Vanadium

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Vanadium
TitaneVanadiumChrome
  Structure cristalline cubique à corps centré
 
23
V
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
V
Nb
Tableau completTableau étendu
Informations générales
Nom, symbole, numéro Vanadium, V, 23
Série chimique métaux de transition
Groupe, période, bloc 5, 4, d
Masse volumique 6,0 g·cm-3 (18,7 °C)[1]
Dureté 7
Couleur Blanc argenté
No CAS 7440-62-2
No EINECS 231-171-1
Propriétés atomiques
Masse atomique 50,9415 ± 0,0001 u[1]
Rayon atomique (calc) 135 pm (171 pm)
Rayon de covalence 1,53 ± 0,08 Å [2]
Configuration électronique [Ar] 3d3 4s2
Électrons par niveau d’énergie 2, 8, 11, 2
État(s) d’oxydation 5, 3
Oxyde Amphotère
Structure cristalline Cubique centré
Propriétés physiques
État ordinaire solide
Point de fusion 1 910 °C [1]
Point d’ébullition 3 407 °C [1]
Énergie de fusion 20,9 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 452 kJ·mol-1
Volume molaire 8,32×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur 3,06 Pa à 1 659,85 °C
Vitesse du son 4 560 m·s-1 à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling) 1,63
Chaleur massique 490 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique 4,89×106 S·m-1
Conductivité thermique 30,7 W·m-1·K-1
Énergies d’ionisation[1]
1re : 6,74619 eV 2e : 14,618 eV
3e : 29,311 eV 4e : 46,709 eV
5e : 65,2817 eV 6e : 128,13 eV
7e : 150,6 eV 8e : 173,4 eV
9e : 205,8 eV 10e : 230,5 eV
11e : 255,7 eV 12e : 308,1 eV
13e : 336,277 eV 14e : 896,0 eV
15e : 976 eV 16e : 1 060 eV
17e : 1 168 eV 18e : 1 260 eV
19e : 1 355 eV 20e : 1 486 eV
21e : 1 569,6 eV 22e : 6 851,3 eV
23e : 7 246,12 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD
MeV
48V {syn.} 15,9735 j ε 4,012 48Ti
49V {syn.} 330 j ε 0,602 49Ti
50V 0,25 % 150×1015 a ε
—-—
β-
2,208
—-—
1,037
50Ti
—-—
50Cr
51V 99,75 % stable avec 28 neutrons
Précautions
Directive 67/548/EEC[3]
État pulvérulent :
Irritant
Xi
Facilement inflammable
F



SIMDUT[4]

Produit non classifié
SGH[3]
SGH02 : InflammableSGH07 : Toxique, irritant, sensibilisant, narcotique
Danger
H228, H315, H319, H335, P210, P241, P302, P305, P338, P351, P352, P405, P501,
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le vanadium est un élément chimique, de symbole V et de numéro atomique 23.

C'est un métal rare, dur et ductile que l'on trouve dans certains minerais. Il est principalement utilisé dans les alliages.

Caractéristiques notables[modifier | modifier le code]

Vanadium

Le vanadium est un métal blanc, brillant, dur et ductile. Il possède une bonne résistance à la corrosion par les composés alcalins, ainsi qu'aux acides chlorhydrique et sulfurique. Il s'oxyde rapidement à environ 933 K. Le vanadium possède une bonne force structurelle ainsi qu'une faible section efficace d'interaction avec les neutrons de fission, ce qui le rend utile dans les applications nucléaires. C'est un métal qui présente à la fois des caractéristiques acide et basique.

Les états d'oxydation communs du vanadium sont +2, +3, +4 et +5. Une expérience populaire[5] faite en réduisant du vanadate d'ammonium avec du zinc métallique permet de démontrer par calorimétrie les quatre états d'oxydation du vanadium. Un état d'oxydation +1 existe mais est plus rarement rencontré.

Utilisations[modifier | modifier le code]

Environ 80 % du vanadium produit est utilisé dans le ferro-vanadium et comme additif dans l'acier. Autres utilisations :

Histoire[modifier | modifier le code]

Le nom vanadium vient de Vanadis, « Dís des Vanir », autre nom de Freyja, déesse scandinave de la beauté, car celui-ci présente des composés chimiques très colorés. Il a été découvert par Andrés Manuel del Río, un minéralogiste espagnol, à Mexico en 1801. Il le baptisa alors « plomb brun » (maintenant appelé vanadinite). Lors de ses expériences, il découvrit que cette couleur provenait de traces de chrome, et renomma alors l'élément panchromium. Il le rebaptisa encore une fois plus tard érythronium, car la plupart des sels devenaient rouges lorsqu'ils étaient chauffés. Le chimiste français Hippolyte-Victor Collet-Descotils déclara alors que le nouvel élément de del Rio n'était que du chrome impur, et le Baron Alexander von Humboldt, ami de del Rio, fut du même avis. Del Rio se rangea lui-même à leurs conclusions.

En 1831, un suédois du nom de Nils Gabriel Sefström, redécouvrit le vanadium dans de nouveaux oxydes qu'il trouva en travaillant sur des minerais de fer. Plus tard la même année Friedrich Wöhler confirma les travaux de del Rio.

Le vanadium métallique fut isolé par Henry Enfield Roscoe en 1867. Celui-ci réduisit du chlorure de vanadium (VCl3) avec du dihydrogène.

Cependant, l'usage empirique du vanadium en métallurgie est bien plus ancien, puisqu'il remonte au Moyen Âge. Ce métal est en effet nécessaire, sous forme de traces, à l'obtention au sein de l'acier martelé des célèbres motifs qui ont fait la renommée des lames dites « de Damas ». Des concentrations descendant jusqu'à seulement 0,003 pour cent en volume se sont révélées suffisantes pour induire le processus d'agrégation du carbone en feuillets. C'est cette structure en feuillets qui permet d'obtenir lors du forgeage, par enlèvement judicieux de matière, les motifs tels que « roses » et « échelles de Mahomet ». On pense que cet apport fortuit en vanadium provenait des cendres de végétaux utilisés lors du processus de fonte des lingots de fer. La raréfaction des plantes utilisées, ou le changement des méthodes de fonte, conduisirent apparemment, il y a plus de deux siècles, à l'arrêt de cet apport. Sans qu'ils puissent en connaître la cause, les maîtres forgerons ne purent plus induire les motifs de damasquinage dans leurs lames, et le secret involontaire de leur fabrication fut donc perdu. Il ne fut redécouvert que récemment, suite à des études métallurgiques et des travaux de forge poussés[7].

Rôle biologique[modifier | modifier le code]

À faible dose, le vanadium est un oligoélément et un composant essentiel de certaines enzymes. Les rats et les poulets en ont besoin d'une quantité infinitésimale pour éviter des déficiences dans la croissance et la reproduction. Le vanadium est à l'étude pour le traitement du diabète. On sait déjà qu'il possède des propriétés insulino-sensibilisantes bien supérieures au sulfonyl-urée et à la metformine, avec des effets indésirables réputés minimes. En tant qu'élément naturel, il n'est pas brevetable.

Contamination environnementale, présence dans l'environnement[modifier | modifier le code]

Le vanadium est très faiblement présent en solution dans l’océan (de 1 à 3 μg/L) ; par exemple 1,22 μg/L en moyenne dans l'eau du fond du Golfe du Saint-Laurent et 1,19 μg/L en Atlantique Nord ou de 1,2 à 1,8 μg/L en mer des Sargasses, 1,53 à 2,03 μg/L dans le Pacifique. Il a rarement été mesuré sur la frange littorale, mais quelques études ont trouvé des taux variant de 0,61 μg.l-1 à 7,1 μg.l-1 sur le littoral de la Mer Noire[8].

Dans l'air ou dans l'eau, il provient essentiellement des émissions volcaniques, de l'érosion des sols et roches ou de sources anthropiques telles que les effluents des usines produisant l'oxyde de titane qui en contiennent beaucoup (Ex : 317 t/an apporté par la Seine en Baie de Seine). Dans le monde, les fleuves en introduiraient ainsi 312 000 t/an dans l'océan[8].

La pollution de l'air par la combustion d'hydrocarbures en est une autre source (le pétrole brut Koweïtien ou d’Arabie saoudite en renferme de 29 à 60 mg par kg de pétrole, soit un apport de 12 000 à 24 000 t/an dont 10 à 15 % rejoignent la mer via les pluies. 53 % de tout le vanadium de l'air serait ainsi d'origine anthropique[8].

Écotoxicologie[modifier | modifier le code]

Un effet toxique a été constaté chez divers animaux et plantes (dont algues d'eau douce cultivées in vitro[9]).

Le vanadium peut inhiber certaines réactions enzymatiques. La dose létale sur 9 jours pour la moule a été évaluée à 65 mg/litre [8].

De nombreux organismes marins le supportent et le concentrent (Les Tunicata (Urochordés) ont une concentration interne de vanadium jusqu'à un million de fois supérieure à celle de l'eau où ils vivent), mais souvent en l'inertant (seule une faible partie est assimilée, le reste étant fixé ou métabolisé et excrété).

Occurrence[modifier | modifier le code]

On ne trouve pas de vanadium libre dans la nature, mais on le trouve sous forme liée dans au moins 65 minéraux comme la patronite (VS4), la vanadinite (Pb5(VO4)3Cl), et la carnotite (K2(UO2)2(VO4)2.3H2O) ; parfois dans la tanzanite. Le vanadium est aussi présent dans la bauxite, ainsi que dans les roches carbonnées comme le pétrole, le charbon, le bitume.

Le spectre du vanadium a aussi été détecté dans la lumière du Soleil ainsi que dans celle de certaines étoiles.

Isotopes[modifier | modifier le code]

Le vanadium dans la nature est formé de 2 isotopes : l'isotope 50 à 0,24 %, très faiblement radioactif dû à sa demie-vie extrêmement longue de 1.5×1017 ans ; et l'isotope 51 à 99,76 %.

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Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a, b, c, d et e (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc,‎ 2009, 90e éd., Relié, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0)
  2. (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, « Covalent radii revisited », Dalton Transactions,‎ 2008, p. 2832 - 2838 (lien DOI?)
  3. a et b ALFA
  4. « Vanadium élémentaire » dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
  5. Il est à craindre que l'auteur de cette phrase n'ait une conception quelque peu biaisée de la notion de populaire. Peut-être serait-il opportun que quelqu'un se dévoue et le fasse, de temps en temps, sortir de son laboratoire.
  6. Australian Island Using Flow Batteries To Store Wind Power : MetaEfficient
  7. (en) The key role of impurity in the ancient Damascus steel blade - J.D. Verhoven, A.H. Pendray, W.E. Dauksch – JOM, 50(9), 1998, page 58-64 (consultable sur : http://www.tms.org/pubs/journals/JOM/9809/Verhoeven-9809.html)
  8. a, b, c et d Surveillance du milieu marin, travaux du Réseau National d'Observation de la Qualité du Milieu Marin Ifremer, Le RNO : programmes actuels - L'argent, le cobalt, le nickel et le vanadium dans les mollusques du littoral français - Les carottes sédimentaires, mémoire de la contamination, Bulletin Ifremer, 2002
  9. Savouré, B. (1984). Effets toxiques du vanadium sur le métabolisme de quelques algues d'eau douce cultivées in vitro. Hydrobiologia, 118(2), 147-151.
  s1 s2 g f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 p1 p2 p3 p4 p5 p6
1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
8 Uue Ubn * Ute Uqn Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Upq Upp Uph Ups Upo Upe Uhn Uhu Uhb Uht Uhq Uhp Uhh Uhs Uho
   
  g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18  
  * Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto  


Métalloïdes Non-métaux Halogènes Gaz rares
Métaux alcalins  Métaux alcalino-terreux  Métaux de transition Métaux pauvres
Lanthanides Actinides Superactinides Éléments non classés