WANAD: HISTORIA, WŁAŚCIWOŚCI, STRUKTURA, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2025

Wanad jest metal przejściowy trzecie miejsce w układzie okresowym, reprezentowanej przez V. symbol chemiczny nie jest tak popularne jak innych metali, ale którzy rozumieją stali i titaniums jesteś słyszał wspomina jako o dodatku wzmocnienia w stopach lub narzędzi. 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 naturalnym i czystym stanie wygląda tak samo jak inne metale: srebrny, ale z niebieskawymi odcieniami. Zardzewiały wygląd wygląda tak, jak pokazano poniżej.

Metaliczne kawałki wanadu z cienkimi opalizującymi warstwami żółtego tlenku. Źródło: Jurii

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

Taka odporność na korozję, a także na pękanie termiczne, zapewnia 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 została odkryta w Meksyku jako część minerału wanadynitu Pb _{5 3} Cl, w postaci czerwonawych kryształów. Problem polegał na tym, że aby uzyskać go z tego minerału i wielu innych, wanad musiał zostać przekształcony w związek łatwiejszy do redukcji niż jego tlenek V ₂ O ₅ (redukowany wapniem).

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.

Skład chemiczny wanadu jest obfity, tajemniczy, aw porównaniu z innymi metalami wciąż jest dużo światła, które należy rzucić na niego, aby go lepiej zrozumieć.

Historia

Odkrycie

Meksyk ma zaszczyt być krajem, w którym odkryto ten pierwiastek. Mineralog Andrés Manuel del Río w 1801 r., Analizując czerwonawy minerał, który sam nazwał brązowym ołowiem (wanadynit, Pb _{5 3} Cl), wyekstrahował tlenki metali, których właściwości nie odpowiadały właściwościom żadnego znanego wówczas pierwiastka.

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 przekonać Del Rio do wycofania swoich twierdzeń, sugerując, że erythron nie był nowym pierwiastkiem, ale zanieczyszczeniami chromu. Minęło ponad dwadzieścia lat, zanim dowiedziano się czegoś o tym zapomnianym elemencie odkrytym w glebach Meksyku.

Pojawienie się nazwy

W 1830 r. Szwajcarski chemik Nils Gabriel Sefström odkrył kolejny nowy pierwiastek w minerałach żelaza, który nazwał wanadem; nazwa, która pochodzi 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 erythron to właściwie ten sam pierwiastek; i chociaż chciał, aby nazwa rzeki zwyciężyła, 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 silne powinowactwo do tlenu. Najpierw trzeba go było przekształcić w gatunki, które stosunkowo łatwo można było zredukować; Berzelius w 1831 roku uzyskał azotek wanadu, który wziął za rodzimy metal.

W 1867 roku angielski chemik Henry Enfield Roscoe dokonał redukcji chlorku wanadu (II), VCl ₂ , do metalicznego wanadu przy użyciu gazowego wodoru. Jednak metal, który wyprodukował, był nieczysty.

Wreszcie, wyznaczając początek historii technologicznej wanadu, uzyskano próbkę o wysokiej czystości poprzez redukcję V ₂ O ₅ wapniem metalicznym. 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 ⁺ gaz)

Po drugie: 1414 kJ / mol ( gazowy V ²⁺ )

Po trzecie: 2830 kJ / mol (V ^{3+ w stanie} gazowym)

Twardość Mohsa

6.7

Rozkład

Po podgrzaniu może wydzielać toksyczne opary V ₂ O ₅ .

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 godnych uwagi cech wanadu jest kolor jego związków. Gdy niektóre z nich zostaną rozpuszczone w środowisku kwaśnym, roztwory (przeważnie wodne) będą miały 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 V ⁵⁺ , konkretnie jako kation VO ₂ ⁺ . Następnie następuje kation VO ²⁺ , z V ⁴⁺ , zabarwiony na niebiesko; kation V ³⁺ , ciemnozielony; i V ²⁺ , fioletowe lub fioletowe.

Gdy roztwór składa się z mieszaniny związków V ⁴⁺ i V ⁵⁺ , uzyskuje się jasnozielony kolor (produkt w kolorze żółtym z niebieskim).

Reaktywność

Warstwa V ₂ O ₅ na wanadzie zabezpiecza go przed reakcją z mocnymi kwasami, takimi jak kwas siarkowy czy chlorowodorowy, mocnymi zasadami, a także przed korozją spowodowaną dalszym 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 żółto-pomarańczowy 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) to izotop ⁵¹ V, podczas gdy bardzo mała część (0,25%) odpowiada izotopowi ⁵⁰ V. Nie jest więc zaskakujące, że masa atomowa wanadu wynosi 50,9415 u (bliżej 51 niż 50).

Pozostałe izotopy są radioaktywne i syntetyczne, z okresami półtrwania (t _1/2 ) w zakresie od 330 dni ( ⁴⁹ V), 16 dni ( ⁴⁸ V), kilka godzin lub 10 sekund.

Struktura i konfiguracja elektroniczna

Atomy wanadu, V, są ułożone w sześciennej sześciennej (bcc) strukturze krystalicznej, będącej produktem ich metalicznego wiązania. Ze struktur ta jest najmniej gęsta, a jej pięć elektronów walencyjnych uczestniczy w „morzu elektronów”, zgodnie z konfiguracją elektronową:

3d ³ 4 s ²

W ten sposób trzy elektrony orbitalu 3d i dwa z orbitalu 4s jednoczą 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 w stanie utracić 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 są one związane), przy dodatnich stopniach utlenienia wahających się od +1 do +5; dlatego w jego związkach zakłada się istnienie odpowiednich kationów V ⁺ , V ²⁺ i tak dalej.

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

3d ⁶ 4s ²

Chociaż brakuje mu czterech elektronów do pełnego wypełnienia orbitali 3d, V ^3- jest bardziej stabilny energetycznie niż V ^7- , który teoretycznie wymagałby form wyjątkowo 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 lekkie materiały, przydatne jako narzędzia (wiertła i klucze), koła zębate, części samochodowe lub lotnicze, turbiny, rowery, silniki odrzutowe, noże, implanty dentystyczne itp.

Ponadto jego stopy z galem (V ₃ Ga) są nadprzewodnikami i są używane do produkcji 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 baterii redox, 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.

-Kompozyty

Pigment

V ₂ O ₅ 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

V ₂ O ₅ 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 barwnymi i toksycznymi związkami, jego jony ( głównie VO ⁺ , VO ₂ ⁺ i VO ₄ ^3- ) w śladowych ilościach są pożyteczne i niezbędne dla istot żywych; zwłaszcza siedlisk morskich.

Przyczyny skupiają się na stopniach utlenienia, liczbie ligandów w środowisku biologicznym koordynuje (lub oddziałuje), na analogii między anionem wanadanowym i fosforanowym (VO ₄ ^3- i PO ₄ ^3- ) oraz na innych badanych czynnikach. chemikaliami bio nieorganicznymi.

Atomy wanadu mogą następnie oddziaływać z atomami należącymi do enzymów lub białek, z czterema (czworościan koordynacyjny), pięcioma (piramida kwadratowa lub inne geometrie) lub sześcioma. Jeśli do tego dojdzie, zostanie wywołana korzystna dla organizmu reakcja, mówi się, że wanad wykazuje działanie farmakologiczne.

Na przykład istnieją haloperoksydazy: enzymy, które mogą wykorzystywać wanad jako kofaktor. Podobnie, istnieją 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 (dolna ilustracja).

Grzyb Amanita muscaria. Źródło: Pixabay.

I wreszcie, w niektórych kompleksach wanad może być zawarty w grupie hemu, tak 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. (sf). 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, Anne Marie, Ph.D. (03 lipca 2019). Fakty dotyczące wanadu (V lub liczba atomowa 23). Odzyskany z: thinkco.com
5. Richard Mills. (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. Badanie. 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.