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Vanadium (symbole chimique V, numéro atomique 23) est un métal gris argenté rare. Il se trouve combiné dans plusieurs minéraux et est l'un des 26 éléments qui se produisent couramment dans les êtres vivants. Il est utilisé principalement dans divers alliages. Par exemple, il s'agit d'un additif en acier inoxydable spécial pour les instruments chirurgicaux et les outils à grande vitesse. Il est mélangé à de l'aluminium dans des alliages de titane pour les réacteurs et les cellules à grande vitesse. De plus, il est présent dans les batteries redox au vanadium et il est ajouté au corindon pour fabriquer des bijoux Alexandrite simulés. Le ruban de vanadium-gallium est utilisé dans les aimants supraconducteurs et le pentoxyde de vanadium est un catalyseur pour la fabrication d'acide sulfurique et d'autres produits.

Occurrence

Le vanadium n'est jamais un élément libre dans la nature, mais il se trouve dans environ 65 minéraux différents. Parmi eux, la patronite (VS4), vanadinite (Pb5(VO4)3Cl) et carnotite (K2(UO2)2(VO4)2.3H2O). Il est également présent dans la bauxite et les gisements de carbone tels que le pétrole brut, le charbon, les schistes bitumineux et les sables bitumineux. Il a également été détecté spectroscopiquement à la lumière du soleil et de quelques autres étoiles.

Histoire

Le vanadium a été découvert à l'origine par Andrés Manuel del Río, un minéralogiste espagnol à Mexico, en 1803. En utilisant un minéral appelé "plomb brun" (maintenant appelé vanadinite), il a préparé plusieurs sels. Leurs couleurs lui rappelaient les sels de chrome, il a donc appelé l'élément "panchromium". Il l'a rebaptisé plus tard "érythronium" (ce qui signifie "rouge") parce que la plupart des sels sont devenus rouges lorsqu'ils étaient chauffés. Le chimiste français Hippolyte Victor Collet-Descotils a incorrectement déclaré que le nouvel élément de del Rio n'était que du chrome impur. Del Rio s'est cru dans l'erreur et a accepté la déclaration du chimiste français, qui a été soutenue par l'ami de del Rio, le baron Alexander von Humboldt.

En 1831, Nils Gabriel Sefström de Suède a redécouvert le vanadium dans un nouvel oxyde qu'il a trouvé en travaillant avec des minerais de fer. Plus tard cette même année, Friedrich Wöhler a confirmé les travaux antérieurs de del Rio. Plus tard, George William Featherstonhaugh, l'un des premiers géologues américains, a suggéré que l'élément soit nommé "rionium" d'après Del Rio, mais cela ne s'est jamais produit.

Le vanadium métallique a été isolé par Henry Enfield Roscoe en 1867, en réduisant le chlorure de vanadium (III) (VCl3) avec de l'hydrogène. Le nom vanadium vient de Vanadis, une déesse de la mythologie scandinave, car l'élément a de beaux composés chimiques multicolores.

Isolement

Commercialement, le vanadium métallique est généralement récupéré en quantités suffisantes comme sous-produit d'autres processus. La production d'échantillons en laboratoire n'est donc normalement pas requise.

La production industrielle implique le chauffage du minerai de vanadium ou des résidus d'autres processus avec du chlorure de sodium (NaCl) ou du carbonate de sodium (Na2CO3) à environ 850 ° C, pour donner du vanadate de sodium (NaVO3). Ce produit est dissous dans l'eau et acidifié pour donner un solide rouge, qui à son tour est fondu pour générer une forme brute de pentoxyde de vanadium (V2O5). La réduction du pentoxyde de calcium donne du vanadium pur. Une alternative adaptée à la production à petite échelle est la réduction du pentachlorure de vanadium (VCl5) avec de l'hydrogène ou du magnésium. Diverses autres méthodes sont également employées.

Industriellement, la plupart du vanadium est utilisé comme additif pour améliorer les aciers. Plutôt que de partir du vanadium pur, il suffit souvent de faire réagir le pentoxyde de vanadium avec le fer brut. Ce processus produit du ferrovanadium, qui convient pour d'autres travaux.

Caractéristiques notables

Le vanadium est un métal de transition de la période 4 du tableau périodique, situé entre le titane et le chrome. Il est également au sommet du groupe 5 (ancien groupe 5B), au-dessus du niobium et du tantale.

Doux et ductile, le vanadium résiste à la corrosion par les alcalis, l'acide sulfurique et l'acide chlorhydrique. Il s'oxyde facilement à une température d'environ 933 Kelvin (K). Il présente une bonne résistance structurelle et une faible section neutronique pour les réactions de fission nucléaire, ce qui le rend utile pour les applications nucléaires. Bien qu'un métal, ses oxydes ont des propriétés acides, similaires aux oxydes de chrome et de manganèse.

Les états d'oxydation courants du vanadium comprennent +2, +3, +4 et +5. Dans une expérience populaire, lorsque le vanadate d'ammonium (NH4VO3) est réduit avec du zinc métal, on obtient des produits colorés avec ces quatre états d'oxydation. Un état d'oxydation +1 est rarement observé.

Isotopes

Le vanadium d'origine naturelle est composé d'un isotope stable, 51V, et un isotope radioactif, 50V, avec une demi-vie de 1,5 × 1017 ans. De nombreux radio-isotopes artificiels ont été caractérisés, avec des nombres de masse allant de 40 à 65. Le plus stable d'entre eux est 49V, avec une demi-vie de 330 jours, suivi de 48V, avec une demi-vie de 15,9735 jours. Tous les isotopes radioactifs restants ont une demi-vie inférieure à une heure, la majorité d'entre eux étant inférieure à 10 secondes.

Composés

  • Oxyde de vanadium (V) ou pentoxyde de vanadium (V2O5): Ce solide orange vénéneux est le composé le plus important du vanadium. Lors du chauffage, il peut perdre de façon réversible de l'oxygène dans l'air. Il est utilisé comme catalyseur principalement dans la production d'acide sulfurique. C'est la source de vanadium pour la fabrication du ferrovanadium. Il peut être utilisé comme colorant et fixateur de couleur.
  • Sulfate de vanadyle ou oxyde de sulfate de vanadium (IV) hydraté (VOSO4): C'est un complément alimentaire relativement controversé, utilisé principalement pour augmenter les niveaux d'insuline et la musculation. Il n'a pas été prouvé que cela fonctionne dans ce dernier but, et il existe des preuves que les athlètes qui le prennent subissent simplement un effet placebo.
  • Chlorure de vanadium (IV) (VCl4): Cette forme soluble de vanadium est couramment utilisée en laboratoire. Il réagit violemment avec l'eau. L'état d'oxydation V (IV), la forme réduite de V (V), se produit généralement après la respiration anaérobie par certaines bactéries réductrices de métaux.

Applications

  • Environ 80% du vanadium produit est utilisé comme ferrovanadium ou comme additif pour l'acier. Les alliages d'acier au vanadium sont utilisés dans les essieux, les vilebrequins, les engrenages et d'autres produits. Le vanadium est également utilisé dans l'acier inoxydable spécialisé pour les instruments chirurgicaux et les outils à grande vitesse.
  • Le vanadium est mélangé à de l'aluminium dans des alliages de titane pour les réacteurs et les cellules à grande vitesse.
  • C'est un stabilisateur de carbure important dans la production d'aciers.
  • Compte tenu de sa faible section neutronique pour les réactions de fission nucléaire, le vanadium a des applications dans les réacteurs nucléaires.
  • La feuille de vanadium est utilisée pour le revêtement du titane sur l'acier.
  • Le ruban vanadium-gallium est utilisé dans les aimants supraconducteurs (175 000 gauss).
  • Le pentoxyde de vanadium est un catalyseur pour la fabrication d'acide sulfurique et d'anhydride maléique. Il est également utilisé dans la fabrication de céramiques.
  • Verre recouvert de dioxyde de vanadium (VO2) peut bloquer le rayonnement infrarouge (et non la lumière visible) à une température spécifique.
  • Il est présent dans certaines piles à combustible électriques et batteries de stockage telles que les batteries redox au vanadium.
  • Il est ajouté au corindon pour fabriquer des bijoux Alexandrite simulés.
  • Les revêtements de conversion électrochimique Vanadate aident à protéger l'acier contre la rouille et la corrosion.

Rôle biologique

Dans les systèmes biologiques, le vanadium est un composant essentiel de certaines enzymes, en particulier la vanadium nitrogénase utilisée par certains micro-organismes fixateurs d'azote. Le vanadium est également nécessaire aux ascidies ou aux jets de mer dans les protéines de chrome-vanadium. La concentration de vanadium dans leur sang est plus de cent fois supérieure à celle de l'eau de mer environnante. Les rats et les poulets sont également connus pour avoir besoin de vanadium en très petites quantités et les carences entraînent une croissance réduite et une reproduction altérée.

Il a été démontré que l'administration de composés oxovanadium soulage les symptômes du diabète sucré chez certains modèles animaux et humains. Tout comme l'effet du chrome sur le métabolisme du sucre, le mécanisme de cet effet est inconnu.

Complément minéral dans l'eau potable

Au Japon, le pentoxyde de vanadium (V2O5) est commercialisé en tant que complément de santé minéral présent dans l'eau potable prélevée principalement sur les pentes du mont Fuji. La teneur en pentoxyde de vanadium de l'eau varie d'environ 80 à 130 μg / litre. Il est commercialisé comme étant efficace contre le diabète, l'eczéma et l'obésité, mais il n'est fait aucune mention de sa toxicité.

Toxicité des composés du vanadium

La toxicité du vanadium dépend de son état physico-chimique, en particulier de son état de valence et de sa solubilité. Pentavalent VOSO4 aurait été plus de cinq fois plus toxique que le V trivalent2O3 (Roschin 1967). Les composés du vanadium sont mal absorbés par le système gastro-intestinal. Les expositions par inhalation au vanadium et aux composés du vanadium entraînent principalement des effets néfastes sur le système respiratoire (Sax 1984; ATSDR 1990). Les données quantitatives sont toutefois insuffisantes pour dériver une inhalation subchronique ou chronique.

Il y a peu de preuves que le vanadium ou ses composés sont des toxines reproductives ou des tératogènes. Il n'y a pas non plus de preuve qu'un composé du vanadium soit cancérogène, mais très peu d'études adéquates sont disponibles pour évaluation. Le vanadium n'a pas été classé comme cancérogène par l'Environmental Protection Agency des États-Unis (EPA) (1991a).

Précautions

Le vanadium métallique en poudre présente un risque d'incendie et, sauf indication contraire, tous les composés du vanadium doivent être considérés comme hautement toxiques. Généralement, plus l'état d'oxydation du vanadium est élevé, plus le composé est toxique. Le plus dangereux est le pentoxyde de vanadium.

La U.S.Occupational Safety and Health Administration (OSHA) a fixé une limite d'exposition de 0,05 milligramme par mètre cube (mg / m3) pour la poussière de pentoxyde de vanadium et 0,1 mg / m3 pour les vapeurs de pentoxyde de vanadium dans l'air du lieu de travail, pour une journée de travail de huit heures, une semaine de travail de 40 heures. L'Institut national pour la sécurité et la santé au travail (NIOSH) a recommandé que 35 mg / m3 de vanadium soit considéré comme immédiatement dangereux pour la vie et la santé. Cela correspond au niveau d'exposition susceptible de causer des problèmes de santé permanents ou la mort.

Voir également

Les références

  • Laboratoire national de vanadium Los Alamos. Récupéré le 10 juillet 2007.
  • Greenwood, N. N .; et A. Earnshaw. (1998). Chimie des éléments, 2e éd. Burlington, MA: Butterworth-Heinemann, Elsevier Science. ISBN 0750633654. Version en ligne disponible. Récupéré le 10 juillet 2007.
  • Coton, F. Albert; et Geoffrey Wilkinson. (1980). Chimie inorganique avancée, 4e éd. New York: Wiley. ISBN 0471027758

Liens externes

Tous les liens ont été récupérés le 14 janvier 2016.

Voir la vidéo: Vanadium - Periodic Table of Videos (Août 2020).

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