钒

钒（fán）（英语：Vanadium），是一种化学元素，化学符号为V，原子序数为23，原子量为7001509415000000000♠50.9415 u。钒是一种坚硬、银灰色，具韧性、可延展的过渡金属。在自然界中很少发现元素金属，但是一旦经人工分离，会形成氧化层（钝化）防止自由态的金属氧化，使之更稳定存在。

钒 ₂₃V

氢（非金属） 氦（惰性气体） 锂（碱金属） 铍（碱土金属） 硼（类金属） 碳（非金属） 氮（非金属） 氧（非金属） 氟（卤素） 氖（惰性气体） 钠（碱金属） 镁（碱土金属） 铝（贫金属） 硅（类金属） 磷（非金属） 硫（非金属） 氯（卤素） 氩（惰性气体） 钾（碱金属） 钙（碱土金属） 钪（过渡金属） 钛（过渡金属） 钒（过渡金属） 铬（过渡金属） 锰（过渡金属） 铁（过渡金属） 钴（过渡金属） 镍（过渡金属） 铜（过渡金属） 锌（过渡金属） 镓（贫金属） 锗（类金属） 砷（类金属） 硒（非金属） 溴（卤素） 氪（惰性气体） 铷（碱金属） 锶（碱土金属） 钇（过渡金属） 锆（过渡金属） 铌（过渡金属） 钼（过渡金属） 锝（过渡金属） 钌（过渡金属） 铑（过渡金属） 钯（过渡金属） 银（过渡金属） 镉（过渡金属） 铟（贫金属） 锡（贫金属） 锑（类金属） 碲（类金属） 碘（卤素） 氙（惰性气体） 铯（碱金属） 钡（碱土金属） 镧（镧系元素） 铈（镧系元素） 镨（镧系元素） 钕（镧系元素） 钷（镧系元素） 钐（镧系元素） 铕（镧系元素） 钆（镧系元素） 铽（镧系元素） 镝（镧系元素） 钬（镧系元素） 铒（镧系元素） 铥（镧系元素） 镱（镧系元素） 镏（镧系元素） 铪（过渡金属） 钽（过渡金属） 钨（过渡金属） 铼（过渡金属） 锇（过渡金属） 铱（过渡金属） 铂（过渡金属） 金（过渡金属） 汞（过渡金属） 铊（贫金属） 铅（贫金属） 铋（贫金属） 钋（贫金属） 砈（类金属） 氡（惰性气体） 钫（碱金属） 镭（碱土金属） 锕（锕系元素） 钍（锕系元素） 镤（锕系元素） 铀（锕系元素） 镎（锕系元素） 钚（锕系元素） 镅（锕系元素） 锔（锕系元素） 锫（锕系元素） 锎（锕系元素） 锿（锕系元素） 镄（锕系元素） 钔（锕系元素） 锘（锕系元素） 铹（锕系元素） 𬬻（过渡金属） 𬭊（过渡金属） 𬭳（过渡金属） 𬭛（过渡金属） 𬭶（过渡金属） 鿏（预测为过渡金属） 𫟼（预测为过渡金属） 𬬭（预测为过渡金属） 鿔（过渡金属） 鿭（预测为贫金属） 𫓧（贫金属） 镆（预测为贫金属） 𫟷（预测为贫金属） 鿬（预测为卤素） 鿫（预测为惰性气体） － ↑ 钒 ↓ 铌 钛 ← 钒 → 铬
外观
银灰色固态金属
概况
名称·符号·序数	钒（Vanadium）·V·23
元素类别	过渡金属
族·周期·区	5·4·d
标准原子质量	50.9415(1)[1]
电子排布	[Ar] 3d3 4s2 2，8，11，2 钒的电子层（2，8，11，2）
历史
发现	安德烈·曼纽尔·德·里奥（1801年）
分离	尼尔斯·加布里埃尔·塞夫斯特瑞姆（1830年）
命名	尼尔斯·加布里埃尔·塞夫斯特瑞姆（1830年）
物理性质
物态	固态
密度	（接近室温） 6.0 g·cm−3
熔点	2183 K，1910 °C，3470 °F
沸点	3680 K，3407 °C，6165 °F
熔化热	21.5 kJ·mol−1
汽化热	444 kJ·mol−1
比热容	24.89 J·mol−1·K−1
蒸气压 压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k 温/K 2101 2289 2523 2814 3187 3679
原子性质
氧化态	+5,+4,+3,+2,+1,-1 （两性）
电离能	第一：650.9 kJ·mol−1 第二：1414 kJ·mol−1 第三：2830 kJ·mol−1 （更多）
原子半径	134 pm
共价半径	153±8 pm
钒的原子谱线
杂项
晶体结构	体心立方
磁序	顺磁性
电阻率	（20 °C）197 n Ω·m
热导率	30.7 W·m−1·K−1
热膨胀系数	（25 ℃）8.4 µm/(m·K)
声速（细棒）	（20 °C）4560 m·s−1
杨氏模量	128 GPa
剪切模量	47 GPa
体积模量	160 GPa
泊松比	0.37
莫氏硬度	6.7
布氏硬度	750 MPa
CAS号	7440-62-2
同位素 查 论 编
主条目：钒的同位素 同位素 丰度 半衰期​（t1/2） 衰变 方式 能量​（MeV） 产物 48V 人造 15.9735 天 β+ 2.993 48Ti 49V 人造 330 天 ε 0.602 49Ti 50V 0.250% 2.71×1017 年 β+ 1.187 50Ti 51V 99.750% 稳定，带28粒中子

1801年，安德烈·曼努埃尔·德尔里奥在墨西哥发现了一种钒化合物，他分析了一种新的含铅矿物，他称之为“褐色铅”，并根据其质量推测是一种新元素的存在，他称之为erythronium（源自希腊语，意义为“红色”，ἐρυθρόν，eruthrón）因为加热后大多数盐变成红色。四年后，他错误地被其他科学家说服该元素与铬相同。1830年，Nils Gabriel Sefström生成了钒的氯化物，进而证明了一种新的元素，他以斯堪的纳维亚的美丽和生育女神Vanadís（Freyja）将这种元素命名为“vanadium”。这个名字归因于钒化合物中广泛的颜色。Del Rio的铅矿石后来因其钒含量而更名为钒铅矿。1867年亨利恩菲尔德罗斯科得到了纯的钒元素。

钒天然存在于约65种矿物和化石燃料沉积物中。它是由中国和俄罗斯的钢铁冶炼渣中所得到。其他国家则直接从磁铁矿、重油烟尘或铀矿开采的副产品中生产。它主要用于制造特种钢合金，如高速工具钢。最重要的工业用途为钒化合物五氧化二钒用作生产硫酸的催化剂。用于储能的钒氧化还原电池可能是未来的重要应用。

在少数生物中发现了大量的钒离子，可能是毒素。 氧化物和一些其他钒盐具有中等毒性。特别是在海洋中，钒被一些生命作为酶的活性中心，例如一些海藻的钒溴过氧化物酶（英语：Vanadium bromoperoxidase）。

特性

钒为一中等硬度可延展的银灰过渡金属，有些描述形容它很“软”，应是因为它的延展性。不易腐蚀，在碱、硫酸和盐酸中它相当稳定。在933K（660 ℃）以上的温度中它氧化为五氧化二钒 （V₂O₅）。钒的结构强度相当高。

在氧化物中钒一般显+5价，但也有+2、+3和+4价的氧化物存在，不过它们比较容易过渡为+5价的氧化物。2价和3价的钒氧化物是碱性的，4价的氧化物是两性的，5价的氧化物是酸性的。

纯度99.95%的钒切片

一个很有趣的试验是用锌来还原无色的钒酸铵（NH₄VO₃）。在试验的过程中钒相继被还原成蓝色的四价钒、绿色的三价钒、紫蓝色的二价钒，随后低价的钒又会被空气中的氧氧化为金黄色的五价钒。由于钒的价数很容易改变，它也经常被用做催化剂。+1价的钒很少出现。理论上0、-1和-3价的钒也有可能。

应用

大约80%的钒和铁一起作为钢里的合金元素。含钒的钢很硬很坚实，但一般其钒含量少于1%。

• 含钒的合金有：
  • 运用在医疗器械中的特别的不锈钢
  • 运用在工具中的不锈钢
  • 与铝一起作为钛合金物运用在高速飞机的涡轮喷气发动机中
  • 含钒的钢经常被用在轴、齿轮等关键的机械部分中
• 钒吸收裂变中子的截面很小，因此被用在核工业中
• 在炼钢过程中钒被用来促进碳化物的形成
• 在给钢涂钛的时候钒往往被作为中介层
• 钒与镓的合金可以用来制作超导电磁铁，其磁强度可达175,000高斯
• 在制造缩苹果酸酐和硫酸的过程中五氧化二钒被用来做催化剂. 钒基混合氧化物是丙烷，丙烯和丙烯醛生产丙烯酸的有效催化剂^[2][3][4][5]。
• 五氧化二钒（V₂O₅）被用来制做特殊的陶瓷作为催化剂
• 可做蓝色颜料，称为“钒锆蓝”或“土耳其蓝”

历史

1801年西班牙矿物学家安德烈·曼纽尔·德·里奥在墨西哥城的一个铅矿中首先发现了钒，但他错误地以为他所发现的只不过是一种不纯的铬。1831年瑞典化学家尼尔斯·加布里埃尔·塞夫斯特瑞姆在与铁矿做试验时重新发现了钒，同年弗里德里希·维勒证实了德·里欧的发现。1867年亨利·英弗尔德·罗斯用氢还原二氯化钒首次得到了纯的钒。

塞夫斯特瑞姆给钒按日尔曼神话中美丽女神的名字起了名，因为钒的化合物色彩缤纷。

生理

在生物体内钒是一些酶的必要组成部分。一些固氮的微生物使用含钒的酶来固定空气中的氮。

鼠和鸡也需要少量的钒，缺钒会阻碍它们的生长和繁殖。含钒的血红蛋白存在于海鞘类动物中。

一些含钒的物质具有类似胰岛素的效应，也许可以用来治疗糖尿病。

同位素

主条目：钒的同位素

钒共有31种同位素，其中⁵¹V稳定。

来源

在大自然中钒一般以化合物存在。约65种钒的化合物在自然中出现，其中有

• 硫化钒 （VS₄）
• 绿硫钒矿 （VS₂或V₂S₄）
• 钒铅矿 [Pb₅(VO₄)₃Cl]
• 钒云母 [KV₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂]
• 钒酸钾铀矿 [K₂(UO₂)₂(VO₄)₂·3H₂O]
• 磁铁矿一般含1-2%的钒^{[来源请求]}
• 钒钛磁铁矿也是是钒的来源之一

在矾土和石油、煤、油页岩中也含有大量钒，特别是委内瑞拉和加拿大的石油中能找到钒。光谱分析发现在太阳和一些恒星的表面也有钒。

生产

纯的金属钒一般是用钾在高压下将五氧化二钒还原而得到的。大多数钒是其它矿物加工时的副产品。工业上也可以铝，焦炭还原五氧化二钒生产纯钒。

化合物

五氧化二钒是钒最重要的化合物，常被用来做催化剂、染料和固色剂。五氧化二钒加热可放出氧气，且这个反应是可逆的。五氧化二钒的性质可催化二氧化硫、苯和萘的氧化反应，在工业上用来制造硫酸、邻苯二甲酐和顺丁烯二酐。五氧化二钒是橙色的，具有毒性，不同于大多数金属氧化物，五氧化二钒微溶于水。它是两性化合物，可以与酸和碱反应。它也是氧化剂。

从左到右：[V(H₂O)₆]²⁺（紫色），[V(H₂O)₆]³⁺（绿色），[VO(H₂O)₆]²⁺（蓝色），[VO₂(H₂O)₆]⁺（黄色）

注意

• 钒很易燃。
• 钒的化合物毒性很高。
• 含钒的尘埃被吸入后会导致肺癌。

参考文献

1. Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip J. H.; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro A. J. Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 2022-05-04. ISSN 1365-3075. doi:10.1515/pac-2019-0603 （英语）.
2. The reaction network in propane oxidation over phase-pure MoVTeNb M1 oxide catalysts. Journal of Catalysis. 2014, 311: 369–385 [2019-06-13]. （原始内容存档于2020-07-13）.
3. Multifunctionality of Crystalline MoV(TeNb) M1 Oxide Catalysts in Selective Oxidation of Propane and Benzyl Alcohol. ACS Catalysis. 2013, 3 (6): 1103–1113 [2019-06-13]. （原始内容存档于2019-03-29）.
4. Surface chemistry of phase-pure M1 MoVTeNb oxide during operation in selective oxidation of propane to acrylic acid. Journal of Catalysis. 2012, 285: 48–60 [2019-06-13]. （原始内容存档于2020-07-13）.
5. Kinetic studies of propane oxidation on Mo and V based mixed oxide catalysts. 2011 [2019-06-13]. （原始内容存档于2020-05-19）.

外部链接

• 元素钒在洛斯阿拉莫斯国家实验室的介绍（英文）
• EnvironmentalChemistry.com —— 钒（英文）
• 元素钒在The Periodic Table of Videos（诺丁汉大学）的介绍（英文）
• 元素钒在Peter van der Krogt elements site的介绍（英文）
• WebElements.com – 钒（英文）