El vanadio o eritronio es un elemento químico de número atómico 23 situado en el grupo 5 de la tabla periódica de los elementos. Su símbolo es V. Es un metal dúctil, pero duro, poco abundante. Se encuentra en distintos minerales y se emplea principalmente en algunas aleaciones. El nombre procede de la diosa de la belleza Vanadis en la mitología nórdica.
Es un metal de color blanco agrisado, maleable y de transición dúctil. La formación de una capa de óxido del metal estabiliza al elemento contra la oxidación.
El elemento se encuentra naturalmente en minerales; hay cerca de sesenta y cinco diferentes tipos y en los depósitos de combustibles fósiles. Los más representativos son la patronita (un sulfuro complejo), la vanadinita [Pb5(VO4)3Cl] y carnotita [K(UO2)VO4·(3/2)H2]. Este último es más importante como mineral de uranio, pero también se puede recuperar el vanadio. Se produce en China y Rusia, otros países lo producen o bien por el polvo de combustión de aceite pesado, o como un subproducto de la minería de uranio. Se utiliza principalmente para producir aleaciones de aceros especiales, tales como aceros para herramientas de alta velocidad. El pentóxido de vanadio se utiliza como catalizador para la producción de ácido sulfúrico. El vanadio se encuentra en muchos organismos, y es utilizado por algunas formas de vida como un centro activo de las enzimas.
Características principales thumb|left|Cristales de vanadio. El vanadio es un metal de transición blanco agrisado, dúctil y brillante. Este metal de transición presenta una alta resistencia a las bases, al ácido sulfúrico (H2SO4) y al ácido clorhídrico (HCl). Reacciona con el agua regia o con una mezcla de ácido nítrico y fluoruro de hidrógeno. Química Analítica Cualitativa. 6a Ed. Vogel, A.I. Kapelusz.pag. 650. Se obtiene de distintos minerales, así como de petróleos. También se puede obtener de la recuperación del óxido de vanadio (V) en polvos procedentes de procesos de combustión. Tiene algunas aplicaciones en atomística debido a su baja sección de captura de neutrones. Es un elemento esencial en algunos seres vivos, aunque no se conoce su función.
En sus compuestos presenta variados estados de oxidación, siendo los más comunes +2, +3, +4 y +5.
Isótopos
En la naturaleza se puede encontrar un isótopo estable, el vanadio 51. Se han caracterizado quince radioisótopos, siendo los más estables el vanadio-50, con un periodo de semidesintegración de 1,5 × 1017 años, el vanadio-49, de 330 días, y el vanadio-48, de 159,735 días. El resto tienen periodos de semidesintegración de menos de una hora, siendo la mayoría de menos de diez segundos. Además, este elemento tiene un metaestado.
El peso atómico de los isótopos de vanadio va desde 43,981 uma (vanadio-43) hasta 59,959 uma (vanadio-59). El principal modo de decaimiento antes del isótopo más estable, vanadio-51, es la captura de electrones (siendo los principales productos de decaimiento isótopos del elemento 22, titanio), mientras que después de este, es la desintegración beta (dando como principales productos de decaimiento isótopos del elemento 24, cromo).
Química y compuestos del vanadio thumb|250px|Cadena de metavanadiato. thumb|left|Pentaóxido de vanadio. La química de vanadio es notable por la accesibilidad de los cuatro estados de oxidación adyacentes. Los estados de oxidación más comunes del vanadio son +2, +3, +4 y +5. El óxido de vanadio (II) es un agente reductor, mientras que el óxido de vanadio (V) es un agente oxidante del óxido de vanadio (IV). A menudo existen compuestos de vanadio como los derivados que contengan dióxido de vanadio (VO2).
El vanadato de amonio (V) (NH4VO3) puede ser reducido sucesivamente con zinc para obtener los diferentes colores de vanadio en estos cuatro estados de oxidación. Los estados de oxidación bajos se producen en los compuestos tales como V(CO)6, [V(CO)6]- y sus derivados sustituyentes.
La batería redox de vanadio utiliza estos estados de oxidación; la conversión de estos estados de oxidación es ilustrada por la fuerte reducción de una solución de ácido de vanadio (V) compuesto con polvo de zinc. La primera característica de color amarillo de los iones de vanadato (VO43-), se sustituye por el color azul [VO(H2O)5]2+, seguido por el color verde [V(H2O)6]3+ y luego violeta [V(H2O)6]2+.
El compuesto de mayor importancia es el pentóxido de vanadio, que se utiliza como un catalizador para la producción de ácido sulfúrico. El pentóxido de vanadio se obtiene por reacción del metal finamente dividido en un exceso de oxígeno. Este compuesto reacciona con el hidróxido de sodio para producir disoluciones incoloras y, en la región altamente alcalina, pH>13, el ion principal es el vanadato (VO4-3). Según se reduce la basicidad, se pueden obtener otros aniones del vanadio (vanadatos). Este compuesto oxida el dióxido de azufre (SO2) a trióxido (SO3). En esta reacción redox, el azufre se oxida de +4 a +6, y el vanadio se reduce de +5 a +3:
V2O5 + 2SO2 → V2O3 + 2SO3
El catalizador se regenera por oxidación con el aire:
V2O3 + O2 → V2O5
El pentaóxido de vanadio, V2O5, que se suele obtener como un sólido pulverulento de color naranja, es un agente oxidante, y se emplea como catalizador y como colorante
left|300px|thumb|Diagrama de Pourbaix del vanadio. El vanadio puede tener los estados de oxidación +2, +3, +4 y +5, siendo los más frecuentes los estados +4 y +5. Los haluros son conocidos por los estados de oxidación +2, +3 y +4. El tetracloruro de vanadio (VCl4) es el más importante de manera comercial, ya que se utiliza principalmente como catalizador para la polimerización de dienos. Se puede obtener por la reacción del vanadio y cloro gaseoso, por acción del tetracloruro de carbono sobre el pentóxido de vanadio al rojo o por cloración del ferrovanadio. El VCl4 es un líquido de consistencia oleosa que se hidroliza violentamente con el agua para dar disoluciones de oxicloruro de vanadio (IV) (VOCl2). El tetracloruro de vanadio al ser calentado con reflujo pierde cloro diatómico y forma el tricloruro de vanadio (VCl3). A más de 450 °C el tricloruro de vanadio (color violeta) se desproporciona a tetracloruro de vanadio y dicloruro de vanadio (VCl2) de color verde pálido. Otros halogenuros han sido descritos. R. J. Clark. The Chemistry of Titanium and Vanadium. Elsevier, 1968
El pentaflurouro de vanadio VF5 (incoloro, pf. 19,5 °C, p.e. 48 °C) al reaccionar con tricloruro de fósforo (PCl3) produce el tetrafluoruro de vanadio (color verde limón, sublima a más de 150 °C y se descompone para formar el trifluoruro de vanadio) El trifluoruro de vanadio (VF3) es un compuesto amarillo verdoso que por acción del hidrógeno diatómico y fluoruro de hidrógeno produce el difluoruro de vanadio (VF2), color azul. Todos los halogenuros de vanadio actúan como ácidos de Lewis.
Los vanadatos contienen vanadio pentavalente, análogos a los fosfatos. El ácido vanádico como los ácidos fosfóricos, existe en las formas orto, piro y meta (HVO3, H2V2O7 y H3VO4) A diferencia de las sales del ácido fosfórico, los metavanadatos son los más estables y los ortovanadatos los menos estables. Una disolución de un ortovanadato pasa por ebullición a metavanadato. En disoluciones fuertemente ácidas están presentes los cationes dioxovanadio (V) VO2+.
Compuestos de coordinación thumb|Modelo del VO(acac)2. El vanadio se ubica entre los metales de transición, lo que ofrece tres características poco usuales de la química de la coordinación de vanadio. En primer lugar, el vanadio metálico tiene la configuración electrónica [Ar]4s23d3. En consecuencia, la mayoría de los compuestos binarios son ácidos Lewis (aceptores de pares de electrones); un ejemplo claro son todos los haluros que forman ductos octaédricos con la fórmula VXnL6−n (X= haluro, L= otros ligandos). En segundo lugar, el ion de vanadio es bastante grande y puede alcanzar números de coordinación superior a 6, como es el caso de [V(CN)7]4-. En tercer lugar, los iones de vanadio VO2+ aparecen en muchos complejos de vanadio (IV), como el acetilacetonato de vanadio (V(=O)(acac)2). En este complejo, el vanadio (con el estado de oxidación 5+) forma una pirámide de base cuadrada, lo que significa que puede imponerse un ligando de sesiones, tal como la piridina, aunque la asociación constante de este proceso es pequeño. Muchos complejos de vanadio tienen una geometría bipiramidal trigonal, como el VOCl2(NMe3)2.
Compuestos organometálicos La química organometálica de vanadio es muy compleja, pero los compuestos organometálicos son de importancia comercial menor. El dicloro vanadoceno es un reactivo de partida versátil e incluso tiene aplicaciones de menor importancia en la química orgánica. El vanadio carbonilo (V(CO)6), es un raro ejemplo de un metal carbonilo que contiene un electrón no emparejado, pero que existe sin dimerización. La adición de un rendimiento de electrones V(CO)6- (isoelectrónico con Cr(CO)6), puede reducirse aún más con el sodio en amoníaco líquido para producir V(CO)63- (isoelectrónico con Fe(CO)5).
Aplicaciones Aproximadamente el 85 % del vanadio producido se emplea como ferrovanadio o como aditivo en aceros. Se emplea en acero inoxidable usado en instrumentos quirúrgicos y herramientas, en aceros resistentes a la corrosión, y mezclado con aluminio en aleaciones de titanio empleadas en motores de reacción. También, en aceros empleados en ejes de ruedas y cigüeñales, engranajes, y otros componentes críticos. Es un importante estabilizador de carburos en la fabricación de aceros. Se emplea en algunos componentes de reactores nucleares. Forma parte de algunos imanes superconductores. Algunos compuestos de vanadio se utilizan como catalizadores en la producción de anhídrido maleico y ácido sulfúrico. Concretamente, es muy usado el pentóxido de vanadio, V2O5, que también se emplea en cerámica. Los óxidos mixtos de vanadio se utilizan como catalizadores para la producción de ácido acrílico a partir de propano, propileno o acroleína.
La mayor parte del vanadio se utiliza como ferrovanadio como aditivo para mejorar los aceros. El ferrovanadio se produce directamente por la reducción de una mezcla de óxido de vanadio, óxidos de hierro y de hierro en un horno eléctrico. El vanadio termina en arrabio producido a partir de la magnetita de vanadio. Durante la producción de acero, el oxígeno es soplado en la fundición de hierro, la oxidación del carbono y la mayoría de las otras impurezas, formando escoria. Dependiendo del mineral utilizado, la escoria contiene hasta un 25% de vanadio.
El vanadio metálico se obtiene a través de un proceso de múltiples pasos que comienza con la calcinación de mineral triturado con NaCl o Na2CO3 en alrededor de 850 °C para dar metavanadato de sodio (NaVO3). De un extracto acuoso de este sólido se acidifica a dar "pastel rojo", una sal polivanadiata, que se reduce con el calcio metálico. Como una alternativa para la producción de pequeña escala, el pentóxido de vanadio se reduce con hidrógeno o magnesio. Muchos otros métodos también están en uso, en todos los cuales el vanadio se produce como un subproducto de otros procesos. La purificación de vanadio es posible por el proceso de barra de cristal desarrollado por Anton Eduard van Arkel y Jan Hendrik De Boer en 1925. Se trata de la formación del yoduro de metal, en este ejemplo de vanadio (III) de yoduro (VI3), y la posterior descomposición para producir metal puro.
Aleaciones thumb|left|200px|Herramientas de acero de vanadio.