Vanádio

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Vanádio,  23 V
Vanadium etched.jpg
Vanádio
Pronúncia/ V ə n de d i ə m / ( və- NAY -dee-əm )
Aparênciametal azul-prata-cinza
Peso atômico padrão A r, std (V) 50,9415 (1) [1]
Vanádio na tabela periódica
Hidrogênio Hélio
Lítio Berílio Boro Carbono Azoto Oxigênio Flúor Néon
Sódio Magnésio Alumínio Silício Fósforo Enxofre Cloro Argônio
Potássio Cálcio Escândio Titânio Vanádio Cromo Manganês Ferro Cobalto Níquel Cobre Zinco Gálio Germânio Arsênico Selênio Bromo Krypton
Rubídio Estrôncio Ítrio Zircônio Nióbio Molibdênio Tecnécio Rutênio Ródio Paládio Prata Cádmio Índio Lata Antimônio Telúrio Iodo Xenon
Césio Bário Lantânio Cério Praseodímio Neodímio Promécio Samário Europium Gadolínio Térbio Disprósio Holmium Erbium Túlio Itérbio Lutécio Háfnio Tântalo Tungstênio Rênio Ósmio Iridium Platina Ouro Mercúrio (elemento) Tálio Liderar Bismuto Polônio Astatine Radon
Francium Rádio Actínio Tório Protactínio Urânio Neptúnio Plutônio Americium Curium Berquélio Californium Einsteinium Fermium Mendelévio Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seabórgio Bohrium Hassium Meitnerium Darmstádio Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
-

V

Nb
titâniovanádiocromo
Número atômico ( Z )23
Grupogrupo 5
Períodoperíodo 4
Bloquear  bloco d
Configuração de elétron[ Ar ] 3d 3 4s 2
Elétrons por camada2, 8, 11, 2
Propriedades físicas
Fase em  STPsólido
Ponto de fusão2183  K (1910 ° C, 3470 ° F)
Ponto de ebulição3680 K (3407 ° C, 6165 ° F)
Densidade (próximo à  rt )6,11 g / cm 3
quando líquido (em  mp )5,5 g / cm 3
Calor de fusão21,5  kJ / mol
Calor da vaporização444 kJ / mol
Capacidade de calor molar24,89 J / (mol · K)
Pressão de vapor
P  (Pa) 1 10 100 1 mil 10 k 100 k
em  T  (K) 2101 2289 2523 2814 3187 3679
Propriedades atômicas
Estados de oxidação−3, −1, 0, +1, +2 , +3 , +4 , +5 (um  óxido anfotérico )
Eletro-negatividadeEscala de Pauling: 1,63
Energias de ionização
  • 1o: 650,9 kJ / mol
  • 2º: 1414 kJ / mol
  • 3o: 2830 kJ / mol
  • ( mais )
Raio atômicoempírico: 134  pm
Raio covalente153 ± 20h
Color lines in a spectral range
Linhas espectrais de vanádio
Outras propriedades
Ocorrência naturalprimordial
Estrutura de cristalcúbica de corpo centrado (BCC)
Body-centered cubic crystal structure for vanadium
Velocidade do som haste fina4560 m / s (a 20 ° C)
Expansão térmica8,4 µm / (m⋅K) (a 25 ° C)
Condutividade térmica30,7 W / (m⋅K)
Resistividade elétrica197 nΩ⋅m (a 20 ° C)
Ordenação magnéticaparamagnético
Suscetibilidade magnética molar+255,0 × 10 −6  cm 3 / mol (298 K) [2]
Módulo de Young128 GPa
Módulo de cisalhamento47 GPa
Módulo de massa160 GPa
Coeficiente de Poisson0,37
Dureza de Mohs6,7
Dureza Vickers628-640 MPa
Dureza Brinell600–742 MPa
Número CAS7440-62-2
História
DescobertaNils Gabriel Sefström (1830)
Primeiro isolamentoHenry Enfield Roscoe (1867)
Nomeado porNils Gabriel Sefström (1830)
Isótopos principais de vanádio
Isótopo Abundância Meia-vida ( t 1/2 ) Modo de decaimento produtos
48 V syn 16 d β + 48 Ti
49 V syn 330 d ε 49 Ti
50 V 0,25% 1,5 × 10 17  y ε 50 Ti
β - 50 Cr
51 V 99,75% estábulo
Category Categoria: Vanádio
| referências

O vanádio é um elemento químico com o símbolo V e número atômico 23. É um metal de transição duro, cinza prateado e maleável . O metal elementar raramente é encontrado na natureza, mas uma vez isolado artificialmente, a formação de uma camada de óxido ( passivação ) estabiliza um pouco o metal livre contra oxidação posterior .

Andrés Manuel del Río descobriu compostos de vanádio em 1801 no México , analisando um novo mineral contendo chumbo que ele chamou de "chumbo marrom". Embora ele inicialmente presumisse que suas qualidades eram devidas à presença de um novo elemento, ele foi mais tarde erroneamente convencido pelo químico francês Hippolyte Victor Collet-Descotils de que o elemento era apenas cromo . Então, em 1830, Nils Gabriel Sefström gerou cloretos de vanádio, provando assim que havia um novo elemento, e chamou-o de "vanádio" em homenagem à deusa escandinava da beleza e da fertilidade, Vanadís(Freyja). O nome foi baseado na ampla gama de cores encontradas nos compostos de vanádio. O mineral de chumbo da Del Rio acabou sendo denominado vanadinita por seu conteúdo de vanádio. Em 1867, Henry Enfield Roscoe obteve o elemento puro.

O vanádio ocorre naturalmente em cerca de 65 minerais e em depósitos de combustível fóssil . É produzido na China e na Rússia a partir de escória de fundição de aço . Outros países a produzem diretamente da magnetita, poeira de combustão de óleo pesado ou como subproduto da mineração de urânio . É usado principalmente para produzir ligas de aços especiais , como aços para ferramentas de alta velocidade e algumas ligas de alumínio . O mais importante composto industrial de vanádio, o pentóxido de vanádio , é usado como catalisador para a produção de ácido sulfúrico . A bateria redox de vanádio pois o armazenamento de energia pode ser uma aplicação importante no futuro.

Grandes quantidades de íons vanádio são encontradas em alguns organismos, possivelmente como uma toxina . O óxido e alguns outros sais de vanádio têm toxicidade moderada. Particularmente no oceano, o vanádio é usado por algumas formas de vida como um centro ativo de enzimas , como a bromoperoxidase de vanádio de algumas algas oceânicas .

História

O vanádio foi descoberto em 1801 pelo mineralogista espanhol Andrés Manuel del Río . Del Río extraiu o elemento de uma amostra de minério de "chumbo marrom" mexicano, mais tarde denominado vanadinita . Ele descobriu que seus sais exibem uma grande variedade de cores e, como resultado, chamou o elemento de pancromo (grego: παγχρώμιο "todas as cores"). Mais tarde, Del Río renomeou o elemento erythronium (grego: ερυθρός "vermelho") porque a maioria dos sais ficava vermelha com o aquecimento. Em 1805, o químico francês Hippolyte Victor Collet-Descotils , apoiado pelo amigo de del Río, o barão Alexander von Humboldt , declarou incorretamente que o novo elemento de del Río era uma amostra impura de cromo. Del Río aceitou a declaração de Collet-Descotils e se retratou. [3]

Em 1831, o químico sueco Nils Gabriel Sefström redescobriu o elemento em um novo óxido que ele encontrou enquanto trabalhava com minérios de ferro . Mais tarde naquele ano, Friedrich Wöhler confirmou o trabalho anterior de del Río. [4] Sefström escolheu um nome começando com V, que ainda não havia sido atribuído a nenhum elemento. Ele chamou o elemento vanádio após Old Norse Vanadís (outro nome para a deusa nórdica Vanr Freyja , cujos atributos incluem beleza e fertilidade), por causa dos muitos compostos químicos lindamente coloridos que ele produz. [4] Em 1831, o geólogoGeorge William Featherstonhaugh sugeriu que o vanádio fosse rebatizado de " rionium " em homenagem a del Río, mas essa sugestão não foi seguida. [5]

O Modelo T usou aço vanádio em seu chassi .

O isolamento do metal vanádio foi difícil. [ carece de fontes? ] Em 1831, Berzelius relatou a produção do metal, mas Henry Enfield Roscoe mostrou que Berzelius havia produzido o nitreto, nitreto de vanádio (VN). Roscoe acabou produzindo o metal em 1867 por redução do cloreto de vanádio (II) , VCl 2 , com hidrogênio . [6] Em 1927, o vanádio puro foi produzido reduzindo o pentóxido de vanádio com cálcio . [7]

O primeiro uso industrial em grande escala do vanádio foi no chassi de liga de aço do Ford Modelo T , inspirado nos carros de corrida franceses. O aço vanádio permitiu peso reduzido enquanto aumentava a resistência à tração (ca. 1905). [8] Durante a primeira década do século 20, a maior parte do minério de vanádio foi extraída pela American Vanadium Company de Minas Ragra no Peru. Posteriormente, a demanda por urânio aumentou, levando ao aumento da extração dos minérios desse metal. Um dos principais minérios de urânio foi a carnotita , que também contém vanádio. Assim, o vanádio tornou-se um subproduto da produção de urânio. Eventualmente, a mineração de urânio começou a suprir uma grande parte da demanda de vanádio.[9] [10]

Em 1911, o químico alemão Martin Henze descobriu vanádio nas proteínas hemovanadina encontradas nas células sanguíneas (ou células celômicas ) de Ascidiacea (ascídias). [11] [12]

Características

Cubóides de vanádio de alta pureza (99,95%), fusão de ebeam e macro-gravados

O vanádio é um metal dúctil , de dureza média , azul aço. É eletricamente condutor e termicamente isolante . Algumas fontes descrevem o vanádio como "macio", talvez porque seja dúctil, maleável e não quebradiço . [13] [14] O vanádio é mais duro que a maioria dos metais e aços (veja Durezas dos elementos (página de dados) e ferro ). Possui boa resistência à corrosão e é estável contra álcalis e ácidos sulfúrico e clorídrico . [15] É oxidado ao ar em cerca de 933 K (660 ° C, 1220 ° F), embora uma camada de passivação de óxido se forme mesmo à temperatura ambiente.

Isótopos

O vanádio de ocorrência natural é composto por um isótopo estável , 51 V, e um isótopo radioativo, 50 V. O último tem meia-vida de 1,5 × 10 17 anos e abundância natural de 0,25%. 51 V tem um spin nuclear de 72 , o que é útil para espectroscopia de NMR . [16] Vinte e quatro radioisótopos artificiais foram caracterizados, variando em número de massa de 40 a 65. Os mais estáveis ​​desses isótopos são 49 V com meia-vida de 330 dias, e 48V com meia-vida de 16,0 dias. Os demais isótopos radioativos têm meia-vida inferior a uma hora, a maioria abaixo de 10 segundos. Pelo menos quatro isótopos têm estados excitados metaestáveis . [17] A captura de elétrons é o principal modo de decaimento para isótopos mais leves que 51 V. Para os mais pesados, o modo mais comum é o decaimento beta . As reações de captura de elétrons levam à formação dos isótopos do elemento 22 ( titânio ), enquanto o decaimento beta leva aos isótopos do elemento 24 ( cromo ).

Os compostos

Da esquerda: [V (H 2 O) 6 ] 2+ (lilás), [V (H 2 O) 6 ] 3+ (verde), [VO (H 2 O) 5 ] 2+ (azul) e [VO (H 2 O) 5 ] 3+ (amarelo).

A química do vanádio é notável pela acessibilidade dos quatro estados de oxidação adjacentes 2-5. Em solução aquosa , o vanádio forma aquocomplexos metálicos, cujas cores são lilás [V (H 2 O) 6 ] 2+ , verde [V (H 2 O) 6 ] 3+ , azul [VO (H 2 O) 5 ] 2+ , óxidos amarelo-laranja, cuja fórmula depende do pH. Os compostos de vanádio (II) são agentes redutores e os compostos de vanádio (V) são agentes oxidantes. Os compostos de vanádio (IV) geralmente existem como derivados de vanadil , que contêm o VO 2+Centro. [15]

O vanadato de amônio (V) (NH 4 VO 3 ) pode ser reduzido sucessivamente com o zinco elementar para obter as diferentes cores do vanádio nestes quatro estados de oxidação. Estados de oxidação mais baixos ocorrem em compostos como V (CO) 6 , [V (CO)
6
]-
e derivados substituídos. [15]

O pentóxido de vanádio é um catalisador comercialmente importante para a produção de ácido sulfúrico, uma reação que explora a capacidade dos óxidos de vanádio de sofrer reações redox. [15]

A bateria redox de vanádio utiliza todos os quatro estados de oxidação: um eletrodo usa o par + 5 / + 4 e o outro usa o par + 3 / + 2. A conversão desses estados de oxidação é ilustrada pela redução de uma solução fortemente ácida de um composto de vanádio (V) com pó de zinco ou amálgama. A característica inicial de cor amarela do íon pervanadil [VO 2 (H 2 O) 4 ] + é substituída pela cor azul de [VO (H 2 O) 5 ] 2+ , seguida pela cor verde de [V (H 2 O) 6 ] 3+ e então a cor violeta de [V (H 2 O) 6 ] 2+. [15]

Oxiânions

A estrutura decavanadada

Em solução aquosa, vanádio (V) forma uma vasta família de oxianiões como estabelecido por 51 V espectroscopia de RMN . [16] Os inter-relacionamentos nesta família são descritos pelo diagrama de predominância , que mostra pelo menos 11 espécies, dependendo do pH e da concentração. [18] O íon tetraédrico ortovanadato, VO3−
4
, é a principal espécie presente em pH 12–14. Semelhante em tamanho e carga ao fósforo (V), o vanádio (V) também é paralelo em sua química e cristalografia. Ortovanadato V O3−
4
é usado em cristalografia de proteínas [19] para estudar a bioquímica do fosfato. [20] O tetratiovanadato [VS 4 ] 3− é análogo ao íon ortovanadato. [21]

Em valores de pH mais baixos, o monômero [HVO 4 ] 2− e o dímero [V 2 O 7 ] 4− são formados, com o monômero predominante na concentração de vanádio inferior a c. 10 −2 M (pV> 2, onde pV é igual ao valor negativo do logaritmo da concentração total de vanádio / M). A formação do íon divanadato é análoga à formação do íon dicromato . À medida que o pH é reduzido, ocorre mais protonação e condensação em polianadados : em pH 4-6 [H 2 VO 4 ] -é predominante em pV maior que ca. 4, enquanto em concentrações mais altas são formados trímeros e tetrâmeros. Entre pH 2-4 predomina o decavanadato , sua formação a partir do ortovanadato é representada por esta reação de condensação:

10 [VO 4 ] 3− + 24 H + → [V 10 O 28 ] 6− + 12 H 2 O

No decavanadato, cada centro V (V) é cercado por seis ligantes óxidos . [15] O ácido vanádico, H 3 VO 4 existe apenas em concentrações muito baixas porque a protonação da espécie tetraédrica [H 2 VO 4 ] - resulta na formação preferencial da espécie octaédrica [VO 2 (H 2 O) 4 ] + . Em soluções fortemente ácidas, pH <2, [VO 2 (H 2 O) 4 ] + é a espécie predominante, enquanto o óxido V 2 O 5precipita da solução em altas concentrações. O óxido é formalmente o anidrido ácido do ácido vanádico. As estruturas de muitos compostos de vanadato foram determinadas por cristalografia de raios-X.

O diagrama de Pourbaix para vanádio em água, que mostra os potenciais redox entre várias espécies de vanádio em diferentes estados de oxidação. [22]

O vanádio (V) forma vários complexos peroxo, mais notavelmente no sítio ativo das enzimas bromoperoxidase contendo vanádio . A espécie VO (O) 2 (H 2 O) 4 + é estável em soluções ácidas. Em soluções alcalinas, espécies com 2, 3 e 4 grupos peróxidos são conhecidas; o último forma sais violetas com a fórmula M 3 V (O 2 ) 4 nH 2 O (M = Li, Na, etc.), em que o vanádio tem uma estrutura dodecaédrica de 8 coordenadas. [23] [24]

Derivados de halogeneto

Doze halogenetos binários , compostos com a fórmula VX n (n = 2..5), são conhecidos. VI 4 , VCl 5 , VBr 5 e VI 5 não existem ou são extremamente instáveis. Em combinação com outros reagentes, o VCl 4 é usado como um catalisador para a polimerização de dienos . Como todos os haletos binários, os do vanádio são ácidos de Lewis , especialmente os de V (IV) e V (V). Muitos dos haletos formam complexos octaédricos com a fórmula VX n L 6− n (X = haleto; L = outro ligante).

Muitos oxialetos de vanádio (fórmula VO m X n ) são conhecidos. [25] O oxitricloreto e o oxitrifluoreto ( VOCl 3 e VOF 3 ) são os mais amplamente estudados. Semelhante ao POCl 3 , eles são voláteis, adotam estruturas tetraédricas na fase gasosa e são ácidos de Lewis.

Compostos de coordenação

Os complexos de vanádio (II) e (III) são relativamente inertes e redutores. Aqueles de V (IV) e V (V) são oxidantes. O íon vanádio é bastante grande e alguns complexos atingem números de coordenação maiores que 6, como é o caso em [V (CN) 7 ] 4− . O oxovanádio (V) também forma 7 complexos de coordenação coordenada com ligantes tetradentados e peróxidos e esses complexos são usados ​​para bromações oxidativas e oxidações de tioéter. A química de coordenação de V 4+ é dominada pelo centro vanadil , VO 2+ , que liga quatro outros ligantes fortemente e um fracamente (o trans para o centro vanadil). Um exemplo é o acetilacetonato de vanadil (V (O) (O 2 C 5H 7 ) 2 ). Nesse complexo, o vanádio tem coordenada 5, piramidal quadrada, o que significa que um sexto ligante, como a piridina, pode ser anexado, embora a constante de associação desse processo seja pequena. Muitos complexos de vanadil com 5 coordenadas têm uma geometria trigonal bipiramidal, como VOCl 2 (NMe 3 ) 2 . [26] A química de coordenação de V 5+ é dominada pelos complexos de coordenação de dioxovanádio relativamente estáveis ​​que são frequentemente formados pela oxidação aérea dos precursores de vanádio (IV) indicando a estabilidade do estado de oxidação +5 e facilidade de interconversão entre os +4 e +5 estados.

Compostos organometálicos

A química organometálica do vanádio está bem desenvolvida, embora tenha apenas significado acadêmico. [ carece de fontes? ] O dicloreto de vanadoceno é um reagente inicial versátil e tem aplicações em química orgânica. [27] Carbonil de vanádio , V (CO) 6 , é um exemplo raro de carbonil de metal paramagnético . A redução produz V (CO)-
6
( isoeletrônico com Cr (CO) 6 ), que pode ser reduzido ainda mais com sódio na amônia líquida para produzir V (CO)3−
5
(isoeletrônico com Fe (CO) 5 ). [28] [29]

Ocorrência

Universo

A abundância cósmica de vanádio no universo é de 0,0001%, tornando o elemento quase tão comum quanto cobre ou zinco . [30] O vanádio é detectado espectroscopicamente na luz do Sol e às vezes na luz de outras estrelas . [31]

Crosta terrestre

O vanádio é o 20º elemento mais abundante na crosta terrestre; [32] o vanádio metálico é raro por natureza (conhecido como vanádio nativo ), [33] [34] mas os compostos de vanádio ocorrem naturalmente em cerca de 65 minerais diferentes .

No início do século 20 foi descoberta uma grande jazida de minério de vanádio, a mina de vanádio Minas Ragra perto de Junín, Cerro de Pasco , Peru . [35] [36] [37] Por vários anos, este depósito de patrónite (VS 4 ) [38] foi uma fonte economicamente significativa de minério de vanádio. Em 1920, cerca de dois terços da produção mundial eram fornecidos pela mina do Peru. [39] Com a produção de urânio nas décadas de 1910 e 1920 a partir da carnotita ( K 2 (UO 2 ) 2 (VO 4 ) 2· 3H 2 O ) vanádio tornou-se disponível como um subproduto da produção de urânio. Vanadinita ( Pb 5 (VO 4 ) 3 Cl ) e outros minerais contendo vanádio são extraídos apenas em casos excepcionais. Com o aumento da demanda, grande parte da produção mundial de vanádio é agora proveniente de magnetita contendo vanádio encontrada em corpos de gabro ultramáficos . Se essa titanomagnetita for usada para produzir ferro, a maior parte do vanádio vai para a escória e dela é extraída. [40] [41]

O vanádio é extraído principalmente na África do Sul , no noroeste da China e no leste da Rússia . Em 2013, esses três países extraíram mais de 97% das 79.000 toneladas de vanádio produzidas. [42]

O vanádio também está presente na bauxita e em depósitos de petróleo bruto , carvão , xisto betuminoso e areias betuminosas . No petróleo bruto, concentrações de até 1200 ppm foram relatadas. Quando tais derivados de petróleo são queimados, traços de vanádio podem causar corrosão em motores e caldeiras. [43] Estima-se que 110.000 toneladas de vanádio por ano são liberadas na atmosfera pela queima de combustíveis fósseis. [44] Os xistos negros também são uma fonte potencial de vanádio. Durante a Segunda Guerra Mundial, algum vanádio foi extraído de folhelhos de alúmen no sul da Suécia. [45]

Água

O íon vanadyl é abundante na água do mar , tendo uma concentração média de 30 nM (1,5 mg / m 3 ). [30] Algumas nascentes de água mineral também contêm o íon em altas concentrações. Por exemplo, as nascentes perto do Monte Fuji contêm até 54 μg por litro . [30]

Produção

Cristais dendríticos de vanádio sublimados a vácuo (99,9%)
Cristais de vanádio (99,9%) feitos por eletrólise
Vanádio em barra de cristal , apresentando diferentes texturas e oxidação superficial; Cubo puro de 99,95% para comparação

O vanádio metálico é obtido por um processo de várias etapas que começa com a torrefação do minério triturado com NaCl ou Na 2 CO 3 a cerca de 850 ° C para dar metavanadato de sódio (NaVO 3 ). Um extrato aquoso desse sólido é acidificado para produzir "bolo vermelho", um sal de polianadato, que é reduzido com cálcio metálico. Como alternativa para a produção em pequena escala, o pentóxido de vanádio é reduzido com hidrogênio ou magnésio . Muitos outros métodos também são usados, em todos os quais o vanádio é produzido como subproduto de outros processos. [46] A purificação do vanádio é possível peloprocesso de barra de cristal desenvolvido por Anton Eduard van Arkel e Jan Hendrik de Boer em 1925. Envolve a formação do iodeto de metal, neste exemplo iodeto de vanádio (III) , e a decomposição subsequente para produzir metal puro: [47]

2 V + 3 I 2 ⇌ 2 VI 3
Pedaços de ferrovanádio

A maior parte do vanádio é usada como liga de aço chamada ferrovanádio . O ferrovanádio é produzido diretamente pela redução de uma mistura de óxido de vanádio, óxidos de ferro e ferro em um forno elétrico. O vanádio termina em ferro-gusa produzido a partir de magnetita contendo vanádio. Dependendo do minério utilizado, a escória contém até 25% de vanádio. [46]

A China é o maior produtor mundial de vanádio. [48]

Aplicações

Ferramenta feita de aço vanádio

Ligas

Aproximadamente 85% do vanádio produzido é usado como ferrovanádio ou como aditivo de aço . [46] O aumento considerável da resistência do aço contendo pequenas quantidades de vanádio foi descoberto no início do século XX. O vanádio forma nitretos e carbonetos estáveis, resultando em um aumento significativo na resistência do aço. [49] Daquela época em diante, o aço vanádio foi usado para aplicações em eixos , quadros de bicicletas, virabrequins , engrenagens e outros componentes críticos. Existem dois grupos de ligas de aço vanádio. Ligas de aço com alto teor de carbono de vanádio contêm 0,15% a 0,25% de vanádio e aços para ferramentas de alta velocidade(HSS) tem um teor de vanádio de 1% a 5%. Para aços ferramenta de alta velocidade, uma dureza acima de HRC 60 pode ser alcançada. O aço HSS é usado em instrumentos e ferramentas cirúrgicas . [50] As ligas metalúrgicas em pó contêm até 18% de vanádio. O alto teor de carbonetos de vanádio nessas ligas aumenta significativamente a resistência ao desgaste. Uma aplicação para essas ligas são ferramentas e facas. [51]

O vanádio estabiliza a forma beta do titânio e aumenta a resistência e a estabilidade térmica do titânio. Misturado ao alumínio em ligas de titânio , é utilizado em motores a jato , fuselagens de alta velocidade e implantes dentários . A liga mais comum para tubos sem costura é o titânio 3 / 2,5 contendo 2,5% de vanádio, a liga de titânio preferida nas indústrias aeroespacial, de defesa e de bicicletas. [52] Outra liga comum, produzida principalmente em folhas, é o titânio 6AL-4V , uma liga de titânio com 6% de alumínio e 4% de vanádio. [53]

Várias ligas de vanádio apresentam comportamento supercondutor. O primeiro supercondutor de fase A15 foi um composto de vanádio, V 3 Si, que foi descoberto em 1952. [54] A fita de vanádio-gálio é usada em ímãs supercondutores (17,5 teslas ou 175.000 gauss ). A estrutura da fase supercondutora A15 de V 3 Ga é semelhante à dos mais comuns Nb 3 Sn e Nb 3 Ti . [55]

Verificou-se que uma pequena quantidade, 40 a 270 ppm, de vanádio no aço Wootz melhorou significativamente a resistência do produto e deu-lhe um padrão distinto. A fonte do vanádio nos lingotes de aço Wootz originais permanece desconhecida. [56]

O vanádio pode ser usado como um substituto para o molibdênio em aço blindado, embora a liga produzida seja muito mais frágil e propensa a estilhaçar em impactos não penetrantes. O Terceiro Reich foi um dos usuários mais proeminentes dessas ligas, em veículos blindados como Tiger II ou Jagdtiger .

Catalysts

O óxido de vanádio (V) é um catalisador no processo de contato para a produção de ácido sulfúrico

Os compostos de vanádio são usados ​​extensivamente como catalisadores; [57] Pentóxido de vanádio V 2 O 5 , é usado como um catalisador na fabricação de ácido sulfúrico pelo processo de contato [58] Neste processo, dióxido de enxofre ( SO
2
) é oxidado ao trióxido ( SO
3
): [15] Nesta reação redox , o enxofre é oxidado de +4 para +6 e o ​​vanádio é reduzido de +5 para +4:

V 2 O 5 + SO 2 → 2 VO 2 + SO 3

O catalisador é regenerado por oxidação com ar:

4 VO 2 + O 2 → 2 V 2 O 5

Oxidações semelhantes são usadas na produção de anidrido maleico :

C 4 H 10 + 3,5 O 2 → C 4 H 2 O 3 + 4 H 2 O

O anidrido ftálico e vários outros compostos orgânicos a granel são produzidos de forma semelhante. Esses processos de química verde convertem matérias-primas baratas em intermediários altamente funcionalizados e versáteis. [59] [60]

O vanádio é um componente importante dos catalisadores de óxidos metálicos mistos usados ​​na oxidação de propano e propileno em acroleína, ácido acrílico ou na amoxidação de propileno em acrilonitrila. [61] [62] [63] Em serviço, o estado de oxidação do vanádio muda dinâmica e reversivelmente com o oxigênio e o conteúdo de vapor da mistura de alimentação reagente. [64] [65]

Revestimentos e cerâmicas de vidro

Outro óxido de vanádio, o dióxido de vanádio VO 2 , é usado na produção de revestimentos de vidro, que bloqueiam a radiação infravermelha (e não a luz visível) em uma determinada temperatura. [66] O óxido de vanádio pode ser usado para induzir centros de cor no corindo para criar joias de alexandrita simulada , embora a alexandrita na natureza seja uma crisoberila . [67] O pentóxido de vanádio é usado em cerâmica . [68]

Outros usos

A bateria redox de vanádio , um tipo de bateria de fluxo , é uma célula eletroquímica que consiste em íons de vanádio aquosos em diferentes estados de oxidação. [69] [70] Baterias desse tipo foram propostas pela primeira vez na década de 1930 e desenvolvidas comercialmente a partir da década de 1980 em diante. As células usam +5 e +2 íons de estado de oxidação formal. Baterias redox de vanádio são usadas comercialmente para armazenamento de energia da rede .

Vanadate pode ser usado para proteger o aço contra ferrugem e corrosão por revestimento de conversão . [71] A folha de vanádio é usada no revestimento de titânio para aço porque é compatível com ferro e titânio. [72] A seção transversal moderada de captura de nêutrons térmicos e a meia-vida curta dos isótopos produzidos pela captura de nêutrons tornam o vanádio um material adequado para a estrutura interna de um reator de fusão . [73] [74]

Proposta

O óxido de lítio vanádio foi proposto para uso como ânodo de alta densidade de energia para baterias de íon de lítio , a 745 Wh / L quando emparelhado com um cátodo de óxido de lítio-cobalto . [75] Os fosfatos de vanádio foram propostos como cátodo na bateria de fosfato de vanádio e lítio , outro tipo de bateria de íon-lítio. [76]

Papel biológico

O vanádio é mais importante em ambientes marinhos do que terrestre. [77]

Sítio ativo da enzima bromoperoxidase de vanádio , que produz a preponderância de compostos organobromínicos de ocorrência natural .
Tunicados como este tunicado bluebell contêm vanádio como vanabina .

Vanadoenzymes

Várias espécies de algas marinhas produzem bromoperoxidase de vanádio , bem como a cloroperoxidase intimamente relacionada (que pode usar um heme ou cofator de vanádio) e iodoperoxidases . A bromoperoxidase produz cerca de 1–2 milhões de toneladas de bromofórmio e 56.000 toneladas de bromometano anualmente. [78] A maioria dos compostos organobromínicos de ocorrência natural são produzidos por esta enzima, [79] catalisando a seguinte reação (RH é um substrato de hidrocarboneto):

RH + Br - + H 2 O 2 → R-Br + H 2 O + OH -

A nitrogenase de vanádio é usada por alguns microrganismos fixadores de nitrogênio , como o Azotobacter . Nessa função, o vanádio substitui o molibdênio ou ferro mais comum e dá à nitrogenase propriedades ligeiramente diferentes. [80]

Acumulação de vanádio em tunicados

O vanádio é essencial para os tunicados , onde é armazenado nos vacúolos altamente acidificados de certos tipos de células sanguíneas, denominados vanadócitos . As vanabinas (proteínas de ligação ao vanádio) foram identificadas no citoplasma dessas células. A concentração de vanádio no sangue dos tunicados de ascídia é dez milhões de vezes maior [ especificar ] [81] [82] do que a água do mar circundante, que normalmente contém 1 a 2 µg / l. [83] [84]A função desse sistema de concentração de vanádio e dessas proteínas com vanádio ainda é desconhecida, mas os vanadócitos são posteriormente depositados logo abaixo da superfície externa da túnica, onde podem impedir a predação . [85]

Fungi

Amanita muscaria e espécies relacionadas de macrofungos acumulam vanádio (até 500 mg / kg em peso seco). O vanádio está presente no complexo de coordenação amavadin [86] em corpos frutíferos de fungos. A importância biológica da acumulação é desconhecida. [87] [88] Asfunções da enzimatóxica ou peroxidase foram sugeridas. [89]

Mamíferos

Deficiências em vanádio resultam em crescimento reduzido em ratos. [90] O Instituto de Medicina dos EUA não confirmou que o vanádio é um nutriente essencial para humanos, portanto, nem uma ingestão dietética recomendada nem uma ingestão adequada foram estabelecidas. A ingestão alimentar é estimada em 6 a 18 µg / dia, com absorção inferior a 5%. O Nível de Ingestão Superior Tolerável (UL) de vanádio na dieta, além do qual podem ocorrer efeitos adversos, é definido em 1,8 mg / dia. [91]

Pesquisa

O sulfato de vanadil como suplemento dietético tem sido pesquisado como meio de aumentar a sensibilidade à insulina ou de outra forma melhorar o controle glicêmico em pessoas diabéticas. Alguns dos ensaios tiveram efeitos de tratamento significativos, mas foram considerados de baixa qualidade de estudo. As quantidades de vanádio usadas nesses testes (30 a 150 mg) excederam em muito o limite superior de segurança. [92] [93] A conclusão da revisão sistêmica foi "Não há evidências rigorosas de que a suplementação oral de vanádio melhore o controle glicêmico no diabetes tipo 2. O uso rotineiro de vanádio para essa finalidade não pode ser recomendado." [92]

Em astrobiologia , foi sugerido que acumulações discretas de vanádio em Marte poderiam ser uma bioassinatura microbiana potencial , quando usado em conjunto com espectroscopia Raman e morfologia. [94] [95]

Segurança

Todos os compostos de vanádio devem ser considerados tóxicos. [ Citação necessário ] tetravalente Voso 4 tem sido referidos como sendo pelo menos 5 vezes mais tóxicos do que trivalente V 2 O 3 . [96] A Administração de Segurança e Saúde Ocupacional (OSHA) estabeleceu um limite de exposição de 0,05 mg / m 3 para pó de pentóxido de vanádio e 0,1 mg / m 3 para vapores de pentóxido de vanádio no ar do local de trabalho para um dia de trabalho de 8 horas e 40 horas semana de trabalho. [97] O Instituto Nacional de Segurança e Saúde Ocupacional (NIOSH) recomendou que 35 mg / m 3 of vanadium be considered immediately dangerous to life and health, that is, likely to cause permanent health problems or death.[97]

Vanadium compounds are poorly absorbed through the gastrointestinal system. Inhalation of vanadium and vanadium compounds results primarily in adverse effects on the respiratory system.[98][99][100] Quantitative data are, however, insufficient to derive a subchronic or chronic inhalation reference dose. Other effects have been reported after oral or inhalation exposures on blood parameters,[101][102] liver,[103] neurological development,[104] and other organs[105] in rats.

There is little evidence that vanadium or vanadium compounds are reproductive toxins or teratogens. Vanadium pentoxide was reported to be carcinogenic in male rats and in male and female mice by inhalation in an NTP study,[99] although the interpretation of the results has recently been disputed.[106] The carcinogenicity of vanadium has not been determined by the United States Environmental Protection Agency.[107]

Vanadium traces in diesel fuels are the main fuel component in high temperature corrosion. During combustion, vanadium oxidizes and reacts with sodium and sulfur, yielding vanadate compounds with melting points as low as 530 °C, which attack the passivation layer on steel and render it susceptible to corrosion. The solid vanadium compounds also abrade engine components.[108][109]

See also

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