【元素家族-连载125】 女神元素:钒

1801年,在新大陆墨西哥城的一位西班牙化学家德·里奥正在研究当地的一种“棕铅矿”(现在的钒铅矿),他从这种矿石里提取出来各种不同颜色的盐类。这些颜色前所未见,而且经过加热会变成红色——德·里奥弱弱举手表示其中可能有一种“新元素”。然而当时的新大陆仍然笼罩着在科学的蛮荒下,这一发现被法国科学家迪科蒂斯骄傲地否定——他宣布:“这不过是一种不纯的铬盐”。德·里奥同学又弱弱放下手,撤回了自己发现新元素的报告。

【钒的发现者,不自信的德·里奥。】
后来直到1831年,瑞典科学家塞夫斯特瑞姆在研究当地的铁矿石的时候才重新发现了这种新元素。前面我们已经知道,这种新元素的化合物五颜六色的,因而其命名来源于北欧神话里的女神“凡娜迪丝”,中文译作“钒”。同年,维勒意识到塞夫斯特瑞姆发现的钒就是悲催的德·里奥同学之前“发现的新元素”,还有人提出应该用德·里奥来命名新元素,不过显然是没有被采纳。所以故事的结局是,德·里奥依旧被公认为钒的发现者,而钒的名字仍然采用塞夫斯特瑞姆建议的女神。

【北欧神话里的女神:凡娜迪丝,其实她另一个名字更加广为人知:弗蕾娅,是美貌和生育之神。】
过渡元素这家人真是很难分离出来,单质钒也不例外。大牛贝采尼乌斯曾宣布得到了金属钒,但1867年就被英国科学家罗斯科啪啪打脸——那不过是氮化钒。还是同年的一次偶然的试验中,罗斯科用氢气还原二氯化钒才终于得到了单质钒。
这是一种中等硬度、柔软的、钢青色的金属,但跟铁熔合在一起变成合金之后,就非常坚硬,被称作钒钢。钒钢特别适合做一些金属工具,比如扳手。
钒铁矿分布很广泛,直接冶炼不用分离就可以得到钒钢。每年世界上生产出的钒有85%用于生产钒钢。

【钒钢做的扳手。】

【福特T型车,1910年发明,底盘用了钒钢,在减轻自重的情况下,还增加了强度。】
钒在地球上真是不少:在所有的元素中名列第20名;在65种矿物中都能找得到钒,最常见的如绿硫钒石(四硫化钒)、钒铅矿(Pb5(VO4)3Cl)、钒钾铀矿(K2(UO2)2(VO4)2·3H2O)等,这些五颜六色的矿物经常和铝土矿、磁铁矿伴生;甚至在石油里,也发现有含钒的矿物——据报道,有一次竟然在石油中发现了1200ppm的钒元素。
这些在石油中的钒元素对人类的生产是有害的,当燃烧这些石油之后,痕量的钒元素粘附到其他金属身上,我们知道钒相对于钢铁、铝等常用金属更不易腐蚀,由于电化学效应,会让其他金属更加容易腐蚀。据统计,每年有11万吨的钒元素被排放到大气里,人们还没有太好的办法去处理它们。

【鲜艳的钒铅矿,不要当做红宝石哦。】
话说女神钒为什么有那么五颜六色的化合物?这是因为钒元素有四种化合价:+2,+3,+4,+5,而且它特别容易在其中相互转换。在水溶液中,它就很容易形成各种价态的金属离子水合物:[V(H2O)6]2+,[V(H2O)6]3+,[VO(H2O)5]2+,VO3-,分别是淡紫色、绿色、蓝色和黄色,女神元素的多姿多彩展现地淋漓尽致啊。

【钒的四种价态,体现出四种不同的颜色。】
钒易于在各种价态间切换的特性让它成为了重要的化学反应催化剂。硫酸的接触法,用的就是五氧化二钒做催化剂。类似的,五氧化二钒还出现在马来酸酐、领苯二甲酸酐的生产中。

【接触法制取硫酸的机理。】
钒元素在各种价态中的切换,其实质是电子的转移。好吧,既然你这么容易发生电子转移,那当然是电池的好材料。没错,钒电池是一种优秀的绿色环保蓄电池,目前发展势头强劲。它的生产成本与铅酸电池相近,但制造、使用及废弃过程均不产生有害物质。工程师们已经开始考虑将钒元素引入锂电池,用氧化钒锂做阳极,搭配钴酸锂做阴极。或者用磷酸钒做阴极,这又是一种新型的思路。我们就擦亮眼睛期待他们成功地将女神元素带给我们未来的服务吧!

【钒电池的原理。】