الفاناديوم: التاريخ ، الخصائص ، الهيكل ، الاستخدامات - كيمياء - 2025

و الفاناديوم هو المعدن التحول الثالث في جدول الدوري، ممثلة V. رمز الكيميائي ليس كما شعبية والمعادن الأخرى، ولكن الذين يفهمون الفولاذ وtitaniums وسمعت ذكر كما في مضافة لتعزيز في سبائك أو الأدوات. ماديًا هو مرادف للصلابة ، وكيميائيًا ، مع الألوان.

يجرؤ بعض الكيميائيين على وصفه بأنه معدن حرباء ، قادر على تبني مجموعة واسعة من الألوان في مركباته ؛ خاصية إلكترونية تشبه تلك الخاصة بمعادن المنغنيز والكروم. في حالته الأصلية والنقية ، يبدو مثل المعادن الأخرى: الفضة ، ولكن بألوان مزرقة. بمجرد الصدأ ، يبدو كما هو موضح أدناه.

قطع الفاناديوم المعدنية بطبقات قزحية رقيقة من أكسيد أصفر. المصدر: جوري

في هذه الصورة ، يتم تمييز تقزح الأكسيد بالكاد ، والذي يعتمد على التشطيبات أو سطح البلورات المعدنية. طبقة الأكسيد هذه تحميها من المزيد من الأكسدة وبالتالي من التآكل.

يتم توفير هذه المقاومة للتآكل ، وكذلك للتكسير الحراري ، للسبائك عند إضافة ذرات V إليها. كل هذا دون رفع وزنه أكثر من اللازم ، لأن الفاناديوم ليس معدنًا ثقيلًا ولكنه معدن خفيف على عكس ما قد يعتقده الكثيرون.

اسمها مشتق من الإلهة الإسكندنافية فاناديس. ومع ذلك ، تم اكتشافه في المكسيك ، كجزء من معدن الفانادينايت ، Pb _{5 3} Cl ، من بلورات حمراء. كانت المشكلة أنه للحصول عليه من هذا المعدن وغيره الكثير ، كان لا بد من تحويل الفاناديوم إلى مركب أسهل في الاختزال من أكسيده ، V ₂ O ₅ (الذي يتم تقليله بالكالسيوم).

تكمن المصادر الأخرى للفاناديوم في الكائنات البحرية ، أو في النفط الخام "المسجون" داخل البتروبورفيرينات.

في المحلول ، الألوان التي يمكن أن تحتويها مركباتها ، اعتمادًا على حالة الأكسدة ، هي الأصفر أو الأزرق أو الأخضر الداكن أو البنفسجي. لا يتميز الفاناديوم بهذه الأرقام أو حالات الأكسدة فقط (من -1 إلى +5) ، ولكن أيضًا لقدرته على التنسيق بطرق مختلفة مع البيئات البيولوجية.

إن كيمياء الفاناديوم وفيرة وغامضة ، ومقارنة بالمعادن الأخرى ، لا يزال هناك الكثير من الضوء الذي يجب تسليط الضوء عليه لفهمه الوثيق.

التاريخ

اكتشاف

تتشرف المكسيك بكونها الدولة التي تم اكتشاف هذا العنصر فيها. قام عالم المعادن أندريس مانويل ديل ريو ، في عام 1801 ، بتحليل معدن ضارب إلى الحمرة أطلق عليه هو نفسه الرصاص البني (الفانادينيت ، Pb _{5 3} Cl) ، واستخرج أكاسيد معدنية لم تتوافق خصائصها مع خصائص أي عنصر معروف في ذلك الوقت.

وهكذا ، قام أولاً بتعميد هذا العنصر باسم "Pancromo" بسبب التنوع الغني للألوان لمركباته ؛ ثم أعاد تسميتها "Erythrono" من الكلمة اليونانية erythronium ، والتي تعني الأحمر.

بعد أربع سنوات ، تمكن الكيميائي الفرنسي Hippolyte Victor Collet Descotils من إقناع ديل ريو بالتراجع عن ادعاءاته من خلال اقتراح أن الإريثرون ليس عنصرًا جديدًا بل شوائب من الكروم. وقد استغرق الأمر أكثر من عشرين عامًا حتى نعرف شيئًا عن هذا العنصر المنسي المكتشف في التربة المكسيكية.

ظهور الاسم

في عام 1830 اكتشف الكيميائي السويسري نيلز غابرييل سيفستروم عنصرًا جديدًا آخر في معادن الحديد ، أطلق عليه الفاناديوم. الاسم مشتق من الإلهة الإسكندنافية فاناديز ، مقارنة بجمالها مع الألوان الرائعة لمركبات هذا المعدن.

في نفس العام ، أشار الجيولوجي الألماني جورج ويليام فيذرستونهاو إلى أن الفاناديوم والإريثرون هما في الواقع نفس العنصر. وعلى الرغم من أنه أراد أن يسود اسم النهر من خلال تسميته "ريونيو" ، إلا أن اقتراحه لم يُقبل.

عزل

لعزل الفاناديوم كان من الضروري تقليصه من معادنه ، ومثل سكانديوم والتيتانيوم ، لم تكن هذه المهمة سهلة بسبب تقاربها الشديد مع الأكسجين. كان لابد أولاً من تحويلها إلى أنواع يمكن تقليلها بسهولة نسبية ؛ في هذه العملية ، حصل Berzelius على نيتريد الفاناديوم في عام 1831 ، والذي ظن خطأ أنه المعدن الأصلي.

في عام 1867 ، حقق الكيميائي الإنجليزي هنري إنفيلد روسكو اختزال كلوريد الفاناديوم (II) ، VCl ₂ ، إلى فاناديوم معدني باستخدام غاز الهيدروجين. ومع ذلك ، كان المعدن الذي أنتجه نجسًا.

أخيرًا ، بمناسبة بداية التاريخ التكنولوجي للفاناديوم ، تم الحصول على عينة عالية النقاء عن طريق تقليل V ₂ O ₅ بالكالسيوم المعدني. كان من أوائل الاستخدامات البارزة لها صنع هيكل سيارة Ford Model T.

الخصائص

مظهر جسماني

في شكله النقي ، هو معدن رمادي مع نغمات مزرقة ، ناعم وطويل. ومع ذلك ، عند تغطيتها بطبقة من الأكسيد (خاصة منتج الولاعة) ، فإنها تأخذ ألوانًا مذهلة مثل الحرباء الكريستالية.

الكتلة المولية

50.9415 جم / مول

نقطة الانصهار

1910 درجة مئوية

نقطة الغليان

3407 درجة مئوية

كثافة

-6.0 جم / مل ، في درجة حرارة الغرفة

-5.5 جم / مل ، عند نقطة الانصهار ، أي بالكاد تذوب.

حرارة الانصهار

21.5 كيلو جول / مول

حرارة التبخير

444 كيلو جول / مول

السعة الحرارية المولية

24.89 جول / (مول · ك)

ضغط البخار

1 باسكال عند 2101 كلفن (تكاد لا تذكر حتى في درجات الحرارة العالية).

كهرسلبية

1.63 على مقياس بولينج.

طاقات التأين

أولاً: 650.9 كيلوجول / مول (V ⁺ غاز)

ثانيًا: 1414 كج / مول (V ²⁺ غازي)

ثالثًا: 2830 كيلوجول / مول (V ³⁺ غازي)

صلابة موس

6.7

تقسيم

عند تسخينها يمكن أن تطلق أبخرة سامة من V ₂ O ₅.

ألوان الحلول

من اليسار إلى اليمين ، حلول الفاناديوم في حالات أكسدة مختلفة: +5 ، +4 ، +3 و +2. المصدر: دبليو أولين عبر ويكيبيديا.

من السمات الرئيسية والبارزة للفاناديوم ألوان مركباته. عندما يتم إذابة بعضها في وسط حمضي ، تعرض المحاليل (المائية في الغالب) ألوانًا تسمح للشخص بتمييز رقم أو حالة أكسدة عن أخرى.

على سبيل المثال ، تُظهر الصورة أعلاه أربعة أنابيب اختبار مع الفاناديوم في حالات أكسدة مختلفة. واحد على اليسار ، أصفر اللون ، يتوافق مع V ⁵⁺ ، على وجه التحديد كاتيون VO ₂ ⁺. ثم يتبعه الكاتيون VO ²⁺ ، مع V ⁴⁺ ، باللون الأزرق ؛ الكاتيون V ³⁺ ، أخضر داكن ؛ و V ²⁺ ، أرجواني أو بنفسجي.

عندما يتكون المحلول من خليط من مركبات V ⁴⁺ و V ⁵⁺ ، يتم الحصول على لون أخضر ساطع (منتج أصفر مع أزرق).

التفاعلية

تحمي طبقة V ₂ O _{5 الموجودة} على الفاناديوم من التفاعل مع الأحماض القوية ، مثل الكبريتيك أو الهيدروكلوريك ، والقواعد القوية ، بالإضافة إلى التآكل الناجم عن المزيد من الأكسدة.

عند تسخينه فوق 660 درجة مئوية ، يتأكسد الفاناديوم تمامًا ، ويبدو مثل مادة صلبة صفراء ذات لمعان قزحي الألوان (حسب زوايا سطحه). يمكن إذابة هذا أكسيد الأصفر البرتقالي إذا أضيف حمض النيتريك ، والذي سيعيد الفاناديوم إلى لونه الفضي.

النظائر

تقريبًا كل ذرات الفاناديوم في الكون (99.75٪ منها) هي حوالي ⁵¹ فولت نظير ، بينما جزء صغير جدًا (0.25٪) يتوافق مع نظير ⁵⁰ فولت. وبالتالي ، فليس من المستغرب أن الوزن الذري للفاناديوم هو 50.9415 ش (أقرب إلى 51 من 50).

النظائر الأخرى مشعة ومركبة ، مع فترات نصف عمر (ر _1/2) تتراوح من 330 يومًا (⁴⁹ فولت) ، 16 يومًا (⁴⁸ فولت) ، بضع ساعات ، أو 10 ثوانٍ.

الهيكل والتكوين الإلكتروني

يتم ترتيب ذرات الفاناديوم ، V ، في هيكل بلوري مكعب مركزه الجسم (bcc) ، نتاج الرابطة المعدنية الخاصة بهم. من بين الهياكل ، هذا هو الأقل كثافة ، حيث تشارك إلكترونات التكافؤ الخمسة في "بحر الإلكترونات" ، وفقًا للتكوين الإلكتروني:

3d ³ 4s ²

وهكذا ، تتحد الإلكترونات الثلاثة للمدار ثلاثي الأبعاد ، واثنان من المدارات الأربعة ، لنقل نطاق يتكون من تداخل مدارات التكافؤ لجميع ذرات البلورة V ؛ بوضوح ، التفسير على أساس نظرية الفرقة.

لأن ذرات V أصغر قليلاً من المعادن الموجودة على يسارها (سكانديوم والتيتانيوم) في الجدول الدوري ، ونظراً لخصائصها الإلكترونية ، فإن روابطها المعدنية أقوى ؛ حقيقة تنعكس في أعلى نقطة انصهار لها ، وبالتالي ، مع ذراتها الأكثر تماسكًا.

وفقًا للدراسات الحسابية ، فإن بنية الفاناديوم bcc مستقرة حتى تحت ضغوط هائلة تبلغ 60 جيجا باسكال. بمجرد أن يتم تجاوز هذا الضغط ، تخضع بلورته للانتقال إلى الطور المعين السطوح ، والذي يظل ثابتًا حتى 434 جيجا باسكال ؛ عندما تظهر بنية مخفية الوجهة مرة أخرى.

أعداد الأكسدة

يشير التكوين الإلكتروني للفاناديوم وحده إلى أن ذرته قادرة على فقدان ما يصل إلى خمسة إلكترونات. عندما يحدث ذلك ، يصبح غاز الأرجون النبيل متساويًا إلكترونيًا ، ويفترض وجود V ⁵⁺ الكاتيون.

وبالمثل ، يمكن أن يكون فقدان الإلكترونات تدريجيًا (اعتمادًا على الأنواع التي ترتبط بها) ، مع وجود أعداد أكسدة موجبة تختلف من +1 إلى +5 ؛ لذلك ، في مركباتها ، يُفترض وجود الكاتيونات المعنية V ⁺ و V ²⁺ وما إلى ذلك.

يمكن أن يكتسب الفاناديوم أيضًا إلكترونات ، ويتحول إلى أنيون معدني. أرقام الأكسدة السالبة هي: -1 (V ^-) و -3 (V ^3-). تكوين الإلكترون لـ V ³ هو:

3d ⁶ 4s ²

على الرغم من أنه يفتقر إلى أربعة إلكترونات لإكمال ملء المدارات ثلاثية الأبعاد ، إلا أن V ³ أكثر استقرارًا من حيث الطاقة من V ^7- ، والذي يحتاج نظريًا إلى أنواع شديدة الحساسية للكهرباء (لمنحه إلكتروناته).

التطبيقات

-معدن

سبائك التيتانيوم الصلب

يوفر الفاناديوم مقاومة ميكانيكية وحرارية واهتزازية ، فضلاً عن صلابة السبائك التي يضاف إليها. على سبيل المثال ، مثل ferrovanadium (الحديد وسبائك الفاناديوم) ، أو كربيد الفاناديوم ، يتم إضافته مع معادن أخرى في الفولاذ ، أو في سبائك التيتانيوم.

بهذه الطريقة ، يتم إنشاء مواد صلبة وخفيفة للغاية ، مفيدة لاستخدامها كأدوات (مثاقب ومفاتيح ربط) ، أو تروس ، أو قطع غيار للسيارات أو الطائرات ، أو التوربينات ، أو الدراجات ، أو المحركات النفاثة ، أو السكاكين ، أو زراعة الأسنان ، إلخ.

أيضًا ، سبائكه مع الغاليوم (V ₃ Ga) فائقة التوصيل وتستخدم لتصنيع المغناطيس. وأيضًا ، نظرًا لتفاعلها المنخفض ، تُستخدم سبائك الفاناديوم للأنابيب التي تعمل فيها الكواشف الكيميائية المسببة للتآكل.

بطاريات الأكسدة والاختزال من الفاناديوم

الفاناديوم هو جزء من بطاريات الأكسدة والاختزال VRBs (لاختصارها باللغة الإنجليزية: بطاريات الفاناديوم الأكسدة). يمكن استخدامها لتعزيز توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح ، وكذلك البطاريات في السيارات الكهربائية.

- المركبات

صبغة

يستخدم V ₂ O ₅ لإعطاء الزجاج والسيراميك لونًا ذهبيًا. من ناحية أخرى ، فإن وجودها في بعض المعادن يجعلها مخضرة ، كما يحدث مع الزمرد (وبفضل المعادن الأخرى أيضًا).

عامل حفاز

V ₂ O ₅ هو أيضًا عامل مساعد يستخدم في تخليق حمض الكبريتيك وحمض أنهيدريد المالئيك. مختلطة مع أكاسيد المعادن الأخرى ، فإنه يحفز التفاعلات العضوية الأخرى ، مثل أكسدة البروبان والبروبيلين إلى الأكرولين وحمض الأكريليك ، على التوالي.

طبي

تم اعتبار العقاقير المكونة من مركبات الفاناديوم مرشحة محتملة ومحتملة لعلاج مرض السكري والسرطان.

الدور البيولوجي

يبدو من المفارقات أن الفاناديوم ، نظرًا لكونه مركبات ملونة وسامة ، فإن أيوناته (VO ⁺ و VO ₂ ⁺ و VO ₄ ^{3- في} الغالب) مفيدة وضرورية للكائنات الحية ؛ خاصة تلك الموجودة في الموائل البحرية.

تتركز الأسباب على حالات الأكسدة ، مع عدد الروابط في البيئة البيولوجية التي تنسق (أو تتفاعل) ، على القياس بين الفانادات وأنيون الفوسفات (VO ₄ ³ و PO ₄ ³) ، وعلى العوامل الأخرى التي تمت دراستها بواسطة المواد الكيميائية العضوية الحيوية.

يمكن لذرات الفاناديوم أن تتفاعل بعد ذلك مع تلك الذرات التي تنتمي إلى الإنزيمات أو البروتينات ، إما بأربعة (تنسيق رباعي الوجوه) أو خمسة (هرم مربع أو أشكال هندسية أخرى) أو ستة. إذا حدث رد فعل إيجابي للجسم ، يقال أن الفاناديوم يمارس نشاطًا دوائيًا.

على سبيل المثال ، هناك هالوبيروكسيدات: إنزيمات يمكنها استخدام الفاناديوم كعامل مساعد. هناك أيضا الفانابينات (في خلايا فانادوسيت من الزلاقات) ، فسفوريلاز ، نيتروجيناز ، ترانسجين وألبومين مصل (من الثدييات) ، قادرة على التفاعل مع هذا المعدن.

يوجد جزيء عضوي أو مركب تنسيق الفاناديوم يسمى amavadin ، في أجسام بعض الفطريات ، مثل Amanita muscaria (الصورة السفلية).

فطر أمانيتا موسكاريا. المصدر: Pixabay.

وأخيرًا ، في بعض المجمعات ، يمكن احتواء الفاناديوم في مجموعة الهيم ، كما هو الحال مع الحديد في الهيموجلوبين.

المراجع

1. رجفة وأتكينز. (2008). الكيمياء غير العضوية. (طبعة رابعة). ماك جراو هيل.
2. ويكيبيديا. (2019). الفاناديوم. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
3. أشوك ك.فيرما وبي. موداك. (سادس). عدم استقرار الفونون وتحولات المرحلة الهيكلية في الفاناديوم تحت ضغط مرتفع قسم فيزياء الضغط العالي ، مركز بهابها للبحوث الذرية ، ترومباي ، مومباي 400085 ، الهند.
4. هيلمنستين ، آن ماري ، دكتوراه. (03 يوليو 2019). حقائق الفاناديوم (V أو العدد الذري 23). تم الاسترجاع من: thinkco.com
5. ريتشارد ميلز. (24 أكتوبر 2017). الفاناديوم: المعدن الذي لا يمكننا الاستغناء عنه ولا ننتجه. مجموعة جلاسير ميديا. تم الاسترجاع من: Mining.com
6. المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية. (2019). الفاناديوم. قاعدة بيانات PubChem. CID = 23990. تم الاسترجاع من: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. كلارك جيم. (2015). الفاناديوم. تم الاسترجاع من: chemguide.co.uk
8. بيرس سارة. (2019). ما هو الفاناديوم؟ الاستخدامات والحقائق والنظائر. دراسة. تم الاسترجاع من: study.com
9. كرانس & كول. (2004). الكيمياء والكيمياء الحيوية للفاناديوم والأنشطة البيولوجية التي تمارسها مركبات الفاناديوم. قسم الكيمياء ، جامعة ولاية كولورادو ، فورت كولينز ، كولورادو 80523-1872.