VANĀDIJS: VĒSTURE, ĪPAŠĪBAS, STRUKTŪRA, LIETOJUMI - ĶĪMIJA - 2025

Vanādijs ir trešais pārejas metāla periodiskā tabula, ko pārstāv ķīmisko simbolu V nav tik populārs kā citiem metāliem, bet kas saprot tērauds un titaniums esat dzirdējuši pieminēt kā par piedevu stiprināšanai sakausējumu vai instrumentus. Fiziski tas ir sinonīms cietībai un ķīmiski - krāsām.

Daži ķīmiķi uzdrošinās to raksturot kā hameleona metālu, kas tā savienojumos spēj uzņemt plašu krāsu gammu; Elektroniskais īpašums, kas līdzinās metālu mangāna un hroma īpašumiem. Savā dzimtajā un tīrā stāvoklī tas izskatās tāpat kā citi metāli: sudrabs, bet ar zilganām nokrāsām. Tiklīdz tas ir sarūsējis, tas izskatās kā parādīts zemāk.

Metāla vanādija gabali ar plāniem zaigojošiem dzeltenā oksīda slāņiem. Avots: Jurii

Šajā attēlā tik tikko nav izdalīta oksīda zīdīšana, kas ir atkarīga no metālisko kristālu apdares vai virsmas. Šis oksīda slānis aizsargā to no turpmākas oksidācijas un līdz ar to no korozijas.

Šāda izturība pret koroziju, kā arī pret termisko plaisāšanu tiek nodrošināta sakausējumiem, kad tiem pievieno V atomus. Tas viss, pārāk nepaceļot svaru, jo vanādijs nav smagais metāls, bet gan vieglais; atšķirībā no tā, ko daudzi domā.

Tās nosaukums cēlies no skandināvu dievietes Vanadís; tomēr tas tika atklāts Meksikā kā daļa no sarkanīgi kristālu vanadinīta minerāla Pb _{5 3} Cl. Problēma bija tā, ka, lai iegūtu to no šī minerāla un daudziem citiem, vanādijs bija jāpārveido savienojumā, kuru ir vieglāk reducēt nekā tā oksīdu V ₂ O ₅ (kas reducējas ar kalciju).

Citi vanādija avoti ir jūras būtnēs vai jēlnaftā, kas “ieslodzīta” petroporfirīnos.

Šķīdumā krāsas, kas var būt tās savienojumiem, atkarībā no to oksidācijas stāvokļa, ir dzeltenas, zilas, tumši zaļas vai violetas. Vanādijs izceļas ne tikai ar šiem skaitļiem vai oksidācijas stāvokļiem (no -1 līdz +5), bet arī ar spēju dažādos veidos koordinēt darbību ar bioloģisko vidi.

Vanādija ķīmija ir bagātīga, noslēpumaina, un, salīdzinot ar citiem metāliem, joprojām ir daudz gaismas, kas tam jāizspiež, lai to precīzi saprastu.

Vēsture

Atklājums

Meksikai ir tas gods būt par valsti, kurā šis elements tika atklāts. Mineralogists Andrés Manuel del Río 1801. gadā, analizējot sarkanīgu minerālu, kuru viņš pats sauca par brūno svinu (vanadinīts, Pb _{5 3} Cl), ekstrahēja metālu oksīdus, kuru īpašības neatbilda neviena tajā laikā zināmā elementa īpašībām.

Tā viņš pirmo reizi kristīja šo elementu ar nosaukumu 'Pancromo', jo tā savienojumi bija ļoti daudzveidīgi; tad no grieķu vārda eritronijs, kas nozīmē sarkans, viņš to pārdēvēja par “Erythrono”.

Četrus gadus vēlāk franču ķīmiķim Hipolītam Viktoram Kolē Deskotilam izdevās panākt, lai Del Río atsauktu savus apgalvojumus, liekot domāt, ka eritrons nav jauns elements, bet drīzāk hroma piemaisījumi. Un pagāja vairāk nekā divdesmit gadi, līdz kaut ko uzzināja par šo aizmirsto elementu, kas atklāts Meksikas augsnēs.

Vārda parādīšanās

1830. gadā Šveices ķīmiķis Nils Gabriels Sefstrēms atklāja vēl vienu jaunu dzelzs minerālu elementu, ko viņš sauca par vanādiju; nosaukums, kas cēlies no norvēģu dievietes Vanadís, salīdzinot tās skaistumu ar šī metāla savienojumu košajām krāsām.

Tajā pašā gadā vācu ģeologs George William Featherstonhaugh norādīja, ka vanādijs un eritrons faktiski ir viens un tas pats elements; un, kaut arī viņš vēlējās, lai upes nosaukums gūtu virsroku, dēvējot to par “Rionio”, viņa priekšlikums netika pieņemts.

Izolācija

Lai izolētu vanādiju, bija nepieciešams to reducēt no minerāliem, un tāpat kā skandijam un titānam, šis uzdevums nebija viegls, jo tam raksturīga sīka afinitāte pret skābekli. Vispirms tas bija jāpārveido sugās, kuras bija salīdzinoši viegli reducējamas; šajā procesā Berzelijs 1831. gadā ieguva vanādija nitrīdu, kuru viņš nepareizi izmantoja vietējam metālam.

In 1867 angļu ķīmiķis Henry Enfield Roscoe, sasniegts samazināšanu vanādija (II) hlorīdu, VCL ₂ , uz metālisku vanādijs, izmantojot ūdeņraža gāzi. Tomēr metāls, ko tas ražoja, bija netīrs.

Visbeidzot, atzīmējot vanādija tehnoloģiskās vēstures sākumu, tika iegūts augstas tīrības paraugs, reducējot V ₂ O ₅ ar metālisku kalciju. Viens no pirmajiem ievērojamākajiem lietojumiem bija Ford Model T automašīnas šasijas izgatavošana.

Īpašības

Ārējais izskats

Tīrā veidā tas ir pelēcīgs metāls ar zilganiem virsskaņiem, mīksts un kaļams. Tomēr, pārklājot ar oksīda slāni (it īpaši šķiltavu produktu), tas iegūst pārsteidzošas krāsas, it kā tas būtu kristāla hameleons.

Molārā masa

50,9415 g / mol

Kušanas punkts

1910 ° C

Vārīšanās punkts

3407 ° C

Blīvums

-6,0 g / ml, istabas temperatūrā

-5,5 g / ml, kušanas temperatūrā, tas ir, tas gandrīz neizkūst.

Saplūšanas karstums

21,5 kJ / mol

Iztvaikošanas siltums

444 kJ / mol

Molārā siltuma jauda

24,89 J / (mol K)

Tvaika spiediens

1 Pa pie 2101 K (praktiski nenozīmīgs pat augstā temperatūrā).

Elektronegativitāte

1,63 pēc Polainga skalas.

Jonizācijas enerģijas

Pirmais: 650,9 kJ / mol (V ⁺ gāze)

Otrais: 1414 kJ / mol (V ²⁺ gāzveida)

Trešais: 2830 kJ / mol (V ³⁺ gāzveida)

Mosa cietība

6.7

Sadalīšanās

Sildot, tas var izdalīt toksiskus V ₂ O ₅ izgarojumus .

Risinājumu krāsas

No kreisās un labās puses šķīdumi ar vanādiju dažādos oksidācijas stāvokļos: +5, +4, +3 un +2. Avots: W. Oelen caur Wikipedia.

Viena no galvenajām un ievērojamām vanādija īpašībām ir tā savienojumu krāsas. Kad dažus no tiem izšķīdina skābā vidē, šķīdumiem (galvenokārt ūdens šķīdumiem) piemīt krāsas, kas ļauj atšķirt vienu skaitli vai oksidācijas stāvokli no otra.

Piemēram, iepriekš redzamajā attēlā redzamas četras mēģenes ar vanādiju dažādos oksidācijas stāvokļos. Kreisajā pusē dzeltenā krāsa atbilst V ⁵⁺ , it īpaši kā VO ₂ ⁺ katjons . Pēc tam seko katjons VO ²⁺ ar V ⁴⁺ , zilā krāsā; katjons V ³⁺ , tumši zaļš; un V ²⁺ , violets vai violets.

Ja šķīdums sastāv no V ⁴⁺ un V ⁵⁺ savienojumu maisījuma , iegūst spilgti zaļu krāsu (dzeltenas un zilas krāsas produkts).

Reaģētspēja

V ₂ O ₅ slānis uz vanādija aizsargā to no reakcijas ar spēcīgām skābēm, piemēram, sērskābi vai sālsskābi, stiprām bāzēm, kā arī papildus korozijai, ko rada turpmāka oksidācija.

Sildot virs 660 ° C, vanādijs pilnībā oksidējas, izskatās kā dzeltena cieta viela ar zaigojošu spīdumu (atkarībā no tā virsmas leņķiem). Šo dzelteni oranžo oksīdu var izšķīdināt, ja tiek pievienota slāpekļskābe, kas vanādijam atgriezīsies sudraba krāsā.

Izotopi

Gandrīz visi vanādija atomi Visumā (99,75% no tiem) ir aptuveni ⁵¹ V izotopā , savukārt ļoti maza daļa (0,25%) atbilst ⁵⁰ V izotopam , tāpēc nav jābrīnās, ka vanādija atomsvars ir 50,9415 u (tuvāk 51 nekā 50).

Pārējie izotopi ir radioaktīvi un sintētiski, to pussabrukšanas periods (t _1/2 ) svārstās no 330 dienām ( ⁴⁹ V), 16 dienām ( ⁴⁸ V), dažām stundām vai 10 sekundēm.

Struktūra un elektroniskā konfigurācija

Vanādija atomi, V, ir izvietoti uz ķermeni vērsta kubiskā (bcc) kristāla struktūrā, kas ir to metāliskās saites produkts. Saskaņā ar elektronisko konfigurāciju tas ir vismazāk blīvs ar pieciem valences elektroniem, kas piedalās "elektronu jūrā":

3d ³ 4s ²

Tādējādi trīsdimensiju orbitāles trīs elektroni un divi no četriem orbitāļiem apvienojas, lai šķērsotu joslu, ko veido visu kristāla V atomu valences orbitāļu pārklāšanās; skaidri, skaidrojums balstās uz joslu teoriju.

Tā kā V atomi ir nedaudz mazāki nekā metāli pa kreisi (skandijs un titāns) periodiskajā tabulā, un, ņemot vērā to elektroniskos parametrus, to metāliskā saite ir spēcīgāka; fakts, kas atspoguļojas tā augstākajā kušanas temperatūrā un tāpēc ar tā saliedētākajiem atomiem.

Saskaņā ar aprēķina pētījumiem vanādija bcc struktūra ir stabila pat pie milzīga spiediena 60 GPa. Tiklīdz šis spiediens tiek pārsniegts, tā kristālam tiek veikta pāreja uz romboedrijas fāzi, kas saglabājas stabila līdz 434 GPa; kad atkal parādās bcc struktūra.

Oksidācijas skaitļi

Tikai vanādija elektronu konfigurācija norāda, ka tā atoms spēj zaudēt līdz pieciem elektroniem. Kad tas notiek, cēlgāzes argons kļūst izoelektronisks, un tiek pieņemts, ka V ⁵⁺ katjons pastāv .

Tāpat elektronu zudums var būt pakāpenisks (atkarībā no tā, ar kādām sugām tas ir saistīts), ar pozitīvu oksidācijas skaitli, kas svārstās no +1 līdz +5; tāpēc savos savienojumos tiek pieņemts, ka pastāv attiecīgie katjoni V ⁺ , V ²⁺ un tā tālāk.

Vanādijs var iegūt arī elektronus, pārveidojot par metālu anjonu. Tā negatīvie oksidācijas skaitļi ir: -1 (V ^- ) un -3 (V ^3- ). Elektronu konfigurācija V ^3- ir:

3d ⁶ 4s ²

Lai arī 3D orbitāļu piepildīšanai tajā trūkst četru elektronu, V ³ ir enerģētiski stabilāks nekā V ^7- , kam teorētiski būtu vajadzīgas ārkārtīgi elektropozitīvas sugas (lai tai piešķirtu savus elektronus).

Lietojumprogrammas

-Metāls

Titāna tērauda sakausējumi

Vanādijs nodrošina sakausējumu, kuriem tas pievienots, mehānisko, termisko un vibrāciju pretestību, kā arī cietību. Piemēram, kā ferrovanādijs (dzelzs un vanādija sakausējums) vai vanādija karbīds, to pievieno kopā ar citiem metāliem tērauda vai titāna sakausējumos.

Tādā veidā tiek izveidoti ļoti cietie un vieglie materiāli, kurus var izmantot kā instrumentus (urbjus un uzgriežņu atslēgas), pārnesumus, automašīnu vai lidmašīnu detaļas, turbīnas, velosipēdus, reaktīvo motoru, nažus, zobu implantus utt.

Arī tā sakausējumi ar galliju (V ₃ Ga) ir supravadoši un tiek izmantoti magnētu ražošanai. Un arī, ņemot vērā to zemo reaģētspēju, vanādija sakausējumus izmanto caurulēm, kurās darbojas kodīgi ķīmiskie reaģenti.

Vanādija redoksa baterijas

Vanādijs ir daļa no redox baterijām, VRB (tā akronīms angļu valodā: Vanadium Redox Batteries). Tos var izmantot, lai veicinātu elektroenerģijas ražošanu no saules un vēja enerģijas, kā arī elektrisko transportlīdzekļu akumulatoriem.

-Kompozīti

Pigments

V ₂ O ₅ izmanto, lai stiklam un keramikai iegūtu zeltainu krāsu. No otras puses, tā klātbūtne dažos minerālos padara tos zaļganus, tāpat kā smaragdos (un, pateicoties arī citiem metāliem).

Katalizators

V ₂ O ₅ ir arī katalizators, ko izmanto sērskābes un maleīnskābes anhidrīdskābes sintēzei. Sajaukts ar citiem metālu oksīdiem, tas katalizē citas organiskas reakcijas, piemēram, attiecīgi propāna un propilēna oksidēšanu par akroleīnu un akrilskābi.

Zāles

Zāles, kas sastāv no vanādija kompleksiem, tiek uzskatītas par iespējamām un iespējamām kandidātēm diabēta un vēža ārstēšanai.

Bioloģiskā loma

Ironisks, ka vanādijs, kas ir krāsaini un toksiski savienojumi, tā joni (VO ⁺ , VO ₂ ⁺ un VO ₄ ³ , galvenokārt) pēdās ir labvēlīgi un nepieciešami dzīvām būtnēm; it īpaši jūras biotopos.

Iemesli ir vērsti uz tā oksidācijas stāvokļiem, ar to, cik daudz ligandu bioloģiskajā vidē tas koordinē (vai mijiedarbojas), uz analoģiju starp vanadātu un fosfāta anjonu (VO ₄ ³ un PO ₄ ³ ) un citiem pētītajiem faktoriem. ar bioorganiskām ķimikālijām.

Pēc tam vanādija atomi var mijiedarboties ar tiem atomiem, kas pieder fermentiem vai olbaltumvielām, vai nu ar četriem (koordinācijas tetraedrs), pieciem (kvadrātveida piramīda vai cita ģeometrija) vai sešiem. Ja tad notiek organismam labvēlīga reakcija, tiek teikts, ka vanādijs veic farmakoloģisko aktivitāti.

Piemēram, ir haloperoksidāzes: fermenti, kas kā kofaktoru var izmantot vanādiju. Ir arī vanabīni (tunikātu vanadocītu šūnās), fosforilāzes, nitroāzes, transferīni un (zīdītāju) seruma albumīni, kas spēj mijiedarboties ar šo metālu.

Organiska molekulas vai vanādija koordinācijas komplekss, ko sauc par amavadīnu, atrodas noteiktu sēņu, piemēram, Amanita muscaria (zemāks attēls), ķermenī.

Amanita muscaria sēne. Avots: Pixabay.

Un visbeidzot, dažos kompleksos vanādijs var būt iekļauts hema grupā, kā tas ir hemoglobīna dzelzs gadījumā.

Atsauces

1. Šiveris un Atkins. (2008). Neorganiskā ķīmija. (Ceturtais izdevums). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019. gads). Vanādijs. Atgūts no: en.wikipedia.org
3. Ašoks K. Verma un P. Modaks. (sf). Fononu nestabilitāte un strukturālo fāžu pārejas vanādijā zem augsta spiediena. Augstspiediena fizikas nodaļa, Bhabha atomu pētniecības centrs, Trombejā, Mumbaja-400085, Indija.
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019. gada 03. jūlijs). Fāzes par vanādiju (V vai atomu skaitlis 23). Atgūts no: domaco.com
5. Ričards Milss. (2017. gada 24. oktobris). Vanādijs: metāls, kurā mēs nevaram iztikt un ko neražot. Glacier Media Group. Atgūts no: mining.com
6. Nacionālais biotehnoloģijas informācijas centrs. (2019. gads). Vanādijs. PubChem datu bāze. CID = 23990. Atgūts no: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Klarks Džims. (2015). Vanādijs. Atgūts no: chemguide.co.uk
8. Pīrss Sāra. (2019. gads). Kas ir vanādijs? Lietojumi, fakti un izotopi. Pētījums. Atgūts no: study.com
9. Crans & col. (2004). Vanādija ķīmija un bioķīmija, kā arī vanādija savienojumu bioloģiskās aktivitātes. Kolorādo štata universitātes Ķīmijas katedra, Kolorādo štats, Kolorādo 80523-1872.