Vanadio - V

Vanadio: caratteristiche, composti, utilizzo e metodo di produzione del Vanadio

Il vanadio fu scoperto (e denominato erythronium) nel 1801 dal messicano Del Rio in un minerale del piombo; lo stesso scopritore in seguito lo ritenne un sale del piombo e non un nuovo elemento. Solo nel 1830 lo svedese N.G. Sefstrom lo riconobbe definitivamente come un nuovo elemento e gli dette il nome di vanadio da quello diVanadis, la dea scandinava Freia; infine nel 1869 l'inglese Roscoe preparò per la prima volta il metallo.

In natura (dove non si trova libero, ma in composti corrispondenti ai suoi stati di ossidazione +3, +4 e +5) il vanadio è un elemento relativamente abbondante, costituendo lo 0,01 % circa della crosta terrestre. È diffuso in basse concentrazioni in quasi tutte le rocce magmatiche, in molti minerali del ferro e del titanio, dell'uranio, del magnesio, piombo e altri elementi, nel petrolio greggio e nel carbone; raramente però è concentrato in depositi che ne contengono più del 2% circa. I minerali più importanti (peraltro abbastanza rari) sono i solfuri complessi patronite e sulvanite, la carnotite (vanadato di potassio e uranile), la roscoelite (silicovanadato di alluminio e magnesio), la vanadinite (clorovanadato di piombo), e alcuni altri.

Il vanadio è un metallo grigio argenteo, duttile, malleabile e molle se purissimo. A temperatura ambiente è molto stabile e resistente alla corrosione a causa della formazione di un film protettivo di ossido; non è attaccato dall'acqua, dagli alcali e dagli acidi non ossidanti (eccetto l’acido fluoridrico); si discioglie invece nell'acido solforico e nell'acido nitrico concentrati e nell'acqua regia anche a freddo, ma non negli alcali fusi. A temperature elevate reagisce con la maggior parte dei non-metalli. Con molti metalli (in particolare con il titanio) forma leghe o composti ben definiti. Mentre in tracce sembra essere un elemento essenziale alla vita animale e vegetale, a concentrazioni elevate presenta una notevole tossicità per l'uomo (simile a quella del piombo e del mercurio); particolarmente pericolosi sono il pentossido di vanadio e i composti solubili.

Vanadio: composti

Come molti altri elementi di transizione, il vanadio forma composti in corrispondenza agli stati di ossidazione -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5; mentre negli stati +2 e +3 ha un tipico comportamento metallico, negli stati +4 e +5 (che sono i più stabili) ha caratteristiche anfotere. In soluzione acquosa lo stato +5 esiste (a seconda del pH) sotto forma di diverse specie ioniche in equilibrio.

Sono noti tutti i dialogenuri e i trialogenuri, solidi paramagnetici colorati, fortemente riducenti, solubili in acqua con formazione generalmente dello ione esaquovanadio (II) [V(H2O)6]2+ rosso, che all'aria si ossida rapidamente. Tra questi il dicloruro VCl2 e il tricloruro VCl3; il tetrafluoruro VF4, solubilissimo in acqua, si idrolizza formando l’ossodifloruro di vanadio, VOF2. Il tetracloruro di vanadio, VCl4, solubile nei solventi apolari, è velocemente idrolizzabile in acqua con formazione di soluzioni contenenti di solito lo ione [VO(H2O)5]2+. Anche il pentafluoruro VF5 è un acido di Lewis e forma facilmente complessi: per esempio, per reazione a temperatura ambiente con KF, forma l’esafluorovanadato di potassio KVF6.

Il sistema vanadio-ossigeno è molto complesso. In esso è possibile individuare, accanto a quattro ossidi abbastanza ben definiti (anche se non rigorosamente stechiometrici), varie fasi di composizione intermedia variabile. Il monossido di vanadio VO (o V2O2) è un ossido basico, e pertanto si discioglie in acido cloridrico acquoso formando una soluzione violetta facilmente ossidabile contenente l'acquoione [V(H2O)6]2+, a struttura ottaedrica. Si ricordano inoltre il triossido di divanadio, V2O3, e il diossido di vanadio, VO2 (o V2O4), che per il suo carattere anfotero è solubile a caldo sia negli acidi (con formazione della specie ionica prevalente [VO(H2O)5]2+), sia nelle basi.Il pentossido di divanadio, V2O5, è il più stabile ossido di vanadio, nel quale si convertono tutti gli altri per riscaldamento all'aria in opportune condizioni. Ha caratteristiche anfotere e si discioglie facilmente nelle basi ma anche nelle soluzioni concentrate di acidi forti, formando tutta una serie di specie ioniche in equilibrio tra loro attraverso reazioni di protonazione, e quindi influenzate dal pH della soluzione.

Tra i carburi si ricorda il monocarburo, VC, un solido molto duro, di colore grigio metallico, chimicamente inerte (è attaccato a freddo solo dall'acido nitrico concentrato) e refrattario, che esiste in composizioni non stechiometriche in un intervallo del rapporto C/V pari a circa  il 0,75-0,95; costituisce un importante componente degli acciai al vanadio. Il carburo di divanadio, V2C, è anch'esso un solido molto duro, di colore bianco metallico, chimicamente inerte e refrattario; la sua composizione varia nell'intervallo 0,4-0,6 circa del rapporto C/V.

Vanadio: utilizzo

Come lega ferro-vanadio, il vanadio è utilizzato soprattutto come additivo negli acciai, poiché anche in piccole quantità (circa il 0,1-5%) impartisce a questi particolari proprietà meccaniche e di resistenza alla corrosione, in seguito alla sua azione desossidante e di stabilizzazione dei carburi; importanti impieghi si hanno anche in leghe non ferrose, per esempio con alluminio o titanio. Il vanadio metallico puro ha qualche utilizzazo nei settori aerospaziale e nucleare (per la sua elevata resistenza alla corrosione), mentre alcuni suoi composti (ossidi, sali, alogenuri, alcossidi) hanno impieghi come catalizzatori di processi chimici e come pigmenti nell'industria ceramica e vetraria.

Vanadio: metodo di produzione

Il vanadio può essere estratto dai suoi minerali o ricavato come sottoprodotto di altre lavorazioni. Il minerale arricchito finemente macinato viene mescolato con cloruro di sodio (e con carbonato o solfato di sodio) e arrostito in aria a 800-900 °C: il vanadio forma un vanadato di sodio solubile, dal quale si precipita il vanadato acido di sodio Na4H2V10O28. Per fusione a circa 700 °C quest'ultimo viene trasformato in un prodotto nero costituito da pentossido V2O5 tecnico (circa all'85% di purezza), che viene di norma direttamente utilizzato per la produzione della lega ferrovanadio. Per produrre il vanadio elementare si può ridurre il pentossido (purificato) con calcio o con alluminio; in questo secondo caso, si fanno eseguire alla riduzione ulteriori procedimenti di purificazione, si può ottenere vanadio metallico ad alta purezza (titolo maggiore del 99,5%).