وانادیم ؛ الهه زیبایی در فلزات!

مقدمه وانادیم الهۀ زیبایی در فلزات است. اگرچه این فلز شهرت کمی دارد؛ اما به دلیل مقاومت به خوردگی، سختی بالا و شکل پذیری مناسبی که دارد، اهمیت زیادی در صنایع و کارخانجات پیدا کرده است. در این مقاله با خواص، کاربردها و آثار زیست محیطی این فلز بیشتر آشنا می شویم ...

آشنایی اولیه با عنصر وانادیم

وانادیم یک عنصر شیمیایی با نماد V و عدد اتمی 23 است. این ماده یک فلز واسطه است که علی رغم سختی بالایش، شکل پذیر است. وانادیوم ظاهری خاکستری-نقره ای دارد و در طبیعت به صورت کریستاله یافت می شود.

وانادیم خالص به ندرت در طبیعت یافت می شود. پس از سنتز مصنوعی نیز یک لایۀ اکسیدی روی آن تشکیل می شود که تا حدودی فلز آزاد را در برابر اکسیداسیون محافظت می کند. این فلز به طور طبیعی در حدود 65 درصد مواد معدنی و در ذخایر سوخت های فسیلی در طبیعت وجود دارد.

امروزه 80 درصد از وانادیم تولیدی در جهان برای ساخت آلیاژهای فولادی خاص مانند فولادهای ابزار پر سرعت استفاده می شود. ترکیب اکسید وانادیم دیگر به پای ثابت فولادهای به کار رفته در خودرو و یاتاقان ها تبدیل شده است.

همچنین وانادیم به همراه آلومینیوم و تیتانیوم در آلیاژهای موتورهای جت و فریم های هوایی پر سرعت به کار می رود. یکی از مهم ترین ترکیبات صنعتی این فلز، پنتا اکسید وانادیوم است که به عنوان کاتالیزور برای تولید اسید سولفوریک استفاده می شود.

ساخت شمشیری به تیزی برش یک تار مو!

چندین سال قبل، یک شمشیر قدیمی ساخته شده از فولاد دمشقی کشف شد. این شمشیر از نوعی فولاد تولید شده بود که متریال آن، از ذخایر آهن غنی از وانادیوم در جنوب هند به دست آمده بود. تیزی این شمشیر، به قدری بود که اگر تار مویی روی تیغۀ آن می افتاد، شکافته می شد یا می توانست یک پَر معلق روی هوا را برش دهد و از وسط نصف کند. محققان انتظار چیزی که می دیدند را نداشتند. این شمشیر یک کلاه ایمنی فولادی را با یک ضربه از هم شکافت! در ضمن تیغه های آن به قدری انعطاف پذیر بودند که می توانستند بدون شکستن 90 درجه خم شوند.

این جاست که یاد شعر زیبای “ابوتمام” شاعر بزرگ عرب زبان می افتیم:

این برق سفید شمشیرهاست؛ نه جوهر سیاه کتاب ‌هاکه تردیدها، بی اطمینانی ها و چشم اندازهای تاریک را از بین می برد…

گویا بشر از همان دوران قدیم به مفهوم عمیق این شعر پی برده است. با این حال فعلا بهتر است به تاریخچۀ وانادیم بپردازیم. همه چیز از سال 1801 میلادی شروع شد. زمانی که وانادیوم توسط پروفسور “آندرس مانوئل دل ریو” معدن شناس اسپانیایی کشف شد. او این عنصر را “اریترونیوم” نامید اما سرانجام به این باور رسید که ماده ای که کشف کرده، ناخالصی هایی از عنصر کروم دارد.

این عنصر توسط شیمیدان سوئدی “نیلز گابریل سفستروم” در سال 1830 دوباره کشف شد. او نام مادۀ تازه کشف شده را از “وانادیس” الهام گرفت. الهۀ زیبایی و جوانی در اسکاندیناوی. گابریل پس از مشاهده رنگ های زیبایی که ترکیبات وانادیم در محلول ها پدید می آورند، این اسم را روی آن گذاشت.

“هنری راسکو” شیمی دان انگلیسی اولین بار در سال 1867 با احیای دی کلرید وانادیوم (VCl₂) از طریق هیدروژن، این فلز را به صورت تقریبا خالص سنتز کرد. سپس شیمی دانان آمریکایی “جان وسلی ماردن” و “مالکوم ریچ” در سال 1925 با احیای پنتوکسید وانادیوم (V₂O₅) با کلسیم، این عنصر را با 99.7 درصد خلوص تولید کردند.

آفریقای جنوبی، منبع غنی عنصر وانادیوم

وانادیوم بیست و دومین عنصر فراوان در پوستۀ زمین است. این عنصر در رسوبات حاوی کربن مانند نفت خام، زغال سنگ و ماسه های قیر وجود دارد. برخی از مهم ترین منابع تجاری این عنصر، مواد معدنی کارنوتیت، وانادینیت، روسکوئلیت، بوکسیت و مگنتیت هستند.

بزرگترین منابع وانادیوم را می توان در آفریقای جنوبی و روسیه یافت. تولید جهانی سنگ معدن های وانادیم حدود 45000 تن در سال است و تولید خود فلز به حدود 7000 تن در سال می رسد.

وانادیم از طریق سنگ معدن به صورت پنتا اکسید وانادیوم (V₂O₅) از طریق فرآیند های مختلف ذوب، لیچینگ و برشته سازی (roasting) بدست می آید. سپس پنتا اکسید به پودر فروانادیوم یا وانادیوم تبدیل می شود.

تهیه وانادیوم بسیار خالص مشکل است زیرا این فلز در دمای بالا نسبت به اکسیژن، نیتروژن و کربن کاملاً واکنش پذیر است. چین، آفریقای جنوبی و روسیه تولید کنندگان اصلی وانادیوم در اوایل قرن 21 هستند.

وانادیوم در اکثر خاک ها در مقدار متغیر یافت می شود و با توجه به میزان در دسترس بودن آن توسط گیاه، توسط گیاهان جذب می شود. در زیست شناسی اتم وانادیم یک جزء اساسی در برخی از آنزیم ها است. به ویژه نیتروژنازِ وانادیوم که توسط برخی از میکروارگانیسم های تثبیت کنندۀ نیتروژن استفاده می شود.

مشخصات و خواص فلز وانادیوم

ایزوتوپ ها

وانادیوم طبیعی که از یک ایزوتوپ پایدار با عدد جرمی 51 و یک ایزوتوپ رادیواکتیو با عدد جرمی 50 تشکیل شده است. وانادیم 50 نیمه عمری به اندازۀ 5/1 × 10¹⁷ سال و فراوانی طبیعی در حدود 0.25 درصد دارد.

وانادیوم 51 اسپین هسته ای 2/7 دارد که آن را برای طیف سنجی NMR قابل استفاده می کند. علاوه بر ایزوتوپ های طبیعی، بیست و چهار رادیوایزوتوپ (Radioisotope) مصنوعی برای این عنصر تشخیص داده شده است که عدد جرمی آن ها از 40 تا 65 متغیر است.

پایدارترین این ایزوتوپ ها عدد جرمی 49  دارد که نیمه عمر آن 330 روز است. بقیۀ ایزوتوپ های رادیواکتیو نیمه عمری کوتاه تر از یک ساعت دارند که بیشترین آن ها زیر 10 ثانیه است. مکانیزم جذب الکترون (Electron capture) حالت اصلی فروپاشی ایزوتوپ های سبک تر از 51 است.

در مورد ایزوتوپ های سنگین تر، متداول ترین مکانیزم، تشعشع بتا است. گفتنی است که واکنش های جذب الکترون سبب تشکیل عنصری با عدد اتمی 22 (یعنی تیتانیوم) می شود. در حالی که فروپاشی بتا منجر به شکل گیری عنصری با عدد اتمی  24 (یعنی کروم) می شود.

وانادیم به چه صورتی تولید می شود؟

به طور کلی در چین و روسیه، وانادیم از سربارۀ ذوب فولاد تولید می شود. در حالی که کشورهای دیگر آن را مستقیماً از سنگ معدن ها، گرد و غبار دودکش ها و یا به عنوان محصول جانبی استخراج اورانیوم تولید می کنند.

فلز وانادیوم با یک فرآیند چند مرحله ای بدست می آید که با گرمایش سنگ معدن خرد شده به همراه NaCl یا Na₂CO₃ در حدود 850 درجۀ سلسیوس شروع می شود. نتیجۀ این فرایند، متاوانادات سدیم (NaVO₃) است.

یک عصاره آبی از این جامد اسیدی می شود تا محصولی تحت عنوان “کیک قرمز” تولید شود. این محصول در واقع همان نمک پلی وانادات است که با فلز کلسیم احیا می شود و فلز وانادیم به دست می آید. این فرایند مخصوص واحدهای تولیدی بزرگتر است.

به عنوان یک جایگزین برای تولید در مقیاس کوچک، پنتا اکسید وانادیوم با هیدروژن یا منیزیم احیا می شود و محصول تقریبا خالصی به دست می آید. البته روش های دیگری نیز استفاده می شود که در همۀ آنها وانادیوم به عنوان محصول جانبی فرآیندهای دیگر تولید می شود.

این عنصر عمدتا به عنوان یک آلیاژ فولادی با نام فرووانادیم (Ferrovanadium) استفاده می شود. فرووانادیم مستقیما با احیای مخلوطی از اکسید وانادیوم، آهن و اکسیدهای آهن در کورۀ الکتریکی تولید می شود.