VANADI

1. Vanadi (tên La tinh: Vanadium) là một nguyên tố hóa học đặc biệt trong bảng tuần hoàn có ký hiệu V và số hiệu nguyên tử 23. Nó làm chất xúc tác cho nhiều phản ứng hóa học. Là một kim loại hiếm, mềm và dễ kéo thành sợi, vanađi là một thành phần được tìm thấy trong nhiều khoáng chất và được sử dụng để sản xuất một số hợp kim.

Tổng quát
Tên, Ký hiệu, Số
vanadi, V, 23
Phân loại
kim loại chuyển tiếp
Nhóm, Chu kỳ, Khối
5, 4, d
Khối lượng riêng, Độ cứng
6.110 kg/m³, 6,7
Bề ngoài
kim loại màu xám bạc
Tính chất nguyên tử
Khối lượng nguyên tử
50,9415(1) đ.v.C
Bán kính nguyên tử (calc.)
135 (171) pm
Bán kính cộng hoá trị
125 pm
Bán kính van der Waals
- pm
Cấu hình electron
[Ar]3d3 4s2
e- trên mức năng lượng
2, 8, 11, 2
Trạng thái ôxi hóa (Ôxít)
5, 4, 3, 2, 1 (lưỡng tính)
Cấu trúc tinh thể
lập phương tâm khối
Tính chất vật lý
Trạng thái vật chất
rắn
Điểm nóng chảy
2.183 K (3.470 °F)
Điểm sôi
3.680 K (6.165 °F)
Trạng thái trật tự từ
thuận từ
Thể tích phân tử
8,32 ×10-6 m³/mol
Nhiệt bay hơi
459 kJ/mol
Nhiệt nóng chảy
21,5 kJ/mol
Áp suất hơi
100k Pa tại 3.679 K
Vận tốc âm thanh
4.560 m/s tại 293,15 K
Thông tin khác
Độ âm điện
1,63 (thang Pauling)
Nhiệt dung riêng
488,60 J/(kg·K)
Độ dẫn điện
5,076x106 /Ω·m
Độ dẫn nhiệt
30,7 W/(m·K)
Năng lượng ion hóa
1. 650,9 kJ/mol
2. 1.414 kJ/mol
3. 2.830 kJ/mol

2. Lịch sử:
Vanadi được phát hiện năm 1801 bởi Andrés Manuel del Río, một nhà khoáng vật học Mexico sinh tại Tây Ban Nha. Del Río tách nguyên tố từ một mẫu quặng "chì đen" Mexico, sau đó được đặt tên là vanadinit. Ông phát hiện rằng các muối của nó có nhiều màu khác nhau, và sau đó ông đặt tên cho nguyên tố là panchromium (Greek: παγχρώμιο "tất cả màu sắc"). Sau đó, Del Río đổi tên thành erythronium (Greek: ερυθρός "màu đỏ") do hầu hết các muối của nó chuyển sang màu đỏ khi nung. Năm 1805, nhà hóa học Pháp Hippolyte Victor Collet-Descotils, được sự ủng hộ bởi người bạn của Río là Baron Alexander von Humboldt, đã tuyên bố không chính xác rằng nguyên tố mới do Río phát hiện chỉ là một mẫu crom không tinh khiết. Del Río đồng ý đề nghị của Collet-Descotils, và rút lại tuyên bố của mình.
Năm 1831, nhà hóa học Thụy Điển, Nils Gabriel Sefström, phát hiện lại nguyên tố ở dạng ôxit mới, ông phát hiện ra nó khi xử lý với quặng sắt. Cuối năm đó, Friedrich Wöhler xác nhận rằng công trình trước đây của del Río. Sefström chọn tên bắt đầu bằng kí tự V, lúc này chưa đặt cho nguyên tố nào khác. Ông gọi nguyên tố đó là vanadium theo tên của Old Norse Vanadís (another name for the Norse Vanr goddess Freyja, whose facets include connections to beauty and fertility), do nhiều hợp chất hóa học có màu sắc đẹp mà nó tạo ra. Năm 1831, nhà địa chất học George William Featherstonhaugh đề nghị rằngvanadium nên được đổi tên là "rionium" theo tên của del Río, nhưng đề nghị này không được ủng hộ.
Việc cô lập kim loại vanadi gặp khó khăn. Năm 1831, Berzelius thông báo về việc sản xuất kim loại, nhưHenry Enfield Roscoe cho biết rằng Berzelius đã tạo ra được nhưng thực chất là một nitrua, vanadi nitrua(VN). Roscoe từ từ đã tạo ra kim loại năm 1867 bằng cách khử vanadi(II) clorua, VCl2, với hydro. Năm 1927, vanadi nguyên chất được tạo ra bằng cách khử vanadi pentoxit với canxi. Lượng vanadi dùng trong công nghiệp với quy mô lớn đầu tiên trong thép được tìm thấy trong khung của Ford Model T, lấy cảm hứng từ các xe đua của Pháp. Thép vanadi làm giảm trọng lượng và tăng độ bền kéo.
3. Đặc điểm:
Vanadi là một kim loại màu xám bạc mềm, dễ uốn. Nó có khả năng chống ăn mòn tốt, và bền đối với các chất kiềm và các axít sulfuricvà axít clohiđric. Nó bị ôxy hóa trong không khí ở 933 K (660 °C, 1220 °F), mặc dù một lớo ôxít được tạo thành ở nhiệt độ phòng.
Đồng vị:
Vanadi xuất hiện trong tự nhiên là hỗn hợp của một đồng vị bền 51V và một đồng vị phóng xạ and one radioactive isotope 50V. Đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã 1,5×1017 năm và chiềm 0,25%. 51V có spin hạt nhân 7/2, có ích cho quang phổ học NMR. Có 24 đồng vị nhân tạo đã được miêu tả đặc điểm với số khối từ 40 đến 65. Đồng vị bền nhất trong số này là 49V, có chu kỳ bán rã 330 ngày, và 48V là 16,0 ngày. Tất cả các đồng vị phóng xạ còn lại có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 1 giờ, và đa số trong đó có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 10 giây. Có ít nhất 4 đồng vị có các trạng thái kích thích. BắteElectron là cơ chế phân rã chính đối với các đồng vi nhẹ hơn 51V, còn các đồng vị nặng hơn thì cơ chế chủ yếu là phân rã beta. Các phản ứng bắt electron sẽ tạo thành các đồng vị của nguyên tố 22 (titan), trong khi phân rã beta thì tạo thành các đồng vị của nguyên tố 24 (crom).

4. Tính chất hóa học:
Ở nhiệt độ thường, V khá trơ về mặt hóa học; nó chỉ tan trong dung dịch HF đặc tạo VF3 và tan trong cường thủy tạo nên VCl4, khi đun nóng trong HNO3 thì tạo VO2NO3 và trong H2SO4 đặc tạo VOSO4. Khi đun nóng,, V tác dụng với O và F tạo oxit V2O5 và florua VF5.
Ở nhiệt độ cao, tác dụng được với clo, lưu huỳnh, nito, photpho….
Các hợp chất của vanadi:
1,00 0,359 -0,256 -1,186
VO3- VO2+ V3+ V2+ V0
Đặc điểm hóa học của vanadi đáng chú ý là 4 trạng thái ôxy hóa. Các trạng thái ôxy hóa phổ biến nhất là +2 (tử đinh hương), +3 (lục), +4 (lam) và +5 (vàng). Các hợp chất vanadi(II) là các chất khử, và vanadi(V) là các chất ôxy hóa, trong khi các hợp chất vanadi (IV) thường tồn tại dạng các dẫn xuất vanadyl chứa VO2+ ở tâm.

Các trạng thái ôxy hóa của vanadi, từ trái sang +2 (màu tử đinh hương), +3 (lục), +4 (lam) và +5 (vàng).
a) Vanadi monooxit (VO): Tinh thể mạng lưới kiểu NaCl, có màu xám đen, có ánh kim và dẫn điện. Tan ít trong nước, tan dễ trong axit loãng tạo thành [V(H2O)6]2+.
Ion [V(H2O)6]2+ có màu tím. Những hydrat tinh thể như VCl2.6H2O, VSO4.7H2O và K2SO4.VSO4.6H2O cũng có màu tím. Khi chế hóa dung dịch của các muối này với kiềm kết tủa V(OH)2 màu nâu lắng xuống.
Vanadi monooxit được tạo nên khi dùng V, K hay H2 khử các oxit V2O3, VO2 và V2O ở nhiệt độ cao:
V2O3 + 2K = 4VO + K2O2
b) Vanadat (III) oxit (V2O3): dạng tinh thể có mạng lưới giống Al2O3-a. Trong không khí tác dụng chậm với oxi tạo VO2. nó không tan trong nước, tan dễ trong dung dich axit tạo nên muối V (III):
V2O3 + 6H3O+ + 3H2O = 2[V(H2O)6]3+
Ion [V(H2O)6]3+ có màu xanh lục. Những hidrat tinh thể như VCl3.6 H2O, VI3. 6 H2O cũng có màu lục, tinh thể phèn KV(SO4)2.12H2O có màu tím, tan trong nước có dung dịch màu lục. Khi chế hoá dung dịch muối V(III) với kiềm, kết tủa bông V(OH)3 màu lục lắng xuống.
Ion V3+ có khả năng tạo phức mạnh hơn V2+. Người ta biết những phức chất của V3+ như NH4[V(SO4)2].6 H2O màu tím nhạt, K3[V(CN)6].3H2O màu đỏ, K4[V(CN)7].2H2O màu tím nhạt. Vanadi triflorua tạo với florua kim loại kiềm muối phức M3[VF]6, vanadi triclorua tạo nên với clorua kim loại kiềm các muối phức M[VCl4], M3[VCl6], M3[V2Cl9] (ở đây M là kim loại kiềm):
2VCl3 + 3KCl = K3[V2Cl9]
c) Vanadi dioxit (VO2) có màu xanh chàm. Khó nóng chảy và bền nhiệt. Khi đun nóng trong không khí, bị oxi hoá thành V2O5.
Vanadi dioxit có tình lưỡng tính, tan trong axit và kiềm:
VO2 + 2HCl = VOCl2 + H2O
Trong dung dịch nước, ion vanadyl VO2+ ở dạng pentahidrat [VO(H2O)5]2+ màu xanh:

Ion VO2+ cũng có khả năng tạo nên những phức chất bền như [VOX4]2- , [VOX4]3-
Khi tan trong dung dịch kiềm, VO2 tạo thành muối vanadit có màu nâu và thành phần cơ bản là M2V4O9
4VO2 + 2KOH = K2V4O9 + H2O
Muối vanadit được tạo nên khi VO2 tan trong kiềm nóng chảy có thành phần là M2VO3 và M4VO4.
VO2 được tạo nên từ khử các dioxit V2O5 ở nhiệt độ cao:
V2O5 + H2C2O4 = 2VO2 + 2CO2 + H2O
d) Vanadi pentaoxit (V2O5) có dạng tinh thể khó nấu chảy, có màu đỏ da cam. V2O5 tan ít trong nước (0.0079 g/l) cho dung dịch màu vàng nhạt có tính axit, tan dễ trong dung dịch kiềm, khi đun nóng lâu tan trong ding dịch axit.
Khi tan trong dung dịch kiềm, V2O5 tạo nên các vanadat có thành phần khác nhau như: K3VO4, K4V2O7, K3V3O9.
Khi tan trong dung dịch axit đặc, V2O5 tạo nên muối chứa cation đioxovanađi VO2+, như: VO2NO3, (VO2)2SO4 và VO2ClO4.
Ở điều kiện thường, V2O5 thể hiện khả năng oxi hoá, tác dụng với dung dịch HCl đặc giải phóng Cl2, trong dung dịch H2SO4 tác dụng với khí SO2, với Zn:
V2O5 + H2SO4 + SO2 = 2VOSO4 + H2O
V2O5 + 3H2SO4 + Zn = 2VOSO4 +3H2O + ZnSO4
Trong phản ứng thứ 2, Zn có thể khử tiếp VOSO4 (màu xanh chàm) đến V2(SO4)3 (màu lục) rồi khử V2(SO4)3 đến VOSO4 (màu tím).
Pentaoxit có thể điều chế bằng tác dụng trực tiếp từ nguyên tố hoặc bằng cách đun nóng các oxit thấp trong không khí.
Oxit dùng làm chất xúc tác trong sản xuất axit sunfuric và một số hợp chất hữu cơ, được điều chế bằng cách nhiệt phân muối amoni vanadat:
2NH4VO3 = V2O5 + 2NH3 + H2O