Vanádio, V, número atômico 23
Preço, ocorrência, recuperação e uso de vanádio
O vanádio, também desatualizado, é um elemento químico com o símbolo V e o número atômico 23. É um metal de transição cinza-aço, cintilante azulado, muito macio em seu estado puro. Na tabela periódica, o metal, junto com o nióbio mais pesado, o tântalo e o dubnium, forma o 5º grupo ou grupo do vanádio. A maior parte do vanádio é usada como ferrovanádio na produção de aço. A adição de vanádio aos aços cromo-vanádio aumenta a tenacidade e, portanto, aumenta a resistência do aço.
O elemento tem diferentes significados biológicos e é essencial para muitos seres vivos. Desempenha um papel no controle de enzimas de fosforilação e é usado por bactérias para fixar nitrogênio.
O composto de vanádio mais conhecido é o óxido de vanádio (V), que é usado como catalisador para a produção de ácido sulfúrico.
O vanádio posterior foi descoberto pela primeira vez em 1801 pelo mineralogista espanhol Andrés Manuel del Río em um minério de chumbo mexicano, posteriormente vanadinita. Ele inicialmente nomeou o novo elemento por causa das conexões multicoloridas panchromiummais tarde Erythronium, pois os sais ficaram vermelhos quando acidificados. No entanto, del Rio revogou a descoberta pouco tempo depois, quando primeiro Alexander von Humboldt e depois o químico francês HV Collett-Desotils afirmaram que o novo elemento estava contaminado com cromo devido à sua semelhança com compostos de cromo.
A redescoberta do elemento foi realizada em 1830 pelo químico sueco Nils Gabriel Sefström. Ele examinou o ferro da mina sueca Taberg, dissolvendo-o em ácido clorídrico. No processo, ele descobriu, entre outras substâncias conhecidas, um elemento desconhecido que se assemelhava ao cromo em algumas propriedades e ao urânio em outras, mas não era um desses elementos após pesquisas adicionais. Ele nomeou o novo elemento após Vanadis, um epíteto da divindade nórdica Freyja. Pouco tempo depois, Friedrich Wöhler, que já havia lidado com a tarefa em Berzelius, forneceu evidências da identidade do vanádio com o eritronium.
O vanádio metálico foi produzido pela primeira vez em 1867 por Henry Enfield Roscoe reduzindo o cloreto de vanádio (II) com hidrogênio. O vanádio 99,7% puro foi obtido pela primeira vez em 1925 por John Wesley Marden e Malcolm Rich reduzindo o óxido de vanádio (V) com cálcio.
O vanádio foi usado pela primeira vez em 1903, quando o primeiro aço contendo vanádio foi produzido na Inglaterra. O aumento do uso do elemento na indústria siderúrgica começou em 1905, quando Henry Ford começou a usar aços vanádio na construção de automóveis.
ocorrência
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vanadinita
Promoção de minério de vanádio
O vanádio é um elemento comum na terra, a sua parte do continente
O vanádio é um elemento comum na Terra, a sua parte da crosta continental é de cerca de 120 ppm. Uma abundância semelhante de elementos tem zircônio, cloro e cromo. O elemento não parece digno, mas apenas ligado a diferentes minerais. Apesar da abundância de depósitos de vanádio com altas concentrações do elemento serem raros, muitos minerais de vanádio não são comuns. Comparado com a crosta terrestre, o seu conteúdo na água do mar é muito mais baixo, em torno de 1,3 μg / l.
Os minerais de vanádio mais importantes incluem, acima de todos os vanadatos, como vanadinita [Pb5(VO4)3Cl], Descloizit Pb (Zn, Cu) [OH | VO4] e carnotite [K2(UO2)2(VO4)2· 3H2O], bem como o sulfeto de vanádio Patronit VS4. A maior parte do vanádio é encontrada em vestígios de outros minerais, especialmente minérios de ferro como a magnetita. O conteúdo de vanádio dos minérios de magnetita de titânio é geralmente entre 0,3 e 0,8%, mas pode chegar a 1,7% em alguns minérios sul-africanos.
Animais e plantas contêm vanádio, então os humanos contêm cerca de 0,3 mg / kg do elemento. Ele está localizado principalmente nos núcleos celulares ou mitocôndrias. Alguns seres vivos, especialmente algumas espécies de squirt e o agárico-mosca, são capazes de enriquecer o vanádio. Em esguichos do mar, o teor de vanádio é de até 107 às vezes tão grande quanto na água do mar circundante. Devido ao teor de vanádio dos seres vivos, o carvão e o óleo cru que surgem deles também contêm vanádio. O conteúdo é de até 0,1%. Níveis particularmente altos de vanádio são encontrados no petróleo da Venezuela e do Canadá.
Em 2006, um total de 55.700 toneladas de minério de vanádio foram extraídas (calculadas como vanádio metálico). Os países produtores mais importantes são África do Sul, China e Rússia. O vanádio não é uma matéria-prima escassa, são conhecidas reservas de 63 milhões de toneladas.
Extração e apresentação
O vanádio é representado em várias etapas. Em primeiro lugar, o óxido de vanádio (V) deve ser obtido a partir de vários materiais de partida. Isso pode ser reduzido a metal elementar e limpo, se necessário.
Possíveis materiais de partida a partir dos quais o vanádio pode ser extraído são minérios de vanádio, tais como carnotita ou patronita, minérios de titânio-magnetita contendo vanádio e petróleo. Os minérios de vanádio eram importantes para a produção no passado, mas não desempenham mais um papel importante e foram substituídos principalmente por minérios de titânio-magnetita.
Se o minério de ferro contendo vanádio é reduzido a ferro no processo de alto-forno, o vanádio inicialmente permanece no ferro-gusa. Para processar ainda mais o ferro-gusa, o oxigênio é injetado durante a queima. O vanádio entra na escória. Ele contém até 25% de óxido de vanádio (V) e é a principal fonte de recuperação de metais. De modo a recuperar o óxido de vanádio puro (V), a escória finamente moída é torrada oxidativamente com sais de sódio tais como cloreto de sódio ou carbonato de sódio. Isto forma Natriummetavanadat solúvel em água, que é separado da escória residual por lixiviação. Ao adicionar sais de ácido e amónio, o polianradato de amónio insolúvel resultante precipita da solução. Isto pode ser convertido por torrefação em óxido de vanádio (V). De outros minérios contendo vanádio, o óxido pode ser obtido de maneira idêntica. Do petróleo, o vanádio pode ser extraído formando uma emulsão com a adição de água e nitrato de magnésio. O processamento adicional é feito como na extração de minérios de ferro.
A recuperação real do vanádio ocorre pela redução do óxido de vanádio (V) com outros metais.
Como agente redutor
alumínio, cálcio, ferrossilício ou carbono podem ser usados; com o último, entretanto, são formados carbonetos na reação, que são difíceis de separar do metal.
Redução com cálcio
Para obter vanádio puro, cálcio ou alumínio caros são usados como um agente redutor, uma vez que o ferrossilício mais barato não pode atingir alta pureza. Enquanto o vanádio puro é obtido diretamente com o cálcio, uma liga de vanádio-alumínio é inicialmente formada com o alumínio, a partir do qual o vanádio puro é obtido por sublimação no vácuo.
No entanto, grande parte do vanádio não é metal puro, mas na forma de liga de ferro-vanádio ferrovanádiocontendo pelo menos 50% de vanádio. Para produzi-lo, não é necessário extrair previamente o vanádio puro. Em vez disso, a escória contendo vanádio e ferro é reduzida a ferrovanádio com ferro-silício e cal. Esta liga é suficiente para a maioria das aplicações técnicas.
O vanádio mais puro pode ser produzido eletroquimicamente ou de acordo com o método Van-Arkel-de-Boer. Para isso, o vanádio puro é derretido junto com o iodo em uma ampola de vidro vazia. O iodeto de vanádio (III) formado na ampola aquecida se decompõe em um fio de tungstênio quente para formar vanádio e iodo altamente puros.
Reação no processo Van Arkel-de-Boer
Propriedades
Propriedades físicas
Estrutura de cristal de vanádio, a = 302,4 pm
O vanádio é um metal pesado não magnético, resistente, maleável e claramente azul aço com uma densidade de 6,11 g / cm3. O vanádio puro é relativamente macio, mas se torna mais duro quando outros elementos são adicionados e tem alta resistência mecânica. Na maioria de suas propriedades é semelhante ao seu vizinho da tabela periódica, o titânio. O ponto de fusão do vanádio puro é 1910 ° C, mas é significativamente aumentado por impurezas como o carbono. Com um teor de carbono de 10%, está em torno de 2700 ° C. O vanádio se cristaliza como cromo ou nióbio em uma estrutura de cristal cúbico centrado no corpo com o grupo espacial 
e o parâmetro de rede a = 302,4 pm, bem como duas unidades de fórmula por célula unitária.
O vanádio se torna um supercondutor abaixo de uma temperatura de transição de 5,13 K. Assim como o vanádio puro, as ligas de vanádio com gálio, nióbio e zircônio são supercondutoras. Em temperaturas abaixo de 5,13 K, o vanádio, como os metais do grupo vanádio nióbio e tântalo, mostra em pequenos pedaços de até 200 átomos uma polarização elétrica espontânea, até então inexplicada, que de outra forma só é exibida por substâncias não metálicas.
Propriedades químicas
O vanádio é um metal básico e é capaz de reagir com muitos não metais. No ar, permanece metálico brilhante por semanas. Quando visto por longos períodos de tempo, uma ferrugem verde claramente visível é percebida. Se o vanádio for preservado, ele deve ser armazenado sob argônio. No calor, é atacado pelo oxigênio e oxidado a óxido de vanádio (V). Enquanto o carbono e o nitrogênio só reagem com o vanádio quando está incandescente, a reação com o flúor e o cloro ocorre no frio.
Comparado a ácidos e bases, o vanádio é geralmente estável à temperatura ambiente devido a uma fina camada de óxido passivante, é atacado apenas por ácido fluorídrico e ácidos oxidantes fortes, como ácido nítrico quente, ácido sulfúrico concentrado e aqua regia.
O vanádio é capaz de absorver hidrogênio até uma temperatura de 500 ° C. O metal se torna quebradiço e pode ser facilmente pulverizado. O hidrogênio pode ser removido a 700 ° C em vácuo.
isótopo
Um total de 25 isótopos e mais 6 isômeros de núcleo são conhecidos de vanádio. Destes, dois ocorrem naturalmente. Estes são os isótopos 50V com uma frequência natural de 0,25% e 51V com frequência de 99,75%. 50V é fracamente radioativo, decai com meia-vida de 1,5 x 1017 Anos a 83% sob captura de elétrons 50Ti, 17% abaixo de β-Decaimento também 50Cr. Ambos os núcleos podem ser usados para investigações com espectroscopia de NMR.
Os isótopos artificiais mais estáveis são 48V com meia-vida de dias 16 e 49V com meia-vida de 330 dias. Eles são usados como rastreadores. Todos os outros isótopos e isômeros do núcleo são muito instáveis e se desintegram em minutos ou segundos.
Usar
Apenas uma pequena porcentagem de vanádio puro é usada como material de revestimento para combustíveis nucleares devido à sua pequena seção transversal de captura de nêutrons. No entanto, ligas de vanádio mais resistentes também podem ser usadas. Mais de 90% da produção é utilizada em diversas ligas, principalmente com os metais ferro, titânio, níquel, cromo, alumínio ou manganês. Apenas uma pequena parte é usada em compostos, principalmente como óxido de vanádio (V).
Com 85% do vanádio produzido, a maior parte é consumida na indústria siderúrgica. Como isso não requer alta pureza, o ferrovanádio é usado como matéria-prima. O vanádio, mesmo em pequenas quantidades nos aços, aumenta significativamente a força e a tenacidade e, portanto, a resistência ao desgaste. Isso é causado pela formação de carboneto de vanádio duro. Dependendo da aplicação, são adicionadas diferentes quantidades de vanádio. Por exemplo, os aços estruturais e os aços para ferramentas contêm apenas pequenas quantidades (0,2 a 0,5%) de vanádio, aço de alta velocidade de até 5%. Os aços contendo vanádio são utilizados principalmente para ferramentas e molas sob tensão mecânica. Aços que também contêm cobalto além de ferro e vanádio são magnéticos.
As ligas de titânio, que contêm vanádio e geralmente também alumínio, são particularmente estáveis e resistentes ao calor e são usadas na construção de aeronaves para apoiar peças e pás de turbinas de motores de aeronaves.
O vanádio é usado como o eletrólito principal em um tipo de célula de fluxo redox; um exemplo de tal aplicação é o acumulador redox de vanádio.
prova
Um teste preliminar é fornecido pela conta de sal de fósforo, na qual o vanádio aparece verde característico na chama de redução. A chama de oxidação é amarelo pálido e, portanto, muito inespecífica.
A evidência qualitativa para o vanádio é baseada na formação de íons peroxovanádio. Para fazer isso, uma solução ácida contendo vanádio no estado de oxidação +5 é misturada com um pouco de peróxido de hidrogênio. O marrom avermelhado [V (O2)]3+-cation. Este reage com grandes quantidades de peróxido de hidrogênio para formar o ácido peroxovanádico H.3[VO2(O2)2].
Quantitativamente, o vanádio pode ser determinado por titulação. Para este propósito, uma solução de ácido sulfúrico contendo vanádio é oxidada com permanganato de potássio em vanádio pentavalente e depois titulada novamente com uma solução de sulfato de ferro (II) e difenilamina como indicador. Também é possível uma redução do vanádio pentavalente atual com sulfato de ferro (II) no estado de oxidação tetravalente e subsequente titulação potenciométrica com solução de permanganato de potássio.
Na análise moderna, o vanádio pode ser detectado por vários métodos. Estas são, por exemplo, a espectrometria de absorção atômica em 318,5 nm e a espectrofotometria com N-benzoil-N-fenil-hidroxilamina como reagente colorido em 546 nm.
Significado biológico
Os compostos de vanádio têm diferentes significados biológicos. A característica do vanádio é que ele é tanto aniônico quanto vanadato e catiônico como VO2+, VO2+ ou V3+ ocorre. Os vanadatos são muito semelhantes aos fosfatos e, portanto, têm efeitos semelhantes. Como o vanadato se liga mais fortemente às enzimas adequadas do que o fosfato, ele é capaz de bloquear e, assim, controlar as enzimas de fosforilação. Trata-se, por exemplo, da ATPase de sódio-potássio, que controla o transporte de sódio e potássio para as células. Esse bloqueio pode ser removido rapidamente com a desferrioxamina B, que forma um complexo estável com o vanadato. Além disso, o vanádio influencia a captação de glicose. É capaz de estimular a glicólise no fígado e inibir o processo competitivo da gliconeogênese. Isso leva a uma diminuição do nível de glicose no sangue. Portanto, é investigado se os compostos de vanádio são adequados para o tratamento do diabetes mellitus tipo 2. No entanto, ainda não foram encontrados resultados claros. Além disso, o vanádio também estimula a oxidação de fosfolipídios e suprime a síntese de colesterol, inibindo a esqualeno sintase, um sistema enzimático microssômico do fígado. Consequentemente, a deficiência causa níveis elevados de colesterol e triglicerídeos no plasma sanguíneo.
O vanádio desempenha um papel na fotossíntese das plantas. É capaz de catalisar a reação para formar ácido 5-aminolevulínico sem enzima. Este é um importante precursor para a formação de clorofila.
Em alguns organismos, ocorrem enzimas contendo vanádio, portanto algumas bactérias têm nitrogenases contendo vanádio e fixadoras de nitrogênio. São, por exemplo, espécies do gênero azotobacter bem como a cianobactéria Anabaenavariabilis, No entanto, essas nitrogenases não são tão eficientes quanto as nitrogenases de molibdênio mais comuns e, portanto, são ativadas apenas na deficiência de molibdênio. Outras enzimas contendo vanádio são encontradas em algas marrons e líquenes. Eles possuem haloperoxidases contendo vanádio, com as quais constroem compostos orgânicos de cloro, bromo ou iodo.
A função do vanádio, que está presente em grandes quantidades nas ascídias como a metaloproteína vanabina, ainda não é conhecida. Foi originalmente assumido que o vanádio, semelhante à hemoglobina, servia como um transportador de oxigênio; no entanto, isso foi considerado errado.
perigos
Como outras poeiras metálicas, o pó de vanádio também é inflamável. O vanádio e seus compostos inorgânicos demonstraram ser cancerígenos em estudos com animais. São, portanto, classificados na categoria de carcinogenicidade 2. Se o pó de vanádio for inalado por trabalhadores de fundição de metal por um longo tempo, por exemplo, o chamado vanadismo pode ocorrer. Essa doença ocupacional reconhecida pode se manifestar na irritação da membrana mucosa, na descoloração esverdeada da língua e nas doenças crônicas dos brônquios, pulmões e intestinos.
Conexões
O vanádio pode estar presente em compostos em vários estados de oxidação. Freqüentemente, os níveis são +5, +4, +3 e +2, mais raramente são +1, 0, −1 e −3. Os estados de oxidação mais importantes e estáveis são +5 e +4.
Solução aquosa
Em solução aquosa, o vanádio pode ser facilmente convertido em diferentes estados de oxidação. Como os vários íons vanádio têm cores características, ocorrem mudanças de cor.
Em solução ácida, o vanádio pentavalente forma VO incolor2+Íons, que inicialmente se reduzem ao VO tetravalente azul2+Íons. O nível trivalente com V3+O íon é de cor verde, o passo mais profundo possível em solução aquosa, o bivalente V2+-Ion é cinza-violeta.
compostos oxigenados
O composto de vanádio-oxigênio mais importante e mais estável é o óxido de vanádio (V) V2O5. Este composto de cor laranja é usado em grandes quantidades como catalisador para a produção de ácido sulfúrico. Lá ele atua como um carreador de oxigênio e durante a reação torna-se outro óxido de vanádio, óxido de vanádio (IV) VO2 reduzido. Outros óxidos de vanádio conhecidos são óxido de vanádio (III) V2O3 e óxido de vanádio (II) VO.
Em uma solução alcalina, o óxido de vanádio (V) forma vanadatos, sais com o ânion VO43-. Em contraste com os fosfatos análogos, entretanto, o íon vanadato é a forma mais estável; Vanadatos de hidrogênio e dihidrogênio, bem como o ácido de vanádio livre, são instáveis e só são conhecidos em soluções aquosas diluídas. Se as soluções básicas de vanadato são acidificadas, são formados polianadatos em vez de hidrogeno-vanadatos, nos quais se acumulam até dez unidades de vanadato. Os vanadatos podem ser encontrados em vários minerais, os exemplos são vanadinita, descloicita e carnotita.
compostos halogenados
O vanádio forma um grande número de compostos com os halogênios flúor, cloro, bromo e iodo. Apenas um composto, fluoreto de vanádio (V), é conhecido no estado de oxidação +5. Nos estados de oxidação +4, +3 e +2, existem compostos com todos os halogênios, apenas com iodo, apenas os compostos nos estados +2 e +3 são conhecidos. Destes halogenetos, no entanto, apenas os cloretos cloreto de vanádio (IV) e cloreto de vanádio (III) são tecnicamente relevantes. Entre outras coisas, eles servem como um catalisador para a produção de borracha de etileno-propileno-dieno.
Vanadiumoxidchloride
O vanádio também forma sais misturados com oxigênio e cloro, os chamados Vanadiumoxidchloride, O cloreto de óxido de vanádio (III), VOCl, é um pó bronzeado e solúvel em água. O cloreto de óxido de vanádio (IV), VOCl. Usado na fotografia e como uma mancha têxtil2 consiste em comprimidos de cristal higroscópico verdes que se dissolvem em água com uma cor azul. Oxicloreto de vanádio (V), VOCl3 afinal, é um líquido amarelo que é facilmente hidrolisado pela água. VOCl3 serve como um componente catalisador na polimerização a baixa pressão.
Outros compostos de vanádio
Em compostos orgânicos de vanádio, o vanádio atinge seus estados de oxidação mais baixos 0, −I e −III. Os metalocenos, os chamados vanadocenos, são particularmente importantes aqui. Estes são usados como catalisadores para a polimerização de alcinos.
O carboneto de vanádio VC é usado na forma de pó, entre outras coisas, para pulverização por plasma ou soldagem por acúmulo de pó de plasma. Além disso, o carboneto de vanádio é adicionado aos metais duros para reduzir o crescimento de grãos. O resultado são os chamados cermets, que são particularmente duros e resistentes ao desgaste.
| Geral | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nome, símbolo, número atômico | Vanádio, V, 23 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| série | metais de transição | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Grupo, período, bloco | 5, 4, d | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Aparência | aço cinza metálico, azulado cintilante | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| número CAS | 7440-62-2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Fração de massa da concha de terra | 0,041% | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| nuclear | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| massa atômica | 50,9415 u | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Raio atômico (calculado) | 135 (171) pm | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Raio covalente | 153 pm | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| configuração electrónica | [Ar] 3d3 4s2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. ionização | 650,9 kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. ionização | 1414 kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3. ionização | 2830 kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 4. ionização | 4507 kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 5. ionização | 6298,7 kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| fisicamente | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| estado físico | fest | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| estrutura de cristal | centrado no corpo cúbico | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| densidade | 6,11 g / cm3 (20 ° C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| dureza de Mohs | 7,0 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| magnetismo | paramagnético ( = 3,8 10-4) |
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| ponto de fusão | 2183 K (1910 ° C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| ponto de ebulição | 3680 K (3407 ° C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Volume molar | 8,32 · 10-6 m3/ mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Calor de vaporização | 453 kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| calor de fusão | 21,5[5] kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| velocidade do som | 4560 m / s em 293,15 K | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Capacidade de calor específico | 489 J / (kg K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Condutividade elétrica | 5 · 106 A / (v · m) | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| condutividade térmica | 31 W / (m K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Químico | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| estados de oxidação | +5, + 4, + 3, + 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| eletronegatividade | 1,63 (escala de Pauling) | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| isótopo | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| segurança | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| sem pictogramas GHS |
Frases H e PH: sem frases HEUH: nenhuma taxa de EUHP: sem frases P Informações perigososPó
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 |
| leve inflamável |
encantador |
| (F) | (Xi) |
R- und S-SätzeR: 17-36/37/38 (Pulver)S: 7-26-33-37-43-60 (Pulver)
Preços de vanádio
