Биологија на ванадиум
Ванадиум е претставен во неколку чекори. Како прво, оксидот на ванадиум (V) мора да се добие од разни почетни материјали. Ова потоа може да се сведе на елементарен метал и да се исчисти доколку е потребно.
Можни почетни материјали од кои може да се извлече ванадиум се руди од ванадиум, како што се карнотит или патронит, руди титаниум-магнетит што содржат ванадиум и нафта. Рудите од ванадиум беа важни за производство во минатото, но веќе не играат важна улога и главно се заменети со руди титаниум-магнетит.
Доколку рудните руди што содржат ванадиум се претвораат во железо во процесот на високата печка, ванадиумот првично останува во свинското железо. Со цел да се преработи свинското железо понатаму во челик, кислородот се дува во текот на процесот на рафинирање. Ванадиумот оди во згура. Ова содржи до 25% оксид на ванадиум (V) и е најважниот извор за екстракција на металот. За да се добие чист оксид од ванадиум (V), ситно мелената згура се пече на оксидирачки начин со натриумови соли како што се натриум хлорид или натриум карбонат. Во тој процес се формира растворлив во вода натриум метаванадат, кој е одвоен од преостанатата згура со лужење. Како резултат на нерастворлив амониум поливанадат се таложи од растворот со додавање на киселини и амониум соли. Ова може да се претвори во оксид на ванадиум (V) со печење. Оксидот може да се добие и од други руди што содржат ванадиум на идентичен начин. Ванадиумот може да се извлече од нафта со формирање емулзија со додавање на вода и магнезиум нитрат. Понатамошната обработка се одвива како и со екстракцијата од рудни руди. [13]
Вистинското производство на ванадиум се одвива со намалување на оксидот на ванадиум (V) со други метали. Алуминиум, калциум, феросилициум или јаглерод може да се користат како средства за редукција; со последново, сепак, во реакцијата се формираат карбиди, кои тешко се одделуваат од металот.
Со цел да се добие чист ванадиум, скап калциум или алуминиум се користи како средство за редукција, бидејќи висок степен на чистота не може да се постигне со поевтиниот феросилициум. Со оглед на тоа што чистиот ванадиум се добива директно со калциум, првично се формира легура ванадиум-алуминиум со алуминиум, од кој се добива чист ванадиум со сублимација во вакуум.
Голем дел од ванадиумот, сепак, не е достапен како чист метал, но во форма на легура на железо-ванадиум Феровадиум, што се користи најмалку 50% ванадиум [13]. За да се произведе ова, не е потребно претходно да се извлече чистиот ванадиум. Наместо тоа, згурата од ванадиум и железо се сведува на ферованадиум со феро-силициум и вар. Оваа легура е доволна за повеќето технички апликации.
Најчистиот ванадиум може да се произведува или електрохемиски или според методот Ван-Аркел-де-Бур. За таа цел, чистиот ванадиум се топи заедно со јод во празна стаклена ампула. Јодидот ванадиум (III) формиран во загреаната ампула се распаѓа на врела волфрамска жица за да формира ванадиум и јод со висока чистота.
карактеристики
Физички својства
Ванадиум е немагнетски, тврд, податлив и јасно челично-син тежок метал со густина од 6,11 g/cm 3. [13] Чистиот ванадиум е релативно мек, но кога ќе се додадат други елементи станува потешко, а потоа има висока механичка цврстина. Во повеќето од неговите својства е сличен на неговиот сосед во периодичниот систем, титаниум. Точката на топење на чистиот ванадиум е 1910 ° C, но ова е значително зголемено од нечистотии како јаглерод. Со содржина на јаглерод од 10% е околу 2700 ° С. [17] Ванадиум кристализира како хром или ниобиум во структура на кубни кристали во центарот на телото со вселенска група $ Im \ barm $ и параметар на решетката a = 302,4 попладне, како и две единици на формулата по единица ќелија. [19]
Ванадиум станува суперпроводник под температура на транзиција од 5,13 К. [20] Исто како и чистиот ванадиум, легурите на ванадиум со галиум, ниобиум и циркониум се суперспроводливи. На температури под 5,13 K, ванадиумот, како металите од групата ванадиум, ниобиум и тантал, покажува досега необјаснета, спонтана електрична поларизација во ситни грутки до 200 атоми, што инаку е изложено само од неметални супстанции. [21] [22]
Хемиски својства
Ванадиум е основен метал и е во состојба да реагира со многу неметали. Во воздухот останува сјаен метален со недели. Кога се гледа подолго време, се согледува јасно видлива зелена 'рѓа. Доколку треба да се зачува ванадиум, тој мора да се чува под аргон. Во топлината е нападнат од кислород и оксидиран во оксид на ванадиум (V). Додека јаглеродот и азотот реагираат со ванадиум само кога е блескаво, реакцијата со флуор и хлор се одвива на студ.
Ванадиумот е претежно стабилен на киселини и бази на собна температура поради тенок, пасивирачки оксиден слој; тој е нападнат само од хидрофлуорна киселина и силно оксидирачки киселини како топла азотна киселина, концентрирана сулфурна киселина и аква регија.
Ванадиум е во состојба да апсорбира водород до температура од 500 ° С. Металот станува кршлив и може лесно да се добие прав. Водородот може да се отстрани на 700 ° C во вакуум. [13]
Изотопи
Вкупно 25 изотопи и уште 6 основни изомери се познати за ванадиум. [23] Од нив, две се јавуваат природно. Тоа се изотопите 50 V со природна фреквенција од 0,25% и 51 V со фреквенција од 99,75%. 50 V е слабо радиоактивно, со полуживот од 1,5 · 10 17 години се распаѓа 83% со зафаќање на електрони до 50 Ti, 17% со β - распаѓање до 50 Cr. [23] Двете јадра можат да се користат за истраги со NMR спектроскопија.
Најстабилни вештачки изотопи се 48 V со полуживот од 16 дена и 49 V со полуживот од 330 дена. Овие се користат како трагачи. [17] Сите други изотопи и основни изомери се многу нестабилни и се распаѓаат за неколку минути или секунди.
→ Список на изотопи на ванадиум
употреба
Само мал процент на чист ванадиум се користи како материјал за обложување на нуклеарни горива поради неговиот мал пресек на зафаќање на неутрони. [24] Сепак, може да се користат и поотпорни легури на ванадиум. Над 90% од производството се користи во различни легури, претежно со метали железо, титаниум, никел, хром, алуминиум или манган. Само мал дел се користи во соединенија, претежно како оксид на ванадиум (V).
Со произведени 85% од ванадиумот, убедливо најголемиот дел се троши во челичната индустрија. Бидејќи ова не бара висока чистота, ферованадиумот се користи како суровина. Дури и во мали количини, ванадиумот ја зголемува цврстината и цврстината на челиците, а со тоа и значителната отпорност на абење. Ова е предизвикано од формирање на тврд ванадиум карбид. Во зависност од апликацијата, се додаваат различни количини на ванадиум. Структурните челици и челици за алати содржат само мали количини (0,2-0,5%) ванадиум, додека челичниот брз содржи до 5%. [15] Челици што содржат ванадиум главно се користат за алати и извори кои се подложени на механички стрес. Челици што содржат кобалт покрај железо и ванадиум се магнетни.
Легурите на титаниум, кои содржат ванадиум и претежно алуминиум, се особено стабилни и отпорни на топлина и се користат во конструкција на авиони за носечки делови и турбински лопатки на авионски мотори. [13]
Ванадиум се користи како главен електролит во еден вид т.н. ќелии на проток на редокс; пример за таква апликација е акумулаторот на редокс на ванадиум.
доказ
Прелиминарниот тест е обезбеден од фосфорната мушка, во која ванадиумот се појавува карактеристично зелено во пламенот за редукција. Пламенот на оксидација е бледо жолт и затоа е премногу неспецифичен. [25]
Квалитативни докази за ванадиум се засноваат на формирање на јони на пероксованадиум. За да го направите ова, кисел раствор што содржи ванадиум во состојба на оксидација +5 се меша со малку водород пероксид. Се формира црвено-кафеав [V (O2)] 3+ катјонски. Ова реагира со поголеми количини на водород пероксид и формира бледо жолта пероксованадична киселина H3 [VO2 (O2) 2]. [25]
Ванадиумот може квантитативно да се определи со титрација. За таа цел, раствор на сулфурна киселина што содржи ванадиум се оксидира со калиум перманганат во петовалентен ванадиум и потоа се титрира со раствор на железо (II) сулфат и дифениламин како индикатор. Исто така е можно намалување на петвалентниот ванадиум присутен со железо (II) сулфат во состојба на тетравалентна оксидација и последователна потенциометриска титрација со раствор на калиум перманганат. [13]
Во современата анализа, ванадиумот може да се открие со употреба на неколку методи. Тоа се, на пример, атомска апсорпциона спектрометрија на 318,5 nm и спектрофотометрија со N-бензоил-N-фенилхидроксиламин како реагенс во боја на 546 nm. [15]
Биолошка важност
Соединенијата на ванадиум имаат различни биолошки значења. Карактеристично за ванадиумот е што се јавува и анјонски како ванадат и катјонски како VO2 +, VO 2+ или V 3+. Ванадатите се многу слични на фосфатите и соодветно на тоа имаат слични ефекти. Бидејќи ванадатот посилно се врзува за соодветни ензими отколку фосфатот, тој е во состојба да ги блокира и на тој начин да ги контролира ензимите на фосфорилацијата. Ова се однесува, на пример, на натриум-калиум-АТПаза, која го контролира транспортот на натриум и калиум во клетките. Оваа блокада може брзо да се отстрани со десфериоксамин Б, кој формира стабилен комплекс со ванадат. [14] Ванадиумот, исто така, влијае на внесувањето на гликоза. Тој е способен да стимулира гликолиза во црниот дроб и да го инхибира конкурентскиот процес на глуконеогенезата. Ова доведува до намалување на нивото на гликоза во крвта. [15] Затоа се испитува дали соединенијата од ванадиум се соодветни за третман на дијабетес мелитус тип 2. Сепак, сè уште не се пронајдени јасни резултати. [26] Покрај тоа, ванадиумот исто така ја стимулира оксидацијата на фосфолипидите и ја потиснува синтезата на холестерол со инхибиција на сквален синтазата, микрозомален ензимски систем во црниот дроб. Следствено, недостаток предизвикува зголемено ниво на холестерол и триглицериди во крвната плазма. [27]
Ванадиумот игра улога во фотосинтезата кај растенијата. Тој е способен да ја катализира реакцијата и да формира 5-аминолевулинска киселина без ензим. Ова е важен претходник на формирање на хлорофил. [14]
Во некои организми има ензими кои содржат ванадиум, некои видови бактерии имаат азотниази кои содржат ванадиум за фиксација на азот. Овие се, на пример, видови од родот Азотобактер како и цијанобактерија Anabaena variabilis. [14] Сепак, овие нитрогенази не се толку ефикасни како што се почестите молибден нитрогенази и затоа се активираат само кога има недостаток на молибден. [28] Други ензими кои содржат ванадиум може да се најдат во кафеави алги и лишаи. Овие имаат халопероксидази кои содржат ванадиум со кои создаваат органохлор, бром или јод-органски соединенија.
Функцијата на ванадиум, која е присутна во големи количини во морски шприцови како металопротеин ванабин, сè уште не е позната. Првично се претпоставуваше дека ванадиум, сличен на хемоглобинот, служи како транспортер на кислород; сепак, се покажа дека ова е погрешно. [28]
Опасности
Како и другите метални прашини, ванадиумската прашина е запалива. Ванадиумот и неговите неоргански соединенија се покажаа канцерогени во експерименти врз животни. Затоа се класифицирани во канцерогена категорија 2. [29] Ако работниците во топење метали подолго време ја вдишуваат прашина од ванадиум, може да се појави таканаречен ванадизам. Оваа препознаена професионална болест може да се манифестира во иритација на мукозните мембрани, зелено-црна промена на бојата на јазикот, како и хронични заболувања на бронхиите, белите дробови и цревата. [15]
врски
Ванадиумот може да биде присутен во соединенија во различни состојби на оксидација. Честопати нивоата се +5, +4, +3 и +2, поретко се +1, 0, −1 и −3. Најважните и најстабилните состојби на оксидација се +5 и +4.
Воден раствор
Ванадиумот лесно може да се претвори во различни состојби на оксидација во воден раствор. Бидејќи различните јони на ванадиум имаат карактеристични бои, се случуваат промени во бојата.
Во кисел раствор, петвалентниот ванадиум формира безбојни јони VO2 +, кои првично се сведуваат на сини тетравалентни јони VO 2+. Тривалентното ниво со јони V 3+ е со зелена боја, најниско ниво што може да се постигне во воден раствор, двовалентниот јон 2+ е сиво-виолетова.
Кислородни соединенија
Најважното и најстабилно соединение од ванадиум-кислород е оксидот на ванадиум (V) V2O5. Ова соединение во портокалова боја се користи во големи количини како катализатор за производство на сулфурна киселина. Таму делува како носител на кислород и за време на реакцијата се сведува на друг оксид на ванадиум, оксид на ванадиум (IV) VO2. Понатаму познати оксиди на ванадиум се ванадиум (III) оксид V2O3 и ванадиум (II) оксид VO.
Во алкален раствор, оксидот од ванадиум (V) формира ванадати, соли со анјон VO4 3−. За разлика од аналогните фосфати, ваданат јон е најстабилната форма; Водород и дихидроген ванадати, како и слободна ванадиум киселина се нестабилни и се познати само во разредени водени раствори. Ако основните раствори на ванадат се закиселат, наместо водород ванадати, се формираат поливанадати, во кои се акумулираат до десет ванадат единици. Ванадатите може да се најдат во разни минерали, примери се ванадинит, деклоицит и карнотит.
Соединенија на халогени
Ванадиумот формира мноштво соединенија со халогените флуор, хлор, бром и јод. Познато е дека само едно соединение, ванадиум (V) флуорид, е во состојба на оксидација +5. Во состојбите на оксидација +4, +3 и +2 има соединенија со сите халогени, само со јод се познати само соединенија во состојбите +2 и +3. Меѓутоа, од овие халиди, технички се релевантни само хлоридите ванадиум (IV) хлорид и ванадиум (III) хлорид. Меѓу другото, тие служат како катализатор за производство на гума етилен-пропилен-диен. [13]
Хлориди на ванадиум оксид
Ванадиумот формира и мешани соли со кислород и хлор, т.н. Хлориди на ванадиум оксид. Оксихлорид од ванадиум (III), VOCl, е жолто-кафеав, растворлив во вода во прав. Оксихлорид ванадиум (IV), VOCl2, што се користи во фотографијата и како текстилна дамка се состои од зелени, хигроскопски кристални таблети кои се раствораат во вода со сина боја. Конечно, ванадиум (V) оксихлорид, VOCl3, е жолта течност која многу лесно се хидролизира од вода. VOCl3 се користи како компонента на катализатор при полимеризација на етилен со низок притисок. [30]
Повеќе соединенија на ванадиум
Во органските соединенија на ванадиум, ванадиумот достигнува најниски состојби на оксидација 0, −I и −III. Тука се особено важни металоцените, т.н. ванадоцени. Овие се користат како катализатори за полимеризација на алкините. [31]
Ванадиум карбид VC се користи во форма на прав, за прскање во плазма или заварување на таложење на плазма, меѓу другото. [32] Понатаму, ванадиум карбидот се додава на тврдите метали со цел да се намали растот на житото. [13] Создадени се таканаречените кермети, кои се особено цврсти и отпорни на абење.