VANADIUM: LỊCH SỬ, ĐẶC TÍNH, CẤU TRÚC, SỬ DỤNG - HÓA HỌC - 2026

Các vanadi là kim loại chuyển tiếp thứ ba trong bảng tuần hoàn, đại diện bởi các biểu tượng V. hóa học không phải là phổ biến như các kim loại khác, nhưng những người hiểu thép và titaniums bạn đang nghe đề cập đến như một phụ gia để tăng cường trong các hợp kim hoặc các công cụ. Về mặt vật lý, nó đồng nghĩa với độ cứng, và về mặt hóa học, với màu sắc.

Một số nhà hóa học dám mô tả nó như một kim loại tắc kè hoa, có khả năng sử dụng nhiều màu sắc trong các hợp chất của nó; Thuộc tính điện tử tương tự như của các kim loại mangan và crom. Ở trạng thái nguyên bản và tinh khiết, nó trông giống như các kim loại khác: bạc, nhưng có màu hơi xanh. Sau khi rỉ sét, nó trông như hình dưới đây.

Các mảnh vanadi kim loại với các lớp oxit vàng mỏng óng ánh. Nguồn: Jurii

Trong hình ảnh này, ánh kim của oxit hầu như không được phân biệt, điều này phụ thuộc vào lớp hoàn thiện hoặc bề mặt của tinh thể kim loại. Lớp oxit này bảo vệ nó khỏi quá trình oxy hóa tiếp tục và do đó, khỏi bị ăn mòn.

Khả năng chống ăn mòn, cũng như chống nứt do nhiệt như vậy được cung cấp cho hợp kim khi các nguyên tử V được thêm vào chúng. Tất cả những điều này, mà không làm tăng trọng lượng của nó quá nhiều, vì vanadi không phải là một kim loại nặng mà là một kim loại nhẹ; không giống như những gì nhiều người có thể nghĩ.

Tên của nó bắt nguồn từ nữ thần Bắc Âu Vanadís, từ Scandinavia; tuy nhiên, nó được phát hiện ở Mexico, như một phần của khoáng vật vanadinite, Pb _{5 3} Cl, dạng tinh thể màu đỏ. Vấn đề là để thu được nó từ khoáng chất này và nhiều loại khác, vanadi phải được chuyển thành một hợp chất dễ khử hơn oxit của nó, V ₂ O ₅ (bị khử bằng canxi).

Các nguồn khác của vanadi nằm trong các sinh vật biển, hoặc trong dầu thô, "bị giam cầm" trong các petroporphyrin.

Trong dung dịch, màu sắc mà các hợp chất của nó có thể có, tùy thuộc vào trạng thái oxy hóa của chúng, là màu vàng, xanh lam, xanh lục đậm hoặc tím. Vanadi không chỉ nổi bật về những con số hoặc trạng thái oxy hóa (từ -1 đến +5), mà còn về khả năng phối hợp theo những cách khác nhau với môi trường sinh học.

Hóa học của vanadi rất phong phú, bí ẩn, và so với các kim loại khác, vẫn còn rất nhiều ánh sáng cần phải soi rọi để hiểu rõ về nó.

Lịch sử

Khám phá

Mexico có vinh dự là quốc gia phát hiện ra nguyên tố này. Nhà khoáng vật học Andrés Manuel del Río, vào năm 1801, khi phân tích một khoáng chất màu đỏ mà chính ông gọi là chì nâu (vanadinite, Pb _{5 3} Cl), đã chiết xuất ra các oxit kim loại có đặc tính không tương ứng với bất kỳ nguyên tố nào được biết vào thời điểm đó.

Do đó, lần đầu tiên ông rửa tội cho nguyên tố này với cái tên 'Pancromo' vì sự đa dạng về màu sắc của các hợp chất của nó; sau đó ông đổi tên nó là 'Erythrono', từ tiếng Hy Lạp erythronium, có nghĩa là màu đỏ.

Bốn năm sau, nhà hóa học người Pháp Hippolyte Victor Collet Descotils đã thuyết phục được Del Río rút lại tuyên bố của mình bằng cách gợi ý rằng erythron không phải là một nguyên tố mới mà là các tạp chất của crom. Và phải mất hơn 20 năm người ta mới biết được điều gì đó về nguyên tố bị lãng quên này được phát hiện trong đất Mexico.

Sự xuất hiện của tên

Năm 1830, nhà hóa học Thụy Sĩ Nils Gabriel Sefström đã phát hiện ra một nguyên tố mới khác trong khoáng chất sắt, mà ông gọi là vanadi; tên bắt nguồn từ nữ thần Bắc Âu Vanadís, so với vẻ đẹp của nó với màu sắc rực rỡ của các hợp chất của kim loại này.

Cùng năm đó, nhà địa chất học người Đức George William Featherstonhaugh đã chỉ ra rằng vanadi và erythron thực sự là cùng một nguyên tố; và mặc dù ông muốn tên của Dòng sông trở nên thịnh hành bằng cách gọi nó là 'Rionio', đề nghị của ông đã không được chấp nhận.

Sự cách ly

Để cô lập vanadi, cần phải khử nó khỏi các khoáng chất của nó, và giống như scandium và titan, nhiệm vụ này không dễ dàng do ái lực bền bỉ của nó với oxy. Đầu tiên nó phải được biến đổi thành các loài tương đối dễ giảm; Trong quá trình này, Berzelius đã thu được vanadi nitride vào năm 1831, mà ông đã nhầm với kim loại bản địa.

Năm 1867, nhà hóa học người Anh Henry Enfield Roscoe, đã đạt được quá trình khử vanadi (II) clorua, VCl ₂ , thành vanadi kim loại bằng cách sử dụng khí hydro. Tuy nhiên, kim loại mà nó tạo ra là không tinh khiết.

Cuối cùng, đánh dấu sự khởi đầu của lịch sử công nghệ của vanadi, một mẫu có độ tinh khiết cao thu được bằng cách khử V ₂ O ₅ bằng canxi kim loại. Một trong những công dụng nổi bật đầu tiên của nó là làm khung gầm của xe Ford Model T.

Tính chất

Ngoại hình

Ở dạng tinh khiết, nó là một kim loại màu xám với âm bội hơi xanh, mềm và dễ uốn. Tuy nhiên, khi được phủ một lớp oxit (đặc biệt là sản phẩm của bật lửa), nó có màu sắc nổi bật như thể một con tắc kè hoa bằng pha lê.

Khối lượng phân tử

50,9415 g / mol

Độ nóng chảy

1910 ° C

Điểm sôi

3407 ° C

Tỉ trọng

-6,0 g / mL, ở nhiệt độ phòng

-5,5 g / mL, ở điểm nóng chảy, tức là nó hầu như không tan chảy.

Nhiệt của nhiệt hạch

21,5 kJ / mol

Nhiệt hóa hơi

444 kJ / mol

Nhiệt dung mol

24,89 J / (mol K)

Áp suất hơi

1 Pa ở 2101 K (thực tế không đáng kể ngay cả ở nhiệt độ cao).

Độ âm điện

1,63 trên thang điểm Pauling.

Năng lượng ion hóa

Thứ nhất: 650,9 kJ / mol (V ⁺ khí)

Thứ hai: 1414 kJ / mol (V ^{2+ ở thể} khí)

Thứ ba: 2830 kJ / mol (V ^{3+ ở thể} khí)

Độ cứng Mohs

6,7

Sự phân hủy

Khi đun nóng nó có thể thoát ra khói độc V ₂ O ₅ .

Màu sắc của dung dịch

Từ trái sang phải, các dung dịch với vanadi ở các trạng thái oxi hóa khác nhau: +5, +4, +3 và +2. Nguồn: W. Oelen qua Wikipedia.

Một trong những đặc điểm chính và đáng chú ý của vanadi là màu sắc của các hợp chất của nó. Khi một số trong số chúng được hòa tan trong môi trường axit, các dung dịch (chủ yếu là nước) thể hiện màu sắc cho phép người ta phân biệt một số hoặc trạng thái oxy hóa với một số khác.

Ví dụ, hình trên cho thấy bốn ống nghiệm với vanadi ở các trạng thái oxy hóa khác nhau. Hình bên trái, màu vàng, tương ứng với V ⁵⁺ , cụ thể là cation VO ₂ ⁺ . Sau đó, nó được theo sau bởi cation VO ²⁺ , với V ⁴⁺ , có màu xanh lam; cation V ³⁺ , màu lục đậm; và V ²⁺ , màu tím hoặc màu hoa cà.

Khi cho dung dịch gồm hỗn hợp V ⁴⁺ và V ⁵⁺ thì thu được màu xanh lục (sản phẩm là màu vàng với màu xanh lam).

Phản ứng

Lớp V ₂ O ₅ trên vanadi bảo vệ nó khỏi phản ứng với axit mạnh, chẳng hạn như sulfuric hoặc hydrochloric, bazơ mạnh, và ngoài sự ăn mòn do quá trình oxy hóa tiếp tục.

Khi đun nóng trên 660 ° C, vanadi bị ôxy hóa hoàn toàn, trông giống như một chất rắn màu vàng với ánh kim (tùy thuộc vào các góc của bề mặt của nó). Oxit màu vàng cam này có thể bị hòa tan nếu thêm axit nitric, chất này sẽ làm vanadi trở lại màu bạc.

Đồng vị

Hầu hết tất cả các nguyên tử vanadi trong Vũ trụ (99,75% trong số đó) là khoảng đồng vị ⁵¹ V, trong khi một phần rất nhỏ (0,25%) tương ứng với đồng vị ⁵⁰ V. Do đó, không có gì ngạc nhiên khi trọng lượng nguyên tử của vanadi là 50,9415 u (gần 51 hơn 50).

Các đồng vị khác là chất phóng xạ và tổng hợp, với chu kỳ bán rã (t _1/2 ) nằm trong khoảng từ 330 ngày ( ⁴⁹ V), 16 ngày ( ⁴⁸ V), vài giờ hoặc 10 giây.

Cấu trúc và cấu hình điện tử

Nguyên tử Vanadi, V, được sắp xếp theo cấu trúc tinh thể lập phương tâm khối (bcc), là sản phẩm của liên kết kim loại của chúng. Trong số các cấu trúc, đây là cấu trúc ít đặc nhất, với năm điện tử hóa trị của nó tham gia vào "biển điện tử", theo cấu hình điện tử:

3d ³ 4s ²

Do đó, ba điện tử của quỹ đạo 3d, và hai trong số quỹ đạo 4s, hợp nhất để chuyển một dải được hình thành do sự xen phủ của các obitan hóa trị của tất cả các nguyên tử V của tinh thể; rõ ràng, giải thích dựa trên lý thuyết ban nhạc.

Bởi vì các nguyên tử V nhỏ hơn một chút so với các kim loại ở bên trái (scandium và titan) trong bảng tuần hoàn, và do các đặc điểm điện tử của chúng, liên kết kim loại của chúng mạnh hơn; một thực tế được phản ánh ở điểm nóng chảy cao nhất của nó và do đó, với các nguyên tử gắn kết hơn.

Theo các nghiên cứu tính toán, cấu trúc bcc của vanadi ổn định ngay cả khi chịu áp suất rất lớn 60 GPa. Một khi áp suất này bị vượt quá, tinh thể của nó trải qua quá trình chuyển đổi sang pha hình thoi, pha này vẫn ổn định đến 434 GPa; khi cấu trúc bcc xuất hiện trở lại.

Số oxi hóa

Chỉ riêng cấu hình electron của vanadi đã chỉ ra rằng nguyên tử của nó có khả năng mất tới năm electron. Khi nó xảy ra, argon khí cao quý trở thành đẳng điện tử và sự tồn tại của cation V ⁵⁺ được giả định .

Tương tự như vậy, sự mất đi của các electron có thể dần dần (tùy thuộc vào loài mà nó được liên kết với nhau), có các số oxi hóa dương thay đổi từ +1 đến +5; do đó, trong các hợp chất của nó, sự tồn tại của các cation V ⁺ , V ²⁺ tương ứng được giả định .

Vanadi cũng có thể thu được các điện tử, biến thành anion kim loại. Các số oxi hóa âm của nó là: -1 (V ^- ) và -3 (V ^3- ). Cấu hình electron của V ^3- là:

3d ⁶ 4s ²

Mặc dù nó thiếu 4 electron để hoàn thành việc lấp đầy các obitan 3d, nhưng V ^3- bền về mặt năng lượng hơn V ^7- , về mặt lý thuyết sẽ cần các loại cực kỳ điện dương (để cung cấp cho nó các electron).

Các ứng dụng

-Kim loại

Hợp kim thép titan

Vanadi cung cấp khả năng chống cơ học, nhiệt và chống dao động, cũng như độ cứng cho các hợp kim mà nó được thêm vào. Ví dụ, như ferrovanadi (hợp kim sắt và vanadi), hoặc cacbua vanadi, nó được thêm vào cùng với các kim loại khác trong thép hoặc trong hợp kim titan.

Bằng cách này, các vật liệu rất cứng và nhẹ được tạo ra, hữu ích để sử dụng làm công cụ (khoan và cờ lê), bánh răng, phụ tùng ô tô hoặc máy bay, tuabin, xe đạp, động cơ phản lực, dao, cấy ghép nha khoa, v.v.

Ngoài ra, các hợp kim của nó với gali (V ₃ Ga) là siêu dẫn và được sử dụng để sản xuất nam châm. Ngoài ra, do khả năng phản ứng thấp, các hợp kim vanadi được sử dụng cho các đường ống nơi chạy các chất phản ứng hóa học ăn mòn.

Pin oxy hóa khử Vanadium

Vanadium là một phần của pin oxy hóa khử, VRBs (từ viết tắt của nó trong tiếng Anh: Vanadium Redox Batboards). Chúng có thể được sử dụng để thúc đẩy sản xuất điện từ năng lượng mặt trời và năng lượng gió, cũng như pin trong xe điện.

-Composites

Thuốc màu

V ₂ O ₅ được dùng để tạo màu vàng cho thủy tinh và gốm sứ. Mặt khác, sự hiện diện của nó trong một số khoáng chất làm cho chúng có màu xanh lục, điều này cũng xảy ra với ngọc lục bảo (và cả các kim loại khác).

Chất xúc tác

V ₂ O ₅ cũng là chất xúc tác được sử dụng để tổng hợp axit sunfuric và axit anhydrit maleic. Hỗn hợp với các oxit kim loại khác, nó xúc tác các phản ứng hữu cơ khác, chẳng hạn như quá trình oxy hóa propan và propylen tương ứng thành acrolein và axit acrylic.

Thuốc

Thuốc bao gồm các phức hợp vanadi được coi là có thể và là ứng cử viên tiềm năng để điều trị bệnh tiểu đường và ung thư.

Vai trò sinh học

Có vẻ mỉa mai rằng vanadi, là hợp chất độc và nhiều màu sắc của nó, các ion của nó ( chủ yếu là VO ⁺ , VO ₂ ⁺ và VO ₄ ^3- ) ở dạng vết lại có lợi và cần thiết cho chúng sinh; đặc biệt là những sinh cảnh biển.

Các lý do tập trung vào các trạng thái oxy hóa của nó, với bao nhiêu phối tử trong môi trường sinh học mà nó phối hợp (hoặc tương tác), về sự tương tự giữa anion vanadat và photphat (VO ₄ ^3- và PO ₄ ^3- ), và các yếu tố khác được nghiên cứu. bằng hóa chất vô cơ sinh học.

Các nguyên tử vanadi sau đó có thể tương tác với các nguyên tử đó thuộc về enzym hoặc protein, hoặc với bốn (tứ diện phối trí), năm (kim tự tháp vuông hoặc các hình học khác) hoặc sáu. Nếu khi điều này xảy ra một phản ứng thuận lợi cho cơ thể được kích hoạt, thì người ta nói rằng vanadium phát huy tác dụng dược lý.

Ví dụ, có các haloperoxidaza: các enzym có thể sử dụng vanadi làm đồng yếu tố. Tương tự như vậy, có các vanabins (trong tế bào vanadocyte của áo dài), phosphorylase, nitrogenase, transferin và albumin huyết thanh (của động vật có vú), có khả năng tương tác với kim loại này.

Một phân tử hữu cơ hoặc phức hợp phối hợp vanadi được gọi là amavadin, có trong cơ thể của một số loại nấm, chẳng hạn như Amanita muscaria (hình dưới).

Nấm amanita muscaria. Nguồn: Pixabay.

Và cuối cùng, trong một số phức hợp, vanadi có thể được chứa trong một nhóm heme, như trường hợp của sắt trong hemoglobin.

Người giới thiệu

1. Rùng mình & Atkins. (2008). Hóa học vô cơ . (Tái bản lần thứ tư). Đồi Mc Graw.
2. Wikipedia. (2019). Vanadi. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
3. Ashok K. Verma & P. ​​Modak. (sf). Sự không ổn định của phonon và sự chuyển pha cấu trúc trong Vanadi dưới áp suất cao. Phòng Vật lý Cao áp, Trung tâm Nghiên cứu Nguyên tử Bhabha, Trombay, Mumbai-400085, Ấn Độ.
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 03 tháng 7 năm 2019). Sự kiện Vanadi (V hoặc Số nguyên tử 23). Phục hồi từ: thinkco.com
5. Richard Mills. (Ngày 24 tháng 10 năm 2017). Vanadi: Kim loại chúng ta không thể làm mà không có và không sản xuất. Tập đoàn truyền thông Glacier. Được khôi phục từ: mining.com
6. Trung tâm Thông tin Công nghệ Sinh học Quốc gia. (2019). Vanadi. Cơ sở dữ liệu PubChem. CID = 23990. Được khôi phục từ: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Clark Jim. (2015). Vanadi. Được khôi phục từ: chemguide.co.uk
8. Pierce Sarah. (2019). Vanadium là gì? Công dụng, Sự kiện & Đồng vị. Học. Phục hồi từ: study.com
9. Crans & col. (2004). Hóa học và hóa sinh của Vanadi và các hoạt động sinh học do các hợp chất Vanadi tạo ra. Khoa Hóa học, Đại học Bang Colorado, Fort Collins, Colorado 80523-1872.