Vanadi

Vanadi
23V
titani ← vanadi → crom - ↑ V ↓ Nb Taula periòdica
Aspecte
Metall blau-gris platejat Vanadi sòlid vist amb un microscopi Línies espectrals del vanadi
Propietats generals
Nom, símbol, nombre	Vanadi, V, 23
Categoria d'elements	Metalls de transició
Grup, període, bloc	5, 4, d
Pes atòmic estàndard	50,9415(1)
Configuració electrònica	[Ar] 3d3 4s2 2, 8, 11, 2
Propietats físiques
Fase	Sòlid
Densitat (prop de la t. a.)	6,0 g·cm−3
Densitat del líquid en el p. f.	5,5 g·cm−3
Punt de fusió	2.183 K, 1.910 °C
Punt d'ebullició	3.680 K, 3.407 °C
Entalpia de fusió	21,5 kJ·mol−1
Entalpia de vaporització	459 kJ·mol−1
Capacitat calorífica molar	24,89 J·mol−1·K−1
Pressió de vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k a T (K) 2.101 2.289 2.523 2.814 3.187 3.679
Propietats atòmiques
Estats d'oxidació	5, 4, 3, 2, 1, -1 (òxid amfòter)
Electronegativitat	1,63 (escala de Pauling)
Energies d'ionització (més)	1a: 650,9 kJ·mol−1
	2a: 1.414 kJ·mol−1
	3a: 2.830 kJ·mol−1
Radi atòmic	134 pm
Radi covalent	153±8 pm
Miscel·lània
Estructura cristal·lina	Cúbica centrada en la cara
Ordenació magnètica	Paramagnètic
Resistivitat elèctrica	(20 °C) 197 nΩ·m
Conductivitat tèrmica	30,7 W·m−1·K−1
Dilatació tèrmica	(25 °C) 8,4 µm·m−1·K−1
Velocitat del so (barra prima)	(20 °C) 4.560 m·s−1
Mòdul d'elasticitat	128 GPa
Mòdul de cisallament	47 GPa
Mòdul de compressibilitat	160 GPa
Coeficient de Poisson	0,37
Duresa de Mohs	6,7
Nombre CAS	7440-62-2
Isòtops més estables
Article principal: Isòtops del vanadi
Iso AN Semivida MD ED (MeV) PD 48V sin 15,9735 d ε+β+ 4,0123 48Ti 49V sin 330 d ε 0,6019 49Ti 50V 0,25% 1,5×1017a ε 2,2083 50Ti β− 1,0369 50Cr 51V 99,75% 51V és estable amb 28 neutrons

El vanadi és l'element químic de símbol V i nombre atòmic 23. Es tracta d'un metall de transició dúctil de color gris argentat. L'element natiu és raríssim en la natura, però en el vanadi aïllat per la mà humana es forma una capa d'òxid (passivació) que evita fins a un cert punt que es continuï oxidant.

El científic hispanomexicà Andrés Manuel del Río descobrí compostos de vanadi el 1801 mentre analitzava un nou mineral plumbífer que descrigué com a «plom bru». Malgrat que, en un primer moment, assumí que les seves propietats tenien a veure amb la presència d'un nou element, el químic francès Hippolyte Victor Collet-Descotils el convencé —erròniament— que no era altra cosa que una forma de crom.

Està situat en el grup 5 de la taula periòdica dels elements. És un metall dur, pero dúctil, i poc abundant. Es troba en distints minerals i s'empra principalment en alguns aliatges. Fou descobert per Andrés Manuel del Río Fernández el 1801 a una mina de Mèxic.

Història

Andrés Manuel del Río (1764-1849)

El vanadi fou descobert pel mineralogista espanyol Andrés Manuel del Río Fernández (1764-1849), en el laboratori del Real Seminario de Minería de la Ciudad de México, Nova Espanya, el 1801, en un mineral de plom d'una mina de Zimapán, Hidalgo, que anomenà «plom terrós de Zimapán» o «zimapanio» i que actualment s'anomena vanadinita, de fórmula ${\ce {Pb5(VO4)3Cl}}$. Primer l'anomenà pancromo, dels mots grecs παν- pan-, ‘totalitat’ i χρῶμα khroma ‘color’, perquè les seves sals presentaven tots els colors —del Río no coneixia en aquell moment el descobriment del crom per Louis Nicolas Vauquelin (1763-1829) el 1798—; i després eritronio, del grec ἐρυθρο- èrithro-, ‘roig’, a causa del color de que les seves sals es tornaven roges en escalfar-les.

Vanadinita ${\ce {Pb5(VO4)3Cl}}$.

Del Río donà una mostra del mineral a Alexander von Humboldt (1769-1859) quan el visità a Mèxic i aquest, quan retornà a Europa el 1805, demanà al químic francès Hippolyte Victor Collet-Descotils (1773-1815) que l'analitzés. Aquest qüestionà el descobriment d'un nou element indicant que realment es tractava de crom impur, element el descobriment del qual ell havia confirmat. Això provocà que del Río es retractés públicament del seu descobriment, ja que els francesos dominaven la recerca en química en aquells anys.

Representació de Vanadis per James Doyle Penrose (1862-1932).

En la dècada del 1820, el suec Nils Gabriel Sefström (1787-1845) el redescobrí en un òxid que trobà mentre treballava en unes menes de ferro a la mina de Falun i li donà el nom d'«odinium», en honor del déu nòrdic Odin. Jöns Jacob Berzelius (1779-1948), que dirigia els treballs de recerca de Sefström, li canvià el nom pel d'«erianum». El 1831, el químic alemany Friedrich Wöhler (1800-1882) arribà a la conclusió que es tractava del mateix element descobert el 1801 i el reanomenà «sefströnium», abans que, el mateix Sefström li donés el nom que rep actualment. El nom de vanadi deriva del nòrdic antic Vanadís 'Vanadis', 'senyora dels Vanir' i deessa de la fertilitat en la mitologia escandinava, coneguda també com a Freia.

El vanadi metàl·lic no es fou preparat fins a l'any 1867, per Henry Enfield Roscoe (1833-1915), per mitjà de la reducció de triclorur de vanadi ${\ce {VCl3}}$ amb hidrogen.

Estat natural i obtenció

Paramontroseïta ${\ce {VO2}}$.

El vanadi és el vintè element més abundant a l'escorça terrestre. És rar trobar-lo en estat natiu, però està present en dos-cents setze minerals diferents. Els que el contenen en més d'un 55 % són: karelianita ${\ce {V2O3}}$ (67,98 %), oxivanita ${\ce {V3O5}}$ (65,64 %), paramontroseïta ${\ce {VO2}}$ (61,42 %), shcherbinaïta  ${\ce {V2O5}}$ (56,02 %) i häggita ${\ce {V2O2(OH)3}}$ (55,10 %).

Els minerals de vanadi importants són la patronita ${\ce {VS4}}$, la carnotita ${\ce {K2(UO2)2(VO4)2}}$ i la vanadinita ${\ce {Pb5(VO4)3Cl}}$. Els dipòsits minerals explotats exclusivament per obtenir vanadi són rars, ja que gran part del vanadi en les roques ígnies es troba en estat trivalent relativament insoluble, substituint el ferro férric en silicats ferromagnesians, magnetita, ilmenita i cromita.

Carnotita ${\ce {K2(UO2)2(VO4)2}}$.

Les reserves mundials de vanadi superen els 63 milions de tones. El vanadi es troba en dipòsits de roques de fosfats, magnetita titanífera i roques sedimentàries uraníferes, en els quals constitueix menys del 2 % de la roca mare. Quantitats significatives també estan presents en la bauxita i materials carbonosos, com ara carbó, petroli cru, esquists petrolífers i sorres bituminoses. Les mines més grans del món de vanadi provenen de les reserves de magnetita titanífera en regions com ara el Bushveld de Sud-àfrica, el massís de Katxkanar a les muntanyes dels Urals i la província de Sichuan a la Xina. Els minerals de carnotita en les areniscas de la plana de Colorado han estat explotats per a l'obtenció de vanadi i urani. Altres fonts de vanadi inclouen les cendres de la combustió de combustibles fòssils, el sediments d'escòria de mineral de fosfat, el mineral d'alumini bauxita i els catalitzadors usats. Com que el vanadi típicament s'obté com a subproducte o co-producte, les reserves mundials demostrades de l'element no són totalment indicatives dels subministraments disponibles. El principal productor el 2022 fou la Xina amb 70 000 t, seguida de Rússia (17 000 t), Sud-àfrica (9 100 t) i Brasil (6 200 t).

Els minerals que són vanadats, això és, que presenten l'anió vanadat ${\ce {VO4^3-}}$ com la carnotita, es dissolen per mitjà d'una fusió alcalina. Al medi àcid i després d'altres processos s'obté l'òxid de vanadi(V) ${\ce {V2O5}}$, que es redueix parcialment amb carboni, i després amb calci en atmosfera d'argó per a obtindre vanadi metàl·lic. En el cas que no es partisca d'un mineral que continga el vanadat, sinó d'un sulfur, aquest s'oxida per a obtindre el vanadat i es realitza el mateix procediment per a obtindre vanadi. Si es vol obtindre vanadi més pur, s'empra el mètode Van Arkel-de Boer (formació d'un compost volàtil i la seva posterior descomposició).

Característiques principals

Propietats físiques

Vanadi.

El vanadi és un metall de transició blanc, dúctil i brillant. El seu punt de fusió és de 1 910 °C, el d'ebullició 3 407 °C i la seva densitat 6,0 g/cm³ a 18,7 °C.

Propietats químiques

La configuració electrònica del vanadi és [Ar]3d³4s² i presenta estats d'oxidació 0, +2, +3, +4 i +5. El vanadi metàl·lic a temperatura ambient és estable, i no es produeixen reaccions amb l'aire, l'aigua o els materials alcalins. El vanadi és resistents a l'àcid clorhídric, l'àcid sulfúric diluït, les solucions alcalines i la corrosió de l'aigua de la mar, però pot ser corroït per l'àcid nítric, l'àcid fluorhídric o l'àcid sulfúric concentrat.

Pentaòxid de divanadi o òxid de vanadi(V) ${\ce {V2O5}}$.

Estructura del pentaòxid de divanadi ${\ce {V2O5}}$.

A altes temperatures, el metall de vanadi reacciona fàcilment amb l'oxigen i el nitrogen. Quan el vanadi s'escalfa a l'aire, es pot oxidar a òxid de vanadi(III) de color marró fosc ${\ce {V2O3}}$, a òxid de vanadi(II) ${\ce {VO}}$ de color blau fosc i a òxid de vanadi(V) de color taronja ${\ce {V2O5}}$.

$${\ce {4V(s) + 5O2(g) -> 2V2O5(s) \; [taronja]}}$$

Quan el vanadi s'escalfa a 900 °C-1 300 °C en nitrogen, es produeix nitur de vanadi(III) ${\ce {VN}}$. El vanadi pot reaccionar amb el carboni a altes temperatures per produir carbur de vanadi(III) ${\ce {VC}}$. Quan el vanadi s'escalfa amb silici, bor, fòsfor o arsènic en un buit o atmosfera inerta, es poden formar el siliciur, borur, fosfit i arseniur corresponents (${\ce {VSi2}}$, ${\ce {V3Si}}$, ${\ce {VB}}$, ${\ce {VB2}}$,...) A temperatura ambient, el vanadi pur és estable en atmosferes d'oxigen, nitrogen i hidrogen. A temperatures més baixes, el vanadi pot reaccionar amb clor per produir tetraclorur de vanadi ${\ce {VCl4}}$.

El vanadi reacciona amb fluorur per donar el fluorur de vanadi(V). Els altres halògens no reaccionen directament i per obtenir els seus halurs calen altres reaccions.

$${\ce {2V(s) + 5F2(g) -> 2VF5(l) \; [incolor]}}$$

En dissolució aquosa el vanadi dona aquocomplexes de colors variats: ${\ce {[V(H2O)6]^2+}}$ lila, ${\ce {[V(H2O)6]^3+}}$ verd, ${\ce {[VO(H2O)5]^2+}}$ blau i ${\ce {VO3-}}$ groc.

El catió vanadil ${\ce {VO^2+}}$on el vanadi està en estat d'oxidació +4, sent l'enllaç V=O doble, es pot trobar en distints complexos de vanadi, generalment amb quatre lligants més, formant una piràmide de base quadrada. Poden presentar un lligant més en posició trans al lligant oxo, però aquesta posició és prou làbil. Generalment els complexos d'aquest tipus són blau. En l'estat d'oxidació +5, també forma complexos amb lligands oxo.

Isòtops

En la naturalesa es poden trobar un isòtop estable, el vanadi 51, que representa un 99,75 % del total, i el vanadi 50, que representa el 0,25 % restant i que malgrat no es estable, el seu període de semidesintegració és tant elevat (t_½ = 2,1 × 10¹⁷ anys) que pot considerar-se estable. S'han caracteritzat vint-i cinc radioisòtops que van del vanadi 40 al vanadi 66, sent els més estables el vanadi 49 (t_½ = 330 dies) i el vanadi 48 (t_½ = 15,9735 dies). La resta tenen períodes inferiors a una hora, essent la majoria de menys de deu segons.

El principal mode de decaïment abans de l'isòtop més estable, vanadi 51, és la captura d'electrons (sent els principals productes de decaïment isòtops de l'element 22, titani), mentre que després d'aquest, és la desintegració beta (donant com principals productes de decaïment isòtops de l'element 24, crom).

Aplicacions

Indústria metal·lúrgica

Clau fixa d'acer al crom vanadi. Conté entre 0,80 i 1,10 % de crom, i aproximadament 0,18 % de vanadi.

La principal aplicació del vanadi —el 80 %— és la formació de l'aliatge ferrovanadi que s'utilitza com a additiu en la fabricació d'acers per a millorar les propietats mecàniques del ferro: eines, eixos i cigonyals de vehicles, ganivets, engranatges, blindatge de vehicles, etc.

El vanadi, afegit a aliatges de titani i alumini, en millora la resistència mecànica i hi proporciona estabilitat a altes temperatures; aquests aliatges s'empren en la fabricació dels motors dels avions.

Indústria química

Vanadat de bismut ${\ce {BiVO4}}$.

La segona principal aplicació és en forma de òxid de vanadi(V), que s'utilitza com a catalitzador químic, això és, ajudant a accelerar la reacció química sense consumir-se. Destaca el seu ús en la producció d'àcid sulfúric, tant en el procés de contacte i com en el procés humit, on accelera l'oxidació amb oxigen del diòxid de sofre a triòxid de sofre:

${\ce {2SO2(g) + O2(g) ->[V_2O_5] 2SO3(g)}}$

Els pigments grocs de vanadat de bismut ${\ce {BiVO4}}$ són respectuosos amb el medi ambient i es poden utilitzar com a substitut del groc de cadmi i el groc de crom, tòxics. Tenen un bon rendiment i s'utilitzen per a plàstics, gomes, ceràmica, pintura i tintes d'impressió. Es fan servir especialment per a la pintura groga per a cotxes i per a recobriments arquitectònics d'alt rendiment.

Indústria del vidre

El pentaòxid de vanadi s'afegeix en un 0,02 % al vidre per prevenir la transmissió de raigs ultraviolats d'alta energia que poden danyar els ulls i esvair els colors dels teixits. El vanadi també s'utilitza en vidre groc-verdós, on el vidre verd es fa afegint una barreja d'òxid de vanadi i òxid de cesi per reduir la intensitat de la radiació UV.

Indústria de bateries

Sala amb bateries redox de flux de vanadi.

S'utilitza en bateries redox de vanadi recarregables, que poden acumular grans quantitats d'energia elèctrica, per a compensar variacions en la sortida de potència de fonts renovables com l'energia eòlica. S'està estudiant l'ús de parells redox de vanadi per a les bateries recarregables d'ió liti, que podria suposar una capacitat d'emmagatzematge superior a la de les bateries de liti tradicionals.

Altres

Làser de 532 nm produït amb un cristall de vanadat d'itri.

És un important estabilitzador de carburs en la fabricació d'acers. S'empra en alguns components de reactors nuclears. Forma part, com aliatge ${\ce {V3Ga}}$, d'alguns imants superconductors.

El vanadat de bismut ${\ce {BiVO4}}$ s'utilitza com a pigment indicador de temperatura. A 25 °C, el pigment és groc o groc clar, a 140 °C és taronja-vermell, mentre que a 350 °C és taronja-vermellós a rosa; no obstant això, no hi ha una temperatura de transició clara.

Els òxids i vanadats s'utilitzen en la producció d'una tinta d'impressió que reacciona per produir un recobriment de resina negre. L'addició de vanadat d'amoni pot produir tinta de secat ràpid. També s'utilitza una petita quantitat de pentaòxid de vanadi en la indústria de la impressió tèxtil. El vanadi ajuda a oxidar l'anilina i a produir un tint negre fort que no es descoloreix.

Els critalls de vanadat d'itri dopats amb neodimi ${\ce {Nd \!:\! YVO4}}$ són emprats en raigs làser.

Rol biològic

El vanadi és un element químic essencial en alguns organismes. En humans no està demostrada la seva essencialitat, tot i que existixen compostos de vanadi que imiten i potencien l'activitat de la insulina.

Didemnum molle, un ascini amb hemovanadina.

Es troba en alguns enzims en distints éssers vius. Per exemple, en les haloperoxidasses (generalment bromoperoxidasses) d'algunes algues, que redueixen peròxids i alhora halogenen un substrat orgànic. Els ascidis (uns organismes marins del subembrancament dels tunicats) emmagatzemen altes concentracions de vanadi, al voltant d'un milió de vegades més altes que l'aigua que els envolta, el qual s'acumula en una molècula anomenada hemovanadina. En aquests organismes el vanadi s'emmagatzema en unes cèl·lules anomenades vanadocits.

També acumula altes concentracions de vanadi el reig de fageda, formant, en aquest fong, un complex amb un lligant ionòfor anomenat amavadina.

Precaucions

La pols metàl·lica és pirofòrica, i els compostos de vanadi han de ser considerats com a altament tòxics. La seva inhalació pot causar càncer de pulmó. L'Administració de Seguretat i Salut Ocupacional (OSHA) ha establert un límit d'exposició per a la pols de pentaòxid de divanadi de 0,05 mg/m³, i de 0,1 mg/m³ per al gas de pentaòxid de divanadi en l'aire del lloc de treball per a una jornada de 8 hores, 40 hores a la setmana. L'Institut Nacional de Salut i Seguretat Ocupacional (NIOSH) recomana que ha de considerar-se perillós per a la salut i la vida un nivell de 35 mg/m³ de vanadi. Aquest nivell correspon al que pot causar problemes permanents de salut o mort.

Enllaços externs

• webelements.com - Vanadi (anglès)
• environmentalchemistry.com - Vanadi (anglès)
• AMM.com Perfil del Vanadi Arxivat 2005-03-05 a Wayback Machine. (anglès)
• Mineral Information Institute - Vanadium Arxivat 2006-03-08 a Wayback Machine. (anglès)
• ATSDR - ToxFAQs: Vanadium (anglès)

Viccionari