تاکنون حتما با مواد به اصطلاح ضد زنگ یا ضد خش سروکار داشته اید. در واقع این مواد آلیاژ ها یا ترکیباتی از عناصر مختلف با خواص متنوع هستند که ترکیب نهایی حاصل دارای خواص منحصر به فردی می باشد. عنصر وانادیوم یکی از عناصر اصلی در آلیاژ سازی است که به ترکیب نهایی خاصیت ضد زنگ زدگی و ضد خش می دهد. این فلز در صنعت عنصر بسیار مهمی به شمار می آید. عنصر وانادیوم (نماد V در جدول تناوبی) با عدد اتمی ۲۳ در گروه ۵ جدول تناوبی قرار دارد. از این رو بر آن شدیم تا در اینجا توضیحات مختصری در مورد تاریخچه، کاربرد ها و خواص این فلز ارزشمند ارائه کنیم.
وانادیوم، فلزی که دو بار کشف شد!
در تاریخ آمده که وانادیوم دوبار کشف شده است. بار اول در سال ۱۸۰۱ بود، وقتی که مانوئل دل ریو، دانشمند اسپانیایی، نمونه از جنس واندادیت، Pb5(VO4)3Cl، را در مکزیکو سیتی کشف کرد و این ماده را آنالیز کرد. او اسم این ماده را سرب قهوه ای گذاشت. او گمان کرد به دلیل وجود عنصری جدید در ماده است که در اثر گرما دهی رنگ آن به قهوه ای تغییر می یابد. دل ریو این ماده جدید را اریترونیوم نامید. اریترونیوم مشتق شده از واژه یونانی و به معنا «قرمز» است. سپس دل ریو این را به پاریس فرستاد اما شیمیدان های فرانسوی گمان کردند این ماده یکی از ترکیبات جدید کروم است.
این عنصر برای دومین بار در سال ۱۸۳۱ توسط شیمیدان سوئدی نیل گابریل سلف استروم در شهر استکهلم کشف شد. او عنصر وانادیوم را از نمونه چدنی ساخته شده از سنگ معدنی بدست آورد که از معدن اسمالند استخراج شده بود. او موفق شد نشان دهد که این ماده عنصری جدید است و در انجام این کار توانست رقیب شیمیدان آلمانی خود، فردریش وهلر، را شکست دهد. وهلر بر روی ترکیب معدنی دیگری از این عنصر کار می کرد که از معدن زیماپان بدست آمده بود. سلف استروم نام این عنصر جدید را وانادیوم نامید که الهام گرفته از وانادیس (فریا) الهه زیبایی و حاصلخیزی در منطقه اسکاندیناوی است. هر دو اسم اریترونیوم و وانادیوم، به طیف گسترده رنگ های موجود در ترکیبات وانادیوم اشاره دارند.
فرایند خالص سازی این فلز بسیار دشوار بود. برزیلیویس در سال ۱۸۳۱، گزارش داد که موفق به تولید فلز خالص این عنصر شده است. با این وجود، پس از گذشت بیش از ۳۰ سال، هنری روسکو در سال ۱۸۶۹ در شهر منچستر موفق شد فلز وانادیوم خالص را از احیای VCl3 با هیدروژن بدست آورد. او نشان داد نسخه های قبلی گزارش شده خالص نبودند بلکه ترکیب نیترید دارد وانادیوم (VN) بودند. در سال ۱۹۲۷ فلز کاملا خالص از احیا پنتا اکسید وانادیوم با کمک کلسیم بدست آمد.
خواص وانادیوم
فلزات قرار گرفته در گروه های واسطه خواص جذابی دارد. عناصر را می توان بر اساس حالات فیزیکی شان به صورت جامد و مایع طبقه بندی کرد. بر اساس این دسته بندی، این فلز در گروه جامدات و فلزات واسطه قرار می گیرد. فلزات واسطه عموما خاصیت چکش خواری و انعطاف پذیری مناسبی دارند و از خواص دیگر آنها رسانایی گرما و الکتریسیته است. وانادیوم عنصر فلزی انعطاف پذیر، نرم و نقره ای رنگ است و استحکام ساختاری بالایی دارد. ظرفیت الکترونی این عنصر ۲+، ۳+، ۴+ و ۵+ است، با این حال در برخی مقالات ظرفیت ۱+ نیز برای آن گزارش شده است. ساختار کریستالی این فلز از نوع مکعبی (Cubic) است و در بین فلزات دمای ذوب نسبتا بالایی دارد (۱۸۹۰ درجه سانتیگراد)
کاربردهای متنوع وانادیوم
اولین بار شرکت خودروسازی فورد از آلیاژهای وانادیوم دار در بدنه خودرو خود استفاده کرد. امروزه بیش از ۸۰ درصد از مقدار تولید شده به عنوان عامل افزودنی (Ferro-Vanadium) در صنعت فولاد سازی بکار گرفته می شود. آلیاژهای فولاد-وانادیوم بسیار سخت هستند و در صنایع دفاعی و زرهی، اکسل ها، میل لنگ و پیستون کاربرد دارند. افزودن کمتر از ۱% وانادیوم به فولاد همراه با مقدار بسیار جزئی کروم، باعث ایجاد خاصیت مقاومت به ضربه در فولاد می شود. همچنین کاربرد دیگر آلیاژهای این فلز در راکتورهای هسته ای است، زیرا این آلیاژ ها قابلیت جذب نوترون پایینی دارند. به دلیل ایجاد یک لایه اکسیدی نازک روی سطح آن، مقاومت به خوردگی و زنگ زدگی این فلز بسیار بالا است. بنابراین از این ماده در ابزار مقاوم در برابر زنگ زدگی استفاده می شود. کاربردهای دیگر این ماده عبارتند از: پایدارسازی کربن در برخی فلزات، عامل پیوند دهنده تیتانیوم-فولاد و کاتالیزور. از این فلز در ساخت ابزار جراحی و ابزار ضد خش نیز استفاده می شود.
در زیر تصویر اولین خودرویی که در تولید بدنه آن از فولاد وانادیوم دار استفاده شد را مشاهده می کنید.
اکسید این فلز نیز کاربردهای متنوعی دارد، مثلا به عنوان رنگ در سرامیک ها و شیشه ها استفاده می شود یا در تولید آهنربا های ابررسانا نیز کاربرد دارد. ترکیبات وانادیوم دار به عنوان کاتالیزور استفاده می شوند، به عنوان مثال از وانادیوم پنتا اکسید (V2O5) به عنوان کاتالیزور در ساخت اسید سولفوریک استفاده می شود.
کاربرد تازه ای که برای این فلز واسطه کشف شده، نقش بیولوژیکی آن است. وانادیوم برای بدن تعدادی از جانداران از جمله انسان ها ضروری است. البته مقدارش بسیار جزئی است و گزارش شده که ۰٫۰۱ میلی گرم در روز برای انسان مناسب است. نمک این فلز در درمان بسیاری از بیماری ها استفاده می شود. جذب ترکیبات آن معمولا از طریق شش ها منجر به مسمومیت مزمن می شود. نشانه های مسمومیت با این فلز عبارتند از: تحریک دستگاه تنفسی، سینه پهلو، ورم دور چشم، و کم خونی.
اکسید وانادیوم اشعه مادون قرمز و نور مرئی را بازتاب نمی دهد، در نتیجه از این ترکیب در پوشش های شیشه ای استفاده می شود. این ترکیب همراه با کروندوم در صنعت جواهر سازی نیز کاربرد دارد. در باتری های لیتیمی از ترکیب لیتیم-وانادیوم استفاده می شود تا آندی با چگالی انرژی بالا ایجاد شود. همچنین از فسفات وانادیوم به عنوان کاتد در باتری های فسفات لیتیم-وانادیوم استفاده می شود.
منابع طبیعی وانادیوم
این عنصر در ۶۵ ترکیب مختلف از جمله کارنوتیت، پاترونیت و واندادیت وجوتد دارد. همچنین این فلز را می توان در سنگ های فسفاتی، کانی های آهن و به صورت کمپلکس های ارگانیک در نفت خام یافت.
این فلز از احیا اکسید آن با کلسیم در مخزن فشار بدست می آید. برای دستیابی به وانادیوم با خلوص بسیار بالا، کلرید این فلز با استفاده از منیزیم احیا می شود. در چین و روسیه از سرباره فولاد سازی، وانادیوم بدست می آورند. سایر کشورها از طریق مگنتیت، دودکش محصولات حاصل از سوختن نفت سنگین یا از معدن اورانیم به صورت محصول جانبی، به وانادیوم می رسند.
برای مطالعه بیشتر در رابطه با آلیاژ فلزات به مقالات زیر مراجعه نمایید:
