钒：历史，性质，结构，用途 - 化学 - 2025

该钒是在周期表中，通过化学符号代表V.第三过渡金属并不像流行的其他金属，但谁知道钢和titaniums你听到提及作为一个为加强合金或工具添加剂。在物理上，它是硬度的代名词，在化学上是颜色的代名词。

一些化学家敢于将其描述为变色龙金属，能够在其化合物中采用多种颜色。电子性能类似于金属锰和铬。在其原始和纯净状态下，它看起来与其他金属相同：银，但具有蓝色。生锈后，外观如下图所示。

金属钒片，带黄色氧化虹彩薄层。资料来源：朱里

在此图像中，几乎没有区分氧化物的虹彩，这取决于金属晶体的表面处理或表面。该氧化物层保护其免受进一步的氧化并因此免受腐蚀。

当将V原子添加到合金中时，这种对合金以及热裂纹的抗性就会提供给合金。由于钒不是重金属而是轻金属，因此所有这些都不会增加其重量。与许多人的想法不同。

它的名字来自北欧女神Vanadís，来自斯堪的纳维亚半岛。但是，它是在墨西哥发现的，它是红色晶体的钒铁矿物质Pb _{5 3} Cl的一部分。问题在于，要从这种矿物和许多其他矿物中获得钒，必须将钒转变成比其氧化物V ₂ O ₅（被钙还原）更容易还原的化合物。

钒的其他来源存在于海洋中，或在石油卟啉中被“监禁”的原油中。

在溶液中，根据其氧化态，其化合物可以具有的颜色是黄色，蓝色，深绿色或紫色。钒不仅在这些数字或氧化态（从-1到+5）方面脱颖而出，而且还具有以不同方式与生物环境协调的能力。

钒的化学成分丰富，神秘，与其他金属相比，钒仍需大量照射才能对其进行深入了解。

历史

发现

墨西哥很荣幸成为发现这种元素的国家。矿物学家安德烈斯·曼努埃尔·德尔里奥（AndrésManuel delRío）在1801年分析了他本人称为棕铅的微红色矿物质（钒铅矿，Pb _{5 3} Cl），提取了金属氧化物，其特性与当时已知的任何元素都不对应。

因此，他首先用“ Pancromo”这个名字来洗礼，因为它的化合物颜色丰富。然后他从希腊语erythronium重命名为“ Erythrono”，意思是红色。

四年后，法国化学家希波吕特·维克多·科莱特·德斯科蒂尔斯（Hippolyte Victor Collet Descotils）通过暗示赤铁不是一种新元素而是铬的杂质，设法使德尔·里奥撤回了他的主张。关于在墨西哥土壤中发现的这种被遗忘元素的了解，花了二十多年的时间。

名字的出现

1830年，瑞士化学家尼尔斯·加布里埃尔·塞夫斯特罗姆（Nils GabrielSefström）在铁矿物质中发现了另一种新元素，他称之为钒。取自北欧女神Vanadís的名字，将其美丽与这种金属化合物的鲜艳色彩进行了比较。

同年，德国地质学家乔治·威廉·费瑟斯顿豪（George William Featherstonhaugh）指出钒和赤藓烷实际上是同一元素；尽管他希望将河流之名冠以“ Rionio”之名，但他的提议未被接受。

隔离

要分离钒，有必要将其从矿物质中还原，就像scan和钛一样，由于对氧气的顽强亲和力，这项任务并不容易。首先必须将其转化为相对容易还原的物种。在这一过程中，贝泽留乌斯（Berzelius）在1831年获得了氮化钒，他误以其为天然金属。

1867年，英国化学家亨利·恩菲尔德·罗斯科（Henry Enfield Roscoe）使用氢气将氯化钒（II）VCl ₂还原为金属钒。但是，它生产的金属不纯。

最后，标志着钒技术历史的开始，通过用金属钙还原V ₂ O ₅获得了高纯度样品。其最初的突出用途之一是制造福特T型车的底盘。

物产

外观

以其纯净的形式，它是带浅蓝色调，柔和而易延展的浅灰色金属。但是，当覆盖一层氧化物（尤其是打火机的产品）时，它会呈现出惊人的色彩，就像是水晶变色龙一样。

摩尔质量

50.9415克/摩尔

熔点

1910°摄氏度

沸点

3407°摄氏度

密度

-6.0 g / mL，在室温下

-5.5 g / mL，在熔点，即几乎不熔融。

熔化热

21.5 kJ /摩尔

汽化热

444 kJ /摩尔

摩尔热容

24.89 J /（摩尔K）

蒸汽压力

在2101 K时为1 Pa（即使在高温下也可以忽略不计）。

电负性

鲍林标度为1.63。

电离能

第一：650.9 kJ / mol（V ⁺气体）

秒：1414 kJ / mol（V ²⁺气态）

第三：2830 kJ / mol（V ³⁺气态）

莫氏硬度

6.7

分解

加热时会释放V ₂ O _5的有毒烟雾。

解决方案的颜色

从左到右，钒的溶液处于不同的氧化态：+ 5，+ 4，+ 3和+2。资料来源：W. Oelen通过Wikipedia。

钒的主要和显着特征之一是其化合物的颜色。当其中一些溶解在酸性介质中时，溶液（大多是水溶液）会呈现出一种颜色，从而使一个数字或另一个氧化态与其他数字区分开。

例如，上图显示了四个具有不同氧化态钒的试管。左侧的一个黄色，对应于V ⁵⁺，特别是VO ₂ ⁺阳离子。然后，其后为阳离子VO ²⁺，其中V ⁴⁺呈蓝色。阳离子V ³⁺，深绿色；和V ²⁺，紫色或淡紫色。

当溶液由V ⁴⁺和V ⁵⁺化合物的混合物组成时，将获得亮绿色（黄色和蓝色的乘积）。

反应性

钒上的V ₂ O ₅层可防止其与强酸（例如硫酸或盐酸），强碱发生反应，并防止进一步氧化引起的腐蚀。

当加热到660°C以上时，钒会完全氧化，看起来像黄色固体，呈虹彩光泽（取决于其表面的角度）。如果添加硝酸，则该橙黄色氧化物可以溶解，这会使钒恢复为银色。

同位素

宇宙中几乎所有的钒原子（占99.75％）都在⁵¹ V 同位素附近，而很小的一部分（0.25％）对应于⁵⁰ V 同位素，因此，钒的原子量为50.9415 u（比50更接近51）。

其他同位素是放射性的和合成的，半衰期（t _1/2）介于330天（⁴⁹ V），16天（⁴⁸ V），几小时或10秒。

结构和电子配置

钒原子V排列在体心立方（bcc）晶体结构中，这是其金属键的产物。根据电子结构，这是结构中密度最小的，它的五个价电子参与了``电子海''：

3d ³ 4s ²

因此，3d轨道的三个电子和4s轨道的两个电子结合在一起，通过一个由晶体中所有V原子的价态轨道重叠形成的能带；显然，基于带理论的解释。

由于V原子比元素周期表中左侧的金属（scan和钛）小一些，并且具有电子特性，因此它们的金属键更牢固。一个事实反映在它的最高熔点，因此，它具有更紧密的原子。

根据计算研究，即使在60 GPa的巨大压力下，钒的bcc结构也是稳定的。一旦超过此压力，其晶体就会过渡到菱面体相，在高达434 GPa的压力下仍保持稳定。当密件抄送结构再次出现时。

氧化数

仅钒的电子构型表明其原子能够失去多达五个电子。当这样做时，稀有气体氩成为等电子的，并且假定存在V ⁵⁺阳离子。

同样，电子的损失可以是逐渐的（取决于它所连接的物种），其正氧化数在+1到+5之间变化。因此，假定化合物中存在相应的阳离子V ⁺，V ²⁺等。

钒还可以获取电子，转变为金属阴离子。其负氧化数是：-1（V ^- ）和-3（V ^3-）。V ^3-的电子构型为：

3d ⁶ 4s ²

尽管它缺少四个电子来完成3d轨道的填充，但V ^3-的能量稳定性比V ^7-稳定，从理论上讲，它需要极强的正电性物质（为其提供电子）。

应用领域

-金属

钛钢合金

钒可为所添加的合金提供机械，耐热和抗振性以及硬度。例如，作为钒铁（铁和钒合金）或碳化钒，它与钢或钛合金中的其他金属一起添加。

通过这种方式，可以制造出非常坚硬且轻便的材料，可用作工具（钻头和扳手），齿轮，汽车或飞机零件，涡轮机，自行车，喷气发动机，刀具，牙科植入物等。

而且，其与镓（V ₃ Ga）的合金具有超导性，可用于制造磁体。而且，由于它们的低反应性，钒合金也用于腐蚀性化学试剂运行的管道。

钒氧化还原电池

钒是氧化还原电池VRB的一部分（VRB的英文缩写：Vanadium Redox Batteries）。这些可用于促进太阳能和风能以及电动汽车电池的发电。

-复合材料

颜料

V ₂ O ₅用于使玻璃和陶瓷具有金色。另一方面，它在某些矿物质中的存在使它们变绿，就像祖母绿（也要感谢其他金属）一样。

催化剂

V ₂ O ₅也是用于合成硫酸和马来酸酐酸的催化剂。与其他金属氧化物混合，可催化其他有机反应，例如将丙烷和丙烯氧化为丙烯醛和丙烯酸。

药用的

由钒配合物组成的药物被认为是治疗糖尿病和癌症的可能和潜在的候选药物。

生物作用

具有讽刺意味的是，钒是一种有色和有毒的化合物，其痕量离子（多数为VO ⁺，VO ₂ ⁺和VO ₄ ^3-）对生物有益且必不可少。特别是海洋栖息地。

原因集中在其氧化态，在生物环境中它能协调（或相互作用）的配体数量，钒酸根和磷酸根阴离子（VO ₄ ^3-和PO ₄ ^3-）之间的类比，以及其他研究因素。通过生物无机化学品。

钒原子然后可以与属于酶或蛋白质的那些原子相互作用，具有四个（配位四面体），五个（方锥或其他几何形状）或六个。如果发生这种情况，会引发对人体的有利反应，因此钒具有药理活性。

例如，有卤过氧化物酶：可以使用钒作为辅因子的酶。同样地，存在能够与这种金属相互作用的vanabins（在被膜生物的vanadocyte细胞中），磷酸化酶，固氮酶，转铁蛋白和血清白蛋白（哺乳动物）。

一种有机分子或钒配位复合物称为amavadin，存在于某些真菌的体内，例如毒蝇伞（下图）。

伞形毒蕈蘑菇。资料来源：

最后，在某些复合物中，血红素中可能含有钒，血红蛋白中的铁也是如此。

参考文献

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