¿Qué es el vanadio?
El vanadio es el tercer metal de transición de la tabla periódica, con el símbolo químico V. No es tan popular como otros metales, pero quienes entienden de aceros y titanios saben que es un aditivo para su reforzamiento en aleaciones o herramientas. Físicamente es sinónimo de dureza, y químicamente, de colores.
Algunos químicos se atreven a calificarlo como un metal camaleón, capaz de adoptar en sus compuestos un amplio abanico de colores, propiedad electrónica que se asemeja a la de los metales manganeso y cromo. En su estado nativo y puro, luce igual que otros metales: plateado, pero con tonalidades azuladas. Una vez oxidado, adopta colores rojizos.
Lo cubre una capa de óxido que lo protege de posteriores oxidaciones y, por lo tanto, de la corrosión. Aporta esa resistencia a la corrosión, igual que a las fracturas térmicas, a las aleaciones cuando se adicionan los átomos de V a ellos. Todo esto, sin elevar demasiado su peso, ya que el vanadio no es un metal pesado sino liviano.
Su nombre deriva de la diosa escandinava Vanadís. Sin embargo, se descubrió en México, como parte del mineral vanadinita, Pb5[VO4]3Cl, de cristales rojizos. El problema fue que para obtenerlo de ese mineral y otros tantos, había que transformar el vanadio en un compuesto más fácil de reducir que su óxido, V2O5 (el cual se reduce con calcio).
Otras fuentes de vanadio descansan en seres marinos, o en el crudo petrolero, “encarcelado” dentro de las petroporfirinas.
En disolución, los colores que pueden tener sus compuestos, dependiendo de su estado de oxidación, son amarillo, azul, verde oscuro o violeta. El vanadio no solo resalta por estos números o estados de oxidación (desde -1 a +5), sino por su capacidad de coordinarse de distintas maneras con los entornos biológicos.
La química del vanadio es abundante, misteriosa, y comparado con otros metales, todavía falta mucha información sobre él para entenderlo.
Historia del vanadio
- Descubrimiento. México fue el país donde se descubrió este elemento. El mineralogista Andrés Manuel del Río, en 1801, analizando un mineral rojizo que él mismo llamó plomo marrón (vanadinita, Pb5[VO4]3Cl), extrajo unos óxidos metálicos cuyas características no correspondían a los de ningún elemento conocido para entonces. Así, primero bautizó a este elemento pancromo, por la rica variedad de colores de sus compuestos. Luego lo renombró eritrono, de la palabra griega erythronium, que significa rojo. Cuatro años más tarde, el químico francés Hippolyte Victor Collet Descotils, logró que Del Río se retractara de sus afirmaciones al sugerir que el eritrono no se trataba de un nuevo elemento sino de impurezas de cromo. Y pasaron más de veinte años para que volviera a saberse algo de este olvidado elemento descubierto en suelos mexicanos.
- Nombre. En 1830 el químico suizo Nils Gabriel Sefström, descubrió otro nuevo elemento en minerales de hierro, al cual llamó vanadio, nombre derivado de la diosa nórdica Vanadís, comparando su belleza con los colores brillantes de los compuestos del metal. Ese mismo año, el geólogo alemán, George William Featherstonhaugh, señaló que el vanadio y el eritrono eran en realidad el mismo elemento, y aunque quiso que el nombre de Del Río prevaleciera llamándolo rionio, su propuesta no fue aceptada.
- Aislamiento. Para aislar el vanadio fue necesario reducirlo de sus minerales, y al igual que el escandio y el titanio, esta tarea no fue fácil debido a su tenaz afinidad por el oxígeno. Había que primero transformarlo en especies que se redujeran con relativa facilidad. En el proceso, Berzelius obtuvo en 1831 el nitruro de vanadio, que confundió con el metal nativo. En 1867, el químico inglés Henry Enfield Roscoe logró la reducción del cloruro de vanadio (II), VCl2, a vanadio metálico utilizando gas hidrógeno. Pero el metal que produjo era impuro. Finalmente, marcando el principio de la historia tecnológica del vanadio, se obtuvo una muestra de gran pureza reduciendo el V2O5 con calcio metálico. Uno de sus primeros usos destacados fue para fabricar el chasis del coche Ford modelo T.
Propiedades del vanadio
- Apariencia física. En su forma pura, es un metal grisáceo con matices azulados, suave y dúctil. Sin embargo, cuando se recubre de una capa de óxido (especialmente producto de un mechero), cobra colores llamativos como si fuera un camaleón de cristales.
- Masa molar. 50,9415 g/mol.
- Punto de fusión. 1.910 °C.
- Punto de ebullición. 3.407 °C.
- Densidad, 6,0 g/mL, a temperatura ambiente. 5,5 g/mL, en el punto de fusión, es decir, apenas se derrite.
- Calor de fusión. 21,5 kJ/mol.
- Calor de vaporización. 444 kJ/mol.
- Capacidad calorífica molar. 24,89 J/(mol·K).
- Presión de vapor. 1 Pa a 2101 K (prácticamente despreciable incluso a altas temperaturas).
- Electronegatividad. 1,63 en la escala de Pauling.
- Energías de ionización. Primera: 650.9 kJ/mol (V+ gaseoso). Segunda: 1414 kJ/mol (V2+ gaseoso). Tercera: 2830 kJ/mol (V3+ gaseoso).
- Dureza de Mohs. 6,7
- Descomposición. Cuando se calienta puede liberar humos tóxicos de V2O5.
- Colores de disoluciones. Una de las principales y notorias características del vanadio son los colores de sus compuestos. Cuando algunos de ellos están disueltos en medios ácidos, las disoluciones (acuosas en su mayoría) exhiben colores que permiten distinguir un número o estado de oxidación de otro. Por ejemplo, en la imagen superior se muestran cuatro tubos de ensayo con vanadio en diferentes estados de oxidación. El de la izquierda, amarillo, corresponde al V5+, específicamente como catión VO2+. Luego le siguen el catión VO2+, con V4+, azul, el catión V3+, verde oscuro, y V2+, violeta o malva. Cuando una disolución consiste de una mezcla de compuestos de V4+ y V5+, se obtiene un verde brillante (producto del amarillo con el azul).
- Reactividad. La capa de V2O5 sobre el vanadio lo protege de reaccionar con ácidos fuertes, como el sulfúrico o clorhídrico, bases fuertes, y además de la corrosión causada por mayores oxidaciones. Cuando se calienta por encima de los 660 °C, el vanadio se oxida completamente, luciendo como un sólido amarillo con brillos iridiscentes (dependiendo de los ángulos de su superficie). Este óxido amarillo-anaranjado puede disolverse si se añade ácido nítrico, lo cual le regresaría al vanadio su color plateado.
- Isótopos. Casi todos los átomos de vanadio en el Universo (99,75%) se tratan del isótopo 51V, mientras que una porción muy pequeña (0,25%) corresponde al isótopo 50V. No es de extrañar que el peso atómico del vanadio sea 50,9415 u (más cerca de 51 que de 50). Los demás isótopos son radiactivos y sintéticos, con tiempos de vida media (t1/2) que oscilan entre los 330 días (49V), 16 días (48V), algunas horas o 10 segundos.
Estructura y configuración electrónica del vanadio
Los átomos de vanadio se disponen en una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (bcc, por sus siglas en inglés: body centered cubic), producto de su enlace metálico. De las estructuras, esta es la menos densa, participando en el “mar de electrones” sus cinco electrones de valencia, de acuerdo a la configuración electrónica:
[Ar] 3d3 4s2
Así pues, los tres electrones del orbital 3d, y los dos del orbital 4s, se unen para transitar una banda formada por el solapamiento de los orbitales de valencia de todos los átomos V del cristal. Esta explicación está basada en la teoría de bandas.
Por ser un poco más pequeños los átomos V que los metales a su izquierda (escandio y titanio) en la tabla periódica, y dadas sus características electrónicas, su enlace metálico es más fuerte, hecho que se refleja en su mayor punto de fusión y, por ende, con sus átomos más cohesionados.
Según estudios computacionales, la estructura bcc del vanadio es estable inclusive bajo presiones enormes de 60 GPa. Sobrepasada esta presión, su cristal sufre una transición a la fase romboédrica, la cual permanece estable hasta los 434 GPa, cuando reaparece otra vez la estructura bcc.
Números de oxidación
La configuración electrónica del vanadio indica por sí sola que su átomo es capaz de perder hasta cinco electrones. Cuando lo hace, se vuelve isoelectrónico al gas noble argón, y se asume la existencia del catión V5+.
Asimismo, la pérdida de electrones puede ser gradual (dependiendo de con qué especie esté enlazado), teniendo números de oxidación positivos que varían desde +1 a +5. Por lo tanto, en sus compuestos se asume la existencia de los respectivos cationes V+, V2+ y sucesivos.
El vanadio además puede ganar electrones, transformándose en un anión metálico. Sus números de oxidación negativos son: -1 (V–) y -3 (V3-). La configuración electrónica del V3- es:
[Ar] 3d6 4s2
Aunque le faltan cuatro electrones para completar el llenado de los orbitales 3d, energéticamente es más estable el V3- que el V7-, el cual, en teoría, necesitaría de especies en extremo electropositivas (que le den sus electrones).
Usos del vanadio
Metal
- Aleaciones de acero y titanio. El vanadio aporta resistencia mecánica, térmica y vibracional, además de dureza a las aleaciones a las cuales es añadido. Por ejemplo, como ferrovanadio (aleación de hierro y vanadio), o carburo de vanadio, se adiciona junto a otros metales en el acero, o en aleaciones de titanio. De esta manera se crean materiales muy duros y a la vez ligeros, útiles como herramientas (brocas y llaves de tuercas), engranajes, partes de automóviles o aeronaves, turbinas, bicicletas, motores de jet, cuchillos, implantes dentales, etc. Asimismo, sus aleaciones con galio (V3Ga) son superconductoras y se utilizan para la fabricación de imanes. Y además, dada su poca reactividad, las aleaciones de vanadio se destinan para tuberías por donde corren reactivos químicos corrosivos.
- Baterías redox de vanadio. El vanadio forma parte de baterías redox, VRB (por sus siglas en inglés: Vanadium Redox Batteries). Estas pueden utilizarse para promover la generación de electricidad a partir de energías solares y eólicas, así como baterías en los vehículos eléctricos.
Compuestos
- Pigmento. El V2O5 se utiliza para dar color dorado a vidrios y cerámicas. Por otro lado, su presencia en algunos minerales los torna verdosos, como sucede con las esmeraldas (y gracias también a otros metales).
- Catalizador. El V2O5 también es un catalizador utilizado para la síntesis de ácido sulfúrico y ácido anhídrido maleico. Mezclado con otros óxidos metálicos, cataliza otras reacciones orgánicas, como la oxidación de propano y propileno en acroleína y ácido acrílico, respectivamente.
- Medicinales. Se consideran los fármacos que consisten en complejos de vanadio como posibles y potenciales candidatos para el tratamiento de la diabetes y el cáncer.
Papel biológico del vanadio
Parece irónico que el vanadio, siendo sus compuestos coloridos y tóxicos, sus iones (VO+, VO2+ y VO43-, en su mayoría) en trazas resultan beneficiosos y esenciales para los seres vivos, en especial, aquellos de hábitats marinos.
Las razones están centradas en sus estados de oxidación, con cuántos ligandos de los entornos biológicos se coordina (o interacciona), en la analogía entre el anión vanadato y fosfato (VO43- y PO43-), y en otros factores estudiados por químicos bioinorgánicos.
Los átomos de vanadio pueden interaccionar con aquellos átomos pertenecientes a enzimas o proteínas, ya sea con cuatro (tetraedro de coordinación), cinco (pirámide cuadrada u otras geometrías) o seis. Si al ocurrir esto se desencadena una reacción favorable para el organismo, se dice que el vanadio ejerce actividad farmacológica.
Por ejemplo, existen las haloperoxidasas, enzimas que pueden utilizar el vanadio como cofactor. Asimismo, están las vanabinas (en las células vanadocitas de los tunicados), fosforilasas, nitrogenasas, transferinas y albúminas séricas (de los mamíferos), capaces de interaccionar con este metal.
Una molécula orgánica o complejo de coordinación del vanadio, llamada amavadin, está presente en los cuerpos de ciertos hongos, como el Amanita muscaria.
Y, finalmente, en algunos complejos, el vanadio puede estar contenido en un grupo hemo, como sucede con el hierro en la hemoglobina.
Referencias
- Shiver & Atkins. Química Inorgánica (Cuarta edición). McGraw Hill.
- Vanadium. Recuperado de en.wikipedia.org.
- Helmenstine, A.M. Vanadium Facts (V or Atomic Number 23). Recuperado de thoughtco.com.
- Vanadium. Recuperado de pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
- Vanadium. Recuperado de chemguide.co.uk.