Vanadium

Anvendelser

Det produseres omtrent 7000 tonn vanadium i året hovedsakelig som ferrovanadium med en sammensetning på ca 50 % V. Vanadium anvendes først og fremst som legeringsmetall for jern og stål. Selv små mengder av metallet (0,1-0,2 %) øker i vesentlig grad stålets seighet og fasthet samtidig som det virker deoksiderende. Gjenstander laget av vanadiumstål kan derfor lages lettere enn av annet stål og allikevel beholde styrken.

V(V)oksid brukes som katalysator for å katalysere oksidasjonen av svoveldioksid til svoveltrioksid for fremstilling av svovelsyre. V(V)oksid brukes også i keramer for å gi en gylden farge. Det tilsettes også glass for å gi en grønn eller blå tone.

I kroppen

Det er foreslått at vanadium kan ha en biologisk betydning for mennesker, men det er uklart hvilken funksjon det har. Daglig inntak er ca 40 mg per dag, men mesteparten av dette kvitter vi oss med. Det er mulig at vanadium spiller en rolle i omsetting av natriumioner i kroppen. Hos enkelte mikroorganismer har man funnet vanadium i noen metallproteiner. Hva funksjonen til disse metallproteinene er, er fortsatt et ubesvart spørsmål. Noen sekkedyr (ascians) er blå pga av vanadiuminnholdet.

I miljøet

Vanadater er lett løselige i vann så det er relativt mye vanadium i jord og i havet. Man regner at det er omtrent 2 millioner tonn vanadium forbindelser i sirkulasjon på jorden hvert år. Vanadium blir tatt opp i planter i mengder proporsjonale med hva som er tilgjengelig på stedet de vokser. Marine ormer kan anrike vanadium i kroppen til en konsentrasjon som er 10 000 ganger høyere enn konsentrasjonen i havet (ca 1.5 ppb).

Mennesker kan bli forgiftet ved inhalering av vanadiumholdig støv og ved inntak av vanadiumforbindelser. Forgiftningene kan bl.a. føre til blødninger i lungene og svekkelse av hjertevirksomheten. Administrativ norm for V(V)O-støv i arbeidsatmosfære er satt til 0,05 mg/m³.

Navn

På engelsk ender navnet på nesten alle metaller med –ium. Endelsen er av uklare grunner droppet i norsk for to av grunnstoffene i gruppe 5, niob og tantal, mens de på engelsk heter niobium og tantalum.

Sefström foreslo navnet vanadin, og grunnstoffet heter fortsatt vanadin på svensk. Når vi kaller det vanadium på norsk, viser det at engelsk har større gjennomslagskraft i Norge enn svensk – det er neppe noen stor overraskelse. Navnet er vanadium også på fransk og tysk.

Vanadis er et navn fra nordisk mytologi på kjærlighetens gudinne. Hun er bedre kjent under navnet Frøya – sexbomben blant gudinnene. Når Sefstrøm valgte å oppkalle grunnstoffet etter henne skyldes det sikkert alle de vakre fargene som vanadiumforbindelser har i løsning. Fargen avhenger av oksidasjonstallet til vanadium, løsemidlet og ligander i løsningen.

Historie

Svensken Nils Gabriel Sefstrøm (1787-1845) har fått æren for å ha oppdaget grunnstoff nr. 23. Det skjedde i 1831 da han arbeidet i det berømte Berzelii laboratoriet i Stockholm. Sefstrøm var elev og kollega av Berzelius (1779-1848) og hadde arbeidet hos ham tidligere. Han var utdannet lege (som Berzelius), var professor ved det Karolinska institutet (også som Berzelius), og underviste i kjemi fra 1820-1839 ved Bergskolan i Falun (Falun er Sveriges Røros og ligger 230 km nordvest for Stockholm).

En annen elev av Berzelius, Friedrich Wöhler (1800-1882), hadde akkurat forlatt laboratoriet da Sefstrøm gjorde sin oppdagelse i en prøve av spesielt bløtt jern som han hadde med seg fra et ”jernfjell” i Småland (Taberg). Wöhler hadde arbeidet med noen mineraler fra Mexico som også viste seg inneholde vanadium uten at Wöhler hadde oppdaget det. Berzelius ertet ham for det senere.

Den første som arbeidet med vanadiumforbindelser var Andrés Manuell del Rio som var professor i mineralogi i Mexico. Han undersøkte et stykke ”brunt bly” i 1801 som var funnet i gruvebyen Zimapán i Mexico. Del Rio var professor ved bergskolen i Mexico fra 1795-1849, så han var kollega av Sefstrøm. Del Rio var usikker på om det var et nytt grunnstoff i prøven. Han ga det navnet erythronium, men konkluderte til slutt at det var ikke et nytt grunnstoff, men forbindelser av krom han hadde fremstilt. Wöhler viste senere at det er vanadium i det brune blyet, som i dag kalles vanadinitt, Pb₅(VO₄)₃Cl, og ligner apatitt.

Berzelius arbeidet videre med vanadiumforbindelsene, men Henry Roscoe (1833-1915) fant i 1860-årene at det Berzelius hadde trodd var metallet var vanadiumnitrid (VN).

Forekomst

Forekomsten av vanadium i jordskorpen er 170 ppm. Det er noe mer vanadium i jorskorpen enn nikkel, men konsentrasjonen er vanligvis lav. Den største forekomsten av et vanadiummineral var patronitt (VS₄) i Peru. Vanadinitt, Pb₅(VO₄)₃Cl, er et annet vanadiumholdig mineral som vi finner i jordskorpa. Vanadium finnes også i råolje. Det skyldes at vanadium var et essensielt grunnstoff i de organismene som råoljen kommer fra.

Det produseres omtrent 45 000 tonn vanadiummalm per år og av dette fremstilles omtrent 7000 tonn metall.

Kjemien

Berzelius var den første som laget en rekke vanadiumforbindelser i 1831 og studerte kjemien til vanadium systematisk. Han bestemte atomvekten av vanadium til 68,5. Men det var noe som ikke stemte. Mineralet vanadinitt er isomorf med apatitt og det skulle det ikke være etter Berzelius. Vanadium var et meget sjeldent grunnstoff, og Berzelius hadde hatt svært lite materiale å arbeide med. I 1860-årene ble det funnet en kilde til vanadium i England, og materiale derfra ble stilt til disposisjon for Henry Enfield Roscoe (1833-1915) professor i kjemi ved Owens College i Manchester. Han fremstilte mange vanadiumforbindelser i relativt store mengder og fant at det Berzelius hadde trodd var metallet var VN. Atomvekten var ikke 68,5, det var atomvekten av VO, men 68,5-16 = 52,5. (Dagens verdi er 50,94.) Han fant også at kjemien til vanadium ligner svært på kjemien til fosfor og arsen. Det passet godt med de første periodesystemene hvor V, Nb og Ta er plassert i V. bigruppe og P og As i V. hovedgruppe. Roscoe er ellers kjent for sine lærebøker i kjemi oversatt til mange språk - den aller minste og mest populære også til norsk: Kemiens første grunde oversatt av Peter Waage 1878.

Vanadium har fem valenselektroner: To s-elektroner og 3 d-elektroner (elektronkonfigurasjon for metallet er [Ar]3d³ 4s²). Vanadium har oksidasjonstall V, III og II i oksider og enkle salter. Vanadium(V)oksid, V₂O₅, danner gulrøde krystaller og gir sur løsning i vann. Strukturen av kationet i den sure løsningen er vist i figuren ovenfor.

Vanadium(V)oksid løst i sterke syrer danner VO₂⁺-ioner, og i sterke baser flere okso- og hydroksovanadationer.

Ved Kjemisk institutt

V/S-systemet har blitt undersøkt ved instituttet i professor Haakon Haraldsens tid på 1950-tallet. Haraldsen (1904-2001) og Fredrik Grønvold var spesielt interessert i innskuddsgrunnstoffenes chalkogenider (dvs deres sulfider, selenider og tellurider).

Fra enkle valensregler skulle man tro at følgende sulfider skulle eksistere (S har oksidasjonstall –II): V₂S, VS, V₂S₃, VS₂ og V₂S₅, men det er langt fra tilfelle. Følgende stoffer ble funnet ved direkte reaksjon mellom vanadiummetall og fast svovel ved høy temperatur: V₃S (to modifikasjoner), V₅S₄ og VS₄(patronitt). Krystallstrukturen av patronitt ble bestemt senere av andre og viser at svovelet opptrer i par (S₂^2-), og at det er (overraskende) kort avstand mellom V⁴⁺-ionene så formelen skrives i dag V(S₂)₂.

I området mellom VS og V₂S₃ ble det funnet flere stoffer, men sammensetningen av dem ble ikke bestemt. Det har blitt gjort senere utenfor instituttet. Stoffene som er funnet er ”VS”, V₃S₄ og V₅S₈. Sammensetningen av ”VS” kan variere mens de andre stoffene er støkiometrisk sammensatt. Så kjemi er ikke så enkel som du kanskje tror fra oksidasjonstallene!