Vanad – Web o chemii, elektronice a programování

Obsah

Vanad najdeme v periodické tabulce v 5. skupině, společně s niobem, tantalem a dubniem. Využívá se hlavně pro přípravu slitin a katalyzátorů.

Atomové číslo	23	Elektronová konfigurace	[Ar]3d³ 4s²
Počet přírodních izotopů	2 (⁵⁰V, ⁵¹V)	Atomová hmotnost	50,9415
Elektronegativita	1,6	Hustota	6,11 g.cm^-3
Teplota tání	1915 °C	Teplota varu	3350 °C

Kovový vanad Zdroj: Tomihahndorf/Commons

Výskyt a výroba

Vanad je v přírodě poměrně hojným prvkem, obsah v zemské kůře je 136 ppm, ale většinou se vyskytuje jen v malých množstvích. Asi nejdůležitějším nerostem vanadu je patronit VS₄, černý, měkký polysulfid. Vanad se vyrábí pražením rozemleté rudy s NaCl nebo Na₂CO₃ při teplotě 850 °C. Vzniklý vanadičnan se vyluhuje vodou a po okyselení na pH 2-3 se získá polyvanadičnan, který je následně přetaven na oxid vanadičný. Ten se pak dále redukuje, nejčastěji železem, surový vanad se pak přímo používá na legování ocelí.

Izotopy vanadu

Přírodní vanad je tvořen stabilním izotopem ⁵⁰V (99,75 %) a malým podílem izotopu ⁵¹V s velmi dlouhým poločasem rozpadu (1,4.10¹⁷ let).

Z nestabilních izotopů nachází využití ⁴⁸V, který se využívá ke studiu chování vanadu v životním prostředí a v toxikologii. Připravuje se ozařováním přírodního titanu v cyklotronu:

⁴⁸Ti + p → ⁴⁸V + n

Izotop se získává rozpuštěním terče v koncentrované kyselině sírové, odpařením roztoku a žíháním odparku. Oxid titaničitý se pak separuje žíháním se směsí uhličitanu a dusičnanu sodného. Loužením taveniny se pak získá roztok vanadičnanu, titan ve formě hydroxidu je nerozpustný a zůstává v pevné fázi.

Chemické vlastnosti

Vanad ve sloučeninách dosahuje oxidačních čísel od -III do +V. Nejstálejší jsou sloučeniny V^IV.

Oxidační číslo	Příklad sloučeniny	Oxidační číslo	Příklad sloučeniny
-III	[V(CO)₅]^3-	II	[V(CN)₆]^4-
-I	[V(CO)₆]^–	III	[VCl₄]^–
0	[V(CO)₆]	IV	VCl₄
I	[V(bipy)₃]⁺	V	VOCl₃

Oxidy vanadu

Vanad vytváří čtyři základní oxidy (V₂O₅, VO₂, V₂O₃ a VO) a řadu nestechiometrických.

Oxid vanadičný

V₂O₅ vzniká zahříváním vanadu v kyslíkové atmosféře, nebo lépe termickým rozkladem metavanadičnanu amonného. Druhým způsobem získáme čistý oxid.

2 NH₄VO₃ → V₂O₅ + 2 NH₃ + H₂O

V čistém stavu je žlutooranžový. Zahříváním vratně uvolňuje kyslík, čímž se stává velmi žádaným katalyzátorem, nahradil např. platinu při oxidaci SO₂ na SO₃ při výrobě kyseliny sírové.

V₂O₅ + SO₂ → 2 VO₂ + SO₃
4 VO₂ + O₂ → 2 V₂O₅

Je amfoterní, ochotně se rozpouští v kyselinách za vzniku dioxovanadičného kationtu (VO₂)⁺, v roztocích alkalických hydroxidů tvoří orthovanadičnanové ionty VO₄^3-.

Oxid vanadičitý

VO₂ je také amfoterní, v neoxidujících kyselinách poskytuje modře zabarvené roztoky vanadylu (VO)²⁺, v alkalických roztocích tvoří ionty (V₄O₉)^2-, a při vysokém pH (VO₄)^4-.

Mezi V₂O₅ a VO₂ existuje celá řada oxidů s obecným vzorcem V_nO_2n+1. Další redukcí VO₂ (pomocí H₂, C nebo CO) získáme oxidy se vzorcem V_nO_2n-1. Nakonec získáme černý oxid vanaditý.

Termochromismus

Oxid vanadičitý je studován jako potenciální spektrálně selektivní povrch oken, který dokáže snižovat propustnost okna pro infračervené záření a tím snižovat tepelné ztráty v budovách.[6]

Vykazuje také termochromismus, tzn. změnu barvy s teplotou. Při nižších teplotách než 68 °C je průhledný a polovodivý, při vyšší teplotě se stává neprůhledným vodičem.[7] Přechod mezi těmito dvěma stavy proběhne za dobu kratší než 100 fs, což je použitelné pro konstrukci extrémně rychlé závěrky.

Také lze tento oxid použít pro konstrukci materiálů (např. pro střechy), které v závislosti na teplotě okolí budou teplo odrážet a tím ochlazovat budovy. Za nižších teplot, kdy je ochlazování nežádoucí, bude tato funkce potlačena.[8, 9]

Oxid vanaditý

V₂O₃ má strukturu korundu. Za laboratorní teploty jde o vodič, při ochlazení pod −103 °C se stává izolantem. Je to zásadotvorný oxid.

Halogenidy vanadu

Je známo dvanáct halogenidů vanadu. VF₅ lze snadno připravit reakcí fluoru s vanadem za zvýšené teploty. Je těkavý a snadno hydrolyzuje, vanad má koordinační číslo 6, jeho struktura je tvořena řetězci oktaedrů VF₆ propojených přes vrchol.

VF₄ lze připravit akcí HF s VCl₃, snadno disproporcionuje na VF₅ a VF₃.

VF₃ lze připravit reakcí HF s VCl₃ za horka. Připravuje se dvoukrokovou syntézou z oxidu vanaditého a hydrogendifluoridu amonného:

V₂O₃ + 6 (NH₄)HF₂ → 2 (NH₄)₃VF₆ + 3 H₂O

(NH₄)₃VF₆ → 3 NH₃ + 3 HF + VF₃

VF₂ má silné redukční účinky a je hygroskopický.

Sloučenina	Barva	T_t [°C]	T_v [°C]
VF₂	modrý
VF₃	žlutozelený	800
VF₄	citronově zelený	>150 (sublimace)
VF₅	bezbarvý	19,5	48,3
VCl₂	světle zelený	910 (sublimace)
VCl₃	červenofialový
VCl₄	červenohnědý	-26	148
VBr₂	hnědooranžový	800 (sublimace)
VBr₃	šedohnědý
VBr₄	červenofialový	-23 (rozklad)
VI₂	červenofialový
VI₃	hnědočerný

Vanadiové NMR

Vanad má dva přírodní a NMR aktivní izotopy – ⁵⁰V a ⁵¹V. Izotop 50 je velmi málo citlivý, poskytuje velmi široké linie a je slabě radioaktivní, proto se nejčastěji využívá izotop 51. Jako standard se používá 90 % roztok VOCl₃ v C₆D₆, jeho posun je 2 ppm.

	⁵⁰V	⁵¹V
Spin	6	7/2
Zastoupení v přírodě [%]	0,25	99,75
Rozsah chemických posunů	-2000 – 4000
Citlivost vzhledem k ¹H	1,39×10^-4	0,383
Citlivost vzhledem k ¹³C	0,818	2250
Rezonanční frekvence v poli 1 T	4,2505	11,2133

Vzhledem k téměř 100 % zastoupení izotopu ⁵¹V a faktu, že vanad vytváří velké množství polyiontů a klastrů se často měří i ⁵¹V-⁵¹V COSY NMR.

Odkazy

Vanad na české wikipedii
Vanad na anglické wikipedii
Vanadium NMR
51V NMR Crystallography of Vanadium Chloroperoxidase and Its Directed Evolution P395D/L241V/T343A Mutant: Protonation Environments of the Active Site
HÁLA, Jiří. Radioaktivní izotopy. Tišnov: Sursum, 2013. ISBN 978-80-7323-248-1.
Intelligent Window Coatings that Allow Light In but Keep Heat Out – News Item
Timing nature’s fastest optical shutter
Smart roof coating reflects heat in summer and traps it in winter
Důmyslný střešní materiál se ochlazuje v létě a ohřívá v zimě

Navigace

2 Replies to “Vanad”