Vanadium

Vanadium,  ₂₃V

Batang kristal dan kubus vanadium 1 cm3
Garis spektrum vanadium
Sifat umum
Nama, lambang	vanadium, V
Pengucapan	/vanadium/
Penampilan	logam biru-perak-abu-abu
Vanadium dalam tabel periodik
– ↑ V ↓ Nb titanium ← vanadium → kromium
Nomor atom (Z)	23
Golongan	golongan 5
Periode	periode 4
Blok	blok-d
Kategori unsur	logam transisi
Berat atom standar (Ar)	50,9415±0,0001 50,942±0,001 (diringkas)
Konfigurasi elektron	[Ar] 3d3 4s2
Elektron per kelopak	2, 8, 11, 2
Sifat fisik
Fase pada STS (0 °C dan 101,325 kPa)	padat
Titik lebur	2183 K ​(1910 °C, ​3470 °F)
Titik didih	3680 K ​(3407 °C, ​6165 °F)
Kepadatan mendekati s.k.	6,11 g/cm3
saat cair, pada t.l.	5,5 g/cm3
Kalor peleburan	21,5 kJ/mol
Kalor penguapan	444 kJ/mol
Kapasitas kalor molar	24,89 J/(mol·K)
Tekanan uap P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k pada T (K) 2101 2289 2523 2814 3187 3679
Sifat atom
Bilangan oksidasi	−3, −1, 0, +1, +2, +3, +4, +5 (oksida amfoter)
Elektronegativitas	Skala Pauling: 1,63
Energi ionisasi	ke-1: 650,9 kJ/mol ke-2: 1414 kJ/mol ke-3: 2830 kJ/mol (artikel)
Jari-jari atom	empiris: 134 pm
Jari-jari kovalen	153±8 pm
Lain-lain
Kelimpahan alami	primordial
Struktur kristal	​kubus berpusat badan (bcc)
Kecepatan suara batang ringan	4560 m/s (suhu 20 °C)
Ekspansi kalor	8,4 µm/(m·K) (suhu 25 °C)
Konduktivitas termal	30,7 W/(m·K)
Resistivitas listrik	197 nΩ·m (suhu 20 °C)
Arah magnet	paramagnetik
Suseptibilitas magnetik molar	+255,0×10−6 cm3/mol (298 K)
Modulus Young	128 GPa
Modulus Shear	47 GPa
Modulus Bulk	160 GPa
Rasio Poisson	0,37
Skala Mohs	6,7
Skala Vickers	628–640 MPa
Skala Brinell	600–742 MPa
Nomor CAS	7440-62-2
Sejarah
Penemuan	Nils G. Sefström (1830)
Isolasi pertama	Henry E. Roscoe (1867)
Asal nama	Nils G. Sefström (1830)
Isotop vanadium yang utama
Iso­top Kelim­pahan Waktu paruh (t1/2) Mode peluruhan Pro­duk 48V sintetis 16 hri β+ 48Ti 49V sintetis 330 hri ε 49Ti 50V 0,25% 1,5×1017 thn ε 50Ti β− 50Cr 51V 99,75% stabil

Vanadium adalah salah satu unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki lambang V dan nomor atom 23. Salah satu senyawa yang mengandung vanadium antara lain vanadium pentaoksida (V₂O₅), yang digunakan sebagai katalis dalam pembuatan asam sulfat dan anhidrida maleat, serta dalam pembuatan keramik. Vanadium juga merupakan Logam mulia yang cukup keras, Logam ini hanya bisa ditemukan di tempat-tempat tertentu, seperti pada alga atau ganggang, kerang, dan kepiting. Vanadium ditemukan pertama kali oleh seorang ahli mineral (mineralogist) asal Meksiko bernama Andrés Manuel del Río, pada tahun 1801, yang ia namai erythronium, karena ia menemukannya pada sebuah batu mineral berwarna kemerah-merahan yang diberi nama vanadinite. Lalu seorang ahli kimia Swedia menyempurnakan temuan del Río, dan kemudian diberi nama Vanadium.

Vanadium tersedia secara alami dalam bentuk sekitar 65 mineral dan deposit bahan bakar fosil. Zat ini diproduksi di Cina dan Rusia dari terak peleburan baja. Negara lain memproduksi dari berbagai sumber seperti magnetit secara langsung, debu cerobong minyak berat, atau sebagai produk sampingan dari penambangan uranium. Kegunaan utama vanadium untuk menghasilkan paduan baja khusus seperti baja perkakas berkecepatan tinggi, dan beberapa paduan aluminium. Senyawa campuran vanadium paling penting seperti pada industri vanadium pentoksida, digunakan sebagai katalis untuk produksi asam sulfat. Baterai redoks vanadium untuk penyimpanan energi dapat menjadi aplikasi penting di masa mendatang.

Sejumlah besar ion vanadium ditemukan di beberapa organisme, berfungsi sebagai racun. Oksida dan beberapa garam vanadium lainnya memiliki toksisitas sedang. Khususnya di laut, vanadium digunakan oleh beberapa bentuk kehidupan sebagai pusat aktif enzim, seperti bromoperoksidase vanadium dari beberapa ganggang laut.

Sejarah

Vanadium ditemukan di Meksiko pada tahun 1801 oleh ahli mineral Spanyol Andrés Manuel del Río. Del Río mengekstraksi vanadium dari sampel bijih "timbal coklat" Meksiko, yang kemudian dinamai vanadinite. Dia menemukan bahwa garamnya menunjukkan variasi warna yang banyak, dan sebagai hasilnya dia menamai unsur tersebut panchromium (Yunani: παγχρώμιο "semua warna"). Belakangan, Del Río mengganti nama unsur erythronium (Yunani: ερυθρός "merah") karena sebagian besar garam berubah menjadi merah saat dipanaskan. Pada tahun 1805, ahli kimia Prancis Hippolyte Victor Collet-Descotils, didukung oleh teman del Río, Baron Alexander von Humboldt, secara keliru menyatakan bahwa unsur baru del Río adalah sampel kromium yang tidak murni. Del Río menerima pernyataan Collet-Descotils dan mencabut klaimnya.

Pada tahun 1831 ahli kimia Swedia Nils Gabriel Sefström menemukan kembali unsur tersebut dalam oksida baru yang dia temukan saat meneliti bijih besi. Kemudian, Friedrich Wöhler menegaskan bahwa unsur ini identik dengan yang ditemukan oleh del Río dan karenanya mengkonfirmasi karya del Río sebelumnya. Sefström memilih nama yang diawali dengan V, yang belum ditetapkan ke elemen mana pun. Dia menyebut unsur vanadium setelah Old Norse Vanadís (nama lain untuk dewi Norse Vanir Freyja, yang atributnya termasuk keindahan dan kesuburan), karena banyak senyawa kimia berwarna indah yang dihasilkannya. Setelah mempelajari temuan Wöhler, del Río mulai berargumen dengan penuh semangat agar klaim lamanya diakui, tetapi unsur tersebut tetap menggunakan nama vanadium. Pada tahun 1831, ahli geologi George William Featherstonhaugh menyarankan agar vanadium diganti namanya menjadi "rionium" setelah del Río, tetapi saran ini tidak dilakukan.

Model T menggunakan baja vanadium pada material sasis.

Isolasi logam vanadium adalah sulit. Pada tahun 1831, Berzelius melaporkan produksi logam tersebut, tetapi Henry Enfield Roscoe mengkonfirmasi temuan tersebut, bahwa Berzelius telah menghasilkan nitrida, vanadium nitrida (VN). Roscoe akhirnya memproduksi logam tersebut pada tahun 1867 melalui reduksi vanadium(II) klorida, VCl₂, dengan hidrogen. Pada tahun 1927, vanadium murni diproduksi dengan mereduksi vanadium pentoksida dengan kalsium.

Penggunaan industri skala besar pertama vanadium yaitu pada material sasis paduan baja untuk mobil Ford Model T, yang terinspirasi oleh mobil balap Prancis. Baja vanadium memungkinkan pengurangan berat namun meningkatkan kekuatan tarik (ca. 1905). Selama dekade pertama abad ke-20, sebagian besar bijih vanadium ditambang oleh American Vanadium Company dari Minas Ragra di Peru. Belakangan, permintaan uranium meningkat, menyebabkan peningkatan penambangan bijih logam tersebut. Salah satu bijih uranium utama adalah karnotit, yang juga mengandung vanadium. Dengan demikian, vanadium tersedia sebagai produk sampingan dari produksi uranium. Akhirnya, penambangan uranium mulai memasok sebagian besar permintaan vanadium.

Pada tahun 1911, ahli kimia Jerman Martin Henze menemukan vanadium dalam protein hemovanadin yang ditemukan dalam sel darah (atau sel coelomic) dari Ascidiacea (sea squirts).

Karakteristik

Kuboid vanadium polikristalin kemurnian tinggi (99,95%), ebeam remelted dan etsa makro

Vanadium adalah logam baja berwarna biru yang agak keras dan ulet. Zat ini konduktif secara elektrik dan isolasi termal. Vanadium biasanya digambarkan sebagai "lunak", karena ulet, mudah dibentuk, dan tidak rapuh. Vanadium lebih keras daripada kebanyakan logam dan baja. Zat ini memiliki ketahanan yang baik terhadap korosi dan stabil terhadap alkali dan asam sulfat dan asam klorida. Vanadium teroksidasi di udara pada sekitar 933 K (660 °C, 1220 °F), meskipun lapisan pasif oksida terbentuk bahkan pada suhu kamar.

Senyawa

Dari kiri: [V(H₂O)₆]²⁺ (ungu), [V(H₂O)₆]³⁺ (hijau), [VO(H₂O)₅]²⁺ (biru) dan [VO(H₂O)₅]³⁺ (kuning).

Sifat kimia vanadium penting untuk aksesibilitas dari empat tingkat oksidasi yang berdekatan 2–5. Dalam larutan berair, vanadium membentuk kompleks aquo logam yang warnanya ungu [V(H₂O)₆]²⁺, hijau [V(H₂O)₆]³⁺, biru [VO(H₂O)₅]²⁺, kuning-jingga oksida [VO(H₂O)₅]³⁺, komposisi yang bergantung pada pH. Senyawa vanadium(II) adalah zat pereduksi, dan senyawa vanadium(V) adalah zat pengoksidasi. Senyawa vanadium(IV) sering ada sebagai turunan vanadil, yang mengandung pusat VO²⁺.

Amonium vanadat(V) (NH₄VO₃) dapat berturut-turut direduksi dengan unsur seng untuk mendapatkan warna vanadium yang berbeda dalam empat tingkat oksidasi. Tingkat oksidasi yang lebih rendah terjadi pada senyawa seperti V(CO)₆, [V(CO)₆]⁻ dan turunan tersubstitusi.

Produksi

Tren produksi vanadium

Vakum sublimasi vanadium dendritik kristal (99,9%)

Sepotong vanadium terukir

Logam vanadium diperoleh dengan proses bertahap yang dimulai dengan peleburan bijih yang dihancurkan dengan NaCl atau Na₂CO₃ pada temperatur sekitar 850 °C untuk membentuk natrium metavanadat (NaVO₃). Proses tersebut menghasil ekstrak berair yang kemudian diasamkan untuk menghasilkan "red cake" atau garam polivanadat, kemudian yang direduksi dengan logam kalsium. Sebagai alternatif untuk produksi skala kecil, vanadium pentoksida direduksi dengan hidrogen atau magnesium. Banyak metode lain juga digunakan, di mana vanadium diproduksi sebagai produk sampingan dari proses lain. Pemurnian vanadium dimungkinkan dengan proses batangan kristal yang dikembangkan oleh Anton Eduard van Arkel dan Jan Hendrik de Boer pada tahun 1925. Proses ini melibatkan pembentukan logam iodida, dalam contoh ini vanadium(III) iodida, dan dekomposisi berikutnya untuk menghasilkan logam murni.:

2 V + 3 I₂ 2 VI₃

Kebanyakan vanadium digunakan sebagai paduan baja yang disebut ferrovanadium. Ferrovanadium diproduksi langsung dengan mereduksi campuran vanadium oksida, besi oksida dan besi dalam tanur listrik. Vanadium berakhir pada besi kasar yang dihasilkan dari magnetit yang mengandung vanadium. Tergantung pada bijih yang digunakan, terak dapat mengandung hingga 25% vanadium.

Kegunaan

Alat yang terbuat dari baja vanadium

Sekitar 85% dari vanadium yang dihasilkan digunakan sebagai ferrovanadium atau sebagai paduan baja. Peningkatan kekuatan yang cukup besar pada baja yang mengandung sedikit vanadium ditemukan pada awal abad ke-20. Vanadium akan membentuk nitrida dan karbida yang stabil pada baja, menghasilkan peningkatan kekuatan yang signifikan. Sejak saat itu, baja vanadium digunakan untuk aplikasi pada as roda, rangka sepeda, poros engkol, roda gigi, dan komponen penting lainnya. Ada dua kelompok paduan baja vanadium. Paduan baja karbon tinggi vanadium mengandung 0,15% hingga 0,25% vanadium, dan baja perkakas berkecepatan tinggi (HSS) memiliki kandungan vanadium 1% hingga 5%. Untuk baja perkakas berkecepatan tinggi, kekerasan di atas 60 HRC. Baja HSS digunakan dalam peralatan bedah. Paduan metalurgi serbuk mengandung hingga 18% persen vanadium. Kandungan karbida vanadium yang tinggi dalam paduan meningkatkan ketahanan aus secara signifikan. Salah satu aplikasi untuk paduan vanadium adalah perkakas dan pisau.

Senyawa vanadium digunakan secara luas sebagai katalis; Vanadium pentoksida V₂O₅, digunakan sebagai katalis dalam pembuatan asam sulfat dengan proses kontak Dalam proses ini sulfur dioksida ((SO₂)) dioksidasi menjadi trioksida (SO₃).