钒

钒（Vanadium）是一種化學元素，符號為V，原子序數為23。它是一種堅硬、銀灰色，具韌性、可延展的過渡金屬。在自然界中很少發現元素金屬，但是一旦經人工分離，會形成氧化層(鈍化)防止自由態的金屬氧化，使之更穩定存在。

钒   23V
氫（非金屬） 氦（惰性氣體）
鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（惰性氣體）
鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（惰性氣體）
鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（惰性氣體）
銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鎝（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（惰性氣體）
銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鎦（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砈（類金屬） 氡（惰性氣體）
鍅（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 錼（錒系元素） 鈽（錒系元素） 鋂（錒系元素） 鋦（錒系元素） 鉳（錒系元素） 鉲（錒系元素） 鑀（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為惰性氣體）
 -
↑
钒
↓
铌
钛 ← 钒 → 铬
外觀
银灰色固态金属
概況
名稱·符號·序數钒（Vanadium）·V·23
元素類別过渡金属
族·週期·區5 ·4·d
標準原子質量50.9415（1）
電子排布[氩] 3d3 4s2
2，8，11，2
钒的电子層（2，8，11，2）
歷史
發現安德烈·曼纽尔·德·里奥（1801年）
分離尼尔斯·加布里埃尔·塞夫斯特瑞姆（1830年）
命名尼尔斯·加布里埃尔·塞夫斯特瑞姆（1830年）
物理性質
物態固态
密度（接近室温）
6.0 g·cm−3
熔點2183 K，1910 °C，3470 °F
沸點3680 K，3407 °C，6165 °F
熔化熱21.5 kJ·mol−1
汽化熱444 kJ·mol−1
比熱容24.89 J·mol−1·K−1
蒸氣壓
壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 2101 2289 2523 2814 3187 3679
原子性質
氧化態+5,+4,+3,+2,+1,-1
（两性）
電離能第一：650.9 kJ·mol−1

第二：1414 kJ·mol−1
第三：2830 kJ·mol−1

（更多）
原子半徑134 pm
共價半徑153±8 pm
雜項
晶體結構体心立方
磁序顺磁性
電阻率（20 °C）197 n Ω·m
熱導率30.7 W·m−1·K−1
膨脹係數（25 ℃）8.4 µm/(m·K)
聲速（細棒）（20 °C）4560 m·s−1
楊氏模量128 GPa
剪切模量47 GPa
體積模量160 GPa
泊松比0.37
莫氏硬度6.7
布氏硬度750 MPa
CAS號7440-62-2
最穩定同位素
主条目：钒的同位素
同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰變
方式 能量（MeV） 產物
48V 痕量 15.9735 天 β+ 4.0123 48Ti
49V 痕量 330 天 ε 0.6019 49Ti
50V 0.25% 1.4×1017年 ε 2.2083 50Ti
β− 1.0369 50Cr
51V 99.75% 穩定，帶28個中子

1801年 Andrés Manuel del Río在墨西哥發現了一種釩化合物，他分析了一種新的含鉛礦物，他稱之為⌈褐色鉛⌋，並根據其質量推測是一種新元素的存在，他稱之為erythronium（源自希臘語，意義為⌈紅色⌋，ἐρυθρόν，eruthrón）因為加熱後大多數鹽變成紅色。 四年後，他（錯誤地）被其他科學家說服，赤黴素與鉻相同。1830年， Nils Gabriel Sefström生成了釩的氯化物，進而證明了一種新的元素，他將這種“釩”命名為斯堪的納維亞的美女和生育女神Vanadís（Freyja）。 這兩個名字都歸因於釩化合物中廣泛的顏色。 Del Rio的鉛礦石後來因其釩含量而更名為釩鉛礦。 1867年亨利恩菲爾德羅斯科得到了純的釩元素。

釩天然存在於約65種礦物和化石燃料沉積物中。它是由中國和俄羅斯的鋼鐵冶煉渣中所得到。其他國家則直接從磁鐵礦、重油煙塵或鈾礦開採的副產品中生產。 它主要用於製造特種鋼合金，如高速工具鋼。最重要的工業用途為釩化合物五氧化二釩用作生產硫酸的催化劑。 用於儲能的釩氧化還原電池可能是未來的重要應用。

在少數生物中發現了大量的釩離子，可能是毒素。 氧化物和一些其他釩鹽具有中等毒性。 特別是在海洋中，釩被一些生命作為酶的活性中心，例如一些海藻的釩溴過氧化物酶。


特性

钒為一中等硬度可延展的銀灰過渡金屬，有些描述形容它很「軟」，應是因為它的延展性。不易腐蚀，在碱、硫酸和盐酸中它相当稳定。在933K（660 ℃）以上的温度中它氧化为五氧化二钒（V2O5）。钒的结构强度相当高。

在氧化物中钒一般显+5价，但也有+2、+3和+4价的氧化物存在，不过它们比较容易过渡为+5价的氧化物。2价和3价的钒氧化物是碱性的，4价的氧化物是两性的，5价的氧化物是酸性的。

一个很有趣的试验是用锌来还原无色的钒酸铵（NH4VO3）。在试验的过程中钒相继被还原成蓝色的四价钒、绿色的三价钒、紫蓝色的二价钒，随后低价的钒又会被空气中的氧氧化为金黃色的五价钒。由于钒的价数很容易改变，它也经常被用做催化剂。+1价的钒很少出现。理论上0、-1和-3价的钒也有可能。

应用

大约80%的钒和铁一起作为钢裡的合金元素。含钒的钢很硬很坚实，但一般其钒含量少于1%。

  • 含钒的合金有：
    • 运用在医疗器械中的特别的不锈钢
    • 运用在工具中的不锈钢
    • 与铝一起作为钛合金物运用在高速飞机的涡轮喷气发动机中
    • 含钒的钢经常被用在轴、齿轮等关键的机械部分中
  • 钒吸收裂变中子的截面很小，因此被用在核工业中
  • 在炼钢过程中钒被用来促进碳化物的形成
  • 在给钢涂钛的时候钒往往被作为中介层
  • 钒与镓的合金可以用来制作超导电磁铁，其磁强度可达175,000高斯
  • 在制造缩苹果酸酐和硫酸的过程中五氧化二钒被用来做催化剂. 钒基混合氧化物是丙烷，丙烯和丙烯醛生产丙烯酸的有效催化剂[1][2][3][4]。
  • 五氧化二钒（V2O5）被用来制做特殊的陶瓷作为催化剂
  • 可做藍色顏料，稱為「釩鋯藍」或「土耳其藍」

历史

1801年西班牙矿物学家安德烈·曼纽尔·德·里奥在墨西哥城在一个铅矿中首先发现了钒，但他错误地以为他所发现的只不过是一种不纯的铬。1831年瑞典化学家尼尔斯·加布里埃尔·塞夫斯特瑞姆在与铁矿做试验时重新发现了钒，同年弗里德里希·维勒证实了德·里欧的发现。1867年亨利·英弗尔德·罗斯用氢还原亚氯酸化钒（III）首次得到了纯的钒。

塞夫斯特瑞姆给钒按日尔曼神话中美丽女神的名字起了名，因为钒的化合物色彩缤纷。

生理

在生物体内钒是一些酶的必要组成部分。一些固氮的微生物使用含钒的酶来固定空气中的氮。

鼠和鸡也需要少量的钒，缺钒会阻碍它们的生长和繁殖。含钒的血红蛋白存在于海鞘类动物中。

一些含钒的物质具有类似胰岛素的效应，也许可以用来治疗糖尿病。

同位素
主条目：钒的同位素

釩共有31種同位素，其中51V穩定。

来源

在大自然中钒一般以化合物存在。约65种钒的化合物在自然中出现，其中有

  • 硫化钒 （VS4）
  • 绿硫钒矿 （VS2或V2S4）
  • 钒铅矿 [Pb5(VO4)3Cl]
  • 钒云母 [KV2(AlSi3O10)(OH)2]
  • 钒酸钾铀矿 [K2(UO2)2(VO4)2·3H2O]
  • 磁铁矿一般含1-2%的钒
  • 钒钛磁铁矿也是是钒的来源之一

在矾土和石油、煤、油页岩中也含有大量钒，特别是委内瑞拉和加拿大的石油中能找到钒。光谱分析发现在太阳和一些恒星的表面也有钒。

生产

纯的金属钒一般是用钾在高压下将五氧化二钒还原而得到的。大多数钒是其它矿物加工时的副产品。工业上也可以以铝，焦炭还原五氧化二钒生产纯钒。

化合物

五氧化二釩是釩最重要的化合物，常被用来做催化剂、染料和固色剂。五氧化二钒加熱可放出氧氣，且這個反應是可逆的。五氧化二钒的性質可催化二氧化硫、苯和萘的氧化反應，在工業上用來製造硫酸、鄰苯二甲酐和順丁烯二酐。五氧化二钒是橙色的，具有毒性，不同于大多数金属氧化物，五氧化二钒微溶于水。它是兩性化合物，可以与酸和碱反应。它也是氧化劑。

从左到右：[V(H2O)6]2+（紫色），[V(H2O)6]3+（绿色），[VO(H2O)6]2+（蓝色），[VO2(H2O)6]+（黄色）

注意
  • 钒很易燃。
  • 钒的化合物毒性很高。
  • 含钒的尘埃被吸入后会导致肺癌。

参考文献
  1. . Journal of Catalysis. 2014, 311: 369–385.
  2. . ACS Catalysis. 2013, 3 (6): 1103–1113.
  3. . Journal of Catalysis. 2012, 285: 48–60.
  4. . 2011.

外部連結
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