VANADIUM: SEJARAH, SIFAT, STRUKTUR, KEGUNAAN - KIMIA - 2025

The vanadium adalah logam transisi ketiga dalam tabel periodik, yang diwakili oleh simbol V. kimia tidak sepopuler logam lainnya, tapi yang memahami baja dan titaniums Anda mendengar menyebutkan sebagai sebuah aditif untuk memperkuat dalam paduan atau alat. Secara fisik itu identik dengan kekerasan, dan secara kimiawi, dengan warna.

Beberapa ahli kimia berani menggambarkannya sebagai logam bunglon, yang mampu mengadopsi berbagai warna dalam senyawanya; Sifat elektronik yang menyerupai logam mangan dan kromium. Dalam keadaan asli dan murni, logam ini terlihat sama dengan logam lainnya: perak, tetapi dengan corak kebiruan. Setelah berkarat, tampilannya seperti gambar di bawah ini.

Potongan vanadium metalik dengan lapisan tipis oksida kuning berwarna-warni. Sumber: Jurii

Dalam gambar ini, warna oksida hampir tidak dapat dibedakan, yang bergantung pada lapisan akhir atau permukaan kristal logam. Lapisan oksida ini melindunginya dari oksidasi lebih lanjut dan, oleh karena itu, dari korosi.

Ketahanan terhadap korosi, serta retak termal, disediakan untuk paduan ketika atom V ditambahkan padanya. Semua ini, tanpa menaikkan bobotnya terlalu banyak, karena vanadium bukanlah logam berat tetapi logam ringan; tidak seperti yang mungkin dipikirkan banyak orang.

Namanya diambil dari dewi Norse Vanadís, dari Skandinavia; namun, ditemukan di Meksiko, sebagai bagian dari mineral vanadinite, Pb _{5 3} Cl, dari kristal kemerahan. Masalahnya adalah untuk memperolehnya dari mineral ini dan banyak lainnya, vanadium harus diubah menjadi senyawa yang lebih mudah direduksi daripada oksidanya, V ₂ O ₅ (yang direduksi dengan kalsium).

Sumber vanadium lainnya terletak pada makhluk laut, atau dalam minyak mentah, yang "terkurung" di dalam petroporfirin.

Dalam larutan, warna yang dapat dimiliki senyawanya, bergantung pada bilangan oksidasinya, adalah kuning, biru, hijau tua atau ungu. Vanadium tidak hanya menonjol karena bilangan atau bilangan oksidasi ini (dari -1 hingga +5), tetapi karena kemampuannya untuk berkoordinasi dengan cara yang berbeda dengan lingkungan biologis.

Sifat kimiawi vanadium sangat melimpah, misterius, dan dibandingkan dengan logam lain, masih banyak cahaya yang harus dicurahkan untuk memahami lebih dekat.

Sejarah

Penemuan

Meksiko mendapat kehormatan menjadi negara tempat elemen ini ditemukan. Ahli mineralogi Andrés Manuel del Río, pada tahun 1801, menganalisis mineral berwarna kemerahan yang disebutnya timbal coklat (vanadinite, Pb _{5 3} Cl), mengekstraksi oksida logam yang karakteristiknya tidak sesuai dengan unsur yang dikenal pada waktu itu.

Oleh karena itu, ia pertama kali membaptis unsur ini dengan nama 'Pancromo' karena kaya ragam warna senyawanya; lalu ia menamainya 'Erythrono', dari kata Yunani erythronium, yang artinya merah.

Empat tahun kemudian, ahli kimia Prancis Hippolyte Victor Collet Descotils, berhasil membuat Del Rio mencabut klaimnya dengan menyatakan bahwa eritron bukanlah elemen baru tetapi pengotor kromium. Dan butuh lebih dari dua puluh tahun untuk mengetahui sesuatu tentang elemen yang terlupakan ini yang ditemukan di tanah Meksiko.

Munculnya nama

Pada tahun 1830 ahli kimia Swiss Nils Gabriel Sefström menemukan unsur baru lainnya dalam mineral besi, yang disebutnya vanadium; Nama yang diambil dari dewi Norse Vanadís, dibandingkan keindahannya dengan warna cemerlang dari senyawa logam ini.

Pada tahun yang sama, ahli geologi Jerman George William Featherstonhaugh, menunjukkan bahwa vanadium dan erythron sebenarnya adalah elemen yang sama; dan meskipun dia ingin nama Sungai menang dengan menyebutnya 'Rionio', lamarannya tidak diterima.

Isolasi

Untuk mengisolasi vanadium, diperlukan pengurangan dari mineral, dan seperti skandium dan titanium, tugas ini tidak mudah karena afinitasnya yang kuat terhadap oksigen. Itu pertama-tama harus diubah menjadi spesies yang relatif mudah direduksi; dalam prosesnya, Berzelius memperoleh vanadium nitrida pada tahun 1831, yang dia keliru sebagai logam asli.

Pada tahun 1867, kimiawan Inggris Henry Enfield Roscoe, mencapai reduksi vanadium (II) klorida, VCl ₂ , menjadi vanadium logam menggunakan gas hidrogen. Namun, logam yang dihasilkannya tidak murni.

Akhirnya, menandai awal sejarah teknologi vanadium, sampel kemurnian tinggi diperoleh dengan mengurangi V ₂ O ₅ dengan kalsium logam. Salah satu kegunaan utamanya yang pertama adalah untuk membuat sasis mobil Ford Model T.

Properti

Penampilan fisik

Dalam bentuknya yang murni, ini adalah logam keabu-abuan dengan nada kebiruan, lembut dan ulet. Namun, ketika ditutupi dengan lapisan oksida (terutama produk korek api), ia akan menghasilkan warna yang mencolok seolah-olah itu adalah bunglon kristal.

Masa molar

50,9415 g / mol

Titik lebur

1910 ° C

Titik didih

3407 ° C

Massa jenis

-6.0 g / mL, pada suhu kamar

-5,5 g / mL, pada titik leleh, hampir tidak meleleh.

Panas fusi

21,5 kJ / mol

Panas penguapan

444 kJ / mol

Kapasitas panas molar

24,89 J / (mol K)

Tekanan uap

1 Pa pada 2101 K (praktis dapat diabaikan bahkan pada suhu tinggi).

Elektronegativitas

1,63 pada skala Pauling.

Energi ionisasi

Pertama: 650,9 kJ / mol (V ⁺ gas)

Kedua: 1414 kJ / mol (V ²⁺ gas)

Ketiga: 2830 kJ / mol (V ³⁺ gas)

Kekerasan Mohs

6.7

Penguraian

Saat dipanaskan dapat melepaskan asap beracun dari V ₂ O ₅ .

Warna solusi

Dari kiri ke kanan, larutan dengan vanadium dalam bilangan oksidasi berbeda: +5, +4, +3 dan +2. Sumber: W. Oelen melalui Wikipedia.

Salah satu ciri utama vanadium adalah warna senyawanya. Ketika beberapa dari mereka dilarutkan dalam media asam, larutan (kebanyakan berair) menunjukkan warna yang memungkinkan seseorang untuk membedakan satu bilangan atau bilangan oksidasi dari bilangan lain.

Misalnya, gambar di atas menunjukkan empat tabung reaksi dengan vanadium dalam bilangan oksidasi berbeda. Yang di kiri, berwarna kuning, bersesuaian dengan V ⁵⁺ , khususnya sebagai kation VO ₂ ⁺ . Kemudian disusul kation VO ²⁺ , dengan V ⁴⁺ , diwarnai biru; kation V ³⁺ , hijau tua; dan V ²⁺ , ungu atau ungu muda.

Ketika larutan terdiri dari campuran senyawa V ⁴⁺ dan V ⁵⁺ , diperoleh warna hijau cerah (produk kuning dengan biru).

Reaktivitas

Lapisan V ₂ O ₅ pada vanadium melindunginya dari reaksi dengan asam kuat, seperti sulfur atau hidroklorik, basa kuat, dan sebagai tambahan terhadap korosi yang disebabkan oleh oksidasi lebih lanjut.

Ketika dipanaskan di atas 660 ° C, vanadium teroksidasi sepenuhnya, tampak seperti padatan kuning dengan kilau warna-warni (bergantung pada sudut permukaannya). Oksida kuning-oranye ini dapat larut jika asam nitrat ditambahkan, yang akan mengembalikan warna vanadium menjadi perak.

Isotop

Hampir semua atom vanadium di alam semesta (99,75% di antaranya) berukuran sekitar isotop ⁵¹ V, sedangkan sebagian kecil (0,25%) sesuai dengan isotop ⁵⁰ V. Oleh karena itu, tidak mengherankan bahwa berat atom vanadium adalah 50,9415 u (mendekati 51 dari 50).

Isotop lainnya adalah radioaktif dan sintetis, dengan waktu paruh (t _1/2 ) berkisar antara 330 hari ( ⁴⁹ V), 16 hari ( ⁴⁸ V), beberapa jam, atau 10 detik.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Atom vanadium, V, tersusun dalam struktur kristal kubik berpusat tubuh (bcc), hasil dari ikatan logamnya. Dari strukturnya, ini adalah yang paling padat, dengan lima elektron valensinya berpartisipasi dalam "lautan elektron", menurut konfigurasi elektroniknya:

3d ³ 4s ²

Jadi, tiga elektron dari orbital 3d, dan dua dari orbital 4s, bersatu untuk mentransmisikan pita yang dibentuk oleh tumpang tindih orbital valensi dari semua atom V kristal; jelas, penjelasan berdasarkan teori pita.

Karena atom V sedikit lebih kecil dari logam di sebelah kirinya (skandium dan titanium) dalam tabel periodik, dan mengingat karakteristik elektroniknya, ikatan metalik mereka lebih kuat; sebuah fakta yang tercermin dalam titik leleh tertingginya dan, oleh karena itu, dengan atomnya yang lebih kohesif.

Menurut studi komputasi, struktur bcc vanadium stabil bahkan di bawah tekanan besar 60 GPa. Setelah tekanan ini terlampaui, kristalnya mengalami transisi ke fase rombohedral, yang tetap stabil hingga 434 GPa; saat struktur bcc muncul kembali.

Bilangan oksidasi

Konfigurasi elektron vanadium sendiri menunjukkan bahwa atomnya mampu kehilangan hingga lima elektron. Jika demikian, gas mulia argon menjadi isoelektronik, dan diasumsikan keberadaan kation V ⁵⁺ .

Demikian pula, hilangnya elektron bisa bertahap (tergantung pada spesies mana ia terikat), memiliki bilangan oksidasi positif yang bervariasi dari +1 hingga +5; oleh karena itu, dalam senyawanya diasumsikan keberadaan masing-masing kation V ⁺ , V ²⁺ dan seterusnya.

Vanadium juga dapat memperoleh elektron, berubah menjadi anion logam. Bilangan oksidasi negatifnya adalah: -1 (V ^- ) dan -3 (V ^3- ). Konfigurasi elektron V ^3- adalah:

3d ⁶ 4s ²

Meskipun ia kekurangan empat elektron untuk mengisi orbital 3d, V ^3- lebih stabil secara energetik daripada V ^7- , yang dalam teori akan membutuhkan spesi yang sangat elektropositif (untuk memberinya elektron).

Aplikasi

-Logam

Paduan baja titanium

Vanadium memberikan ketahanan mekanis, termal dan getaran, serta kekerasan pada paduan yang ditambahkannya. Misalnya, sebagai ferrovanadium (paduan besi dan vanadium), atau vanadium karbida, ia ditambahkan bersama dengan logam lain dalam baja, atau paduan titanium.

Dengan cara ini, bahan yang sangat keras dan ringan dibuat, berguna untuk digunakan sebagai perkakas (bor dan kunci inggris), roda gigi, suku cadang mobil atau pesawat, turbin, sepeda, mesin jet, pisau, implan gigi, dll.

Juga, paduannya dengan galium (V ₃ Ga) adalah superkonduktor dan digunakan untuk pembuatan magnet. Dan juga, mengingat reaktivitasnya yang rendah, paduan vanadium digunakan untuk pipa tempat reagen kimia korosif bekerja.

Baterai vanadium redoks

Vanadium adalah bagian dari baterai redoks, VRBs (untuk akronimnya dalam bahasa Inggris: Baterai Redoks Vanadium). Ini dapat digunakan untuk mempromosikan pembangkit listrik dari energi matahari dan angin, serta baterai di kendaraan listrik.

-Komposit

Pigmen

V ₂ O ₅ digunakan untuk memberi warna emas pada kaca dan keramik. Di sisi lain, keberadaannya di beberapa mineral membuatnya menjadi kehijauan, seperti yang terjadi pada zamrud (dan juga berkat logam lain).

Katalisator

V ₂ O ₅ juga merupakan katalis yang digunakan untuk sintesis asam sulfat dan asam anhidrida maleat. Dicampur dengan oksida logam lainnya, ia mengkatalisis reaksi organik lainnya, seperti oksidasi propana dan propilena menjadi akrolein dan asam akrilat.

Obat

Obat-obatan yang terdiri dari vanadium kompleks telah dianggap sebagai obat yang berpotensi untuk pengobatan diabetes dan kanker.

Peran biologis

Sungguh ironis bahwa vanadium, karena senyawanya yang berwarna-warni dan beracun, ion-ionnya (VO ⁺ , VO ₂ ⁺ dan VO ₄ ^3- , kebanyakan) dalam jejak sangat bermanfaat dan penting bagi makhluk hidup; terutama di habitat laut.

Alasannya berpusat pada bilangan oksidasi, dengan berapa banyak ligan di lingkungan biologis yang dikoordinasikannya (atau berinteraksi), pada analogi antara anion vanadat dan fosfat (VO ₄ ^3- dan PO ₄ ^3- ), dan pada faktor-faktor lain yang dipelajari oleh bahan kimia bioinorganik.

Atom vanadium kemudian dapat berinteraksi dengan atom yang termasuk dalam enzim atau protein, baik dengan empat (tetrahedron koordinasi), lima (piramida persegi atau geometri lain) atau enam. Jika ketika ini terjadi reaksi yang menguntungkan bagi tubuh dipicu, dikatakan bahwa vanadium memberikan aktivitas farmakologis.

Misalnya, ada haloperoksidase: enzim yang dapat menggunakan vanadium sebagai kofaktor. Ada juga vanabin (dalam sel vanadosit tunicates), fosforilase, nitrogenase, transferin dan serum albumin (mamalia), yang mampu berinteraksi dengan logam ini.

Molekul organik atau kompleks koordinasi vanadium yang disebut amavadin, terdapat dalam tubuh jamur tertentu, seperti Amanita muscaria (gambar bawah).

Jamur Amanita muscaria. Sumber: Pixabay.

Dan akhirnya, dalam beberapa kompleks, vanadium mungkin terkandung dalam kelompok heme, seperti halnya zat besi dalam hemoglobin.

Referensi

1. Menggigil & Atkins. (2008). Kimia anorganik. (Edisi keempat). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Vanadium. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
3. Ashok K. Verma & P. ​​Modak. (sf). Ketidakstabilan fonon dan transisi fase struktural di Vanadium di bawah tekanan tinggi. Divisi Fisika Tekanan Tinggi, Pusat Penelitian Atom Bhabha, Trombay, Mumbai-400085, India.
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 Juli 2019). Fakta Vanadium (V atau Nomor Atom 23). Diperoleh dari: thinkco.com
5. Richard Mills. (24 Oktober 2017). Vanadium: Logam yang tidak dapat kami produksi dan tanpanya. Grup Media Glacier. Diperoleh dari: mining.com
6. Pusat Nasional untuk Informasi Bioteknologi. (2019). Vanadium. Database PubChem. CID = 23990. Diperoleh dari: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Clark Jim. (2015). Vanadium. Diperoleh dari: chemguide.co.uk
8. Pierce Sarah. (2019). Apa itu Vanadium? Penggunaan, Fakta & Isotop. Belajar. Diperoleh dari: study.com
9. Crans & col. (2004). Kimia dan Biokimia Vanadium dan Aktivitas Biologis yang Dilakukan oleh Senyawa Vanadium. Departemen Kimia, Universitas Negeri Colorado, Fort Collins, Colorado 80523-1872.