Storia, proprietà, struttura, struttura del vanadio

Lui vanadio È il terzo metallo di transizione della tavola periodica, rappresentata dal simbolo chimico V. Non è così popolare come altri metalli, ma coloro che comprendono acciai e titanici lo avranno sentito menzionare come un additivo per il loro rinforzo in leghe o strumenti. Fisicamente è sinonimo di durezza e chimicamente, colorato.

Alcuni prodotti chimici osano qualificarlo come un metallo camaleonte, in grado di adottare nei loro composti una vasta gamma di colori; Proprietà elettronica che ricorda quella dei metalli di manganese e cromo. Nel suo stato nativo e puro, assomiglia ad altri metalli: argento, ma con toni bluastri. Una volta ossidato, guarda in basso.

Pezzi di vanadio metallici con sottili strati iridescenti di ossido giallo. Fonte: Jurii [CC di 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/di/3.0)]

In questa immagine, l'iridescenza dell'ossido è appena distinta, il che dipende dalle aste o dalla superficie dei cristalli metallici. Questo strato di ossido lo protegge dalle successive ossidazioni e, quindi, dalla corrosione.

Tale resistenza alla corrosione, così come le fratture termiche, le forniscono leghe quando vengono aggiunti gli atomi di V ad essi. Tutto questo, senza aumentare troppo il suo peso, dal momento che il vanadio non è un metallo pesante ma leggero; A differenza di ciò che molti potrebbero pensare.

Il suo nome deriva dalla dea nordica Vanadís, dalla Scandinavia; Tuttavia, è stato scoperto in Messico, come parte del minerale di Vanadinita, PB₅[VO₄"₃Cl, di cristalli rossastri. Il problema era che per ottenerlo da quel minerale e da molti altri, il vanadio doveva₂O₅ (che è ridotto con calcio).

Altre fonti di vanadio riposano negli esseri marini, o nel greggio del petrolio, "imprigionati" all'interno di petroporfirine.

In soluzione i colori che i loro composti possono avere, a seconda del loro stato di ossidazione, sono gialli, blu, verde scuro o viola. Il vanadio non si distingue solo per questi numeri o stati di ossidazione (da -1 a +5), ma per la sua capacità di coordinarsi in diversi modi con ambienti biologici.

La chimica del vanadio è abbondante, misteriosa e rispetto ad altri metalli c'è ancora molta luce che deve essere gettata su di essa per la sua stretta comprensione.

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Storia

Scoperta

Il Messico ha l'onore di essere stato il paese in cui è stato scoperto questo elemento. Il mineralogista Andrés Manuel Del Río, nel 1801, analizzando un minerale rossastro che si chiamava come protagonista marrone (Vanadinita, PB₅[VO₄"₃Cl), ossidi metallici estratti le cui caratteristiche non corrispondevano a quelle di alcun elemento noto da allora.

Pertanto, ha battezzato per la prima volta questo elemento con il nome di "pancromo" per la ricca varietà di colori dei suoi composti; Quindi ribattezzò "Eryron", della parola greca eritronium, che significa rosso.

Quattro anni dopo, il chimico francese Hippolyte Victor Collet Donso. E più di venti anni passarono per sapere qualcosa su questo elemento dimenticato scoperto nei terreni messicani.

Emergere del nome

Nel 1830 il chimico svizzero Nils Gabriel Sefström, scoprì un altro nuovo elemento nei minerali di ferro, che il vanadio chiamò; Nome che derivava dalla dea nordica vanad, rispetto alla sua bellezza con i colori vivaci dei composti di questo metallo.

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Nello stesso anno, il geologo tedesco George William Featherstonhaugh, disse che il vanadio e l'eritrone erano in realtà lo stesso elemento; E sebbene volesse prevalere il nome del fiume chiamandolo "rionio", la sua proposta non era accettata.

Isolamento

Per isolare il vanadio era necessario. Doveva prima trasformarlo in specie ridotte con relativa facilità; Nel processo, Berzelius ottenne il Nitruro di vanadio nel 1831, che confuso con il metallo nativo.

Nel 1867 il chimico inglese Henry Enfield Roscoe, riuscì a ridurre il cloruro del vanadio (II), VCL₂, Un vanadio metallico che utilizza idrogeno. Tuttavia, il metallo che ha prodotto era impuro.

Infine, segnando il principio della storia tecnologica del vanadio, è stato ottenuto un grande campione di purezza riducendo la V₂O₅ Con calcio metallico. Uno dei suoi primi usi eccezionali doveva essere utilizzato per produrre il telaio dell'auto Ford Model T.

Proprietà

Aspetto fisico

Nella sua forma pura, è un metallo grigio con sfumature bluastre, morbide e duttili. Tuttavia, quando è coperto uno strato di ossido (in particolare il prodotto di un accendino), carica i colori sorprendenti come se fosse un camaleonte di vetro.

Massa molare

50.9415 g/mol

Punto di fusione

1910 ° C

Punto di ebollizione

3407 ° C

Densità

-6,0 g/ml, a temperatura ambiente

-5,5 g/ml, nel punto di fusione, cioè si scioglie a malapena.

Calore di fusione

21,5 kJ/mol

Calore di vaporizzazione

444 kJ/mol

Capacità termica molare

24,89 J/(mol · K)

Pressione del vapore

1 Pa a 2101 K (praticamente spregevole anche ad alte temperature).

Elettronegatività

1.63 sulla scala Pauling.

Energie di ionizzazione

Primo: 650.9 kJ/mol (V⁺ gassoso)

Secondo: 1414 kJ/mol (V²⁺ gassoso)

Terzo: 2830 kJ/mol (V³⁺ gassoso)

Durezza MOHS

6.7

Decomposizione

Quando riscaldati può rilasciare fumi tossici da V₂O₅.

Colori delle soluzioni

Da sinistra a destra, soluzioni di vanadio in diversi stati di ossidazione: +5, +4, +3 e +2. Fonte: w. Oelen via Wikipedia.

Una delle caratteristiche principali e famigerate del vanadio sono i colori dei suoi composti. Quando alcuni di essi vengono sciolti in mezzi acidi, le soluzioni (per lo più acquose) mostrano colori che consentono di distinguere un numero o uno stato di ossidazione da un altro.

Ad esempio, quattro provette con vanadio in diversi stati di ossidazione sono mostrati nell'immagine superiore. Quello a sinistra, giallo, corrisponde a V⁵⁺, specificamente come vocazione₂⁺. Quindi, seguono la voce²⁺, con v⁴⁺, il colore blu; Il cation v³⁺, verde scuro; e v²⁺, viola o malva.

Quando una soluzione è costituita da una miscela di composti V⁴⁺ e v⁵⁺, Si ottiene un colore verde brillante (prodotto di giallo con blu).

Reattività

Il livello V₂O₅ Sul vanadio lo protegge dal reagire con acidi forti, come solformi o cloridrico, basi forti e oltre alla corrosione causata da maggiori ossidazioni.

Quando viene riscaldato sopra i 660 ° C, il vanadio è completamente ossidato, indossando un solido giallo con luminosità iridescente (a seconda degli angoli della sua superficie). Questo ossido giallo arancione può dissolversi se viene aggiunto l'acido nitrico, che tornerebbe al vanadio il suo colore argento.

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Isotopi

Quasi tutti gli atomi di vanadio nell'universo (il 99,75% di essi) sono circa l'isotopo ⁵¹V, mentre una porzione molto piccola (0,25%) corrisponde all'isotopo ^cinquantaV. Da qui non sorprende che il peso atomico del vanadio sia 50.9415 U (più vicino a 51 che 50).

Gli altri isotopi sono radioattivi e sintetici, con mezza vita (t_1/2) che vanno da 330 giorni (⁴⁹V), 16 giorni (⁴⁸V), qualche ora o 10 secondi.

Struttura elettronica e configurazione

Vanadio, gli atomi V sono disposti in una struttura cristallina cubica centrata sul corpo (BCC), prodotto del loro collegamento metallico. Delle strutture, questo è meno denso, partecipando al "mare degli elettroni" i suoi cinque elettroni di Valencia, secondo la configurazione elettronica:

[AR] 3D³ 4s²

Pertanto, i tre elettroni dell'orbitale 3D e i due dell'orbitale 4S sono uniti per viaggiare una fascia formata dalla sovrapposizione degli orbitali di Valencia di tutti gli atomi V del vetro; Chiaramente, spiegazione basata sulla teoria della banda.

Per essere un po 'più piccoli, gli atomi V rispetto ai metalli alla loro sinistra (scandio e titanio) nella tavola periodica e, dato le loro caratteristiche elettroniche, il suo legame metallico è più forte; fatto che si riflette nel suo più grande punto di fusione e, quindi, con i suoi atomi più coesivi.

Secondo gli studi informatici, la struttura BCC del vanadio è stabile anche con enormi pressioni di 60 GPA.  Superata questa pressione, il suo cristallo subisce una transizione alla fase romboedrica, che rimane stabile fino a 434 GPa; Quando la struttura BCC riappare di nuovo.

Numeri di ossidazione

La configurazione elettronica del vanadio indica da solo che il suo atomo è in grado di perdere fino a cinque elettroni. Quando lo fa, diventa isolettronico per nobile argon gas e si assume l'esistenza del catione V⁵⁺.

Allo stesso modo, la perdita di elettroni può essere graduale (a seconda della specie collegata), con numeri di ossidazione positivi che variano da +1 a +5; Pertanto, nei suoi composti si assume l'esistenza dei rispettivi cationi V⁺, V²⁺ E così via.

Il vanadio può anche guadagnare elettroni, diventando un anione metallico. I suoi numeri di ossidazione negativa sono: -1 (V^-) e -3 (V^3-). La configurazione elettronica del V^3- È:

[AR] 3D⁶ 4s²

Sebbene mancano quattro elettroni per completare il riempimento degli orbitali 3D, la V è più stabile^3- Quella v^7-, che in teoria avrebbe bisogno di specie all'estremo elettropositivo (per dargli i suoi elettroni).

Applicazioni

-Metallo

Leghe in acciaio e titanio

Il vanadio fornisce resistenza meccanica, termica e vibrazionale, oltre alla durezza per le leghe a cui viene aggiunto. Ad esempio, come la ferrovanadio (lega di ferro e il vanadio) o il carburo di vanadio, viene aggiunto insieme ad altri metalli in acciaio o in leghe di titanio.

In questo modo, molto dura e allo stesso tempo luce, utile per strumenti (batch e tasti di dado), ingranaggi, parti di auto o aeromobili, turbine, biciclette, motori a getto, coltelli, impianti dentali, ecc.

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Inoltre, le sue leghe con Galio (V₃G) sono superconduttori e vengono utilizzati per la produzione di magneti. E inoltre, data la loro piccola reattività, le leghe di vanadio sono destinate a tubi in cui corrono i reagenti chimici corrosivi.

Batterie redox di vanadio

Il vanadio fa parte delle batterie redox, VRB (per il suo acronimo in inglese: vanadio Redox Batters). Questi possono essere utilizzati per promuovere la generazione di elettricità dall'energia solare e eolica, nonché batterie nei veicoli elettrici.

-Composti

Pigmento

La V₂O₅ È usato per dare colore oro al vetro e alla ceramica. D'altra parte, la loro presenza in alcuni minerali è diventata verdastra, come con gli smeraldi (e grazie anche ad altri metalli).

Catalizzatore

La V₂O₅ È anche un catalizzatore usato per la sintesi di acido solforico e acido anidride maleico. Mescolato con altri ossidi di metallo, catalizza altre reazioni organiche, come l'ossidazione del propano e del propilene in acido e acido acrilico, rispettivamente.

Medicinale

I farmaci che consistono in complessi di vanadio sono stati considerati possibile e potenziali candidati per il trattamento del diabete e del cancro.

Carta biologica

Sembra ironico che il vanadio, essendo i suoi composti colorati e tossici, i suoi ioni (VO⁺, Vo₂⁺ e Vo₄^3-, Principalmente) in tracce sono benefici ed essenziali per gli esseri viventi; Soprattutto quelli degli habitat marini.

Le ragioni sono incentrate sui loro stati di ossidazione, con quanti ligandi degli ambienti biologici sono coordinati (o interazione), nell'analogia tra il vanadato e l'anione fosfato (VO₄^3- e Po₄^3-) e in altri fattori studiati da sostanze chimiche bioinorganiche.

Gli atomi di vanadio possono quindi interagire con quegli atomi appartenenti a enzimi o proteine, con quattro (tetraedro di coordinazione), cinque (piramide quadrata o altre geometrie) o sei. Se, quando ciò si verifica, viene innescata una reazione favorevole per il corpo, si dice che il vanadio esercita attività farmacologica.

Ad esempio, ci sono Halloperossidasi: enzimi che il vanadio può usare come cofattore. Ci sono anche vanabinas (nelle cellule vanadocita.

Una molecola di coordinazione organica o complessa chiamata amavadina, è presente nei corpi di alcuni funghi, come Amanita muscaria (IMMAGINE inferiore).

Fungo di funghi. Fonte: Pixabay.

E infine, in alcuni complessi, il vanadio può essere contenuto in un gruppo Hemo, come con il ferro in emoglobina.

Riferimenti

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