NIEN LUAN VẬT LÝ THUẬT TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN TỐ LITI VÀ COBAN, ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG TRONG ĐỜI SỐNG.

Đến thời điểm hiện tại, nhắc tới các nguyên tố hóa học, số lượng chính xác đã được các nhà khoa học cho biết là 118 với 98 nguyên tố có trong tự nhiên và hàng chục nguyên tố được hình th

MỞ ĐẦU

Trong tự nhiên, các nguyên tố có mặt ở khắp mọi nơi và tạo ra vạn vật Đến thời điểm hiện tại, nhắc tới các nguyên tố hóa học, số lượng chính xác đã được các nhà khoa học cho biết là 118 với 98 nguyên tố có trong tự nhiên và hàng chục nguyên tố được hình thành từ phóng xạ và thí nghiệm Quá trình khám phá các nguyên tố đã hấp dẫn các nhà khoa học ở nhiều lĩnh vực (Vật lý, Hóa học,…) bởi những tính chất và ứng dụng độc đáo Tất cả đã mang con người đến với một kỷ nguyên mới – kỷ nguyên của những khám phá và phát triển khoa học

Hiện nay, một trong những nguyên tố nhóm VB được nhắc đến là vanadi, cũng góp phần vào công cuộc phát triển này Với nhiều người nguyên tố này có thể còn khá xa lạ nhưng đối với các nhà khoa học thì đã quá quen thuộc vì những đặc tính mà nguyên tố này mang lại Trong bài niên luận này, em sẽ tập trung trình bày về “Vanadi, hợp chất của vanadi và ứng dụng của chúng” để thấy rõ tiềm năng mà nguyên tố kim loại này mang lại Chân thành cảm ơn cô đã giúp đỡ và tạo điều kiện để em có thể hoàn thành bài niên luận này cũng như hiểu rõ hơn về vanadi

Trân trọng!

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

DANH MỤC BẢNG BIỂU 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

NỘI DUNG 5

I TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN TỐ VANADI 5

1 Giới thiệu 5

2 Đồng vị 5

3 Tính chất đặc trưng 5

II MỘT SỐ HỢP CHẤT CỦA VANADI 8

1 Vanadi pentoxit (V 2 O 5 ) 8

2 Vanadi dioxit VO 2 9

III KHAI THÁC VÀ SẢN XUẤT VANADI 10

1 Trữ lượng của vanadi và các hợp chất trong tự nhiên 10

2 Sản xuất vanadi 11

IV VANADI VÀ HỢP CHẤT – VAI TRÒ VÀ TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG 13 1 Vanadi 13

2 Hợp chất của vanadi 15

V VANADI VÀ NHỮNG TÁC ĐỘNG XẤU CẦN BIẾT 17

LỜI KẾT 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Một số thông số cơ bản về vanadi………6

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Andrés Manuel del Río (1764-1849)……… ….……….… 5

Hình 2: Vanadi trong thực tế……… ……… 5

Hình 3: Nguyên tố vanadi trong bảng tuần hoàn hóa học……….……… 6

Hình 4: Phức chất của vanadi (R=t-butyl)………7

Hình 5: Bột V2O5……….………7

Hình 6: Trạng thái oxi hóa từ trái sang +2, +3, +4, +5……….7

Hình 7: Cấu trúc rutile……….9

Hình 8: Các dạng cấu trúc của VO2 10

Hình 9: Các loại quặng của vanadi và hợp chất trong tự nhiên ……… 11

Hình 10: Quy trình tách, chiết vanadi từ hỗn hợp dung dịch……… ………12

Hình 11: Khoáng chất carnotite……….………12

Hình 12: Vanadi là nguyên tố quan trọng đối với cơ thể sống………….……….13

Hình 13: Nấm amanita muscaria……….………… …13

Hình 14: Ti 6Al-4V……… 14

Hình 15: Vanadi dùng trong công nghiệp để biến tính thép……… ……….14

Hình 16: Sơ đồ pin vanadi……… ………… 15

Hình 17: Pin vanadi oxi hóa khử……… ………… 16

Hình 18: Màng VO2 “chọn lọc quang phổ” – chỉ cho ánh sáng nhìn thấy truyền qua… 16

Hình 19: Vanadi pentoxit……….……….18

Hình 20: Hệ thống đánh lửa ion hóa của động cơ diesel……….……… 18

NỘI DUNG

I TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN TỐ VANADI

1 Giới thiệu

Vanadi được nhà hóa học người Mexico,

Andrés Manuel del Río phát hiện năm 1801

Ông đã gửi mẫu quặng vanadi và một bức

thư mô tả tới Institute de France, Pháp để

phân tích và xác nhận Lá thư của ông

không may bị mất trong một vụ đắm tàu và

Viện chỉ nhận được mẫu mà Rio đã đặt tên

là erythronium, giống như crom Rio đã tin

lá thư từ Paris phủ nhận khám phá của mình

Vào năm 1830, Vanadi được Nils Gabriel Sefström, nhà hoá học người Thụy Điển, khám phá lại khi phân tích các mẫu sắt từ một

mỏ ở Thụy Điển Ông lấy theo tên một vị thần, Vanadis, do màu sắc sặc sỡ của nó Vanadi bị khử lần đầu tiên bởi Henry Enfield Roscoe, một nhà hóa học người Anh, vào năm 1867 bằng cách kết hợp vanadi trichloride (VCl3) với khí hydro (H2) 60 năm sau, vanadi với độ tinh khiết cao (99.3-99.8%) được sản xuất

2 Đồng vị

Đồng vị là hai hay nhiều dạng của một nguyên tố Các đồng vị khác nhau số khối Vanadi trong tự nhiên tồn tại hai đồng vị 50V (0.24%) và 51V (99.76%) 50V là đồng vị phóng xạ, chu kỳ bán rã 1.5×1017 năm 51V là đồng vị bền, có spin hạt nhân là  7⁄2 Đến nay, có 24 đồng vị nhân tạo với số khối từ 40 đến 65 Đồng vị bền nhất trong số này là

49V, có chu kỳ bán rã 330 ngày và 48V là 16,0 ngày Tất cả các đồng vị phóng xạ còn lại

có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 1 giờ, và đa số trong đó có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 10 giây

3 Tính chất đặc trưng

Vanadi được ký hiệu là V, số thứ tự nguyên tử là 23, nguyên tử lượng là 50,9415 đvC,

có số oxi hóa thường gặp là +2,+3,+4,+5

Hình 2: Vanadi trong thực tế

Hình 1: Andrés Manuel del Río (1764-1849)

Vanadi là một nguyên tố thuộc phân nhóm VB, chu kỳ 4 trong bảng hệ thống tuần hoàn,

có cấu hình lớp electron ngoài cùng: 3d34s2

Vanadi đặc biệt bởi nó hoạt động như kim loại trong một số trường hợp, và như phi kim trong các trường hợp khác Kim loại được định nghĩa là các nguyên tố có bề mặt sáng bóng, là chất dẫn nhiệt và điện tốt, có thể được nấu chảy, ép thành các tấm mỏng, và kéo thành dây mỏng Các phi kim thường không có đặc tính này

Về mặt lý học, vanadi thể hiện tính chất của nhóm kim loại chuyển tiếp, có trạng thái vật chất là thể rắn Đây là kim loại có tính thuận từ do có electron độc thân; hiếm, mềm,

màu trắng xám, dễ kéo sợi

Nó có khả năng chống ăn mòn tốt, không bị oxy hóa trong không khí ở nhiệt độ phòng, không hòa tan trong nước, bền đối với các chất kiềm và không phản ứng với một số axit, như axit hydrocloric(HCl) hoặc axit sulfuric(H2SO4) nguội nhưng phản ứng với các axit nóng, chẳng hạn như axit sulfuric (H2SO4) nóng, axid nitric (HNO3) Nó bị oxy hóa trong

không khí ở 933K (660°C, 1220°F), mặc dù một lớp oxit được tạo thành ở nhiệt độ phòng

Bảng 1: Một số thông số cơ bản về vanadi

Bán kính nguyên tử 179pm(Van der Waals)

Hình 3: Nguyên tố vanadi trong bảng tuần hoàn hóa học

Ngoài tính chất chung của các kim loại, vandi do phân lớp d chưa đầy đủ electron nên có một số tính chất khác với các kim loại thuộc phân nhóm chính:

 Nhiều trạng thái oxi hóa

Trong các nguyên tố chuyển tiếp, các electron hóa trị ở các phân lớp ns và (n-1)d có nhiều năng lượng xấp xỉ nhau nên chúng có thể sử dụng các electron này khi tham gia liên kết Trong khi đó, các kim loại điển hình thường có số oxi hóa ít thay đổi

Ví dụ: Các trạng thái oxi hóa của V: +5,+4,+3,+2,+1,-1

 Tạo phức chất

Vanadi có khả năng tạo phức chất bền do có các orbital trống, có thể tham gia tạo liên kết phối trí với các phối tử để tạo thành phức chất

 Đơn chất và hợp chất thường có hoạt tính xúc tác

Vanadi có khả năng tạo thành những hợp chất trung

gian với các chất phản ứng làm giảm năng lượng hoạt

hóa của chất nên phản ứng xảy ra với tốc độ nhanh hơn

Ngoài ra, vanadi còn có vai trò như chất hấp phụ bề

mặt do có diện tích bề mặt lớn

Ví dụ: V2O5 là chất xúc tác trong sản xuất H2SO4.

 Hợp chất thường có màu

Do hiệu số năng lượng của các electron không lớn và

độ dài sóng hấp thụ của vanadi nằm trong vùng khả

kiến nên hợp chất của chúng thường có màu Tất cả

trạng thái oxi hóa từ -1 đến +5 đều được biết đến trong

hóa học vô cơ và cho ra nhiều màu sắc đẹp liên quan

đến sự chuyển pha của các hợp chất vanadi.

Hình 4: Phức chất của vanadi (R=t-butyl)

Hình 5: Bột V2O5

Hình 6: Trạng thái oxi hóa

từ trái sang +2, +3, +4, +5

II MỘT SỐ HỢP CHẤT CỦA VANADI

1 Vanadi pentoxit (V 2 O 5 )

a) Tính chất vật lí

V2O5 là chất rắn màu nâu/vàng tuy nhiên khi vừa kết tủa trong dung dịch nước, màu của nó là màu cam đậm Do trạng thái oxy hóa cao, nó vừa là oxit lưỡng tính và vừa là một chất oxi hóa

b) Tính chất hóa học

Khử axit yếu

Khi đốt nóng hỗn hợp vanadi pentoxit (V2O5) và vanadi (III) oxit (V2O3), phản ứng hóa hợp sẽ xảy ra tạo thành vanadi (IV) oxit, ở dạng một chất rắn màu xanh đậm:

V2O5 + V2O3 → 4 VO2

Quá trình khử cũng có thể bị ảnh hưởng bởi oxalic axit (C2H2O4), cacbon monoxit (CO), và lưu huỳnh dioxit (SO2) Các quá trình khử tiếp theo bằng khí hydro (H2) hoặc

CO dư có thể tạo thành hỗn hợp các oxit như V4O7 và V5O9 trước khi tạo thành V2O3

màu đen

Phản ứng axit-bazơ

V2O5 là một oxit lưỡng tính Không giống hầu hết các oxit kim loại, nó hòa tan một ít trong nước để tạo ra một dung dịch axit màu vàng nhạt Vì vậy, V2O5 phản ứng với axit mạnh để tạo ra dung dịch có chứa các muối màu vàng nhạt

V2O5 + 2 HNO3 → 2 VO2(NO3) + H2O

V2O5 cũng phản ứng với kiềm mạnh để hình thành polyoxovanadate, có cấu trúc phức tạp phụ thuộc vào độ pH Nếu dung dịch natri hydroxit (NaOH) dư, sản phẩm là muối không màu, sodium orthovanadat, Na3VO4

V2O5 + 6NaOH→ 2Na3VO4 + 3H2O Nếu axit được đưa từ từ vào dung dịch Na3VO4, màu sắc sẽ đậm dần từ màu da cam sang màu đỏ, sau đó V2O5 ngậm nước màu nâu sẽ kết tủa ở khoảng pH=2 Những dung dịch này chủ yếu chứa các ion HVO42− và V2O74− vào khoảng pH = 9 và pH = 13 nhưng dưới pH = 9 thì các ion lạ như V4O124− và HV10O285− (decavanadate) chiếm ưu thế Khi dùng dung dịch thionyl chloride (SOCl2), nó chuyển thành chất lỏng bay hơi vanadi oxychlorit, VOCl3

V2O5 + 3SOCl2 → 2VOCl3 + 3SO2

Phản ứng oxi hóa khử

Hydrochloric axit (HCl) và hydrobromic axit (HBr) sẽ bị khử thành các halogen tương ứng:

V2O5 + 6HCl + 7H2O → 2[VO(H2O)5]2+ + 4Cl− + Cl2

2 Vanadi dioxit VO2

a) Tính chất

Vanadi(IV) dioxit là hợp chất vô cơ lưỡng tính dạng rắn màu xanh đậm, hòa tan trong axit không có tính oxi hóa mạnh tạo thành vanadyl ion [VO]2+ màu xanh, và trong dung dịch kiềm tạo thành ion [V4O9]2− màu nâu hoặc ở pH cao cho ion [VO4]4− VO2 có nhiệt

độ chuyển pha gần với nhiệt độ phòng (~66 °C) Các tính chất như điện trở suất, khả năng chắn ánh sáng có thể tăng lên nhiều lần, nhờ vậy mà VO2 được sử dụng rộng rãi trong lớp phủ bề mặt, cảm biến hay trong thiết bị nhớ

Bảng 2: Một số thông số cơ bản về VO2

Ở nhiệt độ chuyển đổi từ pha rutile đến đơn tà, VO2

còn cho thấy sự thay đổi về cấu trúc điện tử từ kim loại

sang bán dẫn: pha rutile là kim loại trong khi pha đơn

tà là bán dẫn

Ở nhiệt độ phòng, VO2 có cấu trúc rutile với khoảng

cách giữa các cặp nguyên tử V-V ngắn phản ánh liên

kết kim loại-kim loại Khi nhiệt độ trên 68°C cấu trúc

sẽ thay đổi thành dạng rutile không biến dạng và liên

kết kim loại-kim loại sẽ bị phá vỡ dẫn đến khả năng dẫn

điện và cảm từ tăng vì các electron trong liên kết được

“giải phóng”

VO2 thể hiện tính chất khác nhau khi thay đổi nhiệt độ Khi được đun nóng từ nhiệt độ phòng lên 80°C, bức xạ nhiệt của vật liệu sẽ tăng dần cho đến 75°C, và sau đó sẽ giảm đột ngột Ở nhiệt độ phòng, VO2 gần như trong suốt đối với ánh sáng hồng ngoại Và khi nhiệt độ tăng lên thì sự phản chiếu cũng thay đổi Ở nhiệt độ trung gian, nó sẽ hoạt động như chất điện môi có khả năng hấp thụ cao

Màng mỏng oxit vanadi trên nền phản chiếu cao như sapphire sẽ hấp thụ hoặc phản xạ phụ thuộc vào nhiệt độ(cụ thể với các bước sóng hồng ngoại) Độ phát xạ của nó sẽ thay đổi đáng kể khi thay đổi nhiệt độ Khi vanadi oxit chuyển pha do nhiệt độ tăng lên, sự phát xạ sẽ giảm - làm cho nhiệt độ trong camera hồng ngoại thấp hơn so với thực tế Việc thay đổi nền thành oxit indi-thiết và điều chỉnh lớp phủ vanadi oxit bằng phương pháp như pha tạp, kéo căng,…sẽ làm thay đổi bước sóng và khoảng nhiệt độ của hiệu ứng trên Các cấu trúc nano xuất hiện trong vùng chuyển pha của vật liệu có thể ngăn chặn bức xạ nhiệt khi nhiệt độ tăng lên Pha tạp lớp phủ với vonfram(W) còn làm giảm phạm

vi nhiệt độ của hiệu ứng đến nhiệt độ phòng

Khối lượng mol Nhiệt độ nóng chảy Khối lượng riêng Cấu trúc tinh thể 82.94 g/mol 1967 °C 4.571 g/cm

3 (đơn tà) 4.653 g/cm3 (tứ giác) Rutile

Hình 7: Cấu trúc rutile

III KHAI THÁC VÀ SẢN XUẤT VANADI

1 Trữ lượng của vanadi và các hợp chất trong tự nhiên

Vanadi là nguyên tố phổ biến thứ 20 trong vỏ Trái đất Cùng với carnotite (K2(UO2)2(VO4)2·3H2O) và roscoelite (K(V3+, Al, Mg)2AlSi3O10(OH)2), vanadinite (Pb5(VO4)3Cl) là một trong ba dạng quặng công nghiệp của nguyên tố vanadi Vanadinite cũng thường được sử dụng làm nguồn cung cấp chì Ngoài ra, vanadi được tìm thấy trong khoáng vật phosphat, quặng sắt hay nguồn dầu thô Một lượng nhỏ vanadi có trong các thiên thạch

Nhiều loại quặng vanadi được biết đến nhưng chưa được khai thác như đối với các kim loại khác, chỉ khai thác như sản phẩm phụ của các quặng khác Nguồn vanadi lớn nhất là

vanadi nhưng cũng chưa được khai thác

Quặng shcherbinaite là một dạng khoáng vật rất hiếm của hợp chất V2O5,hầu như được tìm thấy quanh các miệng núi lửa Bên cạnh đó V2O5 còn được tìm thấy trong khoáng navajoite, V2O5.3H2O

Hình 8: Các dạng cấu trúc của VO2

2 Sản xuất vanadi

a) Trong phòng thí nghiệm

Những năm gần đây, cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp hiện đại và các ngành kỹ thuật mới, đòi hỏi những vật liệu có độ tinh khiết cao, các phương pháp xác định vết các nguyên tố (vi lượng) càng khẳng định vai trò của mình Cụ thể là chiết tách kim loại hiện đang là ứng cử viên tiềm năng với nhiều phương pháp được nghiên cứu Dưới đây trình bày một quy trình chiết kim loại vanadi từ đề tài nghiên cứu em đang tiến hành:

Hình 9: Các loại quặng của vanadi và hợp chất trong tự nhiên:

a) Quặng carnotite (K2(UO2)2.1-3H2O b) Quặng vanadinite (Pb5(VO4)3Cl c) Quặng sắt chứa vanadi

d) Quặng Navajoite e) Shcherbinaite

Hình 2606: Quy trình tách, chiết vanadi từ hỗn hợp dung dịchHình 2607: Các loại

quặng của vanadi và hợp chất trong tự nhiên:

hhhhhhhhhhhhhhhhhhh) Quặng carnotite (K2(UO2)2.1-3H2O iiiiiiiiiiiiiiiiiii) Quặng vanadinit (Pb5(VO4)3Cl

jjjjjjjjjjjjjjjjjjj) Quặng sắt chứa vanadi kkkkkkkkkkkkkkkkkkk) Navajoite lllllllllllllllllll) Chcherbinaite

b) Trong công nghiệp

Quy trình phổ biến để tách vanadi là nung quặng vanadinite (Pb5(VO4)3Cl) với natri clorua (NaCl) hoặc natri cacbonat (Na2CO3) ở khoảng 850°C để tạo ra natri vanadate (NaVO3) Chất này được hòa tan trong nước và sau đó xử lý bằng ammoni clorua (NH4Cl) tạo ra kết tủa ammoni metavanadat (NH4VO3) màu vàng Sau đó, hợp chất được nung chảy thành vanadi pentoxit (V2O5) dạng thô Khử vanadi pentoxit (V2O5) với canxi (Ca) tạo ra vanadi tinh khiết

Pb5(VO4)3Cl+ 8NaCl+12 O2

NaVO3 + NH4Cl

2NH4VO3

V2O5 +Ca

 3NaVO3 +9ClO3 +5PbNa

 NH4VO3 +NaCl

 V2O5 +2NH3+ H2O

 V + CaO Trong thương mại, việc sản xuất vanadi từ dầu mỏ hứa hẹn là một nguồn cung tiềm

bằng magie(Mg) hoặc với hỗn hợp magie-natri:

2VCl3 +3Mg  2V + 3 MgCl2

Ngoài ra, vanadi được lấy từ khoáng chất

carnotite (K2(UO2)2VO4 · 1-3H2O) bằng cách nung

nóng quặng trong sự có cacbon (C) và clo (Cl2) để

sản xuất vanadi trichlorit (VCl3) Vanadi trichlorit

sau đó được nung nóng với magie (Mg) trong môi

trường argon (Ar)

Hình 10: Quy trình tách, chiết vanadi từ hỗn hợp dung dịch

Hình 11: Khoáng chất carnotite

IV VANADI VÀ HỢP CHẤT – VAI TRÒ VÀ TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG

1 Vanadi

Vanadi là một nguyên tố thiết yếu, tồn tại

trong cơ thể sống với lượng rất nhỏ Tổng

lượng vanadi trong cơ thể con người nhỏ hơn

1 milligram Nó được tìm thấy trong thận,

tinh hoàn, xương với chức năng cụ thể chưa

được xác định Chỉ cần 40 microgram mỗi

ngày là đủ đáp ứng cho nhu cầu hoạt động của

con người Người ta tin rằng, vanadi điều hòa

các enzim điều khiển lượng natri trong cơ thể,

và các thử nghiệm trên chuột và gà cho thấy

vanadi kích thích tăng trưởng, có lẽ điều

tương tự cũng xảy ra với con người

Vanadi có mặt trong đa số loại đất và được

nhiều loại cây xanh và nấm hấp thu; đặc biệt,

nấm tích tụ lượng lớn vanadi, và các loài giun

biển cũng thế

Vanadi có thể được tìm thấy trong tảo, thực vật, động vật không xương sống, cá và nhiều loài khác Ở trai và cua, vanadi có nồng độ rất cao, có thể cao hơn 105 đến 106

lần so với nồng độ trong nước biển Một số loài hải triều chứa vanadi nhiều gấp một triệu lần so với môi trường nước xung quanh, hay các loài nấm như amanita muscaria cũng chứa vanadi (IV) Trong các trường hợp trên, lý do vanadi tồn tại vẫn chưa được làm sáng tỏ

Sự suy giảm phát triển khi thiếu vanadi được nghiên cứu ở chuột, gà và cừu nhưng chỉ dưới điều kiện nhân Vì thế, việc thiếu nguyên tố vanadi ảnh hưởng thế nào đến sức khỏe động vật ở điều kiện tự nhiên chưa

được nghiên cứu

Lượng vanadi dùng trong công nghiệp với quy mô lớn đầu tiên để gia cố khung xe Ford Model T cách đây một thế kỷ trước và vẫn được sử dụng để gia cố thép cho đến ngày nay

vì vanadi là kim loại chuyển tiếp nhẹ, không những góp phần làm giảm trọng lượng cho thép mà còn tăng độ bền và khả năng chịu nhiệt cho vật liệu

Hình 12: Vanadi là nguyên tố quan trọng

đối với cơ thể sống

Hình 13: Nấm amanita muscaria