Biologia vanadiului
Vanadiul este reprezentat în mai mulți pași. În primul rând, oxidul de vanadiu (V) trebuie obținut din diverse materii prime. Acest lucru poate fi apoi redus la metal elementar și curățat, dacă este necesar.
Posibile materii prime din care se poate extrage vanadiul sunt minereuri de vanadiu, cum ar fi carnotita sau patronitul, minereurile de magneziu de titan care conțin vanadiu și petrolul. Minereurile de vanadiu au fost importante pentru producție în trecut, dar nu mai joacă un rol important și au fost înlocuite în principal cu minereuri de titan-magnetit.
Dacă minereurile de fier care conțin vanadiu sunt reduse la fier în procesul de furnal, vanadiul rămâne inițial în fonta brută. Pentru a prelucra fonta în oțel, oxigenul este suflat în timpul procesului de rafinare. Vanadiul intră în zgură. Acesta conține până la 25% oxid de vanadiu (V) și este cea mai importantă sursă pentru extracția metalului. Pentru a obține oxidul de vanadiu (V) pur, zgura fin măcinată este prăjită într-un mod oxidant cu săruri de sodiu, cum ar fi clorură de sodiu sau carbonat de sodiu. În acest proces, se formează metavanadat de sodiu solubil în apă, care este separat de zgura rămasă prin levigare. Polvanadatul de amoniu insolubil rezultat precipită din soluție prin adăugarea de săruri de acid și amoniu. Acesta poate fi transformat în oxid de vanadiu (V) prin prăjire. Oxidul poate fi obținut și din alte minereuri care conțin vanadiu în mod identic. Vanadiul poate fi extras din petrol prin formarea unei emulsii prin adăugarea de apă și azotat de magneziu. Prelucrarea ulterioară are loc ca și la extracția din minereuri de fier. [13]
Producția efectivă de vanadiu are loc prin reducerea oxidului de vanadiu (V) cu alte metale. Aluminiu, calciu, ferosilicon sau carbon pot fi folosiți ca agenți reducători; cu acestea din urmă, totuși, se formează carburi în reacție, care sunt greu de separat de metal.
Pentru a obține vanadiu pur, calciul sau aluminiul scump sunt utilizate ca agent de reducere, deoarece ferosiliciul mai ieftin nu poate atinge o puritate ridicată. În timp ce vanadiul pur se obține direct cu calciu, un aliaj de vanadiu-aluminiu se formează inițial cu aluminiu, din care se obține vanadiu pur prin sublimare în vid.
O mare parte din vanadiu, însă, nu este disponibil ca metal pur, ci sub formă de aliaj de fier-vanadiu Ferrovanadiu, care conține cel puțin 50% vanadiu [13] este utilizat. Pentru a produce acest lucru, nu este necesar să extrageți în prealabil vanadiul pur. În schimb, zgura care conține vanadiu și fier este redusă la ferrovanadiu cu fero-siliciu și var. Acest aliaj este suficient pentru majoritatea aplicațiilor tehnice.
Cel mai pur vanadiu poate fi produs fie electrochimic, fie conform metodei Van-Arkel-de-Boer. În acest scop, vanadiul pur este topit împreună cu iod într-o fiolă de sticlă goală. Iodura de vanadiu (III) formată în fiola încălzită se descompune pe o sârmă fierbinte de tungsten pentru a forma vanadiu și iod foarte pure.
caracteristici
Proprietăți fizice
Vanadiul este un metal greu nemagnetic, dur, maleabil și clar albastru-oțel, cu o densitate de 6,11 g/cm 3. [13] Vanadiul pur este relativ moale, dar atunci când se adaugă alte elemente devine mai greu și apoi are o rezistență mecanică ridicată. În majoritatea proprietăților sale, este similar cu vecinul său din tabelul periodic, titanul. Punctul de topire al vanadiului pur este de 1910 ° C, dar acesta este crescut semnificativ de impurități precum carbonul. Cu un conținut de carbon de 10% este în jur de 2700 ° C. [17] Vanadiul cristalizează ca crom sau niobiu într-o structură cristalină cubică centrată pe corp cu grupul spațial $ Im \ barm $ și parametrul zăbrele a = 302,4 pm precum și două unități de formulă pe unitate de celulă. [19]
Vanadiul devine un superconductor sub o temperatură de tranziție de 5,13 K. [20] La fel ca vanadiul pur, aliajele de vanadiu cu galiu, niobiu și zirconiu sunt supraconductoare. La temperaturi sub 5,13 K, vanadiul, la fel ca grupul de vanadiu metale niobiu și tantal, prezintă în mici bucăți de până la 200 de atomi o polarizare electrică spontană până acum inexplicabilă, care altfel este prezentată doar de substanțe nemetalice. [21] [22]
Proprietăți chimice
Vanadiul este un metal de bază și poate reacționa cu multe nemetale. În aer rămâne metalic strălucitor săptămâni întregi. Când este privit pe perioade mai lungi de timp, se percepe rugina verde clar vizibilă. Dacă vanadiul trebuie păstrat, acesta trebuie păstrat sub argon. În căldură este atacat de oxigen și oxidat la oxid de vanadiu (V). În timp ce carbonul și azotul reacționează numai cu vanadiu atunci când este incandescent, reacția cu fluor și clor are loc la rece.
Vanadiul este în mare parte stabil la acizi și baze la temperatura camerei datorită unui strat subțire de oxid pasivant; este atacat numai de acid fluorhidric și acizi puternic oxidanți, cum ar fi acidul azotic fierbinte, acidul sulfuric concentrat și aqua regia.
Vanadiul este capabil să absoarbă hidrogenul până la o temperatură de 500 ° C. Metalul devine fragil și poate fi ușor pudrat. Hidrogenul poate fi îndepărtat la 700 ° C în vid. [13]
Izotopi
Se cunoaște în total 25 de izotopi și încă 6 izomeri miezici ai vanadiului. [23] Dintre acestea, două apar în mod natural. Acestea sunt izotopii 50 V cu o frecvență naturală de 0,25% și 51 V cu o frecvență de 99,75%. 50 V este slab radioactiv, cu un timp de înjumătățire de 1,5 · 10 17 ani se descompune 83% cu captarea electronilor la 50 Ti, 17% cu β - descompunerea la 50 Cr. [23] Ambele nuclee pot fi utilizate pentru investigații cu spectroscopie RMN.
Cei mai stabili izotopi artificiali sunt de 48 V cu un timp de înjumătățire de 16 zile și 49 V cu un timp de înjumătățire de 330 de zile. Acestea sunt folosite ca trasoare. [17] Toți ceilalți izotopi și izomeri de bază sunt foarte instabili și se dezintegrează în câteva minute sau secunde.
→ Lista izotopilor de vanadiu
utilizare
Doar un procent mic de vanadiu pur este folosit ca material de acoperire pentru combustibilii nucleari datorită secțiunii sale de captare a neutronilor mici. [24] Cu toate acestea, pot fi utilizate și aliaje de vanadiu mai rezistente. Peste 90% din producție este utilizată într-o varietate de aliaje, în special cu metalele fier, titan, nichel, crom, aluminiu sau mangan. Doar o mică parte este utilizată în compuși, mai ales ca oxid de vanadiu (V).
Cu 85% din vanadiu produs, de departe cea mai mare parte este consumată în industria siderurgică. Deoarece acest lucru nu necesită purități ridicate, ferrovanadiul este utilizat ca materie primă. Chiar și în cantități mici, vanadiul crește rezistența și rezistența oțelurilor și, astfel, rezistența la uzură. Acest lucru este cauzat de formarea de carbură dură de vanadiu. În funcție de aplicație, se adaugă diferite cantități de vanadiu. Oțelurile structurale și oțelurile pentru scule conțin doar cantități mici (0,2 până la 0,5%) de vanadiu, în timp ce oțelul de mare viteză conține până la 5%. [15] Oțelurile care conțin vanadiu sunt utilizate în principal pentru unelte și arcuri supuse solicitării mecanice. Oțelurile care conțin cobalt pe lângă fier și vanadiu sunt magnetice.
Aliajele de titan, care conțin vanadiu și în mare parte aluminiu, sunt deosebit de stabile și rezistente la căldură și sunt utilizate în construcția aeronavelor pentru piese portante și pale ale turbinei motoarelor de aeronave. [13]
Vanadiul este utilizat ca electrolit principal într-un tip de așa-numită celulă cu flux redox; un exemplu de astfel de aplicație este acumulatorul de vanadiu redox.
dovada
O mostră preliminară este furnizată de mărgele de sare de fosfor, în care vanadiul apare verde caracteristic în flacăra de reducere. Flacăra de oxidare este galben pal și, prin urmare, prea nespecifică. [25]
Dovezile calitative pentru vanadiu se bazează pe formarea ionilor de peroxovanadiu. Pentru a face acest lucru, o soluție acidă care conține vanadiu în starea de oxidare +5 este amestecată cu puțin peroxid de hidrogen. Se formează cationul maroniu-roșcat [V (O2)] 3+. Aceasta reacționează cu cantități mai mari de peroxid de hidrogen pentru a forma acidul peroxovanadic galben pal H3 [VO2 (O2) 2]. [25]
Vanadiul poate fi determinat cantitativ prin titrare. În acest scop, o soluție de acid sulfuric care conține vanadiu este oxidată cu permanganat de potasiu în vanadiu pentavalent și apoi titrată înapoi cu o soluție de sulfat de fier (II) și difenilamină ca indicator. Este posibilă și o reducere a vanadiului pentavalent existent cu sulfat de fier (II) la starea de oxidare tetravalentă și titrarea potențiometrică ulterioară cu soluție de permanganat de potasiu. [13]
În analiza modernă, vanadiul poate fi detectat folosind mai multe metode. Acestea sunt, de exemplu, spectrometria de absorbție atomică la 318,5 nm și spectrofotometria cu N-benzoil-N-fenilhidroxilamină ca reactiv de culoare la 546 nm. [15]
Importanța biologică
Compușii vanadiului au diverse semnificații biologice. Este caracteristic vanadiului că apare atât anionic ca vanadat, cât și cationic ca VO2 +, VO 2+ sau V 3+. Vanadele sunt foarte asemănătoare cu fosfații și, prin urmare, au efecte similare. Deoarece vanadatul se leagă mai puternic de enzimele adecvate decât fosfatul, este capabil să blocheze și astfel să controleze enzimele de fosforilare. Aceasta se referă, de exemplu, la sodiu-potasiu-ATPaza, care controlează transportul de sodiu și potasiu în celule. Acest blocaj poate fi îndepărtat rapid cu desferrioxamina B, care formează un complex stabil cu vanadat. [14] Vanadiu influențează și absorbția glucozei. Este capabil să stimuleze glicoliza în ficat și să inhibe procesul competitiv al gluconeogenezei. Acest lucru duce la scăderea nivelului de glucoză din sânge. [15] Prin urmare, se investighează dacă compușii vanadiului sunt potriviți pentru tratamentul diabetului zaharat de tip 2. Cu toate acestea, nu s-au găsit încă rezultate clare. [26] În plus, vanadiul stimulează și oxidarea fosfolipidelor și suprimă sinteza colesterolului prin inhibarea squalene sintazei, un sistem enzimatic microsomal în ficat. În consecință, un deficit determină niveluri crescute de colesterol și trigliceride în plasma sanguină. [27]
Vanadiul joacă un rol în fotosinteza plantelor. Este capabil să catalizeze reacția pentru a forma acid 5-aminolevulinic fără enzimă. Acesta este un precursor important al formării clorofilei. [14]
În unele organisme există enzime care conțin vanadiu, unele tipuri de bacterii au azotaze care conțin vanadiu pentru fixarea azotului. Acestea sunt, de exemplu, specii din gen Azotobacter precum și cianobacteria Anabaena variabilis. [14] Cu toate acestea, aceste azotaze nu sunt la fel de eficiente ca cele mai frecvente azotaze ale molibdenului și, prin urmare, sunt activate numai atunci când există un deficit de molibden. [28] Alte enzime care conțin vanadiu pot fi găsite în algele brune și licheni. Acestea au haloperoxidaze care conțin vanadiu, cu care se acumulează compuși organici-clor, brom sau iod.
Funcția de vanadiu, care este prezentă în cantități mari în stropi de mare, ca metaloproteină vanabină, nu este încă cunoscută. S-a presupus inițial că vanadiul, asemănător cu hemoglobina, servește ca transportor de oxigen; totuși, s-a constatat că acest lucru este greșit. [28]
Pericole
La fel ca alte prafuri metalice, praful de vanadiu este inflamabil. Vanadiul și compușii săi anorganici s-au dovedit a fi cancerigeni în experimente pe animale. Prin urmare, acestea sunt clasificate în categoria 2 cancerigenă. [29] Dacă praful de vanadiu este inhalat de muncitorii în topirea metalelor pentru o perioadă lungă de timp, poate apărea așa-numitul vanadism. Această boală profesională recunoscută se poate manifesta prin iritarea membranelor mucoase, decolorarea verde-neagră a limbii, precum și boli cronice bronșice, pulmonare și intestinale. [15]
link-uri
Vanadiul poate fi prezent în compuși în diferite stări de oxidare. Adesea nivelurile sunt +5, +4, +3 și +2, mai rar sunt +1, 0, −1 și −3. Cele mai importante și mai stabile stări de oxidare sunt +5 și +4.
Soluție apoasă
Vanadiul poate fi ușor transformat în diferite stări de oxidare într-o soluție apoasă. Deoarece diferiții ioni de vanadiu au culori caracteristice, apar modificări de culoare.
În soluție acidă, vanadiul pentavalent formează ioni incolori VO2 +, care sunt inițial reduși la ioni VO 2+ tetravalenți de culoare albastră. Nivelul trivalent cu ioni V 3+ este verde, cel mai scăzut nivel care poate fi atins în soluție apoasă, ionul divalent V 2+ este gri-violet.
Compuși de oxigen
Cel mai important și mai stabil compus vanadiu-oxigen este oxidul de vanadiu (V) V2O5. Acest compus de culoare portocalie este utilizat în cantități mari ca catalizator pentru producerea de acid sulfuric. Acolo acționează ca purtător de oxigen și este redus la un alt oxid de vanadiu, oxid de vanadiu (IV) VO2 în timpul reacției. Alți oxizi de vanadiu cunoscuți sunt oxidul de vanadiu (III) V2O3 și oxidul de vanadiu (II) VO.
Într-o soluție alcalină, oxidul de vanadiu (V) formează vanadați, săruri cu anionul VO4 3−. Spre deosebire de fosfații analogi, totuși, ionul vanadat este forma cea mai stabilă; Hidrogenul și dihidrogenul vanadat, precum și acidul liber de vanadiu sunt instabile și sunt cunoscute numai în soluții apoase diluate. Dacă soluțiile de vanadat bazic sunt acidificate, se formează polvanadate în loc de vanadate de hidrogen, în care se acumulează până la zece unități de vanadat. Vanadatele pot fi găsite în diverse minerale, exemple sunt vanadinita, descloicita și carnotita.
Compuși halogeni
Vanadiul formează un număr mare de compuși cu halogenii fluor, clor, brom și iod. Se știe că un singur compus, fluorura de vanadiu (V), se află în starea de oxidare +5. În stările de oxidare +4, +3 și +2 există compuși cu toți halogenii, numai cu iod sunt cunoscuți numai compuși din stările +2 și +3. Cu toate acestea, dintre aceste halogenuri, numai clorurile de clorură de vanadiu (IV) și clorura de vanadiu (III) sunt relevante din punct de vedere tehnic. Printre altele, ele servesc drept catalizator pentru producerea cauciucului etilen-propilen-dienic. [13]
Cloruri de oxid de vanadiu
Vanadiul formează, de asemenea, săruri mixte cu oxigen și clor, așa-numitul Cloruri de oxid de vanadiu. Oxiclorura de vanadiu (III), VOCl, este o pulbere galben-maro, solubilă în apă. Oxiclorura de vanadiu (IV), VOCl2, care este utilizată în fotografie și ca o pată textilă, constă din tablete de cristal higroscopice verzi care se dizolvă în apă cu o culoare albastră. În cele din urmă, oxiclorura de vanadiu (V), VOCl3, este un lichid galben care este foarte ușor hidrolizat de apă. VOCl3 este utilizat ca component catalizator în polimerizarea etilenei cu presiune scăzută. [30]
Mai mulți compuși de vanadiu
În compușii organici ai vanadiului, vanadiul atinge cele mai scăzute stări de oxidare 0, -I și -III. Metalocenele, așa-numitele vanadocene, sunt deosebit de importante aici. Acestea sunt utilizate ca catalizatori pentru polimerizarea alchinelor. [31]
Carbura de vanadiu VC este utilizată sub formă de pulbere pentru pulverizarea cu plasmă sau sudarea acumulării de pulbere de plasmă, printre altele. [32] Mai mult, carbura de vanadiu este adăugată metalelor dure pentru a reduce creșterea cerealelor. [13] Se creează așa-numitele cermete, care sunt deosebit de dure și rezistente la uzură.