Vanadio

Vanadio, V, numero atomico 23

Prezzo del vanadio, occorrenza, recupero e uso

Il vanadio, anch'esso obsoleto, è un elemento chimico con il simbolo V e il numero atomico 23. È un metallo di transizione grigio acciaio, luccicante bluastro, molto morbido allo stato puro. Nella tavola periodica, il metallo, insieme al niobio, al tantalio e al dubnio più pesanti, forma il 5 ° gruppo o gruppo del vanadio. La maggior parte del vanadio viene utilizzata come cosiddetto ferrovanadio nella produzione di acciaio. L'aggiunta di vanadio negli acciai al cromo vanadio aumenta la tenacità e quindi aumenta la resistenza dell'acciaio.

L'elemento ha significati biologici diversi ed è essenziale per molti esseri viventi. Svolge un ruolo nel controllo degli enzimi di fosforilazione e viene utilizzato dai batteri per fissare l'azoto.

Il composto più noto del vanadio è l'ossido di vanadio (V), che viene utilizzato come catalizzatore per la produzione di acido solforico.

Il successivo vanadio fu scoperto per la prima volta nel 1801 dal mineralogista spagnolo Andrés Manuel del Río in un minerale di piombo messicano, in seguito vanadinite. Inizialmente ha chiamato il nuovo elemento a causa delle connessioni multicolori panchromium, più tardi Erythronium, poiché i sali diventavano rossi quando acidificati. Tuttavia, del Rio revocò la scoperta poco tempo dopo, quando prima Alexander von Humboldt e poi il chimico francese HV Collett-Desotils affermarono che il nuovo elemento era cromo contaminato a causa della sua somiglianza con i composti del cromo.

La riscoperta dell'elemento riuscì nel 1830 ad opera del chimico svedese Nils Gabriel Sefström. Ha esaminato il ferro dalla miniera di ferro svedese Taberg sciogliendolo in acido cloridrico. Oltre ad altre sostanze note, scoprì un elemento sconosciuto che somigliava al cromo in alcune proprietà e all'uranio in altre, ma non era uno di questi elementi dopo ulteriori indagini. Ha chiamato il nuovo elemento dopo Vanadis, un epiteto della divinità nordica Freyja. Poco tempo dopo, Friedrich Wöhler, che si era già occupato del compito a Berzelius, fornì la prova dell'identità del vanadio con l'eritronio.

Il vanadio metallico fu prodotto per la prima volta nel 1867 da Henry Enfield Roscoe riducendo il cloruro di vanadio (II) con idrogeno. Il vanadio puro al 99,7% fu ottenuto per la prima volta nel 1925 da John Wesley Marden e Malcolm Rich riducendo l'ossido di vanadio (V) con il calcio.

Il vanadio fu utilizzato per la prima volta nel 1903, quando il primo acciaio contenente vanadio fu prodotto in Inghilterra. Il maggiore utilizzo dell'elemento nell'industria siderurgica iniziò nel 1905, quando Henry Ford iniziò a utilizzare gli acciai al vanadio nella costruzione di automobili.

 

Presenza 

vanadinite
Promozione del minerale di vanadio

Il vanadio è un elemento comune sulla terra, la sua parte del continente

Il vanadio è un elemento comune sulla Terra, la sua parte della crosta continentale è di circa 120 ppm. Un'abbondanza simile di elementi ha zirconio, cloro e cromo. L'elemento non appare dignitoso, ma legato solo a diversi minerali. Nonostante l'abbondanza di depositi di vanadio con alte concentrazioni dell'elemento sono rari, molti minerali di vanadio non sono comuni. Rispetto alla crosta terrestre, il suo contenuto nell'acqua di mare è molto più basso, intorno a 1,3 μg / l.

I minerali di vanadio più importanti includono soprattutto i vanadati come la vanadinite [Pb5(VO4)3Cl], Descloizit Pb (Zn, Cu) [OH | VO4] e carnotite [K2(UO2)2(VO4)2· 3H2O], così come il solfuro di vanadio Patronit VS4. La maggior parte del vanadio si trova in tracce in altri minerali, in particolare minerali di ferro come la magnetite. Il contenuto di vanadio dei minerali di magnetite di titanio è solitamente compreso tra lo 0,3 e lo 0,8%, ma può raggiungere l'1,7% in alcuni minerali sudafricani.

Animali e piante contengono vanadio, quindi gli esseri umani contengono circa 0,3 mg / kg di elemento. Questo si trova principalmente nei nuclei delle cellule o nei mitocondri. Alcuni esseri viventi, in particolare alcune specie di schizzi di mare e agarico di mosca, sono in grado di arricchire il vanadio. Negli schizzi di mare il contenuto di vanadio è fino a 107 a volte grande come nell'acqua di mare circostante. A causa del contenuto di vanadio degli esseri viventi, anche il carbone e il petrolio greggio che ne derivano contengono vanadio. Il contenuto è fino allo 0,1%. Livelli particolarmente elevati di vanadio si trovano nel petrolio proveniente dal Venezuela e dal Canada.

Nel 2006 sono state estratte un totale di 55.700 tonnellate di minerale di vanadio (calcolato come metallo di vanadio). I paesi produttori più importanti sono Sud Africa, Cina e Russia. Il vanadio non è una materia prima scarsa, ci sono riserve note di 63 milioni di tonnellate.

 

Estrazione e presentazione 

Il vanadio è rappresentato in diversi passaggi. Prima di tutto, l'ossido di vanadio (V) deve essere ottenuto da vari materiali di partenza. Questo può quindi essere ridotto a metallo elementare e pulito se necessario.

Possibili materiali di partenza da cui si può estrarre il vanadio sono minerali di vanadio come carnotite o patronite, minerali di titanio-magnetite contenenti vanadio e petrolio. I minerali di vanadio erano importanti per la produzione in passato, ma non svolgono più un ruolo importante e sono stati principalmente sostituiti da minerali di titanio-magnetite.

Se il minerale di ferro contenente vanadio viene ridotto a ferro nel processo dell'altoforno, inizialmente il vanadio rimane nella ghisa. Per trasformare ulteriormente la ghisa in acciaio, durante la cottura viene iniettato ossigeno. Il vanadio entra nelle scorie. Contiene fino al 25% ossido di vanadio (V) ed è la principale fonte di recupero dei metalli. Al fine di recuperare l'ossido puro di vanadio (V), le scorie finemente macinate vengono arrostite in modo ossidativo con sali di sodio come cloruro di sodio o carbonato di sodio. Questo forma Natriummetavanadat solubile in acqua, che viene separato dalle scorie residue per lisciviazione. Aggiungendo sali di acido e ammonio, il polvanadato di ammonio insolubile risultante precipita fuori dalla soluzione. Questo può essere convertito arrostendo in ossido di vanadio (V). Da altri minerali contenenti vanadio, l'ossido può essere ottenuto in modo identico. Dal petrolio, il vanadio può essere estratto formando un'emulsione con l'aggiunta di acqua e nitrato di magnesio. L'ulteriore elaborazione avviene come nell'estrazione di minerali di ferro.

L'effettivo recupero del vanadio avviene mediante riduzione dell'ossido di vanadio (V) con altri metalli.

 

Come agente riducente

si possono usare alluminio, calcio, ferrosilicio o carbonio; con quest'ultimo, invece, si formano nella reazione carburi, difficilmente separabili dal metallo.

\ mathrm {V_2O_5 + 5 \ Ca \ longrightarrow 2 \ V + 5 \ CaO}

Riduzione con calcio

Per ottenere vanadio puro, come agente riducente viene utilizzato calcio o alluminio costoso, poiché il ferrosilicio più economico non può raggiungere un'elevata purezza. Mentre il vanadio puro si ottiene direttamente con il calcio, con l'alluminio si forma inizialmente una lega vanadio-alluminio, da cui si ottiene per sublimazione sotto vuoto il vanadio puro.

Tuttavia, gran parte del vanadio non è puro metallo, ma sotto forma di lega ferro-vanadio Ferrovandaiocontenente almeno il 50% di vanadio viene utilizzato. Per produrlo non è necessario estrarre preventivamente il vanadio puro. Invece, la scoria contenente vanadio e ferro viene ridotta a ferro-silicio con ferro-silicio e calce. Questa lega è sufficiente per la maggior parte delle applicazioni tecniche.

Il vanadio più puro può essere prodotto per via elettrochimica o secondo il metodo Van-Arkel-de-Boer. A tale scopo, il vanadio puro viene fuso insieme allo iodio in una fiala di vetro vuota. Lo ioduro di vanadio (III) formato nell'ampolla riscaldata si decompone su un filo di tungsteno caldo per formare vanadio e iodio altamente puri.

\ mathrm {2 \ V + 3 \ I_2 \ rightleftharpoons 2 \ VI_3}

Reazione nel processo Van Arkel-de-Boer

 

Proprietà 

Proprietà fisiche

Struttura cristallina del vanadio, a = 302,4 pm

Il vanadio è un metallo pesante non magnetico, resistente, malleabile e chiaramente blu acciaio con una densità di 6,11 g / cm3. Il vanadio puro è relativamente morbido, ma diventa più duro quando vengono aggiunti altri elementi e quindi ha un'elevata resistenza meccanica. Nella maggior parte delle sue proprietà è simile al suo vicino nella tavola periodica, il titanio. Il punto di fusione del vanadio puro è 1910 ° C, ma questo è notevolmente aumentato da impurità come il carbonio. Con un contenuto di carbonio del 10% si aggira intorno ai 2700 ° C. Il vanadio cristallizza come il cromo o il niobio in una struttura cristallina cubica centrata sul corpo con il gruppo spaziale bar \ {} m 3 e il parametro reticolare a = 302,4 pm oltre a due unità di formula per cella unitaria.

Il vanadio diventa un superconduttore al di sotto di una temperatura di transizione di 5,13 K. Proprio come il vanadio puro, le leghe di vanadio con gallio, niobio e zirconio sono superconduttori. A temperature inferiori a 5,13 K, il vanadio, come il niobio e il tantalio dei metalli del gruppo vanadio, mostra in minuscoli grumi fino a 200 atomi una polarizzazione elettrica spontanea fino ad ora inspiegabile che altrimenti hanno solo le sostanze non metalliche.

 

Proprietà chimiche

Il vanadio è un metallo di base ed è in grado di reagire con molti non metalli. Nell'aria rimane metallico lucido per settimane. Se osservato per periodi di tempo più lunghi, si percepisce una ruggine verde chiaramente visibile. Se il vanadio deve essere conservato, deve essere tenuto sotto argon. Nel calore viene attaccato dall'ossigeno e ossidato ad ossido di vanadio (V). Mentre il carbonio e l'azoto reagiscono con il vanadio solo quando è incandescente, la reazione con fluoro e cloro avviene a freddo.

Rispetto agli acidi e alle basi, il vanadio è di solito stabile a temperatura ambiente a causa di uno strato di ossido sottile e passivante, è attaccato solo da acido fluoridrico e acidi ossidanti forti come acido nitrico caldo, acido solforico concentrato e acqua regia.

Il vanadio è in grado di assorbire l'idrogeno fino a una temperatura di 500 ° C. Il metallo diventa fragile e può essere facilmente polverizzato. L'idrogeno può essere rimosso a 700 ° C sotto vuoto.

 

isotopo 

Sono noti un totale di 25 isotopi e altri 6 isomeri core del vanadio. Di questi, due si verificano naturalmente. Questi sono gli isotopi 50V con una frequenza naturale dello 0,25% e 51V con una frequenza del 99,75%. 50V è debolmente radioattivo, decade con un'emivita di 1,5 x 1017 Anni all'83% sotto cattura di elettroni 50Ti, 17% inferiore a β-Anche il decadimento 50Cr. Entrambi i nuclei possono essere utilizzati per indagini con spettroscopia NMR.

Gli isotopi artificiali più stabili sono 48V con un'emivita di 16 giorni e 49V con un'emivita di 330 giorni. Questi sono usati come traccianti. Tutti gli altri isotopi e isomeri del nucleo sono molto instabili e si disintegrano in pochi minuti o secondi.

 

Utilizzare

Solo una piccola percentuale di vanadio puro viene utilizzata come materiale di rivestimento per combustibili nucleari a causa della sua piccola sezione trasversale di cattura dei neutroni. Tuttavia, possono essere utilizzate anche leghe di vanadio più resistenti. Oltre il 90% della produzione viene utilizzato in una varietà di leghe, principalmente con i metalli ferro, titanio, nichel, cromo, alluminio o manganese. Solo una piccola parte viene utilizzata nei composti, principalmente come ossido di vanadio (V).

Con l'85% del vanadio prodotto, la maggior parte viene consumata nell'industria siderurgica. Poiché ciò non richiede elevate purezza, il ferrovanadio viene utilizzato come materia prima. Il vanadio, anche in piccole quantità di acciai, aumenta significativamente la resistenza e la tenacità e quindi la resistenza all'usura. Ciò è causato dalla formazione di carburo di vanadio duro. A seconda dell'applicazione, vengono aggiunte diverse quantità di vanadio. Ad esempio, acciai strutturali e acciai per utensili contengono solo piccole quantità (da 0,2 a 0,5%) di vanadio, acciaio ad alta velocità fino a 5%. Gli acciai contenenti vanadio sono utilizzati principalmente per utensili e molle sottoposti a sollecitazioni meccaniche. Gli acciai che contengono anche cobalto oltre a ferro e vanadio sono magnetici.

Le leghe di titanio, che contengono vanadio e di solito anche alluminio, sono particolarmente stabili e resistenti al calore e sono utilizzate nella costruzione di aeromobili per parti di supporto e pale di turbine di motori di aeromobili.

Il vanadio è utilizzato come elettrolita principale in un tipo di cosiddetta cella di flusso redox; un esempio di tale applicazione è l'accumulatore redox al vanadio.

 

prova 

Un campione preliminare è fornito dal granulo di sale di fosforo, in cui il vanadio appare di un verde caratteristico nella fiamma di riduzione. La fiamma di ossidazione è giallo pallido e quindi troppo aspecifica.

L'evidenza qualitativa del vanadio si basa sulla formazione di ioni perossovanadio. Per fare ciò, una soluzione acida contenente vanadio nello stato di ossidazione +5 viene miscelata con un po 'di perossido di idrogeno. Il bruno-rossastro [V (O2)]3+-cation. Questo reagisce con quantità maggiori di perossido di idrogeno per formare l'acido perossovanadico giallo pallido H.3[VO2(O2)2].

Quantitativamente, il vanadio può essere determinato mediante titolazione. A tale scopo, una soluzione di acido solforico contenente vanadio viene ossidata con permanganato di potassio in vanadio pentavalente e successivamente titolata con una soluzione di solfato di ferro (II) e difenilammina come indicatore. È anche possibile una riduzione del presente vanadio pentavalente con solfato di ferro (II) allo stato di ossidazione tetravalente e successiva titolazione potenziometrica con soluzione di permanganato di potassio.

Nella moderna analisi il vanadio può essere rilevato con diversi metodi. Questi sono, ad esempio, la spettrometria di assorbimento atomico a 318,5 nm e la spettrofotometria con N-benzoil-N-fenilidrossilammina come reagente di colore a 546 nm.

 

Significato biologico

I composti del vanadio hanno diversi significati biologici. La caratteristica del vanadio è che è sia anionico che vanadato, e cationico come VO2+, VO2+ o V3+ si verifica. I vanadati sono molto simili ai fosfati e di conseguenza hanno effetti simili. Poiché il vanadato si lega più fortemente agli enzimi adatti rispetto al fosfato, è in grado di bloccare e quindi controllare gli enzimi della fosforilazione. Ciò riguarda, ad esempio, la sodio-potassio-ATPasi, che controlla il trasporto di sodio e potassio nelle cellule. Questo blocco può essere rimosso rapidamente con la desferrioxamina B, che forma un complesso stabile con il vanadato. Inoltre, il vanadio influenza l'assorbimento del glucosio. È in grado di stimolare la glicolisi nel fegato e inibire il processo competitivo della gluconeogenesi. Ciò porta ad un abbassamento del livello di glucosio nel sangue. Pertanto, è stato valutato se i composti del vanadio sono adatti per il trattamento del diabete mellito di tipo 2. Tuttavia, non sono stati ancora trovati risultati chiari. Inoltre, il vanadio stimola anche l'ossidazione dei fosfolipidi e sopprime la sintesi del colesterolo inibendo lo squalene sintasi, un sistema enzimatico microsomiale epatico. Di conseguenza, la carenza provoca livelli elevati di colesterolo e trigliceridi nel plasma sanguigno.

Il vanadio svolge un ruolo nella fotosintesi nelle piante. È in grado di catalizzare la reazione per formare acido 5-aminolevulinico senza enzima. Questo è un importante precursore della formazione della clorofilla.

In alcuni organismi si verificano enzimi contenenti vanadio, quindi alcuni batteri hanno azotasi contenenti vanadio che fissano l'azoto. Queste sono, ad esempio, specie del genere Azotobacter così come il cianobatterio Anabaenavariabilis, Tuttavia, queste nitrogenasi non sono così efficienti come le più comuni nitrogenasi del molibdeno e sono quindi attivate solo nella carenza di molibdeno. Altri enzimi contenenti vanadio si trovano nelle alghe brune e nei licheni. Questi possiedono aloperossidasi contenenti vanadio, con cui costruiscono composti organici contenenti cloro, bromo o iodio.

La funzione del vanadio, che è presente in grandi quantità negli schizzi di mare come la metalloproteina vanabina, non è ancora nota. Originariamente si pensava che il vanadio, simile all'emoglobina, fungesse da trasportatore di ossigeno; tuttavia, è stato riscontrato che questo è sbagliato.

 

pericoli 

Come altre polveri metalliche, anche la polvere di vanadio è infiammabile. Il vanadio e i suoi composti inorganici hanno dimostrato di essere cancerogeni negli studi sugli animali. Sono quindi classificati nella categoria di cancerogenicità 2. Se la polvere di vanadio viene inalata per lungo tempo dai lavoratori della fusione dei metalli, ad esempio, può verificarsi il cosiddetto vanadismo. Questa malattia professionale riconosciuta può manifestarsi con irritazione delle mucose, scolorimento nero verdastro della lingua, nonché malattie croniche bronchiali, polmonari e intestinali.

 

Connessioni

Il vanadio può essere presente in composti in vari stati di ossidazione. Spesso i livelli sono +5, +4, +3 e +2, più raramente sono +1, 0, −1 e −3. Gli stati di ossidazione più importanti e più stabili sono +5 e +4.

 

Soluzione acquosa

In soluzione acquosa, il vanadio può essere facilmente convertito in diversi stati di ossidazione. Poiché i vari ioni di vanadio hanno colori caratteristici, si verificano cambiamenti di colore.

In soluzione acida, il vanadio pentavalente forma VO incolore2+Ioni, che inizialmente si riducono a VO tetravalente blu2+sono ioni. Il livello trivalente con V3+Lo ione è di colore verde, il gradino più profondo raggiungibile in soluzione acquosa, la V bivalente2+-Ione è grigio-viola.

 

composti ossigenati 

Il composto vanadio-ossigeno più importante e più stabile è l'ossido di vanadio (V) V2O5. Questo composto di colore arancione viene utilizzato in grandi quantità come catalizzatore per la produzione di acido solforico. Lì agisce come un vettore di ossigeno e durante la reazione diventa un altro ossido di vanadio, l'ossido di vanadio (IV) VO2 ridotto. Ulteriori ossidi di vanadio noti sono ossido di vanadio (III) V2O3 e ossido di vanadio (II) VO.

In una soluzione alcalina, l'ossido di vanadio (V) forma vanadati, sali con l'anione VO43-. Tuttavia, a differenza degli analoghi fosfati, lo ione vanadato è la forma più stabile; I vanadati di idrogeno e diidrogeno nonché l'acido di vanadio libero sono instabili e conosciuti solo in soluzioni acquose diluite. Se le soluzioni di vanadato basiche vengono acidificate, si formano polivanadati al posto dei vanadati di idrogeno, in cui si accumulano fino a dieci unità di vanadato. I vanadati possono essere trovati in vari minerali, esempi sono vanadinite, descloicite e carnotite.

 

composti alogenati 

Il vanadio forma un gran numero di composti con gli alogeni fluoro, cloro, bromo e iodio. Solo un composto, il fluoruro di vanadio (V), è noto nello stato di ossidazione +5. Negli stati di ossidazione +4, +3 e +2 ci sono composti con tutti gli alogeni, solo con iodio sono noti solo composti negli stati +2 e +3. Di questi alogenuri, tuttavia, solo i cloruri cloruro di vanadio (IV) e cloruro di vanadio (III) sono tecnicamente rilevanti. Tra le altre cose, servono come catalizzatore per la produzione di gomma etilene-propilene-diene.

 

Vanadiumoxidchloride 

Il vanadio forma anche sali misti con ossigeno e cloro, il cosiddetto Vanadiumoxidchloride, Il cloruro di ossido di vanadio (III), VOCl, è una polvere abbronzante e solubile in acqua. Il cloruro di ossido di vanadio (IV), VOCl. Utilizzato in fotografia e come macchia tessile2 è costituito da pastiglie di cristallo igroscopiche verdi che si dissolvono in acqua di colore blu. Vanadio (V) ossicloruro, VOCl3 dopotutto, è un liquido giallo che è molto facilmente idrolizzato dall'acqua. VOCl3 funge da componente catalizzatore nella polimerizzazione a bassa pressione.

 

Ulteriori composti di vanadio

Nei composti organici del vanadio, il vanadio raggiunge i suoi stati di ossidazione più bassi 0, −I e −III. I metalloceni, i cosiddetti vanadoceni, sono particolarmente importanti qui. Questi sono usati come catalizzatori per la polimerizzazione degli alchini.

Il carburo di vanadio VC viene utilizzato, tra le altre cose, sotto forma di polvere per la spruzzatura di plasma o la saldatura per accumulo di polvere di plasma. Inoltre, il carburo di vanadio viene aggiunto ai metalli duri per ridurre la crescita del grano. Il risultato sono i cosiddetti cermet, che sono particolarmente duri e resistenti all'usura.

Generale
Nome, simbolo, numero atomico Vanadio, V, 23
Serie I metalli di transizione
Gruppo, periodo, blocco 5, 4, d
Aspetto grigio acciaio metallizzato, bluastro luccicante
numero CAS 7440-62-2
Frazione di massa del guscio di terra 0,041%
nucleare
massa atomica 50,9415 u
Raggio atomico (calcolato) 135 (171) pm
Raggio covalente 153 pm
configurazione elettronica [Ar] 3d3 4s2
1. ionizzazione 650,9 kJ / mol
2. ionizzazione 1414 kJ / mol
3. ionizzazione 2830 kJ / mol
4. ionizzazione 4507 kJ / mol
5. ionizzazione 6298,7 kJ / mol
fisicamente
stato fisico fisso
struttura cristallina cubico centrato sul corpo
densità 6,11 g / cm3 (20 ° C)
durezza Mohs 7,0
magnetismo paramagnetico (\ Chi_ {m} = 3,8 10-4)
punto di fusione 2183 K (1910 ° C)
punto di ebollizione 3680 K (3407 ° C)
Volume molare 8,32 · 10-6 m3/ mol
Calore di vaporizzazione 453 kJ / mol
calore di fusione 21,5, kJ / mol
velocità del suono 4560 m / s su 293,15 K
Capacità termica specifica 489 J / (kg K)
Conducibilità elettrica 5 · 106 A / (V · m)
conducibilità termica 31 W / (m · K)
Chimico
stati di ossidazione +5, + 4, + 3, + 2
elettronegatività 1,63 (scala Pauling)
isotopo
isotopo NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
48V {Syn.} 15,9735 d ε 4,012 48Ti
49V {Syn.} 330 d ε 0,602 49Ti
50V 0,25% 1,5 · 1017 a ε 2,208 50Ti
β- 1,037 50Cr
51V 99,75 % stabile
sicurezza
GHS l'etichettatura delle sostanze pericolose
nessun pittogramma GHS

Frasi H e P: nessuna frase H.EUH: nessuna tariffa EUHP: nessuna frase-P Informazioni pericolosiPolvere

Facilmente infiammabile bello
leggero
infiammabile
bello
(F) (Xi)

R- und S-SätzeR: 17-36/37/38 (Pulver)S: 7-26-33-37-43-60 (Pulver)

 

Prezzi del vanadio

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