Vanadium

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Einleitung

Vanadium, chemisches Symbol V, silbrig weißes, metallisches Element mit der Ordnungszahl 23, das zusammen mit Niob, Tantal und Dubnium in der fünften Nebengruppe des Periodensystems steht. Vanadium gehört zu den Übergangsmetallen und wird vor allem zur Herstellung von Stahl verwendet.

Vanadium wurde 1801 von dem spanischen Naturforscher Andrés Manuel del Rio in einem Bleierz entdeckt. Weil die Substanz sich beim Erhitzen rot färbte, gab del Rio ihm den Namen Erythronium. Andere Forscher hielten es jedoch für eine verunreinigte Form des Chroms und überzeugten del Rio von ihrer Ansicht, so dass seine Entdeckung in Vergessenheit geriet. Gleichsam wiederentdeckt wurde Vanadium um 1830 von dem schwedischen Chemiker Nils Gabriel Sefström. Er schlug den Namen Vanadium vor, nach Vanadis, dem Beinamen von Freyja, der altnordischen Göttin der Liebe und Schönheit. Vermutlich wurde Sefström von der prächtigen Farbenvielfalt der Vanadiumverbindungen zu diesem Namen inspiriert. Reines Vanadiummetall erzeugte erstmals 1867 der britische Chemiker Henry Enfield Roscoe. Im deutschen Sprachraum wurde früher auch der Name Vanadin für das Metall verwendet.

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Vorkommen und Eigenschaften

Vanadium kommt in der Natur in Form der Isotope Vanadium 51 (99,75 Prozent) und Vanadium 50 (0,25 Prozent; radioaktiv) vor; auch künstliche Isotope sind bekannt. Unter den Elementen der Erdkruste steht Vanadium an 19. Stelle. Das Metall kommt in der Natur nur in gebundener Form vor, meist vermischt mit anderen Metallerzen. So ist Vanadium häufig in titanhaltigen Eisenerzen (z. B. Magnetit), ferner in Bauxit, in einigen Phosphaten (siehe Phosphorsäure) sowie in Tonen, Basalten und im Boden anzutreffen. Typische Vanadiummineralien sind Vanadinit (Pb₅(VO₄)₃Cl), Patronit (VS₄), Roscoelit und Vanadiumglimmer (K(Al,V)₂(OH,F)₂[AlSi₃O₁₀]) sowie das uranhaltige Erz Carnotit (K(UO₂)(VO₄) · 1,5H₂O). Auch Erdöl und Kohle können Vanadium enthalten. Darüber hinaus ist Vanadium ein Spurenelement für lebende Organismen.

Reines Vanadiummetall ist stahlgrau, sehr weich und walzbar. Geringe Mengen anderer Elemente machen das Metall jedoch spröde. Mit einer Ausnahme greifen nicht oxidierende Säuren wie Salzsäure (siehe Chlorwasserstoff) einen kompakten Block aus Vanadium bei Raumtemperatur nur wenig an; infolge von Passivierung bildet sich an der Metalloberfläche eine Schutzschicht. Dagegen lösen Flusssäure (siehe Fluor) und oxidierende Säuren wie Salpetersäure das Metall auf. Bei hohen Temperaturen reagiert Vanadium mit vielen Nichtmetallen, etwa mit Sauerstoff zu Vanadium(V)-oxid (V₂O₅). Mit Metallen wie Eisen, Cobalt, Nickel, Kupfer und Aluminium bildet es Legierungen. Vanadium schmilzt bei 1 929 °C und siedet bei etwa 3 380 °C. Seine Dichte liegt bei 5,96 Gramm pro Kubikzentimeter, seine Atommasse beträgt 50,941 u.

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Verbindungen

In seinen Verbindungen tritt Vanadium mit den Oxidationszahlen von -3 bis +5 auf, wobei die Stufen +4 und +5 am beständigsten sind. Beispiele für die Stufe +5 sind das farblose Vanadiumpentafluorid (VF₅) und das orangefarbene Vanadiumpentoxid oder Vanadium(V)-oxid (V₂O₅). Beispiele für die Stufe +4 sind das grüne Vanadiumtetrafluorid (VF₄) sowie das blauschwarze Vanadiumdioxid (VO₂). Andere Verbindungen sind das schwarze Vanadiumtrioxid (V₂O₃), das pfirsichblütenrote Vanadiumtrichlorid (VCl₃) und das blassgrüne Vanadiumdichlorid (VCl₂).

In stark alkalischer Lösung wandelt sich Vanadiumpentoxid in Vanadate(V) (VO₄^3-) um, d. h. wasserlösliche Salze, die sich von der Orthovanadiumsäure (H₃VO₄) ableiten lassen. Werden Vanadat(V)-lösungen angesäuert, können höhermolekulare Verbindungen wie Decavanadate (V₁₀O₂₈^6-) oder Polyvanadate ((VO₃^-)_n) entstehen. Mit organischen Resten bildet Vanadium metallorganische Verbindungen, mit Liganden vereint es sich zu Komplexverbindungen (siehe Koordinationschemie).

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Verwendung

Vanadium wird vor allem zur Erzeugung von Ferrovanadium verwendet. Diese Eisenlegierung enthält bis zu 50 Prozent Vanadium und dient u. a. zur Gewinnung von hartem und schlagfestem Spezialstahl (z. B. Werkzeug- oder Baustahl). Chrom-Vanadium-Stahl setzt man u. a. zur Produktion von Stahlfedern oder Bauteilen von Getrieben ein. Einige Titan-Vanadium-Legierungen sind gegenüber hohen Temperaturen beständig und werden daher für Raketenummantelungen, Turbinengehäuse und Kernreaktorkomponenten verwendet. Als Katalysatormaterial bei der Herstellung von Schwefelsäure hat Vanadium das teurere Platin weitgehend verdrängt. Bei der Entstickung von Rauchgasen und der Produktion von Niederdruckpolyethylen dient es ebenfalls als Katalysator.