وانادیم ؛ الهه زیبایی در فلزات!

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 ‌ها
که 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 كشف شد. او این عنصر را “اریترونیوم” نامید اما سرانجام به این باور رسید كه 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.

9

دقیــقه مطالعه

کوره قوس الکتریکی (EAF)

یکی از روش های مهم تولید فولاد و چدن، ذوب و پالایش قطعات قراضه در کوره قوس الکتر...

آلیاژسازی با وانادیم

پیش از این گفتیم که تقریباً 80 درصد از وانادیوم تولید شده، به عنوان فرووانادیوم یا به عنوان افزودنی فولادی استفاده می شود. پدیدۀ افزایش قابل توجه استحکام در فولادهای حاوی مقادیر کم وانادیوم، در اوایل قرن 20 کشف شد. وانادیوم نیتریدها و کاربیدهای پایداری تشکیل می دهد و در نتیجه سبب افزایش قابل توجه استحکام فولاد می شود.

از آن زمان تاکنون، فولادهای وانادیومی برای استفاده در محورها، قاب های دوچرخه، انواع میل لنگ، چرخ دنده و سایر اجزای مهم مورد استفاده قرار می گیرند. به طور کلی فولادهای وانادیومی به دو گروه آلیاژی تقسیم می شوند.

• فولادهای وانادیمی پر کربن؛ حاوی 0.15 تا 0.25 درصد وانادیوم
• فولادهای ابزار پرسرعت (HSS)؛ حاوی 1 تا 5 درصد کربن

برای فولادهای ابزار پرسرعت می توان سختی هایی بالای 60HRC را به دست آورد. از این فولادهای HSS در ابزارهای جراحی و دیگر ابزارهای مستحکم استفاده می شود. با گذشت زمان، جهان به فولاد بیشتری برای ساخت و ساز نیاز خواهد داشت. بنابراین وانادیوم بیشتری هم لازم خواهد بود. همین موضوع سبب شده این عنصر برای دولت های در حال توسعه، بسیار استراتژیک تر از قبل شود.

آلیاژهای وانادیومی تولید شده از متالورژی پودر، حاوی 18 درصد وانادیوم هستند. محتوای بالای کاربیدهای وانادیوم در این آلیاژها مقاومت در برابر سایش را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. یکی از کاربردهای این آلیاژها در ساخت ابزارها و چاقوهاست.

عنصر وانادیم، فرم بتای تیتانیوم را تثبیت کرده و قدرت و پایداری حرارتی تیتانیوم را افزایش می دهد. با رجوع به همین خاصیت، وانادیم به همراه آلومینیوم و تیتانیوم در ساخت ایمپلنت های آلیاژی دندان استفاده می شود.

9

دقیــقه مطالعه

تیتانیوم ؛ آچارفرانسه مهندسی پزشکی!

به جرئت می توان گفت در عصر حاضر، تیتانیوم اولویت اصلی برای تجهیزات ارتوپدی و دند...

تیتانیوم 3/2.5 متداول ترین آلیاژ برای لوله های بدون درز است که حاوی 2.5 درصد وانادیوم است. آلیاژ متداول دیگر که عمدتا به صورت در ورق تولید می شود ، تیتانیوم 6AL-4V است که شامل 6 درصد آلومینیوم و 4 درصد وانادیوم است. گفتنی است که چندین آلیاژ وانادیم (مانند A15 با ترکیب V₃S) از خود رفتار ابررسانایی نشان می دهند.

9

دقیــقه مطالعه

لوله مانیسمان (لوله بدون درز)

صنایع نفت، پتروشیمی و گاز، همواره نیازمند خطوط لوله برای انتقال مواد هستند. این ...

برخی متالورژیست ها اذعان کرده اند که که مقدار کمی از وانادیم (40 تا 270 پی ­پی ­ام) در فولاد دمشقی، استحکام این محصولات تولیدی به طور قابل توجهی بهبود می بخشد. اگرچه منبع وانادیوم در این فولادها هنوز به طور واضح مشخص نیست.

از وانادیم چه استفاده هایی می توان کرد؟

• تولید فرووانادیوم به عنوان یک مادۀ افزودنی به فولاد
• فلزات ضدخش، وسایل جراحی و ابزارآلات با استحکام بالا
• تولید مواد ضد زنگ
• مواد افزودنی شیشه برای اعمال ته رنگ سبز یا آبی
• بخشیدن خاصیت ضد فروسرخ (در دماهایی مشخص) با اعمال پوشش اکسید وانادیم روی شیشه
• کاربردهای هسته ‌ای به دلیل نداشتن شکافت نوترونی
• استفاده به صورت ورق وانادیوم در آبکاری تیتانیوم در فلزات
• استفاده به صورت نوار وانادیوم-گالیوم؛ به دلیل خاصیت مگنت ابررسانا
• کاتالیزور در تولید Maleic Anhydride و اسید سولفوریک
• استفاده از پنتااکسید وانادیوم به‌ عنوان کاتالیزور در سفالگری

عوارض جانبی و ایمنی

مصرف از راه دهان

مصرف وانادیم برای بزرگسالان در مقادیر کمتر از 1.8 میلی گرم در روز، به احتمال زیاد ایمن است. اما مصرف بیش از حد این ماده از طریق دهان، ایمن نیست. مصرف در دوزهای بالاتر اغلب باعث عوارض جانبی ناخواسته از جمله ناراحتی معده، اسهال، حالت تهوع و نفخ می شود. همچنین عارضه هایی مانند زبان مایل به سبز، از دست دادن انرژی، مشکلات سیستم عصبی و آسیب کلیه نیز مشاهده شده است.

احتیاط های بارداری

مواد غذایی دارای وانادیم به احتمال زیاد ایمن هستند. اما پزشکان توصیه می کنند در دوران بارداری از مکمل های این ماده استفاده نشود. برخی شواهد نشان می دهد که مصرف مقادیر زیاد وانادیوم در دوران بارداری ممکن است رشد جنین را کُند کند. همچنین به نظر می رسد خطر شکستن کیسه آمنیوتیک قبل از شروع زایمان (پارگی زودرس غشاها یا PROM) را افزایش می دهد.

در ضمن توصیه می شود در دوران شیردهی به نوزاد نیز از مکمل های وانادیوم استفاده نشود. چرا که هنوز اطلاعات قابل اعتماد کافی، برای دانستن این که آیا دوزهای زیاد وانادیوم هنگام شیردهی بی خطر است، وجود ندارد. بنابراین بهتر است احتیاط شود.

افراد دیابتی

عنصر وانادیم در قالب “وانادیل سولفات” ممکن است باعث کاهش قند خون در افراد دیابتی نوع 2 شود. از این رو اگر این ماده را مصرف می کنید، حتما به طور مرتب قند خون خود را با دقت کنترل کنید. همچنین در برخی موارد مشاهده شده است که این ماده به کلیه ها آسیب رسانده است. بنابراین مکمل های وانادیوم به افراد دارای مشکل کلیه پیشنهاد نمی شود.

تاثیرات زیست محیطی وانادیم

این عنصر را می توان در جلبک ها، گیاهان، بی مهرگان، ماهی ها و بسیاری از گونه های دیگر یافت. در صدف ها و خرچنگ ها وانادیوم به شدت تجمع دارد که می تواند منجر به غلظت هایی در حدود یک میلیون برابر بیشتر از غلظت این عنصر در آب دریا منجر شود.

وانادیوم باعث مهار برخی از آنزیم ها در حیوانات می شود که می تواند سبب بروز چندین اثر عصبی خاص در حیوانات شود. همچنین باعث ایجاد اختلالات تنفسی، فلج و اثرات منفی بر روی کبد و کلیۀ گونه های زیستی پستاندار می شود.

تحقیقات آزمایشگاهی روی حیوانات نشان داده است که وانادیوم می تواند به سیستم تولید مثل حیوانات نر آسیب برساند و پس از تولید مثل، در نوع ماده نیز تجمع یابد. این عنصر در برخی موارد می تواند باعث تغییر DNA حیوانات نیز شود. عده ای عقیده دارند امکان ایجاد سرطان در گونه های جانوری هم وجود دارد اما تا کنون شواهدی از سرطان زا بودن وانادیم در جانوران گزارش نشده است.

منابع

www.mining.com

www.britannica.com

Carlson, O. N.; Owen, C. V. (1961). “Preparation of High-Purity Vanadium Metals by the Iodide Refining Process”. Journal of the Electrochemical Society. 108: 88. doi:10.1149/1.2428019.