VANADIS: ISTORIJA, SAVYBĖS, STRUKTŪRA, PANAUDOJIMAS - CHEMIJA - 2025

Vanadžio yra trečias pereinamojo metalo periodinėje lentelėje, atstovaujamos cheminis simbolis V yra ne toks populiarus, kaip kitų metalų, bet kurie supranta, Plieno ir titaniums esate girdėję paminėti kaip yra , stiprinimo lydinių ar įrankių priedų. Fiziškai tai yra kietumo ir chemiškai - spalvų sinonimas.

Kai kurie chemikai drįsta jį apibūdinti kaip metalo chameleoną, galintį jo junginiuose įgauti įvairiausių spalvų; Elektroninė nuosavybė, panaši į metalų mangano ir chromo savybes. Gimtoji ir grynoji būsena atrodo tokia pati kaip ir kitų metalų: sidabro, bet su melsvais atspalviais. Kai rūdys, jis atrodo taip, kaip parodyta žemiau.

Metalinio vanadžio gabalėliai su plonais irisuojančiais geltonojo oksido sluoksniais. Šaltinis: Jurii

Šiame paveikslėlyje beveik nesiskiria oksido rainelė, kuri priklauso nuo metalinių kristalų dangos ar paviršiaus. Šis oksido sluoksnis apsaugo jį nuo tolesnio oksidacijos, taigi ir nuo korozijos.

Toks atsparumas korozijai, taip pat terminiam krekingui, yra užtikrinamas lydiniams, kai į juos pridedami V atomai. Visa tai, per daug nepakeliant savo svorio, nes vanadis yra ne sunkusis metalas, bet lengvasis; skirtingai nuo to, ką daugelis galvoja.

Jo vardas kilęs iš skandinavų deivės Vanadís, kilusios iš Skandinavijos; tačiau jis buvo aptiktas Meksikoje kaip rausvų kristalų vanadinito mineralo Pb _{5 3} Cl dalis. Problema buvo ta, kad norint gauti jį iš šio mineralo ir daugelio kitų, vanadis turėjo būti paverstas junginiu, kurį lengviau redukuoti nei jo oksidas V ₂ O ₅ (kuris redukuojamas su kalciu).

Kiti vanadžio šaltiniai yra jūrinėse būtybėse arba žalioje naftoje, „įkalintoje“ petroporfirinuose.

Tirpalo spalvos, kurias jo junginiai gali turėti, atsižvelgiant į jų oksidacijos būseną, yra geltona, mėlyna, tamsiai žalia arba violetinė. Vanadis išsiskiria ne tik šiais skaičiais ar oksidacijos būsenomis (nuo –1 iki +5), bet ir su gebėjimu įvairiais būdais derintis su biologine aplinka.

Vanadžio chemija yra gausi, paslaptinga, ir, palyginti su kitais metalais, dar reikia daug šviesos, kad jį būtų galima gerai išmanyti.

Istorija

Atradimas

Meksika turi garbę būti šalimi, kurioje buvo atrastas šis elementas. Mineralogistas Andrés Manuel del Río 1801 m., Analizuodamas rausvą mineralą, kurį pats vadino ruduoju švinu (vanadinitu, Pb _{5 3} Cl), išgavo metalo oksidus, kurių savybės neatitiko nė vieno tuo metu žinomo elemento.

Taigi jis pirmą kartą pakrikštijo šį elementą pavadinimu „Pancromo“ dėl gausios jo junginių spalvų įvairovės; tada iš graikų kalbos žodžio erythronium, kuris reiškia raudoną, jis pervadino jį į „eritroną“.

Po ketverių metų prancūzų chemikui Hippolyte Victorui Colletui Descotilsui pavyko priversti Del Río atsisakyti savo teiginių, teigdamas, kad eritronas nėra naujas elementas, o chromo priemaišos. Ir prireikė daugiau nei dvidešimties metų, kad kažkas būtų žinomas apie šį užmirštą elementą, atrastą Meksikos dirvožemiuose.

Vardo atsiradimas

1830 m. Šveicarų chemikas Nilsas Gabrielis Sefström atrado dar vieną naują geležies mineralų elementą, kurį jis pavadino vanadžiu; vardas, kilęs iš norvegų deivės Vanadís, palyginti su jo grožiu ir ryškiomis šio metalo junginių spalvomis.

Tais pačiais metais vokiečių geologas George'as Williamas Featherstonhaugh atkreipė dėmesį, kad vanadis ir eritronas iš tikrųjų yra tas pats elementas; ir nors jis norėjo, kad upės pavadinimas vyktų vadinant ją „Rionio“, jo pasiūlymas nebuvo priimtas.

Isolation

Norint išskirti vanadį, reikėjo jį redukuoti iš mineralų, o skandžio ir titano, kaip ir skandalo, priklausomybės deguoniui, užduotis nebuvo lengva. Pirmiausia jį reikėjo paversti rūšimis, kurias buvo gana lengva sumažinti; 1831 m. Berzelius gavo vanadžio nitridą, kurį jis netinkamai panaudojo vietiniam metalui.

1867 m anglų chemikas Henry Enfield Roscoe, pasiekė vanadžio (II) chlorido, VCL sumažinimą ₂ , metaliniam vanadžio naudojant vandenilio dujas. Tačiau jo pagamintas metalas buvo nešvarus.

Galiausiai, pažymint vanadžio technologinės istorijos pradžią, buvo gautas labai grynas mėginys, redukuojant V ₂ O ₅ metaliniu kalciu. Vienas iš pirmųjų garsių jo naudojimo būdų buvo automobilio „Ford Model T“ važiuoklės gamyba.

Savybės

Fizinė išvaizda

Savo gryna forma jis yra pilkšvas metalas, turintis melsvus viršutinius tonus, švelnus ir elastingas. Tačiau padengtas oksido sluoksniu (ypač žiebtuvėlio gaminiu), jis įgauna ryškias spalvas, tarsi krištolo chameleonas.

Molinė masė

50,9415 g / mol

Lydymosi temperatūra

1910 ° C

Virimo taškas

3407 ° C

Tankis

-6,0 g / ml, kambario temperatūroje

-5,5 g / ml, lydymosi taške, tai yra, jis sunkiai tirpsta.

Lydymosi šiluma

21,5 kJ / mol

Garinimo šiluma

444 kJ / mol

Molinės šilumos talpa

24,89 J / (mol K)

Garų slėgis

1 Pa esant 2101 K (praktiškai nereikšmingas net esant aukštai temperatūrai).

Elektronegatyvumas

1,63 pagal Paulingo skalę.

Jonizacijos energijos

Pirma: 650,9 kJ / mol (V ⁺ dujos)

Antra: 1414 kJ / mol (V ²⁺ dujinis)

Trečia: 2830 kJ / mol (V ³⁺ dujinis)

Mocso kietumas

6.7

Skilimas

Įkaitęs jis gali išskirti toksiškus V ₂ O ₅ dūmus .

Sprendimų spalvos

Iš kairės į dešinę tirpalai su skirtingais oksidacijos būdais: +5, +4, +3 ir +2. Šaltinis: W. Oelen per Vikipediją.

Viena pagrindinių ir pastebimų vanadžio savybių yra jo junginių spalvos. Kai kurie iš jų ištirpinami rūgščioje terpėje, tirpalai (dažniausiai vandeniniai) pasižymi spalvomis, leidžiančiomis atskirti vieną skaičių ar oksidacijos būseną nuo kitos.

Pvz., Aukščiau pateiktame paveikslėlyje pavaizduoti keturi mėgintuvėliai su skirtingais oksidacijos būdais vanadžio. Kairėje esanti geltonos spalvos spalva atitinka V ⁵⁺ , konkrečiai kaip VO ₂ ⁺ katijoną . Po jo eina katijonas VO ²⁺ su V ⁴⁺ , mėlynos spalvos; katijonas V ³⁺ , tamsiai žalia; ir V ²⁺ , violetinė arba violetinė.

Kai tirpalą sudaro V ⁴⁺ ir V ⁵⁺ junginių mišinys , gaunama ryškiai žalia spalva (geltonos ir mėlynos spalvos produktas).

Reaktyvumas

Vanadžio V ₂ O ₅ sluoksnis apsaugo jį nuo reagavimo su stipriomis rūgštimis, tokiomis kaip sieros arba vandenilio chloridas, stipriomis bazėmis, ir be korozijos, kurią sukelia tolesnė oksidacija.

Kai kaitinamas aukštesnėje kaip 660 ° C temperatūroje, vanadis visiškai oksiduojasi ir atrodo kaip geltona kieta medžiaga su žėrinčiu blizgesiu (atsižvelgiant į jo paviršiaus kampus). Šis geltonai oranžinis oksidas gali būti ištirpęs, jei pridedama azoto rūgšties, kuri grąžins vanadį į sidabrinę spalvą.

Izotopai

Beveik visi Visatos vanadžio atomai (99,75% jų) yra apie ⁵¹ V izotopą , tuo tarpu labai maža dalis (0,25%) atitinka ⁵⁰ V izotopą . Taigi nenuostabu, kad atominis vanadžio svoris yra 50.9415 u (arčiau 51 nei 50).

Kiti izotopai yra radioaktyvieji ir sintetiniai, jų pusinės eliminacijos laikas (t _1/2 ) svyruoja nuo 330 dienų ( ⁴⁹ V), 16 dienų ( ⁴⁸ V), kelių valandų ar 10 sekundžių.

Struktūra ir elektroninė konfigūracija

Vanadžio atomai, V, yra išdėstyti kūne, kurio centre yra kubinė (BCC) kristalų struktūra, jų metalo jungties sandauga. Pagal struktūrą tai mažiausiai tankus, turintis penkis valentinius elektronus, kurie elektroninėje konfigūracijoje dalyvauja „elektronų jūroje“:

3d ³ 4s ²

Taigi trys 3d orbitalės ir du iš 4s orbitalės elektronai jungiasi tam, kad pereitų juostą, susidedančią iš visų kristalo V atomų valentinių orbitų sutapimo; aiškiai, paaiškinimas pagrįstas juostų teorija.

Kadangi V atomai yra šiek tiek mažesni nei metalai, esantys kairėje (skandis ir titanas) periodinėje lentelėje, ir, atsižvelgiant į jų elektronines savybes, jų metalinis ryšys yra stipresnis; faktas, kuris atsispindi jo aukščiausiame lydymosi taške ir todėl su jo darnesniais atomais.

Remiantis skaičiavimo tyrimais, vanadžio BCC struktūra yra stabili net esant didžiuliam 60 GPa slėgiui. Viršijus šį slėgį, jo kristalas pereina į romboedrijos fazę, kuri išlieka stabili iki 434 GPa; kai vėl atsiranda bcc struktūra.

Oksidacijos skaičiai

Vien vanadžio elektronų konfigūracija rodo, kad jo atomas gali prarasti iki penkių elektronų. Kai tai įvyksta, tauriųjų dujų argonas tampa izoelektroninis ir daroma prielaida, kad V ⁵⁺ katijonas egzistuoja .

Taip pat elektronų praradimas gali būti laipsniškas (priklausomai nuo to, prie kokių rūšių jis yra prijungtas), turintis teigiamą oksidacijos skaičių, kuris skiriasi nuo +1 iki +5; todėl daroma prielaida, kad jo junginiuose yra atitinkami katijonai V ⁺ , V ²⁺ ir pan.

Vanadis taip pat gali įgyti elektronų, virsdamas metaliniu anijonu. Jo neigiami oksidacijos skaičiai yra: -1 (V ^- ) ir -3 (V ^3- ). Elektronų konfigūracija V ^3- yra:

3d ⁶ 4s ²

Nors jis neturi keturis elektronus užbaigti 3d orbitalių įdarą, V ^3- yra daugiau energetiškai stabili nei V ^7- , kuri teoriškai būtų reikia labai Elektrododatni rūšių (suteikti jai savo elektronus).

Programos

-Metalo

Titano plieno lydiniai

Vanadis suteikia lydiniams, į kuriuos jis pridedamas, atsparumą mechaniniam, šiluminiam ir vibraciniam poveikiui, taip pat kietumą. Pvz., Kaip ferrovanadis (geležies ir vanadžio lydinys) arba vanadžio karbidas pridedamas kartu su kitais metalais pliene arba titano lydiniuose.

Tokiu būdu sukuriamos labai kietos ir lengvos medžiagos, naudingos kaip įrankiai (grąžtai ir veržliarakčiai), krumpliaračiai, automobilių ar orlaivių dalys, turbinos, dviračiai, reaktyviniai varikliai, peiliai, dantų implantai ir kt.

Taip pat jo lydiniai su galiliu (V ₃ Ga) yra superlaidūs ir naudojami magnetams gaminti. Be to, atsižvelgiant į mažą jų reaktyvumą, vanadžio lydiniai naudojami vamzdžiams, kuriuose veikia koroziniai cheminiai reagentai.

Vanadžio redokso baterijos

Vanadis yra dalis redokso baterijų, VRB (jos santrumpa angliškai: Vanadium Redox Batteries). Jie gali būti naudojami skatinant elektros energijos gamybą iš saulės ir vėjo energijos, taip pat iš elektra varomų transporto priemonių akumuliatorių.

-Kompozitai

Pigmentas

V ₂ O ₅ naudojamas stiklui ir keramikai suteikti auksinę spalvą. Kita vertus, jo buvimas kai kuriuose mineraluose daro juos žalsvus, kaip atsitinka su smaragdais (ir taip pat ir kitų metalų dėka).

Katalizatorius

V ₂ O ₅ taip pat yra katalizatorius, naudojamas sintetinės rūgšties ir maleino anhidrido rūgšties sintezei. Sumaišytas su kitais metalų oksidais, jis katalizuoja kitas organines reakcijas, tokias kaip propano ir propileno oksidacija atitinkamai į akroleiną ir akrilo rūgštį.

Vaistinis

Vaistai, sudaryti iš vanadžio kompleksų, buvo laikomi įmanomais ir potencialiais kandidatais diabeto ir vėžio gydymui.

Biologinis vaidmuo

Ironiška, kad vanadis, būdamas spalvotais ir toksiškais junginiais, jo jonai (VO ⁺ , VO ₂ ⁺ ir VO ₄ ³ , daugiausia) pėdsakuose yra naudingi ir būtini gyvoms būtybėms; ypač jūrų buveinių.

Priežastys yra sutelktos į jo oksidacijos būsenas, kiek ligandų biologinėje aplinkoje jis koordinuoja (arba sąveikauja), į analogą tarp vanadato ir fosfato anijono (VO ₄ ³ ir PO ₄ ³ ) bei kitus tiriamus veiksnius. bioinorganinėmis cheminėmis medžiagomis.

Tada vanadžio atomai gali sąveikauti su tais atomais, priklausančiais fermentams ar baltymams, arba su keturiais (koordinavimo tetraedras), penkiais (kvadrato piramidė ar kita geometrija) arba šešiais. Jei tai įvyks, suaktyvės organizmui palanki reakcija, sakoma, kad vanadis veikia farmakologiškai.

Pavyzdžiui, yra haloperoksidazių: fermentų, kurie gali naudoti vanadį kaip kofaktorių. Taip pat yra vanabinų (gaubtamedžio vanadocitų ląstelėse), fosforilazių, azotazių, transferinų ir (žinduolių) albuminų serumų, galinčių sąveikauti su šiuo metalu.

Organinių molekulių arba vanadžio koordinavimo kompleksas, vadinamas amavadinu, yra tam tikrų grybų, tokių kaip Amanita muscaria, kūnuose (apatinis vaizdas).

Amanita muscaria grybas. Šaltinis: „Pixabay“.

Galiausiai kai kuriuose kompleksuose vanadis gali būti hemo grupėje, kaip tai yra hemoglobino geležyje.

Nuorodos

1. Šiveris ir Atkinsas. (2008). Neorganinė chemija. (Ketvirtasis leidimas). Mc Graw Hill.
2. Vikipedija. (2019 m.). Vanadžio. Atkurta iš: en.wikipedia.org
3. Ašokas K. Verma ir P. Modakas. (sf). Fondo nestabilumas ir struktūrinių fazių perėjimai vanadyje esant aukštam slėgiui. Aukšto slėgio fizikos skyrius, Bhabha atominių tyrimų centras, Trombėjus, Mumbajus-400085, Indija.
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019 m. Liepos 03 d.). Faktai apie vanadį (V arba atominis skaičius 23). Atgauta iš: thinkco.com
5. Richardas Millsas. (2017 m. Spalio 24 d.). Vanadis: metalas, kurio negalime išsiversti ir negaminti. „Glacier Media Group“. Atgauta iš: mining.com
6. Nacionalinis biotechnologijų informacijos centras. (2019 m.). Vanadžio. „PubChem“ duomenų bazė. CID = 23990. Atkurta iš: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Klarkas Džimas. (2015). Vanadžio. Atgauta iš: chemguide.co.uk
8. Pierce Sarah. (2019 m.). Kas yra vanadis? Naudojimas, faktai ir izotopai. Tyrimas. Atgauta iš: study.com
9. „Crans & col. (2004). Vanadžio chemija ir biochemija bei vanadžio junginių biologinė veikla. Kolorado valstijos universiteto chemijos katedra, Kolorado fortas, Koloradas 80523-1872.