Vanadium

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE MeV	ZP
⁴⁷V	{syn.}	32,6 min	ε	29,28	⁴⁷Ti
⁴⁸V	{syn.}	15,9735 d	ε	4,012	⁴⁸Ti
⁴⁹V	{syn.}	330 d	ε	0,602	⁴⁹Ti
⁵⁰V	0,25 %	1,4 · 10¹⁷ a	ε	2,208	⁵⁰Ti
⁵⁰V	0,25 %	1,4 · 10¹⁷ a	β⁻	1,037	⁵⁰Cr
⁵¹V	99,75 %	Stabil
⁵²V	{syn.}	3,743 min	β⁻	3,976	⁵²Cr
⁵³V	{syn.}	1,61 min	β⁻	3,436	⁵³Cr

NMR-Eigenschaften

	Spin	γ in rad·T⁻¹·s⁻¹	E	f_L bei B = 4,7 T in MHz
⁵⁰V	6	2,667 · 10⁷	0,0555	19,9
⁵¹V	7/2	7,032 · 10⁷	0,383	52,6

Sicherheitshinweise

Gefahrstoffkennzeichnung ^[1]

Pulver

F
Leichtent-
zündlich

Xi
Reizend

R- und S-Sätze

R: 17-36/37/38 (Pulver)

S: 7-26-33-37-43-60 (Pulver)

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Vanadium, veraltet auch Vanadin, ist ein chemisches Element mit dem Symbol V und der Ordnungszahl 23. Es ist ein silbergraues, in reinem Zustand sehr weiches Übergangsmetall. Im Periodensystem steht es in der 4. Periode, es ist das 1. Element der 5. Gruppe (veraltet 4. Nebengruppe) oder Vanadiumgruppe. Der Großteil des Vanadiums wird als sogenanntes Ferrovanadium in der Stahlherstellung eingesetzt. Das Element ist für Tiere und Pflanzen essentiell und besitzt wichtige biologische Funktionen in Enzymen.

[Bearbeiten] Geschichte

Vanadium wurde von Andrés Manuel del Río, einem spanischen Mineralogen, 1801 in Mexiko-Stadt in einem Bleierz, dem Vanadinit (Bleivanadat), entdeckt, das er brown lead nannte. Wegen der chromähnlichen Farben der Elementverbindungen nannte er das neue Element Panchrom. Später änderte del Rio den Namen in Erythronium (griech. rot), weil es sich beim Erwärmen meist rot färbte. Französische Chemiker konnten del Rio davon überzeugen, dass brown lead ein basisches Bleichromat und Erythronium daher nur ein verunreinigtes Chrom sei. Seine Entdeckung geriet daraufhin in Vergessenheit.

1831 wurde Vanadium durch den Schweden Nils Gabriel Sefström beim Experimentieren mit Eisenerzen wiederentdeckt. Vanadiumverbindungen zeigen eine große und schöne Farbenvielfalt; deshalb benannte es Sefström nach Freyja, der nordischen Göttin der Schönheit, die in der altisländischen Überlieferung den Beinamen Vanadís hat (Snorra Edda, Gylfaginning, Kap. 35). Im gleichen Jahr bestätigte Friedrich Wöhler die früheren Arbeiten del Rios.

Metallisches Vanadium wurde 1867 von Henry Enfield Roscoe durch Reduktion von Vanadin(III)-chlorid mit Wasserstoff hergestellt.

[Bearbeiten] Vorkommen

Vanadinit

Vanadium ist auf der Erde ein häufiges Element, sein Anteil an der Erdkruste beträgt etwa 0,013 %^[2] Eine ähnliche Häufigkeit besitzen Zirconium, Chrom und Nickel. Das Element kommt nicht gediegen, sondern nur gebunden in verschiedenen Mineralen vor. Trotz der Häufigkeit des Vanadiums sind Lagerstätten mit hohen Konzentationen des Elements selten, viele Vanadiumminerale kommen nicht häufig vor. Im Vergleich zur Erdkruste ist der Gehalt im Meerwasser deutlich geringer, er liegt bei etwa 1,3 μg/l^[3]

Zu den wichtigsten Vanadiummineralen zählen vor allem Vanadate wie Vanadinit [Pb₅(VO₄)₃Cl], Descloizit Pb(Zn, Cu) [OH|VO₄] und Carnotit [K₂(UO₂)₂(VO₄)₂.3H₂O], sowie das Vanadiumsulfid Patronit VS₄. Der größte Teil des Vanadium findet sich in Spuren in anderen Mineralen, vor allem Eisenerzen wie Magnetit. Der Vanadiumgehalt von Titan-Magnetit-Erzen beträgt meist zwischen 0,3 und 0,8 %^[4], kann aber in bestimmten südafrikanischen Erzen bis zu 1,7 %^[5] erreichen. Diese sind die wichtigsten Quellen für die Gewinnung von Vanadium.

Tiere und Pflanzen enthalten Vanadium, so enthält der Mensch etwa 0,3 mg/kg des Elementes. Dieses befindet sich zumeist in Zellkernen oder Mitochondrien. Einige Lebewesen, vor allem einige Seescheidenarten und der Fliegenpilz, sind in der Lage, Vanadium anzureichern. In Seescheiden ist der Vanadiumgehalt bis zu 10⁷ mal so groß wie im ungebenden Meerwasser.^[6] Auf Grund des Vanadiumgehaltes von Lebewesen sind auch Kohle und Erdöl, die aus diesen entstehen, vanadiumhaltig. Der Gehalt beträgt bis zu 0,1 %^[4].

Im Jahr 2006 wurden insgesamt 55.700 Tonnen Vanadiumerz gefördert (gerechnet als Vanadiummetall). Die wichtigsten Förderländer sind China, Russland und Südafrika. Vanadium ist kein knapper Rohstoff, es sind insgesamt Reserven von 63 Millionen Tonnen bekannt.^[7]

[Bearbeiten] Gewinnung und Herstellung

Ferrovanadium

Vanadium bzw. vanadiumhaltige Rohstoffe fallen bei diversen industriellen Prozessen an (z. B. bei der Erdölverarbeitung oder der Uranerzaufbereitung). Der Bedarf an Vanadium lässt sich in aller Regel aus diesen Nebenprodukten decken.

Zur Herstellung wird das vanadiumhaltige Material in Gegenwart von Natriumträgern (Natriumchlorid, Natriumcarbonat, Natriumsulfat oder Natriumoxalat) bei ungefähr 850 °C im Drehrohrofen zu Natriummetavanadat NaVO₃ umgesetzt, welches nach Extraktion mit Wasser, Aufreinigung, Ansäuern und Trocknung Vanadium(V)-oxid liefert. Dieses dient als Ausgangssubstanz für weitere Vanadiumverbindungen bzw. wird mit Calcium zum Vanadiummetall reduziert. Eine alternative Route zum Metall führt über die Reduktion des Vanadium(V)-chlorids mit Wasserstoff bzw. Magnesium. Hochreines Vanadium wird wie auch Titan, Zirkonium und Hafnium nach dem Van-Arkel-de-Boer-Verfahren hergestellt.

Da der überwiegende Teil des Vanadiums als Legierungsbestandteil für Stähle eingesetzt wird, erfolgt die Darstellung durch Umsetzung unaufgearbeiteten Vanadium(V)-oxids mit Roheisen zu sogenanntem Ferrovanadium, das für die Weiterverarbeitung meist von hinreichender Qualität ist. Eine Reindarstellung des Vanadiums ist in aller Regel nicht notwendig.

[Bearbeiten] Eigenschaften

99,9 % reines Vanadium

Vanadium ist ein nichtmagnetisches, zähes, schmiedbares und deutlich stahlblaues Übergangsmetall. Reines Vanadium ist relativ weich, wird aber durch Verunreinigungen anderer Elemente härter und besitzt dann eine hohe mechanische Festigkeit. Es weist eine gute Korrosionsbeständigkeit auf. Gegenüber Alkalien, Schwefel- und Salzsäure ist es beständig. Bei Temperaturen oberhalb 660 °C oxidiert es in Gegenwart von Sauerstoff zu Vanadium(V)-oxid V₂O₅. Vanadium(II)- und Vanadium(III)-oxid reagieren basisch, Vanadium(IV)-oxid amphoter und Vanadium(V)-oxid sauer.

In Verbindungen liegt Vanadium meist in der Oxidationsstufe +5 vor. Aber auch die Stufen +2, +3, +4 kommen häufig vor, neigen aber zum Übergang nach Stufe +5. Die Oxidationsstufe +1 tritt selten auf, aber auch die Stufen 0, -1 und -3 werden beobachtet. Ein beliebtes Experiment zur farblichen Darstellung der vier häufigsten Oxidationsstufen ist die Reduktion des farblosen Ammoniumvanadats(V) (NH₄VO₃) mit metallischem Zink. Nacheinander nimmt die Lösung die Färbung blauer Vanadium(IV)-, grüner Vanadium(III)- und blassvioletter Vanadium(II)-Ionen an. Die Lösungen der niederwertigeren Vanadiumverbindungen werden in Gegenwart von Luft leicht wieder zum Vanadium(V) oxidiert. Wegen dieser leichten Änderbarkeit der Wertigkeit wird Vanadium auch als Katalysator verwendet.

[Bearbeiten] Verwendung

Ungefähr 80 % des produzierten Vanadiums wird in Form von Ferrovanadium in den Handel gebracht bzw. als Mikrolegierungszusatz in der Stahlherstellung verbraucht. Bereits in Konzentrationen von 0,01-0,1 Massen% kann Vanadium die Festigkeit und Zähigkeit von Stahl wesentlich steigern. Folgende Anwendungsbereiche finden sich:

Sonderedelstähle für die Herstellung von chirurgischen Instrumenten und die Werkzeugherstellung,
- rostbeständige Schnellarbeitsstähle (Werkzeugstähle),
- mit Aluminium als Legierungszusatz in Titanlegierungen in fliegenden Gasturbinen und Hochgeschwindigkeitsflugzeugen,
vanadinhaltige Stähle finden Anwendung als Wellen, Kurbelwellen, Zahnräder im Getriebebau und anderen kritischen Bauteilen
Karbidbildner in der Stahlherstellung,
Vanadiumfolien als Pufferschicht beim Plattieren von Titan auf Stahl,
Bänder aus Vanadin-Gallium zur Herstellung von supraleitenden Magneten mit einer Flussdichte von 175.000 Gauss (17,5 Tesla),
Vanadinverbindungen dienen als Katalysator bei der Herstellung von Maleinsäureanhydrid und Schwefelsäure,
Vanadium(V)-oxid V₂O₅ wird in der Keramikherstellung und als Katalysator verwendet
Vanadiumverbindungen werden zur Herstellung von Batterien, darunter auch Akkumulatoren mit externem Speicher, benutzt
Vanadiumlegierungen könnten in Zukunft auch in Fusionskraftwerken zum Einsatz kommen.

[Bearbeiten] Physiologie

In biologischen Systemen ist Vanadium essentieller Bestandteil einiger Enzyme, z. B. sogenannter Haloperoxidasen. Einige stickstofffixierende Mikroorganismen nutzen vanadiumhaltige Nitrogenasen.

Die prosthetische Gruppe in den Sauerstofftransportmolekülen von Seescheiden weist Vanadium als Zentralatom auf.

Ein Vanadiummangel führt beispielsweise bei Ratten und Hühnern zu reduziertem Wachstum und einer verringerten Fortpflanzungsrate.

Vanadationen VO₄^3- zeigen eine ähnliche Wirkung wie Insulin. Allerdings sind die dazu notwendigen Dosen toxisch. Das weit weniger giftige Vanadylion VO²⁺ wird vom Körper aber nicht in ausreichender Menge aufgenommen. Vielversprechend sind organische Vanadylkomplexe.

[Bearbeiten] Vorsichtsmaßnahmen

Vanadiumstaub ist leicht entzündlich. Eingeatmeter vanadiumhaltiger Staub kann Lungenkrebs verursachen. Vanadiumverbindungen sind toxisch.

[Bearbeiten] Verbindungen

an der Luft oxidiertes Vanadium, im oberen Glas schon fast vollständig in schwarzes Vanadium(III)-oxid V2O3 umgewandelt

an der Luft oxidiertes Vanadium, im oberen Glas schon fast vollständig in schwarzes Vanadium(III)-oxid V₂O₃ umgewandelt

Vanadium(V)-oxid V₂O₅ ist neben Wolfram(VI)-oxid WO₃ und Titan(IV)-oxid TiO₂ Bestandteil sogenannter SCR-Katalysatoren, die beispielsweise in Müllverbrennungsanlagen eingesetzt werden. Vanadium(III)-chlorid dient als Ausgangsstoff zur Herstellung von anderen Vanadium(III)-Komplexverbindungen.

[Bearbeiten] Einzelnachweise

↑ Sicherheitsdatenblatt (alfa-aesar)
↑ Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 1988, S. 1256–1287, ISBN 3-527-26169-9.
↑ Dieter Rehder: Bioanorganische Chemie des Vanadiums. In: Angewandte Chemie, 1991, 103, 152–172.
↑ ^a ^b Vanadium in: Roempp Chemie Lexikon, Thieme Verlag, 2008.
↑ Günter Bauer et.al.: Vanadium and Vanadium Compounds. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2000, doi:10.1002/14356007.a27_367.
↑ Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, S. 1542–1552, ISBN 978-3-11-017770-1.
↑ U.S. Geological Survey: Vanadium, Mineral Commodity Summaries, January 2008.

[Bearbeiten] Literatur

Günter Bauer et.al.: Vanadium and Vanadium Compounds. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2000, doi:10.1002/14356007.a27_367.
Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9.
Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, S. xxx–yyy, ISBN 978-3-11-017770-1.
Vanadium in: Roempp Chemie Lexikon, Thieme Verlag, 2008