วานาเดียม: ประวัติคุณสมบัติโครงสร้างการใช้งาน - เคมี - 2025

วานาเดียมเป็นโลหะทรานซิสามในตารางธาตุแทนด้วยสัญลักษณ์ทางเคมีโวลต์ไม่ได้เป็นที่นิยมเป็นโลหะอื่น ๆ แต่ที่เข้าใจเหล็กและ titaniums คุณจะได้ยินการกล่าวถึงเป็น สารเติมแต่งสำหรับการเสริมสร้างโลหะผสมหรือเครื่องมือ ทางกายภาพมีความหมายเหมือนกันกับความแข็งและทางเคมีกับสี

นักเคมีบางคนกล้าที่จะอธิบายว่ามันเป็นโลหะกิ้งก่าซึ่งสามารถใช้สีได้หลากหลายในสารประกอบของมัน คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่คล้ายกับโลหะแมงกานีสและโครเมียม ในสภาพดั้งเดิมและบริสุทธิ์ดูเหมือนกับโลหะอื่น ๆ นั่นคือเงิน แต่มีสีฟ้า เมื่อขึ้นสนิมแล้วมีลักษณะดังภาพด้านล่าง

ชิ้นวานาเดียมโลหะที่มีชั้นออกไซด์สีเหลืองบาง ๆ ที่มา: Jurii

ในภาพนี้การเรืองแสงของออกไซด์แทบจะไม่มีความโดดเด่นซึ่งขึ้นอยู่กับการเสร็จสิ้นหรือพื้นผิวของผลึกโลหะ ชั้นออกไซด์นี้ช่วยปกป้องมันจากการเกิดออกซิเดชันต่อไปและจากการกัดกร่อน

ความต้านทานต่อการกัดกร่อนเช่นเดียวกับการแตกร้าวด้วยความร้อนนั้นมีให้กับโลหะผสมเมื่อมีการเพิ่มอะตอม V เข้าไป ทั้งหมดนี้โดยไม่ต้องเพิ่มน้ำหนักมากเกินไปเนื่องจากวาเนเดียมไม่ใช่โลหะหนัก แต่เป็นโลหะที่เบา ไม่เหมือนกับสิ่งที่หลายคนคิด

ชื่อของมันมาจากเทพธิดานอร์สVanadísจากสแกนดิเนเวีย อย่างไรก็ตามมันถูกค้นพบในเม็กซิโกซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของแร่ vanadinite Pb _{5 3} Cl ซึ่งเป็นผลึกสีแดง ปัญหาคือเพื่อให้ได้มาจากแร่นี้และอื่น ๆ อีกมากมายวานาเดียมจะต้องเปลี่ยนเป็นสารประกอบที่ลดได้ง่ายกว่าออกไซด์ V ₂ O ₅ (ซึ่งลดลงด้วยแคลเซียม)

แหล่งที่มาอื่น ๆ ของวาเนเดียมอยู่ในสิ่งมีชีวิตในทะเลหรือในน้ำมันดิบ "กักขัง" ภายใน petroporphyrins

ในการแก้ปัญหาสีที่สารประกอบของมันสามารถมีได้ขึ้นอยู่กับสถานะออกซิเดชั่นคือสีเหลืองสีฟ้าสีเขียวเข้มหรือสีม่วง วานาเดียมไม่เพียง แต่โดดเด่นในเรื่องของตัวเลขหรือสถานะออกซิเดชัน (ตั้งแต่ -1 ถึง +5) เท่านั้น แต่ยังมีความสามารถในการประสานงานในรูปแบบต่างๆกับสภาพแวดล้อมทางชีววิทยา

เคมีของวานาเดียมมีมากมายลึกลับและเมื่อเทียบกับโลหะอื่น ๆ ยังมีแสงอีกมากที่ต้องส่องแสงเพื่อความเข้าใจอย่างใกล้ชิด

ประวัติศาสตร์

การค้นพบ

เม็กซิโกได้รับเกียรติจากการเป็นประเทศที่มีการค้นพบองค์ประกอบนี้ นักแร่วิทยาAndrés Manuel del Ríoในปี 1801 ได้ทำการวิเคราะห์แร่สีแดงที่ตัวเขาเองเรียกว่าตะกั่วสีน้ำตาล (vanadinite, Pb _{5 3} Cl) สกัดออกไซด์ของโลหะซึ่งมีลักษณะไม่ตรงกับองค์ประกอบใด ๆ ที่รู้จักกันในเวลานั้น

ดังนั้นเขาจึงบัพติศมาองค์ประกอบนี้เป็นครั้งแรกด้วยชื่อ 'Pancromo' เนื่องจากมีสีที่หลากหลายของสารประกอบ จากนั้นเขาก็เปลี่ยนชื่อมันว่า 'Erythrono' จากคำภาษากรีก erythronium ซึ่งแปลว่าสีแดง

สี่ปีต่อมานักเคมีชาวฝรั่งเศส Hippolyte Victor Collet Descotils พยายามที่จะให้ Del Ríoถอนคำกล่าวอ้างของเขาโดยแนะนำว่า erythron ไม่ใช่องค์ประกอบใหม่ แต่เป็นสิ่งเจือปนของโครเมียม และต้องใช้เวลานานกว่ายี่สิบปีเพื่อให้ทราบถึงองค์ประกอบที่ถูกลืมนี้ซึ่งค้นพบในดินเม็กซิกัน

การเกิดขึ้นของชื่อ

ในปีพ. ศ. 2373 Nils Gabriel Sefströmนักเคมีชาวสวิสได้ค้นพบองค์ประกอบใหม่ในแร่ธาตุเหล็กซึ่งเขาเรียกว่าวาเนเดียม ชื่อที่ได้มาจากเทพธิดานอร์สVanadísเมื่อเปรียบเทียบกับความงามของมันกับสีสันอันสดใสของสารประกอบของโลหะนี้

ในปีเดียวกันนั้น George William Featherstonhaugh นักธรณีวิทยาชาวเยอรมันชี้ให้เห็นว่าวานาเดียมและอีริ ธ รอนเป็นองค์ประกอบเดียวกัน และแม้ว่าเขาต้องการให้ชื่อแม่น้ำเหนือกว่าด้วยการเรียกมันว่า 'ริโอนิโอ' แต่ข้อเสนอของเขาก็ไม่ได้รับการยอมรับ

การแยกตัว

ในการแยกวาเนเดียมจำเป็นต้องลดมันออกจากแร่ธาตุเช่นเดียวกับสแกนเดียมและไททาเนียมงานนี้ไม่ใช่เรื่องง่ายเนื่องจากมีความสัมพันธ์ที่เหนียวแน่นกับออกซิเจน ก่อนอื่นต้องเปลี่ยนเป็นสายพันธุ์ที่ค่อนข้างลดลงได้ง่าย ในกระบวนการนี้ Berzelius ได้รับวานาเดียมไนไตรด์ในปีพ. ศ. 2374 ซึ่งเขาเข้าใจผิดว่าเป็นโลหะพื้นเมือง

ในปีพ. ศ. 2410 Henry Enfield Roscoe นักเคมีชาวอังกฤษสามารถลดคลอไรด์วาเนเดียม (II), VCl ₂เป็นวานาเดียมโลหะโดยใช้ก๊าซไฮโดรเจน อย่างไรก็ตามโลหะที่ผลิตขึ้นนั้นไม่บริสุทธิ์

ในที่สุดการทำเครื่องหมายจุดเริ่มต้นของประวัติศาสตร์เทคโนโลยีของวาเนเดียมได้ตัวอย่างที่มีความบริสุทธิ์สูงโดยการลด V ₂ O ₅ด้วยแคลเซียมโลหะ หนึ่งในการใช้งานที่โดดเด่นครั้งแรกคือการสร้างแชสซีของรถยนต์ Ford Model T

คุณสมบัติ

ลักษณะทางกายภาพ

ในรูปแบบที่บริสุทธิ์มันเป็นโลหะสีเทาที่มีสีฟ้าอมชมพูอ่อนนุ่มและเหนียว อย่างไรก็ตามเมื่อปกคลุมด้วยชั้นของออกไซด์ (โดยเฉพาะผลิตภัณฑ์ของไฟแช็ก) จะมีสีที่โดดเด่นราวกับว่าเป็นกิ้งก่าคริสตัล

มวลโมลาร์

50.9415 ก. / โมล

จุดหลอมเหลว

1910 องศาเซลเซียส

จุดเดือด

3407 องศาเซลเซียส

ความหนาแน่น

-6.0 g / mL ที่อุณหภูมิห้อง

-5.5 g / mL ที่จุดหลอมเหลวนั่นคือแทบจะไม่ละลาย

ความร้อนของฟิวชั่น

21.5 กิโลจูล / โมล

ความร้อนของการกลายเป็นไอ

444 กิโลจูล / โมล

ความจุความร้อนกราม

24.89 J / (โมล K)

ความดันไอ

1 Pa ที่ 2101 K (เล็กน้อยแม้ในอุณหภูมิสูง)

อิเล็ก

1.63 ในระดับ Pauling

พลังงานไอออไนเซชัน

แรก: 650.9 kJ / mol ( ก๊าซV ⁺ )

วินาที: 1414 kJ / mol ( ก๊าซV ²⁺ )

ที่สาม: 2830 kJ / mol ( ก๊าซV ³⁺ )

ความแข็ง Mohs

6.7

การจำแนก

เมื่อได้รับความร้อนจะสามารถปล่อยควันพิษของ V ₂ O ₅ได้

สีของโซลูชัน

จากซ้ายไปขวาสารละลายที่มีวาเนเดียมในสถานะออกซิเดชันต่างกัน: +5, +4, +3 และ +2 ที่มา: W. Oelen ผ่าน Wikipedia

ลักษณะสำคัญประการหนึ่งของวาเนเดียมคือสีของสารประกอบ เมื่อบางส่วนละลายในตัวกลางที่เป็นกรดสารละลาย (ส่วนใหญ่เป็นน้ำ) จะมีสีที่ช่วยให้สามารถแยกแยะตัวเลขหนึ่งหรือสถานะออกซิเดชั่นจากอีกสถานะหนึ่งได้

ตัวอย่างเช่นภาพด้านบนแสดงหลอดทดลองสี่หลอดที่มีวาเนเดียมในสถานะออกซิเดชันที่แตกต่างกัน หนึ่งทางด้านซ้ายสีเหลืองสอดคล้องกับ V ⁵⁺เฉพาะเป็น VO ₂ ⁺ไอออนบวก จากนั้นตามด้วยไอออนบวก VO ²⁺พร้อมด้วย V ⁴⁺สีฟ้า ไอออนบวก V ³⁺สีเขียวเข้ม และ V ²⁺สีม่วงหรือสีม่วง

เมื่อสารละลายประกอบด้วยส่วนผสมของสารประกอบ V ⁴⁺และ V ⁵⁺จะได้สีเขียวสดใส (ผลิตภัณฑ์จากสีเหลืองและสีน้ำเงิน)

การเกิดปฏิกิริยา

ชั้น V ₂ O ₅บนวาเนเดียมป้องกันไม่ให้ทำปฏิกิริยากับกรดแก่เช่นซัลฟิวริกหรือไฮโดรคลอริกเบสแก่และนอกเหนือจากการกัดกร่อนที่เกิดจากการออกซิเดชั่นเพิ่มเติม

เมื่อได้รับความร้อนสูงกว่า 660 ° C วานาเดียมจะออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์ดูเหมือนของแข็งสีเหลืองที่มีเงาสีรุ้ง (ขึ้นอยู่กับมุมของพื้นผิว) ออกไซด์สีเหลืองส้มนี้สามารถละลายได้หากมีการเติมกรดไนตริกซึ่งจะทำให้วาเนเดียมกลับเป็นสีเงิน

ไอโซโทป

อะตอมของวาเนเดียมเกือบทั้งหมดในเอกภพ (99.75%) มีขนาดประมาณ⁵¹ V ไอโซโทปในขณะที่ส่วนน้อยมาก (0.25%) สอดคล้องกับไอโซโทป⁵⁰ V ดังนั้นจึงไม่น่าแปลกใจที่ น้ำหนักอะตอมของวานาเดียมคือ 50.9415 u (ใกล้ 51 มากกว่า 50)

ไอโซโทปอื่น ๆ เป็นกัมมันตภาพรังสีและสารสังเคราะห์โดยมีครึ่งชีวิต (t _1/2 ) ตั้งแต่ 330 วัน ( ⁴⁹ V) 16 วัน ( ⁴⁸ V) ไม่กี่ชั่วโมงหรือ 10 วินาที

โครงสร้างและการกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์

อะตอมของวานาเดียม V ถูกจัดเรียงในโครงสร้างผลึกลูกบาศก์ที่มีศูนย์กลางของร่างกายซึ่งเป็นผลคูณของพันธะโลหะ จากโครงสร้างนี้มีความหนาแน่นน้อยที่สุดโดยมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 5 ตัวเข้าร่วมใน "ทะเลอิเล็กตรอน" ตามโครงร่างอิเล็กทรอนิกส์:

3 มิติ³ 4 วินาที²

ดังนั้นอิเล็กตรอนสามตัวของออร์บิทัล 3 มิติและออร์บิทัล 2 ใน 4s รวมกันเพื่อส่งผ่านวงที่เกิดจากการทับซ้อนกันของเวเลนซ์ออร์บิทัลของอะตอม V ทั้งหมดของคริสตัล ชัดเจนคำอธิบายตามทฤษฎีวงดนตรี

เนื่องจากอะตอม V มีขนาดเล็กกว่าโลหะทางด้านซ้ายเล็กน้อย (สแกนเดียมและไททาเนียม) ในตารางธาตุและด้วยลักษณะทางอิเล็กทรอนิกส์พันธะโลหะจึงแข็งแกร่งขึ้น ความจริงที่สะท้อนให้เห็นในจุดหลอมเหลวสูงสุดและด้วยอะตอมที่เหนียวแน่นมากขึ้น

จากการศึกษาเชิงคำนวณโครงสร้าง bcc ของวานาเดียมมีความเสถียรแม้ภายใต้แรงกดดันมหาศาลถึง 60 GPa เมื่อเกินความดันนี้คริสตัลของมันจะผ่านการเปลี่ยนไปสู่ระยะ rhombohedral ซึ่งยังคงมีความเสถียรสูงถึง 434 GPa เมื่อโครงสร้างสำเนาลับปรากฏขึ้นอีกครั้ง

เลขออกซิเดชัน

โครงร่างอิเล็กตรอนของวาเนเดียมเพียงอย่างเดียวบ่งชี้ว่าอะตอมของมันสามารถสูญเสียอิเล็กตรอนได้ถึงห้าตัว เมื่อมันไม่อาร์กอนก๊าซเฉื่อยจะกลายเป็น isoelectronic และการดำรงอยู่ของวี⁵⁺ไอออนบวกจะสันนิษฐาน

ในทำนองเดียวกันการสูญเสียอิเล็กตรอนสามารถค่อยเป็นค่อยไป (ขึ้นอยู่กับชนิดที่ถูกผูกมัด) โดยมีเลขออกซิเดชันเป็นบวกที่แตกต่างกันไปตั้งแต่ +1 ถึง +5 ดังนั้นในสารประกอบของมันจะถือว่าการมีอยู่ของไอออนบวก V ⁺ , V ²⁺และอื่น ๆ

วาเนเดียมยังสามารถรับอิเล็กตรอนและเปลี่ยนเป็นไอออนของโลหะได้ เลขออกซิเดชันเป็นลบคือ -1 (V ^- ) และ -3 (V ^3- ) การกำหนดค่าอิเล็กตรอนของ V ^3-คือ:

3 มิติ⁶ 4 วินาที²

แม้ว่ามันจะไม่มีอิเล็กตรอนสี่ตัวเพื่อเติมเต็มวงโคจร 3 มิติให้สมบูรณ์ แต่ V ^3-มีความเสถียรทางพลังงานมากกว่า V ^7-ซึ่งในทางทฤษฎีแล้วจะต้องใช้สปีชีส์ที่มีอิเล็กโตรโพสิทีฟมาก (เพื่อให้อิเล็กตรอน)

การประยุกต์ใช้งาน

-โลหะ

โลหะผสมเหล็กไทเทเนียม

วานาเดียมให้ความต้านทานเชิงกลความร้อนและการสั่นสะเทือนตลอดจนความแข็งของโลหะผสมที่เติมเข้าไป ตัวอย่างเช่นในฐานะที่เป็นเฟอร์โรวานาเดียม (โลหะผสมเหล็กและวานาเดียม) หรือวานาเดียมคาร์ไบด์จะถูกเพิ่มเข้าด้วยกันกับโลหะอื่น ๆ ในเหล็กกล้าหรือในโลหะผสมไทเทเนียม

ด้วยวิธีนี้วัสดุที่แข็งและเบาจึงถูกสร้างขึ้นเพื่อประโยชน์ในการใช้เป็นเครื่องมือ (สว่านและประแจ) เกียร์ชิ้นส่วนรถยนต์หรือเครื่องบินกังหันจักรยานเครื่องยนต์เจ็ทมีดรากฟันเทียม ฯลฯ

นอกจากนี้โลหะผสมที่มีแกลเลียม (V ₃ Ga) ยังเป็นตัวนำยิ่งยวดและใช้สำหรับการผลิตแม่เหล็ก และด้วยความที่มีปฏิกิริยาต่ำจึงใช้โลหะผสมวานาเดียมสำหรับท่อที่มีสารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อน

แบตเตอรี่รีดอกซ์วานาเดียม

วาเนเดียมเป็นส่วนหนึ่งของแบตเตอรี่รีดอกซ์ VRB (สำหรับตัวย่อในภาษาอังกฤษ: Vanadium Redox Batteries) สิ่งเหล่านี้สามารถใช้เพื่อส่งเสริมการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมรวมถึงแบตเตอรี่ในรถยนต์ไฟฟ้า

- คอมโพสิต

เม็ดสี

V ₂ O ₅ใช้เพื่อให้แก้วและเซรามิกมีสีทอง ในทางกลับกันการมีอยู่ของแร่ธาตุบางชนิดทำให้มีสีเขียวเช่นเดียวกับมรกต (และต้องขอบคุณโลหะอื่น ๆ ด้วย)

ตัวเร่ง

V ₂ O ₅เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในการสังเคราะห์กรดซัลฟิวริกและกรดมาเลอิกแอนไฮไดรด์ ผสมกับออกไซด์ของโลหะอื่น ๆ จะเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์อื่น ๆ เช่นการเกิดออกซิเดชันของโพรเพนและโพรพิลีนเป็นอะโครลีนและกรดอะคริลิกตามลำดับ

ยา

ยาที่ประกอบด้วยวาเนเดียมคอมเพล็กซ์ได้รับการพิจารณาว่าเป็นไปได้และมีศักยภาพในการรักษาโรคเบาหวานและมะเร็ง

บทบาททางชีวภาพ

ดูเหมือนจะเป็นเรื่องน่าขันที่วาเนเดียมซึ่งเป็นสารประกอบที่มีสีสันและเป็นพิษไอออนของมัน (VO ⁺ , VO ₂ ⁺และ VO ₄ ^3-ส่วนใหญ่) ในร่องรอยนั้นมีประโยชน์และจำเป็นต่อสิ่งมีชีวิต โดยเฉพาะแหล่งที่อยู่อาศัยทางทะเล

เหตุผลมีศูนย์กลางอยู่ที่สถานะออกซิเดชั่นโดยมีจำนวนลิแกนด์ในสภาพแวดล้อมทางชีวภาพที่ประสานกัน (หรือมีปฏิสัมพันธ์) ในการเปรียบเทียบระหว่างแอนไอออนวานาเดตและฟอสเฟต (VO ₄ ^3-และ PO ₄ ^3- ) และปัจจัยอื่น ๆ ที่ศึกษา โดยสารเคมีชีวนินทรีย์

จากนั้นอะตอมของวานาเดียมสามารถโต้ตอบกับอะตอมเหล่านั้นที่เป็นของเอนไซม์หรือโปรตีนไม่ว่าจะกับสี่ (จัตุรมุขประสานงาน) ห้า (ปิรามิดสี่เหลี่ยมหรือรูปทรงเรขาคณิตอื่น ๆ ) หรือหก หากสิ่งนี้เกิดขึ้นปฏิกิริยาที่ดีต่อร่างกายถูกกระตุ้นกล่าวว่าวานาเดียมมีฤทธิ์ทางเภสัชวิทยา

ตัวอย่างเช่นมี haloperoxidases: เอนไซม์ที่สามารถใช้วาเนเดียมเป็นปัจจัยร่วม นอกจากนี้ยังมี vanabins (ในเซลล์ vanadocyte ของ tunicates), phosphorylases, Nitrogenases, transferins และ serum albumins (ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม) ที่สามารถทำปฏิกิริยากับโลหะนี้ได้

โมเลกุลอินทรีย์หรือสารประกอบเชิงซ้อนวานาเดียมที่เรียกว่า amavadin มีอยู่ในร่างกายของเชื้อราบางชนิดเช่น Amanita muscaria (ภาพล่าง)

เห็ด Amanita Muscaria ที่มา: Pixabay

และในที่สุดในเชิงซ้อนบางชนิดอาจมีวาเนเดียมอยู่ในกลุ่มฮีมเช่นเดียวกับเหล็กในฮีโมโกลบิน

อ้างอิง

1. ตัวสั่นและแอตกินส์ (2008) เคมีอนินทรีย์. (พิมพ์ครั้งที่สี่). Mc Graw Hill
2. วิกิพีเดีย (2019). วานาเดียม. สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
3. Ashok K. Verma & P. ​​Modak. (เอสเอฟ) ความไม่เสถียรของโฟนอนและการเปลี่ยนเฟสโครงสร้างในวานาเดียมภายใต้ความกดดันสูง แผนกฟิสิกส์แรงดันสูงศูนย์วิจัยปรมาณู Bhabha เมือง Trombay มุมไบ 400085 ประเทศอินเดีย
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 กรกฎาคม 2562). ข้อเท็จจริงของวาเนเดียม (V หรือเลขอะตอม 23) ดึงมาจาก: thoughtco.com
5. Richard Mills (24 ตุลาคม 2560). วานาเดียม: โลหะที่เราทำไม่ได้และไม่ได้ผลิต กลาเซียร์มีเดียกรุ๊ป ดึงมาจาก: mining.com
6. ศูนย์ข้อมูลเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ (2019). วานาเดียม. ฐานข้อมูล PubChem CID = 23990 สืบค้นจาก: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. คลาร์กจิม (2015) วานาเดียม. สืบค้นจาก: chemguide.co.uk
8. เพียซซาร่าห์ (2019). วาเนเดียมคืออะไร? การใช้งานข้อเท็จจริงและไอโซโทป ศึกษา. ดึงมาจาก: study.com
9. Crans & col. (2004) เคมีและชีวเคมีของวาเนเดียมและกิจกรรมทางชีวภาพที่เกิดจากสารประกอบวานาเดียม ภาควิชาเคมีมหาวิทยาลัยแห่งรัฐโคโลราโดฟอร์ตคอลลินส์โคโลราโด 80523-1872