Vanádio: história, propriedades, estrutura, usos

O vanádio é o terceiro metal de transição na tabela periódica, representada pelo símbolo químico V. Não é tão popular como outros metais, mas que entendem aços e titânios ser ouvido menção como um aditivo para o fortalecimento em ligas ou ferramentas. Fisicamente, é sinônimo de dureza e quimicamente, de cores.

Alguns químicos se atrevem a descrevê-lo como um metal camaleão, capaz de adotar uma ampla gama de cores em seus compostos; propriedade eletrônica que se assemelha à dos metais manganês e cromo. Em seu estado nativo e puro, tem a mesma aparência de outros metais: prata, mas com tons azulados. Uma vez oxidado, parece como mostrado abaixo.

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Peças metálicas de vanádio com finas camadas iridescentes de óxido amarelo. Fonte: Jurii [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

Nesta imagem, a iridescência do óxido dificilmente se distingue, o que depende dos acabamentos ou da superfície dos cristais metálicos. Essa camada de óxido a protege de mais oxidação e, portanto, de corrosão.

Essa resistência à corrosão, bem como fraturas térmicas, fornece ligas quando átomos de V são adicionados a elas. Tudo isso, sem aumentar muito o seu peso, já que o vanádio não é um metal pesado, mas leve; ao contrário do que muitos podem pensar.

Seu nome deriva da deusa nórdica Vanadís, da Escandinávia; no entanto, foi descoberto no México, como parte do mineral vanadinito, Pb 5 [VO 4 ] 3 Cl, de cristais avermelhados. O problema era que, para obtê-lo desse mineral e de muitos outros, o vanádio teve que ser transformado em um composto que era mais fácil de reduzir do que seu óxido, V 2 O 5 (que é reduzido com cálcio).

Outras fontes de vanádio repousam em seres marinhos ou em petróleo bruto, “aprisionados” nas petroporfirinas.

Em solução, as cores que seus compostos podem ter, dependendo do estado de oxidação, são amarelo, azul, verde escuro ou violeta. O vanádio não se destaca apenas por esses números ou estados de oxidação (de -1 a +5), mas por sua capacidade de coordenar de maneiras diferentes com os ambientes biológicos.

A química do vanádio é abundante, misteriosa e, em comparação com outros metais, ainda há muita luz que deve ser derramada sobre ele para que você possa entender de perto.

História

Descoberta

O México tem a honra de ser o país onde esse elemento foi descoberto. O mineralogista Andrés Manuel del Río, em 1801, analisando um mineral avermelhado que ele chamou de chumbo marrom (vanadinito, Pb 5 [VO 4 ] 3 Cl), extraiu alguns óxidos metálicos cujas características não correspondiam às de nenhum elemento conhecido até então. .

Assim, ele primeiro batizou esse elemento com o nome de ‘Pancromo’ pela rica variedade de cores de seus compostos; Mais tarde, ele o renomeou como ‘Eritrono’, da palavra grega eritronio, que significa vermelho.

Quatro anos depois, o químico francês Hippolyte Victor Collet Descotils, conseguiu fazer Del Rio retratar suas alegações, sugerindo que o eritron não era um elemento novo, mas as impurezas do cromo. E levou mais de vinte anos para que parte desse elemento esquecido descoberto em solo mexicano fosse novamente conhecido.

Nome em ascensão

Em 1830, o químico suíço Nils Gabriel Sefström descobriu outro novo elemento nos minérios de ferro, que ele chamou de vanádio; nome derivado da deusa nórdica Vanadís, comparado à sua beleza com as cores brilhantes dos compostos deste metal.

Nesse mesmo ano, o geólogo alemão George William Featherstonhaugh, apontou que vanádio e eritron eram realmente o mesmo elemento; e embora ele quisesse que o nome do rio prevalecesse chamando-o de ‘Rionio’, sua proposta não foi aceita.

Isolamento

Para isolar o vanádio, foi necessário reduzi-lo de seus minerais e, como o escândio e o titânio, essa tarefa não foi fácil devido à sua tenacidade afinidade pelo oxigênio. Ele teve que ser transformado primeiro em espécies que foram reduzidas com relativa facilidade; No processo, Berzelius obteve nitreto de vanádio em 1831, que confundiu com o metal nativo.

Em 1867, o químico britânico Henry Enfield Roscoe, conseguida redução de cloreto de vanádio (II), VCl 2 , um metal de vanádio usando gás de hidrogénio. No entanto, o metal produzido era impuro.

Finalmente, marcando o início da história tecnológica do vanádio, uma amostra de grande pureza foi obtida pela redução do V 2 O 5 com cálcio metálico. Um de seus primeiros usos destacados era para fabricar o chassi do carro Ford Modelo T.

Propriedades

Aparência física

Na sua forma pura, é um metal acinzentado com tons azulados, macio e dúctil. No entanto, quando revestido com uma camada de óxido (especialmente o produto de um isqueiro), torna-se colorido como se fosse um camaleão de cristal.

Massa molar

50,9415 g / mol

Ponto de fusão

1910 ° C

Ponto de ebulição

3407 ° C

Densidade

-6,0 g / mL, em temperatura ambiente

-5,5 g / mL, no ponto de fusão, ou seja, mal derrete.

Calor de fusão

21,5 kJ / mol

Calor de vaporização

444 kJ / mol

Capacidade de calor molar

24,89 J / (mol · K)

Pressão de vapor

1 Pa a 2101 K (praticamente insignificante mesmo em altas temperaturas).

Eletronegatividade

1,63 na escala de Pauling.

Energias de ionização

Primeiro: 650,9 kJ / mol (V + gás)

Segundo: 1414 kJ / mol ( gás V2 + )

Terceiro: 2830 kJ / mol ( gás V3 + )

Dureza de Mohs

6,7

Decomposição

Quando aquecido, pode liberar vapores tóxicos de V 2 O 5 .

Cores das soluções

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Da esquerda para a direita, soluções com vanádio em diferentes estados de oxidação: +5, +4, +3 e +2. Fonte: W. Oelen via Wikipedia.

Uma das principais e notórias características do vanádio são as cores de seus compostos. Quando alguns deles são dissolvidos em meio ácido, as soluções (principalmente aquosas) exibem cores que permitem distinguir um número ou estado de oxidação de outro.

Por exemplo, quatro tubos de ensaio com vanádio em diferentes estados de oxidação são mostrados na imagem acima. O da esquerda, amarelo, corresponde a V 5+ , especificamente como cátion VO 2 + . Então, o cátion VO 2+ , com V 4+ , é seguido em azul; cátion V3 + , verde escuro; e V2 + , violeta ou malva.

Quando uma solução consiste em uma mistura de compostos de V 4+ e V 5+ , é obtida uma cor verde brilhante (produto amarelo com azul).

Reatividade

A camada de V 2 O 5 no vanádio protege-o de reagir com ácidos fortes, como ácidos sulfúrico ou clorídrico, bases fortes e além da corrosão causada por oxidações mais altas.

Quando aquecido acima de 660 ° C, o vanádio oxida completamente, parecendo um sólido amarelo com brilhos iridescentes (dependendo dos ângulos de sua superfície). Este óxido amarelo alaranjado pode dissolver-se se for adicionado ácido nítrico, o que retornaria sua cor prata ao vanádio.

Isótopos

Quase todos os átomos de vanádio no Universo (99,75% deles) são tratados com o isótopo de 51 V, enquanto uma porção muito pequena (0,25%) corresponde ao isótopo de 50 V. Não é de surpreender que o O peso atômico do vanádio é de 50,9415 u (mais próximo de 51 do que 50).

Os outros isótopos são radioativos e sintéticos, com tempos de meia-vida (t 1/2 ) variando de 330 dias ( 49 V), 16 dias ( 48 V), algumas horas ou 10 segundos.

Estrutura e configuração eletrônicas

Os átomos de vanádio, V, são dispostos em uma estrutura cristalina cúbica centralizada no corpo (cco, por sua sigla em inglês: cúbico centrado no corpo), produto de sua ligação metálica. Das estruturas, essa é a menos densa, participando no “mar de elétrons” seus cinco elétrons de valência, de acordo com a configuração eletrônica:

[Ar] 3d 3 4s 2

Assim, os três elétrons do orbital 3d e os dois do orbital 4s se reúnem para transitar uma banda formada pela sobreposição dos orbitais de valência de todos os átomos em V do cristal; Claramente, explicação baseada na teoria da banda.

Como os átomos em V são ligeiramente menores que os metais à esquerda (escândio e titânio) na tabela periódica e, dadas as suas características eletrônicas, sua ligação metálica é mais forte; Esse fato se reflete em seu ponto de fusão mais alto e, portanto, com seus átomos mais coesos.

De acordo com estudos computacionais, a estrutura de vanádio bcc é estável mesmo sob pressões enormes de 60 GPa. Uma vez excedida essa pressão, seu cristal passa por uma transição para a fase romboédrica, que permanece estável até 434 GPa; quando a estrutura cco reaparecer novamente.

Números de oxidação

A configuração eletrônica do vanádio indica por si só que seu átomo é capaz de perder até cinco elétrons. Quando isso ocorre, o gás nobre do argônio se torna isoeletrônico e a existência do cátion V5 + é assumida .

Além disso, a perda de elétrons pode ser gradual (dependendo de qual espécie está ligada), com números de oxidação positivos que variam de +1 a +5; portanto, seus compostos assumem a existência dos respectivos cátions V + , V 2+ e assim por diante.

O vanádio também pode ganhar elétrons, transformando-se em um ânion metálico. Seus números de oxidação negativos são: -1 (V ) e -3 (V 3- ). A configuração eletrônica do V 3- é:

[Ar] 3d 6 4s 2

Embora falte quatro elétrons para completar o preenchimento dos orbitais 3d, o V3 é mais energeticamente estável que o V7 , o que, em teoria, precisaria de espécies extremamente eletropositivas (que lhe dão seus elétrons).

Usos

-Metal

Ligas de aço e titânio

O vanádio fornece resistência mecânica, térmica e vibracional, além de dureza às ligas às quais é adicionado. Por exemplo, como ferrovanádio (liga de ferro e vanádio) ou carboneto de vanádio, é adicionado juntamente com outros metais no aço ou em ligas de titânio.

Dessa forma, são criados materiais muito duros e leves, úteis para uso como ferramentas (brocas e chaves), engrenagens, partes de carros ou aeronaves, turbinas, bicicletas, motores a jato, facas, implantes dentários, etc.

Além disso, suas ligas com gálio (V 3 Ga) são supercondutoras e são utilizadas na fabricação de ímãs. E também, devido à sua baixa reatividade, as ligas de vanádio são usadas para tubos onde os reagentes químicos corrosivos correm.

Baterias redox vanádio

O vanádio faz parte das baterias redox, VRB (Vanadium Redox Batteries). Eles podem ser usados ​​para promover a geração de eletricidade a partir da energia solar e eólica, além de baterias em veículos elétricos.

-Composites

Pigmento

O V 2 O 5 é usado para dar cor de ouro ao vidro e à cerâmica. Por outro lado, sua presença em alguns minerais os torna esverdeados, como é o caso das esmeraldas (e também graças a outros metais).

Catalisador

O V 2 O 5 também é um catalisador usado para a síntese de ácido sulfúrico e anidrido maleico. Misturado com outros óxidos metálicos, catalisa outras reações orgânicas, como a oxidação de propano e propileno em acroleína e ácido acrílico, respectivamente.

Medicinal

Drogas que consistem em complexos de vanádio foram consideradas possíveis e potenciais candidatos ao tratamento de diabetes e câncer.

Papel biológico

Parece irônico que o vanádio, sendo seus compostos coloridos e tóxicos, seus íons (VO + , VO 2 + e VO 4 3- , principalmente) nos traços sejam benéficos e essenciais para os seres vivos; especialmente os de habitats marinhos.

As razões estão centradas em seus estados de oxidação, com quantos ligantes do ambiente biológico ele coordena (ou interage), na analogia entre o ânion vanadato e o fosfato (VO 4 3- e PO 4 3- ) e em outros fatores estudados por produtos químicos bioinorgânicos.

Os átomos de vanádio podem então interagir com os átomos pertencentes a enzimas ou proteínas, com quatro (coordenação tetraedro), cinco (pirâmide quadrada ou outras geometrias) ou seis. Se isso acontecer, uma reação favorável ao organismo é desencadeada, diz-se que o vanádio exerce atividade farmacológica.

Por exemplo, existem haloperoxidases: enzimas que podem usar vanádio como cofator. Existem também vanabinas (nas células de vanadócitos dos tunicados), fosforilase, nitrogênio, transferinas e albumina sérica (de mamíferos), capazes de interagir com esse metal.

Uma molécula orgânica ou complexo de coordenação de vanádio chamado amavadin, está presente no corpo de certos fungos, como o Amanita muscaria (imagem inferior).

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Cogumelo Amanita muscaria. Fonte: Pixabay

E finalmente, em alguns complexos, o vanádio pode estar contido em um grupo heme, como é o caso do ferro na hemoglobina.

Referências

  1. Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgânica . (Quarta edição). Mc Graw Hill
  2. Wikipedia (2019). Vanádio Recuperado de: en.wikipedia.org
  3. Ashok K. Verma e P. Modak. (sf). Instabilidade de fônons e transições de fase estrutural em vanádio sob alta pressão. Divisão de Física de Alta Pressão, Centro de Pesquisa Atômica Bhabha, Trombay, Mumbai-400085, Índia.
  4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3 de julho de 2019). Fatos sobre vanádio (V ou número atômico 23). Recuperado de: thoughtco.com
  5. Richard Mills (24 de outubro de 2017). Vanádio: O metal que não podemos prescindir e não produzimos. Glacier Media Group. Recuperado de: mining.com
  6. Centro Nacional de Informação Biotecnológica. (2019). Vanádio Banco de Dados PubChem. CID = 23990. Recuperado de: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
  7. Clark Jim (2015). Vanádio Recuperado de: chemguide.co.uk
  8. Pierce Sarah. (2019). O que é Vanádio? Usos, fatos e isótopos. Estudo Recuperado de: study.com
  9. Crans & col. (2004). A química e bioquímica do vanádio e as atividades biológicas exercidas pelos compostos de vanádio. Departamento de Química, Universidade Estadual do Colorado, Fort Collins, Colorado 80523-1872.

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