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Vanadio

El vanadio es un elemento químico ; su símbolo es V y su número atómico es 23. Es un metal de transición duro, de color gris plateado y maleable . Este metal elemental rara vez ...

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El vanadio es un elemento químico ; su símbolo es V y su número atómico es 23. Es un metal de transición duro, de color gris plateado y maleable . Este metal elemental rara vez se encuentra en la naturaleza, pero una vez aislado artificialmente, la formación de una capa de óxido ( pasivación ) lo estabiliza parcialmente frente a una mayor oxidación .

El científico español Andrés Manuel del Río descubrió compuestos de vanadio en 1801 al analizar un nuevo mineral que contenía plomo y al que llamó "plomo marrón". Aunque inicialmente supuso que sus propiedades se debían a la presencia de un nuevo elemento, posteriormente el químico francés Hippolyte Victor Collet-Descotils lo convenció erróneamente de que el elemento era simplemente cromo . Luego, en 1830, Nils Gabriel Sefström generó cloruros de vanadio, demostrando así la existencia de un nuevo elemento, y lo denominó "vanadio" en honor a la diosa escandinava de la belleza y la fertilidad, Vanadís (Freyja). El nombre se basaba en la amplia gama de colores que se encuentran en los compuestos de vanadio. El mineral de plomo de Del Río finalmente recibió el nombre de vanadinita por su contenido de vanadio. En 1867, Henry Enfield Roscoe obtuvo el elemento puro.

El vanadio se encuentra de forma natural en unos 65 minerales y depósitos de combustibles fósiles . En China y Rusia se produce a partir de la escoria de las fundiciones de acero . Otros países lo obtienen directamente de la magnetita , del polvo de combustión del petróleo pesado o como subproducto de la minería del uranio . Se utiliza principalmente para producir aleaciones de acero especiales , como aceros para herramientas de alta velocidad , y algunas aleaciones de aluminio . El compuesto industrial de vanadio más importante, el pentóxido de vanadio , se utiliza como catalizador para la producción de ácido sulfúrico . La batería redox de vanadio para el almacenamiento de energía podría ser una aplicación importante en el futuro.

Se han encontrado grandes cantidades de iones de vanadio en algunos organismos, posiblemente como una toxina . El óxido y algunas otras sales de vanadio presentan una toxicidad moderada. Particularmente en el océano, algunas formas de vida utilizan el vanadio como centro activo de enzimas , como la vanadio bromoperoxidasa de algunas algas marinas .

Historia

El vanadio fue descubierto en México en 1801 por el mineralogista español Andrés Manuel del Río . Del Río extrajo el elemento de una muestra de mineral mexicano de "plomo marrón", posteriormente llamado vanadinita . Descubrió que sus sales exhibían una amplia variedad de colores y, como resultado, nombró al elemento pancromo (griego: παγχρώμιο "todos los colores"). Más tarde, del Río renombró el elemento eritronio (griego: ερυθρός "rojo") porque la mayoría de las sales se volvían rojas al calentarse. [ 9 ] [ 10 ] En 1805, el químico francés Hippolyte Victor Collet-Descotils , respaldado por el amigo de del Río, el barón Alexander von Humboldt , declaró erróneamente que el nuevo elemento de del Río era una muestra impura de cromo . Del Río aceptó la declaración de Collet-Descotils y se retractó de su afirmación. [ 11 ]

En 1831, el químico sueco Nils Gabriel Sefström redescubrió el elemento en un nuevo óxido que encontró mientras trabajaba con minerales de hierro . Más tarde ese año, Friedrich Wöhler confirmó que este elemento era idéntico al encontrado por del Río y, por lo tanto, confirmó el trabajo anterior de del Río. [ 12 ] [ 13 ] Sefström eligió un nombre que comenzaba con V, que aún no se había asignado a ningún elemento. Llamó al elemento vanadio en honor al nórdico antiguo Vanadís (otro nombre para la diosa nórdica Vanir Freyja , cuyos atributos incluyen la belleza y la fertilidad), debido a los muchos compuestos químicos de hermosos colores que produce. [ 12 ] Al enterarse de los hallazgos de Wöhler, del Río comenzó a argumentar apasionadamente que se reconociera su antiguo reclamo, pero el elemento conservó el nombre de vanadio . [ 14 ] En 1831, el geólogo George William Featherstonhaugh sugirió que el vanadio debería ser renombrado " rionium " en honor a del Río, pero esta sugerencia no fue seguida. [ 15 ]

Como el vanadio suele encontrarse combinado con otros elementos, el aislamiento del vanadio metálico fue difícil. [ 16 ] En 1831, Berzelius informó sobre la producción del metal, pero Henry Enfield Roscoe demostró que Berzelius había producido el nitruro, nitruro de vanadio (VN). Roscoe finalmente produjo el metal en 1867 mediante la reducción de cloruro de vanadio(II) , VCl₂ , con hidrógeno . [ 17 ] En 1927, se produjo vanadio puro mediante la reducción de pentóxido de vanadio con calcio . [ 18 ]

El primer uso industrial a gran escala del vanadio se dio en el chasis de aleación de acero del Ford Modelo T , inspirado en los coches de carreras franceses. El acero al vanadio permitió reducir el peso a la vez que aumentaba la resistencia a la tracción ( c. 1905 ). [ 19 ] Durante la primera década del siglo XX, la mayor parte del mineral de vanadio fue extraído por la American Vanadium Company de Minas Ragra en Perú. Posteriormente, la demanda de uranio aumentó, lo que llevó a una mayor extracción de los minerales de este metal. Uno de los principales minerales de uranio era la carnotita , que también contiene vanadio. Así, el vanadio se convirtió en un subproducto de la producción de uranio. Finalmente, la minería de uranio comenzó a abastecer una gran parte de la demanda de vanadio. [ 20 ] [ 21 ]

En 1911, el químico alemán Martin Henze descubrió el vanadio en las proteínas hemovanadina que se encuentran en las células sanguíneas (o células celómicas ) de las ascidias (ascidias). [ 22 ] [ 23 ]

Características

Cuboides de vanadio policristalino de alta pureza (99,95%), refundidos por haz de electrones y grabados macroscópicos.

El vanadio es un metal de dureza media, dúctil y de color azul acero. El vanadio se suele describir como "blando" porque es dúctil, maleable y no quebradizo . [ 24 ] [ 25 ] El vanadio es más duro que la mayoría de los metales y aceros (véase Durezas de los elementos (página de datos) y hierro ). Tiene buena resistencia a la corrosión y es estable frente a álcalis y ácidos sulfúrico e hidrocloruro . [ 26 ] Se oxida en el aire a unos 933 K (660 °C, 1220 °F), aunque se forma una capa de pasivación de óxido incluso a temperatura ambiente. [ 27 ] También reacciona con peróxido de hidrógeno .   

isótopos

El vanadio natural se compone de un isótopo estable , 51V , y un isótopo radiactivo , 50V . Este último tiene una vida media de 2,71 × 10¹⁷ años y una abundancia natural del 0,25 %. El 51V tiene un espín nuclear de 7/2 y puede utilizarse para espectroscopia de RMN . [ 28 ] Se han caracterizado veinticinco radioisótopos artificiales, con números másicos que van desde 42 hasta 68. Los más estables de estos isótopos son el 49V , con una vida media de 330 días, y el 48V , con una vida media de 15,97 días. Los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a una hora, la mayoría por debajo de 10 segundos. [ 29 ]

La captura electrónica es el principal modo de desintegración para los isótopos más ligeros que 51 V. Para los más pesados, el modo más común es la desintegración beta . [ 29 ] Las reacciones de captura electrónica conducen a la formación de isótopos del elemento 22 ( titanio ), mientras que la desintegración beta conduce a los isótopos del elemento 24 ( cromo ).

compuestos

De izquierda a derecha: [V(H 2 O) 6 ] 2+ (lila), [V(H 2 O) 6 ] 3+ (verde), [VO(H 2 O) 5 ] 2+ (azul) y [VO(H 2 O) 5 ] 3+ (amarillo)

La química del vanadio es notable por la accesibilidad de los cuatro estados de oxidación adyacentes 2–5. En una solución acuosa , el vanadio forma complejos acuosos metálicos cuyos colores son lila [V(H₂O ) ₆ ] ²⁺ , verde [V(H₂O ) ₆ ] ³⁺ , azul [VO(H₂O ) ₅ ] ²⁺ y óxidos amarillo-anaranjados [VO(H₂O ) ₅ ] ³⁺ , cuya fórmula depende del pH. Los compuestos de vanadio(II) son agentes reductores y los de vanadio(V) son agentes oxidantes. Los compuestos de vanadio(IV) suelen existir como derivados de vanadilo , que contienen el centro VO²⁺ . [ 26 ]

El vanadato de amonio(V) (NH₄VO₃ ) se puede reducir sucesivamente con zinc elemental para obtener los diferentes colores del vanadio en estos cuatro estados de oxidación. Los estados de oxidación más bajos se presentan en compuestos como V(CO) ₆ , [V(CO) ₆]6 ] −y derivados sustituidos. [ 26 ]

El pentóxido de vanadio es un catalizador de importancia comercial para la producción de ácido sulfúrico, una reacción que aprovecha la capacidad de los óxidos de vanadio para experimentar reacciones redox. [ 26 ]

La batería redox de vanadio utiliza los cuatro estados de oxidación: un electrodo utiliza el par +5/+4 y el otro utiliza el par +3/+2. La conversión de estos estados de oxidación se ilustra mediante la reducción de una solución fuertemente ácida de un compuesto de vanadio(V) con polvo de zinc o amalgama. El color amarillo inicial característico del ion pervanadilo [VO 2 (H 2 O) 4 ] + es reemplazado por el color azul de [VO(H 2 O) 5 ] 2+ , seguido del color verde de [V(H 2 O) 6 ] 3+ y luego el color violeta de [V(H 2 O) 6 ] 2+ . [ 26 ] Otra batería potencial de vanadio basada en VB 2 utiliza múltiples estados de oxidación para permitir que se liberen 11 electrones por VB 2 , lo que le da una capacidad de energía mayor que la gasolina y un orden de magnitud mayor que las baterías de iones de litio. [ 30 ] Las baterías VB 2 se pueden mejorar aún más como baterías de aire, lo que permite una densidad de energía aún mayor y un peso menor que las baterías de litio o gasolina, aunque la recarga sigue siendo un desafío. [ 30 ]

Oxianiones

La estructura del decavanadato

En una solución acuosa, el vanadio(V) forma una extensa familia de oxianiones como se estableció mediante espectroscopia de RMN de 51V . [ 28 ] Las interrelaciones en esta familia se describen mediante el diagrama de predominio , que muestra al menos 11 especies, dependiendo del pH y la concentración. [ 31 ] El ion ortovanadato tetraédrico, VO3−4 , es la especie principal presente a pH 12–14. Similar en tamaño y carga al fósforo(V), el vanadio(V) también es similar en su química y cristalografía. El ortovanadato V O3−4 se utiliza en cristalografía de proteínas [ 32 ] para estudiar la bioquímica del fosfato. [ 33 ] Además, también se ha demostrado que este anión interactúa con la actividad de algunas enzimas específicas. [ 34 ] [ 35 ] El tetratiovanadato [VS 4 ] 3− es análogo al ion ortovanadato. [ 36 ]

A valores de pH más bajos, se forman el monómero [HVO₄]²⁻ y el dímero [V₂O₇]⁴⁻, predominando el monómero a una concentración de vanadio inferior a c. 10⁻² M ( pV > 2 , donde pV es igual al valor negativo del logaritmo de la concentración total de vanadio/M). La formación del ion divanadato es análoga a la formación del ion dicromato . [ 37 ] [ 38 ] A medida que disminuye el pH, se produce una mayor protonación y condensación a polivanadatos : a pH 4–6, [H₂VO₄ ] ⁻ predomina a pV mayor que a. c. 4, mientras que a concentraciones más altas se forman trímeros y tetrámeros. [ 39 ] Entre pH 2–4 predomina el decavanadato , cuya formación a partir de ortovanadato está representada por esta reacción de condensación:

10 [VO 4 ] 3− + 24 H + → [V 10 O 28 ] 6− + 12 H 2 O
Cristal de vanadio

En el decavanadato, cada centro V(V) está rodeado por seis ligandos de óxido . [ 26 ] El ácido vanádico, H 3 VO 4 , existe solo en concentraciones muy bajas porque la protonación de la especie tetraédrica [H 2 VO 4 ] − da como resultado la formación preferencial de la especie octaédrica [VO 2 (H 2 O) 4 ] + . [ 40 ] En soluciones fuertemente ácidas, pH  <  2, [VO 2 (H 2 O) 4 ] + es la especie predominante, mientras que el óxido V 2 O 5 precipita de la solución en concentraciones altas. El óxido es formalmente el anhídrido ácido del ácido vanádico. Las estructuras de muchos compuestos de vanadato se han determinado por cristalografía de rayos X.

El diagrama de Pourbaix para el vanadio en agua, que muestra los potenciales redox entre varias especies de vanadio en diferentes estados de oxidación [ 41 ]

El vanadio(V) forma diversos complejos peroxo, sobre todo en el sitio activo de las enzimas bromoperoxidasas que contienen vanadio. La especie VO( O₂ )(H₂O ) ₄⁺ es estable en soluciones ácidas. En soluciones alcalinas, se conocen especies con 2, 3 y 4 grupos peróxido; la última forma sales violetas con la fórmula M₃V ( O₂ ) ₄nH₂O ( M= Li , Na, etc.), en las que el vanadio tiene una estructura dodecaédrica de 8 coordenadas. [ 42 ] [ 43 ]

derivados de haluros

Se conocen doce haluros binarios , compuestos con la fórmula VX n (n=2..5). [ 44 ] VI 4 , VBr 5 y VI 5 no existen o son extremadamente inestables. En combinación con otros reactivos, VCl 4 se utiliza como catalizador para la polimerización de dienos . Como todos los haluros binarios, los de vanadio son ácidos de Lewis , especialmente los de V(IV) y V(V). [ 44 ] Muchos de los haluros forman complejos octaédricos con la fórmula VX n L 6− n (X= haluro; L= otro ligando).

Se conocen muchos oxihaluros de vanadio (fórmula VO m X n ). [ 45 ] El oxitricloruro y el oxitrifluoruro ( VOCl 3 y VOF 3 ) son los más estudiados. Al igual que el POCl 3 , son volátiles, [ 46 ] adoptan estructuras tetraédricas en fase gaseosa y son ácidos de Lewis. [ 47 ]

Compuestos de coordinación

Un modelo de bolas y varillas de VO(O 2 C 5 H 7 ) 2

Los complejos de vanadio(II) y (III) son reductores, mientras que los de V(IV) y V(V) son oxidantes. El ion vanadio es bastante grande y algunos complejos alcanzan números de coordinación mayores que 6, como es el caso en [V(CN) 7 ] 4− . El oxovanadio(V) también forma complejos de coordinación 7-coordinados con ligandos tetradentados y peróxidos, y estos complejos se utilizan para bromaciones oxidativas y oxidaciones de tioéteres. La química de coordinación de V 4+ está dominada por el centro vanadilo , VO 2+ , que se une a otros cuatro ligandos fuertemente y a uno débilmente (el que está en posición trans respecto al centro vanadilo). Un ejemplo es el acetilacetonato de vanadilo (V(O)(O 2 C 5 H 7 ) 2 ). En este complejo, el vanadio es pentacoordinado, piramidal cuadrado distorsionado, lo que significa que se puede unir un sexto ligando, como la piridina, aunque la constante de asociación de este proceso es pequeña. Muchos complejos de vanadilo pentacoordinados tienen una geometría bipiramidal trigonal, como el VOCl₂ ( NMe₃ ) ₂ . [ 48 ] La química de coordinación del V⁵⁺ está dominada por los complejos de coordinación de dioxovanadio relativamente estables [ 49 ] que a menudo se forman por oxidación aérea de los precursores de vanadio(IV), lo que indica la estabilidad del estado de oxidación +5 y la facilidad de interconversión entre los estados +4 y +5. [ 50 ]

Compuestos organometálicos

La química organometálica del vanadio está bien desarrollada . El dicloruro de vanadoceno es un reactivo de partida versátil y tiene aplicaciones en química orgánica. [ 51 ] El carbonilo de vanadio , V(CO) 6 , es un ejemplo raro de un carbonilo metálico paramagnético . La reducción produce V (CO) − 6 ( isoelectrónico con Cr(CO) 6 ), que puede reducirse aún más con sodio en amoníaco líquido para producir V (CO) 3− 5 (isoelectrónico con Fe(CO) 5 ). [ 52 ] [ 53 ]

Aparición

Vanadinita

El vanadio metálico es raro en la naturaleza (conocido como vanadio nativo ), [ 54 ] [ 55 ] habiéndose encontrado entre las fumarolas del volcán Colima , pero los compuestos de vanadio se presentan de forma natural en unos 65 minerales diferentes .

El vanadio comenzó a utilizarse en la fabricación de aceros especiales en 1896. En ese momento, se conocían muy pocos depósitos de menas de vanadio. Entre 1899 y 1906, los principales depósitos explotados fueron las minas de Santa Marta de los Barros (Badajoz), España. De estas minas se extraía vanadinita . [ 56 ] A principios del siglo XX, se descubrió un gran depósito de mena de vanadio cerca de Junín, Cerro de Pasco , Perú (ahora la mina de vanadio Minas Ragra ). [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ] Durante varios años, este depósito de patrónita (VS 4 ) [ 60 ] fue una fuente económicamente significativa de mena de vanadio. En 1920, aproximadamente dos tercios de la producción mundial provenían de la mina en Perú. [ 61 ] Con la producción de uranio en las décadas de 1910 y 1920 a partir de carnotita ( K 2 (UO 2 ) 2 (VO 4 ) 2 ·3H 2 O ) el vanadio se volvió disponible como un subproducto de la producción de uranio. La vanadinita ( Pb 5 (VO 4 ) 3 Cl ) y otros minerales que contienen vanadio solo se extraen en casos excepcionales. Con la creciente demanda, gran parte de la producción mundial de vanadio ahora proviene de magnetita que contiene vanadio que se encuentra en cuerpos de gabro ultramáfico . Si esta titanomagnetita se usa para producir hierro, la mayor parte del vanadio va a la escoria y se extrae de ella. [ 62 ] [ 59 ] Alrededor del 10% de la producción mundial de vanadio es por extracción primaria del mineral, y el 90% se recupera de la escoria sobrante después de la fabricación de acero. El contenido de vanadio en el mineral puede ser de tan solo el 0,3%, por lo que la extracción primaria genera grandes cantidades de residuos. [ 63 ]

El vanadio se produce principalmente en China , Sudáfrica y el este de Rusia . En 2022, estos tres países produjeron más del 96 % de las 100 000 toneladas de vanadio producidas, y China aportó el 70 %, principalmente como subproducto de su industria siderúrgica. [ 64 ]

Se sabe que las fumarolas de Colima son ricas en vanadio, depositando otros minerales de vanadio, entre los que se incluyen la shcherbinaíta (V₂O₅ ) y la colimaíta ( K₃VS₄ ) . [ 65 ] [ 66 ] [ 67 ]

El vanadio también está presente en la bauxita y en depósitos de petróleo crudo , carbón , esquisto bituminoso y arenas bituminosas  . En el petróleo crudo, se han reportado concentraciones de hasta 1200 ppm. Cuando se queman estos productos derivados del petróleo, trazas de vanadio pueden causar corrosión en motores y calderas. [ 68 ] Se estima que se liberan a la atmósfera 110 000 toneladas de vanadio al año por la quema de combustibles fósiles . [ 69 ] Los esquistos negros también son una fuente potencial de vanadio. Durante la Segunda Guerra Mundial, se extrajo algo de vanadio de esquistos de alumbre en el sur de Suecia. [ 70 ]

En el universo, la abundancia cósmica de vanadio es del 0,0001%, lo que hace que el elemento sea casi tan común como el cobre o el zinc . [ 71 ] El vanadio es el decimonoveno elemento más abundante en la corteza. [ 72 ] Se detecta espectroscópicamente en la luz del Sol y, a veces, en la luz de otras estrellas . [ 73 ] El ion vanadilo también es abundante en el agua de mar , con una concentración media de 30 nM (1,5 mg/m³ ) . [ 71 ] Algunos manantiales de agua mineral también contienen el ion en altas concentraciones. Por ejemplo, los manantiales cercanos al Monte Fuji contienen hasta 54 μg por litro . [ 71 ]   

Producción

Tendencia de producción de vanadio
Cristales dendríticos de vanadio sublimados al vacío (99,9%)

El vanadio metálico se obtiene mediante un proceso de varias etapas que comienza con la tostación de mineral triturado con NaCl o Na₂CO₃ a unos 850 ° C  para obtener metavanadato de sodio (NaVO₃ ) . Un extracto acuoso de este sólido se acidifica para producir "torta roja", una sal de polivanadato, que se reduce con calcio metálico. Como alternativa para la producción a pequeña escala, el pentóxido de vanadio se reduce con hidrógeno o magnesio . También se utilizan muchos otros métodos, en todos los cuales el vanadio se produce como subproducto de otros procesos. [ 74 ] La purificación del vanadio es posible mediante el proceso de barra cristalina desarrollado por Anton Eduard van Arkel y Jan Hendrik de Boer en 1925. Este proceso implica la formación del yoduro metálico, en este ejemplo yoduro de vanadio(III) , y la posterior descomposición para obtener metal puro: [ 75 ]

2 V + 3 I 2 ⇌ 2 VI 3
trozos de ferrovanadio

La mayor parte del vanadio se utiliza como aleación de acero denominada ferrovanadio . El ferrovanadio se produce directamente mediante la reducción de una mezcla de óxido de vanadio, óxidos de hierro y hierro en un horno eléctrico. El vanadio termina en el arrabio producido a partir de magnetita que contiene vanadio. Dependiendo del mineral utilizado, la escoria contiene hasta un 25 % de vanadio. [ 74 ]

Aplicaciones

Herramienta fabricada en acero al vanadio.

Aleaciones

El Modelo T utilizaba acero al vanadio en su chasis .

Aproximadamente el 85% del vanadio producido se utiliza como ferrovanadio o como aditivo para acero . [ 74 ] El considerable aumento de resistencia en el acero que contiene pequeñas cantidades de vanadio se descubrió a principios del siglo XX. El vanadio forma nitruros y carburos estables, lo que resulta en un aumento significativo de la resistencia del acero. [ 76 ] Desde entonces, el acero al vanadio se utilizó para aplicaciones en ejes , cuadros de bicicleta, cigüeñales , engranajes y otros componentes críticos. Hay dos grupos de aleaciones de acero al vanadio. Las aleaciones de acero al carbono con vanadio contienen 0,15–0,25% de vanadio, y los aceros para herramientas de alta velocidad (HSS) tienen un contenido de vanadio del 1–5%. Para los aceros para herramientas de alta velocidad, se puede lograr una dureza superior a HRC 60. El acero HSS se utiliza en instrumentos y herramientas quirúrgicas . [ 77 ] Las aleaciones metalúrgicas en polvo contienen hasta un 18% de vanadio. El alto contenido de carburos de vanadio en esas aleaciones aumenta significativamente la resistencia al desgaste. Una aplicación de esas aleaciones son las herramientas y los cuchillos. [ 78 ]

El vanadio estabiliza la forma beta del titanio y aumenta su resistencia y estabilidad térmica. Mezclado con aluminio en aleaciones de titanio , se utiliza en motores a reacción , fuselajes de aviones de alta velocidad e implantes dentales . La aleación más común para tubos sin costura es el titanio 3/2.5, que contiene un 2,5 % de vanadio, la aleación de titanio preferida en las industrias aeroespacial, de defensa y de bicicletas. [ 79 ] Otra aleación común, producida principalmente en láminas, es el titanio 6AL-4V , una aleación de titanio con un 6 % de aluminio y un 4 % de vanadio. [ 80 ]

Varias aleaciones de vanadio muestran comportamiento superconductor . El primer superconductor de fase A15 fue un compuesto de vanadio, V₃Si , descubierto en 1952. [ 81 ] La cinta de vanadio-galio se utiliza en imanes superconductores (17,5 teslas o 175 000 gauss ). La estructura de la fase superconductora A15 de V₃Ga es similar a la de los compuestos más comunes Nb₃Sn y Nb₃Ti . [ 82 ]

Se ha descubierto que una pequeña cantidad, de 40 a 270  ppm, de vanadio en el acero Wootz mejoraba significativamente la resistencia del producto y le confería un patrón distintivo. Se desconoce el origen del vanadio en los lingotes originales de acero Wootz. [ 83 ]

El vanadio puede utilizarse como sustituto del molibdeno en el acero blindado, aunque la aleación resultante es mucho más frágil y propensa a desprenderse en impactos no penetrantes. [ 84 ] La Alemania nazi fue uno de los principales usuarios de dichas aleaciones, en vehículos blindados como el Tiger II o el Jagdtiger . [ 85 ]

Catalizadores

El óxido de vanadio(V) es un catalizador en el proceso de contacto para la producción de ácido sulfúrico.

Los compuestos de vanadio se utilizan ampliamente como catalizadores; [ 86 ] El pentóxido de vanadio V 2 O 5 , se utiliza como catalizador en la fabricación de ácido sulfúrico mediante el proceso de contacto [ 87 ] En este proceso, el dióxido de azufre ( SO )2 ) se oxida altrióxido(SO3 ): [ 26 ] En estareacción redox, el azufre se oxida de +4 a +6 y el vanadio se reduce de +5 a +4:

V 2 O 5 + ASI 2 → 2 VO 2 + ASI 3

El catalizador se regenera mediante oxidación con aire:

4 VO 2 + O 2 → 2 V 2 O 5

En la producción de anhídrido maleico se utilizan oxidaciones similares :

C 4 H 10 + 3.5 O 2 → C 4 H 2 O 3 + 4 H 2 O

El anhídrido ftálico y otros compuestos orgánicos a granel se producen de manera similar. Estos procesos de química verde transforman materias primas económicas en intermedios versátiles y altamente funcionalizados. [ 88 ] [ 89 ]

El vanadio es un componente importante de los catalizadores de óxido metálico mixto utilizados en la oxidación de propano y propileno a acroleína , ácido acrílico o la amoxidación de propileno a acrilonitrilo . [ 90 ]

Otros usos

La batería redox de vanadio , un tipo de batería de flujo , es una celda electroquímica que consta de iones de vanadio acuosos en diferentes estados de oxidación. [ 91 ] [ 92 ] Las baterías de este tipo se propusieron por primera vez en la década de 1930 y se desarrollaron comercialmente a partir de la década de 1980. Las celdas utilizan iones con estados de oxidación formales +5 y +2. Las baterías redox de vanadio se utilizan comercialmente para el almacenamiento de energía en la red eléctrica . [ 93 ]

El vanadato se puede utilizar para proteger el acero contra la oxidación y la corrosión mediante recubrimiento de conversión . [ 94 ] La lámina de vanadio se utiliza para revestir titanio sobre acero porque es compatible tanto con el hierro como con el titanio. [ 95 ] La sección transversal de captura de neutrones térmicos moderada y la corta vida media de los isótopos producidos por la captura de neutrones hacen del vanadio un material adecuado para la estructura interna de un reactor de fusión . [ 96 ] [ 97 ]

Se puede agregar vanadio en pequeñas cantidades <  5% a los cátodos de las baterías LFP para aumentar la conductividad iónica. [ 98 ]

Propuesto

Se ha propuesto el óxido de vanadio y litio como ánodo de alta densidad energética para baterías de iones de litio , con 745  Wh/L cuando se combina con un cátodo de óxido de cobalto y litio . [ 99 ] Se han propuesto los fosfatos de vanadio como cátodo en la batería de fosfato de vanadio y litio , otro tipo de batería de iones de litio. [ 100 ]

El fosfato de sodio y vanadio también se ha propuesto como alternativa a las baterías de iones de litio . Este nuevo material es propuesto por el Laboratorio de Investigación Canepa [ 101 ] de la Universidad de Houston, que afirma que, dado que el sodio es aproximadamente 50 veces más barato que el litio, una alternativa de iones de sodio con una densidad energética similar podría dar lugar a baterías más económicas con una cadena de suministro más sencilla.

Función biológica

El vanadio tiene un papel más significativo en los ambientes marinos que en los terrestres. [ 102 ]

Los tunicados, como este tunicado de campanilla azul, contienen vanadio en forma de vanabinas .
Amanita muscaria contiene amavadina .

Vanadoenzimas

Varias especies de algas marinas producen bromoperoxidasa de vanadio, así como la cloroperoxidasa, estrechamente relacionada (que puede utilizar un cofactor de hemo o vanadio), y yodoperoxidasas . La bromoperoxidasa produce aproximadamente entre 1 y 2 millones de toneladas de bromoformo y 56 000 toneladas de bromometano anualmente. [ 103 ] La mayoría de los compuestos organobromados que se encuentran en la naturaleza son producidos por esta enzima, [ 104 ] catalizando la siguiente reacción (RH es el sustrato de hidrocarburo):

RH + Br − + H 2 O 2 → R-Br + H 2 O + OH −

Algunos microorganismos fijadores de nitrógeno , como Azotobacter , utilizan una nitrogenasa de vanadio . En esta función, el vanadio sustituye al molibdeno o al hierro , más comunes , y confiere a la nitrogenasa propiedades ligeramente diferentes. [ 105 ]

Acumulación de vanadio en tunicados

El vanadio es esencial para los tunicados , donde se almacena en las vacuolas altamente acidificadas de ciertos tipos de células sanguíneas, denominadas vanadocitos . Se han identificado vanabinas (proteínas que se unen al vanadio) en el citoplasma de dichas células. La concentración de vanadio en la sangre de los tunicados ascidianos es hasta diez millones de veces mayor [ 106 ] [ 107 ] que la del agua de mar circundante, que normalmente contiene de 1 a 2 μg/L. [ 108 ] [ 109 ] La función de este sistema de concentración de vanadio y de estas proteínas portadoras de vanadio aún se desconoce, pero los vanadocitos se depositan posteriormente justo debajo de la superficie externa de la túnica, donde pueden disuadir a los depredadores . [ 110 ] 

Hongos

Amanita muscaria y especies relacionadas de macrohongos acumulan vanadio (hasta 500 mg/kg de peso seco). El vanadio está presente en el complejo de coordinación amavadina [ 111 ] en los cuerpos fructíferos de los hongos. Se desconoce la importancia biológica de esta acumulación. [ 112 ] [ 113 ] Se han sugerido funcionestóxicas o de enzimas peroxidasas . [ 114 ]

Mamíferos

Las deficiencias de vanadio provocan una reducción del crecimiento en ratas. [ 115 ] El Instituto de Medicina de los Estados Unidos no ha confirmado que el vanadio sea un nutriente esencial para los humanos, por lo que no se ha establecido ni una ingesta dietética recomendada ni una ingesta adecuada. La ingesta dietética se estima entre 6 y 18  μg/día, con una absorción inferior al 5 %. El nivel máximo de ingesta tolerable (UL) de vanadio en la dieta, por encima del cual pueden producirse efectos adversos, se establece en 1,8  mg/día. [ 116 ]

Investigación

Se ha investigado el sulfato de vanadilo como suplemento dietético para aumentar la sensibilidad a la insulina o mejorar el control glucémico en personas con diabetes. Algunos ensayos mostraron efectos terapéuticos significativos, pero se consideraron de baja calidad. Las cantidades de vanadio utilizadas en estos ensayos (de 30 a 150  mg) superaron ampliamente el límite superior seguro. [ 117 ] [ 118 ] La conclusión de la revisión sistemática fue: «No existe evidencia rigurosa de que la suplementación oral con vanadio mejore el control glucémico en la diabetes tipo 2. No se recomienda el uso rutinario de vanadio para este fin». [ 117 ]

En astrobiología , se ha sugerido que las acumulaciones discretas de vanadio en Marte podrían ser una posible biofirma microbiana cuando se utilizan junto con la espectroscopia Raman y la morfología. [ 119 ] [ 120 ]

Seguridad

Todos los compuestos de vanadio deben considerarse tóxicos. [ 121 ] Se ha informado que el VOSO 4 tetravalente es al menos 5 veces más tóxico que el V 2 O 3 trivalente . [ 122 ] La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de EE . UU. (OSHA) ha establecido un límite de exposición de 0,05  mg/m 3 para el polvo de pentóxido de vanadio y 0,1  mg/m 3 para los humos de pentóxido de vanadio en el aire del lugar de trabajo para una jornada laboral de 8 horas, una semana laboral de 40 horas. [ 123 ] El Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional de EE . UU. (NIOSH) ha recomendado que 35  mg/m 3 de vanadio se consideren inmediatamente peligrosos para la vida y la salud, es decir, que probablemente causen problemas de salud permanentes o la muerte. [ 123 ] El vanadio ha sido identificado como un componente carcinógeno de la contaminación por PM2.5, lo que explica una proporción de los cánceres y muertes causados ​​por ella. [ 124 ]

Los compuestos de vanadio se absorben mal a través del sistema gastrointestinal. La inhalación de vanadio y compuestos de vanadio produce principalmente efectos adversos en el sistema respiratorio. [ 125 ] [ 126 ] [ 127 ] Sin embargo, los datos cuantitativos son insuficientes para derivar una dosis de referencia de inhalación subcrónica o crónica. Se han reportado otros efectos después de exposiciones orales o por inhalación en parámetros sanguíneos, [ 128 ] [ 129 ] hígado, [ 130 ] desarrollo neurológico, [ 131 ] y otros órganos [ 132 ] en ratas.

Hay poca evidencia de que el vanadio o sus compuestos sean toxinas reproductivas o teratógenos . Se informó que el pentóxido de vanadio era carcinógeno en ratas macho y en ratones machos y hembras por inhalación en un estudio del NTP, [ 126 ] aunque la interpretación de los resultados fue cuestionada algunos años después del informe. [ 133 ] La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos no ha determinado la carcinogenicidad del vanadio . [ 134 ]

Los trazas de vanadio en los combustibles diésel son el principal componente del combustible en la corrosión a altas temperaturas . Durante la combustión, el vanadio se oxida y reacciona con el sodio y el azufre, produciendo compuestos de vanadato con puntos de fusión tan bajos como 530 °C (986 °F) , que atacan la capa de pasivación del acero y lo hacen susceptible a la corrosión. Los compuestos sólidos de vanadio también erosionan los componentes del motor. [ 135 ] [ 136 ]  

Véase también

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