VANADYUM: TARIH, ÖZELLIKLER, YAPI, KULLANIMLAR - KIMYA - 2025

Vanadyum kimyasal sembol V. tarafından temsil periyodik tabloda, üçüncü geçiş metal diğer metaller gibi popüler değil, ama çelikleri ve titaniums siz söz duyulur anlayanlar bir alaşım veya araçları güçlendirmek için katkı. Fiziksel olarak sertlikle ve kimyasal olarak renklerle eş anlamlıdır.

Bazı kimyagerler onu bir bukalemun metali olarak tanımlamaya cesaret ederler, bileşiklerinde geniş bir renk yelpazesini benimseyebilir; Manganez ve krom metallerine benzeyen elektronik özellik. Doğal ve saf haliyle, diğer metallerle aynı görünür: gümüş, ancak mavimsi tonlarla. Paslandığında, aşağıda gösterildiği gibi görünür.

İnce yanardöner sarı oksit katmanlarına sahip metalik vanadyum parçaları. Kaynak: Jurii

Bu görüntüde, metalik kristallerin yüzeylerine veya yüzeylerine bağlı olarak oksidin yanardönerliği çok az ayırt edilir. Bu oksit tabakası onu daha fazla oksidasyondan ve dolayısıyla korozyondan korur.

Alaşımlara V atomları eklendiğinde korozyona ve termal çatlamaya karşı bu tür bir direnç sağlanır. Vanadyum ağır metal değil hafif olduğu için tüm bunlar ağırlığını fazla yükseltmeden; birçoklarının düşündüğünün aksine.

İsmini İskandinavya'dan, İskandinav tanrıçası Vanadis'ten alır; ancak, Meksika'da, kırmızımsı kristallerin vanadinit minerali Pb _{5 3} Cl'nin bir parçası olarak keşfedildi . Sorun, bu mineral ve diğerleri onu elde etmek için oldu, vanadyum, oksitten azaltmak için bir bileşik halinde daha kolay transforme edilmesi gerekiyordu V ₂ O ₅ (kalsiyum ile indirgenir).

Diğer vanadyum kaynakları deniz canlılarında veya petroporfirinler içinde "hapsedilmiş" ham petrolde bulunur.

Çözeltide, oksidasyon durumuna bağlı olarak bileşiklerinin sahip olabileceği renkler sarı, mavi, koyu yeşil veya mordur. Vanadyum, yalnızca bu sayılar veya oksidasyon durumları (-1'den +5'e) için değil, aynı zamanda biyolojik ortamlarla farklı şekillerde koordinasyon sağlama yeteneği ile de öne çıkıyor.

Vanadyumun kimyası bol, gizemlidir ve diğer metallerle karşılaştırıldığında, yakın anlaşılması için hala üzerine dökülmesi gereken çok fazla ışık vardır.

Tarih

keşif

Meksika, bu elementin keşfedildiği ülke olma onuruna sahiptir. Mineralog Andrés Manuel del Río, 1801'de, kendisinin kahverengi kurşun (vanadinit, Pb _{5 3} Cl) olarak adlandırdığı kırmızımsı bir minerali analiz ederek , o zaman bilinen herhangi bir elementin özelliklerine karşılık gelmeyen metalik oksitleri çıkardı.

Böylelikle, bileşiklerinin zengin renk çeşitliliği nedeniyle bu unsuru ilk önce 'Pancromo' adıyla vaftiz etti; daha sonra bunu Yunanca kırmızı anlamına gelen eritronyum kelimesinden gelen "Erythrono" olarak yeniden adlandırdı.

Dört yıl sonra, Fransız kimyager Hippolyte Victor Collet Descotils, eritronun yeni bir element değil, krom safsızlıkları olduğunu öne sürerek Del Rio'nun iddialarını geri çekmesini sağladı. Ve Meksika topraklarında keşfedilen bu unutulmuş element hakkında bir şeyin bilinmesi yirmi yıldan fazla sürdü.

İsmin ortaya çıkışı

1830'da İsviçreli kimyager Nils Gabriel Sefström, demir minerallerinde vanadyum adını verdiği bir başka yeni element keşfetti; İsmi, güzelliği ile bu metalin bileşiklerinin parlak renklerini karşılaştırarak İskandinav tanrıçası Vanadis'ten türetilmiştir.

Aynı yıl, Alman jeolog George William Featherstonhaugh, vanadyum ve eritronun aslında aynı element olduğuna dikkat çekti; ve Nehir adının 'Rionio' ​​olarak adlandırarak hakim olmasını istese de teklifi kabul edilmedi.

İzolasyon

Vanadyumu izole etmek için onu minerallerinden azaltmak gerekiyordu ve tıpkı skandiyum ve titanyum gibi, oksijene olan inatçı afinitesinden dolayı bu görev kolay değildi. İlk önce görece kolayca indirgenen türlere dönüştürülmesi gerekiyordu; Bu süreçte Berzelius, 1831'de doğal metal için yanlış anladığı vanadyum nitrürü elde etti.

1867'de, İngiliz kimyacı Henry Enfield Roscoe, vanadyum (II) klorür, VCI azaltılmasını elde ₂ hidrojen gazı kullanılarak metalik vanadyum. Ancak ürettiği metal saf değildi.

Son olarak, vanadyum teknolojik geçmişi başlangıcına işaret eden, yüksek saflıkta bir örnek V azaltarak elde edilmiştir ₂ O ₅ metalik kalsiyum ile. İlk önemli kullanımlarından biri, Ford Model T otomobilinin şasisini yapmaktı.

Özellikleri

Fiziksel görünüş

Saf haliyle, mavimsi tonlara sahip, yumuşak ve sünek grimsi bir metaldir. Bununla birlikte, bir oksit tabakasıyla (özellikle bir çakmağın ürünü) kaplandığında, kristal bir bukalemun gibi çarpıcı renkler alır.

Molar kütle

50.9415 g / mol

Erime noktası

1910 ° C

Kaynama noktası

3407 ° C

Yoğunluk

-6.0 g / mL, oda sıcaklığında

-5.5 g / mL, erime noktasında, yani pek erimez.

Füzyon ısısı

21,5 kJ / mol

Buharlaşma ısısı

444 kJ / mol

Molar ısı kapasitesi

24,89 J / (mol K)

Buhar basıncı

2101 K'da 1 Pa (yüksek sıcaklıklarda bile hemen hemen ihmal edilebilir).

Elektronegativite

Pauling ölçeğinde 1.63.

İyonlaşma enerjileri

İlk: 650,9 kJ / mol (V ⁺ gaz)

İkinci: 1414 kJ / mol (V2 ⁺ gaz)

Üçüncü: 2830 kJ / mol (V ³⁺ gaz)

Mohs sertliği

6.7

ayrışma

Isıtıldığında zehirli V ₂ O ₅ dumanları salabilir .

Çözümlerin renkleri

Soldan sağa, farklı oksidasyon durumlarında vanadyumlu çözeltiler: +5, +4, +3 ve +2. Kaynak: Wikipedia aracılığıyla W. Oelen.

Vanadyumun temel ve dikkate değer özelliklerinden biri, bileşiklerinin renkleridir. Bazıları asidik ortamda çözündüğünde, çözeltiler (çoğunlukla sulu), birinin bir sayıyı veya oksidasyon durumunu diğerinden ayırt etmesine izin veren renkler sergiler.

Örneğin, yukarıdaki görüntü, farklı oksidasyon durumlarında vanadyum içeren dört test tüpünü göstermektedir. Soldaki sarı renkli olan , özellikle VO ₂ ⁺ katyonu olarak V ^{5 + 'e} karşılık gelir . Ardından, mavi renkli, V ⁴⁺ ile VO ²⁺ katyonu ; katyon V ³⁺ , koyu yeşil; ve V ²⁺ , mor veya leylak rengi.

Bir çözelti, V ⁴⁺ ve V ⁵⁺ bileşiklerinin karışımından oluştuğunda, parlak yeşil bir renk elde edilir (sarı ile mavinin ürünü).

Reaktivite

V ₂ O ₅ kat vanadyuma, sülfürik ya da hidroklorik, güçlü bazlar, ve daha da oksidasyon neden olduğu aşınmaya karşı güçlü asitler ile reaksiyona karşı korur.

660 ° C'nin üzerinde ısıtıldığında, vanadyum tamamen oksitlenir ve yanardöner parlaklığa sahip sarı bir katı gibi görünür (yüzeyinin açılarına bağlı olarak). Bu sarı-turuncu oksit, vanadyumu gümüş rengine döndüren nitrik asit eklenirse çözülebilir.

İzotoplar

Evrendeki hemen hemen tüm vanadyum atomları (% 99.75'i) ⁵¹ V izotopuna karşılık gelirken, çok küçük bir kısmı (% 0.25) ⁵⁰ V izotopuna karşılık gelir . Bu nedenle, şaşırtıcı değildir. vanadyumun atom ağırlığı 50.9415 u'dur (51'e 50'den daha yakın).

Diğer izotoplar radyoaktif ve sentetiktir, yarı ömürleri (t _1/2 ) 330 gün ( ⁴⁹ V), 16 gün ( ⁴⁸ V), birkaç saat veya 10 saniye arasında değişir .

Yapı ve elektronik konfigürasyon

Vanadyum atomları, V, metalik bağlarının ürünü olan vücut merkezli kübik (bcc) kristal yapıda düzenlenmiştir. Elektronik konfigürasyona göre, yapılardan en az yoğun olanı, "elektron denizine" katılan beş değerlik elektronuyla:

3d ³ 4s ²

Böylece, 3 boyutlu yörüngenin üç elektronu ve 4s yörüngesinin ikisi, kristalin tüm V atomlarının değerlik yörüngelerinin üst üste binmesiyle oluşan bir bandı geçmek için birleşirler; açıkça, bant teorisine dayalı açıklama.

V atomları, periyodik tablodaki solundaki metallerden (skandiyum ve titanyum) biraz daha küçük olduğundan ve elektronik özellikleri göz önüne alındığında, metalik bağları daha güçlüdür; en yüksek erime noktasında ve dolayısıyla daha uyumlu atomlarıyla yansıtılan bir gerçek.

Hesaplamalı araştırmalara göre, vanadyumun bcc yapısı, 60 GPa'lık muazzam basınçlar altında bile kararlıdır. Bu basınç aşıldığında, kristali 434 GPa'ya kadar stabil kalan eşkenar dörtgen faza geçiş yapar; bcc yapısı yeniden göründüğünde.

Oksidasyon numaraları

Tek başına vanadyumun elektron konfigürasyonu, atomunun beş elektrona kadar kaybedebileceğini gösterir. Asal gaz argonu bu olduğunda, izoelektronik hale gelir ve ^{V5 +} katyonunun varlığı varsayılır .

Benzer şekilde, +1 ile +5 arasında değişen pozitif oksidasyon sayılarına sahip olan elektron kaybı kademeli olabilir (hangi türe bağlı olduğuna bağlı olarak); bu nedenle, bileşiklerinde, ilgili katyonların V ⁺ , V2 ⁺ ve benzerlerinin varlığı varsayılır .

Vanadyum ayrıca metalik bir anyona dönüşerek elektron kazanabilir. Negatif yükseltgenme sayıları: -1 (V ^- ) ve -3 (V ^3- ). V ^3'ün elektron konfigürasyonu :

3d ⁶ 4s ²

³ boyutlu yörüngelerin doldurulmasını tamamlamak için dört elektrondan yoksun olmasına rağmen, V ^3- , teoride (elektronlarını vermek için) aşırı derecede elektropozitif türlere ihtiyaç duyan V ^7'den daha enerjik olarak kararlıdır .

Uygulamalar

-Metal

Titanyum çelik alaşımları

Vanadyum, ilave edildiği alaşımlara mekanik, termal ve titreşim direnci ile sertlik sağlar. Örneğin, ferrovanadyum (demir ve vanadyum alaşımı) veya vanadyum karbür olarak, diğer metallerle birlikte çelikte veya titanyum alaşımlarında eklenir.

Bu şekilde alet (matkaplar ve anahtarlar), dişliler, otomobil veya uçak parçaları, türbinler, bisikletler, jet motorları, bıçaklar, diş implantları vb. Olarak kullanılabilecek çok sert ve hafif malzemeler oluşturulur.

Ayrıca galyum (V ₃ Ga) içeren alaşımları süper iletkendir ve mıknatıs üretiminde kullanılır. Ayrıca, düşük reaktiviteleri göz önüne alındığında, vanadyum alaşımları, aşındırıcı kimyasal reaktiflerin çalıştığı borular için kullanılır.

Vanadyum redoks piller

Vanadyum, redoks pillerin, VRB'lerin bir parçasıdır (İngilizce kısaltması için: Vanadium Redox Piller). Bunlar, elektrikli araçlarda pillerin yanı sıra güneş ve rüzgar enerjisinden elektrik üretimini teşvik etmek için kullanılabilir.

-Kompozitler

Pigment

V ₂ O ₅ cam ve seramiğe altın rengi vermek için kullanılır. Öte yandan, bazı minerallerdeki varlığı, zümrütlerde olduğu gibi (ve diğer metaller sayesinde) onları yeşilimsi hale getirir.

katalizatör

V ₂ O ₅ aynı zamanda, sülfirik asit ve maleik anhidrit asit sentezi için kullanılan bir katalizördür. Diğer metal oksitlerle karıştırıldığında, propan ve propilenin sırasıyla akrolein ve akrilik aside oksidasyonu gibi diğer organik reaksiyonları katalize eder.

Tıbbi

Vanadyum komplekslerinden oluşan ilaçlar, diyabet ve kanser tedavisi için mümkün ve potansiyel adaylar olarak kabul edilmiştir.

Biyolojik rol

Renkli ve toksik bileşikleri olan vanadyumun, izlerdeki iyonlarının ( çoğunlukla VO ⁺ , VO ₂ ⁺ ve VO ₄ ^3- ) canlılar için yararlı ve gerekli olması ironik görünüyor ; özellikle deniz habitatları.

Sebepler, oksidasyon durumlarına, biyolojik ortamda kaç tane ligand koordine ettiği (veya etkileştiği), vanadat ve fosfat anyonu (VO ₄ ^3- ve PO ₄ ^3- ) arasındaki analojiye ve incelenen diğer faktörlere odaklanmıştır. biyoinorganik kimyasallarla.

Vanadyum atomları daha sonra enzimlere veya proteinlere ait olan atomlarla, ya dört (koordinasyon tetrahedron), beş (kare piramit veya diğer geometriler) veya altı etkileşime girebilir. Bu meydana geldiğinde vücut için olumlu bir reaksiyon tetiklenirse, vanadyumun farmakolojik aktivite gösterdiği söylenir.

Örneğin, haloperoksidazlar vardır: vanadyumu kofaktör olarak kullanabilen enzimler. Aynı şekilde, bu metalle etkileşime girebilen vanabinler (tunikatların vanadosit hücrelerinde), fosforilazlar, nitrojenazlar, transferinler ve serum albüminleri (memelilerin) vardır.

Amanita muscaria (alttaki resim) gibi bazı mantarların vücutlarında amavadin adı verilen organik bir molekül veya vanadyum koordinasyon kompleksi bulunur.

Amanita muscaria mantarı. Kaynak: Pixabay.

Ve son olarak, bazı komplekslerde vanadyum, hemoglobindeki demirde olduğu gibi bir heme grubunda bulunabilir.

Referanslar

1. Shiver ve Atkins. (2008). İnorganik kimya . (Dördüncü baskı). Mc Graw Hill.
2. Vikipedi. (2019). Vanadyum. En.wikipedia.org adresinden kurtarıldı
3. Ashok K. Verma ve P. Modak. (Sf). Vanadyum'da yüksek basınç altında fonon kararsızlığı ve yapısal faz geçişleri. Yüksek Basınç Fiziği Bölümü, Bhabha Atom Araştırma Merkezi, Trombay, Mumbai-400085, Hindistan.
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 Temmuz 2019). Vanadyum Gerçekleri (V veya Atom Numarası 23). Kurtarıldı: thinkco.com
5. Richard Mills. (24 Ekim 2017). Vanadyum: Onsuz yapamayacağımız ve üretemeyeceğimiz metal. Glacier Media Group. Madencilik.com'dan kurtarıldı
6. Ulusal Biyoteknoloji Bilgi Merkezi. (2019). Vanadyum. PubChem Veritabanı. CID = 23990. Kaynak: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Clark Jim. (2015). Vanadyum. Kurtarıldı: chemguide.co.uk
8. Pierce Sarah. (2019). Vanadyum nedir? Kullanımlar, Gerçekler ve İzotoplar. Ders çalışma. Study.com'dan kurtarıldı
9. Crans & col. (2004). Vanadyumun Kimyası ve Biyokimyası ve Vanadyum Bileşiklerinin Uyguladığı Biyolojik Aktiviteler. Kimya Bölümü, Colorado Eyalet Üniversitesi, Fort Collins, Colorado 80523-1872.