Vanadio: proprietà, massa atomica, formula, applicazione

Il vanadio è un elemento chimico indicato dal simbolo "V". La massa atomica del vanadio è 50,9415 a. e. m., numero atomico - 23. È un solido grigio argento, un metallo malleabile e fusibile, raramente presente in natura. Fa parte di oltre 60 minerali e può anche essere contenuto in combustibili fossili.

Scoperta non riconosciuta

Il metallo del vanadio fu scoperto per la prima volta da un mineralista messicano di origine spagnola, Andres Manuel Del Rio, nel 1801. Il ricercatore ha rimosso un nuovo elemento da un campione di minerale di piombo marrone estratto in Messico. Come si è scoperto, i sali di metallo hanno una grande varietà di colori, così Del Rio lo chiamò originariamente "panchromium" (dal greco "παγχρώμιο" - "multicolore").

Più tardi, il mineralogista ribattezzò l'elemento eritronio (dal greco "ερυθρός" - "rosso"), perché la maggior parte dei sali acquisì una tonalità rossa quando riscaldata. Sembrerebbe che un'incredibile fortuna abbia sorriso a uno scienziato poco conosciuto in Europa. La scoperta di un nuovo elemento chimico del vanadio prometteva, se non la fama, almeno il riconoscimento da parte dei colleghi. Tuttavia, a causa della mancanza di autorità pesante nel mondo scientifico, il successo del messicano è stato ignorato.

Nel 1805, il chimico francese Hippolytus Victor Colle-Dekotils suggerì che il nuovo elemento investigato da Del Rio era solo un campione di piombo cromato con impurità. Alla fine, il ricercatore messicano, per non perdere completamente la faccia davanti alla confraternita accademica, accettò l'approvazione di Colle-Decotyle e si rifiutò di aprirlo. Tuttavia, il suo successo non è sprofondato nell'oblio. Oggi, Andrés Manuel Del Río è riconosciuto come lo scopritore di metalli rari.

riscoperta

Nel 1831, lo svedese Nils Gabriel Sefström scoprì di nuovo l'elemento chimico vanadio nell'ossido che otteneva lavorando con il minerale di ferro. Come sua designazione, lo scienziato ha scelto la lettera "V", che non è stata ancora assegnata a nessun elemento. Sefström chiamò il nuovo metallo per il suo colore bello e ricco in onore della dea nordica della bellezza Vanadis.

Le notizie hanno causato un crescente interesse per la comunità scientifica. Ricordò immediatamente il lavoro del minatore messicano. Nello stesso 1831, Friedrich Wöhler ricontrollò e confermò la precedente scoperta di Del Rio. E il geologo George William Featherstonhup suggerì addirittura di chiamare il metallo "Rionium" in onore dello scopritore, ma l'iniziativa non fu supportata.

inafferrabile

L'isolamento del metallo vanadio nella sua forma pura si è rivelato difficile. Prima di allora, gli scienziati lavoravano solo con i suoi sali. Questo è il motivo per cui le vere proprietà del vanadio sono sconosciute. Nel 1831, Berzelius riferì di aver ricevuto una sostanza metallizzata, ma Henry Enfield Roscoe dimostrò che Berzelius effettivamente produceva nitruro di vanadio (VN). Alla fine, Roscoe produsse il metallo nel 1867 riducendo il vanadio cloruro (VCl ₂ ) sotto l'azione dell'idrogeno. Dal 1927, il vanadio puro si ottiene riducendo il pentossido di vanadio con la partecipazione del calcio.

Il primo uso industriale seriale dell'elemento risale al 1905. Il metallo è stato aggiunto alla lega d'acciaio per la produzione di autovetture da corsa su telaio, e in seguito - nel Ford Model T. Le caratteristiche del Vanadio possono ridurre il peso della struttura, aumentando la resistenza alla trazione. A proposito, il chimico tedesco Martin Khenze ha scoperto il vanadio nelle cellule del sangue (o cellule celomatiche) degli abitanti marini - si espande - nel 1911.

Proprietà fisiche

Il vanadio è un metallo grigio-blu duttile di media durezza con una lucentezza di acciaio e una densità di 6,11 g / cm³. Alcune fonti descrivono il materiale come morbido, tenendo presente la sua elevata plasticità. La struttura cristallina dell'elemento è più complicata della maggior parte dei metalli e degli acciai.

Il vanadio ha una buona resistenza alla corrosione, alcali, solforico e acido cloridrico. Si ossida in aria a una temperatura di circa 660 ° C (933K, 1220 ° F), sebbene la passivazione dell'ossido si verifichi anche a temperatura ambiente. Questo materiale si scioglie quando la temperatura raggiunge 1920 ° С, e bolle a 3400 ° С.

Proprietà chimiche

Il vanadio sotto l'influenza dell'ossigeno forma quattro tipi di ossidi:

I composti del tipo (II) del vanadio sono agenti riducenti e i composti del tipo (V) sono agenti ossidanti. I composti (IV) spesso esistono come derivati ​​del catione vanadile.

ossido

Il composto più importante dal punto di vista commerciale è il pentossido di vanadio. È un solido giallo-marrone, anche se appena confezionato da una soluzione acquosa, il suo colore è arancione scuro.

L'ossido è usato come catalizzatore per produrre acido solforico. Questo composto ossida il biossido di zolfo (SO ₂ ) in triossido (SO ₃ ). In questa reazione redox, lo zolfo viene ossidato da +4 a +6 e il vanadio diminuisce da +5 a +4. La formula per il vanadio è la seguente:

V ₂ O ₅ + SO ₂ → 2VO ₂ + SO ₃

Il catalizzatore viene rigenerato dall'ossidazione dell'ossigeno:

2VO ₂ + O ₂ → V ₂ O ₅

Processi di ossidazione simili sono usati nella produzione di anidride maleica, anidride ftalica e molti altri composti organici alla rinfusa.

Questo ossido è anche usato nella preparazione del ferrovanadio. È riscaldato con ferro e ferrosilicio con aggiunta di calce. Quando si utilizza l'alluminio, una lega di ferro-vanadio viene prodotta insieme all'ossido di alluminio come sottoprodotto. A causa dell'elevato coefficiente di resistenza termica, l'ossido di vanadio (V) viene utilizzato come materiale rivelatore nei bolometri e negli array di microbolometri nei dispositivi di imaging termico.

caratteristiche

Il metallo raro ha le seguenti caratteristiche:

• Struttura cristallina: cubica centrata sul corpo.
• Conducibilità del suono: 4560 m / s (a 20 ° C).
• Valenza del vanadio: V (raramente IV, III, II).
• Espansione termica: 8,4 μm / (m · K) (a 25 ° C).
• Conduttività termica: 30,7 W / (m · K).
• Resistenza elettrica: 197 nΩ · m (a 20 ° C).
• Magnetismo: paramagnetico.
• Suscettibilità magnetica: + 255 · 10 ^-6 cm ³ / mol (298K).
• Modulo di elasticità: 128 GPa.
• Modulo di taglio: 47 GPa.
• Modulo di elasticità in massa: 160 GPa.
• Rapporto di Poisson: 0,37.
• Durezza Mohs: 6.7.
• Durezza Vickers: 628-640 MPa.
• Durezza Brinell: 600-742 MPa.
• Categoria dell'articolo: metallo di transizione.
• Configurazione elettronica: 3d ³ 4s ² .
• Calore di fusione: 21,5 kJ / mol.
• Calore di evaporazione: 444 kJ / mol.
• Capacità termica molare: 24,89 J / (mol · K).

Il vanadio nella tavola periodica è nel quinto gruppo (sottogruppo del vanadio), il 4 ° periodo, il blocco d.

diffusione

Il vanadio nella scala dell'universo è approssimativamente lo 0,0001% del volume totale della materia. Si diffonde spesso come rame e zinco. Il metallo si trova nel chiarore spettrale del Sole e di altre stelle.

Elemento è il 20 ° più comune nella crosta. Il cristallo di vanadio in forma cristallina è piuttosto raro, ma i composti di questo materiale si trovano in 65 diversi minerali. Di questi, economicamente significativi sono la patronite (VS ₄ ), la vanadinite (Pb ₅ (VO ₄ ) ₃ Cl) e la carnotite (K ₂ (UO ₂ ) ₂ (VO ₄ ) ₂ · ₃ H ₂ O).

Gli ioni di vanadio sono abbondantemente distribuiti nell'acqua di mare e hanno una concentrazione media di 30 nMa. Alcune fonti di acqua minerale contengono anche questi ioni in alte concentrazioni. Ad esempio, le fonti vicino al Monte Fuji contengono fino a 54 μg / l.

estrazione

La maggior parte di questo metallo raro è ottenuto dalla magnetite di vanadio che si trova nelle rocce di gabbro magmatiche ultrabasiche. Le materie prime sono estratte principalmente in Sud Africa, nella Cina nord-occidentale e nella Russia orientale. Nel 2013, questi paesi hanno prodotto oltre il 97% di tutto il vanadio (79.000 tonnellate in termini di peso).

Il metallo è presente anche in bauxite e depositi di petrolio greggio, carbone, scisti bituminosi e sabbie bituminose. Nel petrolio greggio sono state segnalate concentrazioni fino a 1200 ppm. A causa delle proprietà ossidanti del vanadio (alcuni dei suoi ossidi) dopo la combustione di tali prodotti petroliferi, i residui dell'elemento possono causare corrosione nei motori e nelle caldaie.

Si stima che 110.000 tonnellate di questa sostanza vengano rilasciate nell'atmosfera ogni anno bruciando combustibili fossili. Oggi vengono sviluppate tecnologie per estrarre preziose sostanze dagli idrocarburi.

produzione

Il vanadio è utilizzato principalmente come additivo per leghe di acciaio chiamate ferroleghe. Il ferrovanadio è ottenuto direttamente dalla riduzione di una miscela di ossido di vanadio con una valenza (V), ossidi di ferro e ferro puro in un forno elettrico.

Il metallo viene prodotto usando un processo a più stadi, che inizia con la combustione del minerale di magnetite vanadio schiacciato con l'aggiunta di sodio cloruro (NaCl) o sodio carbonato (Na ₂ CO ₃ ) ad una temperatura di circa 850 ° C per produrre sodio metavanadato (NaVO ₃ ). L'estratto acquoso di questa sostanza viene acidificato per formare un sale di polivadato, che viene ridotto dal metallo di calcio. In alternativa alla produzione su piccola scala, il pentossido di vanadio è ridotto da idrogeno o magnesio.

Vengono anche usati molti altri metodi, in cui il vanadio è prodotto come sottoprodotto di altri processi. La sua pulizia è possibile con il metodo ioduro sviluppato da Anton Edouard van Arkel e Jan Hendrik de Bohr nel 1925. Implica la formazione di ioduro di vanadio (III) e la sua successiva decomposizione in metallo puro:

2 V + 3I ₂ ⇌ 2 VI ₃

Un modo piuttosto esotico di ottenere questo elemento è stato inventato dai giapponesi. Si riproducono nelle piantagioni sottomarine dell'ascidia (tipo di corda), che assorbono il vanadio dall'acqua di mare. Quindi vengono raccolti e bruciati. Il metallo prezioso viene estratto dalla cenere formata. A proposito, la sua concentrazione in questo caso è molto più alta che nei depositi più ricchi.

leghe

Cosa sono le leghe di vanadio? Circa l'85% del metallo raro prodotto viene utilizzato per produrre ferrovanadio o come additivo per l'acciaio. All'inizio del XX secolo, si è scoperto che anche una piccola quantità di vanadio aumenta significativamente la resistenza dell'acciaio. Questo elemento forma nitruri e carburi stabili, il che porta a migliorare le prestazioni di acciai e leghe.

Da quel momento, il vanadio è stato utilizzato su assali, telai, alberi a gomito, ingranaggi e altri componenti importanti dei veicoli a ruote. Esistono due gruppi di leghe:

• Alto contenuto di carbonio dallo 0,15% allo 0,25% di vanadio.
• Taglio veloce acciai per utensili (HSS) contenuto dall'1% al 5% di questo elemento.

Per gli acciai HSS, è possibile raggiungere una durezza superiore a HRC 60. Sono utilizzati in strumenti chirurgici. Nella metallurgia delle polveri, le leghe possono contenere fino al 18% di vanadio. L'elevato contenuto di carburo di queste leghe aumenta significativamente la resistenza all'usura. Fanno strumenti e coltelli.

A causa delle sue proprietà, il vanadio stabilizza la forma beta del titanio, aumenta la sua forza e la stabilità della temperatura. Mescolato con alluminio in leghe di titanio, è utilizzato nei motori a reazione, negli aerei ad alta velocità e negli impianti dentali. La lega più comune per tubi senza saldatura è il titanio 3 / 2.5, contenente il 2,5% di vanadio. Questi materiali sono ampiamente distribuiti nei settori aerospaziale, della difesa e della bicicletta. Un'altra lega comune, prodotta principalmente in fogli, è il titanio 6AL-4V, dove il 6% di alluminio e il 4% di vanadio.

Diverse leghe di vanadio presentano proprietà superconduttive. Il primo superconduttore A15 era un composto di vanadio V ₃ Si, ottenuto nel 1952. Il nastro di vanadio-gallio è utilizzato nei magneti superconduttori. La struttura della fase superconduttiva A15 V ₃ Ga è simile alla struttura dei superconduttori più comuni: stannide triniobium (Nb ₃ Sn) e niobio-titanio (Nb ₃ Ti).

Recentemente, gli scienziati hanno scoperto che nel Medioevo una piccola quantità di vanadio (da 40 a 270 parti per milione) è stata aggiunta ad alcuni campioni di acciaio damascato e damascato. Questo ha migliorato le proprietà delle pale. Tuttavia, non è chiaro dove e come è stato estratto il metallo raro. Forse faceva parte di alcuni minerali.

applicazione

Oltre alla metallurgia, il vanadio è utilizzato per altre attività. La sezione trasversale della cattura del neutrone termico e la breve emivita degli isotopi prodotti dalla cattura di neutroni rendono questo metallo un materiale adatto per l'uso all'interno di un reattore a fusione.

Il più comune ossido di vanadio, pentossido V ₂ O _{5, è} usato come catalizzatore nella produzione di acido solforico e come agente ossidante nella produzione di anidride maleica. L'ossido di vanadio è utilizzato nella fabbricazione di prodotti ceramici.

Il metallo è un componente importante dei catalizzatori di ossido di metallo misti utilizzati nell'ossidazione di propano e propilene in acroleina, acido acrilico o ammoxidazione di propilene in acrilonitrile. Un altro ossido di vanadio - diossido VO ₂ - viene utilizzato nella produzione di rivestimenti in vetro che bloccano la radiazione infrarossa ad una certa temperatura.

La batteria di ossido di vanadio è una cella galvanica costituita da ioni di vanadio acquosi in vari stati di ossidazione. Batterie di questo tipo furono inizialmente proposte negli anni '30 e l'uso commerciale iniziò negli anni '80. Il vanadato può essere utilizzato per proteggere l'acciaio dalla corrosione.

Il vanadio è importante per la salute umana. Aiuta a regolare il metabolismo del carbonio e dei lipidi, è coinvolto nella produzione di energia. Al giorno si consiglia di consumare 6-63 mcg (dati OMS) della sostanza proveniente dal cibo. È abbastanza in cereali, legumi, verdure, erbe, frutta.