vanadium

Vanadium utgjør 170 ppm av jordskorpen. Av mange vanadiumforekomster er kun få store og drivverdige. De viktigste vanadiummineralene er patronitt VS₄ (Peru), carnotitt (USA), vanadinitt, 3Pb₂(VO₄)₂ · PbCl₂ (Mexico), roscoelitt og descloizitt. Patronittforekomstene i Peru var i begynnelsen av 1900-tallet det viktigste råstoffet. I senere år er økende mengder vanadium blitt fremstilt som biprodukt ved uranutvinning av carnotitt. De største produsentlandene er nå USA, Sør-Afrika og Finland.

Som følge av forvitring og sedimentering foreligger vanadium anriket i jernmineraler som brunjernstein og magnetitt. Også titanmineraler (0,1–0,3 vektprosent V₂O₅) og visse jordoljer, særlig søramerikanske, inneholder vanadium (0,05 vektprosent). Aske og sot etter forbrenning av slik olje kan inneholde opptil 50 vektprosent vanadium.

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

I kjemiske forbindelser har vanadium oksidasjonstallene +II, III, IV og V, i organometalliske forbindelser også –III, −I, 0 og +I. Oksidasjonstrinn +V er det mest stabile, og opptrer i for eksempel vanadiumpentoksid, V₂O₅, og i tallrike vanadater.

I vanadatene er vanadium en del av et oksoanion. De enkleste er det svakt gulfargede metavanadationet VO₃⁻ og ortovanadationet VO₄^3–. Av oksidene er V₂O₅ og VO₂ amfotere, V₂O₃ og VO basiske. I sur løsning opptrer oksidasjonstrinn V i form av oksovanadium(V)ionet VO₂⁺ (vanadyl(V)ion), i oksidasjonstrinn IV som det blå oksovanadium(IV)ionet VO²⁺ (vanadyl(IV)ion), i oksidasjonstrinn III og II som heksakvakompleksioner, grønt [V(H₂O)₆]³⁺ og fiolett [V(H₂O)₅]²⁺.

I sur løsning virker vanadium(V) oksiderende, mens de lavere oksidasjonstrinnene lett oksideres til oksidasjonstrinn V, især i basisk løsning.

Vanadium angripes i liten grad av lut, saltsyre og fortynnet svovelsyre ved vanlige temperaturer. Det løses i smelter av natrium- og kaliumhydroksid og karbonat under dannelse av vanadater. Med silisium og karbon dannes harde og kjemisk bestandige silisider og karbider. Metallet korroderer i liten grad i luft ved temperaturer opptil ca. 300 °C, og i saltløsninger og sjøvann er også metallet meget korrosjonsbestandig.

Vanadiumholdig råmalm blir vanligvis røstet ved 850 °C under tilsetning av natriumklorid, soda eller natriumsulfat, eller den blir utlutet med varm, fortynnet svovelsyre. Ved røstingen dannes vannløselig natriumvanadat, som blir ekstrahert med vann. Polyvanadat felles ut ved å justere pH til 2–3, og dette omdannes til V₂O₅ enten ved oppvarming til 700 °C, eller ved felling av ammoniumvanadat, etterfulgt av gløding ved 320–430 °C. Når malmen utlutes med svovelsyre, blir vanadium ekstrahert fra den sure løsningen ved ionebytting eller med et organisk løsemiddel.

Ved opparbeiding av vanadiumholdige jernmalmer går vanadium over i råjernet. Ved videre opparbeiding til stål får man slagg med 15–25 prosent V₂O₅. Av dette utvinnes V₂O₅ som beskrevet ovenfor. Slagg blir dessuten brukt til fremstilling av ferrovanadium.

Selve metallet fremstilles ved å redusere V₂O₅ eller V₂O₃ med kalsium eller aluminium. Alternativt kan vanadiumklorider (VCl₄, VCl₃, VCl₂) reduseres med hydrogen, magnesium eller natrium.

Rent vanadium (99,5 prosent) fås ved termisk spalting av vanadiumjodid, VI₂, på varm wolframtråd. Man får svært rent metall (99,99 prosent) ved elektrolyse (katodisk utfelling). Metallet smeltes ved lysbuesmelting i argonatmosfære eller ved elektronstrålesmelting i vakuum.

Fremstilling av høyrent vanadium er relativt komplisert og kostbart. Ofte fremstiller man i stedet ferrovanadium, siden den langt største anvendelsen er som legeringstilsetning til jern og stål. Ferrovanadium fås ved å redusere vanadium(V)oksid med aluminiumpulver, silisium eller ferrosilisium i nærvær av jern i elektriske lysbueovner. Vanadiuminnholdet varierer fra 30 til 95 prosent, mest vanlig er 50–55 og 70–80 prosent. For mange formål er ferrovanadium blitt erstattet med et produkt som består av cirka 85 prosent vanadium, 12 prosent karbon og 2 prosent jern. I Norge fremstilles ferrovanadium av Elkem.

Vanadium anvendes først og fremst som legeringsmetall for jern og stål i form av ferrovanadium. Selv små mengder av metallet (0,1–0,2 prosent) øker i vesentlig grad stålets seighet og fasthet, samtidig som det virker deoksiderende. Vanadiumstål blir brukt som konstruksjonsstål, i bil- og motorindustrien, som hurtigskjærende verktøy med mer. Det er også et viktig legeringsmetall sammen med aluminium i titanlegeringer, i superlegeringer med mer.

Rent vanadiummetall har hittil hatt liten kommersiell anvendelse. Det har et lavt virkningstversnitt for nøytroner (5,0 barn) og er et interessant metall for anvendelse i kjernekraftverk. Uorganiske vanadiumforbindelser blir brukt som katalysatorer ved flere industrielle prosesser, for eksempel fremstilling av svovelsyre etter kontaktmetoden, fremstilling av syntetisk gummi, nylon og bensin, som tilsetning til glass og keramiske glasurer med mer.

Vanadater er lett løselige i vann, så det er relativt mye vanadium i jord og i havet. Man regner at det er omtrent to millioner tonn vanadiumforbindelser 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 (cirka 1,5 ppb).

Det er foreslått at vanadium kan ha en biologisk betydning for mennesker, men det er uklart hvilken funksjon det har. Daglig inntak er cirka 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.

Vanadium er et livsnødvendig sporstoff for visse planter og lavere organismer. Blodfargestoffet hemovanadin hos primitive sjødyr (sjøpunger, sjøpølser) inneholder vanadium, og i planter er det normalt ca. 5 mg vanadium per kg tørt materiale. I elver og innsjøer er vanadiumkonsentrasjonen lav (0,001 ppm), i havvann mindre enn 0,3 ppm og i grunnvann opp mot 1 ppm.

Hos mennesker kan forgiftninger oppstå både ved inhalering av vanadiumholdig støv og ved inntak av vanadiumforbindelser. Forgiftningene kan føre til blødninger i lungene og svekkelse av hjertevirksomheten. Grenseverdier for vanadiumstøv og -røyk i arbeidsatmosfære er satt til henholdsvis 0,2 og 0,05 mg/m³ (beregnet som V).

Den første som fremstilte grunnstoffet med atomnummer 23 var den spanskfødte, meksikanske kjemikeren og mineralogen Andrés Manuel del Rio (1764–1849) fra en blymalm fra Zimapán i den meksikanske provinsen Hidalgo. Han kalte det nye grunnstoffet pancromo ('mangefarget') på grunn av dets mange fargete salter og senere eritrono (av gresk erythros, 'rød') fordi alkali- og jordalkalimetallsaltene ble røde ved oppvarming eller behandling med syre. Hans oppdagelse ble imidlertid lite påaktet og gikk nærmest i glemmeboken, spesielt fordi han selv oppfattet det rødfargede stoffet han hadde fremstilt som forurenset blykromat.

Svensken Nils Gabriel Sefström (1787–1845) har fått æren for å ha oppdaget vanadium. Det skjedde i 1831 da han arbeidet i det berømte Berzelii-laboratoriet i Stockholm. Sefström var elev og kollega av Jöns Jacob Berzelius 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 i 1820–1839 ved Bergskolan i Falun. Sefström foreslo navnet vanadin, og grunnstoffet heter fortsatt vanadin på svensk. På norsk, fransk, engelsk og tysk er navnet vanadium.

Vanadis er et navn fra nordisk mytologi på skjønnhetens gudinne. Hun er bedre kjent under navnet Frøya. Når Sefström 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.

Den engelske kjemikeren Henry E. Roscoe (1833–1915) fremstilte vanadiummetall for første gang i 1869 ved å redusere vanadium(II)klorid, VCl₂, med hydrogen. Han fremstilte og undersøkte også mange vanadiumforbindelser for første gang. Berzelius hevdet også i 1830-årene at han hadde fremstilt vanadiummetall, men Roscoe viste at Berzelius i stedet hadde fremstilt vanadiumnitrid.

• vanadater
• vanadiumkarbider
• vanadiumoksider
• vanadiumsulfater
• metall
• grunnstoff
• periodesystemet