Vanadi

El vanadi és l'element químic de símbol V i nombre atòmic 23. Es tracta d'un metall de transició dúctil de color gris argentat. L'element natiu és raríssim en la natura, però en el vanadi aïllat per la mà humana es forma una capa d'òxid (passivació) que evita fins a un cert punt que es continuï oxidant.

El científic hispanomexicà Andrés Manuel del Río descobrí compostos de vanadi el 1801 mentre analitzava un nou mineral plumbífer que descrigué com a «plom bru». Malgrat que, en un primer moment, assumí que les seves propietats tenien a veure amb la presència d'un nou element, el químic francès Hippolyte Victor Collet-Descotils el convencé —erròniament— que no era altra cosa que una forma de crom.

Està situat en el grup 5 de la taula periòdica dels elements. És un metall dur, pero dúctil, i poc abundant. Es troba en distints minerals i s'empra principalment en alguns aliatges. Fou descobert per Andrés Manuel del Río Fernández el 1801 a una mina de Mèxic.

Història 

El vanadi fou descobert pel mineralogista espanyol Andrés Manuel del Río Fernández (1764-1849), en el laboratori del Real Seminario de Minería de la Ciudad de México, Nova Espanya, el 1801, en un mineral de plom d'una mina de Zimapán, Hidalgo, que anomenà «plom terrós de Zimapán» o «zimapanio» i que actualment s'anomena vanadinita, de fórmula Pb5(VO4)3Cl. Primer l'anomenà pancromo, dels mots grecs παν- pan-, ‘totalitat’ i χρῶμα chrôma ‘color’, perquè les seves sals presentaven tots els colors —del Río no coneixia en aquell moment el descobriment del crom per Louis Nicolas Vauquelin (1763-1829) el 1798—; i després eritronio, del grec ἐρυθρο- èrithro-, ‘roig’, a causa del color de que les seves sals es tornaven roges en escalfar-les.Del Río donà una mostra del mineral a Alexander von Humboldt (1769-1859) quan el visità a Mèxic i aquest, quan retornà a Europa el 1805, demanà al químic francès Hippolyte Victor Collet-Descotils (1773-1815) que l'analitzés. Aquest qüestionà el descobriment d'un nou element indicant que realment es tractava de crom impur, element el descobriment del qual ell havia confirmat. Això provocà que del Río es retractés públicament del seu descobriment, ja que els francesos dominaven la recerca en química en aquells anys.

En la dècada del 1820, el suec Nils Gabriel Sefström (1787-1845) el redescobrí en un òxid que trobà mentre treballava en unes menes de ferro a la mina de Falun i li donà el nom d'«odinium», en honor del déu nòrdic Odin. Jöns Jacob Berzelius (1779-1948), que dirigia els treballs de recerca de Sefström, li canvià el nom pel d'«erianum». El 1831, el químic alemany Friedrich Wöhler (1800-1882) arribà a la conclusió que es tractava del mateix element descobert el 1801 i el reanomenà «sefströnium», abans que, el mateix Sefström li donés el nom que rep actualment. El nom de vanadi deriva del nòrdic antic Vanadís 'Vanadis', 'senyora dels Vanir' i deessa de la fertilitat en la mitologia escandinava, coneguda també com a Freia.

El vanadi metàl·lic no es fou preparat fins a l'any 1867, per Henry Enfield Roscoe (1833-1915), per mitjà de la reducció de triclorur de vanadi VCl3 amb hidrogen.

Estat natural i obtenció 

El vanadi és el vintè element més abundant a l'escorça terrestre. És rar trobar-lo en  estat natiu, però està present en dos-cents setze minerals diferents. Els que el contenen en més d'un 55 % són: karelianita V2O3 (67,98 %), oxivanita V3O5 (65,64 %), paramontroseïta VO2 (61,42 %), shcherbinaïta  V2O5 (56,02 %) i häggita V2O2(OH)3 (55,10 %).

Els minerals de vanadi importants són la patronita VS4, la carnotita K2(UO2)2(VO4)2 i la vanadinita Pb5(VO4)3Cl. Els dipòsits minerals explotats exclusivament per obtenir vanadi són rars, ja que gran part del vanadi en les roques ígnies es troba en estat trivalent relativament insoluble, substituint el ferro férric en silicats ferromagnesians, magnetita, ilmenita i cromita.

Les reserves mundials de vanadi superen els 63 milions de tones. El vanadi es troba en dipòsits de roques de fosfats, magnetita titanífera i roques sedimentàries uraníferes, en els quals constitueix menys del 2 % de la roca mare. Quantitats significatives també estan presents en la bauxita i materials carbonosos, com ara carbó, petroli cru, esquists petrolífers i sorres bituminoses. Les mines més grans del món de vanadi provenen de les reserves de magnetita titanífera en regions com ara el Bushveld de Sud-àfrica, el massís de Katxkanar a les muntanyes dels Urals i la província de Sichuan a la Xina. Els minerals de carnotita en les areniscas de la plana de Colorado han estat explotats per a l'obtenció de vanadi i urani. Altres fonts de vanadi inclouen les cendres de la combustió de combustibles fòssils, el sediments d'escòria de mineral de fosfat, el mineral d'alumini bauxita i els catalitzadors usats. Degut a que el vanadi típicament s'obté com a subproducte o co-producte, les reserves mundials demostrades de l'element no són totalment indicatives dels subministraments disponibles. El principal productor el 2022 fou la Xina amb 70 000 t, seguida de Rússia (17 000 t), Sud-àfrica (9 100 t) i Brasil (6 200 t).

Els minerals que són vanadats, això és, que presenten l'anió vanadat VO4^3- com la carnotita, es dissolen per mitjà d'una fusió alcalina. Al medi àcid i després d'altres processos s'obté l'òxid de vanadi(V) V2O5, que es redueix parcialment amb carboni, i després amb calci en atmosfera d'argó per a obtindre vanadi metàl·lic. En el cas que no es partisca d'un mineral que continga el vanadat, sinó d'un sulfur, aquest s'oxida per a obtindre el vanadat i es realitza el mateix procediment per a obtindre vanadi. Si es vol obtindre vanadi més pur, s'empra el mètode Van Arkel-de Boer (formació d'un compost volàtil i la seva posterior descomposició).

Característiques principals

Propietats físiques 

El vanadi és un metall de transició blanc, dúctil i brillant. El seu punt de fusió és de 1 910 °C, el d'ebullició 3 407 °C i la seva densitat 6,0 g/cm³ a 18,7 °C.

Propietats químiques 
La configuració electrònica del vanadi és [Ar]3d³4s2 i presenta estats d'oxidació 0, +2, +3, +4 i +5. El vanadi metàl·lic a temperatura ambient és estable, i no es produeixen reaccions amb l'aire, l'aigua o els materials alcalins. El vanadi és resistents a l'àcid clorhídric, l'àcid sulfúric diluït, les solucions alcalines i la corrosió de l'aigua de la mar, però pot ser corroït per l'àcid nítric, l'àcid fluorhídric o l'àcid sulfúric concentrat.

A altes temperatures, el metall de vanadi reacciona fàcilment amb l'oxigen i el nitrogen. Quan el vanadi s'escalfa a l'aire, es pot oxidar a òxid de vanadi(III) de color marró fosc V2O3, a òxid de vanadi(II) VO de color blau fosc i a òxid de vanadi(V) de color taronja V2O5.

4V(s) + 5O2(g) -> 2V2O5(s) \; [taronja]

Quan el vanadi s'escalfa a 900 °C-1 300 °C en nitrogen, es produeix nitur de vanadi(III) VN. El vanadi pot reaccionar amb el carboni a altes temperatures per produir carbur de vanadi(III) VC. Quan el vanadi s'escalfa amb silici, bor, fòsfor o arsènic en un buit o atmosfera inerta, es poden formar el siliciur, borur, fosfit i arseniur corresponents (VSi2, V3Si, VB, VB2,...) A temperatura ambient, el vanadi pur és estable en atmosferes d'oxigen, nitrogen i hidrogen.  A temperatures més baixes, el vanadi pot reaccionar amb clor per produir tetraclorur de vanadi VCl4.

El vanadi reacciona amb fluorur per donar el fluorur de vanadi(V). Els altres halògens no reaccionen directament i per obtenir els seus halurs calen altres reaccions.

2V(s) + 5F2(g) -> 2VF5(l) \; [incolor]

En dissolució aquosa el vanadi dona aquocomplexes de colors variats: [V(H2O)6]^2+ lila, [V(H2O)6]^3+ verd, [VO(H2O)5]^2+ blau i VO3- groc.

El catió vanadil VO^2+on el vanadi està en estat d'oxidació +4, sent l'enllaç V=O doble, es pot trobar en distints complexos de vanadi, generalment amb quatre lligants més, formant una piràmide de base quadrada. Poden presentar un lligant més en posició trans al lligant oxo, però aquesta posició és prou làbil. Generalment els complexos d'aquest tipus són blau. En l'estat d'oxidació +5, també forma complexos amb lligands oxo.

Isòtops 
En la naturalesa es poden trobar un isòtop estable, el vanadi 51, que representa un 99,75 % del total, i el vanadi 50, que representa el 0,25 % restant i que malgrat no es estable, el seu període de semidesintegració és tant elevat (t½ = 2,1 × 1017 anys) que pot considerar-se estable. S'han caracteritzat vint-i cinc radioisòtops que van del vanadi 40 al vanadi 66, sent els més estables el vanadi 49 (t½ = 330 dies) i el vanadi 48 (t½ = 15,9735 dies). La resta tenen períodes inferiors a una hora, essent la majoria de menys de deu segons.

El principal mode de decaïment abans de l'isòtop més estable, vanadi 51, és la captura d'electrons (sent els principals productes de decaïment isòtops de l'element 22, titani), mentre que després d'aquest, és la desintegració beta (donant com principals productes de decaïment isòtops de l'element 24, crom).

Aplicacions

Indústria metal·lúrgica 

La principal aplicació del vanadi —el 80 %— és la formació de l'aliatge ferrovanadi que s'utilitza com a additiu en la fabricació d'acers per a millorar les propietats mecàniques del ferro: eines, eixos i cigonyals de vehicles, ganivets, engranatges, blindatge de vehicles, etc.

El vanadi, afegit a aliatges de titani i alumini, en millora la resistència mecànica i hi proporciona estabilitat a altes temperatures; aquests aliatges s'empren en la fabricació dels motors dels avions.

Indústria química 

La segona principal aplicació és en forma de òxid de vanadi(V), que s'utilitza com a catalitzador químic, això és, ajudant a accelerar la reacció química sense consumir-se. Destaca el seu ús en la producció d'àcid sulfúric, tant en el procés de contacte i com en el procés humit, on accelera l'oxidació amb oxigen del diòxid de sofre a triòxid de sofre:
2SO2(g) + O2(g) ->[V_2O_5] 2SO3(g)Els pigments grocs de vanadat de bismut BiVO4 són respectuosos amb el medi ambient i es poden utilitzar com a substitut del groc de cadmi i el groc de crom, tòxics. Tenen un bon rendiment i s'utilitzen per a plàstics, gomes, ceràmica, pintura i tintes d'impressió. Es fan servir especialment per a la pintura groga per a cotxes i per a recobriments arquitectònics d'alt rendiment.

Indústria del vidre 
El pentaòxid de vanadi s'afegeix en un 0,02 % al vidre per prevenir la transmissió de raigs ultraviolats d'alta energia que poden danyar els ulls i esvair els colors dels teixits. El vanadi també s'utilitza en vidre groc-verdós, on el vidre verd es fa afegint una barreja d'òxid de vanadi i òxid de cesi per reduir la intensitat de la radiació UV.

Indústria de bateries 

S'utilitza en bateries redox de vanadi recarregables, que poden acumular grans quantitats d'energia elèctrica, per a compensar variacions en la sortida de potència de fonts renovables com l'energia eòlica. S'està estudiant l'ús de parells redox de vanadi per a les bateries recarregables d'ió liti, que podria suposar una capacitat d'emmagatzematge superior a la de les bateries de liti tradicionals.

Altres 

És un important estabilitzador de carburs en la fabricació d'acers. S'empra en alguns components de reactors nuclears. Forma part, com aliatge V3Ga, d'alguns imants superconductors.

El vanadat de bismut BiVO4 s'utilitza com a pigment indicador de temperatura. A 25 °C, el pigment és groc o groc clar, a 140 °C és taronja-vermell, mentre que a 350 °C és taronja-vermellós a rosa; no obstant això, no hi ha una temperatura de transició clara.

Els òxids i vanadats s'utilitzen en la producció d'una tinta d'impressió que reacciona per produir un recobriment de resina negre. L'addició de vanadat d'amoni pot produir tinta de secat ràpid. També s'utilitza una petita quantitat de pentaòxid de vanadi en la indústria de la impressió tèxtil. El vanadi ajuda a oxidar l'anilina i a produir un tint negre fort que no es descoloreix.

Els critalls de vanadat d'itri dopats amb neodimi Nd \!:\! YVO4 són emprats en raigs làser.

Rol biològic 
El vanadi és un element químic essencial en alguns organismes. En humans no està demostrada la seva essencialitat, tot i que existixen compostos de vanadi que imiten i potencien l'activitat de la insulina.

Es troba en alguns enzims en distints éssers vius. Per exemple, en les haloperoxidasses (generalment bromoperoxidasses) d'algunes algues, que redueixen peròxids i alhora halogenen un substrat orgànic. Els ascidis (uns organismes marins del subembrancament dels tunicats) emmagatzemen altes concentracions de vanadi, al voltant d'un milió de vegades més altes que l'aigua que els envolta, el qual s'acumula en una molècula anomenada hemovanadina. En aquests organismes el vanadi s'emmagatzema en unes cèl·lules anomenades vanadocits.

També acumula altes concentracions de vanadi el reig de fageda, formant, en aquest fong, un complex amb un lligant ionòfor anomenat amavadina.

Precaucions 
La pols metàl·lica és pirofòrica, i els compostos de vanadi han de ser considerats com a altament tòxics. La seva inhalació pot causar càncer de pulmó. L'Administració de Seguretat i Salut Ocupacional (OSHA) ha establert un límit d'exposició per a la pols de pentaòxid de divanadi de 0,05 mg/m³, i de 0,1 mg/m³ per al gas de pentaòxid de divanadi en l'aire del lloc de treball per a una jornada de 8 hores, 40 hores a la setmana. L'Institut Nacional de Salut i Seguretat Ocupacional (NIOSH) recomana que ha de considerar-se perillós per a la salut i la vida un nivell de 35 mg/m³ de vanadi. Aquest nivell correspon al que pot causar problemes permanents de salut o mort.

Referències

Enllaços externs 

 webelements.com - Vanadi 
 environmentalchemistry.com - Vanadi 
 AMM.com Perfil del Vanadi  
 Mineral Information Institute - Vanadium  
 ATSDR - ToxFAQs: Vanadium