ВАНАДИЙ: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2026

Най- ванадий е третият метал преход в периодичната таблица, представлявано от символ V. химическата не е толкова популярен, колкото други метали, но кой да разбере стомани и titaniums ви се чуват се споменава като една добавка за укрепване на сплави или инструменти. Физически това е синоним на твърдост, а химически - на цветове.

Някои химици се осмеляват да го опишат като хамелеонов метал, способен да приема широка гама от цветове в съединенията си; Електронно свойство, наподобяващо това на металите манган и хром. В своето родно и чисто състояние той изглежда същото като другите метали: сребро, но със синкави оттенъци. След като ръждясва, изглежда както е показано по-долу.

Метални парчета ванадий с тънки преливащи се слоеве от жълт оксид. Източник: Юрий

В това изображение иридесценцията на оксида едва се различава, което зависи от финишите или повърхността на металните кристали. Този оксиден слой го предпазва от по-нататъшно окисляване и следователно от корозия.

Такава устойчивост на корозия, както и на термично напукване, се осигурява на сплави, когато към тях се добавят V атоми. Всичко това, без да вдига твърде много теглото си, тъй като ванадийът не е тежък метал, а лек; за разлика от това, което мнозина могат да мислят.

Името му произлиза от скандинавската богиня Ванадис; той обаче е открит в Мексико като част от ванадинитния минерал Pb _{5 3} Cl от червеникави кристали. Проблемът беше, че за да го получи от този минерал и много други, ванадий трябваше да се трансформира в съединение, по-лесно да се редуцира от неговия оксид, V ₂ O ₅ (който се редуцира с калций).

Други източници на ванадий се намират в морски същества или в суров нефт, "вкаран в затвора" в петропорфирините.

В разтвор цветовете, които неговите съединения могат да имат, в зависимост от окислителното им състояние, са жълти, сини, тъмнозелени или виолетови. Ванадий се откроява не само по тези числа или окислителни състояния (от -1 до +5), но и по своята способност да координира по различни начини с биологична среда.

Химията на ванадия е изобилна, загадъчна и в сравнение с други метали все още има много светлина, която трябва да се хвърли върху нея за нейното по-добро разбиране.

история

откритие

Мексико има честта да е страната, в която е открит този елемент. Минералогът Андрес Мануел дел Рио през 1801 г., анализирайки червеникав минерал, който самият той нарича кафяво олово (ванадинит, Pb _{5 3} Cl), извлича метални оксиди, чиито характеристики не отговарят на характеристиките на нито един елемент, известен по това време.

По този начин той за първи път кръсти този елемент с името "Pancromo" поради богатото разнообразие от цветове на неговите съединения; след това го преименува на 'Erythrono', от гръцката дума erythronium, което означава червено.

Четири години по-късно френският химик Иполит Виктор Колет Дескотилс успя да накара Дел Рио да оттегли твърденията си, като предположи, че еритронът не е нов елемент, а по-скоро примеси от хром. И отне повече от двадесет години, за да се знае нещо за този забравен елемент, открит в мексиканските почви.

Възникване на името

През 1830 г. швейцарският химик Нилс Габриел Сефстром открил още един нов елемент в железните минерали, който нарекъл ванадий; име, получено от норвежката богиня Ванадис, в сравнение с красотата му с блестящите цветове на съединенията на този метал.

Същата година немският геолог Джордж Уилям Фейдърстоун изтъкна, че ванадий и еритрон всъщност са един и същ елемент; и въпреки че той искаше името на реката да надделее, като го нарече „Рионио“, предложението му не беше прието.

Изолация

За да се изолира ванадий, беше необходимо да се намали от неговите минерали и подобно на скандий и титан, тази задача не беше лесна поради упорития си афинитет към кислорода. Първо трябваше да се трансформира във видове, които бяха сравнително лесно редуцирани; в процеса Берзелий получава ванадиев нитрид през 1831 г., който той неправилно приема за родния метал.

През 1867 г. на английски химик Хенри Enfield Роскоу, постигнато намаляване на ванадий (II) хлорид, VCL ₂, до метален ванадий се използва водороден газ. Металът, който произвеждаше, обаче беше нечист.

И накрая, като се поставя началото на технологичната история на ванадий, се получава проба с висока чистота чрез редуциране на V ₂ O ₅ с метален калций. Едно от първите му забележителни приложения беше да направи шасито на автомобила Ford Model T.

Имоти

Външен вид

В чистата си форма той е сивкав метал със синкави оттенъци, мек и пластичен. Когато обаче е покрит със слой оксид (особено продукт на запалка), той придобива поразителни цветове, сякаш е кристален хамелеон.

Моларна маса

50,9415 g / mol

Точка на топене

1910 ° С

Точка на кипене

3407 ° С

плътност

-6.0 g / mL, при стайна температура

-5,5 g / ml, в точката на топене, тоест, той почти не се топи.

Топлина от синтез

21,5 kJ / mol

Топлина от изпаряване

444 kJ / mol

Моларен топлинен капацитет

24,89 J / (мол K)

Парно налягане

1 Ра при 2101 К (практически пренебрежимо дори при високи температури).

Електроотрицателност

1,63 по скалата на Полинг.

Йонизационни енергии

Първо: 650,9 kJ / mol (V ⁺ газ)

Второ: 1414 kJ / mol (V ²⁺ газообразни)

Трето: 2830 kJ / mol (V ³⁺ газообразни)

Моос твърдост

6.7

разлагане

При нагряване той може да отделя токсични изпарения от V ₂ O ₅.

Цветове на решения

Отляво надясно разтвори с ванадий в различни състояния на окисляване: +5, +4, +3 и +2. Източник: W. Oelen чрез Wikipedia.

Една от основните и забележителни характеристики на ванадия са цветовете на неговите съединения. Когато някои от тях се разтварят в кисела среда, разтворите (предимно водни) проявяват цветове, които позволяват на човек да различи едно число или състояние на окисление от друго.

Например, изображението по-горе показва четири епруветки с ванадий в различни окислителни състояния. Този вляво, жълт на цвят, съответства на V ⁵⁺, по-специално като катион VO ₂ ⁺. След това следва катионът VO ²⁺, с V ⁴⁺, оцветен в син цвят; катионът V ³⁺, тъмнозелен; и V ²⁺, лилаво или синьо.

Когато разтворът се състои от смес от съединения V ⁴⁺ и V ⁵⁺, се получава ярко зелен цвят (продукт от жълто със синьо).

реактивност

В V ₂ О ₅ слой на ванадий го предпазва от взаимодействие със силни киселини, като сярна или солна, силни основи, както и от корозия, причинена от допълнително окисление.

Когато се нагрява над 660 ° С, ванадий се окислява напълно, прилича на жълто твърдо вещество с иридисцентен блясък (в зависимост от ъглите на повърхността му). Този жълто-оранжев оксид може да се разтвори, ако се добави азотна киселина, която ще върне ванадия до сребърния си цвят.

Изотопи

Почти всички атоми на ванадий във Вселената (99,75% от тях) са около ⁵¹ V изотоп, докато много малка част (0,25%) съответства на изотопа ⁵⁰ V. Следователно не е изненадващо, че атомното тегло на ванадий е 50,9415 u (по-близо до 51, отколкото 50).

Другите изотопи са радиоактивни и синтетични, с период на полуразпад (t _1/2), вариращ от 330 дни (⁴⁹ V), 16 дни (⁴⁸ V), няколко часа или 10 секунди.

Структура и електронна конфигурация

Ванадиевите атоми, V, са подредени в кубична (bcc) кристална структура, продукт на металната им връзка. От структурите това е най-малко плътното, като петте валентни електрона участват в „морето от електрони“, според електронната конфигурация:

3d ³ 4s ²

Така трите електрона на 3d орбиталата и двата от 4s орбитала се обединяват, за да преминат през лента, образувана от припокриването на валентните орбитали на всички V атоми на кристала; ясно, обяснение, основано на теорията на лентата.

Тъй като V атомите са малко по-малки от металите вляво (скандий и титан) в периодичната таблица и предвид техните електронни характеристики, тяхната метална връзка е по-силна; факт, който се отразява в най-високата му точка на топене и следователно с по-сплотените атоми.

Според изчислителните проучвания, bcc структурата на ванадий е стабилна дори при огромни налягания от 60 GPa. След като това налягане се превиши, кристалът му претърпява преход към ромбоедричната фаза, която остава стабилна до 434 GPa; когато отново се появи bcc структура.

Окислителни числа

Електронната конфигурация на ванадий сама показва, че неговият атом е способен да загуби до пет електрона. Когато това стане, благородният газов аргон става изоелектронен и се предполага наличието на катион V ⁵⁺.

По същия начин загубата на електрони може да бъде постепенна (в зависимост от това с кои видове е свързана), като има положителни окислителни числа, които варират от +1 до +5; следователно в неговите съединения се предполага наличието на съответните катиони V ⁺, V ²⁺ и т.н.

Ванадийът също може да придобие електрони, превръщайки се в метален анион. Неговите отрицателни окислителни числа са: -1 (V ^-) и -3 (V ^3-). Електронната конфигурация на V ^3- е:

3d ⁶ 4s ²

Въпреки че му липсват четири електрона, за да завърши запълването на 3d орбиталите, V ^3- е по-енергийно стабилен от V ^7-, който на теория би се нуждаел от изключително електропозитивни видове (за да му се дадат неговите електрони).

Приложения

-Метален

Титанови стоманени сплави

Ванадийът осигурява механична, термична и вибрационна устойчивост, както и твърдост на сплавите, към които е добавен. Например като ферованадий (желязо и ванадиева сплав) или ванадиев карбид, той се добавя заедно с други метали в стомана или в титанови сплави.

По този начин се създават много твърди и леки материали, полезни за използване като инструменти (свредла и гаечни ключове), зъбни колела, автомобилни или самолетни части, турбини, велосипеди, реактивни двигатели, ножове, зъбни импланти и др.

Също така неговите сплави с галий (V ₃ Ga) са свръхпроводящи и се използват за производството на магнити. Освен това, като се има предвид ниската им реактивност, ванадиевите сплави се използват за тръби, по които текат корозивни химични реактиви.

Ванадий редокс батерии

Ванадий е част от редокс батерии, VRB (за съкращението му на английски: Vanadium Redox Batteries). Те могат да се използват за насърчаване на производството на електроенергия от слънчева и вятърна енергия, както и от батерии в електрическите превозни средства.

-Composites

пигмент

V ₂ O ₅ се използва за придаване на стъкло и керамика златист цвят. От друга страна, присъствието му в някои минерали ги прави зеленикави, както се случва с изумрудите (и благодарение на други метали).

катализатор

V ₂ O ₅ е също катализатор, използван за синтеза на сярна киселина и малеинова анхидридна киселина. Смесен с други метални оксиди, той катализира други органични реакции, като окисляване на пропан и пропилен съответно до акролеин и акрилова киселина.

лечебен

Лекарствата, състоящи се от ванадийни комплекси, се считат за възможни и потенциални кандидати за лечение на диабет и рак.

Биологична роля

Изглежда иронично, че ванадий, като неговите цветни и токсични съединения, неговите йони (VO ⁺, VO ₂ ⁺ и VO ₄ ^3-, най-вече) в следите са полезни и съществени за живите същества; особено тези на морските местообитания.

Причините са съсредоточени в неговите окислителни състояния, с това колко лиганди в биологичната среда той координира (или взаимодейства), аналогията между ванадатния и фосфатния анион (VO ₄ ^3- и PO ₄ ^3-), както и върху други изследвани фактори чрез биоинорганични химикали.

След това ванадийните атоми могат да взаимодействат с тези атоми, принадлежащи към ензими или протеини, или с четири (координационен тетраедър), пет (квадратна пирамида или други геометрии) или шест. Ако, когато това се случи, се задейства благоприятна реакция за организма, се казва, че ванадий проявява фармакологична активност.

Например, има халопероксидази: ензими, които могат да използват ванадий като кофактор. Съществуват и ванабини (във ванадоцитните клетки на туники), фосфорилази, нитрогенази, трансферини и серумни албумини (на бозайници), способни да взаимодействат с този метал.

Органична молекула или ванадиев координационен комплекс, наречен амавадин, присъства в телата на някои гъбички, като Amanita muscaria (долно изображение).

Гъба Amanita muscaria. Източник: Pixabay

И накрая, в някои комплекси ванадий може да се съдържа в група хеми, какъвто е случаят с желязото в хемоглобина.

Препратки

1. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Ванадий. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. Ашок К. Верма и П. Модак. (SF). Фонона нестабилност и структурни фазови преходи във Ванадий под високо налягане. Отдел по физика на високо налягане, Център за атомни изследвания на Bhabha, Тромбай, Мумбай-400085, Индия.
4. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (03 юли 2019 г.). Ванадиеви факти (V или атомно число 23). Възстановено от: thinkco.com
5. Ричард Милс. (24 октомври 2017 г.). Ванадий: Металът, без който не можем без и не произвеждаме. Ледникова медийна група. Възстановено от: mining.com
6. Национален център за информация за биотехнологиите. (2019). Ванадий. PubChem база данни. CID = 23990. Възстановени от: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Кларк Джим. (2015). Ванадий. Възстановено от: chemguide.co.uk
8. Пиърс Сара. (2019). Какво е ванадий? Употреби, факти и изотопи. Изследване. Възстановено от: study.com
9. Crans & col. (2004 г.). Химията и биохимията на ванадия и биологичните дейности, упражнявани от ванадийни съединения. Катедра по химия, Държавен университет в Колорадо, Форт Колинс, Колорадо 80523-1872.