Vanadio, V, número atómico 23
Precio de vanadio, ocurrencia, recuperación y uso
El vanadio, también obsoleto, es un elemento químico con el símbolo V y el número atómico 23. Es un metal de transición de color gris acero, azulado brillante, muy suave en su estado puro. En la tabla periódica, el metal, junto con el niobio, el tantalio y el dubnio más pesados, forman el quinto grupo o grupo de vanadio. La mayor parte del vanadio se utiliza como ferrovanadio en la producción de acero. La adición de vanadio en aceros al cromo-vanadio aumenta la tenacidad y, por lo tanto, aumenta la resistencia del acero.
El elemento tiene diferentes significados biológicos y es esencial para muchos seres vivos. Desempeña un papel en el control de las enzimas de fosforilación y las bacterias lo utilizan para fijar nitrógeno.
El compuesto más conocido de vanadio es el óxido de vanadio (V), que se utiliza como catalizador para la producción de ácido sulfúrico.
El vanadio posterior fue descubierto por primera vez en 1801 por el mineralogista español Andrés Manuel del Río en un mineral de plomo mexicano, más tarde vanadinita. Inicialmente nombró el nuevo elemento debido a las conexiones multicolores panchromiumdespues erythronium, ya que las sales se vuelven rojas cuando se acidifican. Sin embargo, del Rio revocó el descubrimiento poco tiempo después, cuando primero Alexander von Humboldt y luego el químico francés HV Collett-Desotils afirmaron que el nuevo elemento era cromo contaminado debido a su similitud con los compuestos de cromo.
El redescubrimiento del elemento tuvo éxito en 1830 por el químico sueco Nils Gabriel Sefström. Examinó el hierro de la mina de mineral de hierro sueca Taberg disolviéndolo en ácido clorhídrico. Al hacerlo, descubrió, entre otras sustancias conocidas, un elemento desconocido que se parecía al cromo en algunas propiedades y al uranio en otras, pero no era uno de estos elementos después de una investigación adicional. Llamó al nuevo elemento por Vanadis, un epíteto de la deidad nórdica Freyja. Poco tiempo después, Friedrich Wöhler, que ya se había ocupado de la tarea en Berzelius, proporcionó pruebas de la identidad del vanadio con el eritronio.
El vanadio metálico fue producido por primera vez en 1867 por Henry Enfield Roscoe al reducir el cloruro de vanadio (II) con hidrógeno. El vanadio puro al 99,7% fue obtenido por primera vez en 1925 por John Wesley Marden y Malcolm Rich reduciendo el óxido de vanadio (V) con calcio.
El vanadio se utilizó por primera vez en 1903 cuando se produjo el primer acero que contenía vanadio en Inglaterra. El uso cada vez mayor del elemento en la industria del acero comenzó en 1905 cuando Henry Ford comenzó a utilizar aceros al vanadio en la construcción de automóviles.
Ocurrencia
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vanadinita
Promoción del mineral de vanadio.
El vanadio es un elemento común en la tierra, su participación en el continente
El vanadio es un elemento común en la Tierra, su parte de la corteza continental es de aproximadamente 120 ppm. Una abundancia similar de elementos tiene circonio, cloro y cromo. El elemento no parece digno, sino que solo está ligado a diferentes minerales. A pesar de la abundancia de depósitos de vanadio con altas concentraciones del elemento son raros, muchos minerales de vanadio no son comunes. En comparación con la corteza terrestre, su contenido en agua de mar es mucho más bajo, alrededor de 1,3 μg / l.
Los minerales de vanadio más importantes incluyen sobre todo vanadatos como la vanadinita [Pb5(VO4)3Cl], Descloizit Pb (Zn, Cu) [OH | VO4] y carnotita [K2(UO2)2(VO4)2· 3H2O], así como el sulfuro de vanadio Patronit VS4. La mayor parte del vanadio se encuentra en trazas de otros minerales, especialmente minerales de hierro como la magnetita. El contenido de vanadio de los minerales de magnetita de titanio suele estar entre el 0,3 y el 0,8%, pero puede alcanzar hasta el 1,7% en algunos minerales de Sudáfrica.
Los animales y las plantas contienen vanadio, por lo que los seres humanos contienen aproximadamente 0,3 mg / kg del elemento. Se encuentra principalmente en núcleos celulares o mitocondrias. Algunos seres vivos, especialmente algunas especies de ascidia y el agárico de mosca, pueden enriquecer el vanadio. En los chorros de mar el contenido de vanadio es de hasta 107 a veces tan grande como en el agua de mar circundante. Debido al contenido de vanadio de los seres vivos, el carbón y el petróleo crudo que surgen de ellos también contienen vanadio. El contenido es de hasta 0,1%. Se encuentran niveles particularmente altos de vanadio en el petróleo de Venezuela y Canadá.
En 2006 se extrajo un total de 55.700 toneladas de mineral de vanadio (calculado como vanadio metálico). Los países productores más importantes son Sudáfrica, China y Rusia. El vanadio no es una materia prima escasa, se conocen reservas de 63 millones de toneladas.
Extracción y presentación.
El vanadio se representa en varios pasos. En primer lugar, el óxido de vanadio (V) debe obtenerse a partir de diversos materiales de partida. Esto luego se puede reducir a metal elemental y limpiar si es necesario.
Posibles materiales de partida de los que se puede extraer el vanadio son minerales de vanadio tales como carnotita o patronita, minerales de titanio-magnetita que contienen vanadio y petróleo. Los minerales de vanadio fueron importantes para la producción en el pasado, pero ya no juegan un papel importante y han sido reemplazados principalmente por minerales de titanio y magnetita.
Si el mineral de hierro que contiene vanadio se reduce a hierro en el proceso de alto horno, el vanadio inicialmente permanece en el arrabio. Para procesar aún más el arrabio en acero, se inyecta oxígeno durante la cocción. El vanadio entra en la escoria. Contiene hasta 25% de óxido de vanadio (V) y es la principal fuente de recuperación de metales. Para recuperar el óxido puro de vanadio (V), la escoria finamente molida se tuesta oxidativamente con sales de sodio tales como cloruro de sodio o carbonato de sodio. Esto forma Natriummetavanadat soluble en agua, que se separa de la escoria residual mediante lixiviación. Al agregar ácido y sales de amonio, el polivanadato de amonio insoluble resultante precipita de la solución. Esto se puede convertir tostando en óxido de vanadio (V). A partir de otros minerales que contienen vanadio, el óxido se puede obtener de la misma manera. Del petróleo, el vanadio se puede extraer formando una emulsión con la adición de agua y nitrato de magnesio. El procesamiento posterior se realiza como en la extracción de minerales de hierro.
La recuperación real de vanadio se lleva a cabo mediante la reducción del óxido de vanadio (V) con otros metales.
Como agente reductor
se pueden utilizar aluminio, calcio, ferrosilicio o carbono; con este último, sin embargo, se forman carburos en la reacción, que son difíciles de separar del metal.
Reducción con calcio
Para obtener vanadio puro, se utiliza calcio o aluminio caro como agente reductor, ya que el ferrosilicio más barato no puede alcanzar una alta pureza. Mientras que el vanadio puro se obtiene directamente con calcio, inicialmente se forma una aleación de vanadio-aluminio con aluminio, a partir del cual se obtiene el vanadio puro por sublimación en vacío.
Sin embargo, gran parte del vanadio no es metal puro, sino en forma de aleación de hierro-vanadio. ferrovanadioque contiene al menos 50% de vanadio. Para producir esto, no es necesario extraer previamente el vanadio puro. En cambio, la escoria que contiene vanadio y hierro se reduce a ferrovanadio con ferrosilicio y cal. Esta aleación es suficiente para la mayoría de aplicaciones técnicas.
El vanadio más puro puede producirse electroquímicamente o según el método Van-Arkel-de-Boer. Para ello, el vanadio puro se funde junto con el yodo en una ampolla de vidrio vacía. El yoduro de vanadio (III) formado en la ampolla calentada se descompone en un alambre de tungsteno caliente para formar vanadio y yodo de alta pureza.
Reacción en el proceso de Van Arkel-de-Boer
Propiedades
Propiedades fisicas
Estructura cristalina de vanadio, a = 302,4 pm
El vanadio es un metal pesado no magnético, resistente, maleable y claramente azul acero con una densidad de 6,11 g / cm.3. El vanadio puro es relativamente blando, pero se vuelve más duro cuando se agregan otros elementos y luego tiene una alta resistencia mecánica. En la mayoría de sus propiedades es similar a su vecino de la tabla periódica, el titanio. El punto de fusión del vanadio puro es de 1910 ° C, pero aumenta significativamente con impurezas como el carbono. Con un contenido de carbono del 10% ronda los 2700 ° C. El vanadio cristaliza como el cromo o el niobio en una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo con el grupo espacial 
y el parámetro de celosía a = 302,4 pm y dos unidades de fórmula por celda unitaria.
El vanadio se convierte en superconductor por debajo de una temperatura de transición de 5,13 K. Al igual que el vanadio puro, las aleaciones de vanadio con galio, niobio y circonio son superconductoras. A temperaturas inferiores a 5,13 K, el vanadio, al igual que el niobio y el tantalio, metales del grupo del vanadio, muestra en pequeños trozos de hasta 200 átomos una polarización eléctrica espontánea, hasta ahora inexplicable, que de otro modo solo la presentan sustancias no metálicas.
Propiedades quimicas
El vanadio es un metal base y puede reaccionar con muchos no metales. En el aire permanece metálico brillante durante semanas. Cuando se observa durante períodos de tiempo más prolongados, se percibe un óxido verde claramente visible. Si se va a conservar el vanadio, debe mantenerse bajo argón. En el calor, es atacado por el oxígeno y se oxida a óxido de vanadio (V). Mientras que el carbono y el nitrógeno solo reaccionan con el vanadio cuando es incandescente, la reacción con el flúor y el cloro se produce en frío.
En comparación con los ácidos y las bases, el vanadio generalmente es estable a temperatura ambiente debido a una capa delgada de óxido pasivante, es atacado solo por el ácido fluorhídrico y ácidos oxidantes fuertes como el ácido nítrico caliente, ácido sulfúrico concentrado y agua regia.
El vanadio es capaz de absorber hidrógeno hasta una temperatura de 500 ° C. El metal se vuelve quebradizo y se puede pulverizar fácilmente. El hidrógeno se puede eliminar a 700 ° C en vacío.
isótopo
Se conocen un total de 25 isótopos y otros 6 isómeros de núcleo de vanadio. De estos, dos ocurren naturalmente. Estos son los isótopos 50V con una frecuencia natural de 0,25% y 51V con una frecuencia del 99,75%. 50V es débilmente radiactivo, se desintegra con una vida media de 1,5 x 1017 Años al 83% bajo captura de electrones 50Ti, 17% por debajo de β-Decadencia también 50Cr. Ambos núcleos se pueden utilizar para investigaciones con espectroscopia de RMN.
Los isótopos artificiales más estables son 48V con una vida media de días 16 y 49V con una vida media de 330 días. Estos se utilizan como trazadores. Todos los demás isótopos e isómeros del núcleo son muy inestables y se desintegran en minutos o segundos.
Utilizar
Solo un pequeño porcentaje de vanadio puro se utiliza como material de revestimiento para combustibles nucleares debido a su pequeña sección transversal de captura de neutrones. Sin embargo, también se pueden utilizar aleaciones de vanadio más resistentes. Más del 90% de la producción se utiliza en una variedad de aleaciones, principalmente con los metales hierro, titanio, níquel, cromo, aluminio o manganeso. Solo una pequeña parte se usa en compuestos, principalmente como óxido de vanadio (V).
Con 85% del vanadio producido, con mucho, la mayor parte se consume en la industria del acero. Como esto no requiere altas purezas, el ferrovanadio se utiliza como materia prima. El vanadio, incluso en pequeñas cantidades en aceros, aumenta significativamente la resistencia y la tenacidad y, por lo tanto, la resistencia al desgaste. Esto es causado por la formación de carburo de vanadio duro. Dependiendo de la aplicación, se agregan diferentes cantidades de vanadio. Por ejemplo, los aceros estructurales y los aceros para herramientas contienen solo pequeñas cantidades (0,2 a 0,5%) de vanadio, acero de alta velocidad de hasta 5%. Los aceros que contienen vanadio se usan principalmente para herramientas y resortes estresados mecánicamente. Los aceros que también contienen cobalto además de hierro y vanadio son magnéticos.
Las aleaciones de titanio, que contienen vanadio y generalmente también aluminio, son particularmente estables y resistentes al calor y se utilizan en la construcción de aviones para soportar piezas y álabes de turbinas de motores de aviones.
El vanadio se usa como electrolito principal en un tipo de celda de flujo redox; un ejemplo de tal aplicación es el acumulador redox de vanadio.
prueba
Una muestra preliminar la proporciona la perla de sal de fósforo, en la que el vanadio aparece de color verde característico en la llama de reducción. La llama de oxidación es de color amarillo pálido y, por tanto, demasiado inespecífica.
La evidencia cualitativa del vanadio se basa en la formación de iones de peroxovanadio. Para hacer esto, se mezcla una solución ácida que contiene vanadio en el estado de oxidación +5 con un poco de peróxido de hidrógeno. El marrón rojizo [V (O2)]3+-catión. Este reacciona con cantidades mayores de peróxido de hidrógeno para formar el ácido peroxovanádico de color amarillo pálido H.3[VO2(O2)2].
Cuantitativamente, el vanadio se puede determinar mediante valoración. Para este propósito, una solución de ácido sulfúrico que contiene vanadio se oxida con permanganato de potasio a vanadio pentavalente y luego se vuelve a valorar con una solución de sulfato de hierro (II) y difenilamina como indicador. También es posible una reducción del presente vanadio pentavalente con sulfato de hierro (II) al estado de oxidación tetravalente y la posterior valoración potenciométrica con solución de permanganato de potasio.
En la analítica moderna, el vanadio puede detectarse por varios métodos. Estos son, por ejemplo, la espectrometría de absorción atómica a 318,5 nm y la espectrofotometría con N-benzoil-N-fenilhidroxilamina como reactivo de color a 546 nm.
Importancia biológica
Los compuestos de vanadio tienen diferentes significados biológicos. La característica del vanadio es que es aniónico como vanadato y catiónico como VO2+, VO2+ o V3+ ocurre. Los vandatos son muy similares a los fosfatos y, por lo tanto, tienen efectos similares. Dado que el vanadato se une más fuertemente a las enzimas adecuadas que el fosfato, puede bloquear y así controlar las enzimas de fosforilación. Esto se refiere, por ejemplo, a la ATPasa sodio-potasio, que controla el transporte de sodio y potasio a las células. Este bloqueo se puede eliminar rápidamente con deferoxamina B, que forma un complejo estable con vanadato. Además, el vanadio influye en la absorción de glucosa. Es capaz de estimular la glucólisis en el hígado e inhibir el proceso competitivo de la gluconeogénesis. Esto conduce a una disminución del nivel de glucosa en la sangre. Por lo tanto, se investiga si los compuestos de vanadio son adecuados para el tratamiento de la diabetes mellitus tipo 2. Sin embargo, aún no se han encontrado resultados claros. Además, el vanadio también estimula la oxidación de fosfolípidos y suprime la síntesis de colesterol al inhibir la escualeno sintasa, un sistema de enzimas microsomales del hígado. En consecuencia, la deficiencia provoca niveles elevados de colesterol y triglicéridos en el plasma sanguíneo.
El vanadio juega un papel en la fotosíntesis de las plantas. Es capaz de catalizar la reacción para formar ácido 5-aminolevulínico sin enzima. Este es un precursor importante de la formación de clorofila.
En algunos organismos se producen enzimas que contienen vanadio, por lo que algunas bacterias tienen nitrogenasas que contienen vanadio fijadoras de nitrógeno. Estas son, por ejemplo, especies del género Azotobacter así como la cianobacteria Anabaenavariabilis, Sin embargo, estas nitrogenasas no son tan eficientes como las nitrogenasas de molibdeno más comunes y, por lo tanto, se activan solo en la deficiencia de molibdeno. Otras enzimas que contienen vanadio se encuentran en las algas pardas y los líquenes. Estos poseen haloperoxidasas que contienen vanadio, con las cuales forman compuestos orgánicos de cloro, bromo o yodo.
La función del vanadio, que está presente en grandes cantidades en las ascidias marinas como la metaloproteína vanabina, aún no se conoce. Originalmente se asumió que el vanadio, similar a la hemoglobina, sirve como transportador de oxígeno; sin embargo, se ha encontrado que esto es incorrecto.
peligros
Al igual que otros polvos metálicos, el polvo de vanadio también es inflamable. El vanadio y sus compuestos inorgánicos han demostrado ser cancerígenos en estudios con animales. Por lo tanto, se clasifican en la categoría de carcinogenicidad 2. Si los trabajadores en la fundición de metales inhalan polvo de vanadio durante mucho tiempo, por ejemplo, puede ocurrir el llamado vanadismo. Esta reconocida enfermedad profesional puede manifestarse en la irritación de las membranas mucosas, la decoloración negra verdosa de la lengua, así como en enfermedades bronquiales, pulmonares e intestinales crónicas.
Conexiones
El vanadio puede estar presente en compuestos en varios estados de oxidación. A menudo los niveles son +5, +4, +3 y +2, más raramente son +1, 0, −1 y −3. Los estados de oxidación más importantes y estables son +5 y +4.
Solución acuosa
En solución acuosa, el vanadio se puede convertir fácilmente en diferentes estados de oxidación. Como los diversos iones de vanadio tienen colores característicos, se producen cambios de color.
En solución ácida, el vanadio pentavalente forma VO incoloro2+Iones, que al principio se reducen a VO tetravalente azul2+Iones El nivel trivalente con V3+El ión es de color verde, el paso más profundo que se puede lograr en solución acuosa, el V bivalente2+-Ion es gris-violeta.
compuestos oxigenados
El compuesto de vanadio-oxígeno más importante y más estable es el óxido de vanadio (V) V2O5. Este compuesto de color naranja se utiliza en grandes cantidades como catalizador para la producción de ácido sulfúrico. Allí actúa como portador de oxígeno y durante la reacción se convierte en otro óxido de vanadio, el óxido de vanadio (IV) VO2 reducido. Otros óxidos de vanadio conocidos son el óxido de vanadio (III) V2O3 y óxido de vanadio (II) VO.
En una solución alcalina, el óxido de vanadio (V) forma vanadatos, sales con el anión VO43-. Sin embargo, en contraste con los fosfatos análogos, el ión vanadato es la forma más estable; Los vanadatos de hidrógeno y dihidrógeno, así como el ácido de vanadio libre, son inestables y solo se conocen en soluciones acuosas diluidas. Si se acidifican las soluciones básicas de vanadato, se forman polvanadatos en lugar de vanadatos de hidrógeno, en los que se acumulan hasta diez unidades de vanadato. Los vanadatos se pueden encontrar en varios minerales, ejemplos son vanadinita, descloicita y carnotita.
compuestos halogenados
El vanadio forma una multitud de compuestos con los halógenos flúor, cloro, bromo y yodo. Solo hay un compuesto conocido en el estado de oxidación +5, el fluoruro de vanadio (V). En los estados de oxidación +4, +3 y +2 hay compuestos con todos los halógenos, solo con yodo solo se conocen compuestos en los estados +2 y +3. De estos haluros, sin embargo, solo los cloruros cloruro de vanadio (IV) y cloruro de vanadio (III) son técnicamente relevantes. Entre otras cosas, sirven como catalizador para la producción de caucho de etileno-propileno-dieno.
Vanadiumoxidchloride
El vanadio también forma sales mixtas con oxígeno y cloro, los llamados Vanadiumoxidchloride, El cloruro de óxido de vanadio (III), VOCl, es un polvo bronceado soluble en agua. El cloruro de óxido de vanadio (IV), VOCl. Utilizado en fotografía y como una mancha textil2 consta de tabletas de cristal higroscópicas verdes que se disuelven en agua con un color azul. Oxicloruro de vanadio (V), VOCl3 después de todo, es un líquido amarillo que se hidroliza muy fácilmente con agua. VOCl3 sirve como componente catalítico en la polimerización a baja presión.
Otros compuestos de vanadio
En los compuestos orgánicos de vanadio, el vanadio alcanza sus estados de oxidación más bajos 0, −I y −III. Los metalocenos, los llamados vanadocenos, son aquí particularmente importantes. Estos se utilizan como catalizadores para la polimerización de alquinos.
El carburo de vanadio VC se utiliza en forma de polvo, entre otras cosas, para la pulverización de plasma o la soldadura de acumulación de polvo de plasma. Además, se agrega carburo de vanadio a los metales duros para reducir el crecimiento de grano. El resultado son los llamados cermets, que son particularmente duros y resistentes al desgaste.
| General | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nombre, símbolo, número atómico | Vanadio, V, 23 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| serie | Los metales de transición | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Grupo, período, bloque | 5, 4, d | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Apariencia | gris acero metalizado, brillante azulado | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| CAS | 7440-62-2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Fracción de masa de la capa de tierra | 0,041% | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| nuclear | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| masa atómica | 50,9415 u | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Radio atómico (calculado) | 135 (171) pm | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Radio covalente | . | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| configuración electrónica | [Ar] 3d3 4s2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. ionización | 650,9 kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. ionización | 1414 kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3. ionización | 2830 kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 4. ionización | 4507 kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 5. ionización | 6298,7 kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| físicamente | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| estado físico | fest | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| estructura cristalina | centrado en el cuerpo cúbico | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| densidad | 6,11 g / cm3 (20 ° C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| dureza de Mohs | 7,0 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| magnetismo | paramagnético = 3,8 10-4) |
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| punto de fusión | 2183 K (1910 ° C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| punto de ebullición | 3680 K (3407 ° C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Volumen molar | 8,32 · 10-6 m3/ mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| El calor de vaporización | 453 kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| calor de fusión | 21,5[ 5 ] kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| velocidad del sonido | 4560 m / s en 293,15 K | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Capacidad calorífica específica | 489 J / (kg K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Conductividad electrica | 5 · 106 A / (V · m) | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| conductividad térmica | 31 W / (m K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Químico | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| estados de oxidación | +5, + 4, + 3, + 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| electronegatividad | 1,63 (escala Pauling) | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| isótopo | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| seguridad | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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| sin pictogramas GHS |
Frases H y P H: sin frases HEUH: sin tarifas EUHP: sin frases P Información peligrososPolvo
 |
 |
| ligero inflamable |
precioso |
| (F) | (Xi) |
R- und S-SätzeR: 17-36/37/38 (Pulver)S: 7-26-33-37-43-60 (Pulver)
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