V • Ordnungszahl 23
Vanadium
Vanadium ist silberweißes Übergangsmetall mit guter mechanischer Stabilität und Dehnbarkeit. Es hat einen sehr hohen Schmelzpunkt und ist korrosionsbeständig.
Seine Hauptanwendung ist die Verwendung als Zusatzstoff in Stahl und Titanlegierungen zur Verbesserung deren Festigkeit und Hitze- und Korrosionsbeständigkeit sowie als Katalysator für Chemikalien.
Die Bedeutung von Vanadium-Redox-Batterien für die Energiespeicherung nimmt zu und somit auch die Rolle von Vanadium als strategischer Rohstoff. IN der EU ist Vanadium auf der Liste für kritische Rohstoffe.
China, Südafrika und Russland sind die führenden Vanadiumförderländer
Der kanadisch-brasilianische Hersteller Largo ist Marktführer von Vanadiumprodukten insbesondere für hochreines Vanadiumpentoxid und Vanadium-Elektrolyte für Batterien.
In der EU und in den USA ist Vanadium als kritischer Rohstoff gelistet.
Vanadium wurde 1801 vom spanisch-mexikanischen Mineralogen Andrés Manuel del Río entdeckt und Panchromium bzw. Erythronium genannt. Allerdings wurde es im Anschluss für unreines Chrom gehalten.
Das Element wurde 1830 vom schwedischen Chemiker Nils Gabriel Sefström wiederentdeckt und nach Vanadis, der skandinavischen Göttin der Schönheit und Jugend, benannt. Der Name war aufgrund der schönen Farben der Vanadiumverbindungen in Lösung nahegelegt worden.
Der englische Chemiker Henry Enfield Roscoe isolierte das Metall 1867 erstmals durch Wasserstoffreduktion von Vanadiumdichlorid.
Die amerikanischen Chemiker John Wesley Marden und Malcolm N. Rich haben es 1925 in einer Reinheit von 99,7 Prozent durch Reduktion von Vanadiumpentoxid V₂O₅ mit metallischem Calcium gewonnen.
Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckte man, dass Vanadium die Festigkeit von Stahl deutlich erhöht. Henry Ford verwendete es im Modell T (1908), was den Ruf von Vanadium als Legierungsmetall begründete.
Heute ist Vanadium wichtig für Redox-Flow-Batterien, Hochleistungsstähle und Speziallegierungen.
Die stabilsten künstlichen Isotope sind 48V mit einer Halbwertszeit von 16 Tagen und 49V mit einer Halbwertszeit von 330 Tagen. Diese finden als Tracer Verwendung. Alle anderen Isotope und Kernisomere sind sehr instabil und zerfallen in Minuten oder Sekunden.
90 Prozent des Vanadium-Bedarfs kommen aus der Stahlindustrie, wo Vanadium in verschiedenen Stählen und Legierungen für Werkzeuge, Achsen, Kurbelwellen, Zahnrädern und andere kritische Komponenten sowie in Düsentriebwerken und Flugzeugjets verwendet wird.
An Bedeutung gewinnt Vanadium für Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFB). VRFB eignen sich besonders in Großspeicheranlagen für erneuerbare Energien, da sie eine hochsichere und umweltfreundliche mittel- und langfristige Energiespeicherung ermöglichen.Allerdings ist die begrenzte Verfügbarkeit von Vanadium als Rohstoff ein Nachteil der VRFB-Technologie.
Weitere Anwendungen sind Hochtechnologieanwendungen wie Supraleiter, Kernreaktoren, Katalysatoren, Keramik und Glas.
Obwohl es mit Carnotit, Vanadinit und Roscoelit vanadiumhaltige Erze gibt, entsteht es meist als Nebenprodukt von Eisen- (Magnetit) und Titanminen (Titanomagnetit).
China ist mit 60 Prozent Weltmarktanteil führend beim Vanadiumabbau. Das wichtigste Unternehmen ist Pangang in Sichuan, ein wichtiger Titanerzproduzent.
In Russland fällt Vanadium als Nebenprodukt bei der Stahl- und Eisenerzverarbeitung im Ural an. Der Konzern EVRAZ ist neben VSMPO-AVISMA ein globaler Schlüsselplayer.
Der Bushveld-Komplex in Südafrika ist eine weitere wichtige Quelle für den Vanadium-Abbau. Auch Brasilien und Australien fördern Vanadium.
Die globale Jahresproduktion beträgt um die 100.000 Tonnen.
Kristallstruktur von Vanadium, a = 302,4 pm
Vanadium ist ein nichtmagnetisches, zähes, schmiedbares und deutlich stahlblaues Schwermetall mit einer Dichte von 6,11 g/cm3. Reines Vanadium ist relativ weich, wird aber durch Beimengungen anderer Elemente härter und besitzt dann eine hohe mechanische Festigkeit. In den meisten Eigenschaften ähnelt es seinem Nachbarn im Periodensystem, dem Titan. Der Schmelzpunkt von reinem Vanadium liegt bei 1910 °C, dieser wird jedoch durch Verunreinigungen wie Kohlenstoff deutlich erhöht. Bei einem Gehalt von 10 % Kohlenstoff liegt er bei etwa 2700 °C. Vanadium kristallisiert wie Chrom oder Niob in einer kubisch-raumzentrierten Kristallstrukturmit der Raumgruppe und dem Gitterparameter a = 302,4 pm sowie zwei Formeleinheiten pro Elementarzelle.
Unterhalb einer Sprungtemperatur von 5,13 K wird Vanadium zum Supraleiter. Ebenso wie reines Vanadium sind auch Legierungen des Vanadiums mit Gallium, Niob und Zirconium supraleitend. Bei Temperaturen unter 5,13 K zeigt Vanadium, ebenso wie die Vanadiumgruppenmetalle Niob und Tantal, in kleinsten Klümpchen bis 200 Atomen eine bisher nicht erklärte, spontane elektrische Polarisation, wie sie sonst nur nichtmetallische Stoffe aufweisen.
Vanadium ist ein unedles Metall und in der Lage, mit vielen Nichtmetallen zu reagieren. An der Luft bleibt es wochenlang metallisch glänzend. Bei der Betrachtung über längere Zeiträume wird deutlich sichtbarer grüner Rost wahrgenommen. Soll Vanadium konserviert bleiben, so muss es unter Argon aufbewahrt werden. In der Hitze wird es von Sauerstoff angegriffen und zu Vanadium(V)-oxid oxidiert. Während Kohlenstoff und Stickstoff mit Vanadium erst bei Weißglut reagieren, findet die Reaktion mit Fluor und Chlor schon in der Kälte statt.
Gegenüber Säuren und Basen ist Vanadium bei Raumtemperatur meist stabil auf Grund einer dünnen, passivierenden Oxidschicht, angegriffen wird es nur von Flusssäure sowie stark oxidierend wirkenden Säuren wie heißer Salpetersäure, konzentrierter Schwefelsäure und Königswasser.
Eine Vorprobe liefert die Phosphorsalzperle, bei der Vanadium in der Reduktionsflamme charakteristisch grün erscheint. Die Oxidationsflamme ist schwach gelb und damit zu unspezifisch.