钒

钒（fán）（英語：Vanadium），是一種化學元素，化學符號为V，原子序數为23，原子量為7001509415000000000♠50.9415 u。釩是一種堅硬、銀灰色，具韌性、可延展的過渡金屬。在自然界中很少發現元素金屬，但是一旦經人工分離，會形成氧化層（鈍化）防止自由態的金屬氧化，使之更穩定存在。

钒 ₂₃V

氫（非金屬） 氦（惰性氣體） 鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（惰性氣體） 鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（惰性氣體） 鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（惰性氣體） 銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鎝（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（惰性氣體） 銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鎦（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砈（類金屬） 氡（惰性氣體） 鍅（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 錼（錒系元素） 鈽（錒系元素） 鋂（錒系元素） 鋦（錒系元素） 鉳（錒系元素） 鉲（錒系元素） 鑀（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為惰性氣體） － ↑ 钒 ↓ 铌 钛 ← 钒 → 铬
外觀
银灰色固态金属
概況
名稱·符號·序數	钒（Vanadium）·V·23
元素類別	过渡金属
族·週期·區	5·4·d
標準原子質量	50.9415(1)[1]
电子排布	[Ar] 3d3 4s2 2，8，11，2 钒的电子層（2，8，11，2）
歷史
發現	安德烈·曼纽尔·德·里奥（1801年）
分離	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）
物理性質
物態	固态
密度	（接近室温） 6.0 g·cm−3
熔点	2183 K，1910 °C，3470 °F
沸點	3680 K，3407 °C，6165 °F
熔化热	21.5 kJ·mol−1
汽化热	444 kJ·mol−1
比熱容	24.89 J·mol−1·K−1
蒸氣壓 壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k 溫/K 2101 2289 2523 2814 3187 3679
原子性質
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
雜項
晶体结构	体心立方
磁序	顺磁性
電阻率	（20 °C）197 n Ω·m
熱導率	30.7 W·m−1·K−1
热膨胀系数	（25 ℃）8.4 µm/(m·K)
聲速（細棒）	（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） 衰變 方式 能量​（MeV） 產物 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% 穩定，帶28粒中子

1801年，安德烈·曼努埃尔·德尔里奥在墨西哥發現了一種釩化合物，他分析了一種新的含鉛礦物，他稱之為「褐色鉛」，並根據其質量推測是一種新元素的存在，他稱之為erythronium（源自希臘語，意義為「紅色」，ἐρυθρόν，eruthrón）因為加熱後大多數鹽變成紅色。四年後，他錯誤地被其他科學家說服该元素与鉻相同。1830年，Nils Gabriel Sefström生成了釩的氯化物，進而證明了一種新的元素，他以斯堪的納維亞的美丽和生育女神Vanadís（Freyja）將這種元素命名為“vanadium”。這個名字歸因於釩化合物中廣泛的顏色。Del Rio的鉛礦石後來因其釩含量而更名為釩鉛礦。1867年亨利恩菲爾德羅斯科得到了純的釩元素。

釩天然存在於約65種礦物和化石燃料沉積物中。它是由中國和俄羅斯的鋼鐵冶煉渣中所得到。其他國家則直接從磁鐵礦、重油煙塵或鈾礦開採的副產品中生產。它主要用於製造特種鋼合金，如高速工具鋼。最重要的工業用途為釩化合物五氧化二釩用作生產硫酸的催化劑。用於儲能的釩氧化還原電池可能是未來的重要應用。

在少數生物中發現了大量的釩離子，可能是毒素。 氧化物和一些其他釩鹽具有中等毒性。特別是在海洋中，釩被一些生命作為酶的活性中心，例如一些海藻的釩溴過氧化物酶（英语：Vanadium bromoperoxidase）。

特性

钒為一中等硬度可延展的銀灰過渡金屬，有些描述形容它很「軟」，應是因為它的延展性。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黃色的五价钒。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裡的合金元素。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
• 可做藍色顏料，稱為「釩鋯藍」或「土耳其藍」

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釩首次得到了纯的钒。

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

釩共有31種同位素，其中⁵¹V穩定。

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^{[來源請求]}
• 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

五氧化二釩是釩最重要的化合物，常被用来做催化剂、染料和固色剂。五氧化二钒加熱可放出氧氣，且這個反應是可逆的。五氧化二钒的性質可催化二氧化硫、苯和萘的氧化反應，在工業上用來製造硫酸、鄰苯二甲酐和順丁烯二酐。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。它是兩性化合物，可以与酸和碱反应。它也是氧化劑。

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）.

外部連結

• 元素钒在洛斯阿拉莫斯国家实验室的介紹（英文）
• EnvironmentalChemistry.com —— 钒（英文）
• 元素钒在The Periodic Table of Videos（諾丁漢大學）的介紹（英文）
• 元素钒在Peter van der Krogt elements site的介紹（英文）
• WebElements.com – 钒（英文）