바나듐 : 역사, 속성, 구조, 용도 - 화학

바나듐은 화학 기호 V.으로 표시 주기율표에있는 세 번째 전이 금속이 다른 금속만큼 인기가 없습니다 만, 철강 및 titaniums이 같은 언급을 듣고 있습니다 이해하는 사람 합금 또는 도구에 강화 첨가제. 물리적으로 경도와 화학적으로 색상과 동의어입니다.

일부 화학자들은 그것을 화합물에 다양한 색상을 적용 할 수있는 카멜레온 금속이라고 감히 설명합니다. 금속 망간 및 크롬과 유사한 전자 속성. 원래의 순수한 상태에서는 은색과 같은 다른 금속과 동일하게 보이지만 푸르스름한 색조를 띠고 있습니다. 녹이 나면 아래와 같이 보입니다.

얇은 무지개 빛깔의 노란색 산화물 층이있는 금속 바나듐 조각. 출처 : Jurii

이 이미지에서 산화물의 무지개 빛은 거의 구별되지 않으며 금속 결정의 마감 또는 표면에 따라 다릅니다. 이 산화물 층은 추가 산화 및 부식으로부터 보호합니다.

이러한 부식 및 열 균열에 대한 내성은 V 원자가 합금에 추가 될 때 합금에 제공됩니다. 바나듐은 중금속이 아니라 가벼운 금속이기 때문에 무게를 너무 많이 올리지 않고이 모든 것; 많은 사람들이 생각하는 것과는 다릅니다.

그 이름은 스칸디나비아의 북유럽 여신 Vanadís에서 유래되었습니다. 그러나 그것은 멕시코에서 붉은 결정 의 바나 디 나이트 광물 Pb ₅₃ Cl의 일부로 발견되었습니다 . 문제는이 광물과 다른 많은 것에서 그것을 얻기 위해서는 바나듐이 그것의 산화물 인 V ₂ O ₅ (칼슘으로 환원 됨) 보다 환원하기 쉬운 화합물로 변환되어야한다는 것 입니다.

바나듐의 다른 공급원은 해양 생물 또는 석유에 있으며, 페트로 포르피린 내에 "감옥"되어 있습니다.

용액에서 산화 상태에 따라 화합물이 가질 수있는 색상은 노란색, 파란색, 진한 녹색 또는 보라색입니다. 바나듐은 이러한 숫자 또는 산화 상태 (-1에서 +5까지)뿐만 아니라 생물학적 환경과 다양한 방식으로 조화를 이루는 능력으로도 두드러집니다.

바나듐의 화학은 풍부하고 신비하며, 다른 금속에 비해 바나듐에 대한 면밀한 이해를 위해 여전히 많은 빛을 비춰 야합니다.

역사

발견

멕시코는이 요소가 발견 된 나라라는 영광을 가지고 있습니다. 광물 학자 안드레스 마누엘 델 리오 (Andrés Manuel del Río)는 1801 년 자신이 갈색 납 (바나 디 나이트, Pb ₅₃ Cl) 이라고 부르는 붉은 광물을 분석하여 당시 알려진 어떤 원소의 특성과도 일치하지 않는 금속 산화물을 추출했습니다.

따라서 그는 화합물의 다양한 색상 때문에 '판 크로 모'라는 이름으로이 요소를 처음으로 침례를주었습니다. 그런 다음 그는 빨간색을 의미하는 그리스어 erythronium에서 'Erythrono'로 이름을 변경했습니다.

4 년 후 프랑스의 화학자 히 폴리 테 빅토르 콜레 데스 코틸 스는 에리 트론이 새로운 원소가 아니라 크롬의 불순물이라고 주장함으로써 델 리오가 자신의 주장을 철회하게 만들었습니다. 그리고 멕시코 땅에서 발견 된이 잊혀진 원소에 대해 알려지기까지 20 년 이상이 걸렸습니다.

이름의 출현

1830 년 스위스의 화학자 닐스 가브리엘 세프 스트롬은 철 광물에서 또 다른 새로운 원소를 발견했는데,이를 바나듐이라고 불렀습니다. 북유럽 여신 Vanadís에서 유래 한 이름으로, 그 아름다움과이 금속 화합물의 화려한 색상을 비교합니다.

같은 해에 독일 지질학자인 George William Featherstonhaugh는 바나듐과 에리 트론이 실제로 같은 원소라고 지적했습니다. 강의 이름이 '리오니 오'라고 부르기를 원했지만 그의 제안은 받아 들여지지 않았습니다.

격리

바나듐을 분리하려면 광물에서 환원해야했으며, 스칸듐 및 티타늄처럼 산소에 대한 강한 친화력으로 인해이 작업이 쉽지 않았습니다. 그것은 먼저 비교적 쉽게 감소되는 종으로 변형되어야했다. 이 과정에서 Berzelius는 1831 년에 질화 바나듐을 얻었으며이를 천연 금속으로 착각했습니다.

1867 년 영국의 화학자 Henry Enfield Roscoe는 수소 가스를 사용하여 염화 바나듐 (II), VCl ₂ 를 금속 바나듐으로 환원했습니다. 그러나 그것이 생산 한 금속은 불순했습니다.

마지막으로 바나듐의 기술 역사의 시작을 알리는 고순도 샘플은 금속 칼슘으로 V ₂ O ₅ 를 환원하여 얻었습니다 . 처음으로 눈에 띄는 용도 중 하나는 Ford Model T 자동차의 섀시를 만드는 것이 었습니다.

속성

외모

순수한 형태로, 푸르스름한 배음이 있고 부드럽고 연성이있는 회색 금속입니다. 그러나 산화물 층 (특히 라이터 제품)으로 덮으면 마치 크리스탈 카멜레온처럼 눈에 띄는 색상이 나타납니다.

몰 질량

50.9415g / 몰

녹는 점

1910 년 ° C

비점

3407 ° C

밀도

-6.0g / mL, 실온에서

-5.5g / mL, 녹는 점, 즉 거의 녹지 않습니다.

융합 열

21.5 kJ / 몰

기화열

444 kJ / 몰

몰 열용량

24.89 J / (몰 K)

증기압

2101K에서 1Pa (고온에서도 거의 무시할 수 있음).

전기 음성도

1.63 폴링 척도.

이온화 에너지

첫째 : 650.9 kJ / mol (V ⁺ 가스)

둘째 : 1414 kJ / mol (V ²⁺ 기체)

세 번째 : 2830 kJ / mol (V ³⁺ 기체)

모스 경도

6.7

분해

가열되면 V ₂ O ₅ 의 유독 가스를 방출 할 수 있습니다 .

솔루션 색상

왼쪽에서 오른쪽으로 +5, +4, +3 및 +2의 다른 산화 상태에있는 바나듐 용액. 출처 : Wikipedia를 통한 W. Oelen.

바나듐의 주요 특징 중 하나는 화합물의 색상입니다. 그들 중 일부가 산성 매질에 용해되면 용액 (대부분 수성)은 하나의 수 또는 산화 상태를 다른 것과 구별 할 수있는 색상을 나타냅니다.

예를 들어, 위의 이미지는 산화 상태가 다른 바나듐이 포함 된 4 개의 테스트 튜브를 보여줍니다. 왼쪽에있는 노란색은 V ⁵⁺ 에 해당하며 특히 VO ₂⁺ 양이온 입니다. 그런 다음 양이온 VO ²⁺ , V ⁴⁺ , 파란색; 양이온 V ³⁺ , 진한 녹색; 및 V ²⁺ , 보라색 또는 연보라.

용액이 V ⁴⁺ 및 V ⁵⁺ 화합물의 혼합물로 구성되면 밝은 녹색이 나타납니다 (노란색과 청색의 생성물).

반동

바나듐 의 V ₂ O ₅ 층 은 황산 또는 염산과 같은 강산, 강염기 및 산화 증가로 인한 부식으로부터 바나듐을 보호합니다.

660 ° C 이상으로 가열하면 바나듐이 완전히 산화되어 무지개 빛깔의 광택이 나는 노란색 고체처럼 보입니다 (표면 각도에 따라 다름). 이 황색-주황색 산화물은 질산을 첨가하면 용해 될 수 있으며 바나듐은 은색으로 돌아갑니다.

동위 원소

우주 거의 모든 바나듐 원자 (이들 중 99.75 %)를 대략 인 ⁵¹ V의 동위 원소 받는 매우 작은 부분 (0.25 %)에 대응하는 동안, ⁵⁰ V의 동위 원소 . 따라서,이 것은 놀라운 일이 아니다 바나듐의 원자량은 50.9415 u입니다 (50보다 51에 가까움).

다른 동위 원소는 반감기 (t와 방사성 합성되어 _1/2 3백30일 (범위) ⁽⁴⁹⁾ V) 십육일 ( ⁴⁸ V), 몇 시간 또는 10초.

구조 및 전자 구성

바나듐 원자 V는 금속 결합의 산물 인 몸 중심 입방체 (bcc) 결정 구조로 배열됩니다. 구조 중, 이것은 전자 구성에 따라 5 개의 원자가 전자가 "전자의 바다"에 참여하는 가장 밀도가 낮습니다.

3d ³ 4s ²

따라서 3d 궤도의 세 전자와 4s 궤도 중 두 전자는 결합하여 결정의 모든 V 원자의 원자가 궤도가 겹치면서 형성된 밴드를 통과시킵니다. 명확하게, 밴드 이론에 근거한 설명.

V 원자는 주기율표에서 왼쪽에있는 금속 (스칸듐 및 티타늄)보다 약간 작고 전자적 특성을 고려할 때 금속 결합이 더 강하기 때문입니다. 가장 높은 녹는 점에 반영되어 더 응집력있는 원자가있는 사실입니다.

계산 연구에 따르면 바나듐의 bcc 구조는 60GPa의 엄청난 압력에서도 안정적입니다. 이 압력이 초과되면 결정은 능 면체 상으로 전환되며 최대 434 GPa까지 안정적으로 유지됩니다. 숨은 참조 구조가 다시 나타날 때.

산화 번호

바나듐의 전자 구성만으로는 원자가 최대 5 개의 전자를 잃을 수 있음을 나타냅니다. 그렇게 할 때, 희가스 아르곤은 등 전자가되고 V ⁵⁺ 양이온의 존재가 가정 됩니다.

마찬가지로, 전자의 손실은 점진적 일 수 있으며 (결합 된 종에 따라 다름) +1에서 +5까지 다양한 양의 산화수를 갖습니다. 따라서 화합물에서 각각의 양이온 V ⁺ , V ²⁺ 등 이 존재한다고 가정 합니다.

바나듐은 또한 전자를 얻어 금속 음이온으로 변환 할 수 있습니다. 부정적인 산화 번호는 : 1 (V ^- ) -3 (V ^3- ). V의 전자 구성 ^-3- 이다 :

3d ⁶ 4s ²

이 네 개의 전자를 부족하지만, V를 3D 궤도의 충전을 완료 ³ 안정적인 더 정력적이다 V보다 ^7- 이론적으로 매우 전기 양성 종을해야합니다, (그것의 전자를 제공하기 위해).

응용

-금속

티타늄 강철 합금

바나듐은 첨가되는 합금에 기계적, 열적 및 진동 저항뿐만 아니라 경도를 제공합니다. 예를 들어, 페로 바나듐 (철 및 바나듐 합금) 또는 바나듐 카바이드로 강철 또는 티타늄 합금의 다른 금속과 함께 첨가됩니다.

이러한 방식으로 매우 단단하고 가벼운 재료가 생성되어 도구 (드릴 및 렌치), 기어, 자동차 또는 항공기 부품, 터빈, 자전거, 제트 엔진, 나이프, 치과 용 임플란트 등으로 사용하기에 유용합니다.

또한 갈륨 (V ₃ Ga) 과의 합금 은 초전도성이며 자석 제조에 사용됩니다. 또한 반응성이 낮기 때문에 부식성 화학 시약이 작동하는 파이프에 바나듐 합금이 사용됩니다.

바나듐 산화 환원 배터리

바나듐은 산화 환원 배터리 인 VRB의 일부입니다 (영어로 된 약어 : Vanadium Redox 배터리). 이는 전기 자동차의 배터리뿐만 아니라 태양열 및 풍력 에너지에서 발전을 촉진하는 데 사용할 수 있습니다.

-합성물

그림 물감

V ₂ O ₅ 는 유리와 세라믹에 황금색을 부여하는 데 사용됩니다. 반면에 일부 미네랄에 존재하면 에메랄드와 마찬가지로 녹색을 띠게됩니다 (다른 금속 덕분에).

촉매

V ₂ O ₅ 는 또한 황산과 말레 산 무수물의 합성에 사용되는 촉매입니다. 다른 금속 산화물과 혼합되어 프로판과 프로필렌이 각각 아크롤레인과 아크릴산으로 산화되는 것과 같은 다른 유기 반응을 촉매합니다.

약용

바나듐 복합체로 구성된 약물은 당뇨병과 암 치료를위한 잠재적 인 후보로 고려되었습니다.

생물학적 역할

다채롭고 독성이있는 화합물 인 바나듐 이 미량 의 이온 ( 주로 VO ⁺ , VO ₂⁺ 및 VO ₄^3- )이 생명체에게 유익하고 필수적 이라는 것은 아이러니하게 보입니다 . 특히 해양 서식지의 경우.

그 이유는 산화 상태, 생물학적 환경에서 얼마나 많은 리간드가 조정 (또는 상호 작용)하는지, 바나 데이트와 인산 음이온 (VO ₄^3- 및 PO ₄^3- ) 사이의 유사성 및 연구 된 기타 요인에 있습니다. 생물 무기 화학 물질에 의해.

바나듐 원자는 4 개 (배위 사면체), 5 개 (사각형 피라미드 또는 기타 기하학) 또는 6 개로 효소 또는 단백질에 속하는 원자와 상호 작용할 수 있습니다. 이것이 발생하면 신체에 유리한 반응이 일어나면 바나듐이 약리 활성을 발휘한다고합니다.

예를 들어, 할 로퍼 옥시다아제가 있습니다 : 바나듐을 보조 인자로 사용할 수있는 효소. 또한이 금속과 상호 작용할 수있는 바나 빈 (튜니 케이트의 바 나드 사이트 세포), 인산화 효소, 질소 효소, 트랜스페린 및 혈청 알부민 (포유류의)도 있습니다.

아마 바딘이라고 불리는 유기 분자 또는 바나듐 배위 복합체는 Amanita muscaria (하단 이미지)와 같은 특정 곰팡이의 몸에 존재합니다.

Amanita muscaria 버섯. 출처 : Pixabay.

마지막으로, 일부 복합체에서는 바나듐이 헤모글로빈에있는 철의 경우처럼 헴 그룹에 포함될 수 있습니다.

참고 문헌

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바나듐 : 역사, 속성, 구조, 용도 - 화학 - 2025

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