Wanad (V) – właściwości, działanie i występowanie wanadu

W naszym światowym ekosystemie wanad jest przysłowiowym obusiecznym mieczem. Z jednego strony jego strategiczna rola w przemyśle wciąż rośnie, z drugiej, wzrastają też obawy na temat zanieczyszczenia środowiska. Tymczasem, większość z nas nie ma nawet pojęcia, gdzie natknąć się można wanad i w jaki sposób wpływa on na nasze życie i zdrowie.



Chemiczny symbol wanadu (V). Źródło: shutterstockChemiczny symbol wanadu (V). Źródło: shutterstock
  1. Historia wanadu
  2. Właściwości wanadu – jakie związki tworzy?
  3. Występowanie i wydobycie wanadu
  4. Zastosowania wanadu
  5. Wpływ wanadu na zdrowie
  6. Wanad a ekologia
Wanad (V) jest stalowo-niebieskim metalem o liczbie atomowej 23, zaliczanym do grupy V układu okresowego pierwiastków. Spotykany dość rzadko w skorupie ziemskiej, obserwowany bywa za pomocą spektroskopii w świetle pochodzącym ze Słońca i niektórych innych gwiazd. Ludzkość zna go już od ponad 200 lat…

Historia wanadu


Za odkrywcę wanadu uważa się hiszpańskiego mineraloga Andrésa Manuela del Río, który pod koniec XVIII w. wyjechał w ramach pracy naukowej do Meksyku. Gdy w 1801 r. badał rudę wydobytą z lokalnej kopalni w Zimapán, doszedł do wniosku, że ma przed sobą nieznany dotąd pierwiastek.

Eksperymentując z jego różnymi związkami, które okazały się zaskakująco intensywnie zmieniać kolory, del Rio nazwał nowy metal „panchromium”, nawiązując do greckiego określenia wielobarwności. Nazwa ta nie przetrwała jednak długo – gdy w kolejnym roku okazało się, że po podgrzaniu pierwiastek staje się czerwony, del Rio przemianował go na „erythronium”.

Zamiast dożywać swych lat w glorii wielkiego odkrywcy del Rio popadł jednak w zniechęcenie, gdy europejscy koledzy badając jego próbki mylnie stwierdzili, że zawierają one tylko chrom. Wiadomość o nowym pierwiastku została zdementowana.

Prawie trzy dekady później szwedzki chemik Nils Gabriel Sefström dokonał jednak ponownie tego samego odkrycia w rudzie żelaza pochodzącej z Tabergu. Wierząc, że jest pierwszym znalazcą, nazwał pierwiastek wanadem (vanadium) na cześć skandynawskiej bogini piękna i miłości. W tym samym roku potwierdzono, że metal del Rio i wanad to jedna i ta sama substancja. Próbowano więc znowu przechrzcić pierwiastek na „rionium”, aby oddać hołd prawdziwemu znalazcy, ale wanad przyjął się w środowisku akademickim lepiej.

W 1867 r. angielskiemu chemikowi Henry Roscoe udało się po raz pierwszy wyizolować czysty metal poprzez redukcję chlorku wanadu z użyciem wodoru. Na pierwsze industrialne zastosowania wanadu przyszło jednak czekać do początku XX w., kiedy pojawił się on w stalowym podwoziu słynnego sportowego modelu Forda T.
Tabela przedstawiająca właściwości wanadu; opracowanie własne

Właściwości wanadu – jakie związki tworzy?


Wanad jest umiarkowanie twardym metalem o strukturze sześciennych kryształów, choć w niektórych źródłach określa się go jako miękki – przede wszystkim ze względu na ciągliwość i plastyczność. Charakteryzuje się dobrym przewodnictwem prądu elektrycznego i wysoką odpornością na korozję. Utlenianiu podlega dopiero w temperaturze 660 stopni C. Przy ogrzaniu do 1910 stopni C przechodzi w stan ciekły, a jego temperatura wrzenia wynosi 3407 stopni C.

W przyrodzie wanad występuje w postaci mieszanki dwóch izotopów – stabilnego V-51, który tworzy nawet 99,76% masy, oraz słabo radioaktywnego V-50 (0.24%). Ponadto naukowcom udało się do dnia dzisiejszego wyprodukować dziewięć sztucznych izotopów – wszystkie są promieniotwórcze.

Mimo, że w stanie stałym nie poddaje się działaniu wody, powietrza, zasad i większości nieoksydujących kwasów, jest dobrze rozpuszczalny w stężonym kwasie siarkowym, azotowym, fluorowodorowym oraz wodzie królewskiej. Po rozgrzaniu tworzy też łatwo związki z większością niemetali. Na uwagę zasługuje fakt, że utlenia się na czterech stopniach tworząc tlenki, których jony w roztworze wodnym dają kolor liliowy, zielony, niebieski i żółto-pomarańczowy. Szczególnie istotne komercyjne znaczenie ma pięciotlenek wanadu (V2O5), który wykorzystywany jest jako katalizator. Ponadto dla potrzeb przemysłu chemicznego rozwinięto już szereg związków metaloorganicznych na bazie wanadu.
Ruda wanadu o czystości 99,8%
Ruda wanadu o czystości 99,8%. Źródło: shutterstock

Występowanie i wydobycie wanadu


We wszechświecie wanad występuje z częstością 0,0001%, porównywalną do miedzi i cynku. W skorupie ziemskiej jego dokładna objętość jest trudna do zmierzenia, ale przyjmuje się poziom ok. 0,019%, co czyni go 22 najczęstszym atomem na naszej planecie. Co laikowi może wydawać się niską wartością, w rzeczywistości oznacza jednak, że wanad występuje nawet w 65 różnych minerałach litosfery. Szczególnie zasobne okazują się być bazaltowe warstwy w obszarach wulkanicznych, a ponadto pierwiastek znajdowany jest w węglistych skałach osadowych, glebie, wodach powierzchniowych, kopalinach, a także organizmach żywych.

Szczególnie obfite zboża wanadu znaleziono na początku XX w. w Peru, które przez trzy dekady pokrywało nawet 2/3 światowej produkcji. Przełomem okazało się odkrycie, że wanad można efektywnie pozyskiwać podczas wydobycia rudy uranu. Kolejnym dobrym źródłem zaspokajającym stale rosnący popyt stały się magnetyty obecne w skałach typu gabro (głębinowych), które są również źródłem żelaza. Ponadto wanad pozyskuje się z boksytów obecnych w pokładach ropy naftowej, węgla, łupków bitumicznych i piasków smołowych.

Aby uzyskać czysty metal należy jednak przeprowadzić wielostopniowy proces transformacji. W skrócie polega on na wypiekaniu pokruszonej rudy w temperaturze 850 stopni C w obecności chlorku sodu lub węglanu sodu. Otrzymaną w efekcie sól poddaje się redukcji wapniem. Alternatywnych metod jest jednak więcej. Największymi producentami wanadu na świecie są współcześnie Chiny,  Południowa Afryka oraz Rosja.

Zastosowania wanadu


Nawet 85% światowej podaży wanadu wykorzystywane jest w przemyśle metalurgicznym. Przede wszystkim dodaje się go do stali, w której pełni funkcję składnika zwiększającego siłę stopu. Stal wanadowa, wyjątkowo twarda, silna i odporna na szoki, znajduje szczególne zastosowanie w produkcji osi, ram do rowerów, narzędzi, instrumentów chirurgicznych, itd. Ważnym stopem wanadu jest również wanad ferrytowy, złożony z wanadu i żelaza, który pełni rolę uniwersalnego wzmacniacza, utwardzacza i dodatku antykorozyjnego.

Ponadto w stopach z aluminium i tytanem wanad wykorzystywany jest w silnikach odrzutowych, przemyśle lotniczym oraz implantach dentystycznych. Inne metalowe zastosowania wanadu obejmują opancerzenie, noże, drążki tłokowe, wały korbowe, a nawet komponenty reaktorów atomowych.

Poza metalurgią wanad wykorzystywany jest szeroko w przemyśle chemicznym jako katalizator, zwłaszcza w procesie produkcji kwasu siarkowego. Jego tlenek pozwala stworzyć na szkle powłokę blokującą promieniowanie podczerwone i znajduje zastosowanie w ceramice oraz jubilerstwie. Wodne jony wanadu znajdziemy natomiast w akumulatorach przepływowych, a sugeruje się również przyszłe wykorzystanie tlenku wanadu w bateriach litowych.

Wpływ wanadu na zdrowie


Wanad jest pierwiastkiem naturalnie występującym w organizmach żywych. W morskich glonach jest częścią składową enzymów metabolizujących, osłonicom pomaga chronić się przed drapieżnikami, a u wielu gatunków roślin jest czynnikiem stymulującym wzrost i biosyntezę. W ludzkim organizmie najprawdopodobniej pełni funkcję regulacyjną wchodząc w skład enzymów fosforanowych. Z badań prowadzonych na zwierzętach na niewielką skalę wynika, że wanad może obniżać poziom glukozy we krwi – brakuje jednak wiarygodnego przełożenia tych wniosków na zdrowie człowieka. Ze względu na dość szerokie rozpowszechnienie metalu w źródłach pokarmowych (np. soi, jabłkach, grzybach czy jajach) każdy z nas dziennie spożywa ok. 0.01 mg i jest to ilość definitywnie pokrywająca nasze potrzeby.

W większych dawkach wanad jest jednak na pewno szkodliwy dla zdrowia. Inhalowany powoduje stany zapalne dróg oddechowych, a konsumpcja skutkuje m.in. chorobami układu krążenia, zaburzeniami gastrycznymi, uszkodzeniami systemu nerwowego, krwawieniami nerek i wątroby, osłabieniem bólami głowy oraz zmianami w zachowaniu. Najbardziej toksyczny wydaje się przy tym pięciotlenek wanadu.
Wanadyt – minerał zawierający wanad
Wanadyt – minerał zawierający wanad. Źródło: shutterstock

Wanad a ekologia


Pewne niewielkie ilości wanadu znajdują się wszędzie dokoła nas. Niestety eksploatacyjna i produkcyjna działalność człowieka powoduje uwalnianie się znaczących ilości związków wanadu do atmosfery – tylko ze spalania paliw kopalnych rocznie ulatnia się 110 tysięcy ton wanadu!

Zdaniem naukowców metal akumuluje się w tkankach wielu morskich organizmów, zwłaszcza małży i krabów, wywołując negatywne skutki neurologiczne. Podczas gdy minimalne dawki są potrzebne do produkcji enzymów, zbyt duże blokują ich wydzielanie. Uważa się również, że wanad powoduje zmiany w DNA zwierząt, choć nie wydaje się mieć rakotwórczego wpływu. Jego wysokie stężenie, podobnie jak w przypadku człowieka, powoduje u ssaków zaburzenia oddychania, dysfunkcje nerek i wątroby, a nawet paraliż. Istnieją również doniesienia o negatywnym wpływie na płodność osobników męskich.
Niestety, na świecie rośnie nie tylko zapotrzebowanie na wanad, ale także ilość odpadów go zawierających, które przedostają się do środowiska naturalnego w formie żużlu wielkopiecowego, popiołu ze spalania śmieci czy osadów powstających z przetwarzania boksytów. W Stanach Zjednoczonych pierwiastek już znalazł się na kandydackiej liście zanieczyszczeń, a jego poziom w pitnej wodzie jest skrupulatnie monitorowany. W następnych latach tego typu kroki będą prawdopodobnie wprowadzane na szerszą skalę, a Międzynarodowy Instytut Aluminium już przygotował wytyczne dotyczące dobrych praktyk dla branży. Pozostaje mieć nadzieję, że i w Chinach, gdzie problem jest szczególnie istotny, dojdzie do pozytywnych zmian w zakresie pozyskiwania wanadu i zarządzania zawierającymi go odpadami.
Ekologia.pl (Agata Pavlinec)

Bibliografia

1. „Vanadium” WHO, https://www.euro.who.int/__data/assets/pdf_file/0016/123082/AQG2ndEd_6_12vanadium.PDF, 17/02/2022
2. „Vanadium – V” Lenntech, https://www.lenntech.com/periodic/elements/v.htm, 17/02/2022
3. “Vanadium Facts (V or Atomic Number 23)” Anne Marie Helmenstine, https://www.thoughtco.com/vanadium-facts-606617, 17/02/2022
4. “Vanadium” Britannica, https://www.britannica.com/science/vanadium, 17/02/2022
5. „Vanadium: A Re-Emerging Environmental Hazard James” A. J. Watt i in., https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.8b05560, 17/02/2022
6. “A Dual Role of Vanadium in Environmental Systems—Beneficial and Detrimental Effects on Terrestrial Plants and Humans” Ewa Hanus-Fajerska i in., https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8227766/, 17/02/2022

Ocena (2.1) Oceń: