Vanadio

Elemento químico con número atómico 23 (V)
Vanadio,  23 V
Vanadio
Pronunciación/ v ə ˈ n eɪ d i ə m / ​( və- NAY -dee-əm )
Aparienciametal azul-plateado-gris
Peso atómico estándar A r °(V)
  • 50,9415 ± 0,0001 [1]
  • 50,942 ± 0,001  ( abreviado ) [2]
El vanadio en la tabla periódica
HidrógenoHelio
LitioBerilioBoroCarbónNitrógenoOxígenoFlúorNeón
SodioMagnesioAluminioSilicioFósforoAzufreCloroArgón
PotasioCalcioEscandioTitanioVanadioCromoManganesoHierroCobaltoNíquelCobreZincGalioGermanioArsénicoSelenioBromoCriptón
RubidioEstroncioItrioCirconioNiobioMolibdenoTecnecioRutenioRodioPaladioPlataCadmioIndioEstañoAntimonioTelurioYodoXenón
CesioBarioLantanoCerioPraseodimioNeodimioPrometeoSamarioEuropioGadolinioTerbioDisprosioHolmioErbioTulioIterbioLutecioHafnioTantalioTungstenoRenioOsmioIridioPlatinoOroMercurio (elemento)TalioDirigirBismutoPolonioAstatoRadón
FrancioRadioActinioTorioProtactinioUranioNeptunioPlutonioAmericioCurioBerkelioCalifornioEinstenioFermioMendelevioNobelioLawrenceRutherfordioDubnioSeaborgioBohrioHassioMeitnerioDarmstadtioRoentgenioCopérnicoNihonioFlerovioMoscovioLivermorioTennesseeOganesón
–
↑
V
↓
Nb
titanio ← vanadio → cromo
Número atómico ( Z )23
Grupogrupo 5
Períodoperíodo 4
Bloquear  bloque d
Configuración electrónica[ Ar ] 3d 3 4s 2
Electrones por capa2, 8, 11, 2
Propiedades físicas
Fase en  STPsólido
Punto de fusión2183  K (1910 °C, 3470 °F)
Punto de ebullición3680 K (3407 °C, 6165 °F)
Densidad (a 20° C)6,099 g/cm3 [  3]
Cuando está líquido (a  punto de fusión )5,5 g/ cm3
Calor de fusión21,5  kJ/mol
Calor de vaporización444 kJ/mol
Capacidad calorífica molar24,89 J/(mol·K)
Presión de vapor
P  (Pa)1101001 k10 mil100 mil
en  T  (K)210122892523281431873679
Propiedades atómicas
Estados de oxidacióncomún: +5,
−3, ? −1, [4] 0, ? +1, [4] +2, [4] +3, [4] +4, [4]
ElectronegatividadEscala de Pauling: 1,63
Energías de ionización
  • 1º: 650,9 kJ/mol
  • 2º: 1414 kJ/mol
  • 3º: 2830 kJ/mol
  • ( más )
Radio atómicoempírico: 134  pm
Radio covalente153±20 horas
Líneas de color en un rango espectral
Líneas espectrales del vanadio
Otras propiedades
Ocurrencia naturalprimordial
Estructura cristalinacúbico centrado en el cuerpo (bcc) ( cI2 )
Constante de red
Estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo para el vanadio
a  = 302,72 pm (a 20 °C) [3]
Expansión térmica8,77 × 10 −6 /K (a 20 °C) [3]
Conductividad térmica30,7 W/(m⋅K)
Resistividad eléctrica197 nΩ⋅m (a 20 °C)
Ordenamiento magnéticoparamagnético
Susceptibilidad magnética molar+255,0 × 10 −6  cm 3 /mol (298 K) [5]
Módulo de Young128 GPa
Módulo de corte47 GPa
Módulo volumétrico160 GPa
Velocidad del sonido varilla delgada4560 m/s (a 20 °C)
Relación de Poisson0,37
Dureza de Mohs6.7
Dureza Vickers628–640 MPa
Dureza Brinell600–742 MPa
Número CAS7440-62-2
Historia
DescubrimientoAndrés Manuel del Río [6] (1801)
Primer aislamientoHenry Enfield Roscoe (1867)
Nombrado porNils Gabriel Sefström (1830)
Isótopos del vanadio
Isótopos principalesDecadencia
abundanciavida media ( t 1/2 )modoproducto
48 voltiossintetizador16 díasβ +48Ti​
49 voltiossintetizador330 díasmi49Ti​
50 voltios0,25%2,71 × 10 17  añosβ +50Ti​
51 voltios99,8%estable
 Categoría: Vanadio
| referencias

El vanadio es un elemento químico de símbolo V y número atómico 23. Es un metal de transición duro, de color gris plateado y maleable . Este metal elemental rara vez se encuentra en la naturaleza, pero una vez aislado artificialmente, la formación de una capa de óxido ( pasivación ) estabiliza un poco el metal libre contra una mayor oxidación .

El científico mexicano Andrés Manuel del Río descubrió los compuestos de vanadio en 1801 al analizar un nuevo mineral que contenía plomo al que llamó "plomo pardo". Aunque inicialmente supuso que sus cualidades se debían a la presencia de un nuevo elemento, más tarde el químico francés Hippolyte Victor Collet-Descotils lo convenció erróneamente de que el elemento era simplemente cromo . Luego, en 1830, Nils Gabriel Sefström generó cloruros de vanadio, demostrando así que existía un nuevo elemento, y lo llamó "vanadio" en honor a la diosa escandinava de la belleza y la fertilidad, Vanadís (Freyja). El nombre se basó en la amplia gama de colores que se encuentran en los compuestos de vanadio. El mineral de plomo de Del Río finalmente se denominó vanadinita por su contenido de vanadio. En 1867, Henry Enfield Roscoe obtuvo el elemento puro.

El vanadio se encuentra de forma natural en unos 65 minerales y depósitos de combustibles fósiles . Se produce en China y Rusia a partir de escorias de fundición de acero . Otros países lo producen directamente a partir de magnetita , polvo de combustión de petróleo pesado o como subproducto de la minería de uranio . Se utiliza principalmente para producir aleaciones de acero especiales, como aceros para herramientas de alta velocidad y algunas aleaciones de aluminio . El compuesto industrial más importante del vanadio, el pentóxido de vanadio , se utiliza como catalizador para la producción de ácido sulfúrico . La batería redox de vanadio para almacenamiento de energía puede ser una aplicación importante en el futuro.

Se encuentran grandes cantidades de iones de vanadio en algunos organismos, posiblemente como toxina . El óxido y algunas otras sales de vanadio tienen una toxicidad moderada. Particularmente en el océano, algunas formas de vida utilizan el vanadio como centro activo de enzimas , como la bromoperoxidasa de vanadio de algunas algas oceánicas .

Historia

El vanadio fue descubierto en México en 1801 por el mineralogista español Andrés Manuel del Río . Del Río extrajo el elemento de una muestra de mineral mexicano de "plomo marrón", más tarde llamado vanadinita . Encontró que sus sales exhiben una amplia variedad de colores, y como resultado, nombró al elemento pancromo (griego: παγχρώμιο "todos los colores"). Más tarde, del Río renombró el elemento eritronio (griego: ερυθρός "rojo") porque la mayoría de las sales se volvían rojas al calentarlas. En 1805, el químico francés Hippolyte Victor Collet-Descotils , respaldado por el amigo de del Río, el barón Alexander von Humboldt , declaró incorrectamente que el nuevo elemento de del Río era una muestra impura de cromo . Del Río aceptó la declaración de Collet-Descotils y se retractó de su afirmación. [7]

En 1831, el químico sueco Nils Gabriel Sefström redescubrió el elemento en un nuevo óxido que encontró mientras trabajaba con minerales de hierro . Más tarde ese año, Friedrich Wöhler confirmó que este elemento era idéntico al encontrado por del Río y, por lo tanto, confirmó el trabajo anterior de del Río. [8] Sefström eligió un nombre que comenzara con V, que aún no había sido asignado a ningún elemento. Llamó al elemento vanadio en honor al nórdico antiguo Vanadís (otro nombre para la diosa nórdica Vanir Freyja , cuyos atributos incluyen la belleza y la fertilidad), debido a los muchos compuestos químicos de hermosos colores que produce. [8] Al enterarse de los hallazgos de Wöhler, del Río comenzó a argumentar apasionadamente que su antigua afirmación fuera reconocida, pero el elemento mantuvo el nombre de vanadio . [9] En 1831, el geólogo George William Featherstonhaugh sugirió que el vanadio debería ser renombrado " rionio " en honor a del Río, pero esta sugerencia no fue seguida. [10]

El Modelo T utilizó acero de vanadio en su chasis .

Como el vanadio suele encontrarse combinado con otros elementos, el aislamiento del metal vanadio fue difícil. [11] En 1831, Berzelius informó de la producción del metal, pero Henry Enfield Roscoe demostró que Berzelius había producido el nitruro, nitruro de vanadio (VN). Roscoe finalmente produjo el metal en 1867 mediante la reducción del cloruro de vanadio (II) , VCl 2 , con hidrógeno . [12] En 1927, se produjo vanadio puro mediante la reducción del pentóxido de vanadio con calcio . [13]

El primer uso industrial a gran escala del vanadio fue en el chasis de aleación de acero del Ford Modelo T , inspirado en los autos de carrera franceses. El acero al vanadio permitió reducir el peso al tiempo que aumentaba la resistencia a la tracción ( c.  1905 ). [14] Durante la primera década del siglo XX, la mayor parte del mineral de vanadio fue extraído por la American Vanadium Company de Minas Ragra en Perú. Más tarde, la demanda de uranio aumentó, lo que llevó a un aumento de la extracción de los minerales de ese metal. Un importante mineral de uranio fue la carnotita , que también contiene vanadio. Por lo tanto, el vanadio se volvió disponible como un subproducto de la producción de uranio. Finalmente, la minería de uranio comenzó a abastecer una gran parte de la demanda de vanadio. [15] [16]

En 1911, el químico alemán Martin Henze descubrió el vanadio en las proteínas hemovanadinas que se encuentran en las células sanguíneas (o células celómicas ) de Ascidiacea (ascidias). [17] [18]

Características

Cuboides de vanadio policristalino de alta pureza (99,95 %), refundidos mediante ebeam y macrograbados

El vanadio es un metal de dureza media, dúctil y de color azul acerado. Se suele describir al vanadio como "blando", porque es dúctil, maleable y no quebradizo . [19] [20] El vanadio es más duro que la mayoría de los metales y aceros (véase Durezas de los elementos (página de datos) y el hierro ). Tiene buena resistencia a la corrosión y es estable frente a los álcalis y los ácidos sulfúrico y clorhídrico . [21] Se oxida en el aire a unos 933  K (660 °C, 1220 °F), aunque se forma una capa de pasivación de óxido incluso a temperatura ambiente. [22] [ dudoso – discutir ] También reacciona con el peróxido de hidrógeno.

Isótopos

El vanadio natural se compone de un isótopo estable , 51 V, y un isótopo radiactivo, 50 V. Este último tiene una vida media de 2,71×10 17 años y una abundancia natural del 0,25%. 51 V tiene un espín nuclear de 7 ⁄ 2 , que es útil para la espectroscopia de RMN . [23] Se han caracterizado veinticuatro radioisótopos artificiales, cuyo número másico varía de 40 a 65. Los más estables de estos isótopos son 49 V con una vida media de 330 días, y 48 V con una vida media de 16,0 días. Los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a una hora, la mayoría por debajo de los 10 segundos. Al menos cuatro isótopos tienen estados excitados metaestables . [24] La captura de electrones es el principal modo de desintegración de los isótopos más ligeros que 51 V. Para los más pesados, el modo más común es la desintegración beta . [25] Las reacciones de captura de electrones conducen a la formación de isótopos del elemento 22 ( titanio ), mientras que la desintegración beta conduce a los isótopos del elemento 24 ( cromo ).

Compuestos

De izquierda a derecha: [V(H 2 O) 6 ] 2+ (lila), [V(H 2 O) 6 ] 3+ (verde), [VO(H 2 O) 5 ] 2+ (azul) y [VO(H 2 O) 5 ] 3+ (amarillo)

La química del vanadio es notable por la accesibilidad de los cuatro estados de oxidación adyacentes 2-5. En una solución acuosa , el vanadio forma complejos acuosos metálicos cuyos colores son lila [V(H 2 O) 6 ] 2+ , verde [V(H 2 O) 6 ] 3+ , azul [VO(H 2 O) 5 ] 2+ , óxidos amarillo-naranja [VO(H 2 O) 5 ] 3+ , cuya fórmula depende del pH. Los compuestos de vanadio (II) son agentes reductores y los compuestos de vanadio (V) son agentes oxidantes. Los compuestos de vanadio (IV) a menudo existen como derivados de vanadilo , que contienen el centro VO 2+ . [21]

El vanadato de amonio (V) (NH 4 VO 3 ) se puede reducir sucesivamente con cinc elemental para obtener los diferentes colores del vanadio en estos cuatro estados de oxidación. Los estados de oxidación más bajos se dan en compuestos como V(CO) 6 , [V(CO)
6]−
y derivados sustituidos. [21]

El pentóxido de vanadio es un catalizador comercialmente importante para la producción de ácido sulfúrico, una reacción que explota la capacidad de los óxidos de vanadio para experimentar reacciones redox. [21]

La batería redox de vanadio utiliza los cuatro estados de oxidación: un electrodo utiliza el par +5/+4 y el otro utiliza el par +3/+2. La conversión de estos estados de oxidación se ilustra mediante la reducción de una solución fuertemente ácida de un compuesto de vanadio (V) con polvo de zinc o amalgama. El color amarillo inicial característico del ion pervanadilo [VO 2 (H 2 O) 4 ] + es reemplazado por el color azul de [VO(H 2 O) 5 ] 2+ , seguido por el color verde de [V(H 2 O) 6 ] 3+ y luego el color violeta de [V(H 2 O) 6 ] 2+ . [21] Otra posible batería de vanadio basada en VB 2 utiliza un estado de oxidación múltiple para permitir que se liberen 11 electrones por VB 2 , lo que le otorga una mayor capacidad energética en orden de en comparación con el ion de litio y la gasolina por unidad de volumen. [26] Las baterías VB 2 se pueden mejorar aún más como baterías de aire, lo que permite una densidad energética aún mayor y un peso menor que las baterías de litio o de gasolina, aunque la recarga sigue siendo un desafío. [26]

Oxianiones

La estructura del decavanadato

En una solución acuosa, el vanadio (V) forma una extensa familia de oxianiones como se estableció mediante espectroscopia de RMN de 51 V. [ 23 ] Las interrelaciones en esta familia se describen mediante el diagrama de predominio , que muestra al menos 11 especies, dependiendo del pH y la concentración. [27] El ion ortovanadato tetraédrico, VO3−
4, es la especie principal presente a pH 12-14. Similar en tamaño y carga al fósforo(V), el vanadio(V) también tiene una química y cristalografía paralelas. Ortovanadato V O3−
4Se utiliza en cristalografía de proteínas [28] para estudiar la bioquímica del fosfato. [29] Además de eso, también se ha demostrado que este anión interactúa con la actividad de algunas enzimas específicas. [30] [31] El tetratiovanadato [VS 4 ] 3− es análogo al ion ortovanadato. [32]

A valores de pH más bajos, se forman el monómero [HVO 4 ] 2− y el dímero [V 2 O 7 ] 4− , predominando el monómero a una concentración de vanadio de menos de c. 10 −2 M (pV > 2, donde pV es igual al valor negativo del logaritmo de la concentración total de vanadio/M). La formación del ion divanadato es análoga a la formación del ion dicromato . [33] [34] A medida que se reduce el pH, se produce una mayor protonación y condensación a polivanadatos : a pH 4-6, [H 2 VO 4 ] − predomina a pV mayor que ca. 4, mientras que a concentraciones más altas se forman trímeros y tetrámeros. [35] Entre pH 2-4 predomina el decavanadato , su formación a partir del ortovanadato está representada por esta reacción de condensación:

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

En el decavanadato, cada centro V(V) está rodeado por seis ligandos de óxido . [21] El ácido vanádico, H 3 VO 4 , existe solo en concentraciones muy bajas porque la protonación de la especie tetraédrica [H 2 VO 4 ] − da como resultado la formación preferencial de la especie octaédrica [VO 2 (H 2 O) 4 ] + . [36] En soluciones fuertemente ácidas, pH < 2, [VO 2 (H 2 O) 4 ] + es la especie predominante, mientras que el óxido V 2 O 5 precipita de la solución a altas concentraciones. El óxido es formalmente el anhídrido ácido del ácido vanádico. Las estructuras de muchos compuestos de vanadato se han determinado mediante cristalografía de rayos X.

Diagrama de Pourbaix para vanadio en agua, que muestra los potenciales redox entre varias especies de vanadio en diferentes estados de oxidación [37]

El vanadio(V) forma diversos complejos peroxo, sobre todo en el sitio activo de las enzimas bromoperoxidasas que contienen vanadio . La especie VO(O 2 )(H 2 O) 4 + es estable en soluciones ácidas. En soluciones alcalinas se conocen especies con 2, 3 y 4 grupos peróxido; la última forma sales violetas con la fórmula M 3 V(O 2 ) 4 nH 2 O (M= Li, Na, etc.), en la que el vanadio tiene una estructura dodecaédrica de 8 coordenadas. [38] [39]

Derivados de haluro

Se conocen doce haluros binarios , compuestos con la fórmula VX n (n=2..5). [40] VI 4 , VCl 5 , VBr 5 y VI 5 no existen o son extremadamente inestables. En combinación con otros reactivos, VCl 4 se utiliza como catalizador para la polimerización de dienos . Como todos los haluros binarios, los de vanadio son ácidos de Lewis , especialmente los de V(IV) y V(V). [40] Muchos de los haluros forman complejos octaédricos con la fórmula VX n L 6− n (X= haluro; L= otro ligando).

Se conocen muchos oxihaluros de vanadio (fórmula VO m X n ). [41] El oxitricloruro y el oxitrifluoruro ( VOCl 3 y VOF 3 ) son los más estudiados. Similares al POCl 3 , son volátiles, [42] adoptan estructuras tetraédricas en la fase gaseosa y son ácidos de Lewis. [43]

Compuestos de coordinación

Un modelo de bolas y palos de VO(O 2 C 5 H 7 ) 2

Los complejos de vanadio (II) y (III) son reductores, mientras que los de V (IV) y V (V) son oxidantes. El ion vanadio es bastante grande y algunos complejos alcanzan números de coordinación mayores que 6, como es el caso en [V (CN) 7 ] 4− . El oxovanadio (V) también forma complejos de coordinación 7 coordinados con ligandos tetradentados y peróxidos y estos complejos se utilizan para bromaciones oxidativas y oxidaciones de tioéter. La química de coordinación de V 4+ está dominada por el centro vanadilo , VO 2+ , que une a otros cuatro ligandos fuertemente y a uno débilmente (el que está en trans con respecto al centro vanadilo). Un ejemplo es el acetilacetonato de vanadilo (V(O)(O 2 C 5 H 7 ) 2 ). En este complejo, el vanadio es piramidal cuadrado distorsionado de 5 coordenadas, lo que significa que se puede unir un sexto ligando, como la piridina, aunque la constante de asociación de este proceso es pequeña. Muchos complejos de vanadilo de 5 coordenadas tienen una geometría bipiramidal trigonal, como VOCl 2 (NMe 3 ) 2 . [44] La química de coordinación de V 5+ está dominada por los complejos de coordinación de dioxovanadio relativamente estables [45] que a menudo se forman por oxidación aérea de los precursores de vanadio (IV), lo que indica la estabilidad del estado de oxidación +5 y la facilidad de interconversión entre los estados +4 y +5. [46]

Compuestos organometálicos

La química organometálica del vanadio está bien desarrollada. El dicloruro de vanadoceno es un reactivo de partida versátil y tiene aplicaciones en química orgánica. [47] El carbonilo de vanadio , V(CO) 6 , es un ejemplo raro de un carbonilo metálico paramagnético . La reducción produce V (CO)−
6( isoelectrónico con Cr(CO) 6 ), que puede reducirse aún más con sodio en amoníaco líquido para producir V (CO)3−
5(isoelectrónico con Fe(CO) 5 ). [48] [49]

Aparición

Vanadinita

El vanadio metálico es raro en la naturaleza (se le conoce como vanadio nativo ), [50] [51] habiéndose encontrado entre las fumarolas del Volcán de Colima , pero los compuestos de vanadio se encuentran de forma natural en alrededor de 65 minerales diferentes .

El vanadio comenzó a utilizarse en la fabricación de aceros especiales en 1896. En ese momento, se conocían muy pocos depósitos de minerales de vanadio. Entre 1899 y 1906, los principales depósitos explotados fueron las minas de Santa Marta de los Barros (Badajoz), España. De estas minas se extraía vanadinita . [52] A principios del siglo XX, se descubrió un gran depósito de mineral de vanadio en la mina de vanadio Minas Ragra cerca de Junín, Cerro de Pasco , Perú . [53] [54] [55] Durante varios años, este depósito de patrónita (VS 4 ) [56] fue una fuente económicamente significativa de mineral de vanadio. En 1920, aproximadamente dos tercios de la producción mundial era suministrada por la mina en Perú. [57] Con la producción de uranio en los años 1910 y 1920 a partir de carnotita ( K 2 (UO 2 ) 2 (VO 4 ) 2 ·3H 2 O ), el vanadio se hizo disponible como un producto secundario de la producción de uranio. La vanadinita ( Pb 5 (VO 4 ) 3 Cl ) y otros minerales que contienen vanadio solo se extraen en casos excepcionales. Con la creciente demanda, gran parte de la producción mundial de vanadio proviene ahora de magnetita que contiene vanadio y se encuentra en cuerpos de gabro ultramáficos . Si esta titanomagnetita se utiliza para producir hierro, la mayor parte del vanadio va a la escoria y se extrae de ella. [58] [55]

El vanadio se extrae principalmente en China , Sudáfrica y el este de Rusia . En 2022, estos tres países extrajeron más del 96% de las 100.000 toneladas de vanadio producidas, y China aportó el 70%. [59]

Se sabe que las fumarolas de Colima son ricas en vanadio y depositan otros minerales de vanadio, que incluyen shcherbinaíta (V 2 O 5 ) y colimaíta (K 3 VS 4 ). [60] [61] [62]

El vanadio también está presente en la bauxita y en los depósitos de petróleo crudo , carbón , esquisto bituminoso y arenas bituminosas . En el petróleo crudo, se han reportado concentraciones de hasta 1200 ppm. Cuando se queman estos productos derivados del petróleo, las trazas de vanadio pueden causar corrosión en motores y calderas. [63] Se estima que 110.000 toneladas de vanadio por año se liberan a la atmósfera por la quema de combustibles fósiles . [64] Las lutitas negras también son una fuente potencial de vanadio. Durante la Segunda Guerra Mundial, se extrajo algo de vanadio de las lutitas de alumbre en el sur de Suecia. [65]

En el universo, la abundancia cósmica de vanadio es del 0,0001%, lo que hace que el elemento sea casi tan común como el cobre o el zinc . [66] El vanadio es el decimonoveno elemento más abundante en la corteza. [67] Se detecta espectroscópicamente en la luz del Sol y, a veces, en la luz de otras estrellas . [68] El ion vanadilo también es abundante en el agua de mar , con una concentración media de 30  nM (1,5 mg/m 3 ). [66] Algunos manantiales de agua mineral también contienen el ion en altas concentraciones. Por ejemplo, los manantiales cerca del monte Fuji contienen hasta 54  μg por litro . [66]

Producción

Tendencia de producción de vanadio
Cristales dendríticos de vanadio sublimados al vacío (99,9%)

El vanadio metálico se obtiene mediante un proceso de varios pasos que comienza con la tostación del mineral triturado con NaCl o Na2CO3 a unos 850 °C para dar metavanadato de sodio (NaVO3 ) . Un extracto acuoso de este sólido se acidifica para producir una "torta roja", una sal de polivanadato, que se reduce con calcio metálico. Como alternativa para la producción a pequeña escala, el pentóxido de vanadio se reduce con hidrógeno o magnesio . También se utilizan muchos otros métodos, en todos los cuales el vanadio se produce como subproducto de otros procesos. [69] La purificación del vanadio es posible mediante el proceso de barra de cristal desarrollado por Anton Eduard van Arkel y Jan Hendrik de Boer en 1925. Implica la formación del yoduro metálico, en este ejemplo yoduro de vanadio(III) , y la posterior descomposición para producir el metal puro: [70]

2 V + 3 yo 2 ⇌ 2 VI 3
Trozos de ferrovanadio

La mayor parte del vanadio se utiliza como aleación de acero denominada ferrovanadio . El ferrovanadio se produce directamente reduciendo una mezcla de óxido de vanadio, óxidos de hierro y hierro en un horno eléctrico. El vanadio termina en arrabio producido a partir de magnetita que contiene vanadio. Dependiendo del mineral utilizado, la escoria contiene hasta un 25% de vanadio. [69]

Aplicaciones

Herramienta fabricada en acero al vanadio.

Aleaciones

Aproximadamente el 85% del vanadio producido se utiliza como ferrovanadio o como aditivo del acero . [69] El aumento considerable de la resistencia del acero que contiene pequeñas cantidades de vanadio se descubrió a principios del siglo XX. El vanadio forma nitruros y carburos estables, lo que da como resultado un aumento significativo de la resistencia del acero. [71] A partir de ese momento, el acero al vanadio se utilizó para aplicaciones en ejes , cuadros de bicicletas, cigüeñales , engranajes y otros componentes críticos. Hay dos grupos de aleaciones de acero al vanadio. Las aleaciones de acero con alto contenido de carbono al vanadio contienen entre un 0,15 y un 0,25 % de vanadio, y los aceros para herramientas de alta velocidad (HSS) tienen un contenido de vanadio del 1 al 5 %. Para los aceros para herramientas de alta velocidad, se puede lograr una dureza superior a HRC 60. El acero HSS se utiliza en instrumentos y herramientas quirúrgicas . [72] Las aleaciones pulvimetalúrgicas contienen hasta un 18 % de vanadio. El alto contenido de carburos de vanadio en estas aleaciones aumenta significativamente la resistencia al desgaste. Una de las aplicaciones de estas aleaciones son las herramientas y los cuchillos. [73]

El vanadio estabiliza la forma beta del titanio y aumenta la resistencia y la estabilidad térmica del titanio. Mezclado con aluminio en aleaciones de titanio , se utiliza en motores a reacción , fuselajes de alta velocidad e implantes dentales . La aleación más común para tubos sin costura es el titanio 3/2,5 que contiene un 2,5 % de vanadio, la aleación de titanio preferida en las industrias aeroespacial, de defensa y de bicicletas. [74] Otra aleación común, producida principalmente en láminas, es el titanio 6AL-4V , una aleación de titanio con un 6 % de aluminio y un 4 % de vanadio. [75]

Varias aleaciones de vanadio muestran un comportamiento superconductor . El primer superconductor de fase A15 fue un compuesto de vanadio, V 3 Si, que se descubrió en 1952. [76] La cinta de vanadio-galio se utiliza en imanes superconductores (17,5 teslas o 175 000 gauss ). La estructura de la fase superconductora A15 de V 3 Ga es similar a la de los más comunes Nb 3 Sn y Nb 3 Ti . [77]

Se ha descubierto que una pequeña cantidad, de 40 a 270 ppm, de vanadio en el acero Wootz mejoraba significativamente la resistencia del producto y le daba su patrón distintivo. La fuente del vanadio en los lingotes de acero Wootz originales sigue siendo desconocida. [78]

El vanadio se puede utilizar como sustituto del molibdeno en el acero de blindaje, aunque la aleación producida es mucho más frágil y propensa a desconcharse por impactos no penetrantes. [79] El Tercer Reich fue uno de los usuarios más destacados de dichas aleaciones, en vehículos blindados como el Tiger II o el Jagdtiger . [80]

Catalizadores

El óxido de vanadio (V) es un catalizador en el proceso de contacto para producir ácido sulfúrico.

Los compuestos de vanadio se utilizan ampliamente como catalizadores; [81] El pentóxido de vanadio V 2 O 5 , se utiliza como catalizador en la fabricación de ácido sulfúrico mediante el proceso de contacto [82] En este proceso, el dióxido de azufre ( SO
2) se oxida al trióxido ( SO
3): [21] En esta reacción redox , el azufre se oxida de +4 a +6 y el vanadio se reduce de +5 a +4:

V 2 O 5 + ASI 2 → 2 VO 2 + ASI 3

El catalizador se regenera por oxidación con aire:

4VO2 + O2 → 2V2O5​​​

En la producción de anhídrido maleico se utilizan oxidaciones similares :

C4H10 + 3,5O2 → C4H2O3 + 4H2O​​​​​​​​

El anhídrido ftálico y otros compuestos orgánicos a granel se producen de manera similar. Estos procesos de química verde convierten materias primas económicas en intermediarios versátiles y altamente funcionalizados. [83] [84]

El vanadio es un componente importante de los catalizadores de óxido metálico mixto utilizados en la oxidación de propano y propileno a acroleína , ácido acrílico o la amoxidación de propileno a acrilonitrilo . [85]

Otros usos

La batería redox de vanadio , un tipo de batería de flujo , es una celda electroquímica que consta de iones de vanadio acuoso en diferentes estados de oxidación. [86] [87] Las baterías de este tipo se propusieron por primera vez en la década de 1930 y se desarrollaron comercialmente a partir de la década de 1980. Las celdas utilizan iones de estado de oxidación formal +5 y +2. Las baterías redox de vanadio se utilizan comercialmente para el almacenamiento de energía de la red . [88]

El vanadato se puede utilizar para proteger el acero contra el óxido y la corrosión mediante un revestimiento de conversión . [89] La lámina de vanadio se utiliza para revestir el acero con titanio porque es compatible tanto con el hierro como con el titanio. [90] La moderada sección transversal de captura de neutrones térmicos y la corta vida media de los isótopos producidos por la captura de neutrones hacen del vanadio un material adecuado para la estructura interna de un reactor de fusión . [91] [92]

Se puede agregar vanadio en pequeñas cantidades (< 5%) a los cátodos de baterías LFP para aumentar la conductividad iónica. [93]

Propuesto

Se ha propuesto el uso de óxido de litio y vanadio como ánodo de alta densidad energética para baterías de iones de litio , a 745 Wh/L cuando se combina con un cátodo de óxido de litio y cobalto . [94] Se han propuesto los fosfatos de vanadio como cátodo en la batería de fosfato de litio y vanadio , otro tipo de batería de iones de litio. [95]

Papel biológico

El vanadio tiene un papel más importante en los ambientes marinos que en los terrestres. [96]

Los tunicados como este tunicado de campanilla contienen vanadio en forma de vanabinas .
Amanita muscaria contiene amavadina .

Vanadoenzimas

Varias especies de algas marinas producen bromoperoxidasa de vanadio , así como la cloroperoxidasa, estrechamente relacionada (que puede utilizar un cofactor hemo o vanadio) y yodoperoxidasas . La bromoperoxidasa produce un estimado de 1 a 2 millones de toneladas de bromoformo y 56.000 toneladas de bromometano anualmente. [97] La ​​mayoría de los compuestos organobromados naturales son producidos por esta enzima, [98] catalizando la siguiente reacción (RH es sustrato de hidrocarburo):

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

Algunos microorganismos fijadores de nitrógeno , como Azotobacter , utilizan la nitrogenasa de vanadio . En esta función, el vanadio sustituye al molibdeno o al hierro , que son más comunes , y confiere a la nitrogenasa propiedades ligeramente diferentes. [99]

Acumulación de vanadio en tunicados

El vanadio es esencial para los tunicados , donde se almacena en las vacuolas altamente acidificadas de ciertos tipos de células sanguíneas, denominadas vanadocitos . Se han identificado vanabinas (proteínas de unión al vanadio) en el citoplasma de dichas células. La concentración de vanadio en la sangre de los tunicados ascidianos es hasta diez millones de veces mayor [ especificar ] [100] [101] que la del agua de mar circundante, que normalmente contiene de 1 a 2 μg/L. [102] [103] La función de este sistema de concentración de vanadio y de estas proteínas portadoras de vanadio todavía se desconoce, pero los vanadocitos se depositan más tarde justo debajo de la superficie exterior de la túnica, donde pueden disuadir a la depredación . [104]

Hongos

Amanita muscaria y especies relacionadas de macrohongos acumulan vanadio (hasta 500 mg/kg en peso seco). El vanadio está presente en el complejo de coordinación amavadin [105] en los cuerpos fructíferos de los hongos. Se desconoce la importancia biológica de la acumulación. [106] [107] Se han sugerido funciones enzimáticastóxicas o peroxidasas . [108]

Mamíferos

Las deficiencias de vanadio provocan una reducción del crecimiento en ratas. [109] El Instituto de Medicina de los Estados Unidos no ha confirmado que el vanadio sea un nutriente esencial para los seres humanos, por lo que no se ha establecido ni una ingesta dietética recomendada ni una ingesta adecuada. La ingesta dietética se estima entre 6 y 18 μg/día, con una absorción de menos del 5%. El nivel máximo de ingesta tolerable (UL) de vanadio en la dieta, más allá del cual pueden producirse efectos adversos, se establece en 1,8 mg/día. [110]

Investigación

El sulfato de vanadio como suplemento dietético se ha investigado como un medio para aumentar la sensibilidad a la insulina o mejorar el control glucémico en personas diabéticas. Algunos de los ensayos tuvieron efectos significativos sobre el tratamiento, pero se consideró que la calidad del estudio era deficiente. Las cantidades de vanadio utilizadas en estos ensayos (30 a 150 mg) excedieron con creces el límite superior seguro. [111] [112] La conclusión de la revisión sistemática fue "No hay evidencia rigurosa de que la suplementación oral con vanadio mejore el control glucémico en la diabetes tipo 2. No se puede recomendar el uso rutinario de vanadio para este propósito". [111]

En astrobiología , se ha sugerido que las acumulaciones discretas de vanadio en Marte podrían ser una biofirma microbiana potencial cuando se utilizan junto con la espectroscopia Raman y la morfología. [113] [114]

Seguridad

Todos los compuestos de vanadio deben considerarse tóxicos. [115] Se ha informado que el VOSO 4 tetravalente es al menos 5 veces más tóxico que el V 2 O 3 trivalente . [116] La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de los Estados Unidos (OSHA) ha establecido un límite de exposición de 0,05 mg/m 3 para el polvo de pentóxido de vanadio y 0,1 mg/m 3 para los humos de pentóxido de vanadio en el aire del lugar de trabajo para una jornada laboral de 8 horas, una semana laboral de 40 horas. [117] El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional de los Estados Unidos (NIOSH) ha recomendado que 35 mg/m 3 de vanadio se consideren inmediatamente peligrosos para la vida y la salud, es decir, que es probable que causen problemas de salud permanentes o la muerte. [117]

Los compuestos de vanadio se absorben mal a través del sistema gastrointestinal. La inhalación de vanadio y compuestos de vanadio produce principalmente efectos adversos en el sistema respiratorio. [118] [119] [120] Sin embargo, los datos cuantitativos son insuficientes para derivar una dosis de referencia de inhalación subcrónica o crónica. Se han informado otros efectos después de exposiciones orales o por inhalación en parámetros sanguíneos, [121] [122] hígado, [123] desarrollo neurológico, [124] y otros órganos [125] en ratas.

Hay poca evidencia de que el vanadio o los compuestos de vanadio sean toxinas reproductivas o teratógenos . Se informó que el pentóxido de vanadio era carcinógeno en ratas macho y en ratones machos y hembras por inhalación en un estudio del NTP, [119] aunque la interpretación de los resultados ha sido cuestionada unos años después del informe. [126] La carcinogenicidad del vanadio no ha sido determinada por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos . [127]

Las trazas de vanadio en los combustibles diésel son el principal componente del combustible en la corrosión a alta temperatura . Durante la combustión, el vanadio se oxida y reacciona con el sodio y el azufre, lo que produce compuestos de vanadato con puntos de fusión tan bajos como 530 °C (986 °F), que atacan la capa de pasivación del acero y lo vuelven susceptible a la corrosión. Los compuestos sólidos de vanadio también desgastan los componentes del motor. [128] [129]

Véase también

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Lectura adicional

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