Vanádio: história, propriedades, estrutura, usos - Ciência - 2023

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o vanádio É o terceiro metal de transição da tabela periódica, representado pelo símbolo químico V. Não é tão popular quanto os outros metais, mas quem entende de aços e titânio já deve ter ouvido falar dele como aditivo para reforço em ligas ou ferramentas. Fisicamente é sinônimo de dureza e, quimicamente, de cores.

Alguns químicos ousam descrevê-lo como um metal camaleão, capaz de adotar uma ampla gama de cores em seus compostos; Propriedade eletrônica que se assemelha à dos metais manganês e cromo. Em seu estado nativo e puro, ele se parece com outros metais: prata, mas com tons azulados. Depois de enferrujado, tem a aparência mostrada abaixo.

Nesta imagem a iridescência do óxido é pouco visível, o que depende dos acabamentos ou da superfície dos cristais metálicos. Esta camada de óxido o protege de oxidação posterior e, portanto, da corrosão.

Essa resistência à corrosão, bem como ao craqueamento térmico, é fornecida às ligas quando átomos de V são adicionados a elas. Tudo isso, sem levantar muito seu peso, já que o vanádio não é um metal pesado, mas leve; ao contrário do que muitos podem pensar.

Seu nome deriva da deusa nórdica Vanadís, da Escandinávia; no entanto, foi descoberto no México, como parte do mineral vanadinita, Pb₅[VO₄]₃Cl, de cristais avermelhados. O problema era que para obtê-lo desse mineral e de muitos outros, o vanádio teve que se transformar em um composto mais fácil de reduzir do que seu óxido, V₂OU₅ (que é reduzido pelo cálcio).

Outras fontes de vanádio encontram-se em seres marinhos, ou no petróleo bruto, "aprisionado" nas petroporfirinas.

Em solução, as cores que seus compostos podem ter, dependendo do seu estado de oxidação, são o amarelo, o azul, o verde escuro ou o violeta. O vanádio não se destaca apenas por esses números ou estados de oxidação (de -1 a +5), mas por sua capacidade de se coordenar de maneiras diferentes com os ambientes biológicos.

A química do vanádio é abundante, misteriosa e, em comparação com outros metais, ainda há muita luz que deve ser lançada sobre ele para seu entendimento mais próximo.

História

Descoberta

O México tem a honra de ter sido o país onde esse elemento foi descoberto. O mineralogista Andrés Manuel del Río, em 1801, analisou um mineral avermelhado que ele mesmo chamou de chumbo marrom (vanadinita, Pb₅[VO₄]₃Cl), extraíram alguns óxidos metálicos cujas características não correspondiam às de nenhum elemento conhecido na época.

Assim, ele primeiro batizou este elemento com o nome de ‘Pancromo’ devido à rica variedade de cores de seus compostos; em seguida, ele o rebatizou de 'Eritrono', da palavra grega erythronium, que significa vermelho.

Quatro anos depois, o químico francês Hippolyte Victor Collet Descotils conseguiu fazer com que Del Rio retratasse suas afirmações, sugerindo que o eritron não era um elemento novo, mas impurezas de cromo. E levou mais de vinte anos para que algo se soubesse sobre esse elemento esquecido descoberto em solos mexicanos.

Emergência do nome

Em 1830, o químico suíço Nils Gabriel Sefström, descobriu outro novo elemento nos minerais de ferro, que chamou de vanádio; nome que deriva da deusa nórdica Vanadís, em comparação de sua beleza com as cores brilhantes dos compostos desse metal.

Naquele mesmo ano, o geólogo alemão George William Featherstonhaugh, observou que vanádio e eritron eram na verdade o mesmo elemento; e embora ele quisesse que o nome do Rio prevalecesse ao chamá-lo de ‘Rionio’, sua proposta não foi aceita.

Isolamento

Para isolar o vanádio, era necessário reduzi-lo de seus minerais e, como o escândio e o titânio, essa tarefa não era fácil devido à sua tenaz afinidade com o oxigênio. Ele precisava primeiro ser transformado em espécies que fossem reduzidas com relativa facilidade; no processo, Berzelius obteve nitreto de vanádio em 1831, que ele confundiu com o metal nativo.

Em 1867, o químico inglês Henry Enfield Roscoe, conseguiu a redução do cloreto de vanádio (II), VCl₂, ao vanádio metálico usando gás hidrogênio. No entanto, o metal produzido era impuro.

Por fim, marcando o início da história tecnológica do vanádio, uma amostra de grande pureza foi obtida reduzindo o V₂OU₅ com cálcio metálico. Um de seus primeiros usos proeminentes foi fazer o chassi do carro Ford Model T.

Propriedades

Aparência física

Em sua forma pura, é um metal acinzentado com nuances azuladas, macio e dúctil. Porém, quando coberto por uma camada de óxido (principalmente o produto de um isqueiro), adquire cores marcantes como se fosse um camaleão de cristal.

Massa molar

50,9415 g / mol

Ponto de fusão

1910 ° C

Ponto de ebulição

3407 ° C

Densidade

-6,0 g / mL, à temperatura ambiente

-5,5 g / mL, no ponto de fusão, ou seja, dificilmente funde.

Calor de fusão

21,5 kJ / mol

Calor da vaporização

444 kJ / mol

Capacidade de calor molar

24,89 J / (mol K)

Pressão de vapor

1 Pa a 2101 K (praticamente insignificante mesmo em altas temperaturas).

Eletro-negatividade

1,63 na escala de Pauling.

Energias de ionização

Primeiro: 650,9 kJ / mol (V⁺ gasoso)

Segundo: 1414 kJ / mol (V²⁺ gasoso)

Terceiro: 2830 kJ / mol (V³⁺ gasoso)

Dureza de Mohs

6,7

Decomposição

Quando aquecido, pode liberar gases tóxicos de V₂OU₅.

Cores de soluções

Uma das principais e mais marcantes características do vanádio são as cores de seus compostos. Quando alguns deles são dissolvidos em meio ácido, as soluções (principalmente aquosas) exibem cores que permitem distinguir um número ou estado de oxidação de outro.

Por exemplo, a imagem acima mostra quatro tubos de ensaio com vanádio em diferentes estados de oxidação. O da esquerda, amarelo, corresponde a V⁵⁺, especificamente como cátion VO₂⁺. Então o cátion VO segue²⁺, com V⁴⁺, de cor azul; cátion V³⁺, verde escuro; e V²⁺, roxo ou lilás.

Quando uma solução consiste em uma mistura de compostos de V⁴⁺e V⁵⁺, obtém-se uma cor verde brilhante (produto do amarelo com o azul).

Reatividade

A camada V₂OU₅ no vanádio, protege-o de reagir com ácidos fortes, como sulfúrico ou clorídrico, bases fortes e, além da corrosão causada por oxidação posterior.

Quando aquecido acima de 660 ° C, o vanádio oxida completamente, parecendo um sólido amarelo com brilho iridescente (dependendo dos ângulos de sua superfície). Este óxido amarelo-laranja pode ser dissolvido se ácido nítrico for adicionado, o que retornará o vanádio à sua cor prateada.

Isótopos

Quase todos os átomos de vanádio no Universo (99,75% deles) são sobre o isótopo ⁵¹V, enquanto uma porção muito pequena (0,25%) corresponde ao isótopo ⁵⁰V. Portanto, não é surpreendente que o peso atômico do vanádio seja 50,9415 u (mais próximo de 51 do que 50).

Os outros isótopos são radioativos e sintéticos, com meia-vida (t_1/2) variando de 330 dias (⁴⁹V), 16 dias (⁴⁸V), algumas horas ou 10 segundos.

Estrutura e configuração eletrônica

Os átomos de vanádio, V, estão dispostos em uma estrutura cristalina cúbica centrada no corpo (bcc), um produto de sua ligação metálica. Das estruturas, esta é a menos densa, com seus cinco elétrons de valência participando do "mar de elétrons", de acordo com a configuração eletrônica:

[Ar] 3d³ 4s²

Assim, os três elétrons do orbital 3d, e os dois do orbital 4s, se unem para transitar por uma faixa formada pela sobreposição dos orbitais de valência de todos os átomos V do cristal; claramente, explicação baseada na teoria da banda.

Como os átomos de V são um pouco menores do que os metais à sua esquerda (escândio e titânio) na tabela periódica e, dadas suas características eletrônicas, sua ligação metálica é mais forte; fato que se reflete em seu ponto de fusão mais alto e, portanto, com seus átomos mais coesos.

De acordo com estudos computacionais, a estrutura bcc do vanádio é estável mesmo sob enormes pressões de 60 GPa. Superada essa pressão, seu cristal passa por uma transição para a fase romboédrica, que permanece estável até 434 GPa; quando a estrutura bcc reaparece novamente.

Números de oxidação

A configuração eletrônica do vanádio por si só indica que seu átomo é capaz de perder até cinco elétrons. Quando isso acontece, o gás nobre argônio torna-se isoeletrônico e a existência do cátion V é assumida.⁵⁺.

Da mesma forma, a perda de elétrons pode ser gradual (dependendo da espécie a que está ligada), tendo números de oxidação positivos que variam de +1 a +5; portanto, em seus compostos a existência dos respectivos cátions V é assumida⁺, V²⁺ e assim por diante.

O vanádio também pode ganhar elétrons, transformando-se em um ânion metálico. Seus números de oxidação negativos são: -1 (V^–) e -3 (V^3-) A configuração de elétrons do V^3- isto é:

[Ar] 3d⁶ 4s²

Embora faltem quatro elétrons para completar o preenchimento dos orbitais 3d, V é mais estável energeticamente^3- que o V^7-, que em teoria precisariam de espécies extremamente eletropositivas (para dar seus elétrons).

Formulários

-Metal

Aço e ligas de titânio

O vanádio confere resistência mecânica, térmica e vibracional, bem como dureza às ligas às quais é adicionado. Por exemplo, como ferrovanádio (ferro e liga de vanádio) ou carboneto de vanádio, ele é adicionado junto com outros metais no aço ou em ligas de titânio.

Desta forma, são criados materiais muito duros e leves, úteis para uso como ferramentas (brocas e chaves), engrenagens, peças de automóveis ou aeronaves, turbinas, bicicletas, motores a jato, facas, implantes dentários, etc.

Além disso, suas ligas com gálio (V₃Ga) são supercondutores e são usados para fazer ímãs. E também, devido à sua baixa reatividade, as ligas de vanádio são usadas em tubos por onde circulam reagentes químicos corrosivos.

Baterias redox de vanádio

O vanádio faz parte das baterias redox, VRB (por sua sigla em inglês: Vanadium Redox Batteries). Eles podem ser usados para promover a geração de eletricidade a partir da energia solar e eólica, bem como baterias em veículos elétricos.

-Composites

Pigmento

O V₂OU₅ É usado para dar ao vidro e à cerâmica uma cor dourada. Por outro lado, sua presença em alguns minerais torna-os esverdeados, como acontece com as esmeraldas (e graças a outros metais também).

Catalisador

O V₂OU₅É também um catalisador usado para a síntese de ácido sulfúrico e ácido anidrido maleico. Misturado com outros óxidos metálicos, catalisa outras reações orgânicas, como a oxidação de propano e propileno a acroleína e ácido acrílico, respectivamente.

Medicinal

Drogas que consistem em complexos de vanádio têm sido consideradas como possíveis e potenciais candidatas para o tratamento de diabetes e câncer.

Papel biológico

Parece irônico que o vanádio, sendo seus compostos coloridos e tóxicos, seus íons (VO⁺, VO₂⁺ e VO₄^3-, principalmente) em vestígios são benéficos e essenciais para os seres vivos; especialmente aqueles de habitats marinhos.

Os motivos estão centrados em seus estados de oxidação, com quantos ligantes no ambiente biológico ele coordena (ou interage), na analogia entre o ânion vanadato e fosfato (VO₄^3- e PO₄^3-), e em outros fatores estudados por químicos bioinorgânicos.

Os átomos de vanádio podem então interagir com aqueles átomos pertencentes a enzimas ou proteínas, seja com quatro (tetraedro de coordenação), cinco (pirâmide quadrada ou outras geometrias) ou seis. Se quando isso ocorre uma reação favorável ao organismo é desencadeada, diz-se que o vanádio exerce atividade farmacológica.

Por exemplo, existem haloperoxidases: enzimas que podem usar o vanádio como cofator. Existem também vanabinas (nas células de vanadócitos dos tunicados), fosforilases, nitrogenases, transferinas e albuminas séricas (de mamíferos), capazes de interagir com esse metal.

Uma molécula orgânica ou complexo de coordenação de vanádio, chamada amavadin, está presente nos corpos de certos fungos, como Amanita muscaria (imagem abaixo).

E, finalmente, em alguns complexos, o vanádio pode estar contido em um grupo heme, como é o caso do ferro na hemoglobina.

Referências

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