バナジウム：歴史、特性、構造、用途 - 化学 - 2024

バナジウムは化学記号V.によって表される周期律表第三遷移金属は、他の金属のような人気のようではないですが、あなたは次のように言及を聞いている鋼とtitaniums人に理解される合金やツールに強化するための添加剤を。物理的には硬度、化学的には色と同じ意味です。

一部の化学者は、その化合物に広範囲の色を採用できるカメレオン金属としてあえて説明します。金属マンガンやクロムに似た電子特性。ネイティブで純粋な状態では、他の金属と同じように見えます。銀ですが、青みがかった色合いです。錆びると以下のようになります。

黄色い酸化物の薄い虹色の層を持つ金属バナジウム片。出典：ジュリ

この画像では、酸化物の虹色はほとんど区別されません。これは、金属結晶の仕上げまたは表面に依存します。この酸化物層は、それをさらなる酸化から、したがって腐食から保護します。

V原子が合金に追加されると、腐食や熱亀裂に対するそのような耐性が合金に提供されます。バナジウムは重金属ではなく軽金属であるため、重量をあまり大きくすることなく、これらすべてが可能です。多くの人が考えていることとは異なり。

その名前はスカンジナビアからの北欧の女神バナディスに由来します。しかし、メキシコでは、赤みがかった結晶のバナジナイト鉱物Pb _{5 3} Clの一部として発見されました。問題は、このミネラルや他の多くの鉱物からバナジウムを得るには、バナジウムをその酸化物であるV ₂ O ₅（カルシウムで還元される）よりも還元しやすい化合物に変換する必要があったことです。

他のバナジウム源は、海洋生物、または石油ポルフィリン内に「監禁」されている原油にあります。

溶液中では、その酸化状態に応じて、化合物の色は黄色、青、濃い緑、紫になります。バナジウムは、これらの数値または酸化状態（-1〜+5）だけでなく、生物学的環境とさまざまな方法で調整できることでも際立っています。

バナジウムの化学は豊富で神秘的であり、他の金属と比較して、その詳細な理解のためにそれを当てなければならない多くの光がまだあります。

歴史

発見

メキシコには、この元素が発見された国であったという名誉があります。鉱物学者のAndrésManuel delRíoは、1801年に自身が茶色の鉛（バナジナイト、Pb _{5 3} Cl）と呼んだ赤みがかった鉱物を分析して、当時知られているどの元素の特徴とも一致しない金属酸化物を抽出しました。

このように、彼は最初に「パンクロモ」という名前でこの要素にバプテスマを施しました。その後、ギリシャ語のエリスロニウムから赤を意味する「エリスロノ」に名前を変更しました。

4年後、フランスの化学者Hippolyte Victor Collet Descotilsは、エリスロンに新しい元素ではなくクロムの不純物であると示唆することで、彼の主張を撤回させることができました。そして、メキシコの土壌で発見されたこの忘れられた要素について何かが知られるまでには、20年以上かかりました。

名前の出現

1830年にスイスの化学者ニルスガブリエルセフストロムは、鉄鉱物にバナジウムと呼ばれる別の新しい元素を発見しました。この金属の化合物の鮮やかな色とその美しさを比較して、北欧の女神バナディスに由来する名前。

同じ年、ドイツの地質学者ジョージウィリアムフェザーストンハウは、バナジウムとエリスロンは実際には同じ元素であると指摘しました。そして川の名前を「リオニオ」と呼んで勝ちたいと思ったが、彼の提案は受け入れられなかった。

隔離

バナジウムを分離するには、ミネラルから減らす必要があり、スカンジウムやチタンと同様に、酸素に対する粘り強い親和性のため、この作業は容易ではありませんでした。まず、比較的簡単に還元できる種に変換する必要がありました。その過程で、ベルゼリウスは1831年に窒化バナジウムを入手しましたが、これをネイティブメタルと間違えました。

1867年、イギリスの化学者ヘンリーエンフィールドロスコーは、水素ガスを使用して塩化バナジウム（II）VCl ₂を金属バナジウムに還元しました。しかし、それが生産した金属は不純でした。

最後に、バナジウムの技術の歴史の始まりを示す、高純度のサンプルは、V ₂ O ₅を金属カルシウムで還元することによって得られました。その最初の顕著な用途の1つは、フォードモデルT車のシャーシを作ることでした。

プロパティ

外見

純粋な形で、それは青みがかった倍音、柔らかくて延性がある灰色がかった金属です。ただし、酸化物の層（特にライターの製品）で覆われると、まるでクリスタルカメレオンのように印象的な色になります。

モル質量

50.9415 g / mol

融点

1910°C

沸点

3407°C

密度

-6.0 g / mL、室温

-5.5 g / mL、融点で、それはほとんど溶けません。

融合熱

21.5 kJ / mol

気化熱

444 kJ / mol

モル熱容量

24.89 J /（mol K）

蒸気圧

2101 Kで1 Pa（高温でもほとんど無視できます）。

電気陰性

ポーリングスケールで1.63。

イオン化エネルギー

最初：650.9 kJ / mol（V ⁺ガス）

第二：1414 kJ / mol（V ²⁺ガス状）

第三：2830 kJ / mol（V ³⁺ガス状）

モース硬度

6.7

分解

加熱すると、V ₂ O _5の有毒ガスを放出する可能性があります。

ソリューションの色

左から、バナジウムが異なる酸化状態のソリューション：+ 5、+ 4、+ 3、+ 2。出典：W. Oelen、Wikipedia経由。

バナジウムの主な注目すべき特徴の1つは、その化合物の色です。それらのいくつかが酸性媒体に溶解すると、溶液（ほとんどが水性）は、ある数値または酸化状態を別の数値から区別できる色を示します。

たとえば、上の画像は、異なる酸化状態のバナジウムを含む4つの試験管を示しています。黄色で左に一つ、Vに相当⁵⁺具体VOとして、₂ ⁺カチオン。次に、青の色のV ^4+を持つカチオンVO ²⁺が続きます。カチオンV ³⁺、濃い緑色。そして、V ²⁺、紫または藤色。

溶液がV ⁴⁺とV ^5+の化合物の混合物で構成される場合、明るい緑色が得られます（黄色と青色の積）。

反応性

バナジウムのV ₂ O ₅層は、硫酸や塩酸などの強酸、強塩基との反応から、さらに酸化による腐食から保護します。

660°C以上で加熱すると、バナジウムは完全に酸化し、虹色の光沢を持つ黄色の固体のように見えます（表面の角度によって異なります）。この黄オレンジ色の酸化物は、硝酸を加えると溶解し、バナジウムが銀色に戻ります。

同位体

宇宙のほとんどすべてのバナジウム原子（それらの99.75％）は約⁵¹ Vの同位体ですが、非常に小さい部分（0.25％）は⁵⁰ Vの同位体に相当します。したがって、バナジウムの原子量は50.9415 u（50よりも51に近い）です。

その他の同位体は放射性および合成であり、半減期（t _1/2）は330日（⁴⁹ V）、16日（⁴⁸ V）、数時間、または10秒の範囲です。

構造と電子構成

バナジウム原子Vは、金属結合の産物である体心立方（bcc）結晶構造に配置されます。電子構成によれば、構造のうち、これは最も密度が低く、5つの価電子が「電子の海」に参加しています。

3d ³ 4s ²

したがって、3d軌道の3つの電子と4s軌道の2つの電子は、結晶のすべてのV原子の価電子軌道の重なりによって形成されたバンドを通過するために結合します。明らかに、バンド理論に基づいた説明。

V原子は周期表の左側の金属（スカンジウムおよびチタン）よりも少し小さいため、それらの電子特性を考えると、それらの金属結合はより強くなります。その最も高い融点に反映されているため、より凝集性の高い原子を使用しているという事実。

計算研究によると、バナジウムのbcc構造は60 GPaの巨大な圧力下でも安定しています。この圧力を超えると、その結晶は菱面体晶相に遷移し、434 GPaまで安定します。bcc構造が再び表示されるとき。

酸化数

バナジウムのみの電子配置は、その原子が最大5つの電子を失う可能性があることを示しています。そうすると、希ガスのアルゴンが等電子になり、V ⁵⁺カチオンの存在が想定されます。

同様に、電子の損失は（結合している種に応じて）段階的になり、+ 1から+5まで変化する正の酸化数を持ちます。したがって、その化合物では、それぞれのカチオンV ⁺、V ²⁺などの存在が想定されます。

バナジウムはまた、電子を獲得し、金属アニオンに変換することができます。その負の酸化数は、次のとおり-1（V ^- ）及び-3（V ^3-）。V ^3-の電子配置は次のとおりです。

3d ⁶ 4s ²

3 d軌道の充填を完了するには4つの電子がありませんが、V ^3-は理論的には（その電子を与えるために）非常に陽性の種を必要とするV ^7-よりもエネルギー的に安定しています。

用途

-金属

チタン鋼合金

バナジウムは、機械的、熱的、振動的な耐性と、それが添加される合金に硬度を提供します。たとえば、フェロバナジウム（鉄とバナジウムの合金）、または炭化バナジウムとして、鋼またはチタン合金の他の金属と一緒に追加されます。

このようにして、非常に硬くて軽い材料が作成され、工具（ドリルとレンチ）、ギア、自動車または航空機の部品、タービン、自転車、ジェットエンジン、ナイフ、歯科用インプラントなどとして使用するのに役立ちます。

また、ガリウム（V ₃ Ga）との合金は超伝導であり、磁石の製造に使用されています。また、反応性が低いため、腐食性の化学試薬が流れるパイプにバナジウム合金が使用されています。

バナジウムレド​​ックス電池

バナジウムは、レドックスバッテリー、VRB（英語での頭字語：バナジウムレド​​ックスバッテリー）の一部です。これらは、太陽エネルギーと風力エネルギー、ならびに電気自動車のバッテリーからの発電を促進するために使用できます。

-コンポジット

顔料

V ₂ O ₅はガラスやセラミックに黄金色を与えるために使用されます。一方、一部のミネラルに含まれていると、エメラルドのように（他の金属のおかげで）緑がかった色になります。

触媒

V ₂ O ₅は、硫酸と無水マレイン酸の合成に使用される触媒でもあります。他の金属酸化物と混合すると、プロパンとプロピレンをそれぞれアクロレインとアクリル酸に酸化するなど、他の有機反応を触媒します。

薬用

バナジウム錯体からなる薬物は、糖尿病および癌の治療のための可能性があり、潜在的な候補であると考えられてきた。

生物学的役割

皮肉なことに、そのカラフルで有毒な化合物であるバナジウムは、微量のイオン（VO ⁺、VO ₂ ⁺、およびVO ₄ ^3-）が生物にとって有益で不可欠です。特に海洋生息地のそれら。

その理由は、その酸化状態、生物学的環境で調整（または相互作用）するリガンドの数、バナジウム酸とリン酸アニオンの類似性（VO ₄ ^3-とPO ₄ ^3-）、およびその他の研究された要因に集中していますバイオ無機化学物質による。

バナジウム原子は、4つ（配位四面体）、5つ（正方形のピラミッドまたはその他の形状）、または6つの酵素またはタンパク質に属する原子と相互作用できます。これが起こったときに体に好ましい反応が引き起こされると、バナジウムは薬理活性を発揮すると言われています。

たとえば、ハロペルオキシダーゼ（バナジウムを補因子として使用できる酵素）があります。この金属と相互作用することができるバナビン（門脈動物のバナドサイト細胞内）、ホスホリラーゼ、ニトロゲナーゼ、トランスフェリン、および（哺乳動物の）血清アルブミンもあります。

アマニジンと呼ばれる有機分子またはバナジウム配位錯体は、Amanita muscaria（下の画像）などの特定の菌類の体内に存在します。

ベニテングダケキノコ。出典：Pixabay。

そして最後に、一部の錯体では、ヘモグロビン中の鉄の場合のように、バナジウムがヘムグループに含まれる場合があります。

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