ale pochopí ocele a titaniums ste počuli zmienku ako o aditíva pre posilnenie v zliatinách alebo náradie. Fyzicky je to synonymum tvrdosti a chemicky s farbami.

Niektorí chemici sa opovažujú opísať ho ako kov chameleónu, ktorý je schopný prijať vo svojich zlúčeninách širokú škálu farieb; Elektronické vlastnosti, ktoré sa podobajú vlastnostiam kovov, mangánu a chrómu. Vo svojom pôvodnom a čistom stave vyzerá rovnako ako ostatné kovy: striebro, ale s namodralými odtieňmi. Po zhrdzavení vyzerá ako na obrázku nižšie.

Kovové kúsky vanádu s tenkými dúhovými vrstvami oxidu žltého. Zdroj: Jurii

Na tomto obrázku je iridescencia oxidu sotva rozlíšiteľná, čo závisí od povrchovej úpravy alebo povrchu kovových kryštálov. Táto vrstva oxidu ju chráni pred ďalšou oxidáciou, a teda pred koróziou.

Takáto odolnosť proti korózii, ako aj proti tepelnému krakovaniu, sa poskytuje zliatinám, keď sa k nim pridávajú atómy V. To všetko bez toho, aby príliš zvýšilo svoju váhu, pretože vanád nie je ťažký kov, ale ľahký; na rozdiel od toho, čo si mnohí môžu myslieť.

Jeho názov pochádza zo škandinávskej bohyne Vanadís; objavilo sa však v Mexiku ako súčasť vanadinitového minerálu, Pb _{5 3} Cl, načervenalých kryštálov. Problémom bolo, že ju získať z tohto minerálu a mnoho ďalších, vanád musela byť premenená na zlúčeninu ľahšie znížiť než jeho oxidu, V ₂ O ₅ (ktorý sa redukuje s vápnikom).

Iné zdroje vanádu leží v morských bytostiach alebo v surovej nafte „uväznených“ v petroporfyrínach.

V roztoku sú farby, ktoré môžu mať jeho zlúčeniny, v závislosti od ich oxidačného stavu, žlté, modré, tmavo zelené alebo fialové. Vanád nielen vyniká týmito číslami alebo oxidačnými stavmi (od -1 do +5), ale aj pre svoju schopnosť koordinovať sa rôznymi spôsobmi s biologickým prostredím.

Chémia vanádu je bohatá, záhadná a v porovnaní s inými kovmi je tu stále veľa svetla, ktoré sa musí kvôli jeho dôkladnému pochopeniu vrhnúť.

histórie

objav

Mexiko má česť byť krajinou, v ktorej bol tento prvok objavený. Minerológ Andrés Manuel del Río, v roku 1801, analyzujúci červenkastý minerál, ktorý sám nazýval hnedým olovom (vanadinit, Pb _{5 3} Cl), extrahoval oxidy kovov, ktorých vlastnosti nezodpovedali charakteristikám žiadneho prvku známeho v tom čase.

Preto prvou krstil tento prvok názvom „Pancromo“ kvôli bohatej škále farieb jeho zlúčenín; potom ho premenoval na „Erythrono“, z gréckeho slova erytronium, čo znamená červenú.

O štyri roky neskôr sa francúzskemu chemikovi Hippolytovi Victorovi Colletovi Descotilsovi podarilo získať Del Río, aby stiahol svoje tvrdenia tým, že naznačil, že erytrón nie je novým prvkom, ale skôr nečistotami chrómu. Trvalo to viac ako dvadsať rokov, kým sa niečo dozvedelo o tomto zabudnutom prvku objavenom v mexických pôdach.

Vznik názvu

V roku 1830 objavil švajčiarsky chemik Nils Gabriel Sefström ďalší nový prvok v železných mineráloch, ktorý nazval vanád; názov odvodený od nórskej bohyne Vanadís v porovnaní s jeho krásou a žiarivými farbami zlúčenín tohto kovu.

V tom istom roku nemecký geológ George William Featherstonhaugh zdôraznil, že vanád a erytron sú v skutočnosti rovnaké prvky; a hoci chcel, aby meno rieky zvíťazilo tak, že sa bude nazývať „Rionio“, jeho návrh nebol prijatý.

Izolácia

Na izoláciu vanádu bolo potrebné ho zredukovať od jeho minerálov a podobne ako skandium a titán, táto úloha nebola ľahká kvôli jeho húževnatej afinite k kyslíku. Najprv sa musela transformovať na druhy, ktoré sa relatívne ľahko redukovali; V roku 1831 získal Berzelius nitrid vanádu, ktorý si pomýlil s pôvodným kovom.

V roku 1867 anglický chemik Henry Enfield Roscoe, dosiahnuté zníženie vanádu (II) chlorid, VCL ₂ , na kovové vanádu za použitia plynného vodíka. Kov, ktorý vyrobil, bol však nečistý.

Konečne, označenie začiatku technologického histórie vanádu, vzorka vysokej čistoty sa získa redukciou V ₂ O ₅ s kovovým vápnikom. Jedným z jeho prvých významných použití bolo vytvorenie podvozku automobilu Ford Model T.

vlastnosti

Fyzický vzhľad

Vo svojej čistej forme je to šedivý kov s namodralými podtónmi, mäkký a ťažný. Keď je však pokrytá vrstvou oxidu (najmä produkt ľahšieho), nadobúda výrazné farby, akoby išlo o kryštálový chameleón.

Molárna hmota

50,9415 g / mol

Bod topenia

1910 ° C

Bod varu

3407 ° C

Hustota

-6,0 g / ml, pri teplote miestnosti

-5,5 g / ml, pri teplote topenia, to znamená, že sa len ťažko topí.

Teplo fúzie

21,5 kJ / mol

Odparovacie teplo

444 kJ / mol

Molárna tepelná kapacita

24,89 J / (mol K)

Tlak vodnej pary

1 Pa pri 2101 K (prakticky zanedbateľný aj pri vysokých teplotách).

electronegativity

1,63 v Paulingovej stupnici.

Ionizačné energie

Najprv: 650,9 kJ / mol (V ⁺ plyn)

Po druhé: 1414 kJ / mol ( plynný V2 ⁺ )

Tretia: 2830 kJ / mol ( plynný V ³⁺ )

Mohsova tvrdosť

6.7

rozklad

Pri zahrievaní môže uvoľňovať toxické výpary V ₂ O ₅ .

Farby roztokov

Zľava doprava, roztoky s vanádom v rôznych oxidačných stavoch: +5, +4, +3 a +2. Zdroj: W. Oelen prostredníctvom Wikipédie.

Jednou z hlavných a pozoruhodných charakteristík vanádu sú farby jeho zlúčenín. Keď sú niektoré z nich rozpustené v kyslom prostredí, roztoky (väčšinou vodné) vykazujú farby, ktoré umožňujú rozlíšiť jedno číslo alebo oxidačný stav od druhého.

Napríklad vyššie uvedený obrázok ukazuje štyri skúmavky s vanádom v rôznych oxidačných stavoch. Ten na ľavej strane, žltej farby, zodpovedá V ⁵⁺ , konkrétne ako VO ₂ ⁺ katiónu . Potom nasleduje katión VO ²⁺ , s V ⁴⁺ , sfarbený modrou farbou; katión V ³⁺ , tmavo zelený; a V ²⁺ , fialová alebo fialová.

Ak roztok pozostáva zo zmesi zlúčenín V4 ⁺ a V5 ⁺ , získa sa jasne zelená farba (produkt žltej s modrou).

reaktivita

Klinový ₂ O ₅ vrstva vanádu chráni pred reakciou so silnými kyselinami, ako je kyselina sírová alebo kyselina chlorovodíková, silné bázy, a okrem korózii spôsobenej ďalšie oxidáciou.

Pri zahrievaní nad 660 ° C vanád úplne oxiduje a vyzerá ako žltá pevná látka s dúhovým leskom (v závislosti od uhlov jeho povrchu). Tento žltooranžový oxid sa môže rozpustiť, ak sa pridá kyselina dusičná, ktorá vráti vanád do svojej striebornej farby.

izotopy

Takmer všetky atómy vanádu vo vesmíre (99,75% z nich) sú asi izotopom ⁵¹ V. Zatiaľ čo veľmi malá časť (0,25%) zodpovedá izotopu ⁵⁰ V. Z tohto dôvodu nie je prekvapujúce, že atómová hmotnosť vanádu je 50,9415 u (bližšie k 51 ako 50).

Ostatné izotopy sú rádioaktívne a syntetické s polčasmi rozpadu (t _1/2 ) v rozmedzí od 330 dní ( ⁴⁹ V), 16 dní ( ⁴⁸ V), niekoľkých hodín alebo 10 sekúnd.

Štruktúra a elektronická konfigurácia

Atómy vanádu, V, sú usporiadané v kubickej kryštalickej štruktúre (bcc) sústredenej na telo, súčin ich kovovej väzby. Štruktúra je najmenej hustá a jej päť valenčných elektrónov sa zúčastňuje na „mori elektrónov“ podľa elektronickej konfigurácie:

3d ³ 4s ²

Teda tri elektróny 3d orbitálu a dva zo 4s orbitálu sa spoja, aby prešli pásom vytvoreným prekrývaním valenčných orbitálov všetkých atómov V kryštálu; jasné vysvetlenie založené na teórii pásiem.

Pretože atómy V sú o niečo menšie ako kovy vľavo (skandium a titán) v periodickej tabuľke a vzhľadom na ich elektronické vlastnosti je ich kovová väzba silnejšia; skutočnosť, ktorá sa odráža vo svojom najvyššom bode topenia, a teda so svojimi súdržnejšími atómami.

Podľa výpočtových štúdií je štruktúra bcc vanádu stabilná aj pri obrovských tlakoch 60 GPa. Po prekročení tohto tlaku prechádza jeho kryštál do rhomboedrickej fázy, ktorá zostáva stabilná až do 434 GPa; keď sa znovu objaví štruktúra bcc.

Oxidačné čísla

Elektrónová konfigurácia samotného vanádu naznačuje, že jeho atóm je schopný stratiť až päť elektrónov. Ak sa tak stane, argón ušľachtilého plynu sa stáva izoelektronickým a predpokladá sa existencia katiónu V ⁵⁺ .

Podobne strata elektrónov môže byť postupná (v závislosti od toho, na ktorý druh sa viaže), s kladnými oxidačnými číslami, ktoré sa pohybujú od +1 do +5; preto sa v jej zlúčeninách predpokladá existencia príslušných katiónov V ⁺ , V2 ⁺ atď.

Vanád môže tiež získať elektróny, ktoré sa transformujú na kovový anión. Jeho negatívne oxidačné čísla, sú: 1 (V ^- ) a 3 (V ³ ). Konfigurácia V elektrónové ³ je:

3d ⁶ 4s ²

Aj keď to nemá štyri elektróny na dokončenie plnenie 3D orbitálov, V ³ je energeticky stabilnejší než V ^7- , ktorý teoreticky by musela extrémne elektropozitivními druhov (aby to jeho elektróny).

aplikácia

-Metal

Zliatiny titánovej ocele

Vanád poskytuje mechanickú, tepelnú a vibračnú odolnosť, ako aj tvrdosť zliatin, ku ktorým sa pridáva. Napríklad sa ako ferrovanadium (železo a vanádiová zliatina) alebo karbid vanádia pridáva spolu s inými kovmi v oceli alebo v zliatinách titánu.

Týmto spôsobom sa vytvárajú veľmi tvrdé a ľahké materiály, ktoré sa dajú použiť ako nástroje (vŕtačky a kľúče), ozubené kolesá, časti automobilov alebo lietadiel, turbíny, bicykle, prúdové motory, nože, zubné implantáty atď.

Tiež jeho zliatiny s gáliom (V ₃ Ga) sú supravodivé a používajú sa na výrobu magnetov. A z dôvodu nízkej reaktivity sa vanádiové zliatiny používajú aj pre rúry, v ktorých pôsobia korozívne chemické činidlá.

Redukčné batérie vanádu

Vanád je súčasťou redoxných batérií, VRB (pre jeho skratku v angličtine: Vanadium Redox Batteries). Môžu sa použiť na podporu výroby elektrickej energie zo slnečnej a veternej energie, ako aj batérií v elektrických vozidlách.

-Composites

pigment

V ₂ O ₅ sa používa na dodanie skla a keramiky zlatistej farbe. Na druhej strane ich prítomnosť v niektorých mineráloch ich robí zelenkavejšími, ako sa to stáva pri smaragdoch (a vďaka iným kovom).

katalyzátor

V ₂ O ₅ je taktiež katalyzátor použitý pre syntézu kyseliny sírovej a kyseliny maleínovej anhydridu. V zmesi s inými oxidmi kovov katalyzuje ďalšie organické reakcie, ako napríklad oxidáciu propánu a propylénu na akroleín a kyselinu akrylovú.

liečivý

Lieky pozostávajúce z komplexov vanádu sa považovali za možné a potenciálne kandidátske látky na liečbu cukrovky a rakoviny.

Biologická úloha

Zdá sa ironické, že vanád, ako jeho farebné a toxické zlúčeniny, jeho ióny ( väčšinou VO ⁺ , VO ₂ ⁺ a VO ₄ ^3- ) sú prospešné a nevyhnutné pre živé bytosti; najmä morských biotopov.

Dôvody sa sústreďujú na oxidačné stavy, koľko ligandov v biologickom prostredí koordinuje (alebo interaguje), na analógiu medzi vanadátovým a fosfátovým aniónom (VO ₄ ^3- a PO ₄ ^3- ) a na ďalšie študované faktory bioinorganickými chemikáliami.

Atómy vanádu môžu potom interagovať s atómami patriacimi k enzýmom alebo proteínom, buď so štyrmi (koordinačný štvorsten), piatimi (štvorcová pyramída alebo iné geometrie) alebo šiestimi. Ak nastane priaznivá reakcia na organizmus, hovorí sa, že vanád vykazuje farmakologickú aktivitu.

Napríklad existujú haloperoxidázy: enzýmy, ktoré môžu používať vanád ako kofaktor. Existujú tiež vanabíny (v bunkách vanádocytov v plášťovcoch), fosforylázy, dusíkázy, transferíny a sérové ​​albumíny (cicavcov) schopné interakcie s týmto kovom.

Organické molekuly alebo koordinačný komplex vanádu nazývaný amavadín sú prítomné v telách určitých húb, ako je napríklad Amanita muscaria (dolný obrázok).

Huby Amanita muscaria. Zdroj: Pixabay.

A nakoniec, v niektorých komplexoch môže byť vanád obsiahnutý v skupine hem, ako je to v prípade železa v hemoglobíne.

Referencie

1. Shiver a Atkins. (2008). Anorganická chémia. (Štvrté vydanie). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Vanádu. Obnovené z: en.wikipedia.org
3. Ashok K. Verma a P. Modak. (SF). Fonónová nestabilita a prechody štruktúrnej fázy vo Vanáde pod vysokým tlakom. Divízia fyziky vysokého tlaku, Centrum pre atómový výskum Bhabha, Trombay, Bombaj-400085, India.
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3. júla 2019). Fakty o vanáde (V alebo atómové číslo 23). Získané z: thinkco.com
5. Richard Mills. (24. októbra 2017). Vanád: Kov, ktorý nedokážeme zvládnuť a ktorý nevyrábame. Glacier Media Group. Obnovené z: mining.com
6. Národné centrum pre biotechnologické informácie. (2019). Vanádu. PubChem Database. CID = 23990. Získané z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Clark Jim. (2015). Vanádu. Získané z: chemguide.co.uk
8. Pierce Sarah. (2019). Čo je to vanád? Použitie, fakty a izotopy. Štúdia. Obnovené z: study.com
9. Crans & col. (2004). Chémia a biochémia vanádu a biologické činnosti, ktoré vyvolávajú zlúčeniny vanádu. Katedra chémie, Colorado State University, Fort Collins, Colorado 80523-1872.