VANADIUM: GESCHICHTE, EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, VERWENDUNG - CHEMIE - 2025

Das Vanadium ist das dritte Übergangsmetall im Periodensystem, dargestellt durch das chemische Symbol V. Es ist nicht so beliebt wie andere Metalle, aber wer Stähle und Titan versteht, wird als Additiv zur Verstärkung von Legierungen oder Werkzeugen erwähnt. Physikalisch ist es gleichbedeutend mit Härte und chemisch mit Farben.

Einige Chemiker wagen es, es als Chamäleonmetall zu beschreiben, das in der Lage ist, eine breite Palette von Farben in seinen Verbindungen anzunehmen. Elektronische Eigenschaft, die der der Metalle Mangan und Chrom ähnelt. In seinem ursprünglichen und reinen Zustand sieht es genauso aus wie andere Metalle: Silber, aber mit bläulichen Farbtönen. Einmal verrostet, sieht es wie unten gezeigt aus.

Metallische Vanadiumstücke mit dünnen schillernden Schichten aus gelbem Oxid. Quelle: Jurii

In diesem Bild ist das Schillern des Oxids kaum zu unterscheiden, was von den Oberflächen oder der Oberfläche der Metallkristalle abhängt. Diese Oxidschicht schützt es vor weiterer Oxidation und damit vor Korrosion.

Eine solche Beständigkeit gegen Korrosion sowie gegen thermische Rissbildung wird Legierungen bereitgestellt, wenn ihnen V-Atome zugesetzt werden. All dies, ohne sein Gewicht zu stark zu erhöhen, da Vanadium kein Schwermetall, sondern ein Leichtmetall ist; im Gegensatz zu dem, was viele vielleicht denken.

Sein Name leitet sich von der nordischen Göttin Vanadís aus Skandinavien ab; In Mexiko wurde es jedoch als Teil des Vanadinitminerals Pb _{5 3} Cl aus rötlichen Kristallen entdeckt. Das Problem war, dass Vanadium, um es aus diesem Mineral und vielen anderen zu erhalten, in eine Verbindung umgewandelt werden musste, die leichter zu reduzieren war als sein Oxid V ₂ O ₅ (das mit Calcium reduziert wird).

Andere Vanadiumquellen liegen in Meereswesen oder in Rohöl, das in den Petroporphyrinen "eingesperrt" ist.

In Lösung sind die Farben, die seine Verbindungen je nach Oxidationsstufe haben können, gelb, blau, dunkelgrün oder violett. Vanadium zeichnet sich nicht nur durch diese Zahlen oder Oxidationsstufen (von -1 bis +5) aus, sondern auch durch seine Fähigkeit, sich auf unterschiedliche Weise mit biologischen Umgebungen zu koordinieren.

Die Chemie des Vanadiums ist reichlich vorhanden, mysteriös, und im Vergleich zu anderen Metallen muss noch viel Licht darauf geworfen werden, damit es genau verstanden werden kann.

Geschichte

Entdeckung

Mexiko hat die Ehre, das Land gewesen zu sein, in dem dieses Element entdeckt wurde. Der Mineralogist Andrés Manuel del Río analysierte 1801 ein rötliches Mineral, das er selbst braunes Blei nannte (Vanadinit, Pb _{5 3} Cl), und extrahierte Metalloxide, deren Eigenschaften denen eines damals bekannten Elements nicht entsprachen.

So taufte er dieses Element zuerst mit dem Namen "Pancromo" wegen der reichen Farbvielfalt seiner Verbindungen; dann benannte er es in "Erythrono" um, vom griechischen Wort "Erythronium", was "rot" bedeutet.

Vier Jahre später gelang es dem französischen Chemiker Hippolyte Victor Collet Descotils, Del Río dazu zu bringen, seine Behauptungen zurückzuziehen, indem er vorschlug, Erythron sei kein neues Element, sondern Verunreinigungen von Chrom. Und es dauerte mehr als zwanzig Jahre, bis etwas über dieses vergessene Element bekannt wurde, das in mexikanischen Böden entdeckt wurde.

Entstehung des Namens

1830 entdeckte der Schweizer Chemiker Nils Gabriel Sefström ein weiteres neues Element in Eisenmineralien, das er Vanadium nannte. Name, der von der nordischen Göttin Vanadís abgeleitet ist, im Vergleich seiner Schönheit mit den brillanten Farben der Verbindungen dieses Metalls.

Im selben Jahr wies der deutsche Geologe George William Featherstonhaugh darauf hin, dass Vanadium und Erythron tatsächlich dasselbe Element seien; und obwohl er wollte, dass der Name des Flusses sich durch die Bezeichnung "Rionio" durchsetzte, wurde sein Vorschlag nicht angenommen.

Isolation

Um Vanadium zu isolieren, musste es aus seinen Mineralien reduziert werden, und wie Scandium und Titan war diese Aufgabe aufgrund seiner zähen Affinität zu Sauerstoff nicht einfach. Es musste zuerst in Arten umgewandelt werden, die relativ leicht reduziert werden konnten; Dabei erhielt Berzelius 1831 Vanadiumnitrid, das er für das native Metall hielt.

1867 erreichte der englische Chemiker Henry Enfield Roscoe die Reduktion von Vanadium (II) chlorid, VCl ₂ , zu metallischem Vanadium unter Verwendung von Wasserstoffgas. Das produzierte Metall war jedoch unrein.

Schließlich wurde anlässlich des Beginns der technologischen Geschichte von Vanadium eine hochreine Probe erhalten, indem V ₂ O ₅ mit metallischem Calcium reduziert wurde . Eine seiner ersten prominenten Anwendungen war die Herstellung des Fahrgestells des Ford Model T.

Eigenschaften

Aussehen

In seiner reinen Form ist es ein graues Metall mit bläulichen Obertönen, weich und duktil. Wenn es jedoch mit einer Oxidschicht (insbesondere dem Produkt eines Feuerzeugs) bedeckt ist, nimmt es auffällige Farben an, als wäre es ein Kristallchamäleon.

Molmasse

50,9415 g / mol

Schmelzpunkt

1910 ° C.

Siedepunkt

3407 ° C.

Dichte

-6,0 g / ml bei Raumtemperatur

-5,5 g / ml, am Schmelzpunkt, dh es schmilzt kaum.

Schmelzwärme

21,5 kJ / mol

Verdampfungswärme

444 kJ / mol

Molare Wärmekapazität

24,89 J / (mol K)

Dampfdruck

1 Pa bei 2101 K (selbst bei hohen Temperaturen praktisch vernachlässigbar).

Elektronegativität

1,63 auf der Pauling-Skala.

Ionisierungsenergien

Erstens: 650,9 kJ / mol (V ⁺ Gas)

Zweitens: 1414 kJ / mol (V ²⁺ gasförmig)

Drittens: 2830 kJ / mol (V ³⁺ gasförmig)

Mohs Härte

6.7

Zersetzung

Beim Erhitzen können giftige Dämpfe von V ₂ O ₅ freigesetzt werden .

Farben von Lösungen

Von links nach rechts Lösungen mit Vanadium in verschiedenen Oxidationsstufen: +5, +4, +3 und +2. Quelle: W. Oelen über Wikipedia.

Eine der wichtigsten und bemerkenswertesten Eigenschaften von Vanadium sind die Farben seiner Verbindungen. Wenn einige von ihnen in sauren Medien gelöst sind, weisen die Lösungen (meistens wässrig) Farben auf, die es einem ermöglichen, eine Zahl oder Oxidationsstufe von einer anderen zu unterscheiden.

Das obige Bild zeigt beispielsweise vier Reagenzgläser mit Vanadium in verschiedenen Oxidationsstufen. Die linke, gelb gefärbte Farbe entspricht V ⁵⁺ , insbesondere als VO ₂ ⁺ -Kation . Dann folgt das Kation VO ²⁺ mit V ⁴⁺ , blau gefärbt; das Kation V ³⁺ dunkelgrün; und V ²⁺ , lila oder lila.

Wenn eine Lösung aus einer Mischung von V ^{4+ -} und V ⁵⁺ -Verbindungen besteht , wird eine hellgrüne Farbe erhalten (Produkt von Gelb mit Blau).

Reaktivität

Die V ₂ O ₅ -Schicht auf dem Vanadium schützt es vor Reaktionen mit starken Säuren wie Schwefel- oder Salzsäure, starken Basen und auch vor Korrosion, die durch weitere Oxidation verursacht wird.

Bei Erwärmung über 660 ° C oxidiert Vanadium vollständig und sieht aus wie ein gelber Feststoff mit schillerndem Glanz (abhängig von den Winkeln seiner Oberfläche). Dieses gelb-orange Oxid kann durch Zugabe von Salpetersäure gelöst werden, wodurch Vanadium wieder seine silberne Farbe annimmt.

Isotope

Fast alle Vanadiumatome im Universum (99,75% von ihnen) sind etwa das ^51- V- Isotop , während ein sehr kleiner Anteil (0,25%) dem ^50- V- Isotop entspricht . Daher ist es nicht überraschend, dass das Das Atomgewicht von Vanadium beträgt 50,9415 u (näher an 51 als 50).

Die anderen Isotope sind radioaktiv und synthetisch mit Halbwertszeiten (t _1/2 ) zwischen 330 Tagen ( ⁴⁹ V), 16 Tagen ( ⁴⁸ V), einigen Stunden oder 10 Sekunden.

Struktur und elektronische Konfiguration

Vanadiumatome V sind in einer körperzentrierten kubischen (bcc) Kristallstruktur angeordnet, dem Produkt ihrer metallischen Bindung. Von den Strukturen ist dies die am wenigsten dichte, mit ihren fünf Valenzelektronen, die gemäß der elektronischen Konfiguration am "Elektronenmeer" beteiligt sind:

3d ³ 4s ²

Somit vereinigen sich die drei Elektronen des 3d-Orbitals und die zwei des 4s-Orbitals, um eine Bande zu durchlaufen, die durch Überlappung der Valenzorbitale aller V-Atome des Kristalls gebildet wird; klar, Erklärung basierend auf Bandentheorie.

Da die V-Atome im Periodensystem etwas kleiner sind als die Metalle links von ihnen (Scandium und Titan) und aufgrund ihrer elektronischen Eigenschaften ihre metallische Bindung stärker ist; eine Tatsache, die sich in ihrem höchsten Schmelzpunkt und damit in seinen kohäsiveren Atomen widerspiegelt.

Berechnungsstudien zufolge ist die bcc-Struktur von Vanadium selbst unter enormen Drücken von 60 GPa stabil. Sobald dieser Druck überschritten wird, geht sein Kristall in die rhomboedrische Phase über, die bis zu 434 GPa stabil bleibt. wenn die bcc-Struktur wieder erscheint.

Oxidationszahlen

Die Elektronenkonfiguration von Vanadium allein zeigt, dass sein Atom bis zu fünf Elektronen verlieren kann. Wenn dies der Fall ist, wird das Edelgas Argon isoelektronisch und die Existenz des V ⁵⁺ -Kations wird angenommen .

Ebenso kann der Elektronenverlust allmählich sein (abhängig von der Spezies, an die er gebunden ist) und positive Oxidationszahlen aufweisen, die von +1 bis +5 variieren; daher wird in seinen Verbindungen die Existenz der jeweiligen Kationen V ⁺ , V ²⁺ usw. angenommen .

Vanadium kann auch Elektronen gewinnen und sich in ein metallisches Anion umwandeln. Seine negativen Oxidationszahlen sind: -1 (V ^- ) und -3 (V ^3- ). Die Elektronenkonfiguration von V ^3- ist:

3d ⁶ 4s ²

Obwohl es vier Elektronen fehlt, um die Füllung der 3d-Orbitale zu vervollständigen, ist V ^3- energetisch stabiler als V ^7- , das theoretisch extrem elektropositive Spezies benötigen würde (um ihm seine Elektronen zu geben).

Anwendungen

-Metall

Titanstahllegierungen

Vanadium bietet mechanische, thermische und Vibrationsbeständigkeit sowie Härte für die Legierungen, denen es zugesetzt wird. Beispielsweise wird es als Ferrovanadium (Eisen- und Vanadiumlegierung) oder Vanadiumcarbid zusammen mit anderen Metallen in Stahl oder in Titanlegierungen zugesetzt.

Auf diese Weise entstehen sehr harte und leichte Materialien, die als Werkzeuge (Bohrer und Schraubenschlüssel), Zahnräder, Auto- oder Flugzeugteile, Turbinen, Fahrräder, Düsentriebwerke, Messer, Zahnimplantate usw. verwendet werden können.

Auch seine Legierungen mit Gallium (V ₃ Ga) sind supraleitend und werden zur Herstellung von Magneten verwendet. Aufgrund ihrer geringen Reaktivität werden Vanadiumlegierungen auch für Rohre verwendet, in denen ätzende chemische Reagenzien eingesetzt werden.

Vanadium-Redox-Batterien

Vanadium ist Teil von Redox-Batterien, VRBs (für sein Akronym in Englisch: Vanadium Redox-Batterien). Diese können zur Förderung der Stromerzeugung aus Sonnen- und Windenergie sowie aus Batterien in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden.

-Komposite

Pigment

V ₂ O ₅ verleiht Glas und Keramik eine goldene Farbe. Andererseits macht ihre Anwesenheit in einigen Mineralien sie grünlich, wie es bei Smaragden der Fall ist (und dank anderer Metalle auch).

Katalysator

V ₂ O ₅ ist auch ein Katalysator, der zur Synthese von Schwefelsäure und Maleinsäureanhydridsäure verwendet wird. Gemischt mit anderen Metalloxiden katalysiert es andere organische Reaktionen, wie die Oxidation von Propan und Propylen zu Acrolein bzw. Acrylsäure.

Medizinisch

Arzneimittel, die aus Vanadiumkomplexen bestehen, wurden als mögliche und potenzielle Kandidaten für die Behandlung von Diabetes und Krebs angesehen.

Biologische Rolle

Es scheint ironisch, dass Vanadium als seine farbenfrohen und toxischen Verbindungen, seine Ionen ( meistens VO ⁺ , VO ₂ ⁺ und VO ₄ ^3- ) in Spuren für Lebewesen nützlich und essentiell sind; insbesondere die von marinen Lebensräumen.

Die Gründe liegen in den Oxidationsstufen, der Anzahl der koordinierten (oder wechselwirkenden) Liganden in der biologischen Umgebung, in der Analogie zwischen Vanadat- und Phosphatanion (VO ₄ ^3- und PO ₄ ^3- ) und in anderen untersuchten Faktoren durch bioanorganische Chemikalien.

Die Vanadiumatome können dann mit den Atomen interagieren, die zu Enzymen oder Proteinen gehören, entweder mit vier (Koordinationstetraeder), fünf (quadratische Pyramide oder andere Geometrien) oder sechs. Wenn dabei eine günstige Reaktion für den Körper ausgelöst wird, wird gesagt, dass Vanadium eine pharmakologische Aktivität ausübt.

Zum Beispiel gibt es Haloperoxidasen: Enzyme, die Vanadium als Cofaktor verwenden können. Es gibt auch Vanabine (in den Vanadozytenzellen von Manteltieren), Phosphorylasen, Stickstoffasen, Transferine und Serumalbumine (von Säugetieren), die mit diesem Metall interagieren können.

Ein organisches Molekül oder ein Vanadium-Koordinationskomplex namens Amavadin ist in den Körpern bestimmter Pilze wie Amanita muscaria vorhanden (unteres Bild).

Amanita Muscaria Pilz. Quelle: Pixabay.

Und schließlich kann Vanadium in einigen Komplexen in einer Hämgruppe enthalten sein, wie dies bei Eisen im Hämoglobin der Fall ist.

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