23 V 钒 50.942
过渡金属 d区 第4周期 第5族

钒

V · 元素23 · 过渡金属

一种过渡金属,会根据其氧化态在溶液中呈现四种不同颜色。

20°C时的状态 固态
原子量 50.942 u
电子排布[Ar] 3d³ 4s²

结构

钒原子

这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

属性表

每个条形图显示钒在全部118种元素中该属性所处的位置。

物理

密度 6.11 g/cm³ 34%
熔点 2183 K 87%
沸点 3680 K 78%
比热容 0.489 J/g·K
热导率 30.7 W/m·K 55%

原子

原子半径 134 pm 21%
共价半径 153 pm
范德华半径 179 pm

电子

电负性 1.63 53%
电离能 650.9 kJ/mol 43%
电子亲和能 51.1 kJ/mol 43%

存在情况

地壳中的丰度 120 mg/kg 84%

身份

符号V
原子序数23
原子量50.9415 u
类别过渡金属
区d
晶体结构体心立方
氧化态-3, -1, 0, +2, +3, +4, +5
发现1801
发现者Andres Manuel del Rio

来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。

尺寸,按比例显示

钒的原子有多大?

半径134 pm——即0.134 nm,因此大约3.73百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。

温度范围

固态、液态、气态——以及转变时机

钒在1497 K的范围内呈液态,温度从2183 K到3680 K。

所在位置

在表中的位置

钒位于第4周期、第5族。 第5族中的所有元素具有相同的最外层电子数,因此它们的性质非常相似。

其他过渡金属

所有过渡金属

背后的故事

钒是什么,以及我们如何发现它

钒是将普通钢转变为超级钢的秘密成分!这种银灰色过渡金属可能相对鲜为人知,但它对现代基础设施绝对至关重要。只需向钢中加入0.1%的钒,就能在保持柔韧性的同时使其强度提高最多100%——这就像为金属增添了超能力! 钒由西班牙-墨西哥科学家Andrés Manuel del Río于1801年发现,是元素周期表中化学故事最丰富多彩的元素之一。Del Río最初将其称为“erythronium”(源自希腊语“红色”),因为其化合物受热时会变红。然而,其他化学家说服他相信自己实际发现的是铬,于是他撤回了这一主张。30年后的1831年,瑞典化学家Nils Gabriel Sefström重新发现了该元素,并以北欧美神Vanadis的名字将其命名为vanadium,因为它的化合物呈现美丽的多种颜色。 钒最令人着迷的特点,是它形成化合物时惊人的多样性。它可以呈现从-1到+5的氧化态,形成一系列彩虹般的颜色:紫色(V²⁺)、绿色(V³⁺)、蓝色(V⁴⁺)和黄色(V⁵⁺)。这使钒化合物可用作化学反应中的催化剂,以及陶瓷和玻璃的颜料。 钒还具有一些显著的生物学性质。它对某些海洋生物(如海鞘)至关重要,这些生物会将钒浓缩在血液中,其含量可达到海水中含量的1000万倍!一些研究表明,钒可能有助于调节人体血糖,从而推动了针对糖尿病治疗的研究。 这种元素在储能领域也展现出良好前景。钒氧化还原液流电池可以为可再生能源系统储存大量能量,使用寿命超过20年且性能衰减极小——非常适合储存太阳能和风能!

钒的发现

被发现两次的元素

钒的发现经历了多位研究者、几次错误判断以及通过先进分析技术进行的最终确认,体现了在复杂矿物基质中识别新元素的挑战。

Del Río在墨西哥的发现

Andrés Manuel del Río(1764-1849)是一位西班牙-墨西哥矿物学家。1801年,他在分析来自墨西哥Zimapán的铅矿石时首次发现了钒。Del Río观察到,矿物样品经过不同化学处理后会产生红色、黄色、绿色和蓝色等多彩溶液。

Del Río最初将这一发现命名为“panchromium”(意为“所有颜色”),因为它的化合物呈现多种颜色。后来,他注意到某些溶液呈红色,于是将其改名为“erythronium”(源自希腊语“erythros”,意为红色)。

悲剧性的怀疑

Del Río将样品送给欧洲化学家进行确认时,他们错误地认定该元素是不纯的铬。这一误判使Del Río开始怀疑自己的发现,并遗憾地撤回了主张。科学界接受了这一错误判断,使Del Río在长达30年间未能获得应有的认可。

Sefström的重新发现

Nils Gabriel Sefström(1787-1845)是一位在Falun铁厂工作的瑞典化学家。1830年,他在分析铁矿渣时重新发现了钒。他的系统化学分析揭示了一种未知元素,并发现它能产生与Del Río数十年前观察到的相同的多彩化合物。

Sefström以北欧美神Vanadis的名字将该元素命名为“vanadium”。Vanadis代表美丽、爱情和生育,也被称为Freyja。这个名称体现了钒化合物从深红色到明亮黄色和绿色的美丽色彩。

历史公正

Sefström的工作为人所知后,Del Río的优先发现权终于得到承认。科学界确认Del Río确实先发现了钒,但Sefström所取的名称仍成为标准名称。这一认可恢复了Del Río在化学史上的地位,也凸显了全面分析确认的重要性。

纯金属的分离

Henry Roscoe于1867年通过氢还原二氯化钒制得了第一批纯钒金属,但其产品含有大量杂质。John Wesley Marden and Malcolm Rich于1927年使用钙还原五氧化二钒,制得了高纯度钒金属,从而推动了对钒卓越性质的系统研究。

用途

钒的用途

钒:钢铁强化剂

钒能将普通钢转变为非凡合金,使从Formula 1赛车到核反应堆容器的一切成为可能。这种过渡金属能够以极低浓度增强钢材强度,因此在现代基础设施和先进工程应用中不可或缺。

钢合金革命

高强度低合金钢(HSLA钢)只需添加0.01-0.15%的钒,就能获得显著提升的性质。钒会形成碳化物和氮化物,钉扎晶界,阻止位错运动,从而制造出屈服强度超过700 MPa且保持良好焊接性的钢材。汽车应用包括底盘部件、悬架系统和安全车架结构,这些部位对减重和碰撞性能要求很高。

工具钢的卓越性能

含有1-5%钒的高速工具钢在红热温度(600°C)下仍能保持切削刃锋利,从而实现传统钢材无法完成的高速加工操作。碳化钒(VC)会形成工具钢中硬度最高的碳化物,为切削工具、模具和制造设备提供卓越的耐磨性。

储能技术

钒氧化还原液流电池(VRFB)可为可再生电力并网提供大规模储能。这些系统利用钒的四种稳定氧化态(V²⁺、V³⁺、VO²⁺、VO₂⁺)在液态电解质中储存能量,能够完成10000+次充放电循环且性能衰减极小。日本、澳大利亚和中国的大型装置展示了VRFB技术在电网级风能和太阳能储存方面的应用。

化学催化

五氧化二钒(V₂O₅)通过接触法催化硫酸生产,使这种重要工业化学品得以制造。该催化剂在400-500°C下运行,以99%的效率将二氧化硫转化为三氧化硫。选择性催化还原(SCR)系统使用含钒催化剂,减少发电厂和柴油发动机排放的氮氧化物。

航空航天应用

Ti-6Al-4V等钛钒合金含有4%的钒,可增强飞机结构部件的强度和可加工性。喷气发动机部件利用钒在高温下保持强度并抵抗氧化和热循环疲劳的能力。

钒:幕后支撑的力量

  • 汽车工业
    • 高强度钢制底盘和车身部件
    • 悬架系统和安全结构
    • 发动机部件和变速箱零件
    • 赛车车架和防滚架
  • 建筑与基础设施
    • 高层建筑结构钢
    • 桥梁部件和重型建筑结构
    • 用于石油和天然气输送的管线钢
    • 抗震建筑框架
  • 制造工具
    • 高速切削工具和钻头
    • 工业模具和成形设备
    • 精密机床部件
    • 耐磨制造设备
  • 能源系统
    • 电网级电池储能系统
    • 核反应堆结构部件
    • 发电厂排放控制催化剂
    • 可再生能源储能装置
  • 航空航天应用
    • 飞机结构部件和发动机
    • 航天器和卫星结构部件
    • 军用飞机和导弹部件
    • 高温发动机应用
  • 化学工业
    • 硫酸生产催化剂
    • 石油炼制过程催化剂
    • 特种化学品制造
    • 工业过程设备

来源

自然存在

地壳中含量为120 mg/kg · 比84%的元素更丰富

钒:锻造于恒星核心

钒在大质量恒星内部通过硅燃烧过程形成。当温度超过30亿K时,核反应会生成比铁更重的元素。超新星爆炸期间发生的中子俘获事件进一步促成钒同位素的形成。随着恒星碎屑形成新的行星系统,这种过渡金属便被散布到整个宇宙中。

地球上的分布

地壳中约含有120 ppm的钒,在元素丰度中排名第22位。这种中等浓度反映了钒的地球化学行为:在大多数地质环境中,钒会取代岩石形成矿物中的铁和铝,而不是形成独立的钒矿物。

钒的主要来源

磁铁矿铁矿石提供了全球钒产量的71%,尤其是层状镁铁质侵入体,其中钒通过岩浆过程富集。南非的Bushveld Complex拥有世界上最大的钒资源,其磁铁矿层含有1-2%的V₂O₅,这些矿层由富钒岩浆的分级结晶形成。

石油和油砂是非常规钒来源,其中有机化合物从古代海水中富集了钒。委内瑞拉重油中的钒含量最高可达1400 ppm,可从石油加工残渣中回收五氧化二钒。

独特的矿物产状

钾铀钒矿(K₂(UO₂)₂(VO₄)₂·3H₂O)产于科罗拉多高原的砂岩型铀矿床中,可通过溶液采矿同时获取铀和钒。钒铅矿(Pb₅(VO₄)₃Cl)在氧化铅矿床中形成壮观的红色晶体,但对商业钒生产的贡献很小。

全球资源和产量

中国凭借钢渣加工以及陕西、湖南特有的石煤矿床,占全球钒产量的57%,居主导地位。随后是俄罗斯(17%)和南非(16%);南非的Bushveld Complex拥有全球35%的钒储量。

二次回收

钢铁生产会产生富钒钢渣和飞灰,其中含有15-25%的V₂O₅,可通过焙烧和浸出工艺回收。这种二次生产占全球钒供应量的22%,展示了从工业废物流中有效回收资源的可能性。

处理

安全

钒的安全性:了解中等危害

钒化合物具有中等毒性,需要采取适当的安全措施,尤其要防范粉尘吸入和某些钒盐。了解暴露途径并实施适当控制措施,可以确保在工业应用中安全操作。

健康影响

五氧化二钒(V₂O₅)是主要的职业健康风险,长期暴露可能引起呼吸道刺激、咳嗽和肺部损伤。急性症状包括舌头变绿、金属味和胃肠道刺激。慢性暴露可能导致支气管炎和肺功能下降,不过停止暴露后影响通常可以逆转。

职业暴露限值

  • OSHA PEL:0.5 mg/m³(8小时TWA),适用于五氧化二钒粉尘和烟雾
  • NIOSH REL:1 mg/m³(15分钟上限),适用于钒化合物
  • ACGIH TLV:0.05 mg/m³(8小时TWA),适用于五氧化二钒
  • 钒铁粉尘:1 mg/m³(可吸入部分)

暴露途径

在钢铁生产、催化剂处理和钒加工操作中,吸入带来的风险最大。皮肤接触钒化合物可能引起皮肤刺激并造成潜在吸收。工作场所中,受到污染的食物或不良卫生习惯可能导致摄入风险。

个人防护装备

  • 呼吸防护:粉尘环境至少使用N95;细颗粒环境使用P100;高浓度环境使用供气式呼吸器
  • 皮肤防护:使用耐钒化合物的丁腈手套;粉尘暴露时穿防护服
  • 眼睛防护:使用带侧护板的安全眼镜;研磨或破碎操作时使用护目镜
  • 卫生设施:紧急洗眼站;独立更衣区;建议配备淋浴设施

工程控制

在粉尘产生点设置局部排风,可以有效控制空气中的钒暴露。钒化合物处理采用封闭工艺,可最大限度减少工人与其接触。破碎和研磨操作期间采用湿法抑尘,可以显著减少粉尘产生。

应急措施

吸入:立即脱离暴露环境;必要时提供新鲜空气和氧气;出现呼吸道症状时就医。皮肤接触:用水冲洗15分钟;脱去受污染的衣物;刺激持续时就医。眼睛接触:用清水冲洗15分钟;立即就医。摄入:用水漱口;不要催吐;立即就医。

快速解答

钒:常见问题

钒是什么?

钒(符号V)是元素周期表中的第23号元素,属于4周期5族的过渡金属。 一种过渡金属,会根据其氧化态在溶液中呈现四种不同颜色。 在室温下为固态。

钒的电子排布是什么?

钒的基态电子排布为[Ar] 3d³ 4s²,共有4个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 11, 2。

钒的熔点和沸点是多少?

钒在2183 K(1909.9 °C)熔化,在3680 K(3406.9 °C)沸腾。 因此它属于最耐高温的元素之列——在能使大多数金属汽化的温度下,它仍保持固态。

钒的原子量是多少?

钒的标准原子量为50.942 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。

钒的密度是多少?

钒的密度为6.11 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此钒块约重6.1倍。

钒的电负性是多少?

钒的鲍林电负性为1.63。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。

谁发现了钒,是在什么时候?

钒由Andres Manuel del Rio于1801年发现。 它以vanadis,北欧神话中的美与爱之女神命名。

钒在地球上有多常见?

钒约占地壳的120 mg/kg——含量足够高,可以进行规模化开采。