Chemische Formel von Vanadium. Vanadium: Eigenschaften, Atommasse, Formel, Anwendung. Stahllos des Elements

DEFINITION

Vanadium befindet sich in der vierten Periode der Gruppe V der sekundären (B) Untergruppe des Periodensystems.

Bezieht sich auf Elemente der d-Familie. Metall. Bezeichnung - V. Ordnungszahl - 23. Relative Atommasse - 50,941 a.m.u.

Elektronische Struktur des Vanadiumatoms

Das Vanadiumatom besteht aus einem positiv geladenen Kern (+23), in dem sich 23 Protonen und 28 Neutronen befinden und 23 Elektronen sich auf vier Bahnen bewegen.

Abb.1. Schematische Struktur des Vanadiumatoms.

Die Verteilung der Elektronen in Orbitalen ist wie folgt:

1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3D 3 4S 2 .

Das äußere Energieniveau des Vanadiumatoms enthält 5 Elektronen, die Valenz sind. Die Oxidationsstufe von Calcium ist +5. Das Energiediagramm des Grundzustands hat folgende Form:

Anhand des Diagramms kann argumentiert werden, dass Vanadium ebenfalls eine Oxidationsstufe von +3 hat.

Beispiele für Problemlösungen

BEISPIEL 1

Übung	Zeichnen Sie die Verteilung von Elektronen über Energieniveaus und Unterniveaus in Silizium- und Vanadiumatomen. Zu welchen Arten von Elementen gehören sie in Bezug auf die atomare Struktur?
Antworten	Silizium : 14 Si) 2) 8) 4 ; 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 2 . Vanadium: 23 V) 2) 8) 11) 2 ; 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3D 3 4S 2 . Silizium gehört zur Familie P- und Vanadium D-Elemente.

Vanadium

VANADIUM-ICH; M.[lat. Vanadium aus Nord.] Ein chemisches Element (V), ein hellgraues Hartmetall, das zur Herstellung wertvoller Stahlsorten verwendet wird. ● Es ist wegen der schönen Farbe seiner Salze nach der nordischen Schönheitsgöttin Vanadis benannt.

◁ Vanadium, th, th. V-th Erzen. V-ter Stahl.

Vanadium

(lat. Vanadium), ein chemisches Element der Gruppe V des Periodensystems. Der Name stammt von der altnordischen Schönheitsgöttin Vanadis. Stahlgraues Hartmetall. Dichte 6,11 g/cm³, T pl 1920°C. Beständig gegen Wasser und viele Säuren. In der Erdkruste verteilt, oft begleitet von Eisen (Eisenerze sind eine wichtige industrielle Vanadiumquelle). Ein Legierungsbestandteil von Baustählen und Legierungen, die in der Luft- und Raumfahrttechnik, im Marineschiffbau, ein Bestandteil von supraleitenden Legierungen verwendet werden. Vanadiumverbindungen werden in der Textil-, Farben- und Lackindustrie sowie in der Glasindustrie verwendet.

VANADIUM

VANADIUM (lat. Vanadium), V (sprich „Vanadium“), ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 23, Atommasse 50,9415. Natürliches Vanadium ist eine Mischung aus zwei Nukliden (cm. NUKLID): stabiles 51 V (99,76 Massen-%) und schwach radioaktives 52 V (Halbwertszeit mehr als 3,9 · 10 · 17 Jahre). Anordnung zweier äußerer Elektronenschichten 3 S 2 P 6 D 3 4S 2 . Im Periodensystem von Mendelejew steht es in der vierten Periode in der Gruppe VB. Vanadium bildet Verbindungen in Oxidationsstufen von +2 bis +5 (Wertigkeiten von II bis V).
Der Radius des neutralen Vanadiumatoms beträgt 0,134 nm, der Radius der V 2+ -Ionen beträgt 0,093 nm, V 3+ beträgt 0,078 nm, V 4+ beträgt 0,067–0,086 nm, V 5+ beträgt 0,050–0,068 nm. Die Energien der sukzessiven Ionisierung des Vanadiumatoms betragen 6,74, 14,65, 29,31, 48,6 und 65,2 eV. Auf der Pauling-Skala beträgt die Elektronegativität von Vanadium 1,63.
In der freien Form - ein glänzendes silbergraues Metall.
Entdeckungsgeschichte
Vanadium wurde 1801 von dem mexikanischen Mineralogen A. M. del Río als Beimischung in Bleierz aus einer Mine in Zimapan entdeckt. Del Rio nannte das neue Element Erythronium (von griechisch erythros, rot) wegen der roten Farbe seiner Verbindungen. Später entschied er jedoch, dass er kein neues Element entdeckte, sondern eine Varietät von Chrom, die vier Jahre zuvor entdeckt und immer noch fast unerforscht war. 1830 griff der deutsche Chemiker F. Wehler das mexikanische Mineral auf. (cm. Wehler Friedrich) Aufgrund einer Fluorwasserstoffvergiftung stellte er die Forschung jedoch für mehrere Monate ein. Im selben Jahr wurde der schwedische Chemiker N. Sefstrom (cm. SEFSTREM Nils Gabriel) machte auf das Vorhandensein von Verunreinigungen in Eisenerz aufmerksam, in dem sich neben den bekannten Elementen eine neue Substanz herausstellte. Als Ergebnis der Analyse im Labor von J. Berzelius (cm. BERZELIUS Jens Jacob) es wurde bewiesen, dass ein neues Element entdeckt wurde. Dieses Element bildet Verbindungen mit schöner Färbung, daher der Name des Elements, das mit dem Namen der skandinavischen Schönheitsgöttin Vanadis verbunden ist. 1831 bewies Wöhler die Identität von Erythronium und Vanadium, aber das Element behielt den ihm von Sefstrom und Berzelius gegebenen Namen.
In der Natur sein
In der Natur kommt Vanadium nicht in freier Form vor, es gehört zu den Spurenelementen. (cm. SPURENELEMENTE). Der Gehalt an Vanadium in der Erdkruste beträgt 1,6 10 -2 Gew.-%, im Wasser der Meere 3,10 -7 %. Die wichtigsten Mineralien sind Patronit V(S 2) 2 , Vanadinit Pb 5 (VO 4) 3 Cl und einige andere. Die Hauptquelle für Vanadium sind Eisenerze, die Vanadium als Verunreinigung enthalten.
Erhalt
In der Industrie wird bei der Gewinnung von Vanadium aus Eisenerzen mit seiner Beimischung zunächst ein Konzentrat hergestellt, in dem der Vanadiumgehalt 8-16 % erreicht. Weiterhin wird durch oxidative Behandlung Vanadium in die höchste Oxidationsstufe von +5 überführt und das gut wasserlösliche Natriumvanadat NaVO 3 abgetrennt. Beim Ansäuern der Lösung mit Schwefelsäure bildet sich ein Niederschlag, der nach dem Trocknen mehr als 90 % Vanadium enthält.
Das Primärkonzentrat wird in Hochöfen reduziert und ein Vanadiumkonzentrat wird gewonnen, das dann zum Schmelzen einer Legierung aus Vanadium und Eisen verwendet wird - dem sogenannten Ferrovanadium (enthält 35 bis 70 % Vanadium). Vanadiummetall kann durch Reduktion von Vanadiumchlorid mit Wasserstoff, Calcium-thermische Reduktion von Vanadiumoxiden (V 2 O 5 oder V 2 O 3 ), thermische Dissoziation von VI 2 und andere Verfahren hergestellt werden.
Physikalische und chemische Eigenschaften
Vanadium ähnelt im Aussehen Stahl, es ist ein ziemlich hartes, aber gleichzeitig duktiles Metall. Schmelzpunkt 1920 °C, Siedepunkt ca. 3400 °C, Dichte 6,11 g/cm 3. Das Kristallgitter ist kubisch raumzentriert, Parameter a = 0,3024 nm.
Vanadium ist chemisch ziemlich inert. Es ist beständig gegen Meerwasser, verdünnte Lösungen von Salz-, Salpeter- und Schwefelsäure, Laugen. Vanadium bildet mit Sauerstoff mehrere Oxide: VO, V 2 O 3 , V 3 O 5 , VO 2 , V 2 O 5 . Orange V 2 O 5 ist ein saures Oxid, dunkelblaues VO 2 ist amphoter, die restlichen Vanadiumoxide sind basisch. Mit Halogenen bildet Vanadium Halogenide der Zusammensetzungen VX 2 (X = F, Cl, Br, I), VX 3, VX 4 (X = F, Cl, Br), VF 5 und mehrere Oxohalogenide (VOCl, VOCl 2, VOF 3). , usw. .).
Vanadiumverbindungen in den Oxidationsstufen +2 und +3 sind starke Reduktionsmittel, in den Oxidationsstufen +5 zeigen sie die Eigenschaften von Oxidationsmitteln. Bekannte hochschmelzende Vanadiumcarbid VC (tpl = 2800 °C), Vanadiumnitrid VN, Vanadiumsulfid V 2 S 5 , Vanadiumsilizid V 3 Si und andere Vanadiumverbindungen.
Wenn V 2 O 5 mit basischen Oxiden wechselwirkt, werden Vanadate gebildet (cm. VANADATEN)- Salze der Vanadinsäure der wahrscheinlichen Zusammensetzung H 2 .
Anwendung
Vanadium wird hauptsächlich als Legierungszusatz bei der Herstellung von verschleißfesten, hitzebeständigen und korrosionsbeständigen Legierungen (insbesondere Sonderstähle), als Bestandteil bei der Herstellung von Magneten verwendet. Vanadiumoxid V 2 O 5 dient als wirksamer Katalysator beispielsweise bei der Oxidation von Schwefeldioxid SO 2 zu Schwefelgas SO 3 bei der Herstellung von Schwefelsäure. Vanadiumverbindungen finden vielfältige Anwendungen in verschiedenen Industrien (Textil, Glas, Farben und Lacke etc.).
Biologische Rolle
Vanadium ist ständig in den Geweben aller Organismen in Spuren vorhanden. In Pflanzen ist sein Gehalt (0,1-0,2 %) deutlich höher als in Tieren (1 10 -5 -1 10 -4 %). Einige Meeresorganismen - Bryozoen, Mollusken und insbesondere Ascidien - sind in der Lage, Vanadium in erheblichen Mengen zu konzentrieren (bei Ascidien findet sich Vanadium im Blutplasma oder in speziellen Zellen - Vanadozyten). Anscheinend ist Vanadium an einigen oxidativen Prozessen im Gewebe beteiligt. Menschliches Muskelgewebe enthält 2 10 - 6% Vanadium, Knochengewebe - 0,35 10 - 6%, im Blut - weniger als 2 10 - 4% mg / l. Insgesamt enthält der Körper einer durchschnittlichen Person (Körpergewicht 70 kg) 0,11 mg Vanadium. Vanadium und seine Verbindungen sind giftig. Die toxische Dosis für den Menschen liegt bei 0,25 mg, die tödliche Dosis bei 2-4 mg. Für V 2 O 5 beträgt MPC in der Luft 0,1-0,5 mg / m 3.

Enzyklopädisches Wörterbuch. 2009 .

Synonyme:

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- (lat. Vanadium). Zerbrechliches Metall, weiß, 1830 entdeckt und nach der skandinavischen Gottheit Vanadium benannt. Wörterbuch der in der russischen Sprache enthaltenen Fremdwörter. Chudinov A.N., 1910. VANADIUM lat. Vanadium, genannt Vanadia, ... ... Wörterbuch der Fremdwörter der russischen Sprache

- (Chemischer Wert V, Atomgewicht 51) ein chemisches Element ähnlich Verbindungen mit Phosphor und Stickstoff. Die Verbindungen von V. treffen sich recht häufig, wenn auch in vernachlässigbar geringen Mengen, in Eisenerzen und einigen Tonen; bei der Aufbereitung vanadischer Eisenerze, V. Teil ... ... Enzyklopädie von Brockhaus und Efron

Vanad Wörterbuch der russischen Synonyme. Vanadium n., Anzahl Synonyme: 2 Vanadium (1) Element ... Synonymwörterbuch

VANADIUM- VANADIUM, chem. Zeichen V, bei. v. 51,0, hartes, elastisches stahlfarbenes Metall, Schmelzpunkt 1715°, sp. Gewicht 5.688. Die Verbindungen des V. sind weit gestreut. Diese Verbindungen sind Gifte, die an Stärke denen des Arsens nicht unterlegen sind; Sie haben…… Große medizinische Enzyklopädie

- (Vanadium), V, ein chemisches Element der Gruppe V des Periodensystems, Ordnungszahl 23, Atommasse 50,9415; Metall, Schmp. 1920 shC. Zum Legieren von Stahl und Gusseisen, als Bestandteil von hitzebeständigen, harten und korrosionsbeständigen Legierungen, als ... Moderne Enzyklopädie

- (lat. Vanadium) V, ein chemisches Element der Gruppe V des Periodensystems, Ordnungszahl 23, Atommasse 50,9415. Der Name stammt von der altnordischen Schönheitsgöttin Vanadis. Graues Stahlhartmetall. Dichte 6,11 g/cm³, Schmp. 1920 .C.… … Großes enzyklopädisches Wörterbuch

- (Symbol V), ÜBERGANGSELEMENT, entdeckt 1801. Silberweißes, formbares, zähflüssiges Metall. Gefunden in Eisen-, Blei- und Uranerzen sowie in Kohle und Öl. Wird in Stahllegierungen verwendet, um die Festigkeit und Hitzebeständigkeit zu erhöhen. ... ... Wissenschaftliches und technisches Lexikon Physikalische Enzyklopädie

Vanadium- V Element der V-Gruppe Periodisch. Systeme; bei. N. 23, bei. T. 50.942; stahlgraues Metall. Natürliches V besteht aus zwei Isotopen: 51 V (99,75 %) und 50 V (0,25 %). V wurde 1801 von Mex entdeckt. Mineraloge A. M. del Rio. Beim Abschlussball. Spur V… … Handbuch für technische Übersetzer

Vanadium(Vanadium), v, chemisches Element der Gruppe v des Periodensystems von Mendeleev; Ordnungszahl 23, Atommasse 50,942; stahlgraues Metall. Natürliches V. besteht aus zwei Isotopen: 51 v (99,75 %) und 50 v (0,25 %); Letzteres ist schwach radioaktiv (Halbwertszeit T 1/2 = 10 14 Jahre). V. wurde 1801 von dem mexikanischen Mineralogen A. M. del Rio in mexikanischem Braunbleierz entdeckt und nach der schönen roten Farbe der erhitzten Salze Erythronium (von griechisch erythr o s, rot) benannt. 1830 entdeckte der schwedische Chemiker N. G. Sefström ein neues Element im Eisenerz von Taberg (Schweden) und nannte es B. zu Ehren von Vanadis, der altnordischen Göttin der Schönheit. 1869 erhielt der englische Chemiker H. Roscoe pulverförmiges Metall V. durch Reduktion von vcl 2 mit Wasserstoff. V. wird seit Beginn des 20. Jahrhunderts im industriellen Maßstab abgebaut.

Der Gehalt an V. in der Erdkruste beträgt 1,5-10 -2 Gew.-%, ein recht häufiges Element, jedoch verstreut in Gesteinen und Mineralien. Patronit, Roskoelit, Decloisit, Carnotit, Vanadinit und einige andere Mineralien sind von industrieller Bedeutung Titan-Magnetit und sedimentäre (Phosphor-) Eisenerze sowie oxidierte Kupfer-Blei-Zink-Erze sind eine wichtige Quelle für Diamanten. V. wird als Nebenprodukt bei der Verarbeitung von Uranrohstoffen, Phosphoriten, Bauxiten und verschiedenen organischen Lagerstätten (Asphaltite, Ölschiefer) gewonnen.

Physikalische und chemische Eigenschaften. V. hat ein kubisch-raumzentriertes Gitter mit einer Periode a = 3,0282 å. Im reinen Zustand ist V. geschmiedet und lässt sich leicht durch Druck bearbeiten. Dichte 6.11 G/ cm 3 , T pl 1900 ± 25°С, T Kippen 3400°С; spezifische Wärmekapazität (bei 20-100°C) 0,120 Kot/ ggrad; thermischer linearer Ausdehnungskoeffizient (bei 20-1000°C) 10,6 · 10 -6 Hagel-1, spezifischer elektrischer Widerstand bei 20 °C 24,8 · 10 -8 Ohm· M(24,8 10 -6 Ohm· cm), unter 4,5 K V. geht in einen Zustand der Supraleitung über. Mechanische Eigenschaften von hochreinem V. nach dem Glühen: Elastizitätsmodul 135,25 N/ M 2 (13520 kgf/ mm 2), Zugfestigkeit 120 nm/ M 2 (12 kgf/ mm 2), Dehnung 17 %, Brinellhärte 700 pl/ M 2 (70 kgf/ mm 2). Gasverunreinigungen verringern die Plastizität von Wolle stark und erhöhen ihre Härte und Sprödigkeit.

Bei gewöhnlichen Temperaturen wird V. von Luft, Meerwasser und Alkalilösungen nicht angegriffen; beständig gegen nicht oxidierende Säuren, mit Ausnahme von Flusssäure. Hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit in Salz- und Schwefelsäure ist Titan Titan und Edelstahl deutlich überlegen. Beim Erhitzen an der Luft über 300 °C nimmt Wolle Sauerstoff auf und wird spröde. Bei 600-700°C wird V. intensiv unter Bildung von v 2 o 5 -Pentoxid sowie niederen Oxiden oxidiert. Wenn V. in einem Stickstoffstrom über 700 ° C erhitzt wird, entsteht Nitrid vn ( T pl 2050°C), stabil in Wasser und Säuren. V. interagiert bei hohen Temperaturen mit Kohlenstoff und ergibt feuerfestes Carbid vc ( T pl 2800°C) mit hoher Härte.

V. gibt Verbindungen, die den Valenzen 2, 3, 4 und 5 entsprechen; dementsprechend sind Oxide bekannt: vo und v 2 o 3 (mit basischem Charakter), vo 2 (amphoterisch) und v 2 o 5 (sauer). Verbindungen des 2- und 3-wertigen V. sind instabil und starke Reduktionsmittel. Verbindungen höherer Wertigkeiten sind von praktischer Bedeutung. Die Tendenz von V., Verbindungen unterschiedlicher Wertigkeiten zu bilden, wird in der analytischen Chemie genutzt und bestimmt auch die katalytischen Eigenschaften von v 2 o 5. V. Pentoxid löst sich in Alkalien unter Bildung auf Vanadate.

Empfang und Anwendung. Zur Gewinnung von V. werden eingesetzt: Direktlaugung von Erz oder Erzkonzentrat mit Lösungen von Säuren und Laugen; Rösten des Ausgangsmaterials (häufig mit NaCl-Zusätzen) und anschließendes Auslaugen des gerösteten Produkts mit Wasser oder verdünnten Säuren. Hydratisiertes Pentoxid V wird aus Lösungen durch Hydrolyse (bei pH = 1-3) isoliert.Beim Verhütten vanadiumhaltiger Eisenerze im Hochofen geht V. in Gusseisen über, bei dessen Verarbeitung Schlacken mit 10-16% v 2 oder 5 werden in Stahl erhalten. Vanadiumschlacken werden mit Kochsalz geröstet. Das gebrannte Material wird mit Wasser und anschließend mit verdünnter Schwefelsäure ausgelaugt. V 2 o 5 wird aus Lösungen isoliert. Letzteres dient zum Schmelzen Ferrovanadium(Eisenlegierungen mit 35-70 % W.) und Gewinnung von metallischem W. und seinen Verbindungen. Verformbares metallisches V. wird durch calciumthermische Reduktion von reinem v 2 o 5 oder v 2 o 3 erhalten; Rückgewinnung v 2 o 5 Aluminium; v 2 o 3 v 2 o 3 ; Magnesium thermische Reduktion vc1 3 ; thermische Dissoziation von Jodid B. B. wird in Vakuum-Lichtbogenöfen mit abschmelzender Elektrode und in Elektronenstrahlöfen geschmolzen.

Die Eisenmetallurgie ist der Hauptverbraucher Großbritanniens (bis zu 95 % aller produzierten Metalle). V. ist Bestandteil von Schnellarbeitsstahl, seinen Ersatzstoffen, niedriglegierten Werkzeugstählen und einigen Baustählen. Mit der Einführung von 0,15–0,25 % V. nehmen die Festigkeit, Zähigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit von Stahl stark zu. V., in Stahl eingebracht, ist sowohl ein desoxidierendes als auch ein karbidbildendes Element. Weizenkarbide, die in Form von dispergierten Einschlüssen verteilt sind, verhindern das Kornwachstum, wenn der Stahl erhitzt wird. V. wird in Form einer Ligaturlegierung - Ferrovanadium - in Stahl eingebracht. V. wird auch zum Legieren von Gusseisen verwendet. Ein neuer Verbraucher von Titan ist die sich schnell entwickelnde Industrie von Titanlegierungen; Einige Titanlegierungen enthalten bis zu 13 % B. Legierungen auf Basis von Niob, Chrom und Tantal mit B-Zusätzen haben Anwendung in der Luftfahrt, Raketentechnik und anderen Bereichen der Technik gefunden Hinzufügung von ti, nb , w, zr und al, die voraussichtlich in der Luftfahrt-, Raketen- und Nukleartechnik eingesetzt werden. Interessant sind die supraleitenden Legierungen und Verbindungen von B. mit ga, si und ti.

Reines metallisches V. wird in der Kernenergieindustrie (Hüllen für Brennelemente, Rohre) und bei der Herstellung von elektronischen Geräten verwendet.

V. Verbindungen werden in der chemischen Industrie als Katalysatoren, in der Landwirtschaft und Medizin, in der Textil-, Farben- und Lack-, Gummi-, Keramik-, Glas-, Foto- und Filmindustrie eingesetzt.

V.s Verbindungen sind giftig. Vergiftung durch Einatmen von Stäuben möglich, die Verbindungen B enthalten. Sie verursachen Reizungen der Atemwege, Lungenblutungen, Schwindel, Störungen der Herztätigkeit, Nieren usw.

B. im Körper. V. ist ein fester Bestandteil pflanzlicher und tierischer Organismen. Die Quelle von V. sind Eruptivgesteine ​​und Tonschiefer (enthält ca. 0,013 % V.) sowie Sand- und Kalksteine ​​(ca. 0,002 % V.). In den Böden von V. etwa 0,01 % (hauptsächlich im Humus); in Süß- und Meerwasser 1 10 7 -2 10 7 %. In Land- und Wasserpflanzen ist der Gehalt an V. wesentlich höher (0,16-0,2 %) als in Land- und Meerestieren (1,5 · 10 -5 -2 · 10 -4 %). Die Konzentratoren von V. sind: das Bryozoon plumatella, das Weichtier pleurobranchus plumula, die Seegurke stichopus mobii, einige Ascidia, aus Schimmelpilzen - schwarzer Aspergillus, aus Pilzen - Fliegenpilz (Amanita muscaria). Die biologische Rolle von V. wurde an Seescheiden untersucht, in deren Blutzellen sich V. im 3- und 4-wertigen Zustand befindet, dh es besteht ein dynamisches Gleichgewicht.

Die physiologische Rolle von V. in Ascidia ist nicht mit der Atmungsübertragung von Sauerstoff und Kohlendioxid verbunden, sondern mit Redoxprozessen - der Übertragung von Elektronen unter Verwendung des sogenannten Vanadiumsystems, das wahrscheinlich in anderen Organismen physiologische Bedeutung hat.

Zündete.: Meyerson G. A., Zelikman A. N., Metallurgy of rare metals, M., 1955; Polyakov A. Yu., Grundlagen der Vanadiummetallurgie, M., 1959; Rostoker U., Metallurgie von Vanadium, übers. aus dem Englischen, M., 1959; Kieffer p., Brown H., Vanadium, Niob, Tantal, trans. aus Deutsch., M., 1968; Handbuch der seltenen Metalle, [transl. aus dem Englischen], M., 1965, p. 98-121; Feuerfeste Werkstoffe im Maschinenbau. Handbuch, M., 1967, p. 47-55, 130-32; Kovalsky V. V., Rezaeva L. T., Die biologische Rolle von Vanadium in Ascidia, "Advances in Modern Biology", 1965, Bd. 60, c. 1(4); Bowen H.j. M., Spurenelemente in der Biochemie, l. - N. J., 1966.

I. Romankow. V. V. Kovalsky.

Vanadium ist ein chemisches Element, das durch das Symbol "V" dargestellt wird. Die Atommasse von Vanadium beträgt 50,9415 amu. e. m., Ordnungszahl - 23. Es ist ein festes silbergraues, formbares und schmelzbares Metall, das in der Natur selten vorkommt. Es kommt in über 60 Mineralien vor und kann sogar in fossilen Brennstoffen gefunden werden.

Unbekannte Entdeckung

Das Metall Vanadium wurde erstmals 1801 von dem in Spanien geborenen mexikanischen Mineralogen Andrés Manuel Del Río entdeckt. Ein Forscher hat ein neues Element aus einer Probe von braunem Bleierz extrahiert, das in Mexiko abgebaut wurde. Wie sich herausstellte, haben Metallsalze eine große Farbvielfalt, daher nannte Del Rio es ursprünglich „Panchromium“ (aus dem Griechischen „παγχρώμιο“ – „bunt“).

Später benannte der Mineraloge das Element Erythronium (aus dem Griechischen „ερυθρός“ – „rot“) um, weil sich die meisten Salze beim Erhitzen rot verfärbten. Es scheint, dass ein in Europa wenig bekannter Wissenschaftler unglaubliches Glück hatte. Die Entdeckung eines neuen chemischen Elements, Vanadium, versprach, wenn schon nicht Ruhm, so doch zumindest die Anerkennung von Kollegen. Aufgrund des Mangels an maßgeblicher Autorität in der wissenschaftlichen Welt wurde die Leistung des Mexikaners jedoch ignoriert.

1805 schlug der französische Chemiker Hippolyte Victor Collet-Decotyls vor, dass das neue Element, das Del Rio erforscht hatte, nur eine Probe von Bleichromat mit Verunreinigungen war. Am Ende akzeptierte der mexikanische Forscher die Aussage von Collet-Decotil und gab seine Entdeckung auf, um vor der wissenschaftlichen Bruderschaft nicht völlig das Gesicht zu verlieren. Seine Leistung ist jedoch nicht in Vergessenheit geraten. Heute gilt Andres Manuel Del Rio als Entdecker des seltenen Metalls.

Wiedereröffnung

1831 entdeckte der Schwede Niels Gabriel Sefström das chemische Element Vanadium in dem Oxid wieder, das er bei der Verarbeitung von Eisenerz erhielt. Als Bezeichnung wählte der Wissenschaftler den Buchstaben „V“, der noch keinem Element zugeordnet wurde. Sefström benannte das neue Metall wegen seiner schönen und reichen Färbung nach der altnordischen Schönheitsgöttin Vanadis.

Die Nachricht weckte erhöhtes Interesse in der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Sie erinnerten sich sofort an die Arbeit des mexikanischen Mineralogen. Ebenfalls 1831 überprüfte und bestätigte Friedrich Wöhler die frühere Entdeckung von Del Rio erneut. Und der Geologe George William Featherstonhaup schlug sogar vor, das Metall zu Ehren des Entdeckers „Rionium“ zu nennen, aber die Initiative wurde nicht unterstützt.

Schwer fassbar

Die Isolierung von Vanadiummetall in seiner reinen Form erwies sich als schwierig. Davor arbeiteten Wissenschaftler nur mit seinen Salzen. Deshalb waren die wahren Eigenschaften von Vanadium unbekannt. 1831 berichtete Berzelius, eine metallisierte Substanz erhalten zu haben, aber Henry Enfield Roscoe bewies, dass Berzelius tatsächlich Vanadiumnitrid (VN) herstellte. Roscoe stellte das Metall schließlich 1867 her, indem er Vanadiumchlorid (VCl 2 ) mit Wasserstoff reduzierte. Reines Vanadium wird seit 1927 durch Reduktion von Vanadiumpentoxid unter Beteiligung von Calcium gewonnen.

Die erste industrielle Serienanwendung des Elements geht auf das Jahr 1905 zurück. Das Metall wurde Stahllegierungen für Rennwagenchassis und später für das Ford Model T zugesetzt. Die Eigenschaften von Vanadium verringern das Gewicht der Struktur und erhöhen gleichzeitig die Zugfestigkeit. Übrigens entdeckte der deutsche Chemiker Martin Henze 1911 Vanadium in den Blutzellen (oder Zölomzellen) von Meereslebewesen – Accidien –.

Physikalische Eigenschaften

Vanadium ist ein formbares graublaues Metall mittlerer Härte mit stählernem Glanz und einer Dichte von 6,11 g/cm³. Einige Quellen beschreiben das Material als weich und verweisen auf seine hohe Duktilität. Die Kristallstruktur des Elements ist komplexer als die der meisten Metalle und Stähle.

Vanadium hat eine gute Beständigkeit gegen Korrosion, Alkali, Schwefel- und Salzsäure. Es oxidiert an der Luft bei etwa 660 °C (933 K, 1220 °F), obwohl eine Passivierung des Oxids sogar bei Raumtemperatur auftritt. Dieses Material schmilzt bei einer Temperatur von 1920 °C und siedet bei 3400 °C.

Chemische Eigenschaften

Vanadium bildet unter dem Einfluss von Sauerstoff vier Arten von Oxiden:

Vanadiumverbindungen vom Typ (II) sind Reduktionsmittel und Verbindungen vom Typ (V) sind Oxidationsmittel. Verbindungen (IV) existieren häufig als Derivate des Vanadylkations.

Oxid

Die kommerziell wichtigste Verbindung ist Vanadiumpentoxid. Es ist ein bräunlich-gelber Feststoff, obwohl seine Farbe, wenn es frisch aus einer wässrigen Lösung gefällt wird, dunkelorange ist.

Das Oxid wird als Katalysator zur Herstellung von Schwefelsäure verwendet. Diese Verbindung oxidiert Schwefeldioxid (SO 2) zu Trioxid (SO 3). Bei dieser Redoxreaktion wird Schwefel von +4 auf +6 oxidiert und Vanadium von +5 auf +4 reduziert. Die Formel für Vanadium lautet wie folgt:

V 2 O 5 + SO 2 → 2 VO 2 + SO 3

Der Katalysator wird durch Sauerstoffoxidation regeneriert:

2VO 2 + O 2 → V 2 O 5

Ähnliche Oxidationsverfahren werden bei der Herstellung von Maleinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid und mehreren anderen organischen Massenverbindungen verwendet.

Dieses Oxid wird auch bei der Herstellung von Ferrovanadium verwendet. Es wird mit Eisen und Ferrosilizium unter Zugabe von Kalk erhitzt. Bei der Verwendung von Aluminium fällt neben Tonerde als Nebenprodukt eine Eisen-Vanadium-Legierung an. Aufgrund des hohen thermischen Widerstandskoeffizienten wird Vanadium(V)-oxid als Detektormaterial in Bolometern und mikrobolometrischen Arrays in Wärmebildgeräten verwendet.

Eigenschaften

Ein seltenes Metall hat folgende Eigenschaften:

• Kristallstruktur: kubisch raumzentriert.
• Schallleitfähigkeit: 4560 m/s (bei 20°C).
• Wertigkeit von Vanadium: V (selten IV, III, II).
• Thermische Ausdehnung: 8,4 µm/(m·K) (bei 25°C).
• Wärmeleitfähigkeit: 30,7 W/(m·K).
• Elektrischer Widerstand: 197 nΩ m (bei 20 °C).
• Magnetismus: paramagnetisch.
• Magnetische Suszeptibilität: +255·10 –6 cm 3 /mol (298K).
• Elastizitätsmodul: 128 GPa.
• Schermodul: 47 GPa.
• Volumenelastizitätsmodul: 160 GPa.
• Querkontraktionszahl: 0,37.
• Mohshärte: 6,7.
• Vickers-Härte: 628–640 MPa.
• Brinellhärte: 600–742 MPa.
• Elementkategorie: Übergangsmetall.
• Elektronische Konfiguration: 3d 3 4s 2 .
• Schmelzwärme: 21,5 kJ/mol.
• Verdampfungswärme: 444 kJ/mol.
• Molare Wärmekapazität: 24,89 J / (mol K).

Vanadium steht im Periodensystem in der 5. Gruppe (Vanadium-Untergruppe), 4. Periode, d-Block.

Verbreitung

Vanadium macht auf der Skala des Universums ungefähr 0,0001 % des gesamten Materievolumens aus. Es ist so häufig wie Kupfer und Zink. Das Metall findet sich im spektralen Leuchten der Sonne und anderer Sterne.

Das Element ist das 20. häufigste Element in der Erdkruste. Das Metall Vanadium in kristalliner Form ist ziemlich selten, aber Verbindungen dieses Materials werden in 65 verschiedenen Mineralien gefunden. Wirtschaftlich bedeutend sind Patronit (VS 4), Vanadinit (Pb 5 (VO 4) 3 Cl) und Carnotit (K 2 (UO 2) 2 (VO 4) 2 3 H 2 O).

Vanadylionen sind in Meerwasser reichlich vorhanden und haben eine durchschnittliche Konzentration von 30 nM. Einige Mineralwasserquellen enthalten auch hohe Konzentrationen dieser Ionen. Beispielsweise enthalten Quellen in der Nähe des Mount Fuji bis zu 54 µg/l.

Bergbau

Der größte Teil dieses seltenen Metalls stammt aus Vanadium-Magnetit, das in ultramafischen magmatischen Gabbro-Gesteinen gefunden wird. Der Rohstoff wird hauptsächlich in Südafrika, Nordwestchina und Ostrussland abgebaut. Im Jahr 2013 produzierten diese Länder mehr als 97 % des gesamten Vanadiums (79.000 Tonnen nach Gewicht).

Das Metall ist auch in Bauxiten und Lagerstätten von Rohöl, Kohle, Ölschiefer und Teersanden vorhanden. In Rohöl wurden Konzentrationen bis zu 1200 ppm gemeldet. Aufgrund der oxidierenden Eigenschaften von Vanadium (einige seiner Oxide) können Rückstände des Elements nach der Verbrennung solcher Erdölprodukte Korrosion in Motoren und Kesseln verursachen.

Schätzungsweise 110.000 Tonnen des Stoffes gelangen jedes Jahr durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe in die Atmosphäre. Heute werden Technologien entwickelt, um wertvolle Substanzen aus Kohlenwasserstoffen zu extrahieren.

Produktion

Vanadium wird hauptsächlich als Zusatzstoff in Stahllegierungen, sogenannten Ferrolegierungen, verwendet. Ferrovanadium wird direkt durch Reduktion einer Mischung aus Vanadiumoxid mit der Wertigkeit (V), Eisenoxiden und reinem Eisen in einem Elektroofen gewonnen.

Das Metall wird in einem mehrstufigen Prozess gewonnen, der mit dem Rösten von zerkleinertem Vanadium-Magnetit-Erz unter Zugabe von Natriumchlorid (NaCl) oder Natriumcarbonat (Na 2 CO 3 ) bei einer Temperatur von etwa 850 ° C beginnt, um Natrium zu erhalten Metavanadat (NaVO 3). Ein wässriger Extrakt dieser Substanz wird angesäuert, wodurch ein Polyvanadatsalz erhalten wird, das durch ein Calciummetall reduziert wird. Alternativ zur Kleinproduktion wird Vanadiumpentoxid mit Wasserstoff oder Magnesium reduziert.

Es werden auch viele andere Verfahren verwendet, die alle Vanadium als Nebenprodukt anderer Prozesse erzeugen. Seine Reinigung ist durch die 1925 von Anton Eduard van Arkel und Jan Hendrik de Bor entwickelte Jodidmethode möglich. Es impliziert die Bildung von Vanadium (III) -Jodid und seine anschließende Zersetzung, um reines Metall zu erhalten:

2 V + 3I 2 ⇌ 2 VI 3

Eine ziemlich exotische Art, dieses Element zu erhalten, wurde von den Japanern erfunden. Sie züchten in Unterwasserplantagen Seescheiden (eine Art Chordaten), die Vanadium aus Meerwasser aufnehmen. Dann werden sie gesammelt und verbrannt. Aus der dabei entstehenden Asche wird wertvolles Metall gewonnen. Übrigens ist seine Konzentration in diesem Fall viel höher als in den reichsten Lagerstätten.

Legierungen

Was sind Vanadiumlegierungen? Ungefähr 85 % des produzierten seltenen Metalls wird zur Herstellung von Ferrovanadium oder als Zusatz zu Stahl verwendet. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde entdeckt, dass bereits eine geringe Menge Vanadium die Festigkeit von Stahl erheblich erhöht. Dieses Element bildet stabile Nitride und Karbide, was zu verbesserten Eigenschaften von Stählen und Legierungen führt.

Seit dieser Zeit ist die Verwendung von Vanadium in Achsen, Rahmen, Kurbelwellen, Zahnrädern und anderen wichtigen Komponenten von Radfahrzeugen bekannt. Es gibt zwei Gruppen von Legierungen:

• Hochgekohlt mit einem Gehalt von 0,15 % bis 0,25 % Vanadium.
• Schnellarbeitsstähle (HSS) mit einem Gehalt von 1 % bis 5 % dieses Elements.

Bei HSS-Stählen können Härten über HRC 60 erreicht werden, sie werden in chirurgischen Instrumenten verwendet. In der Pulvermetallurgie können Legierungen bis zu 18 % Vanadium enthalten. Der hohe Gehalt an Karbiden in diesen Legierungen verbessert die Verschleißfestigkeit erheblich. Sie stellen Werkzeuge und Messer her.

Aufgrund seiner Eigenschaften stabilisiert Vanadium die Beta-Form von Titan, erhöht dessen Festigkeit und Temperaturstabilität. Mit Aluminium in Titanlegierungen gemischt, wird es in Düsentriebwerken, Hochgeschwindigkeitsflugzeugen und Zahnimplantaten verwendet. Die gebräuchlichste Legierung für nahtlose Rohre ist Titan 3/2,5 mit 2,5 % Vanadium. Diese Materialien werden häufig in der Luft- und Raumfahrt-, Verteidigungs- und Fahrradindustrie verwendet. Eine andere übliche Legierung, die hauptsächlich in Blechen hergestellt wird, ist Titan 6AL-4V, mit 6 % Aluminium und 4 % Vanadium.

Mehrere Vanadiumlegierungen weisen supraleitende Eigenschaften auf. Der Supraleiter A15 der ersten Phase war eine Vanadiumverbindung V 3 Si, die 1952 erhalten wurde. Vanadium-Gallium-Band wird in supraleitenden Magneten verwendet. Die Struktur der supraleitenden Phase A15 V 3 Ga ähnelt der Struktur häufigerer Supraleiter: Triniob-Stannid (Nb 3 Sn) und Niob-Titan (Nb 3 Ti).

Kürzlich haben Wissenschaftler herausgefunden, dass im Mittelalter einigen Proben von Damaskus und Damaststahl eine kleine Menge Vanadium (von 40 bis 270 Teile pro Million) zugesetzt wurde. Dies verbesserte die Eigenschaften der Klingen. Allerdings ist unklar, wo und wie das seltene Metall abgebaut wurde. Es könnte Teil einiger Erze gewesen sein.

Anwendung

Neben der Metallurgie wird Vanadium auch für andere Anwendungen verwendet. Der thermische Neutroneneinfangquerschnitt und die kurze Halbwertszeit der durch Neutroneneinfang erzeugten Isotope machen dieses Metall zu einem geeigneten Material für die Verwendung in einem Fusionsreaktor.

Das am weitesten verbreitete Vanadiumoxid, V 2 O 5 -Pentoxid, wird als Katalysator bei der Herstellung von Schwefelsäure und als Oxidationsmittel bei der Herstellung von Maleinsäureanhydrid verwendet. Vanadiumoxid wird bei der Herstellung von Keramikprodukten verwendet.

Das Metall ist eine wichtige Komponente von gemischten Metalloxidkatalysatoren, die bei der Oxidation von Propan und Propylen zu Acrolein, Acrylsäure oder der Ammoxidation von Propylen zu Acrylnitril verwendet werden. Ein anderes Vanadiumoxid, VO2-Dioxid, wird bei der Herstellung von Glasbeschichtungen verwendet, die Infrarotstrahlung bei einer bestimmten Temperatur blockieren.

Eine Vanadium-Redox-Batterie ist eine galvanische Zelle, die aus wässrigen Vanadium-Ionen in verschiedenen Oxidationsstufen besteht. Batterien dieses Typs wurden erstmals in den 1930er Jahren vorgeschlagen, und die kommerzielle Nutzung begann in den 1980er Jahren. Vanadat kann verwendet werden, um Stahl vor Korrosion zu schützen.

Vanadium ist essentiell für die menschliche Gesundheit. Es hilft bei der Regulierung des Kohlenstoff- und Fettstoffwechsels und ist an der Energiegewinnung beteiligt. Es wird empfohlen, 6-63 mcg pro Tag (WHO-Daten) einer Substanz zu sich zu nehmen, die mit Lebensmitteln einhergeht. Es ist genug in Getreide, Hülsenfrüchten, Gemüse, Kräutern, Obst.