Vanadium

Eigenschaften
[Ar]3d34s2 23 V Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Vanadium, V, 23
Serie	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	5, 4, d
Aussehen	silbrig grau metallisch
Massenanteil an der Erdhülle	0,01 %
Atomar
Atommasse	50,9415 u
Atomradius (berechnet)	135 (171) pm
Kovalenter Radius	125 pm
Van-der-Waals-Radius	pm
Elektronenkonfiguration	[Ar]3d34s2
Elektronen pro Energieniveau	2, 8, 11, 2
1. Ionisierungsenergie	650,9 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	1414 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	2830 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie	4507 kJ/mol
5. Ionisierungsenergie	6298,7 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Modifikationen
Kristallstruktur	kubisch raumzentriert
Dichte	6,11 g/cm3
Mohshärte	7,0
Magnetismus
Schmelzpunkt	2175 K (1902 °C)
Siedepunkt	3682 K (3409 °C)
Molares Volumen	8,32 · 10-6 m3/mol
Verdampfungswärme	452 kJ/mol
Schmelzwärme	23,0 kJ/mol
Dampfdruck	3,06 Pa bei 2175 K
Schallgeschwindigkeit	4560 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität	490 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit	4,89 · 106 S/m
Wärmeleitfähigkeit	30,7 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände	5, 3
Oxide (Basizität)	(amphoter)
Normalpotential
Elektronegativität	1,63 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP 47V {syn.} 32,6 min ε 29,28 47Ti 48V {syn.} 15,9735 d ε 4,012 48Ti 49V {syn.} 330 d ε 0,602 49Ti 50V 0,25 % 1,4 · 1017 a ε 2,208 50Ti β− 1,037 50Cr 51V 99,75 % Stabil 52V {syn.} 3,743 min β− 3,976 52Cr 53V {syn.} 1,61 min β− 3,436 53Cr
NMR-Eigenschaften
Spin γ in rad·T−1·s−1 E fL bei B = 4,7 T in MHz 50V 6 2,667 · 107 0,0555 19,9 51V 7/2 7,032 · 107 0,383 52,6
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung
Pulver F Leichtent- zündlich Xi Reizend
R- und S-Sätze	R: 17-36/37/38 (Pulver)[1]
	S: 7-26-33-37-43-60 (Pulver)[1]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Vanadium, auch Vanadin (zu altisländisch Vana-dís 'Wanendise, Wanenfrau', ein Name der Freyja, der nordgermanischen Göttin der Schönheit; Benennungsmotiv ist das farbenprächtige Aussehen mancher Vanadiumverbindungen), ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol V und der Ordnungszahl 23. Es ist ein seltenes, in reinem Zustand weiches und zähes Metall.

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Geschichte

Vanadium wurde von Andrés Manuel del Río, einem spanischen Mineralogen, 1801 in Mexiko-Stadt in einem Bleierz, dem Vanadinit (Bleivanadat), entdeckt, das er brown lead nannte. Wegen der chromähnlichen Farben der Elementverbindungen nannte er das neue Element Panchrom. Später änderte del Rio den Namen in Erythronium (griech. rot), weil es sich beim Erwärmen meist rot färbte. Französische Chemiker konnten del Rio davon überzeugen, dass brown lead ein basisches Bleichromat und Erythronium daher nur ein verunreinigtes Chrom sei. Seine Entdeckung geriet daraufhin in Vergessenheit.

1831 wurde Vanadium durch den Schweden Nils Gabriel Sefström beim Experimentieren mit Eisenerzen wiederentdeckt. Vanadiumverbindungen zeigen eine große und schöne Farbenvielfalt; deshalb benannte es Sefström nach Freyja, der nordischen Göttin der Schönheit, die in der altisländischen Überlieferung den Beinamen Vanadís hat (Snorra Edda, Gylfaginning, Kap. 35). Im gleichen Jahr bestätigte Friedrich Wöhler die früheren Arbeiten del Rios.

Metallisches Vanadium wurde 1867 von Henry Enfield Roscoe durch Reduktion von Vanadin(III)-chlorid mit Wasserstoff hergestellt.

Vorkommen

Vanadium kommt natürlich nur gebunden vor. Zur Zeit sind etwa 65 vanadiumhaltige Mineralien bekannt. Als wichtige Vanadiumminerale sind zu nennen:

• Patronit VS₄
• Vanadinit [Pb₅(VO₄)3Cl]
• Carnotit [K₂(UO₂)₂(VO₄)₂.3H₂O]
• Descloizit Pb(Zn, Cu) [OH|VO₄]

Magnetit, ein Eisenerz, kann bis zu 2 % Vanadium enthalten. Ebenso enthalten Bauxit und fossile Energieträger, wie Rohöl, Kohle, Ölschiefer und Teersand, beträchtliche Mengen an Vanadium. Spektralanalytisch kann Vanadium im Licht der Sonne und einiger Sterne nachgewiesen werden.

Die bedeutendsten Vorkommen liegen in Südafrika, Russland, Australien, USA und Finnland.

Gewinnung und Herstellung

Vanadium bzw. vanadiumhaltige Rohstoffe fallen bei diversen industriellen Prozessen an (z. B. bei der Erdölverarbeitung oder der Uranerzaufbereitung). Der Bedarf an Vanadium lässt sich in aller Regel aus diesen Nebenprodukten decken.

Zur Herstellung wird das vanadiumhaltige Material in Gegenwart von Natriumträgern ( Natriumchlorid, Natriumcarbonat, Natriumsulfat oder Natriumoxalat) bei ungefähr 850 °C im Drehrohrofen zu Natriumvanadat(V) NaVO₃ umgesetzt, welches nach Extraktion mit Wasser, Aufreinigung, Ansäuern und Trocknung Vanadium(V)-oxid liefert. Dieses dient als Ausgangssubstanz für weitere Vanadiumverbindungen bzw. wird mit Calcium zum Vanadiummetall reduziert. Eine alternative Route zum Metall führt über die Reduktion des Vanadium(V)-chlorids mit Wasserstoff bzw. Magnesium.

Da der überwiegende Teil des Vanadiums als Legierungsbestandteil für Stähle eingesetzt wird, erfolgt die Darstellung durch Umsetzung unaufgearbeiteten Vanadium(V)-oxids mit Roheisen zu sogenanntem Ferrovanadium, das für die Weiterverarbeitung meist von hinreichender Qualität ist. Eine Reindarstellung des Vanadiums ist in aller Regel nicht notwendig.

Eigenschaften

  Vanadium ist ein nichtmagnetisches, zähes, schmiedbares und silbrigglänzendes Übergangsmetall. Reines Vanadium ist relativ weich, wird aber durch Verunreinigungen anderer Elemente härter und besitzt dann eine hohe mechanische Festigkeit. Es weist eine gute Korrosionsbeständigkeit auf. Gegenüber Alkalien, Schwefel- und Salzsäure ist es beständig. Bei Temperaturen oberhalb 660 °C oxidiert es in Gegenwart von Sauerstoff zu Vanadium(V)-oxid V₂O₅. Vanadium(II)- und Vanadium(III)-oxid reagieren basisch, Vanadium(IV)-oxid amphoter und Vanadium(V)-oxid sauer.

In Verbindungen liegt Vanadium meist in der Oxidationsstufe +5 vor. Aber auch die Stufen +2, +3, +4 kommen häufig vor, neigen aber zum Übergang nach Stufe +5. Die Oxidationsstufe +1 tritt selten auf, aber auch die Stufen 0, -1 und -3 werden beobachtet. Ein beliebtes Experiment zur farblichen Darstellung der vier häufigsten Oxidationsstufen ist die Reduktion des farblosen Ammoniumvanadats(V) (NH₄VO₃) mit metallischem Zink. Nacheinander nimmt die Lösung die Färbung blauer Vanadium(IV)-, grüner Vanadium(III)- und blassvioletter Vanadium(II)-Ionen an. Die Lösungen der niederwertigeren Vanadiumverbindungen werden in Gegenwart von Luft leicht wieder zum Vanadium(V) oxidiert. Wegen dieser leichten Änderbarkeit der Wertigkeit wird Vanadium auch als Katalysator verwendet.

Verwendung

Ungefähr 80 % des produzierten Vanadiums wird in Form von Ferrovanadium in den Handel gebracht bzw. als Legierungszusatz in der Stahlherstellung verbraucht. Harte und zähe Vanadiumstähle enthalten allerdings selten mehr als 1 % Vanadium. Folgende Anwendungsbereiche finden sich:

• Sonderedelstähle für die Herstellung von chirurgischen Instrumenten und die Werkzeugherstellung,
  • rostbeständige Schnellarbeitsstähle (Werkzeugstähle),
  • mit Aluminium als Legierungszusatz in Titanlegierungen in fliegenden Gasturbinen und Hochgeschwindigkeitsflugzeugen,
• vanadinhaltige Stähle finden Anwendung als Wellen, Kurbelwellen, Zahnräder im Getriebebau und anderen kritischen Bauteilen
• Karbidbildner in der Stahlherstellung,
• Vanadiumfolien als Pufferschicht beim Plattieren von Titan auf Stahl,
• Bänder aus Vanadin-Gallium zur Herstellung von supraleitenden Magneten mit einer Flussdichte von 175.000 Gauss (175 Tesla),
• Vanadinverbindungen dienen als Katalysator bei der Herstellung von Maleinsäureanhydrid und Schwefelsäure,
• Vanadium(V)-oxid V₂O₅ wird in der Keramikherstellung und als Katalysator verwendet
• Vanadiumverbindungen werden zur Herstellung von Batterien, darunter auch Akkumulatoren mit externem Speicher, benutzt
• Vanadiumlegierungen könnten in Zukunft auch in Fusionskraftwerken zum Einsatz kommen.

Physiologie

In biologischen Systemen ist Vanadium essentieller Bestandteil einiger Enzyme, z. B. sogenannter Haloperoxidasen. Einige stickstofffixierende Mikroorganismen nutzen vanadiumhaltige Nitrogenasen.

Die prosthetische Gruppe in den Sauerstofftransportmolekülen von Seescheiden weist Vanadium als Zentralatom auf.

Ein Vanadiummangel führt beispielsweise bei Ratten und Hühnern zu reduziertem Wachstum und einer verringerten Fortpflanzungsrate.

Vanadationen VO₄^3- zeigen eine ähnliche Wirkung wie Insulin. Allerdings sind die dazu notwendigen Dosen toxisch. Das weit weniger giftige Vanadylion VO²⁺ wird vom Körper aber nicht in ausreichender Menge aufgenommen. Vielversprechend sind organische Vanadylkomplexe.

Vorsichtsmaßnahmen

Vanadiumstaub ist leicht entzündlich. Eingeatmeter vanadiumhaltiger Staub kann Lungenkrebs verursachen. Vanadiumverbindungen sind toxisch.

Verbindungen

  Vanadium(V)-oxid V₂O₅ ist neben Wolfram(VI)-oxid WO₃ und Titan(IV)-oxid TiO₂ Bestandteil sogenannter SCR-Katalysatoren, die beispielsweise in Müllverbrennungsanlagen eingesetzt werden. Vanadium(III)-chlorid dient als Ausgangsstoff zur Herstellung von anderen Vanadium(III)-Komplexverbindungen.

Quellen

1. ↑ ^{a b} Sicherheitsdatenblatt (alfa-aesar)