ונדיום: היסטוריה, תכונות, מבנה, שימושים - כִּימִיָה - 2025

ונדיום הוא מתכת המעבר השלישית בטבלה המחזורית, המיוצג על ידי V. הסמל הכימי הוא לא פופולרי כמו מתכות אחרות, אבל מי מבין פלדות titaniums אתה שמעת אזכור כמו תוסף עבור חיזוק בסגסוגות או כלים. מבחינה פיזית זה שם נרדף לקשיות, וכימית, לצבעים.

חלק מהכימאים מעזים לתאר זאת כמתכת זיקית, המסוגלת לאמץ מגוון רחב של צבעים בתרכובותיה; רכוש אלקטרוני הדומה לזה של המתכות מנגן וכרום. במצבו הטבעי והטהור הוא נראה כמו מתכות אחרות: כסף, אך עם גוונים כחלחלים. לאחר חלודה זה נראה כמוצג להלן.

חתיכות ונדיום מתכתי עם שכבות דקיקות של תחמוצת צהובה. מקור: Jurii

בתמונה זו, כמעט ולא נבדל בין השקף-תחמוצת התלות, אשר תלוי בגימורים או במשטח הגבישים המתכתיים. שכבת תחמוצת זו מגנה עליה מפני חמצון נוסף, ולכן מפני קורוזיה.

עמידות כזו בפני קורוזיה, כמו גם לפיצוח תרמי, ניתנת לסגסוגות כאשר מוסיפים אליהם אטומי V. כל זאת, מבלי להעלות את משקלו יתר על המידה, שכן ונדיום איננו מתכת כבדה אלא קלילה; שלא כמו שרבים עשויים לחשוב.

שמו נובע מהאלה הנורדית ונדיס, מסקנדינביה; עם זאת, הוא התגלה במקסיקו, כחלק מהמינרל הנדידי, Pb _{5 3} Cl, של גבישים אדמדמים. הבעיה הייתה שכדי להשיג אותו ממינרל זה ורבים אחרים, היה צורך להפוך את הנדיום לתרכובת קלה יותר להפחתה מאשר תחמוצתו, V ₂ O ₅ (המופחתת עם הסידן).

מקורות נוספים של ונדיום טמונים ביצורים ימיים, או בנפט גולמי, "כלואים" בתוך הפטרופורינים.

בתמיסה, הצבעים שתרכובותיהם יכולים להיות, בהתאם למצב החמצון שלהם, הם צהוב, כחול, ירוק כהה או סגול. ונדיום לא רק מתבלט במספרים אלה או במצבי חמצון (בין -1 ל- +5), אלא ביכולתו לתאם בדרכים שונות עם סביבות ביולוגיות.

הכימיה של ונדיום היא בשפע, מסתורית, ובהשוואה למתכות אחרות יש עדיין הרבה אור שיש להשליך עליו לצורך הבנתו הקרובה.

הִיסטוֹרִיָה

תַגלִית

למקסיקו יש את הכבוד להיות המדינה בה התגלה אלמנט זה. המינרולוג אנדרוס מנואל דל ריו, בשנת 1801, ניתח מינרל אדמדם שהוא עצמו כינה עופרת חומה (ונדיניט, Pb _{5 3} Cl), חילץ תחמוצות מתכתיות שמאפייניהן לא תואמים למאפיינים של אף אלמנט שהיה ידוע באותה תקופה.

לפיכך, הוא הטביל לראשונה אלמנט זה בשם 'Pancromo' בגלל מגוון הצבעים העשיר של תרכובותיו; ואז הוא שם את שמו 'Erythrono', מהמילה היוונית אריתרוניום, שפירושה אדום.

ארבע שנים לאחר מכן, הכימאי הצרפתי היפוליט ויקטור קולט דקוטילס, הצליח לגרום לדל ריו לחזור בו מהטענות שלו בכך שהציע כי אריתרון אינו מרכיב חדש אלא זיהומי כרום. ולקח יותר מעשרים שנה עד שידוע משהו על היסוד הנשכח הזה שהתגלה בקרקעות מקסיקניות.

הופעת השם

בשנת 1830 גילה הכימאי השוויצרי נילס גבריאל ספסטרום יסוד חדש במינרלים מברזל, אותו כינה ונדיום; שם שמקורו באלה הנורדית ונדיס, בהשוואה ליופיה עם הצבעים המבריקים של תרכובות מתכת זו.

באותה שנה ציין הגיאולוג הגרמני ג'ורג 'ויליאם פטרסטונהוה כי ונדיום ואריתרון הם למעשה אותו יסוד; ולמרות שהוא רצה ששמו של הנהר יגבר בכך שכינה אותו 'ריוניו', ההצעה שלו לא התקבלה.

בידוד

כדי לבודד ונדיום היה צורך להפחית אותו מהמינרלים שלו, וכמו סקנדיום וטיטניום, משימה זו לא הייתה קלה בגלל הזיקה העיקשת שלו לחמצן. היה צריך להפוך אותו תחילה למינים שהופחתו בקלות יחסית; בתהליך השיג ברזלוס ונדיום ניטריד בשנת 1831, וזה טעה עבור המתכת הילידית.

בשנת 1867 השיג הכימאי האנגלי הנרי אנפילד רוזקו את הפחתת הכלוריד הוונאדיום (II), VCl ₂ , לנדיום מתכתי באמצעות גז מימן. עם זאת, המתכת שייצרה הייתה טמאה.

לבסוף, בסימן תחילת ההיסטוריה הטכנולוגית של ונדיום, התקבל דגימת טוהר גבוהה על ידי הפחתת V ₂ O ₅ עם סידן מתכתי. אחד השימושים הבולטים הראשונים שלה היה לייצר את השלדה של מכונית פורד דגם T.

נכסים

מראה חיצוני

בצורתו הטהורה, מדובר במתכת אפרפרה עם גוונים צבעוניים כחלחלים, רכים ושמישים. עם זאת, כשהוא מכוסה בשכבת תחמוצת (במיוחד תוצר של מצית), הוא מקבל צבעים מרשימים כאילו היה זיקית גבישית.

מסה מולארית

50.9415 גרם / מול

נקודת המסה

1910 מעלות צלזיוס

נקודת רתיחה

3407 מעלות צלזיוס

צְפִיפוּת

-6.0 גרם / מ"ל, בטמפרטורת החדר

-5.5 גרם / מ"ל, בנקודת ההתכה, כלומר כמעט ולא נמס.

חום של היתוך

21.5 ק"ג / מול

חום האידוי

444 ק"ג / מול

קיבולת חום טוחנת

24.89 J / (mol K)

לחץ אדים

1 Pa ב 2101 K (זניח כמעט אפילו בטמפרטורות גבוהות).

אלקטרונגטיביות

1.63 בסולם פאולינג.

אנרגיות יינון

ראשית: 650.9 kJ / mol (V ⁺ גז)

שני: 1414 kJ / mol (V ²⁺ גזי)

שלישית: 2830 kJ / mol (V ³⁺ גזי)

קשיות של מוהס

6.7

הִתפָּרְקוּת

כאשר הוא מחומם הוא יכול לשחרר אדים רעילים של V ₂ O ₅ .

צבעי פתרונות

משמאל לימין, פתרונות עם ונדיום במצבי חמצון שונים: +5, +4, +3 ו- +2. מקור: W. Oelen דרך Wikipedia.

אחד המאפיינים העיקריים והבולטים של ונדיום הוא צבעי תרכובותיו. כאשר חלקם מומסים במדיה חומצית, הפתרונות (לרוב מימיים) מציגים צבעים המאפשרים להבדיל בין מספר אחד או מצב חמצון למספר אחר.

לדוגמה, התמונה למעלה מציגה ארבע מבחנות עם ונדיום במצבי חמצון שונים. זה משמאל, בצבע צהוב, מתאים ל- V ⁵⁺ , במיוחד כקטיון VO ₂ ⁺ . לאחר מכן, אחריו מופיע הקטיון VO ²⁺ , עם V ⁴⁺ , בצבע כחול; הקטיון V ³⁺ , ירוק כהה; ו- V ²⁺ , סגול או עגול.

כאשר פיתרון מורכב מתערובת של תרכובות V ⁴⁺ ו- V ⁵⁺ מתקבל צבע ירוק בהיר (תוצר של צהוב עם כחול).

תגובתיות

שכבת V ₂ O ₅ על ונדיום מגן עליה מפני תגובה עם חומצות חזקות, כגון בסיסי גופרי או הידרוכלורי, בסיסים חזקים, ובנוסף לקורוזיה הנגרמת כתוצאה מחמצון נוסף.

כשהוא מחומם מעל 660 מעלות צלזיוס, ונדיום מתחמצן לחלוטין, ונראה כמו מוצק צהוב עם ברק ססגוני (תלוי בזוויות פני השטח שלו). תחמוצת צהוב-כתום זו ניתנת להמסה אם מוסיפה חומצה חנקתית שתחזיר את הנדיום לצבע הכסף שלה.

איזוטופים

כמעט כל אטומי הנדיום ביקום (99.75% מהם) הם בערך האיזוטופ ⁵¹ וולט, ואילו חלק קטן מאוד (0.25%) תואם את האיזוטופ ⁵⁰ וולט. לפיכך, אין זה מפתיע כי המשקל האטומי של ונדיום הוא 50.9415 u (קרוב יותר ל- 51 מ- 50).

שאר האיזוטופים הם רדיואקטיביים וסינתטיים, עם חיי מחצית חיים (t _1/2 ) הנעים בין 330 יום ( ⁴⁹ וולט), 16 יום ( ⁴⁸ וולט), כמה שעות או 10 שניות.

מבנה ותצורה אלקטרונית

אטומי הנדיום, V, מסודרים במבנה גביש מעוקב (מרכזי) בגוף, תוצר הקשר המתכתי שלהם. מבין המבנים זה הכי פחות צפוף, עם חמשת האלקטרונים הערכיים שלו המשתתפים ב"ים האלקטרונים ", על פי התצורה האלקטרונית:

3d ³ 4s ²

לפיכך, שלושת האלקטרונים של המסלול התלת-ממדי, ושני מסלולי ה- 4s, מתאחדים להעברת פס שנוצר על ידי חפיפה בין מסלולי הערך של כל אטומי ה- V של הגביש; ברור, הסבר מבוסס על תיאוריית הלהקה.

מכיוון שאטומי ה- V מעט קטנים יותר מהמתכות משמאלם (סקנדיום וטיטניום) בטבלה המחזורית, ובהתחשב במאפיינים האלקטרוניים שלהם, הקשר המתכתי שלהם חזק יותר; עובדה שבאה לידי ביטוי בנקודת ההתכה הגבוהה ביותר שלה, ולכן עם האטומים המלוכדים יותר שלה.

על פי מחקרים חישוביים, מבנה bcc של ונדיום יציב גם בלחצים אדירים של 60 GPa. לאחר חריגה מלחץ זה, הגביש שלו עובר מעבר לשלב רזוודרתי, שנשאר יציב עד 434 GPa; כאשר מבנה ה- bcc מופיע שוב.

מספרי חמצון

תצורת האלקטרונים של ונדיום בלבד מצביעה על כך שהאטום שלו מסוגל לאבד עד חמישה אלקטרונים. כשזה קורה, ארגון הגז האצילי הופך להיות איזואלקטרוני, ומניחים את קיומו של הקטיון V ⁵⁺ .

כמו כן, אובדן האלקטרונים יכול להיות הדרגתי (תלוי לאיזה מין הוא נקשר), עם מספרים של חמצון חיוביים המשתנים בין +1 ל- +5; לפיכך, במתחמים שלה מניחים קיומם של הקטיונים V ⁺ , V ²⁺ וכן הלאה.

ונדיום יכול גם להשיג אלקטרונים, והופך לאניון מתכתי. מספרי החמצון השליליים שלו הם: -1 (V ^- ) ו- -3 (V ^3- ). תצורת האלקטרונים של V ^3- היא:

3d ⁶ 4s ²

למרות שחסרים לו ארבעה אלקטרונים כדי להשלים את מילוי האורביטלים התלת-ממדיים, V ^3- הוא יציב יותר מבחינה אנרגטית מ- V ^7- אשר בתיאוריה היה זקוק למינים אלקטרופוזיטיביים במיוחד (כדי לתת לו את האלקטרונים שלו).

יישומים

-מַתֶכֶת

סגסוגות פלדת טיטניום

ונדיום מספק התנגדות מכנית, תרמית ורעידה, כמו גם קשיות לסגסוגות שאליהן הוא מתווסף. לדוגמה, כפרוונודיום (סגסוגת ברזל ונדיום), או ונדיום קרביד, הוא מתווסף יחד עם מתכות אחרות מפלדה, או בסגסוגות טיטניום.

בדרך זו נוצרים חומרים קשים וקלים מאוד, שימושי לשימוש ככלי (מקדחות וברגים), הילוכים, חלקי רכב או כלי טיס, טורבינות, אופניים, מנועי סילון, סכינים, השתלת שיניים וכו '.

כמו כן, הסגסוגות שלו עם גליום (V ₃ Ga) הם מוליכים-על ומשמשים לייצור מגנטים. וגם, בהתחשב בתגובה שלהם הנמוכה, סגסוגות ונדיום משמשות לצינורות שבהם ריאגנטים כימיים מאכלים פועלים.

סוללות ונדיום רדוקס

ונדיום הוא חלק מסוללות redox, VRBs (עבור ראשי תיבות באנגלית: Vanadium Redox Batteries). ניתן להשתמש בהם לקידום ייצור חשמל מאנרגיה סולארית ורוח, כמו גם סוללות בכלי רכב חשמליים.

-חומרים מרוכבים

פִּיגמֶנט

V ₂ O ₅ משמש למתן זכוכית וקרמיקה צבע זהוב. מצד שני, נוכחותם במינרלים מסוימים הופכת אותם לירקרקים, כמו שקורה עם אמרלד (ותודה גם למתכות אחרות).

זָרָז

V ₂ O ₅ הוא גם זרז המשמש לסינתזה של חומצה גופרתית וחומצה מלבית. מעורב עם תחמוצות מתכת אחרות, זה מזרז תגובות אורגניות אחרות, כמו חמצון של פרופאן ופרופילן לאקרולין וחומצה אקרילית, בהתאמה.

תְרוּפָתִי

תרופות המורכבות ממתחמי ונדיום נחשבו כאפשרים כמועמדים פוטנציאליים לטיפול בסוכרת וסרטן.

תפקיד ביולוגי

נראה אירוני כי ונדיום, בהיותו תרכובותיו הצבעוניות והרעילות, היונים שלו (VO ⁺ , VO ₂ ⁺ ו- VO ₄ ³ , לרוב) בעקבות מועילים וחיוניים ליצורים חיים; במיוחד אלה של בתי גידול ימיים.

הסיבות מתרכזות במצבי החמצון שלה, עם כמה הליגנדים בסביבה הביולוגית שהיא מתאם (או אינטראקציה), על האנלוגיה בין אניון הוונדאט והפוספט (VO ₄ ^3- ו- PO ₄ ^3- ) ועל גורמים אחרים שנחקרו. על ידי כימיקלים ביו-אורגניים.

אטומי הנדיום יכולים אז לקיים אינטראקציה עם האטומים השייכים לאנזימים או חלבונים, או עם ארבעה (טטרדרון קואורדינציה), חמישה (פירמידה מרובעת או גיאומטריות אחרות) או שש. אם כאשר הדבר מתרחש מופעלת תגובה חיובית לגוף, נאמר כי ונדיום מפעיל פעילות פרמקולוגית.

לדוגמא, ישנם הלופרוקסידאזים: אנזימים שיכולים להשתמש בנדיום כסופקטור. ישנם גם ואנאבינים (בתאי הוונדוציטים של טוניקאטות), זרחן, ניטרוגאזים, טרנספינים ואלבומינים בסרום (של יונקים), המסוגלים ליצור אינטראקציה עם המתכת הזו.

מולקולה אורגנית או מתחם קואורדינציה ונדיום הנקרא אמוואדין, קיימת בגופם של פטריות מסוימות, כמו אמניטה מוסקריה (תמונה נמוכה).

פטריות אמקיטה מוסקריה. מקור: Pixabay.

ולבסוף, במתחמים מסוימים, ונדיום עשוי להיות כלול בקבוצת heme, כמו שקורה לברזל בהמוגלובין.

הפניות

1. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.
2. ויקיפדיה. (2019). ונדיום. התאושש מ: en.wikipedia.org
3. אשוק ק. ורמה ופ. מודק. (sf). חוסר יציבות פונונית ומעברים פאזיים מבניים בוונאדיום בלחץ גבוה. המחלקה לפיזיקה בלחץ גבוה, המרכז לחקר האטום בבבהא, טרומביי, מומביי 400085, הודו.
4. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (03 ביולי 2019). עובדות ונדיום (V או מספר אטומי 23). התאושש מ: thoughtco.com
5. ריצ'רד מילס. (24 באוקטובר 2017). ונדיום: המתכת שאיננו יכולים בלעדיה ואיננה מייצרת. Glacier Media Group. התאושש מ: mining.com
6. המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי. (2019). ונדיום. מאגר PubChem. CID = 23990. התאושש מ: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. קלארק ג'ים. (2015). ונדיום. התאושש מ: chemguide.co.uk
8. פירס שרה. (2019). מה זה ונדיום? שימושים, עובדות ואיזוטופים. לימוד. התאושש מ: study.com
9. מנופים ומכללות. (2004). הכימיה והביוכימיה של ונדיום והפעילויות הביולוגיות המופעלות על ידי תרכובות ונדיום. המחלקה לכימיה, אוניברסיטת קולורדו, פורט קולינס, קולורדו 80523-1872.