El vanadio es un elemento químico con el símbolo V y número atómico 23. Es un metal de transición duro, de color gris plateado y maleable . El metal elemental rara vez se encuentra en la naturaleza, pero una vez aislado artificialmente, la formación de una capa de óxido ( pasivación ) estabiliza algo el metal libre frente a una oxidación adicional .
Vanadio | ||||||||||||||||||||||||||||
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Pronunciación | / V ə n eɪ delta i ə m / | |||||||||||||||||||||||||||
Apariencia | metal azul-plateado-gris | |||||||||||||||||||||||||||
Peso atómico estándar A r, estándar (V) | 50,9415 (1) [1] | |||||||||||||||||||||||||||
Vanadio en la tabla periódica | ||||||||||||||||||||||||||||
Número atómico ( Z ) | 23 | |||||||||||||||||||||||||||
Grupo | grupo 5 | |||||||||||||||||||||||||||
Período | período 4 | |||||||||||||||||||||||||||
Cuadra | bloque d | |||||||||||||||||||||||||||
Configuración electronica | [ Ar ] 3d 3 4s 2 | |||||||||||||||||||||||||||
Electrones por capa | 2, 8, 11, 2 | |||||||||||||||||||||||||||
Propiedades físicas | ||||||||||||||||||||||||||||
Fase en STP | sólido | |||||||||||||||||||||||||||
Punto de fusion | 2183 K (1910 ° C, 3470 ° F) | |||||||||||||||||||||||||||
Punto de ebullición | 3680 K (3407 ° C, 6165 ° F) | |||||||||||||||||||||||||||
Densidad (cerca de rt ) | 6,11 g / cm 3 | |||||||||||||||||||||||||||
cuando es líquido (a mp ) | 5,5 g / cm 3 | |||||||||||||||||||||||||||
Calor de fusión | 21,5 kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||
Calor de vaporización | 444 kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||
Capacidad calorífica molar | 24,89 J / (mol · K) | |||||||||||||||||||||||||||
Presión de vapor
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Propiedades atómicas | ||||||||||||||||||||||||||||
Estados de oxidación | −3, −1, 0, +1, +2 , +3 , +4 , +5 (un óxido anfótero ) | |||||||||||||||||||||||||||
Electronegatividad | Escala de Pauling: 1,63 | |||||||||||||||||||||||||||
Energías de ionización |
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Radio atómico | empírico: 134 pm | |||||||||||||||||||||||||||
Radio covalente | 153 ± 8 pm | |||||||||||||||||||||||||||
Líneas espectrales de vanadio | ||||||||||||||||||||||||||||
Otras propiedades | ||||||||||||||||||||||||||||
Ocurrencia natural | primordial | |||||||||||||||||||||||||||
Estructura cristalina | cúbico centrado en el cuerpo (bcc) | |||||||||||||||||||||||||||
Velocidad de sonido varilla fina | 4560 m / s (a 20 ° C) | |||||||||||||||||||||||||||
Expansión térmica | 8,4 µm / (m⋅K) (a 25 ° C) | |||||||||||||||||||||||||||
Conductividad térmica | 30,7 W / (m⋅K) | |||||||||||||||||||||||||||
Resistividad electrica | 197 nΩ⋅m (a 20 ° C) | |||||||||||||||||||||||||||
Orden magnético | paramagnético | |||||||||||||||||||||||||||
Susceptibilidad magnética molar | +255,0 × 10 −6 cm 3 / mol (298 K) [2] | |||||||||||||||||||||||||||
El módulo de Young | 128 GPa | |||||||||||||||||||||||||||
Módulo de corte | 47 GPa | |||||||||||||||||||||||||||
Módulo de volumen | 160 GPa | |||||||||||||||||||||||||||
Relación de Poisson | 0,37 | |||||||||||||||||||||||||||
Dureza de Mohs | 6,7 | |||||||||||||||||||||||||||
Dureza Vickers | 628–640 MPa | |||||||||||||||||||||||||||
Dureza Brinell | 600–742 MPa | |||||||||||||||||||||||||||
Número CAS | 7440-62-2 | |||||||||||||||||||||||||||
Historia | ||||||||||||||||||||||||||||
Descubrimiento | Nils Gabriel Sefström (1830) | |||||||||||||||||||||||||||
Primer aislamiento | Henry Enfield Roscoe (1867) | |||||||||||||||||||||||||||
Nombrado por | Nils Gabriel Sefström (1830) | |||||||||||||||||||||||||||
Isótopos principales de vanadio | ||||||||||||||||||||||||||||
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Andrés Manuel del Río descubrió compuestos de vanadio en 1801 en México mediante el análisis de un nuevo mineral con plomo que llamó "plomo marrón". Aunque inicialmente supuso que sus cualidades se debían a la presencia de un nuevo elemento, más tarde el químico francés Hippolyte Victor Collet-Descotils lo convenció erróneamente de que el elemento era solo cromo . Luego, en 1830, Nils Gabriel Sefström generó cloruros de vanadio, probando así que había un nuevo elemento, y lo llamó "vanadio" en honor a la diosa escandinava de la belleza y la fertilidad, Vanadís (Freyja). El nombre se basó en la amplia gama de colores que se encuentran en los compuestos de vanadio. El mineral de plomo de Del Rio finalmente se llamó vanadinita por su contenido de vanadio. En 1867 Henry Enfield Roscoe obtuvo el elemento puro.
El vanadio se encuentra naturalmente en unos 65 minerales y en depósitos de combustibles fósiles . Se produce en China y Rusia a partir de escoria de fundición de acero . Otros países lo producen a partir de magnetita directamente, polvo de combustión de petróleo pesado o como subproducto de la extracción de uranio . Se utiliza principalmente para producir aleaciones de aceros especiales , como aceros para herramientas de alta velocidad y algunas aleaciones de aluminio . El compuesto de vanadio industrial más importante, el pentóxido de vanadio , se utiliza como catalizador para la producción de ácido sulfúrico . La batería redox de vanadio para almacenamiento de energía puede ser una aplicación importante en el futuro.
En unos pocos organismos se encuentran grandes cantidades de iones de vanadio , posiblemente como toxina . El óxido y algunas otras sales de vanadio tienen una toxicidad moderada. Particularmente en el océano, algunas formas de vida utilizan el vanadio como un centro activo de enzimas , como la bromoperoxidasa de vanadio de algunas algas oceánicas .
Historia
El vanadio fue descubierto en 1801 por el mineralogista español Andrés Manuel del Río . Del Río extrajo el elemento de una muestra de mineral de "plomo marrón" mexicano, más tarde llamado vanadinita . Él encontró que sus sales exhiben una amplia variedad de colores, y como resultado que llamó el elemento panchromium (griego: παγχρώμιο "todos los colores"). Más tarde, Del Río renombró el elemento eritronio (griego: ερυθρός "rojo") porque la mayoría de las sales se volvieron rojas al calentarse. En 1805, el químico francés Hippolyte Victor Collet-Descotils , respaldado por el barón Alexander von Humboldt , amigo de Del Río , declaró incorrectamente que el nuevo elemento del Río era una muestra impura de cromo . Del Río aceptó la declaración de Collet-Descotils y se retractó de su reclamo. [3]
En 1831, el químico sueco Nils Gabriel Sefström redescubrió el elemento en un nuevo óxido que encontró mientras trabajaba con minerales de hierro . Ese mismo año, Friedrich Wöhler confirmó el trabajo anterior de Del Río. [4] Sefström eligió un nombre que comenzara con V, que aún no había sido asignado a ningún elemento. Llamó al elemento vanadio en honor al nórdico antiguo Vanadís (otro nombre de la diosa nórdica Vanr Freyja , cuyos atributos incluyen la belleza y la fertilidad), debido a los muchos compuestos químicos de hermosos colores que produce. [4] En 1831, el geólogo George William Featherstonhaugh sugirió que el vanadio debería ser rebautizado como " rionium " después de del Río, pero esta sugerencia no fue seguida. [5]
El aislamiento del vanadio metálico fue difícil. [ cita requerida ] En 1831, Berzelius informó la producción del metal, pero Henry Enfield Roscoe demostró que Berzelius había producido el nitruro, nitruro de vanadio (VN). Roscoe finalmente produjo el metal en 1867 mediante la reducción del cloruro de vanadio (II) , VCl 2 , con hidrógeno . [6] En 1927, se produjo vanadio puro reduciendo el pentóxido de vanadio con calcio . [7]
El primer uso industrial a gran escala del vanadio fue en el chasis de aleación de acero del Ford Modelo T , inspirado en los autos de carrera franceses. El acero al vanadio permitió reducir el peso al tiempo que aumentaba la resistencia a la tracción (hacia 1905). [8] Durante la primera década del siglo XX, la mayor parte del mineral de vanadio fue extraído por American Vanadium Company de Minas Ragra en Perú. Más tarde, la demanda de uranio aumentó, lo que llevó a una mayor extracción de los minerales de ese metal. Uno de los principales minerales de uranio fue la carnotita , que también contiene vanadio. Así, el vanadio pasó a estar disponible como subproducto de la producción de uranio. Con el tiempo, la extracción de uranio comenzó a abastecer una gran parte de la demanda de vanadio. [9] [10]
En 1911, el químico alemán Martin Henze descubrió el vanadio en las proteínas de hemovanadina que se encuentran en las células sanguíneas (o células celómicas ) de Ascidiacea (ascidias marinas). [11] [12]
Caracteristicas
El vanadio es un metal dúctil , de dureza media , azul acero. Es eléctricamente conductor y térmicamente aislante . Algunas fuentes describen el vanadio como "blando", quizás porque es dúctil, maleable y no quebradizo . [13] [14] El vanadio es más duro que la mayoría de los metales y aceros (consulte Durezas de los elementos (página de datos) y hierro ). Tiene buena resistencia a la corrosión y es estable frente a álcalis y ácidos sulfúrico y clorhídrico . [15] Se oxida en el aire a aproximadamente 933 K (660 ° C, 1220 ° F), aunque se forma una capa de pasivación de óxido incluso a temperatura ambiente.
Isótopos
El vanadio natural está compuesto por un isótopo estable , 51 V, y un isótopo radiactivo, 50 V. Este último tiene una vida media de 1,5 × 10 17 años y una abundancia natural del 0,25%. 51 V tiene un espín nuclear de 7 ⁄ 2 , que es útil para la espectroscopia de RMN . [16] Se han caracterizado veinticuatro radioisótopos artificiales , que varían en número de masa de 40 a 65. Los más estables de estos isótopos son 49 V con una vida media de 330 días y 48 V con una vida media de 16,0 días. . Los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a una hora, la mayoría por debajo de los 10 segundos. Al menos cuatro isótopos tienen estados excitados metaestables . [17] La captura de electrones es el modo de desintegración principal para los isótopos más ligeros que 51 V. Para los más pesados, el modo más común es la desintegración beta . Las reacciones de captura de electrones conducen a la formación de isótopos del elemento 22 ( titanio ), mientras que la desintegración beta conduce a los isótopos del elemento 24 ( cromo ).
Compuestos
La química del vanadio es digna de mención por la accesibilidad de los cuatro estados de oxidación adyacentes 2-5. En solución acuosa , el vanadio forma complejos metálicos acuosos cuyos colores son lila [V (H 2 O) 6 ] 2+ , verde [V (H 2 O) 6 ] 3+ , azul [VO (H 2 O) 5 ] 2+ , óxidos de color amarillo anaranjado, cuya fórmula depende del pH. Los compuestos de vanadio (II) son agentes reductores y los compuestos de vanadio (V) son agentes oxidantes. Los compuestos de vanadio (IV) a menudo existen como derivados de vanadilo , que contienen el centro VO 2+ . [15]
El vanadato de amonio (V) (NH 4 VO 3 ) se puede reducir sucesivamente con zinc elemental para obtener los diferentes colores del vanadio en estos cuatro estados de oxidación. Los estados de oxidación más bajos ocurren en compuestos como V (CO) 6 , [V (CO)
6]-
y derivados sustituidos. [15]
El pentóxido de vanadio es un catalizador de importancia comercial para la producción de ácido sulfúrico, una reacción que aprovecha la capacidad de los óxidos de vanadio para sufrir reacciones redox. [15]
La batería redox de vanadio utiliza los cuatro estados de oxidación: un electrodo utiliza el par + 5 / + 4 y el otro utiliza el par + 3 / + 2. La conversión de estos estados de oxidación se ilustra mediante la reducción de una solución fuertemente ácida de un compuesto de vanadio (V) con polvo de zinc o amalgama. El color amarillo característico inicial del ion pervanadilo [VO 2 (H 2 O) 4 ] + se reemplaza por el color azul de [VO (H 2 O) 5 ] 2+ , seguido por el color verde de [V (H 2 O) 6 ] 3+ y luego el color violeta de [V (H 2 O) 6 ] 2+ . [15]
Oxianiones
En solución acuosa, el vanadio (V) forma una extensa familia de oxianiones según lo establecido por 51 espectroscopía V RMN . [16] Las interrelaciones en esta familia se describen mediante el diagrama de predominio , que muestra al menos 11 especies, según el pH y la concentración. [18] El ion tetraédrico ortovanadato, VO3−
4, es la principal especie presente a pH 12-14. Similar en tamaño y carga al fósforo (V), el vanadio (V) también es paralelo a su química y cristalografía. Orthovanadate V O3−
4se utiliza en cristalografía de proteínas [19] para estudiar la bioquímica del fosfato. [20] El tetratiovanadato [VS 4 ] 3− es análogo al ion ortovanadato. [21]
A valores de pH más bajos, se forman el monómero [HVO 4 ] 2− y el dímero [V 2 O 7 ] 4− , predominando el monómero a una concentración de vanadio inferior a c. 10 −2 M (pV> 2, donde pV es igual al valor menos del logaritmo de la concentración total de vanadio / M). La formación del ion divanadato es análoga a la formación del ion dicromato . A medida que se reduce el pH, se produce una mayor protonación y condensación a polvanadatos : a pH 4-6, [H 2 VO 4 ] - es predominante a pV mayor que aprox. 4, mientras que a concentraciones más altas se forman trímeros y tetrámeros. Entre pH 2-4 predomina el decavanadato , su formación a partir del ortovanadato está representada por esta reacción de condensación:
- 10 [VO 4 ] 3− + 24 H + → [V 10 O 28 ] 6− + 12 H 2 O
En decavanadato, cada centro V (V) está rodeado por seis ligandos de óxido . [15] El ácido vanádico, H 3 VO 4 existe sólo en concentraciones muy bajas porque la protonación de la especie tetraédrica [H 2 VO 4 ] - da como resultado la formación preferencial de la especie octaédrica [VO 2 (H 2 O) 4 ] + . En soluciones fuertemente ácidas, pH <2, [VO 2 (H 2 O) 4 ] + es la especie predominante, mientras que el óxido V 2 O 5 precipita de la solución a altas concentraciones. El óxido es formalmente el anhídrido de ácido del ácido vanádico. Las estructuras de muchos compuestos de vanadato se han determinado mediante cristalografía de rayos X.
El vanadio (V) forma varios complejos de peroxo, sobre todo en el sitio activo de las enzimas bromoperoxidasa que contienen vanadio . La especie VO (O) 2 (H 2 O) 4 + es estable en soluciones ácidas. En soluciones alcalinas, se conocen especies con 2, 3 y 4 grupos peróxido; la última forma sales violetas con la fórmula M 3 V (O 2 ) 4 nH 2 O (M = Li, Na, etc.), en las que el vanadio tiene una estructura dodecaédrica de 8 coordenadas. [23] [24]
Derivados de halogenuros
Se conocen doce haluros binarios , compuestos con la fórmula VX n (n = 2..5). VI 4 , VCl 5 , VBr 5 y VI 5 no existen o son extremadamente inestables. En combinación con otros reactivos, el VCl 4 se usa como catalizador para la polimerización de dienos . Como todos los haluros binarios, los del vanadio son ácidos de Lewis , especialmente los de V (IV) y V (V). Muchos de los haluros forman complejos octaédricos con la fórmula VX n L 6− n (X = haluro; L = otro ligando).
Se conocen muchos oxihaluros de vanadio (fórmula VO m X n ). [25] El oxitricloruro y oxytrifluoride ( VOCl 3 y VOF 3 ) son los más ampliamente estudiados. Al igual que el POCl 3 , son volátiles, adoptan estructuras tetraédricas en la fase gaseosa y son ácidos de Lewis.
Compuestos de coordinación
Los complejos de vanadio (II) y (III) son relativamente inertes al intercambio y reductores. Los de V (IV) y V (V) son oxidantes. El ión vanadio es bastante grande y algunos complejos alcanzan números de coordinación superiores a 6, como es el caso de [V (CN) 7 ] 4− . El oxovanadio (V) también forma 7 complejos de coordinación coordinada con ligandos y peróxidos tetradentados y estos complejos se utilizan para bromaciones oxidativas y oxidaciones de tioéter. La química de coordinación de V 4+ está dominada por el centro de vanadilo , VO 2+ , que une a otros cuatro ligandos fuertemente y uno débilmente (el que se transmite al centro de vanadilo). Un ejemplo es el acetilacetonato de vanadilo (V (O) (O 2 C 5 H 7 ) 2 ). En este complejo, el vanadio es piramidal cuadrada de 5 coordenadas, lo que significa que se puede unir un sexto ligando, como la piridina, aunque la constante de asociación de este proceso es pequeña. Muchos complejos de vanadilo de 5 coordenadas tienen una geometría bipiramidal trigonal, como VOCl 2 (NMe 3 ) 2 . [26] La química de coordinación de V 5+ está dominada por los complejos de coordinación de dioxovanadio relativamente estables que a menudo se forman por oxidación aérea de los precursores de vanadio (IV), lo que indica la estabilidad del estado de oxidación +5 y la facilidad de interconversión entre +4 y +5 estados.
Compuestos organometálicos
La química organometálica del vanadio está bien desarrollada, aunque tiene principalmente una importancia académica. [ cita requerida ] El dicloruro de vanadoceno es un reactivo de partida versátil y tiene aplicaciones en química orgánica. [27] El carbonilo de vanadio , V (CO) 6 , es un raro ejemplo de un carbonilo metálico paramagnético . La reducción produce V (CO)-
6( isoelectrónico con Cr (CO) 6 ), que puede reducirse aún más con sodio en amoníaco líquido para producir V (CO)3−
5(isoelectrónico con Fe (CO) 5 ). [28] [29]
Ocurrencia
Universo
La abundancia cósmica de vanadio en el universo es del 0,0001%, lo que hace que el elemento sea casi tan común como el cobre o el zinc . [30] El vanadio se detecta espectroscópicamente a la luz del Sol y, a veces, a la luz de otras estrellas . [31]
la corteza terrestre
El vanadio es el vigésimo elemento más abundante en la corteza terrestre; [32] El vanadio metálico es raro en la naturaleza (conocido como vanadio nativo ), [33] [34] pero los compuestos de vanadio se encuentran naturalmente en aproximadamente 65 minerales diferentes .
A principios del siglo XX se descubrió un gran depósito de mineral de vanadio, la mina de vanadio Minas Ragra cerca de Junín, Cerro de Pasco , Perú . [35] [36] [37] Durante varios años este depósito de patrónita (VS 4 ) [38] fue una fuente económicamente significativa de mineral de vanadio. En 1920, aproximadamente dos tercios de la producción mundial fue suministrada por la mina en Perú. [39] Con la producción de uranio en las décadas de 1910 y 1920 a partir de carnotita ( K 2 (UO 2 ) 2 (VO 4 ) 2 · 3H 2 O ), el vanadio pasó a estar disponible como un subproducto de la producción de uranio. La vanadinita ( Pb 5 (VO 4 ) 3 Cl ) y otros minerales que contienen vanadio solo se extraen en casos excepcionales. Con la creciente demanda, gran parte de la producción mundial de vanadio ahora se obtiene de la magnetita que contiene vanadio que se encuentra en los cuerpos de gabro ultramáficos . Si esta titanomagnetita se utiliza para producir hierro, la mayor parte del vanadio va a la escoria y se extrae de ella. [40] [41]
El vanadio se extrae principalmente en Sudáfrica , el noroeste de China y el este de Rusia . En 2013, estos tres países extrajeron más del 97% de las 79.000 toneladas de vanadio producidas. [42]
El vanadio también está presente en la bauxita y en los depósitos de petróleo crudo , carbón , pizarra bituminosa y arenas bituminosas . En petróleo crudo, se han reportado concentraciones de hasta 1200 ppm. Cuando se queman tales productos derivados del petróleo, las trazas de vanadio pueden causar corrosión en motores y calderas. [43] Se estima que 110.000 toneladas de vanadio por año se liberan a la atmósfera mediante la quema de combustibles fósiles. [44] Las lutitas negras también son una fuente potencial de vanadio. Durante la Segunda Guerra Mundial, se extrajo algo de vanadio de las lutitas de alumbre en el sur de Suecia. [45]
Agua
El ión vanadilo es abundante en el agua de mar , con una concentración media de 30 nM (1,5 mg / m 3 ). [30] Algunos de agua mineral resortes también contienen el ion en altas concentraciones. Por ejemplo, los manantiales cerca del monte Fuji contienen hasta 54 μg por litro . [30]
Producción
El vanadio metálico se obtiene mediante un proceso de varios pasos que comienza tostando el mineral triturado con NaCl o Na 2 CO 3 a aproximadamente 850 ° C para dar metavanadato de sodio (NaVO 3 ). Un extracto acuoso de este sólido se acidifica para producir una "torta roja", una sal polvanadato, que se reduce con calcio metálico. Como alternativa para la producción a pequeña escala, el pentóxido de vanadio se reduce con hidrógeno o magnesio . También se utilizan muchos otros métodos, en todos los cuales se produce vanadio como subproducto de otros procesos. [46] La purificación del vanadio es posible mediante el proceso de barra de cristal desarrollado por Anton Eduard van Arkel y Jan Hendrik de Boer en 1925. Implica la formación del yoduro metálico, en este ejemplo yoduro de vanadio (III) , y la posterior descomposición en producir metal puro: [47]
- 2 V + 3 I 2 ⇌ 2 VI 3
La mayor parte del vanadio se utiliza como una aleación de acero llamada ferrovanadio . El ferrovanadio se produce directamente reduciendo una mezcla de óxido de vanadio, óxidos de hierro y hierro en un horno eléctrico. El vanadio termina en arrabio producido a partir de magnetita que contiene vanadio. Dependiendo del mineral utilizado, la escoria contiene hasta un 25% de vanadio. [46]
Aplicaciones
Aleaciones
Aproximadamente el 85% del vanadio producido se utiliza como ferrovanadio o como aditivo de acero . [46] El considerable aumento de la resistencia del acero que contiene pequeñas cantidades de vanadio se descubrió a principios del siglo XX. El vanadio forma nitruros y carburos estables, lo que da como resultado un aumento significativo en la resistencia del acero. [48] A partir de ese momento, el acero al vanadio se utilizó para aplicaciones en ejes , cuadros de bicicletas, cigüeñales , engranajes y otros componentes críticos. Hay dos grupos de aleaciones de acero al vanadio. Las aleaciones de acero de vanadio con alto contenido de carbono contienen de 0,15% a 0,25% de vanadio, y los aceros para herramientas de alta velocidad (HSS) tienen un contenido de vanadio de 1% a 5%. Para aceros para herramientas de alta velocidad, se puede lograr una dureza superior a HRC 60. El acero HSS se utiliza en instrumentos y herramientas quirúrgicas . [49] Las aleaciones pulvimetalúrgicas contienen hasta un 18% de vanadio. El alto contenido de carburos de vanadio en esas aleaciones aumenta significativamente la resistencia al desgaste. Una aplicación para esas aleaciones son las herramientas y los cuchillos. [50]
El vanadio estabiliza la forma beta del titanio y aumenta la resistencia y la estabilidad térmica del titanio. Mezclado con aluminio en aleaciones de titanio , se utiliza en motores a reacción , fuselajes de alta velocidad e implantes dentales . La aleación más común para tubos sin costura es el titanio 3 / 2.5 que contiene un 2.5% de vanadio, la aleación de titanio preferida en las industrias aeroespacial, de defensa y de bicicletas. [51] Otra aleación común, producida principalmente en láminas, es el titanio 6AL-4V , una aleación de titanio con un 6% de aluminio y un 4% de vanadio. [52]
Varias aleaciones de vanadio muestran un comportamiento superconductor. El primer superconductor de fase A15 fue un compuesto de vanadio, V 3 Si, que fue descubierto en 1952. [53] La cinta de vanadio-galio se utiliza en imanes superconductores (17,5 teslas o 175.000 gauss ). La estructura de la fase superconductora A15 de V 3 Ga es similar a la de los más comunes Nb 3 Sn y Nb 3 Ti . [54]
Se ha descubierto que una pequeña cantidad, de 40 a 270 ppm, de vanadio en el acero Wootz mejoró significativamente la resistencia del producto y le dio el patrón distintivo. Se desconoce la fuente del vanadio en los lingotes de acero originales de Wootz. [55]
Catalizadores
Los compuestos de vanadio se utilizan ampliamente como catalizadores; [56] El pentóxido de vanadio V 2 O 5 , se utiliza como catalizador en la fabricación de ácido sulfúrico mediante el proceso de contacto. [57] En este proceso, el dióxido de azufre ( SO
2) se oxida al trióxido ( SO
3): [15] En esta reacción redox , el azufre se oxida de +4 a +6 y el vanadio se reduce de +5 a +4:
- V 2 O 5 + SO 2 → 2 VO 2 + SO 3
El catalizador se regenera por oxidación con aire:
- 4 VO 2 + O 2 → 2 V 2 O 5
Se utilizan oxidaciones similares en la producción de anhídrido maleico :
- C 4 H 10 + 3.5 O 2 → C 4 H 2 O 3 + 4 H 2 O
El anhídrido ftálico y varios otros compuestos orgánicos a granel se producen de manera similar. Estos procesos de química verde convierten materias primas económicas en productos intermedios versátiles y altamente funcionalizados. [58] [59]
El vanadio es un componente importante de los catalizadores de óxidos metálicos mixtos utilizados en la oxidación de propano y propileno a acroleína, ácido acrílico o la amoxidación de propileno a acrilonitrilo. [60] [61] [62] En servicio, el estado de oxidación del vanadio cambia de forma dinámica y reversible con el contenido de oxígeno y vapor de la mezcla de alimentación que reacciona. [63] [64]
Revestimientos de vidrio y cerámica
Otro óxido de vanadio, el dióxido de vanadio VO 2 , se utiliza en la producción de revestimientos de vidrio, que bloquea la radiación infrarroja (y no la luz visible) a una temperatura específica. [65] El óxido de vanadio se puede utilizar para inducir centros de color en el corindón para crear joyas de alejandrita simuladas , aunque la alejandrita en la naturaleza es un crisoberilo . [66] El pentóxido de vanadio se utiliza en cerámica . [67]
Otros usos
La batería redox de vanadio , un tipo de batería de flujo , es una celda electroquímica que consta de iones de vanadio acuosos en diferentes estados de oxidación. [68] [69] Las baterías de este tipo se propusieron por primera vez en la década de 1930 y se desarrollaron comercialmente a partir de la década de 1980. Las células usan iones de estado de oxidación +5 y +2 formales. Las baterías redox de vanadio se utilizan comercialmente para el almacenamiento de energía en la red .
El vanadato se puede utilizar para proteger el acero contra el óxido y la corrosión mediante revestimiento de conversión . [70] La hoja de vanadio se utiliza para revestir titanio con acero porque es compatible tanto con el hierro como con el titanio. [71] La sección transversal de captura de neutrones térmicos moderada y la vida media corta de los isótopos producidos por la captura de neutrones hacen que el vanadio sea un material adecuado para la estructura interna de un reactor de fusión . [72] [73]
Propuesto
Se ha propuesto el uso de óxido de litio y vanadio como ánodo de alta densidad de energía para baterías de iones de litio , a 745 Wh / L cuando se combina con un cátodo de óxido de cobalto y litio . [74] Se han propuesto fosfatos de vanadio como cátodo en la batería de fosfato de vanadio y litio , otro tipo de batería de iones de litio. [75]
Papel biológico
El vanadio es más importante en ambientes marinos que terrestres. [76]
Vanadoenzimas
Varias especies de algas marinas producen bromoperoxidasa de vanadio , así como cloroperoxidasa estrechamente relacionada (que puede utilizar un cofactor de hemo o vanadio) y yodoperoxidasas . La bromoperoxidasa produce anualmente entre 1 y 2 millones de toneladas de bromoformo y 56 000 toneladas de bromometano . [77] La mayoría de los compuestos organobromados de origen natural son producidos por esta enzima, [78] catalizando la siguiente reacción (RH es sustrato hidrocarbonado):
- RH + Br - + H 2 O 2 → R-Br + H 2 O + OH -
Algunos microorganismos fijadores de nitrógeno , como Azotobacter , utilizan una nitrogenasa de vanadio . En este papel, el vanadio reemplaza al molibdeno o hierro más común y le da a la nitrogenasa propiedades ligeramente diferentes. [79]
Acumulación de vanadio en tunicados
El vanadio es esencial para los tunicados , donde se almacena en las vacuolas altamente acidificadas de ciertos tipos de células sanguíneas, denominadas vanadocitos . Se han identificado vanabinas (proteínas de unión al vanadio) en el citoplasma de dichas células. La concentración de vanadio en la sangre de los tunicados de ascidia es hasta diez millones de veces mayor [ especificar ] [80] [81] que el agua de mar circundante, que normalmente contiene de 1 a 2 µg / l. [82] [83] La función de este sistema de concentración de vanadio y estas proteínas que contienen vanadio aún se desconoce, pero los vanadocitos se depositan más tarde justo debajo de la superficie exterior de la túnica, donde pueden disuadir la depredación . [84]
Hongos
Amanita muscaria y especies relacionadas de macrofungi acumulan vanadio (hasta 500 mg / kg en peso seco). El vanadio está presente en el complejo de coordinación amavadina [85] en los cuerpos frutales de los hongos. Se desconoce la importancia biológica de la acumulación. [86] [87] Se han sugerido funciones enzimáticastóxicas o peroxidasa . [88]
Mamíferos
Las deficiencias de vanadio dan como resultado un crecimiento reducido en ratas. [89] El Instituto de Medicina de EE. UU. No ha confirmado que el vanadio sea un nutriente esencial para los seres humanos, por lo que no se ha establecido una ingesta dietética recomendada ni una ingesta adecuada. La ingesta dietética se estima en 6 a 18 µg / día, con menos del 5% absorbido. El nivel máximo de ingesta tolerable (UL) de vanadio en la dieta, más allá del cual pueden ocurrir efectos adversos, se establece en 1.8 mg / día. [90]
Investigar
El sulfato de vanadilo como suplemento dietético se ha investigado como un medio para aumentar la sensibilidad a la insulina o mejorar el control glucémico en personas diabéticas. Algunos de los ensayos tuvieron efectos de tratamiento significativos, pero se consideraron de mala calidad de estudio. Las cantidades de vanadio utilizadas en estos ensayos (30 a 150 mg) excedieron con creces el límite superior de seguridad. [91] [92] La conclusión de la revisión sistémica fue "No hay evidencia rigurosa de que la suplementación con vanadio oral mejore el control glucémico en la diabetes tipo 2. No se puede recomendar el uso rutinario de vanadio para este propósito". [91]
En astrobiología , se ha sugerido que las acumulaciones discretas de vanadio en Marte podrían ser una posible firma biológica microbiana , cuando se utilizan junto con la espectroscopia y morfología Raman . [93] [94]
Seguridad
Todos los compuestos de vanadio deben considerarse tóxicos. Tetravalente VOSO 4 ha sido informado de que al menos 5 veces más tóxico que trivalente V 2 O 3 . [95] La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) ha establecido un límite de exposición de 0,05 mg / m 3 para el polvo de pentóxido de vanadio y 0,1 mg / m 3 para los vapores de pentóxido de vanadio en el aire del lugar de trabajo durante una jornada de 8 horas, 40 horas semana de trabajo. [96] El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha recomendado que 35 mg / m 3 de vanadio se consideren inmediatamente peligrosos para la vida y la salud, es decir, que probablemente causen problemas de salud permanentes o la muerte. [96]
Los compuestos de vanadio se absorben mal a través del sistema gastrointestinal. La inhalación de vanadio y compuestos de vanadio produce principalmente efectos adversos en el sistema respiratorio. [97] [98] [99] Los datos cuantitativos son, sin embargo, insuficientes para derivar una dosis de referencia de inhalación crónica o subcrónica. Se han informado otros efectos después de la exposición oral o por inhalación sobre los parámetros sanguíneos, [100] [101] el hígado, [102] el desarrollo neurológico [103] y otros órganos [104] en ratas.
Hay poca evidencia de que el vanadio o los compuestos de vanadio sean toxinas reproductivas o teratógenos . Se informó que el pentóxido de vanadio es cancerígeno en ratas macho y en ratones machos y hembras por inhalación en un estudio de NTP, [98] aunque la interpretación de los resultados ha sido cuestionada recientemente. [105] La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos no ha determinado la carcinogenicidad del vanadio . [106]
Las trazas de vanadio en los combustibles diesel son el principal componente de combustible en la corrosión a alta temperatura . Durante la combustión, el vanadio se oxida y reacciona con el sodio y el azufre, produciendo compuestos de vanadato con puntos de fusión tan bajos como 530 ° C, que atacan la capa de pasivación del acero y lo hacen susceptible a la corrosión. Los compuestos sólidos de vanadio también desgastan los componentes del motor. [107] [108]
Ver también
- Batería de flujo
- Mina gigante verde
- Almacenamiento de energía de la red
- Carburo de vanadio
- Batería redox de vanadio
- Tetracloruro de vanadio
- Óxido de vanadio (V)
- Simposio internacional de vanadio
- El ciclo del vanadio
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Otras lecturas
- Slebodnick, Carla; et al. (1999). "Modelado de la química biológica del vanadio: estudios estructurales y de reactividad aclarando la función biológica" . En Hill, Hugh AO; et al. (eds.). Sitios metálicos en proteínas y modelos: fosfatasas, ácidos de Lewis y vanadio . Saltador. ISBN 978-3-540-65553-4.
enlaces externos
- Videos
- Vanadio en la tabla periódica de videos (Universidad de Nottingham)
- Trabajos de investigación
- [enlace muerto permanente ] Informe técnico sobre vanadio del instrumento nacional [ enlace muerto permanente ] Métodos de recuperación de vanadio
- ATSDR - ToxFAQs: Vanadio
- La concentración de vanadio en el agua de mar y los estuarios es de aproximadamente 1,5-3,3 ug / kg [1] .
- Especiación y ciclo del vanadio en aguas costeras [2]
- Anoxia oceánica y concentraciones de molibdeno y vanadio en el agua de mar [3]