VANADIO: STORIA, PROPRIETÀ, STRUTTURA, USI - CHIMICA - 2024

Il vanadio è il terzo metallo di transizione nella tavola periodica, rappresentato dal simbolo chimico V. non è popolare come altri metalli, ma chi comprende acciai e titanio si sente parlare come additivo per il rafforzamento di leghe o utensili. Fisicamente è sinonimo di durezza e chimicamente di colori.

Alcuni chimici osano descriverlo come un metallo camaleontico, capace di adottare una vasta gamma di colori nei suoi composti; Proprietà elettronica che assomiglia a quella dei metalli manganese e cromo. Allo stato nativo e puro, ha lo stesso aspetto degli altri metalli: argento, ma con sfumature bluastre. Una volta arrugginito, appare come mostrato di seguito.

Pezzi di vanadio metallico con sottili strati iridescenti di ossido giallo. Fonte: Jurii

In questa immagine si distingue appena l'iridescenza dell'ossido, che dipende dalle finiture o dalla superficie dei cristalli metallici. Questo strato di ossido lo protegge da ulteriore ossidazione e, quindi, dalla corrosione.

Tale resistenza alla corrosione, nonché al cracking termico, viene fornita alle leghe quando vengono aggiunti atomi di V. Tutto questo, senza alzarne troppo il peso, poiché il vanadio non è un metallo pesante ma leggero; a differenza di quello che molti potrebbero pensare.

Il suo nome deriva dalla dea nordica Vanadís, dalla Scandinavia; tuttavia, è stato scoperto in Messico, come parte del minerale vanadinite, Pb _{5 3} Cl, di cristalli rossastri. Il problema era che per ottenerlo da questo minerale e da molti altri, il vanadio doveva essere trasformato in un composto più facile da ridurre del suo ossido, V ₂ O ₅ (che si riduce con il calcio).

Altre fonti di vanadio si trovano negli esseri marini, o nel petrolio greggio, "imprigionati" nelle petroporfirine.

In soluzione, i colori che i suoi composti possono avere, a seconda del loro stato di ossidazione, sono giallo, blu, verde scuro o viola. Il vanadio non si distingue solo per questi numeri o stati di ossidazione (da -1 a +5), ma per la sua capacità di coordinarsi in modi diversi con gli ambienti biologici.

La chimica del vanadio è abbondante, misteriosa e rispetto ad altri metalli c'è ancora molta luce che deve essere gettata su di esso per una sua profonda comprensione.

Storia

Scoperta

Il Messico ha l'onore di essere stato il paese in cui questo elemento è stato scoperto. Il mineralogista Andrés Manuel del Río, nel 1801, analizzando un minerale rossastro che lui stesso chiamava piombo bruno (vanadinite, Pb _{5 3} Cl), estrasse ossidi metallici le cui caratteristiche non corrispondevano a quelle di nessun elemento conosciuto all'epoca.

Così, prima battezzò questo elemento con il nome "Pancromo" a causa della ricca varietà di colori dei suoi composti; poi lo ribattezzò "Erythrono", dalla parola greca erythronium, che significa rosso.

Quattro anni dopo, il chimico francese Hippolyte Victor Collet Descotils, riuscì a convincere Del Rio a ritrattare le sue affermazioni suggerendo che l'eritrone non era un elemento nuovo ma impurità di cromo. E ci sono voluti più di vent'anni prima che si sapesse qualcosa su questo elemento dimenticato scoperto nel suolo messicano.

Emersione del nome

Nel 1830 il chimico svizzero Nils Gabriel Sefström scoprì un altro nuovo elemento nei minerali di ferro, che chiamò vanadio; nome che deriva dalla dea nordica Vanadís, in confronto alla sua bellezza con i colori brillanti dei composti di questo metallo.

Quello stesso anno, il geologo tedesco George William Featherstonhaugh, fece notare che il vanadio e l'eritrone erano in realtà lo stesso elemento; e sebbene volesse far prevalere il nome del fiume chiamandolo "Rionio", la sua proposta non fu accolta.

Isolamento

Per isolare il vanadio è stato necessario ridurlo dai suoi minerali e, come lo scandio e il titanio, questo compito non è stato facile a causa della sua tenace affinità per l'ossigeno. Doveva prima essere trasformato in specie che si riducessero relativamente facilmente; nel processo, Berzelius ottenne il nitruro di vanadio nel 1831, che scambiò per il metallo nativo.

Nel 1867 il chimico inglese Henry Enfield Roscoe, ottenne la riduzione del cloruro di vanadio (II), VCl ₂ , a vanadio metallico utilizzando idrogeno gassoso. Tuttavia, il metallo che produceva era impuro.

Infine, segnando l'inizio della storia tecnologica del vanadio, è stato ottenuto un campione di elevata purezza riducendo V ₂ O ₅ con calcio metallico. Uno dei suoi primi usi importanti è stato quello di realizzare il telaio dell'auto Ford Model T.

Proprietà

Aspetto fisico

Nella sua forma pura, è un metallo grigiastro con sfumature bluastre, morbido e duttile. Tuttavia, quando è ricoperto da uno strato di ossido (soprattutto il prodotto di un accendino), assume colori sorprendenti come se fosse un camaleonte di cristallo.

Massa molare

50,9415 g / mol

Punto di fusione

1910 ° C

Punto di ebollizione

3407 ° C

Densità

-6,0 g / mL, a temperatura ambiente

-5,5 g / mL, al punto di fusione, cioè difficilmente si scioglie.

Calore di fusione

21,5 kJ / mol

Calore di vaporizzazione

444 kJ / mol

Capacità termica molare

24,89 J / (mol K)

Pressione del vapore

1 Pa a 2101 K (praticamente trascurabile anche ad alte temperature).

elettronegatività

1,63 della scala Pauling.

Energie di ionizzazione

Primo: 650,9 kJ / mol (V ⁺ gas)

Secondo: 1414 kJ / mol (V ²⁺ gassoso)

Terzo: 2830 kJ / mol (V ³⁺ gassoso)

Durezza di Mohs

6.7

Decomposizione

Quando riscaldato può rilasciare fumi tossici di V ₂ O ₅ .

Colori delle soluzioni

Da sinistra a destra, soluzioni con vanadio in diversi stati di ossidazione: +5, +4, +3 e +2. Fonte: W. Oelen tramite Wikipedia.

Una delle caratteristiche principali e notevoli del vanadio sono i colori dei suoi composti. Quando alcuni di essi vengono disciolti in mezzi acidi, le soluzioni (principalmente acquose) mostrano colori che consentono di distinguere un numero o uno stato di ossidazione da un altro.

Ad esempio, l'immagine sopra mostra quattro provette con vanadio in diversi stati di ossidazione. Quello a sinistra, di colore giallo, corrisponde a V ⁵⁺ , in particolare come catione VO ₂ ⁺ . Quindi è seguito dal catione VO ²⁺ , con V ⁴⁺ , di colore blu; il catione V ³⁺ , verde scuro; e V ²⁺ , viola o malva.

Quando una soluzione è costituita da una miscela di composti V ⁴⁺ e V ⁵⁺ , si ottiene un colore verde brillante (prodotto del giallo con il blu).

Reattività

Lo strato V ₂ O ₅ su vanadio lo protegge dalla reazione con acidi forti, come solforico o cloridrico, basi forti, e oltre alla corrosione causata da ulteriore ossidazione.

Quando riscaldato oltre i 660 ° C, il vanadio si ossida completamente, assomigliando a un solido giallo con lucentezza iridescente (a seconda degli angoli della sua superficie). Questo ossido giallo-arancio può essere sciolto se viene aggiunto acido nitrico, che restituirà il vanadio al suo colore argento.

Isotopi

Quasi tutti gli atomi di vanadio nell'Universo (99,75% di essi) sono circa l'isotopo ⁵¹ V, mentre una porzione molto piccola (0,25%) corrisponde all'isotopo ⁵⁰ V. Quindi, non sorprende che il il peso atomico del vanadio è 50,9415 u (più vicino a 51 di 50).

Gli altri isotopi sono radioattivi e sintetici, con emivite (t _1/2 ) che vanno da 330 giorni ( ⁴⁹ V), 16 giorni ( ⁴⁸ V), poche ore o 10 secondi.

Struttura e configurazione elettronica

Gli atomi di vanadio, V, sono disposti in una struttura cristallina cubica centrata sul corpo (bcc), il prodotto del loro legame metallico. Delle strutture, questa è la meno densa, con i suoi cinque elettroni di valenza che partecipano al "mare di elettroni", secondo la configurazione elettronica:

3d ³ 4 s ²

Così, i tre elettroni dell'orbitale 3d, e i due dell'orbitale 4s, si uniscono per transitare in una banda formata dalla sovrapposizione degli orbitali di valenza di tutti gli atomi V del cristallo; chiaramente, spiegazione basata sulla teoria delle bande.

Poiché gli atomi di V sono un po 'più piccoli dei metalli alla loro sinistra (scandio e titanio) nella tavola periodica, e date le loro caratteristiche elettroniche, il loro legame metallico è più forte; un fatto che si riflette nel suo punto di fusione più alto e, quindi, con i suoi atomi più coesivi.

Secondo studi computazionali, la struttura bcc del vanadio è stabile anche sotto enormi pressioni di 60 GPa. Una volta superata questa pressione, il suo cristallo subisce una transizione verso la fase romboedrica, che rimane stabile fino a 434 GPa; quando la struttura bcc riappare di nuovo.

Numeri di ossidazione

La configurazione elettronica del vanadio da sola indica che il suo atomo è in grado di perdere fino a cinque elettroni. Quando lo fa, il gas nobile argon diventa isoelettronico e si presume l'esistenza del catione V ⁵⁺ .

Allo stesso modo, la perdita di elettroni può essere graduale (a seconda della specie a cui è legato), avendo numeri di ossidazione positivi che variano da +1 a +5; pertanto nei suoi composti si assume l'esistenza dei rispettivi cationi V ⁺ , V ²⁺ e così via.

Il vanadio può anche guadagnare elettroni, trasformandosi in un anione metallico. I suoi numeri di ossidazione negativi sono: -1 (V ^- ) e -3 (V ^3- ). La configurazione elettronica di V ^3- è:

3d ⁶ 4 s ²

Sebbene manchi di quattro elettroni per completare il riempimento degli orbitali 3d, V ^3- è energeticamente più stabile di V ^7- , che in teoria avrebbe bisogno di specie estremamente elettropositive (per dargli i suoi elettroni).

applicazioni

-Metallo

Leghe di acciaio al titanio

Il vanadio conferisce resistenza meccanica, termica e vibrazionale, nonché durezza alle leghe a cui viene aggiunto. Ad esempio, come ferro ferranadio (lega di ferro e vanadio) o carburo di vanadio, viene aggiunto insieme ad altri metalli in acciaio o leghe di titanio.

In questo modo si creano materiali molto duri e leggeri, utili per essere utilizzati come strumenti (trapani e chiavi inglesi), ingranaggi, parti di automobili o aerei, turbine, biciclette, motori a reazione, coltelli, impianti dentali, ecc.

Inoltre, le sue leghe con gallio (V ₃ Ga) sono superconduttrici e vengono utilizzate per la fabbricazione di magneti. Inoltre, data la loro bassa reattività, le leghe di vanadio vengono utilizzate per i tubi in cui scorrono reagenti chimici corrosivi.

Batterie redox al vanadio

Vanadium fa parte delle batterie redox, VRB (per il suo acronimo in inglese: Vanadium Redox Batteries). Questi possono essere utilizzati per promuovere la generazione di elettricità da energia solare ed eolica, nonché batterie nei veicoli elettrici.

-Compositi

Pigmento

V ₂ O ₅ viene utilizzato per conferire al vetro e alla ceramica un colore dorato. D'altra parte, la sua presenza in alcuni minerali li rende verdastri, come accade con gli smeraldi (e grazie anche ad altri metalli).

Catalizzatore

V ₂ O ₅ è anche un catalizzatore utilizzato per la sintesi di acido solforico e acido anidride maleico. Mescolato con altri ossidi metallici, catalizza altre reazioni organiche, come l'ossidazione del propano e del propilene rispettivamente in acroleina e acido acrilico.

Medicinale

I farmaci costituiti da complessi di vanadio sono stati considerati come possibili e potenziali candidati per il trattamento del diabete e del cancro.

Ruolo biologico

Sembra ironico che il vanadio, essendo i suoi composti colorati e tossici, i suoi ioni (VO ⁺ , VO ₂ ⁺ e VO ₄ ^3- , per lo più) in tracce siano benefici ed essenziali per gli esseri viventi; soprattutto quelli degli habitat marini.

Le ragioni sono incentrate sui suoi stati di ossidazione, con quanti ligandi nell'ambiente biologico coordina (o interagisce), sull'analogia tra il vanadato e l'anione fosfato (VO ₄ ^3- e PO ₄ ^3- ), e su altri fattori studiati da sostanze chimiche bioinorganiche.

Gli atomi di vanadio possono quindi interagire con quegli atomi appartenenti a enzimi o proteine, con quattro (tetraedro di coordinazione), cinque (piramide quadrata o altre geometrie) o sei. Se quando ciò accade si innesca una reazione favorevole per l'organismo, si dice che il vanadio eserciti attività farmacologica.

Ad esempio, ci sono aloperossidasi: enzimi che possono utilizzare il vanadio come cofattore. Allo stesso modo, ci sono vanabine (nelle cellule vanadocitarie dei tunicati), fosforilasi, nitrogenasi, transferine e albumine sieriche (dei mammiferi), in grado di interagire con questo metallo.

Una molecola organica o complesso di coordinazione del vanadio chiamato amavadina, è presente nei corpi di alcuni funghi, come l'Amanita muscaria (immagine in basso).

Fungo amanita muscaria. Fonte: Pixabay.

Infine, in alcuni complessi, il vanadio può essere contenuto in un gruppo eme, come nel caso del ferro nell'emoglobina.

Riferimenti

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