Biológia vanádu
Vanád je zastúpený v niekoľkých krokoch. Najskôr je potrebné získať oxid vanádu (V) z rôznych východiskových materiálov. Tento môže byť potom zredukovaný na elementárny kov a prípadne vyčistený.
Možnými východiskovými materiálmi, z ktorých je možné vanád extrahovať, sú vanádové rudy, ako napríklad karnotit alebo patronit, titán-magnetitové rudy s obsahom vanádu a ropa. Vanádové rudy boli v minulosti dôležité pre výrobu, ale už nehrajú dôležitú úlohu a nahradili ich hlavne titán-magnetitové rudy.
Ak sa železné rudy obsahujúce vanád redukujú v procese vysokej pece na železo, zostáva vanád v surovom železe. Na ďalšie spracovanie surového železa na oceľ sa počas procesu rafinácie vháňa kyslík. Vanád ide do trosky. Ten obsahuje až 25% oxidu vanádu (V) a je najdôležitejším zdrojom pre ťažbu kovu. Na získanie čistého oxidu vanadičitého sa jemne mletá troska oxiduje pražením pomocou sodných solí, ako je chlorid sodný alebo uhličitan sodný. Pritom sa vytvorí vo vode rozpustný metavanadičnan sodný, ktorý sa vylúhovaním oddelí od zostávajúcej trosky. Výsledný nerozpustný polyvanadát amónny sa vyzráža z roztoku pridaním kyslých a amónnych solí. Ten sa dá pražením premeniť na oxid vanádnatý. Oxid je tiež možné získať z iných rúd obsahujúcich vanád rovnakým spôsobom. Vanád je možné extrahovať z ropy tvorením emulzie s prídavkom vody a dusičnanu horečnatého. Ďalšie spracovanie prebieha ako pri extrakcii zo železných rúd. [13]
Skutočná výroba vanádu sa uskutočňuje redukciou oxidu vanádu (V) s inými kovmi. Ako redukčné činidlá sa môžu použiť hliník, vápnik, ferosilikón alebo uhlík; s posledne menovaným však pri reakcii vznikajú karbidy, ktoré sa ťažko oddeľujú od kovu.
Na získanie čistého vanádu sa ako redukčné činidlo používa drahý vápnik alebo hliník, pretože s lacnejším ferosilíciom nie je možné dosiahnuť vysoký stupeň čistoty. Zatiaľ čo čistý vanád sa získava priamo s vápnikom, zliatina vanádu a hliníka sa pôvodne vytvára s hliníkom, z ktorého sa čistý vanád získava sublimáciou vo vákuu.
Väčšina vanádu však nie je k dispozícii ako čistý kov, ale vo forme zliatiny železa a vanádu Ferovanád, obsahuje najmenej 50% vanádu [13]. Na jeho výrobu nie je potrebné vopred extrahovať čistý vanád. Namiesto toho sa troska obsahujúca vanád a železo redukuje na ferovanad pomocou ferosilícia a vápna. Táto zliatina je dostatočná pre väčšinu technických aplikácií.
Najčistejší vanád sa môže vyrábať buď elektrochemicky alebo podľa Van-Arkel-de-Boerovej metódy. Za týmto účelom sa čistý vanád roztaví spolu s jódom v prázdnej sklenenej ampulke. Jodid vanádnatý vytvorený vo vyhrievanej ampulke sa rozkladá na horúcom wolfrámovom drôte za vzniku vysoko čistého vanádu a jódu.
charakteristiky
Fyzikálne vlastnosti
Vanád je nemagnetický, húževnatý, tvárny a zreteľne oceľovomodrý ťažký kov s hustotou 6,11 g/cm3. [13] Čistý vanád je pomerne mäkký, ale keď sa pridajú ďalšie prvky, stane sa tvrdší a potom bude mať vysokú mechanickú pevnosť. Vo väčšine svojich vlastností je podobný svojmu susedovi v periodickej tabuľke, titánu. Teplota topenia čistého vanádu je 1910 ° C, ale je výrazne zvýšená nečistotami, ako je uhlík. S obsahom uhlíka 10% je to okolo 2700 ° C. [17] Vanád kryštalizuje ako chróm alebo niób v kubickej kryštalickej štruktúre zameranej na telo s vesmírnou skupinou $ Im \ barm $ a mriežkovým parametrom a = 302,4 pm, ako aj dvoma jednotkami vzorca na jednotku bunky. [19]
Vanád sa stáva supravodičom pod teplotou prechodu 5,13 K. [20] Rovnako ako čistý vanád, aj zliatiny vanádu s gáliom, nióbom a zirkónom sú supravodivé. Pri teplotách pod 5,13 K vykazuje vanád, rovnako ako kovy vanádovej skupiny niób a tantal, doposiaľ nevysvetlenú spontánnu elektrickú polarizáciu v malých zhlukoch až do 200 atómov, ktorú inak prejavujú iba nekovové látky. [21] [22]
Chemické vlastnosti
Vanád je základný kov a je schopný reagovať s mnohými nekovmi. Vo vzduchu zostáva lesklá metalíza celé týždne. Pri dlhodobejšom pohľade je viditeľná jasne viditeľná zelená hrdza. Ak sa má vanád konzervovať, musí sa udržiavať pod argónom. V teple je napadnutý kyslíkom a oxiduje sa na oxid vanádnatý. Zatiaľ čo uhlík a dusík reagujú s vanádom iba vtedy, keď je žiarovka, reakcia s fluórom a chlórom prebieha za studena.
Vanád je pri izbovej teplote väčšinou stabilný voči kyselinám a zásadám vďaka tenkej pasivačnej vrstve oxidu; je napadnutý iba kyselinou fluorovodíkovou a silne oxidujúcimi kyselinami, ako je horúca kyselina dusičná, koncentrovaná kyselina sírová a aqua regia.
Vanád je schopný absorbovať vodík až do teploty 500 ° C. Kov sa stáva krehkým a dá sa ľahko práškovať. Vodík je možné odstrániť pri 700 ° C vo vákuu. [13]
Izotopy
Celkom 25 izotopov a ďalších 6 jadrových izomérov je známych z vanádu. [23] Z nich dva sa vyskytujú prirodzene. Sú to izotopy 50 V s prirodzenou frekvenciou 0,25% a 51 V s frekvenciou 99,75%. 50 V je slabo rádioaktívny, s polčasom rozpadu 1,5 · 10 17 rokov sa rozpadá 83% pri elektrónovom záchyte na 50 Ti, 17% pri β - rozpade na 50 Cr. [23] Obidve jadrá sa môžu použiť na výskumy pomocou NMR spektroskopie.
Najstabilnejšie umelé izotopy sú 48 V s polčasom 16 dní a 49 V s polčasom 330 dní. Používajú sa ako stopovacie látky. [17] Všetky ostatné izotopy a základné izoméry sú veľmi nestabilné a rozpadajú sa v priebehu niekoľkých minút alebo sekúnd.
→ Zoznam izotopov vanádu
použitie
Vďaka malému prierezu zachytávania neutrónov sa ako obkladový materiál pre jadrové palivá používa iba malé percento čistého vanádu. [24] Môžu sa však použiť aj odolnejšie zliatiny vanádu. Viac ako 90% výroby sa používa v rôznych zliatinách, väčšinou v kovoch železo, titán, nikel, chróm, hliník alebo mangán. V zlúčeninách sa používa iba malá časť, väčšinou vo forme oxidu vanádu (V).
S 85% vyrobeného vanádu sa zďaleka najväčšia časť spotrebuje v oceliarskom priemysle. Pretože to nevyžaduje vysokú čistotu, používa sa ako surovina ferovanád. Už v malom množstve zvyšuje vanád pevnosť a húževnatosť ocelí, a tým výrazne zvyšuje odolnosť proti opotrebovaniu. Je to spôsobené tvorbou tvrdého karbidu vanádu. V závislosti od aplikácie sa pridávajú rôzne množstvá vanádu. Konštrukčné ocele a nástrojové ocele obsahujú iba malé množstvo (0,2 až 0,5%) vanádu, zatiaľ čo rýchlorezná oceľ obsahuje až 5%. [15] Ocele obsahujúce vanád sa používajú hlavne na nástroje a pružiny, ktoré sú vystavené mechanickému namáhaniu. Ocele, ktoré okrem železa a vanádu obsahujú aj kobalt, sú magnetické.
Zliatiny titánu, ktoré obsahujú vanád a väčšinou hliník, sú obzvlášť stabilné a tepelne odolné a používajú sa v konštrukcii lietadiel pre nosné diely a lopatky turbín leteckých motorov. [13]
Vanád sa používa ako hlavný elektrolyt v jednom type takzvaného redoxného prietokového článku; príkladom takejto aplikácie je redádiový akumulátor vanádu.
dôkaz
Predbežnú vzorku poskytuje guľôčka so soľou fosforu, v ktorej sa vanád v redukčnom plameni javí ako charakteristická zelená. Oxidačný plameň je bledožltý, a preto príliš nešpecifický. [25]
Kvalitatívny dôkaz pre vanád je založený na tvorbe peroxovanádiových iónov. Za týmto účelom sa kyslý roztok obsahujúci vanád v oxidačnom stave +5 zmieša s trochou peroxidu vodíka. Vytvorí sa červenohnedý katión [V (O2)] 3+. Ten reaguje s väčším množstvom peroxidu vodíka za vzniku bledožltej kyseliny peroxovanadovej H3 [VO2 (02) 2]. [25]
Vanád je možné kvantitatívne určiť titráciou. Na tento účel sa roztok kyseliny sírovej obsahujúci vanád oxiduje manganistanom draselným na päťmocný vanád a potom sa spätne titruje roztokom síranu železnatého a difenylamínom ako indikátorom. Je tiež možná redukcia päťmocného vanádu prítomného v síranu železnatom na štvormocný oxidačný stav a následná potenciometrická titrácia roztokom manganistanu draselného. [13]
V moderných analytikách možno vanád detegovať pomocou niekoľkých metód. Jedná sa napríklad o atómovú absorpčnú spektrometriu pri 318,5 nm a spektrofotometriu s N-benzoyl-N-fenylhydroxylamínom ako farebným činidlom pri 546 nm. [15]
Biologický význam
Zlúčeniny vanádu majú rôzne biologické významy. Pre vanád je charakteristické, že sa vyskytuje buď aniontovo ako vanadičnan, aj katiónovo ako VO2 +, VO 2+ alebo V 3+. Vanadáty sú veľmi podobné fosforečnanom a majú preto podobné účinky. Pretože sa vanadát viaže silnejšie na vhodné enzýmy ako fosfát, je schopný blokovať a tým riadiť enzýmy fosforylácie. Týka sa to napríklad sodno-draselno-ATPázy, ktorá riadi transport sodíka a draslíka do buniek. Táto blokáda sa dá rýchlo odstrániť desferrioxamínom B, ktorý s vanadátom vytvára stabilný komplex. [14] Vanád tiež ovplyvňuje absorpciu glukózy. Je schopný stimulovať glykolýzu v pečeni a inhibovať konkurenčný proces glukoneogenézy. To vedie k zníženiu hladiny glukózy v krvi. [15] Preto sa skúma, či sú zlúčeniny vanádu vhodné na liečbu diabetes mellitus 2. typu. Jednoznačné výsledky sa však zatiaľ nenašli. [26] Okrem toho vanád stimuluje oxidáciu fosfolipidov a potláča syntézu cholesterolu inhibíciou skvalénsyntázy, systému mikrozomálnych enzýmov v pečeni. Následkom toho nedostatok spôsobuje zvýšené hladiny cholesterolu a triglyceridov v krvnej plazme. [27]
Vanád hrá úlohu pri fotosyntéze rastlín. Je schopný katalyzovať reakciu za vzniku kyseliny 5-aminolevulínovej bez enzýmu. Toto je dôležitý predchodca tvorby chlorofylu. [14]
V niektorých organizmoch existujú enzýmy obsahujúce vanád, niektoré druhy baktérií majú na fixáciu dusíka dusíkaté látky obsahujúce vanád. Ide napríklad o druhy rodu Azotobacter ako aj sinice Anabaena variabilis. [14] Tieto dusičnany však nie sú také účinné ako bežnejšie dusičnany molybdénu, a preto sa aktivujú iba v prípade nedostatku molybdénu. [28] Ďalšie enzýmy obsahujúce vanád sa nachádzajú v hnedých riasach a lišajníkoch. Majú haloperoxidázy obsahujúce vanád, z ktorých vytvárajú organické chlór, bróm alebo jód a organické zlúčeniny.
Funkcia vanádu, ktorý je vo veľkých množstvách prítomný v morských výronoch ako metaloproteín vanabín, nie je zatiaľ známa. Pôvodne sa predpokladalo, že vanád, podobne ako hemoglobín, slúži ako transportér kyslíka; zistilo sa však, že je to nesprávne. [28]
Nebezpečenstvá
Rovnako ako iný kovový prach, aj vanádový prach je horľavý. V pokusoch na zvieratách sa preukázalo, že vanád a jeho anorganické zlúčeniny sú karcinogénne. Preto sú klasifikované ako karcinogény kategórie 2. [29] Ak pracovníci s tavením kovov vdychujú vanádový prach dlhší čas, môže dôjsť k takzvanému vanadizmu. Toto uznané ochorenie z povolania sa môže prejaviť podráždením slizníc, zeleno-čiernym sfarbením jazyka, ako aj chronickými ochoreniami priedušiek, pľúc a čriev. [15]
odkazy
Vanád môže byť v zlúčeninách prítomný v rôznych oxidačných stavoch. Úrovne sú často +5, +4, +3 a +2, zriedkavejšie sú +1, 0, -1 a -3. Najdôležitejšie a najstabilnejšie oxidačné stavy sú +5 a +4.
Vodný roztok
Vanád sa vo vodnom roztoku dá ľahko premeniť na rôzne oxidačné stavy. Pretože rôzne ióny vanádu majú charakteristické farby, dochádza k farebným zmenám.
V kyslom roztoku pentavalentný vanád vytvára bezfarebné ióny VO2 +, ktoré sa spočiatku redukujú na modré štvormocné ióny VO 2+. Trojmocná hladina s iónmi V 3+ má zelenú farbu, najnižšiu hladinu, ktorú je možné dosiahnuť vo vodnom roztoku, dvojmocný ión V 2+ má šedo-fialovú farbu.
Zlúčeniny kyslíka
Najdôležitejšou a najstabilnejšou zlúčeninou vanádu a kyslíka je oxid vanádu (V) V2O5. Táto oranžovo sfarbená zlúčenina sa používa vo veľkých množstvách ako katalyzátor na výrobu kyseliny sírovej. Tam pôsobí ako nosič kyslíka a počas reakcie sa redukuje na iný oxid vanádu, oxid vanádnatý (VO2). Ďalšími známymi oxidmi vanádu sú oxid vanadičitý V203 a oxid vanádnatý VO.
V alkalickom roztoku vytvára oxid vanádnatý vanadičnany, soli s aniónom VO4 3−. Na rozdiel od analogických fosfátov je však vanadičanový ión najstabilnejšou formou; Vodík a dihydrogén-vanadičitany, ako aj voľná kyselina vanádová, sú nestabilné a sú známe iba v zriedených vodných roztokoch. Ak sa okyslia zásadité roztoky vanadičnanu, namiesto vodíkových vanadičnanov sa tvoria polyvanadáty, v ktorých sa hromadí až desať jednotiek vanadátu. Vanadáty možno nájsť v rôznych mineráloch, napríklad vanadinit, descloicit a karnotit.
Halogénové zlúčeniny
Vanád vytvára veľké množstvo zlúčenín s halogénmi fluór, chlór, bróm a jód. Je známe, že iba jedna zlúčenina, fluorid vanádnatý, je v oxidačnom stave +5. V oxidačných stavoch +4, +3 a +2 existujú zlúčeniny so všetkými halogénmi, iba s jódom sú známe iba zlúčeniny v skupinách +2 a +3. Z týchto halogenidov sú však technicky relevantné iba chloridy chlorid vanaditý a chlorid vanáditý. Okrem iného slúžia ako katalyzátor na výrobu etylén-propyléndienového kaučuku. [13]
Chloridy oxidu vanádu
Vanád tiež vytvára zmiešané soli s kyslíkom a chlórom, tzv Chloridy oxidu vanádu. Oxychlorid vanaditý, VOCl, je žltohnedý, vo vode rozpustný prášok. Oxychlorid vanádnatý (VOCl2), používaný vo fotografii a ako textilná škvrna, pozostáva zo zelených, hygroskopických kryštálov, ktoré sa rozpúšťajú vo vode s modrou farbou. A nakoniec, oxychlorid vanádnatý (V), VOCI3, je žltá kvapalina, ktorá sa veľmi ľahko hydrolyzuje vodou. VOCl3 sa používa ako katalyzátorová zložka pri nízkotlakovej polymerizácii etylénu. [30]
Viac zlúčenín vanádu
V organických zlúčeninách vanádu dosahuje vanád svoje najnižšie oxidačné stavy 0, −I a −III. Tu sú obzvlášť dôležité metalocény, takzvané vanadocény. Používajú sa ako katalyzátory polymerizácie alkínov. [31]
Karbid vanádu VC sa používa v práškovej forme na plazmové striekanie a zváranie plazmovým práškom. [32] Ďalej sa karbid vanádu pridáva do tvrdých kovov s cieľom znížiť rast zrna. [13] Vytvárajú sa takzvané cermety, ktoré sú obzvlášť tvrdé a odolné proti opotrebovaniu.