Vanádiumbiológia
A vanádiumot több lépésben képviselik. Először is a vanádium (V) -oxidot különféle kiindulási anyagokból kell előállítani. Ez aztán elemi fémgé redukálható és szükség esetén megtisztítható.
Lehetséges kiindulási anyagok, amelyekből a vanádium kivonható, a vanádiumércek, például karnotit vagy patronit, vanádiumtartalmú titán-magnetit ércek és ásványolaj. A vanádiumércek a múltban fontosak voltak a termelésben, de már nem játszanak fontos szerepet, és főleg titán-magnetit ércek váltották fel őket.
Ha a kohófolyamatban a vanádiumot tartalmazó vasérceket vasakká redukálják, a vanádium kezdetben a nyersvasban marad. Annak érdekében, hogy a nyersvasat tovább acélokká dolgozzák fel, a finomítási folyamat során oxigént fújnak be. A vanádium a salakba kerül. Ez legfeljebb 25% vanádium (V) -oxidot tartalmaz, és ez a legfontosabb forrás a fém extrahálásához. A tiszta vanádium (V) -oxid előállításához a finomra őrölt salakot oxidáló módon nátrium-sók, például nátrium-klorid vagy nátrium-karbonát felhasználásával pörköljük. A folyamat során vízoldható nátrium-metavanadát keletkezik, amelyet kimosással választanak el a megmaradt salaktól. A kapott oldhatatlan ammónium-polivanadát savból és ammóniumsók hozzáadásával kicsapódik az oldatból. Ez pörköléssel vanádium (V) -oxiddá alakítható. Az oxid ugyanúgy beszerezhető más vanádiumot tartalmazó ércekből is. A vanádium vízből és magnézium-nitrát hozzáadásával emulzió kialakításával nyerhető ki a kőolajból. A további feldolgozás a vasércekből történő kivonáshoz hasonlóan történik. [13]
A tényleges vanádiumtermelés a vanádium (V) -oxid más fémekkel történő redukciójával történik. Redukálószerként alumínium, kalcium, ferroszilicium vagy szén alkalmazható; ez utóbbival azonban a reakcióban karbidok képződnek, amelyeket nehéz elválasztani a fémtől.
A tiszta vanádium megszerzéséhez redukálószerként drága kalciumot vagy alumíniumot használnak, mivel az olcsóbb ferroszilícium nem képes nagy tisztaságot elérni. Míg a tiszta vanádiumot közvetlenül kalciummal nyerik, addig a vanádium-alumínium ötvözet kezdetben alumíniummal képződik, amelyből a tiszta vanádiumot vákuumban szublimálva nyerik.
A vanádium nagy része azonban nem tiszta fémként, hanem vas-vanádium ötvözet formájában kapható Ferrovanádium, legalább 50% vanádiumot [13] tartalmaz. Ennek előállításához nem szükséges előzetesen kivonni a tiszta vanádiumot. Ehelyett a vanádiumot és a vasat tartalmazó salak ferrosziliciummal és mésszel redukálódik ferrovanádiumra. Ez az ötvözet elegendő a legtöbb műszaki alkalmazáshoz.
A legtisztább vanádium elektrokémiailag vagy Van-Arkel-de-Boer módszerrel állítható elő. Erre a célra a tiszta vanádiumot jóddal együtt megolvasztják egy üres üvegampullában. A felmelegített ampullában képződött vanádium (III) -jodid forró volfrámhuzalon lebomlik, nagy tisztaságú vanádiumot és jódot képezve.
jellemzők
Fizikai tulajdonságok
A vanádium nem mágneses, szívós, alakítható és egyértelműen acélkék nehézfém, amelynek sűrűsége 6,11 g/cm 3. [13] A tiszta vanádium viszonylag puha, de más elemek hozzáadásával keményebbé válik, majd nagy mechanikai szilárdsággal rendelkezik. Tulajdonságainak többségében hasonlít a periódusos rendszerben lévő szomszédjához, a titánhoz. A tiszta vanádium olvadáspontja 1910 ° C, de ezt jelentősen megnövelik olyan szennyeződések, mint a szén. 10% -os széntartalommal 2700 ° C körül van. [17] A vanádium krómként vagy nióbiumként kristályosodik egy testközpontú köbös kristályszerkezetben, a $ Im \ barm $ tércsoporttal és az a = 302,4 pm rácsparaméterrel, valamint sejtenként két képletegységgel. [19]
A vanádium 5,13 K átmeneti hőmérséklet alatt szupravezetővé válik. [20] A tiszta vanádiumhoz hasonlóan a vanádium ötvözetei galliummal, nióbiummal és cirkóniummal is szupravezetőek. 5,13 K alatti hőmérsékleten a vanádium, hasonlóan a vanádium-csoportba tartozó nióbiumhoz és tantálhoz, eddig megmagyarázhatatlan, spontán elektromos polarizációt mutat egészen 200 atomig terjedő apró csomókban, amelyet egyébként csak nemfémes anyagok mutatnak be. [21] [22]
Kémiai tulajdonságok
A vanádium nem nemesfém, és képes reagálni sok nemfémmel. A levegőben hetekig fényes fémes marad. Hosszabb ideig nézve jól látható zöld rozsda érzékelhető. Ha a vanádiumot meg akarják őrizni, azt argon alatt kell tartani. A melegben oxigén támadja meg és vanádium (V) -oxiddá oxidálódik. Míg a szén és a nitrogén csak akkor izzad a vanádiummal, ha a fluor és a klór a hidegben zajlik.
A vanádium szobahőmérsékleten többnyire savakkal és bázisokkal szemben stabil a vékony, passziváló oxidréteg miatt; csak fluorsav és erősen oxidáló savak, például forró salétromsav, tömény kénsav és aqua regia támadják meg.
A vanádium 500 ° C-ig képes elnyelni a hidrogént. A fém törékennyé válik és könnyen porítható. A hidrogén 700 ° C-on vákuumban eltávolítható. [13]
Izotópok
Összesen 25 izotóp és további 6 mag izomer ismert a vanádiumról. [23] Ezek közül kettő természetesen előfordul. Ezek az 50 V izotópok 0,25% természetes frekvenciával és 51 V izotópok 99,75% frekvenciával. Az 50 V gyengén radioaktív, felezési ideje 1,5 · 10 17 év, 83% -ot bomlik az elektron befogásával 50 Ti-re, 17% -át β-val - 50 Cr-re. [23] Mindkét mag felhasználható NMR spektroszkópiával végzett vizsgálatokhoz.
A legstabilabb mesterséges izotópok 48 V, felezési ideje 16 nap, és 49 V, felezési ideje 330 nap. Ezeket nyomjelzőként használják. [17] Minden más izotóp és mag izomer nagyon instabil és percek vagy másodpercek alatt szétesik.
→ Vanádium-izotópok listája
használat
A tiszta vanádiumot csak kis százalékban használják burkolóanyagként a nukleáris üzemanyagok számára, mivel kis a neutronfogó keresztmetszete. [24] Ugyanakkor ellenállóbb vanádiumötvözetek is alkalmazhatók. A termelés több mint 90% -át különféle ötvözetekben használják fel, főleg vas, titán, nikkel, króm, alumínium vagy mangán fémekkel együtt. Csak egy kis részét használják vegyületekben, főleg vanádium (V) -oxidként.
Az előállított vanádium 85% -ával messze a legnagyobb részét az acélipar fogyasztja. Mivel ez nem igényel nagy tisztaságot, a ferrovanádiumot használják alapanyagként. Kis mennyiségben is a vanádium jelentősen megnöveli az acélok szilárdságát és szívósságát, ezáltal a kopásállóságát. Ezt a kemény vanádium-karbid képződése okozza. Az alkalmazástól függően különböző mennyiségű vanádiumot adunk hozzá. A szerkezeti acélok és a szerszámacélok csak kis mennyiségben (0,2–0,5%) tartalmaznak vanádiumot, míg a nagysebességű acélok legfeljebb 5% -ot tartalmaznak. [15] A vanádiumtartalmú acélokat elsősorban mechanikai igénybevételnek kitett szerszámokhoz és rugókhoz használják. A vas és a vanádium mellett kobaltot tartalmazó acélok mágnesesek.
A vanádiumot és főleg alumíniumot tartalmazó titánötvözetek különösen stabilak és hőállóak, és repülőgépgyártásban használják repülőgép-hajtóművek teherhordó alkatrészei és turbinapengéi számára. [13]
A vanádiumot fő elektrolitként használják egy úgynevezett redox áramlási cellában; ilyen alkalmazásra példa a vanádium redox akkumulátor.
bizonyíték
Az előzetes mintát a foszfor-só gyöngy adja, amelyben a vanádium jellemzően zöldnek tűnik a redukciós lángban. Az oxidációs láng halványsárga, ezért túl specifikus. [25]
A vanádium minőségi bizonyítékai a peroxovanádium-ionok képződésén alapulnak. Ehhez egy +5 oxidációs állapotú vanádiumot tartalmazó savas oldatot kevés hidrogén-peroxiddal keverünk. Kialakul a vörösesbarna [V (O2)] 3+ kation. Ez nagyobb mennyiségű hidrogén-peroxiddal reagálva halványsárga peroxovanadinsavat képez H3 [VO2 (O2) 2]. [25]
A vanádium mennyiségileg meghatározható titrálással. Erre a célra egy vanádiumtartalmú kénsavoldatot kálium-permanganáttal öt vegyértékű vanádiummá oxidálunk, majd egy vas (II) -szulfát-oldattal és difenil-aminnal indikátorként titráljuk vissza. A meglévő ötértékű vanádium vas (II) -szulfáttal történő redukálása tetravalens oxidációs állapotra és ezt követő potenciometriás titrálás kálium-permanganát-oldattal is lehetséges. [13]
A modern elemzésben a vanádium több módszerrel is kimutatható. Ilyenek például az atomabszorpciós spektrometria 318,5 nm-en és a spektrofotometria N-benzoil-N-fenil-hidroxil-aminnal mint színreagens 546 nm-en. [15]
Biológiai jelentőség
A vanádiumvegyületeknek különféle biológiai jelentése van. A vanádiumra jellemző, hogy anionos módon vanadátként és kationosan egyaránt előfordul, mint VO2 +, VO 2+ vagy V 3+. A vanadátok nagyon hasonlítanak a foszfátokra, és ennek megfelelően hasonló hatásúak. Mivel a vanadát erősebben kötődik a megfelelő enzimekhez, mint a foszfát, képes blokkolni és ezáltal szabályozni a foszforilációs enzimeket. Ez vonatkozik például a nátrium-kálium-ATPázra, amely szabályozza a nátrium és a kálium sejtekbe történő transzportját. Ez az elzáródás gyorsan eltávolítható dezferrioxamin B-vel, amely stabil komplexet képez a vanadáttal. [14] A vanádium szintén befolyásolja a glükózfelvételt. Képes stimulálni a máj glikolízisét és gátolni a glükoneogenezis versengési folyamatát. Ez a vér glükózszintjének csökkenéséhez vezet. [15] Ezért azt vizsgálják, hogy a vanádiumvegyületek alkalmasak-e a 2-es típusú diabetes mellitus kezelésére. Egyértelmű eredményeket azonban még nem sikerült találni. [26] Ezenkívül a vanádium serkenti a foszfolipidek oxidációját és elnyomja a koleszterin szintézisét azáltal, hogy gátolja a szkvalén-szintázt, a máj mikroszomális enzimrendszerét. Következésképpen a hiány megnövekedett koleszterin- és trigliceridszintet okoz a vérplazmában. [27]
A vanádium szerepet játszik a növények fotoszintézisében. Képes katalizálni a reakciót, 5-amino-levulinsavat képezve enzim nélkül. Ez fontos előfutára a klorofill képződésének. [14]
Egyes organizmusokban vanádium-tartalmú enzimek találhatók, egyes baktériumtípusokban vanádium-tartalmú nitrázok vannak nitrogénmegkötésre. Ezek például a nemzetség fajai Azotobacter valamint a cianobaktérium Anabaena variabilis. [14] Ezek a nitrázok azonban nem olyan hatékonyak, mint a gyakrabban előforduló molibdén-nitrázok, ezért csak akkor aktiválódnak, ha molibdénhiány van. [28] Egyéb vanádiumtartalmú enzimek találhatók a barna algákban és a zuzmókban. Vanádiumtartalmú haloperoxidázokkal rendelkeznek, amelyekkel szerves klór-, bróm- vagy jód-szerves vegyületeket építenek fel.
A vanádium funkciója, amely nagy mennyiségben van jelen tengeri fröccsökben, mint a metalloprotein vanabin, még nem ismert. Eredetileg azt feltételezték, hogy a hemoglobinhoz hasonló vanádium oxigénszállítóként szolgál; ezt azonban hibásnak találták. [28]
Veszélyek
A többi fémporhoz hasonlóan a vanádiumpor is gyúlékony. Állatkísérletek során a vanádium és szervetlen vegyületei rákkeltőnek bizonyultak. Ezért a 2. rákkeltő kategóriába sorolják őket. [29] Ha a munkavállalók a fémolvasztásban hosszú ideig belélegzik a vanádiumport, úgynevezett vanadizmus fordulhat elő. Ez az elismert foglalkozási betegség megnyilvánulhat a nyálkahártya irritációjában, a nyelv zöld-fekete elszíneződésében, valamint krónikus hörgő-, tüdő- és bélbetegségekben. [15]
linkek
A vanádium különféle oxidációs állapotú vegyületekben lehet jelen. A szintek gyakran +5, +4, +3 és +2, ritkábban +1, 0, −1 és −3. A legfontosabb és legstabilabb oxidációs állapot +5 és +4.
Vizesoldat
A vanádium vizes oldatban könnyen átalakítható különféle oxidációs állapotokká. Mivel a különböző vanádiumionoknak jellegzetes színük van, színváltozások történnek.
Savas oldatban az ötértékű vanádium színtelen VO2 + ionokat képez, amelyek kezdetben kék négyértékű VO 2+ ionokká redukálódnak. A háromértékű V 3+ ionok szintje zöld színű, a legalacsonyabb szint vizes oldatban érhető el, a kétértékű V 2+ ion szürke-ibolya.
Oxigénvegyületek
A legfontosabb és legstabilabb vanádium-oxigén vegyület a V2O5 vanádium (V) -oxid. Ezt a narancsszínű vegyületet nagy mennyiségben használják katalizátorként a kénsav előállításához. Ott oxigénhordozóként működik, és a reakció során egy másik vanádium-oxiddá, vanádium (IV) -oxidra (VO2) redukálódik. További ismert vanádium-oxidok a V2O3 vanádium (III) -oxid és a VO-vanádium (II) -oxid.
Lúgos oldatban a vanádium (V) -oxid vanadátokat képez, sókat képez a VO4 3- anionnal. Az analóg foszfátokkal ellentétben azonban a vanadátion a legstabilabb forma; A hidrogén- és dihidrogén-vanadátok, valamint a szabad vanádinsav instabilak és csak híg vizes oldatokban ismertek. Ha a bázikus vanadát-oldatokat megsavanyítják, a hidrogén-vanadátok helyett polivanadátok képződnek, amelyekben legfeljebb tíz vanadát-egység halmozódik fel. A vanadátok különféle ásványi anyagokban találhatók, például vanadinit, deszkloicit és karnotit.
Halogén vegyületek
A vanádium vegyületek sokaságát képezi a fluor, klór, bróm és jód halogénjeivel. Csak egy vegyület, a vanádium (V) -fluorid ismert, hogy +5 oxidációs állapotban van. A +4, +3 és +2 oxidációs állapotokban vannak vegyületek minden halogénnel, csak jóddal csak a +2 és +3 állapotú vegyületek ismertek. Ezen halogenidek közül azonban technikailag csak a vanádium (IV) -klorid és a vanádium (III) -klorid kloridjai relevánsak. Többek között katalizátorként szolgálnak az etilén-propilén-dién kaucsuk előállításához. [13]
Vanádium-oxid-kloridok
A vanádium oxigénnel és klórral kevert sókat is képez, az ún Vanádium-oxid-kloridok. A vanádium (III) oxiklorid (VOCl) sárga-barna, vízoldható por. A fotózáshoz és textilfoltként használt vanádium (IV) oxiklorid (VOCl2) zöld, higroszkópos kristálytablettákból áll, amelyek kék színű vízben oldódnak. Végül a vanádium (V) oxiklorid (VOCl3) sárga folyadék, amelyet víz nagyon könnyen hidrolizál. A VOCl3-t katalizátorkomponensként használják az alacsony nyomású etilén polimerizációban. [30]
Több vanádiumvegyület
A szerves vanádiumvegyületekben a vanádium eléri legalacsonyabb oxidációs állapotát: 0, −I és −III. Itt különösen fontosak a metallocének, az úgynevezett vanadocének. Ezeket katalizátorként használják az alkinek polimerizációjához. [31]
A vanádium-karbid VC-t por formában alkalmazzák többek között plazma permetezéshez vagy plazma por felépítéséhez. [32] Ezenkívül vanádium-karbidot adnak a kemény fémekhez a szemnövekedés csökkentése érdekében. [13] Létrejönnek az úgynevezett cermetek, amelyek különösen kemények és kopásállóak.