Vanadium - Vanadium

Vanadium,  23 V
Vanadium gravé.jpg
Vanadium
Prononciation / V ə n D i ə m / ( və- NAY -Dee-əm )
Apparence métal bleu-argent-gris
Poids atomique standard A r, std (V) 50.9415(1)
Vanadium dans le tableau périodique
Hydrogène Hélium
Lithium Béryllium Bore Carbone Azote Oxygène Fluor Néon
Sodium Magnésium Aluminium Silicium Phosphore Soufre Chlore Argon
Potassium Calcium Scandium Titane Vanadium Chrome Manganèse Le fer Cobalt Nickel Le cuivre Zinc Gallium Germanium Arsenic Sélénium Brome Krypton
Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdène Technétium Ruthénium Rhodié Palladium Argent Cadmium Indium Étain Antimoine Tellure Iode Xénon
Césium Baryum Lanthane Cérium Praséodyme Néodyme Prométhium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutécium Hafnium Tantale Tungstène Rhénium Osmium Iridium Platine Or Mercure (élément) Thallium Mener Bismuth Polonium Astatine Radon
Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Américium Curium Berkélium Californie Einsteinium Fermium Mendélévie nobélium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flérovium Moscou Livermorium Tennessine Oganesson
-

V

Nb
titanevanadiumchrome
Numéro atomique ( Z ) 23
Grouper groupe 5
Période période 4
Bloquer   d-bloc
Configuration électronique [ Ar ] 3d 3 4s 2
Électrons par coquille 2, 8, 11, 2
Propriétés physiques
Phase à  STP solide
Point de fusion 2183  K ​(1910 °C, ​3470 °F)
Point d'ébullition 3680 K ​(3407 °C, ​6165 °F)
Densité (près de  rt ) 6,11 g / cm 3
quand liquide (au  mp ) 5,5 g / cm 3
Température de fusion 21,5  kJ/mol
Chaleur de vaporisation 444 kJ/mol
Capacité calorifique molaire 24,89 J/(mol·K)
La pression de vapeur
P  (Pa) 1 dix 100 1 kilo 10 kilos 100 000
à  T  (K) 2101 2289 2523 2814 3187 3679
Propriétés atomiques
États d'oxydation −3, −1, 0, +1, +2 , +3 , +4 , +5 (un  oxyde amphotère )
Électronégativité Échelle de Pauling : 1,63
Énergies d'ionisation
Rayon atomique empirique : 134  h
Rayon covalent 153±20h
Lignes de couleur dans une gamme spectrale
Lignes spectrales du vanadium
Autres propriétés
Occurrence naturelle primordial
Structure en cristal corps cubique centrée (bcc)
Structure cristalline cubique centrée pour le vanadium
Vitesse du son tige mince 4560 m/s (à 20 °C)
Dilatation thermique 8,4 µm/(m⋅K) (à 25 °C)
Conductivité thermique 30,7 W/(m⋅K)
Résistivité électrique 197 nΩ⋅m (à 20 °C)
Commande magnétique paramagnétique
Susceptibilité magnétique molaire +255,0 × 10 −6  cm 3 /mol (298 K)
Module d'Young 128 GPa
Module de cisaillement 47 GPa
Module de vrac 160 GPa
Coefficient de Poisson 0,37
Dureté de Mohs 6.7
Dureté Vickers 628-640 MPa
dureté Brinell 600-742 MPa
Numero CAS 7440-62-2
Histoire
Découverte Nils Gabriel Sefström (1830)
Premier isolement Henry Enfield Roscoe (1867)
Nommé par Nils Gabriel Sefström (1830)
Principaux isotopes du vanadium
Isotope Abondance Demi-vie ( t 1/2 ) Mode de décomposition Produit
48 V syn 16 jours β + 48 Ti
49 V syn 330 jours ?? 49 Ti
50 V 0,25% 1,5 × 10 17  y ?? 50 Ti
β - 50 Cr
51 V 99,75% stable
Catégorie Catégorie : Vanadium
| les références

Le vanadium est un élément chimique de symbole V et de numéro atomique 23. C'est un métal de transition dur, gris argenté et malléable . Le métal élémentaire se trouve rarement dans la nature, mais une fois isolé artificiellement, la formation d'une couche d' oxyde ( passivation ) stabilise quelque peu le métal libre contre une oxydation supplémentaire .

Andrés Manuel del Río a découvert des composés de vanadium en 1801 au Mexique en analysant un nouveau minéral plombifère qu'il a appelé "plomb brun". Bien qu'il ait d'abord supposé que ses qualités étaient dues à la présence d'un nouvel élément, il a ensuite été convaincu à tort par le chimiste français Hippolyte Victor Collet-Descotils que l'élément n'était que du chrome . Puis en 1830, Nils Gabriel Sefström généra des chlorures de vanadium, prouvant ainsi qu'il y avait un nouvel élément, et le nomma « vanadium » d'après la déesse scandinave de la beauté et de la fertilité, Vanadís (Freyja). Le nom était basé sur la large gamme de couleurs trouvées dans les composés de vanadium. Le minerai de plomb de Del Rio a finalement été nommé vanadinite pour sa teneur en vanadium. En 1867, Henry Enfield Roscoe obtient l'élément pur.

Le vanadium est présent naturellement dans environ 65 minéraux et dans les gisements de combustibles fossiles . Il est produit en Chine et en Russie à partir de scories de fonderie d'acier . D'autres pays le produisent soit à partir de la magnétite directement, de la poussière de combustion du pétrole lourd, soit en tant que sous-produit de l' extraction de l' uranium . Il est principalement utilisé pour produire des alliages d' aciers spéciaux tels que les aciers à outils rapides et certains alliages d'aluminium . Le composé de vanadium industriel le plus important, le pentoxyde de vanadium , est utilisé comme catalyseur pour la production d'acide sulfurique . La batterie redox au vanadium pour le stockage d'énergie pourrait être une application importante à l'avenir.

De grandes quantités d' ions vanadium se trouvent dans quelques organismes, peut-être sous forme de toxine . L'oxyde et certains autres sels de vanadium ont une toxicité modérée. En particulier dans l'océan, le vanadium est utilisé par certaines formes de vie comme centre actif d' enzymes , comme la bromoperoxydase de vanadium de certaines algues marines .

Histoire

Le vanadium a été découvert en 1801 par le minéralogiste espagnol Andrés Manuel del Río . Del Río a extrait l'élément d'un échantillon de minerai de « plomb brun » mexicain, plus tard nommé vanadinite . Il a constaté que ses sels présentent une grande variété de couleurs, et en conséquence, il a nommé l'élément panchrome (grec : παγχρώμιο "toutes les couleurs"). Plus tard, Del Río a renommé l'élément érythronium (grec : ερυθρός « rouge ») parce que la plupart des sels sont devenus rouges lors du chauffage. En 1805, le chimiste français Hippolyte Victor Collet-Descotils , soutenu par l'ami de del Río, le baron Alexander von Humboldt , a déclaré à tort que le nouvel élément de del Río était un échantillon impur de chrome . Del Río a accepté la déclaration de Collet-Descotils et s'est rétracté.

En 1831, le chimiste suédois Nils Gabriel Sefström a redécouvert l'élément dans un nouvel oxyde qu'il a trouvé en travaillant avec des minerais de fer . Plus tard cette année-là, Friedrich Wöhler a confirmé les travaux antérieurs de del Río. Sefström a choisi un nom commençant par V, qui n'avait encore été attribué à aucun élément. Il a appelé l'élément vanadium d' après le vieux norrois Vanadís (un autre nom pour la déesse nordique Vanr Freyja , dont les attributs incluent la beauté et la fertilité), en raison des nombreux composés chimiques magnifiquement colorés qu'il produit. En 1831, le géologue George William Featherstonhaugh a suggéré que le vanadium devrait être rebaptisé « rionium » après del Río, mais cette suggestion n'a pas été suivie.

Le modèle T utilisait de l'acier au vanadium dans son châssis .

L'isolement du vanadium métallique était difficile. En 1831, Berzelius rapporta la production du métal, mais Henry Enfield Roscoe montra que Berzelius avait produit le nitrure, le nitrure de vanadium (VN). Roscoe a finalement produit le métal en 1867 par réduction du chlorure de vanadium (II) , VCl 2 , avec de l' hydrogène . En 1927, du vanadium pur a été produit en réduisant le pentoxyde de vanadium avec du calcium .

La première utilisation industrielle à grande échelle du vanadium a eu lieu dans le châssis en alliage d' acier du Ford Model T , inspiré des voitures de course françaises. L'acier au vanadium a permis de réduire le poids tout en augmentant la résistance à la traction (vers 1905). Pendant la première décennie du 20e siècle, la plupart du minerai de vanadium a été extrait par American Vanadium Company à partir de Minas Ragra au Pérou. Plus tard, la demande d'uranium a augmenté, entraînant une augmentation de l'extraction des minerais de ce métal. L'un des principaux minerais d'uranium était la carnotite , qui contient également du vanadium. Ainsi, le vanadium est devenu disponible comme sous-produit de la production d'uranium. Finalement, l'extraction d'uranium a commencé à fournir une grande partie de la demande de vanadium.

En 1911, le chimiste allemand Martin Henze a découvert le vanadium dans les protéines d' hémovanadine présentes dans les cellules sanguines (ou cellules coelomiques ) des Ascidiacées (ascidies).

Caractéristiques

Cuboïdes de vanadium de haute pureté (99,95 %), refondus par ebeam et macro-gravés

Le vanadium est un métal bleu acier de dureté moyenne, ductile . Il est électriquement conducteur et thermiquement isolant . Certaines sources décrivent le vanadium comme « mou », peut-être parce qu'il est ductile, malléable et non cassant . Le vanadium est plus dur que la plupart des métaux et aciers (voir Duretés des éléments (page de données) et du fer ). Il a une bonne résistance à la corrosion et il est stable contre les alcalis et les acides sulfurique et chlorhydrique . Il est oxydé dans l'air à environ 933  K (660 °C, 1220 °F), bien qu'une couche de passivation d' oxyde se forme même à température ambiante.

Isotopes

Le vanadium naturel est composé d'un isotope stable , 51 V, et d'un isotope radioactif, 50 V. Ce dernier a une demi-vie de 1,5 × 10 17 ans et une abondance naturelle de 0,25%. 51 V a un spin nucléaire de 7 / 2 , qui est utile pour la spectroscopie RMN . Vingt-quatre radio - isotopes artificiels ont été caractérisés, dont le nombre de masse varie de 40 à 65. Les plus stables de ces isotopes sont 49 V avec une demi-vie de 330 jours et 48 V avec une demi-vie de 16,0 jours. Les isotopes radioactifs restants ont des demi-vies inférieures à une heure, la plupart inférieures à 10 secondes. Au moins quatre isotopes ont des états excités métastables . La capture d'électrons est le principal mode de désintégration des isotopes inférieurs à 51 V. Pour les plus lourds, le mode le plus courant est la désintégration bêta . Les réactions de capture d'électrons conduisent à la formation d' isotopes de l'élément 22 ( titane ), tandis que la désintégration bêta conduit aux isotopes de l'élément 24 ( chrome ).

Composés

De gauche à droite : [V(H 2 O) 6 ] 2+ (lilas), [V(H 2 O) 6 ] 3+ (vert), [VO(H 2 O) 5 ] 2+ (bleu) et [VO (H 2 O) 5 ] 3+ (jaune).

La chimie du vanadium est remarquable pour l'accessibilité des quatre états d'oxydation adjacents 2-5. En solution aqueuse , le vanadium forme des complexes aquo métalliques dont les couleurs sont lilas [V(H 2 O) 6 ] 2+ , vert [V(H 2 O) 6 ] 3+ , bleu [VO(H 2 O) 5 ] 2+ , oxydes jaune-orangé, dont la formule dépend du pH . Les composés de vanadium(II) sont des agents réducteurs et les composés de vanadium(V) sont des agents oxydants. Les composés de vanadium (IV) existent souvent sous forme de dérivés de vanadyle , qui contiennent le centre VO 2+ .

Le vanadate d'ammonium (V) (NH 4 VO 3 ) peut être successivement réduit avec du zinc élémentaire pour obtenir les différentes couleurs du vanadium dans ces quatre états d'oxydation. Des états d'oxydation inférieurs se produisent dans des composés tels que V(CO) 6 , [V(CO)
6
]
et dérivés substitués.

Le pentoxyde de vanadium est un catalyseur commercialement important pour la production d'acide sulfurique, une réaction qui exploite la capacité des oxydes de vanadium à subir des réactions redox.

La batterie redox au vanadium utilise les quatre états d'oxydation : une électrode utilise le couple +5/+4 et l'autre utilise le couple +3/+2. La conversion de ces états d'oxydation est illustrée par la réduction d'une solution fortement acide d'un composé de vanadium (V) avec de la poussière de zinc ou de l'amalgame. La couleur jaune initiale caractéristique de l'ion pervanadyle [VO 2 (H 2 O) 4 ] + est remplacée par la couleur bleue de [VO(H 2 O) 5 ] 2+ , suivie de la couleur verte de [V(H 2 O) 6 ] 3+ puis la couleur violette de [V(H 2 O) 6 ] 2+ .

Oxyanoions

La structure du décavanadate

En solution aqueuse, le vanadium (V) forme une vaste famille d' oxyanions comme établi par la spectroscopie RMN 51 V . Les interrelations dans cette famille sont décrites par le diagramme de prédominance , qui montre au moins 11 espèces, selon le pH et la concentration. L'ion orthovanadate tétraédrique, VO3−
4
, est la principale espèce présente à pH 12–14. De taille et de charge similaires au phosphore (V), le vanadium (V) est également parallèle à sa chimie et à sa cristallographie. Orthovanadate V O3−
4
est utilisé en cristallographie des protéines pour étudier la biochimie du phosphate. Le tétrathiovanadate [VS 4 ] 3− est analogue à l'ion orthovanadate.

A des valeurs de pH inférieures, le monomère [HVO 4 ] 2− et le dimère [V 2 O 7 ] 4− sont formés, le monomère prédominant à une concentration en vanadium inférieure à c. 10 -2 M (pV > 2, où pV est égal à la valeur négative du logarithme de la concentration totale en vanadium/M). La formation de l'ion divanadate est analogue à la formation de l' ion dichromate . Lorsque le pH est réduit, une protonation et une condensation supplémentaires se produisent en polyvanadates : à pH 4-6, [H 2 VO 4 ] est prédominant à pV supérieur à env. 4, tandis qu'à des concentrations plus élevées, des trimères et des tétramères sont formés. Entre pH 2-4 prédomine le décavanadate , sa formation à partir de l'orthovanadate est représentée par cette réaction de condensation :

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

Dans le décavanadate, chaque centre V(V) est entouré de six ligands oxydes . L'acide vanadique, H 3 VO 4 n'existe qu'à de très faibles concentrations car la protonation de l'espèce tétraédrique [H 2 VO 4 ] entraîne la formation préférentielle de l' espèce octaédrique [VO 2 (H 2 O) 4 ] + . Dans les solutions fortement acides, pH < 2, [VO 2 (H 2 O) 4 ] + est l'espèce prédominante, tandis que l'oxyde V 2 O 5 précipite de la solution à des concentrations élevées. L'oxyde est formellement l' anhydride d' acide de l' acide vanadique. Les structures de nombreux composés de vanadate ont été déterminées par cristallographie aux rayons X.

Le diagramme de Pourbaix pour le vanadium dans l'eau, qui montre les potentiels redox entre différentes espèces de vanadium dans différents états d'oxydation.

Le vanadium(V) forme divers complexes peroxo, notamment dans le site actif des enzymes bromoperoxydase contenant du vanadium . L'espèce VO(O) 2 (H 2 O) 4 + est stable dans les solutions acides. Dans les solutions alcalines, on connaît des espèces à 2, 3 et 4 groupes peroxydes ; le dernier forme des sels violets de formule M 3 V(O 2 ) 4 nH 2 O (M= Li, Na...), dans laquelle le vanadium a une structure dodécaédrique à 8 coordonnées.

Dérivés aux halogénures

Douze halogénures binaires , composés de formule VX n (n=2..5), sont connus. VI 4 , VCl 5 , VBr 5 et VI 5 n'existent pas ou sont extrêmement instables. En combinaison avec d'autres réactifs, VCl 4 est utilisé comme catalyseur pour la polymérisation des diènes . Comme tous les halogénures binaires, ceux du vanadium sont des acides de Lewis , notamment ceux de V(IV) et V(V). De nombreux halogénures forment des complexes octaédriques de formule VX n L 6− n (X= halogénure ; L= autre ligand).

De nombreux oxyhalogénures de vanadium (formule VO m X n ) sont connus. Le oxytrichlorure et oxytrifluoride ( VOCl 3 et VOF 3 ) sont les plus étudiés. Semblables au POCl 3 , ils sont volatils, adoptent des structures tétraédriques en phase gazeuse et sont des acides de Lewis.

Composés de coordination

Les complexes de vanadium(II) et (III) sont relativement inertes à l'échange et réducteurs. Ceux de V(IV) et V(V) sont des oxydants. L'ion vanadium est assez gros et certains complexes atteignent des nombres de coordination supérieurs à 6, comme c'est le cas dans [V(CN) 7 ] 4− . L'oxovanadium (V) forme également 7 complexes de coordination de coordination avec des ligands tétradentés et des peroxydes et ces complexes sont utilisés pour les bromations oxydantes et les oxydations de thioéther. La chimie de coordination de V 4+ est dominée par le centre vanadyle , VO 2+ , qui lie quatre autres ligands fortement et un faiblement (celui trans au centre vanadyle). Un exemple est l' acétylacétonate de vanadyle (V(O)(O 2 C 5 H 7 ) 2 ). Dans ce complexe, le vanadium est de forme pyramidale carrée à 5 coordonnées, ce qui signifie qu'un sixième ligand, tel que la pyridine, peut être attaché, bien que la constante d'association de ce processus soit faible. De nombreux complexes de vanadyle à 5 coordonnées ont une géométrie bipyramidale trigonale, telle que VOCl 2 (NMe 3 ) 2 . La chimie de coordination de V 5+ est dominée par les complexes de coordination de dioxovanadium relativement stables qui sont souvent formés par oxydation aérienne des précurseurs du vanadium (IV) indiquant la stabilité de l'état d'oxydation +5 et la facilité d'interconversion entre le +4 et le +5 États.

Composés organométalliques

La chimie organométallique du vanadium est bien développée, bien qu'elle n'ait principalement qu'une signification académique. Le dichlorure de vanadocène est un réactif de départ polyvalent et a des applications en chimie organique. Le carbonyle de vanadium , V(CO) 6 , est un exemple rare de carbonyle de métal paramagnétique . Rendements de réduction V (CO)
6
( isoélectronique avec Cr(CO) 6 ), qui peut être encore réduit avec du sodium dans de l'ammoniac liquide pour donner V (CO)3−
5
(isoélectronique avec Fe(CO) 5 ).

Occurrence

Univers

L' abondance cosmique de vanadium dans l'univers est de 0,0001 %, ce qui rend l'élément presque aussi commun que le cuivre ou le zinc . Le vanadium est détecté par spectroscopie dans la lumière du Soleil et parfois dans la lumière d'autres étoiles .

la croûte terrestre

Le vanadium est le 20e élément le plus abondant dans la croûte terrestre; le vanadium métallique est rare dans la nature (connu sous le nom de vanadium natif ), mais les composés de vanadium sont naturellement présents dans environ 65 minéraux différents .

Au début du 20ème siècle un grand gisement de minerai de vanadium a été découvert, la mine de vanadium Minas Ragra près de Junín, Cerro de Pasco , Pérou . Pendant plusieurs années, ce gisement de patrónite (VS 4 ) était une source économiquement importante de minerai de vanadium. En 1920, environ les deux tiers de la production mondiale étaient fournis par la mine du Pérou. Avec la production d'uranium dans les années 1910 et 1920 à partir de la carnotite ( K 2 (UO 2 ) 2 (VO 4 ) 2 ·3H 2 O ), le vanadium est devenu disponible comme produit secondaire de la production d'uranium. La vanadinite ( Pb 5 (VO 4 ) 3 Cl ) et d'autres minéraux contenant du vanadium ne sont extraits que dans des cas exceptionnels. Avec la demande croissante, une grande partie de la production mondiale de vanadium provient désormais de la magnétite contenant du vanadium trouvée dans les corps de gabbro ultramafiques . Si cette titanomagnétite est utilisée pour produire du fer, la majeure partie du vanadium va au laitier et en est extrait.

Le vanadium est extrait principalement en Afrique du Sud , dans le nord-ouest de la Chine et dans l'est de la Russie . En 2013, ces trois pays ont extrait plus de 97 % des 79 000 tonnes de vanadium produites.

Le vanadium est également présent dans la bauxite et dans les gisements de pétrole brut , de charbon , de schiste bitumineux et de sables bitumineux . Dans le pétrole brut, des concentrations allant jusqu'à 1200 ppm ont été signalées. Lorsque de tels produits pétroliers sont brûlés, des traces de vanadium peuvent provoquer une corrosion dans les moteurs et les chaudières. On estime que 110 000 tonnes de vanadium par an sont rejetées dans l'atmosphère par la combustion de combustibles fossiles. Les schistes noirs sont également une source potentielle de vanadium. Pendant la Seconde Guerre mondiale, du vanadium a été extrait des schistes d'alun dans le sud de la Suède.

L'eau

L' ion vanadyle est abondant dans l' eau de mer , ayant une concentration moyenne de 30 nM (1,5 mg/m 3 ). Certaines sources d' eau minérale contiennent également l'ion en concentrations élevées. Par exemple, les sources près du mont Fuji contiennent jusqu'à 54 g par litre .

Production

Cristaux dendritiques de vanadium sublimés sous vide (99,9%)
Cristaux de vanadium (99,9%) fabriqués par électrolyse
Cristal-barre de vanadium, montrant différentes textures et oxydation de surface ; Cube pur à 99,95 % à titre de comparaison

Le vanadium métal est obtenu par un processus en plusieurs étapes qui commence par le grillage du minerai concassé avec du NaCl ou du Na 2 CO 3 à environ 850 °C pour donner du métavanadate de sodium (NaVO 3 ). Un extrait aqueux de ce solide est acidifié pour produire du « red cake », un sel de polyvanadate, qui est réduit au calcium métal. Comme alternative pour la production à petite échelle, le pentoxyde de vanadium est réduit avec de l' hydrogène ou du magnésium . De nombreuses autres méthodes sont également utilisées, dans lesquelles le vanadium est produit en tant que sous - produit d'autres processus. La purification du vanadium est possible par le procédé de barre de cristal développé par Anton Eduard van Arkel et Jan Hendrik de Boer en 1925. Il implique la formation de l'iodure métallique, dans cet exemple l'iodure de vanadium (III) , et la décomposition ultérieure pour donner du métal pur :

2 V + 3 I 2 2 VI 3
Morceaux de ferrovanadium

La plupart du vanadium est utilisé comme alliage d' acier appelé ferrovanadium . Le ferrovanadium est produit directement en réduisant un mélange d'oxyde de vanadium, d'oxydes de fer et de fer dans un four électrique. Le vanadium se retrouve dans la fonte brute produite à partir de magnétite contenant du vanadium. Selon le minerai utilisé, le laitier contient jusqu'à 25 % de vanadium.

La Chine est le premier producteur mondial de vanadium.

Applications

Outil en acier au vanadium

Alliages

Environ 85 % du vanadium produit est utilisé comme ferrovanadium ou comme additif pour l' acier . L'augmentation considérable de la résistance de l'acier contenant de petites quantités de vanadium a été découverte au début du 20e siècle. Le vanadium forme des nitrures et des carbures stables, ce qui entraîne une augmentation significative de la résistance de l'acier. À partir de ce moment, l'acier au vanadium a été utilisé pour des applications dans les essieux , les cadres de bicyclettes, les vilebrequins , les engrenages et d'autres composants critiques. Il existe deux groupes d'alliages d'acier au vanadium. Les alliages d'acier au vanadium à haute teneur en carbone contiennent 0,15 % à 0,25 % de vanadium, et les aciers à outils rapides (HSS) ont une teneur en vanadium de 1 % à 5 %. Pour les aciers à outils rapides, une dureté supérieure à HRC 60 peut être atteinte. L'acier HSS est utilisé dans les instruments et outils chirurgicaux . Les alliages métallurgiques des poudres contiennent jusqu'à 18 % de vanadium. La teneur élevée en carbures de vanadium dans ces alliages augmente considérablement la résistance à l'usure. Une application pour ces alliages est les outils et les couteaux.

Le vanadium stabilise la forme bêta du titane et augmente la résistance et la stabilité à la température du titane. Mélangé à de l' aluminium dans des alliages de titane , il est utilisé dans les moteurs à réaction , les cellules à grande vitesse et les implants dentaires . L'alliage le plus courant pour les tubes sans soudure est le Titane 3/2,5 contenant 2,5 % de vanadium, l'alliage de titane de choix dans les industries de l'aérospatiale, de la défense et de la bicyclette. Un autre alliage courant, principalement produit en feuilles, est le titane 6AL-4V , un alliage de titane avec 6 % d'aluminium et 4 % de vanadium.

Plusieurs alliages de vanadium présentent un comportement supraconducteur. Le premier supraconducteur de phase A15 était un composé de vanadium, V 3 Si, qui a été découvert en 1952. Le ruban vanadium-gallium est utilisé dans les aimants supraconducteurs (17,5 teslas ou 175 000 gauss ). La structure de la phase supraconductrice A15 du V 3 Ga est similaire à celle des plus courants Nb 3 Sn et Nb 3 Ti .

Il a été découvert qu'une petite quantité, 40 à 270 ppm, de vanadium dans l' acier Wootz améliorait considérablement la résistance du produit et lui donnait le motif distinctif. La source du vanadium dans les lingots d'acier Wootz d'origine reste inconnue.

Le vanadium peut être utilisé comme substitut du molybdène dans l'acier de blindage, bien que l'alliage produit soit beaucoup plus cassant et sujet à l' effritement lors d'impacts non pénétrants. Le Troisième Reich était l'un des utilisateurs les plus importants de tels alliages, dans des véhicules blindés comme le Tiger II ou le Jagdtiger .

Catalyseurs

L'oxyde de vanadium (V) est un catalyseur dans le processus de contact pour la production d'acide sulfurique

Les composés du vanadium sont largement utilisés comme catalyseurs ; Le pentoxyde de vanadium V 2 O 5 , est utilisé comme catalyseur dans la fabrication d'acide sulfurique par le procédé de contact Dans ce procédé le dioxyde de soufre ( SO
2
) est oxydé en trioxyde ( SO
3
) : Dans cette réaction redox , le soufre est oxydé de +4 à +6, et le vanadium est réduit de +5 à +4 :

V 2 O 5 + SO 2 → 2 VO 2 + SO 3

Le catalyseur est régénéré par oxydation à l'air :

4 VO 2 + O 2 → 2 V 2 O 5

Des oxydations similaires sont utilisées dans la production d' anhydride maléique :

C 4 H 10 + 3,5 O 2 → C 4 H 2 O 3 + 4 H 2 O

L'anhydride phtalique et plusieurs autres composés organiques en vrac sont produits de manière similaire. Ces procédés de chimie verte convertissent des matières premières peu coûteuses en intermédiaires polyvalents hautement fonctionnalisés.

Le vanadium est un composant important des catalyseurs d'oxydes métalliques mixtes utilisés dans l'oxydation du propane et du propylène en acroléine, en acide acrylique ou dans l'ammoxydation du propylène en acrylonitrile. En service, l'état d'oxydation du vanadium change de manière dynamique et réversible avec l'oxygène et la teneur en vapeur d'eau du mélange d'alimentation réactif.

Revêtements de verre et céramiques

Un autre oxyde de vanadium, le dioxyde de vanadium VO 2 , est utilisé dans la production de revêtements de verre, qui bloquent le rayonnement infrarouge (et non la lumière visible) à une température spécifique. L'oxyde de vanadium peut être utilisé pour induire des centres de couleur dans le corindon pour créer des bijoux en alexandrite simulés , bien que l'alexandrite dans la nature soit un chrysobéryl . Le pentoxyde de vanadium est utilisé en céramique .

Autres utilisations

La batterie redox au vanadium , un type de batterie à flux , est une cellule électrochimique constituée d'ions vanadium aqueux dans différents états d'oxydation. Les batteries de ce type ont été proposées pour la première fois dans les années 1930 et développées commercialement à partir des années 1980. Les cellules utilisent des ions d'état d'oxydation formels +5 et +2. Les batteries redox au vanadium sont utilisées commercialement pour le stockage de l'énergie du réseau .

Le vanadate peut être utilisé pour protéger l'acier contre la rouille et la corrosion par revêtement de conversion . La feuille de vanadium est utilisée dans le revêtement du titane sur l'acier car elle est compatible à la fois avec le fer et le titane. La section efficace de capture des neutrons thermiques modérée et la courte demi-vie des isotopes produits par la capture des neutrons font du vanadium un matériau approprié pour la structure interne d'un réacteur à fusion .

Proposé

L'oxyde de lithium-vanadium a été proposé pour être utilisé comme anode à haute densité énergétique pour les batteries lithium-ion , à 745 Wh/L lorsqu'il est associé à une cathode en oxyde de lithium-cobalt . Les phosphates de vanadium ont été proposés comme cathode dans la batterie lithium-vanadium phosphate , un autre type de batterie lithium-ion.

Rôle biologique

Le vanadium est plus important dans les environnements marins que terrestres.

Site actif de l' enzyme vanadium bromoperoxydase , qui produit la prépondérance des composés organobromés naturels .
Les tuniciers tels que cet tunicier bluebell contiennent du vanadium sous forme de vanabines .
Amanita muscaria contient de l' amavadine .

Vanadoenzymes

Un certain nombre d'espèces d' algues marines produisent de la bromoperoxydase de vanadium ainsi que la chloroperoxydase étroitement apparentée (qui peut utiliser un cofacteur hème ou vanadium) et des iodoperoxydases . La bromoperoxydase produit environ 1 à 2 millions de tonnes de bromoforme et 56 000 tonnes de bromométhane par an. La plupart des composés organobromés naturels sont produits par cette enzyme, catalysant la réaction suivante (RH est un substrat hydrocarboné) :

RH + Br + H 2 O 2 → R-Br + H 2 O + OH

Une vanadium nitrogénase est utilisée par certains micro-organismes fixateurs d'azote , comme Azotobacter . Dans ce rôle, le vanadium remplace le molybdène ou le fer plus courants , et confère à la nitrogénase des propriétés légèrement différentes.

Accumulation de vanadium dans les tuniciers

Le vanadium est essentiel aux tuniciers , où il est stocké dans les vacuoles hautement acidifiées de certains types de cellules sanguines, appelés vanadocytes . Des vanabines (protéines de liaison au vanadium) ont été identifiées dans le cytoplasme de ces cellules. La concentration de vanadium dans le sang des ascidies est jusqu'à dix millions de fois supérieure à celle de l'eau de mer environnante, qui contient normalement 1 à 2 µg/l. La fonction de ce système de concentration de vanadium et de ces protéines porteuses de vanadium est encore inconnue, mais les vanadocytes se déposent plus tard juste sous la surface externe de la tunique, où ils peuvent dissuader la prédation .

Champignons

Amanita muscaria et les espèces apparentées de macrochampignons accumulent du vanadium (jusqu'à 500 mg/kg de poids sec). Le vanadium est présent dans le complexe de coordination amavadin dans les organismes fruitiers fongiques. L'importance biologique de l'accumulation est inconnue. Desfonctions enzymatiquestoxiques ou peroxydase ont été suggérées.

Mammifères

Les carences en vanadium entraînent une croissance réduite chez les rats. L'Institute of Medicine des États-Unis n'a pas confirmé que le vanadium est un nutriment essentiel pour les humains, donc ni un apport alimentaire recommandé ni un apport adéquat n'ont été établis. L'apport alimentaire est estimé à 6 à 18 µg/jour, avec moins de 5 % absorbés. L' apport maximal tolérable (AMT) de vanadium alimentaire, au-delà duquel des effets indésirables peuvent survenir, est fixé à 1,8 mg/jour.

Recherche

Le sulfate de vanadyl en tant que complément alimentaire a été étudié comme moyen d'augmenter la sensibilité à l'insuline ou d'améliorer le contrôle glycémique chez les personnes diabétiques. Certains des essais ont eu des effets thérapeutiques significatifs, mais ont été jugés de mauvaise qualité. Les quantités de vanadium utilisées dans ces essais (30 à 150 mg) dépassaient de loin la limite supérieure de sécurité. La conclusion de la revue systémique était "Il n'y a aucune preuve rigoureuse que la supplémentation orale en vanadium améliore le contrôle glycémique dans le diabète de type 2. L'utilisation systématique de vanadium à cette fin ne peut pas être recommandée."

En astrobiologie , il a été suggéré que des accumulations discrètes de vanadium sur Mars pourraient être une biosignature microbienne potentielle , lorsqu'elles sont utilisées en conjonction avec la spectroscopie et la morphologie Raman .

Sécurité

Tous les composés de vanadium doivent être considérés comme toxiques. Il a été rapporté que le VOSO 4 tétravalent est au moins 5 fois plus toxique que le V 2 O 3 trivalent . L' Occupational Safety and Health Administration (OSHA) a fixé une limite d'exposition de 0,05 mg/m 3 pour les poussières de pentoxyde de vanadium et de 0,1 mg/m 3 pour les fumées de pentoxyde de vanadium dans l'air du lieu de travail pour une journée de travail de 8 heures et une semaine de 40 heures. Le National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) a recommandé que 35 mg/m 3 de vanadium soient considérés comme immédiatement dangereux pour la vie et la santé, c'est-à-dire susceptibles de causer des problèmes de santé permanents ou la mort.

Les composés de vanadium sont mal absorbés par le système gastro-intestinal. L'inhalation de vanadium et de composés de vanadium entraîne principalement des effets indésirables sur le système respiratoire. Les données quantitatives sont toutefois insuffisantes pour dériver une dose de référence par inhalation subchronique ou chronique. D'autres effets ont été rapportés après des expositions orales ou par inhalation sur les paramètres sanguins, le foie, le développement neurologique et d'autres organes chez le rat.

Il existe peu de preuves que le vanadium ou les composés du vanadium sont des toxines reproductives ou des tératogènes . Le pentoxyde de vanadium s'est révélé cancérogène chez les rats mâles et chez les souris mâles et femelles par inhalation dans une étude du NTP, bien que l'interprétation des résultats ait récemment été contestée. La cancérogénicité du vanadium n'a pas été déterminée par l' Environmental Protection Agency des États-Unis .

Les traces de vanadium dans les carburants diesel sont le principal composant du carburant dans la corrosion à haute température . Pendant la combustion, le vanadium s'oxyde et réagit avec le sodium et le soufre, produisant des composés de vanadate avec des points de fusion aussi bas que 530 °C, qui attaquent la couche de passivation de l'acier et le rendent sensible à la corrosion. Les composés solides de vanadium abrasent également les composants du moteur.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes

Vidéos
Documents de recherche
  • lien mort permanent ] National Instrument Vanadium Technical ReportMéthodes de récupération du vanadium
  • ATSDR – ToxFAQ : Vanadium
  • La concentration de vanadium dans les environnements d'eau de mer et d'estuaire est d'environ 1,5 à 3,3 ug/kg [1] .
  • Spéciation Vanadium et le cyclisme dans les eaux côtières [2]
  • Ocean anoxie et les concentrations de molybdène et Vanadium dans l' eau de mer [3]