VANADIUM: SEJARAH, SIFAT, STRUKTUR, KEGUNAAN - KIMIA - 2025

The vanadium adalah logam peralihan ketiga dalam jadual berkala, yang diwakili oleh simbol V. kimia tidak begitu popular sebagai logam lain, tetapi yang memahami keluli dan titaniums anda sedang mendengar sebutan sebagai satu bahan tambahan untuk menguatkan dalam aloi atau alat. Secara fizikal ia identik dengan kekerasan, dan secara kimia, dengan warna.

Sebilangan ahli kimia berani menggambarkannya sebagai logam bunglon, mampu menggunakan pelbagai warna dalam sebatiannya; Harta elektronik yang menyerupai logam mangan dan kromium. Dalam keadaan semula jadi dan suci, ia kelihatan sama dengan logam lain: perak, tetapi dengan warna kebiruan. Setelah berkarat, ia seperti gambar di bawah.

Kepingan vanadium logam dengan lapisan oksida kuning nipis. Sumber: Jurii

Dalam gambar ini, kecerahan oksida hampir tidak dapat dibezakan, yang bergantung pada kemasan atau permukaan kristal logam. Lapisan oksida ini melindunginya dari pengoksidaan lebih lanjut dan, oleh itu, dari kakisan.

Ketahanan terhadap kakisan, dan juga keretakan terma, diberikan kepada aloi apabila atom V ditambahkan ke dalamnya. Semua ini, tanpa menaikkan berat badan terlalu banyak, kerana vanadium bukan logam berat tetapi ringan; tidak seperti yang difikirkan oleh ramai.

Namanya berasal dari dewi Norse Vanadís, dari Scandinavia; namun, ia ditemui di Mexico, sebagai sebahagian daripada mineral vanadinite, Pb _{5 3} Cl, dari kristal kemerahan. Masalahnya ialah untuk mendapatkannya dari mineral ini dan banyak lagi, vanadium harus diubah menjadi sebatian yang lebih mudah dikurangkan daripada oksida, V ₂ O ₅ (yang dikurangi dengan kalsium).

Sumber vanadium lain terdapat pada makhluk laut, atau dalam minyak mentah, "dipenjarakan" di dalam petroporfirin.

Sebagai penyelesaian, warna yang boleh dimiliki oleh sebatiannya, bergantung pada keadaan pengoksidaannya, berwarna kuning, biru, hijau tua atau ungu. Vanadium bukan sahaja menonjolkan bilangan atau keadaan pengoksidaan ini (dari -1 hingga +5), tetapi kerana kemampuannya untuk berkoordinasi dengan cara yang berbeza dengan persekitaran biologi.

Kimia vanadium banyak, misteri, dan dibandingkan dengan logam lain, masih banyak cahaya yang mesti dipancarkan untuk pemahamannya yang dekat.

Sejarah

Penemuan

Mexico mempunyai kehormatan sebagai negara di mana unsur ini ditemui. Ahli mineral Andrés Manuel del Río, pada tahun 1801, menganalisis mineral kemerahan yang dia sendiri sebut plumbum coklat (vanadinite, Pb _{5 3} Cl), mengekstrak oksida logam yang ciri-cirinya tidak sesuai dengan unsur-unsur yang diketahui pada masa itu.

Oleh itu, dia mula-mula membaptis elemen ini dengan nama 'Pancromo' kerana pelbagai warna sebatiannya; kemudian dia menamakannya semula menjadi 'Erythrono', dari perkataan Yunani erythronium, yang bermaksud merah.

Empat tahun kemudian, ahli kimia Perancis Hippolyte Victor Collet Descotils berjaya membuat Del Río menarik balik tuntutannya dengan menunjukkan bahawa eritron bukan unsur baru melainkan kekotoran kromium. Dan mengambil masa lebih dari dua puluh tahun untuk mengetahui sesuatu tentang unsur terlupa ini yang ditemui di tanah Mexico.

Kemunculan nama

Pada tahun 1830 ahli kimia Switzerland Nils Gabriel Sefström menemui unsur baru lain dalam mineral besi, yang disebutnya vanadium; nama yang berasal dari dewi Norse Vanadís, dibandingkan dengan keindahannya dengan warna-warna cemerlang dari sebatian logam ini.

Pada tahun yang sama, ahli geologi Jerman George William Featherstonhaugh, menunjukkan bahawa vanadium dan eritron sebenarnya unsur yang sama; dan walaupun dia ingin nama Sungai menang dengan menyebutnya 'Rionio', lamarannya tidak diterima.

Pengasingan

Untuk mengasingkan vanadium, perlu mengurangkannya dari mineralnya, dan seperti skandium dan titanium, tugas ini tidak mudah kerana pertaliannya dengan oksigen. Mula-mula harus diubah menjadi spesies yang relatif mudah dikurangkan; dalam proses itu, Berzelius memperoleh vanadium nitrida pada tahun 1831, yang dia anggap sebagai logam asli.

Pada tahun 1867 ahli kimia Inggeris Henry Enfield Roscoe, mencapai pengurangan vanadium (II) klorida, VCl ₂ , menjadi vanadium logam menggunakan gas hidrogen. Walau bagaimanapun, logam yang dihasilkannya tidak murni.

Akhirnya, menandakan permulaan sejarah teknologi vanadium, sampel kesucian tinggi diperoleh dengan mengurangkan V ₂ O ₅ dengan kalsium logam. Salah satu kegunaan utamanya adalah membuat casis kereta Ford Model T.

Hartanah

Penampilan fizikal

Dalam bentuknya yang tulen, ia adalah logam keabu-abuan dengan nada kebiruan, lembut dan mulur. Namun, apabila ditutup dengan lapisan oksida (terutama produk yang lebih ringan), warna tersebut akan menyerlah seolah-olah itu adalah bunglon kristal.

Jisim molar

50.9415 g / mol

Takat lebur

1910 ° C

Takat didih

3407 ° C

Ketumpatan

-6.0 g / mL, pada suhu bilik

-5.5 g / mL, pada titik lebur, iaitu, ia hampir tidak mencair.

Panas pelakuran

21.5 kJ / mol

Haba pengewapan

444 kJ / mol

Kapasiti haba molar

24.89 J / (mol K)

Tekanan wap

1 Pa pada suhu 2101 K (boleh diabaikan walaupun pada suhu tinggi).

Elektronegativiti

1.63 pada skala Pauling.

Tenaga pengionan

Pertama: 650.9 kJ / mol ( gas V ⁺ )

Kedua: 1414 kJ / mol ( gas ^{2+ +} )

Ketiga: 2830 kJ / mol (V ³⁺ gas)

Mohs kekerasan

6.7

Penguraian

Apabila dipanaskan, ia dapat mengeluarkan asap toksik V ₂ O ₅ .

Warna penyelesaian

Dari kiri ke kanan, larutan dengan vanadium dalam keadaan pengoksidaan yang berbeza: +5, +4, +3 dan +2. Sumber: W. Oelen melalui Wikipedia.

Salah satu ciri utama vanadium adalah warna sebatiannya. Apabila sebahagian daripadanya dilarutkan dalam media berasid, larutan (kebanyakan berair) menunjukkan warna yang membolehkan seseorang membezakan satu nombor atau keadaan pengoksidaan dari yang lain.

Sebagai contoh, gambar di atas menunjukkan empat tabung uji dengan vanadium dalam keadaan pengoksidaan yang berbeza. Yang di sebelah kiri, berwarna kuning, sesuai dengan V ⁵⁺ , khususnya sebagai kation VO ₂ ⁺ . Kemudian, diikuti oleh kation VO ²⁺ , dengan V ⁴⁺ , berwarna biru; kation V ³⁺ , hijau tua; dan V ²⁺ , ungu atau ungu.

Apabila larutan terdiri daripada campuran sebatian V ⁴⁺ dan V ⁵⁺ , warna hijau terang akan diperoleh (produk berwarna kuning dengan biru).

Kereaktifan

Lapisan V ₂ O ₅ pada vanadium melindunginya daripada bertindak balas dengan asid kuat, seperti sulfurik atau hidroklorik, asas kuat, dan selain kakisan yang disebabkan oleh pengoksidaan selanjutnya.

Apabila dipanaskan di atas 660 ° C, vanadium mengoksidasi sepenuhnya, kelihatan seperti pepejal kuning dengan kilauan warna-warni (bergantung pada sudut permukaannya). Oksida kuning-oren ini dapat dilarutkan jika asid nitrik ditambahkan, yang akan mengembalikan vanadium ke warna peraknya.

Isotop

Hampir semua atom vanadium di Alam Semesta (99.75% daripadanya) adalah sekitar isotop ⁵¹ V, sementara bahagian yang sangat kecil (0.25%) sepadan dengan isotop ⁵⁰ V. Oleh itu, tidak menghairankan bahawa berat atom vanadium ialah 50.9415 u (lebih dekat kepada 51 daripada 50).

Isotop yang lain adalah radioaktif dan sintetik, dengan jangka hayat (t _1/2 ) antara 330 hari ( ⁴⁹ V), 16 hari ( ⁴⁸ V), beberapa jam, atau 10 saat.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Atom vanadium, V, disusun dalam struktur kristal kubik (bcc) berpusat badan, hasil ikatan logam mereka. Daripada strukturnya, ini adalah yang paling padat, dengan lima elektron valensnya yang berpartisipasi dalam "lautan elektron", mengikut konfigurasi elektronik:

3d ³ 4s ²

Oleh itu, ketiga-tiga elektron orbital 3d, dan dua orbit 4s, bersatu untuk transit jalur yang terbentuk oleh pertindihan orbit valensi dari semua atom V kristal; dengan jelas, penjelasan berdasarkan teori band.

Kerana atom V sedikit lebih kecil daripada logam di sebelah kiri mereka (scandium dan titanium) dalam jadual berkala, dan memandangkan ciri elektroniknya, ikatan logam mereka lebih kuat; fakta yang tercermin pada titik lebur tertinggi dan, oleh itu, dengan atomnya yang lebih padat

Menurut kajian komputasi, struktur bcc vanadium stabil walaupun di bawah tekanan 60 GPa. Setelah tekanan ini terlampaui, kristalnya mengalami peralihan ke fasa rhombohedral, yang tetap stabil hingga 434 GPa; apabila struktur bcc muncul semula.

Nombor pengoksidaan

Konfigurasi elektron vanadium sahaja menunjukkan bahawa atomnya mampu kehilangan hingga lima elektron. Apabila berlaku, argon gas mulia menjadi isoelektronik, dan kewujudan kation V ⁵⁺ diasumsikan .

Begitu juga, kehilangan elektron secara beransur-ansur (bergantung pada spesies mana ia terikat), mempunyai bilangan pengoksidaan positif yang bervariasi dari +1 hingga +5; oleh itu, dalam sebatiannya terdapat kation V ⁺ , V ²⁺ dan sebagainya.

Vanadium juga dapat memperoleh elektron, berubah menjadi anion logam. Nombor pengoksidaan negatifnya ialah: -1 (V ^- ) dan -3 (V ^3- ). Konfigurasi elektron V ^3- adalah:

3d ⁶ 4s ²

Walaupun kekurangan empat elektron untuk menyelesaikan pengisian orbit 3d, V ^3- lebih stabil secara energetik daripada V ^7- , yang secara teori memerlukan spesies yang sangat elektropositif (untuk memberikannya elektronnya).

Permohonan

-Metal

Aloi keluli titanium

Vanadium memberikan ketahanan mekanikal, terma dan getaran, serta kekerasan pada aloi yang ditambahkannya. Sebagai contoh, sebagai ferrovanadium (besi dan vanadium aloi), atau vanadium karbida, ia ditambah bersama dengan logam lain dalam keluli, atau dalam aloi titanium.

Dengan cara ini, bahan yang sangat keras dan ringan dibuat, berguna untuk digunakan sebagai alat (gerudi dan kunci pas), roda gigi, bahagian kenderaan atau pesawat udara, turbin, basikal, mesin jet, pisau, implan gigi, dll.

Juga, aloi dengan gallium (V ₃ Ga) adalah superkonduktor dan digunakan untuk pembuatan magnet. Dan juga, memandangkan kereaktifan yang rendah, aloi vanadium digunakan untuk paip di mana reagen kimia menghakis berjalan.

Bateri redadium vanadium

Vanadium adalah sebahagian daripada bateri redoks, VRB (untuk singkatannya dalam bahasa Inggeris: Vanadium Redox Battery). Ini dapat digunakan untuk mempromosikan penjanaan elektrik dari tenaga suria dan angin, serta bateri dalam kenderaan elektrik.

-Komposit

Pigmen

V ₂ O ₅ digunakan untuk memberi kaca dan seramik warna keemasan. Sebaliknya, kehadirannya dalam beberapa mineral menjadikannya kehijauan, seperti yang berlaku dengan zamrud (dan terima kasih juga kepada logam lain).

Pemangkin

V ₂ O ₅ juga merupakan pemangkin yang digunakan untuk sintesis asid sulfurik dan asid anhidrida maleik. Dicampur dengan oksida logam lain, ia bertindak sebagai pemangkin tindak balas organik lain, seperti pengoksidaan propana dan propilena kepada akrolein dan asid akrilik.

Ubat

Dadah yang terdiri daripada kompleks vanadium telah dianggap mungkin dan calon yang berpotensi untuk merawat diabetes dan barah.

Peranan biologi

Nampak ironis bahawa vanadium, kerana sebatiannya yang berwarna dan beracun, ionnya (VO ⁺ , VO ₂ ⁺ dan VO ₄ ^3- , kebanyakannya) pada jejaknya bermanfaat dan mustahak bagi makhluk hidup; terutamanya habitat laut.

Sebabnya berpusat pada keadaan pengoksidaannya, dengan berapa banyak ligan dalam persekitaran biologi yang diselaraskannya (atau berinteraksi), pada analogi antara anion vanadate dan fosfat (VO ₄ ^3- dan PO ₄ ^3- ), dan pada faktor lain yang dikaji oleh bahan kimia bioinorganik.

Atom vanadium kemudiannya dapat berinteraksi dengan atom-atom yang tergolong dalam enzim atau protein, sama ada dengan empat (tetrahedron koordinasi), lima (piramid persegi atau geometri lain) atau enam. Sekiranya ini berlaku, reaksi yang baik untuk tubuh dicetuskan, maka dikatakan bahawa vanadium melakukan aktiviti farmakologi.

Sebagai contoh, terdapat haloperoxidases: enzim yang boleh menggunakan vanadium sebagai kofaktor. Terdapat juga vanabin (dalam sel tunadat vanadosit), fosforilase, nitrogenase, transferin dan albumin serum (mamalia), yang mampu berinteraksi dengan logam ini.

Kompleks koordinasi molekul organik atau vanadium yang disebut amavadin, terdapat di dalam badan kulat tertentu, seperti Amanita muscaria (gambar bawah).

Cendawan Amanita muscaria. Sumber: Pixabay.

Dan akhirnya, di beberapa kompleks, vanadium mungkin terkandung dalam kumpulan heme, seperti halnya zat besi dalam hemoglobin.

Rujukan

1. Shiver & Atkins. (2008). Kimia bukan organik. (Edisi keempat). Bukit Mc Graw.
2. Wikipedia. (2019). Vanadium. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
3. Ashok K. Verma & P. ​​Modak. (sf). Ketidakstabilan fonon dan peralihan fasa struktur di Vanadium di bawah tekanan tinggi. Bahagian Fizik Tekanan Tinggi, Pusat Penyelidikan Atom Bhabha, Trombay, Mumbai-400085, India.
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 Julai 2019). Fakta Vanadium (Nombor V atau Atom 23). Dipulihkan dari: thinkco.com
5. Richard Mills. (24 Oktober 2017). Vanadium: Logam yang tidak dapat kita buat tanpa dan tidak dihasilkan. Kumpulan Media Glacier. Dipulihkan dari: mining.com
6. Pusat Maklumat Nasional Bioteknologi. (2019). Vanadium. Pangkalan Data PubChem. CID = 23990. Dipulihkan dari: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Clark Jim. (2015). Vanadium. Dipulihkan dari: chemguide.co.uk
8. Pierce Sarah. (2019). Apa itu Vanadium? Kegunaan, Fakta & Isotop. Kaji. Dipulihkan dari: study.com
9. Crans & kol. (2004). Kimia dan Biokimia Vanadium dan Kegiatan Biologi yang Dilaksanakan oleh Sebatian Vanadium. Jabatan Kimia, Universiti Negeri Colorado, Fort Collins, Colorado 80523-1872.